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)

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直接遷移型半導体と間接遷移型半導体の基礎知識

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。

直接遷移と間接遷移
【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)

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