３分でわかる技術の超キホン 直接遷移型半導体と間接遷移型半導体の違いとは？（LD材料の基礎知識）
光通信では、光源として半導体レーザ（LD）が使われています。
今回のコラムでは、LDに使われる半導体材料の前提知識として「直接遷移型半導体」と「間接遷移型半導体」を解説するとともに、半導体材料と発光波長との関係について確認します。
１．直接遷移型半導体と間接遷移型半導体
半導体と光との相互作用を考えたときに、半導体ではエネルギー幅を持つ価電子帯と伝導帯の間での相互作用となるため、広いエネルギー範囲で光吸収や誘導放出が可能になります。
半導体において、電子が価電子帯と伝導帯の間を遷移する方法には、「直接遷移」と「間接遷移」の2種類があります。
図1に直接遷移と間接遷移のバンド図を示します。
【図1 直接遷移と間接遷移のバンド図】
（1）直接遷移とは？
「直接遷移」とは、図1(a)に示すように、価電子帯の頂上Evと伝導帯の底Ecが一致する、すなわち、波数空間（k空間）において、EvとEcが等しい波数ベクトルk点に存在している場合をいいます。「垂直遷移」と呼ぶこともあります。
伝導帯に励起された電子は、エネルギー差であるバンドギャップEgを光子（フォトン）の形で放出して価電子帯に遷移し、正孔と再結合します。
直接遷移型半導体としては、GaN、GaAs、InP、InAsなどの化合物半導体があります。
これらは光の発生効率が高いため、半導体レーザをはじめとする発光素子に用いられます。
（2）間接遷移とは？
「間接遷移」とは、図1(b)に示すように、価電子帯の頂上Evと伝導帯の底Ecが一致しない、すなわち、波数空間（k空間）において、EvとEcが異なるk点に存在している場合をいいます。
伝導帯に励起された電子は、フォトンによるエネルギーの放出だけではなく、運動量保存の法則から運動量も放出する必要があります。ところが、フォトンは質量が小さく、ほとんど運動量がありません。
そのため、図1(b)の緑色矢印で示すように、格子振動（フォノン）によって運動量を変化させた後に、フォトンとの相互作用で価電子帯に遷移します。
したがって、間接遷移型半導体では、フォトンの放出よりもフォノンの放出が多いため、発光効率が低くなります。
間接遷移型半導体としては、Si、Geなどがありますが、ほとんど発光しないことから発光素子としては不向きであり、主にダイオードやトランジスタなどに用いられます。
２．半導体材料と発光波長との関係
半導体レーザなどの半導体素子における発光波長は、その半導体素子に使われている半導体材料が持つバンドギャップEgの値で決まります。すなわち、半導体素子の放出するエネルギーはEgになります。
一般に、エネルギーEと波長λの関係は、次式で表されます。
E = hν
= hc/λ ・・・（1）
ここで、hはプランク定数、νは光の振動数、cは真空中の光速です。
式（1）より、エネルギーEは波長λに反比例することがわかります。
したがって、バンドギャップEgが大きな半導体材料ほど、発光波長λは短くなります。
次回のコラムでは、半導体レーザ（LD）における半導体材料の選定について具体的に解説します。
（日本アイアール株式会社 N・S)
