半導体を使った光デバイスやオプトエレクトロニクスとの関係を解説

2021.05.17(Mon)

半導体

半導体を使った光デバイスやオプトエレクトロニクスとの関係を解説

半導体の中には一定条件を満たすことで光を発光するものがあります。逆に光を当てることで電気を発生させるものなどもあり、これらを実現するための技術をオプトエレクトロニクスと呼びます。以下ではオプトエレクトロニクスに関すること、そして半導体を使った光デバイスについて解説します。

オプトエレクトロニクスとは

オプトエレクトロニクスとは、光工学と電子工学を合わせた領域を意味します。「オプト」の部分が光工学を意味するオプティクス、「テレクトロニクス」の部分が電子工学を意味します。

つまり光と電気の双方が絡み合う技術がオプトエレクトロニクスに該当し、特にここでは半導体が大きな役割を果たしています。

オプトエレクトロニクスと関連が強いモノ

オプトエレクトロニクス領域の応用例は身近にも多くあります。DVDに信号を書き込むときや読み取るときなどに使う半導体レーザーおよび光センサーはその一例です。今では証明に広くLEDが使われていますが、この発光ダイオードも一つの例といえます。例えば信号機にもLEDが使われることが増えましたし、光による視覚的効果のみならずレーザーメスのように光の持つ強いエネルギーを応用したモノなどもあります。

高性能である注目される

現代においてこれだけオプトエレクトロニクスが注目され、従来のモノと代替されるようになっている理由としては「省エネであること」や「高速通信ができること」、「大容量通信ができること」「小型化できること」などが挙げられます。簡単に言うと、高性能であるという単純な理由です。

しかしこの技術の裏には半導体の活躍がありますので、その技術力を持つここ半世紀まで登場してくることがなかったのです。

半導体を使った光デバイス

半導体が実用され始めた当初は現代ほど様々な光デバイスは存在していませんでした。しかし研究が進み、青色発光ダイオードや白色発光ダイオード、フォトダイオード、フォトセル、半導体レーザーなどが出てきました。

青色発光ダイオード

半導体を使って発光作用を得られたからといって、あらゆる色がすぐに再現できるわけではありません。色によって必要な技術が異なり、実際、赤色は1960年代に実現されていますが青色は1990年代まで実現されていませんでした。その過程では緑色なども実現されていたのですが、青色を出すにはしばらく期間を要し、最終的には日本の研究者らにより実用化されています。

白色発光ダイオード

青色が発光できるようになったことで、白色発光ダイオードの研究が進むようになりました。なぜなら人が白色を認識するためには赤と緑、そして青の色を混同させなければならないからです。蛍光灯の発光と異なりLEDなどは単色を出す性能が高いものの、そのせいで三原色を的確にコントロールできなければ白を再現できなかったのです。

青色の実用化により次いで白色発光ダイオードも実用化、蛍光灯に代わる高性能な照明として私たちの日常生活にも溶け込みつつあります。一般的な蛍光灯に比べると消費電力が小さく、耐久性にも優れています。

フォトダイオード

半導体素子は光を放出するだけでなく、逆に光からエネルギーを受けて作用することも可能です。そして吸収された光を電気として流すようにできた素子が「フォトダイオード」です。

ただし発光できる色が限定的であるのと同様、フォトダイオードが検知できる色にも限りがあります。そのためどのような半導体材料を使ったフォトダイオードなのかによって具体的に検知できるものは変わってきます。

半導体の特性を応用し、フォトダイオードにもいくつか種類がありますが、一般的なダイオードに比べて高速・高感度であるという特徴を持つため、光制御および光通信システムなどで使われるケースが多いです。

フォトセル

オプトエレクトロニクスにおいて重要な用語として「光導電効果」というものがあります。これは、光を受けることで半導体素子内部の電気的状態が変化し、導電率が変動するという効果のことです。そしてこの光導電効果を応用したデバイスがフォトセルです。光の強弱によって抵抗の値が変わることになるため、光の強さを測るものとして応用されています。

半導体レーザー

レーザーは内部で光を増幅させており、ある一つの状態に揃えた光のみを放出、それも強いエネルギー状態のものを、直進性を持たせて放出させます。この状態を作り出すために用いられる物質にもいろいろあり、半導体を使ったものが半導体レーザーと呼ばれます。部屋全体を照らす照明として利用するのではなく、ごく小さな領域をピンポイントで照らすため顕微鏡に応用されたり、光ディスクの読み込みや書き込みに使われたり、単なる照明とは異なる用途で様々な場所で使われています。