レーザーダイオードとは

← 07THEME 08 デバイスと回路09 →

レーザーダイオードとは、pn接合に順方向の電流を流して電子と正孔を再結合させ、そこで生まれた光を反射構造の間で往復させて増やし、波長と位相のそろった光として取り出す半導体素子です。半導体レーザー、LDとも呼ばれます。

半導体レーザーは、バンドをまたぐ電子の移りかわりで発光と増幅をあわせて起こし、素子の内側か外側につくられた反射構造が共振器をなす小さなレーザーです¹。着想が生まれたのは1950年代で、室温で切れ目なく動かせるようになったのは1970年代に入ってすぐです。順方向の電流を流し込んだpn接合で電子と正孔が結び付き、その誘導放出によって光を放つダイオードでもあります²。

出発点は、LEDと同じ発光再結合

pn接合に順方向の電圧をかけると正孔と電子が接合部へ向かって移動し、双方が結び付いたときに余ったエネルギーが光になります³。これを発光再結合と呼び、放たれる光の波長は再結合するときのバンドギャップの大きさで決まります。

シリコンは発光遷移確率の低い間接遷移型半導体なので、発光素子にはGaN系やGaAs系のような直接遷移型の化合物半導体が使われます。ここまではLEDと共通する部分です。

LEDとの境目は、光を往復させて誘導放出で増やすこと

光の放出には、自然放出と誘導放出の2つがあります³。自然放出では、伝導帯の電子がそれぞれ独立に価電子帯の正孔と再結合して発光し、1回の再結合で1個のフォトンが出て完結します。この光の偏光と位相はばらばらです。

誘導放出では、バンドギャップに相当するエネルギーの光が通りかかると、その光に刺激されて伝導帯の電子が価電子帯へ移り、元の光と同じ波長・同じ位相のフォトンが放たれます。1個が2個に、2個が4個にと増えていきます。

増幅を発振まで持っていくには利得を大きくする必要があり、そのためにレーザーダイオードは2枚の反射面を向かい合わせに配置し、その間で光を往復させます。この構造をファブリ・ペロー共振器と呼び、片側の反射面の反射率を下げて光の一部を外へ透過させます。一般には半導体のへき開面が反射面に使われ、そこから光が出る構造を端面発光レーザーと呼びます。反射構造を基板と垂直に重ね、チップの面から光を取り出すのがVCSELです。

反射面を2枚向かい合わせると光の性質が変わります

光をそのまま放つ場合と、2枚の反射面のあいだで往復させる場合を並べています。往復のあいだに誘導放出が重なり、波長と位相のそろった光になります。

発振はしきい値電流から始まり、その境目は温度で動く

順電流に対する光出力の関係はI-Lカーブと呼ばれ、自然発光の領域とレーザー発振の領域に分かれます⁴。発振が始まる電流の値がしきい値電流で、しきい値より下の電流では、同じ素子が自然発光にとどまります。

この境目は温度で動きます。ケース温度25℃のときに光出力5mWを得るために30mAが必要な例では、70℃で44mAが要ります。温度が上がると光出力が下がり、それを補って電流を増やすと発熱がさらに進むという循環が起こるため、放熱の設計が要点になります。

境目は温度で右へずれます

順電流と光出力の関係です。しきい値電流より下では自然発光にとどまり、超えると光出力が急に立ち上がります。温度が上がると曲線が右へずれ、同じ光出力に必要な電流が増えます。

そろった光にも、活性層に垂直な方向の広がりがある

レーザーダイオードの発光は、コヒーレンス性が高く、スペクトル幅が狭く、指向性が高いものです⁴。それでもレーザー光は回折によって広がりながら進み、チップ端面から十分離れた場所での強度分布をファーフィールドパターンと呼びます。チップ内の共振器は垂直方向が数10nm、水平方向が数μmで作られるため、広がりは活性層に垂直な方向のほうが大きくなります。単色性では、幅広い波長で光るLEDに対し、レーザーダイオードはほとんど一定の波長で発光します³。

サージと出射光には相応の注意が要る

レーザーダイオードは、サージ電流が加わると光学的損傷（COD）が起こりやすく⁴、一般のディスクリート製品と比べて静電気耐性が低い素子です。CODは破壊前の光学特性を失ったままになる永久的な損傷で、短い時間で発生するため、予防が要点になります。出射光そのものも危険で、目を直接向けた場合はもちろん、レンズ越しに見た場合にも失明の恐れがあります。

寿命の目安は、資料によって幅がある

ロームは、一般的な条件（ケース温度25℃）の連続点灯で平均寿命を約10,000時間としています。日亜化学工業は自社製品について、超高圧水銀ランプの3,000〜6,000時間に対しLDは約20,000時間としています⁵。

基板の材料が、波長帯と用途を決める

光ディスクのピックアップには、CDで780nm、DVDで650nm、次世代光ディスクで405nmの半導体レーザーが使われます¹。基板の材料でおおよその波長帯が決まり、GaNは青紫から青、GaAsは赤色から1μm付近の赤外、InPは1.3μmと1.55μmを含む通信波長帯にあたります。ロームは近年の用途として、数百ワット級の高出力品と自動運転向けLiDARの光源を挙げています。日亜化学工業は、露光機やプロジェクターで水銀ランプを置き換える例を示しています。

よくある質問（FAQ）

レーザーダイオードとは何ですか？

pn接合に順方向の電流を流し、電子と正孔の再結合で生まれた光を反射構造の間で往復させて増やし、波長と位相のそろった光として取り出す半導体素子です。半導体レーザー、LDとも呼ばれます。

LEDとの境目はどこにありますか？

誘導放出が起こるかどうかです。LEDが発生した光をそのまま放つのに対し、半導体レーザーは共振する構造で自分の光を活性層内に往復させて増やし、位相のそろった強い光として発振します。

しきい値電流とは何ですか？

レーザー発振が始まる電流の値です。順電流と光出力の関係は自然発光の領域とレーザー発振の領域に分かれ、しきい値電流はその境目にあたります。しきい値より下の電流では、同じ素子が自然発光にとどまります。

レーザー光は完全な平行光ですか？

広がりを持ちます。レーザー光は回折によって広がりながら進み、遠方での強度分布をファーフィールドパターンと呼びます。共振器の断面が垂直方向で数10nm、水平方向で数μmと差があるため、広がりは活性層に垂直な方向のほうが大きくなります。

温度が上がるとどうなりますか？

同じ光出力を得るために必要な電流が増えます。ケース温度25℃で光出力5mWに30mAが必要な例では、70℃で44mAが要ります。電流を増やすと発熱がさらに進むため、放熱の設計が要点になります。

静電気に弱いというのは本当ですか？

本当です。サージ電流が加わると光学的損傷（COD）が起こりやすく、一般のディスクリート製品と比べて静電気耐性が低くなります。CODは永久的な損傷で、一度起きた素子は破壊前の光学特性を失ったままになります。

どこで使われていますか？

光ディスクの読み書き、光通信、レーザープリンタ、光学センサ、産業用の切断や溶接などです。ロームは自動運転向けLiDARの光源を、日亜化学工業は露光機やプロジェクターでの水銀ランプの置き換えを挙げています。

比較・違いを学ぶ

LED（発光ダイオード）とは── 同じ発光再結合を使う素子で、共振器の有無がレーザーダイオードとの境目になります
VCSEL（面発光レーザー）とは── 反射構造を基板と垂直に重ね、チップの面から光を取り出すレーザーです
ダイオードとは── 電流を一方向に流す2端子素子で、レーザーダイオードはその光る仲間にあたります
フォトカプラとは── 発光素子と受光素子を組み合わせ、光を絶縁のために使う部品です

出典

5件を表示

1
電子情報通信学会：知識ベース 9群5編2章「半導体レーザー（レーザーダイオード，LD）」ieice-hbkb.org a b
2
東京エレクトロン：公式用語集「半導体レーザー」tel.co.jp ↩
3
ローム：レーザーダイオード（半導体レーザー）とは？rohm.co.jp a b c
4
ローム TechWeb：レーザーダイオードの特性・使用上の注意・駆動回路設計techweb.rohm.co.jp a b c
5
日亜化学工業：レーザーダイオード (LD)nichia.co.jp ↩