物理システム工學科3年次 ‘物性工學概論’ 第9回

1、物理システム工學科３年次物性工學概論第火曜１限L0031教室第８回　光エレクトロニクスと材料[1]　レーザー,佐藤勝昭副學長(兼務)工學教育部,第7回の復習,光電変換：光を電気に変える光伝導(photoconductivity)光電子放出(photoelectron emission)光起電力効果(photovoltaic effect)フォトダイオード、フォトトランジスタ太陽電池実際の応用について學んだ街燈自動點

2、滅器、太陽光発電、ＣＣＤカメラ,第７回の問題（１）,夜になると街燈が自動的に點燈する仕組みを説明せよ。光を受けて抵抗が低くなるCdS光伝導センサーと固體リレーが接続されており、明るいときにはランプの回路が開くようにしておく。暗くなるとリレーの電流がoffになり、接點が閉じてランプが點燈する。,第７回の問題（2）,太陽電池に使うシリコンはＬＳＩに使うシリコンより純度が低くてよい訳は？LSIではキャリア（電子やホール）を高速で輸送しなけ

3、ればならないので、高い移動度が必要である。このために不純物散亂の少ない高純度のシリコンが必要である。太陽電池では、高速動作を必要としないので、不純物散亂があっても問題にならない。,第７回の問題（3）,pn接合が発光ダイオード（光源）にもフォトダイオード（光センサー）にもなる理由順方向バイアスにより、電子とホールを接合領域に注入できるので、そこで再結合して発光するのが発光ダイオード(LED)である。光照射によって接合領域に生成された

4、電子とホールを、逆バイアスによる強い電界で分離して電圧として取り出すのがフォトダイオード(PD)である。,逆バイアス,第８回に學ぶこと,レーザーの歴史レーザ光の特徴身の回りのレーザー自然放出と誘導放出さまざまなレーザー半導體レーザー半導體レーザーの構造半導體レーザーの閾値DFBレーザーLDの製造工程,1.レーザーの歴史,レーザー発明のきっかけは、タウンズ、ショーローによるメーザーの発明だった。彼らは、レーザーの理論的

5、裏付けも與えた。最初のレーザーの実験はメイマンによりルビーロッドを用いて成功した。レーザーの最初の応用はゴールドマン醫(yī)師による眼科治療であった。,http://www.laserservicealliance.com/laser_history.htm,1.レーザーの歴史,レーザー発明のきっかけは、タウンズ、ショーローによるメーザーの発明だった。彼らは、レーザーの理論的裏付けも與えた。最初のレーザーの実験はメイマンによりルビーロ

6、ッドを用いて成功した。レーザーの最初の応用はゴールドマン醫(yī)師による眼科治療であった。,http://www.laserservicealliance.com/laser_history.htm,レーザーの歴史もとになったメーザーの発明,1954年、ベル研のC タウンズとA ショーローは、アンモニアガスを用いて誘導放出によるマイクロ波の増幅器を開発し、これをメーザーと呼んだ。,http://www.laserserviceallian

7、ce.com/laser_history.htm,MASER (Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation),レーザーの歴史レーザーの理論的予言,1958年, C タウンズとA ショーローは赤外または可視のスペクトルのレーザが可能であることを理論的に予測した。,レーザーの歴史最初のレーザーはルビー?レーザだった。,1960年、ヒューズ?エアクラフト

8、のTHメイマンは、合成ルビー?ロッドを用いてコヒーレントな694nm(赤)のミリ秒光パルスを発生することに成功した。當時は光メーザーと呼ばれた。ルビー(Al2O3:Cr)においてレーザー発振が可能であるという物理的根拠は、日本における辻川。田辺?菅野の研究成果がもとになっている。,http://www.laserservicealliance.com/laser_history.htm,LASER (Light Amplificati

9、on by the Stimulated Emission of Radiation),レーザーという用語はメーザーの発明者Cタウンズの研究室の學生ゴードン?グールドによるもので、特許紛爭の後、彼が公式のレーザー発明者ということになっている。,レーザーの歴史最初のレーザー利用は眼科だった。,1960年代、レオン?ゴールドマン醫(yī)師は、ルビーレーザーを用いてレーザー光の生體への作用を系統(tǒng)的に研究し、網膜剝離の手術にレーザーを用いる

10、道を拓いた。ゴールドマンはレーザー醫(yī)療の父と呼ばれている。,http://www.laserservicealliance.com/laser_history.htm,2.　レーザー光の特徴,光波の発振器または増幅器位相がそろっている可干渉(coherent)：異なる２つの光源から出た光が干渉可能指向性(directivity)：広がらずにまっすぐ進む単色性(monochromatic)：狹いスペクトル幅高エネルギー密度(hi

11、gh density)：集光すると加熱できる超短光パルス(ultra short pulse)：フェムト秒まで短くフォトンのボース凝縮狀態(tài)：巨視的に現れた量子狀態(tài),3.身の回りのレーザー,光ストレージ（光ディスク）光ファイバー通信レジのバーコードリーダレーザープリンターレーザー治療レーザー加工レーザー計測レーザポインター,身の回りのレーザー光ファイバー通信（詳細は第９回で）,光ファイバー通信はどのように行われているか

12、調べてみよう。,レーザーの単色性、高いエネルギー密度、高い指向性が利用されている。,身の回りのレーザー光ストレージ（詳しくは、第10回講義で）,CD、DVD、BDMD、MO,レーザ光の単色性と細いビーム→微小スポット高いエネルギー密度→溫度上昇による相変化等が利用されている。次世代のホログラフィックメモリーでは可干渉性が利用される。,身の回りのレーザーPOSレジとバーコードリーダ,バーコードは、縦縞のストライブ形狀を持つラ

13、ベルで、縦縞の太さの違いと數によってデータ化されていて、これを光學的に読みとる。レーザ光は、多面體ミラーの回転によってラベル上にラインとして照射される。ラベルに當たって反射された光をライン狀の受光部で受ける。反射された光の強弱を光センサで読みとって製品を識別する。この裝置によって、お店のレジでは店員が商品をレーザ光にかざすだけで自動的に商品を識別し料金をはじき出すことができる。,レーザ光の直線性、細いビーム、単色性の特徴が活かされ

14、ている。,身の回りのレーザーレーザープリンター,電気信號で強度が変調されたレーザー光は、多面體ミラーの回転によって感光ドラム上に掃引して照射される。感光ドラム上に形成された電荷にトナーを付著して印字する。,http://web.canon.jp/technology/detail/lbp/laserbeam_system/,レーザ光の直線性、細いビーム、単色性の特徴が活かされている。,身の回りのレーザーレーザーディスプレイ,ポリゴン

15、（多面體）ミラーでレーザビームを上下左右に偏向する。,レーザーの高い直線性、単色性、高いエネルギー密度が利用されている,身の回りのレーザーレーザー加工,富士通システムのHPより,レーザーの高い直線性、高いエネルギー密度が利用されている,身の回りのレーザーレーザー治療,主としてCO2レーザーであるがルビーレーザ、YAGレーザ、半導體レーザも用いられる美容形成、眼科、歯科、外科など多方面で使われている。,身の回りのレーザーレーザ

16、ー治療（美容形成）,4.レーザーの原理,自然放出と誘導放出誘導放出の原理レーザーと反転分布正常な分布と反転分布反転分布をどう実現するか,レーザーの原理自然放出と誘導放出,自然放出(spontaneous emission)：勵起狀態(tài)から基底狀態(tài)への緩和によって発光誘導放出(stimulated emission)：光の電界を受けて勵起狀態(tài)から基底狀態(tài)へ遷移、この逆過程は光吸収。前者が後者より強ければ、正味の誘導放出が起きる

17、。この現象をlaser=light amplification by stimulated emission of radiation（誘導放出による光増幅）とよぶ,,レーザーの原理誘導放出の原理,光の吸収により勵起狀態(tài)に反転分布狀態(tài)を作る（ポンピング）光の刺激により勵起狀態(tài)から基底狀態(tài)へ遷移が起きる,http://www.dango.ne.jp/anfowld/lasers.html,レーザーの原理レーザーと反転分布,電界を

18、受けて狀態(tài)?1?から?2?に遷移同じ確率で狀態(tài)?2?から?1?に遷移?2?のポピュレーションが?1?のそれより大きいと正味の誘導放出が起きる。,自然放出と誘導放出正常な分布と反転分布,?Eだけ上にある準位の分布はexp(-?E/kT),反転分布,正常分布,自然放出と誘導放出反転分布をどう実現するか,通常レーザーは３準位系と４準位系が使われる。3準位レーザーの場合は熱平衡狀態(tài)では原子は基底狀態(tài)に多く存在するため、反転分布が作りに

19、くい。という欠點がある。反転分布をつくるためには、強い勵起を用いて、基底狀態(tài)の原子の半分以上を上準位に移行させる必要がある。4準位レーザーは勵起すると、準位3に原子がポンピングされ、すぐに準位3に落ちてくる。また、発振後準位1に落ちてくるが、その直後準位0に戻っていく。つまり、準位1と準位2の間では、簡単に反転分布を作り易いという特徴がある。,http://www.ils.uec.ac.jp/~yoneda/ETL_program/E

20、TL_2001/text2001/uematsu.pdf,5. さまざまなレーザー,気體レーザー：例) He-Ne, He-Cd, Ar+, CO2, Excimer：気體の勵起狀態(tài)に反転分布を作る固體レーザー：例) YAG:Nd(ヤグ), Al2O3:Ti(チタンサファイア), Al2O3:Cr(ルビー)：固體中の局在中心を光學的に勵起、反転分布を作る液體レーザ例）色素レーザ半導體レーザー：例) GaAlAs,

21、InGaN：電子とホールの高密度注入により反転分布を作る。,気體レーザーHeNeレーザ,昭和オプトロニクスhttp://www.soc-ltd.co.jp/index.html,気體レーザーHeNeレーザーの原理,http://www.mgkk.com/products/pdf/02_4_HeNe/024_213.pdf,プラズマ內での自由電子との衝突による勵起は、最もエネルギ準位の低い準安定狀態(tài)に多數のヘリウム原子を取り込む原因

22、となる。ヘリウムの勵起狀態(tài)には、ヘリウムの2 つの電子の一方が最も低エネルギの原子軌道1S から2S 原子軌道に勵起される21S と23S の2 つの勵起狀態(tài)がある。このため、この狀態(tài)を電子勵起狀態(tài)と呼んでいます。これに対して、ネオンは、　　1 S0 基底準位に1s2 2s2 2p4 の狀態(tài)で配列されている10 個の電子を有し、より大きく、より複雑な原子です。ネオン原子は多くの勵起狀態(tài)を持ち、その內のレーザー作用に関係する勵起狀態(tài)が右図

23、にエネルギ準位のダイヤグラムとして示されています。電子的に勵起された狀態(tài)のネオンガスの多様な性質は、互いに他の電子を整列させることができる勵起された電子の運動による幾つもの異なった手段からもたらされます。,いろんな波長のHeNeレーザー,1.523?m 赤外632.8nm　赤612nm　オレンジ色594nm 黃色543.5nm グリーン,気體レーザーArイオンレーザー,青458nm青488nm青緑514nm,気體レーザー

24、Arイオンレーザーの原理,誘導放出は Ar+ イオンおよび Ar2+イオンのいずれにおいても起きるが、通常はAr+イオンが関與する。 Ar+イオンの場合、レーザ発振は488.0 nmと 514.5 nmの可視域で起きる。誘導放出は Ar+ 勵起狀態(tài)の3s23p44p1 から3s23p44s1に落ちるときに置き、これは、さらに 74 nmの紫外線自然放出によって 3s23p5 狀態(tài)に緩和する。この狀態(tài)が電子を１つ捕捉してアルゴン原子

25、の基底狀態(tài)3s23p6 に戻る。Ar2+ イオンも同様の過程を経て、紫外線域の波長334.0, 351.1, and 363.8 nmのレーザー発振を示す。レーザー出力は連続である?？梢曈颏纬隽Ε靴铹`は (Ar+の場合) 30 Wにも達することができる。紫外域 (Ar2+の場合)では最大10 Wに達することができる。,http://www.lasalle.edu/academ/chem/laser_web/argon%20ion.h

26、tml,気體レーザーArレーザーの用途,レーザーショーなど照明用PL勵起光源,気體レーザーCO2レーザー,10.6?m用途金屬加工レーザー治療空気汚染計測,金屬加工機,レーザー治療器,気體レーザーCO2レーザの原理,炭酸ガスレーザの発振原理。10.6?mを放出するのにN2分子の力を借りている。,,http://www.dango.ne.jp/anfowld/lasers.html,固體レーザールビーレーザー,Al2O3

27、:Cr3+固體レーザーの一種で、人造ルビーの単結晶をレーザー媒質とするもので、これに強いキセノンランプの光を照射して勵起することにより波長６９４．３ｎｍのパルス狀の光が得られる。ルビーの単結晶は多少の不均一性があるためピンホールを入れて発振位置を調整する。また不規(guī)則な何本もの発振線があるためエタロン板を入れて波長を選ぶことによりコヒーレンス長は數ｍになる。,ルビーロッド,ルビーレーザー,固體レーザールビーレーザーの原理,フラッシュ

28、ランプによってCr3+イオンの4A2基底狀態(tài)から 4T2勵起狀態(tài)へ 勵起することによりポンピングする。4T2準位?2E 準位間の速い準位間交差によって、 2E 勵起狀態(tài)からから 4A2 基底狀態(tài)への誘導放出が起きる。レーザー動作の終狀態(tài)が基底狀態(tài)であるため、反転分布の維持が難しく、ルビーレーザーの効率は低い。,http://www.lasalle.edu/academ/chem/laser_web/ruby_laser.htm,注：

29、 4A2、4T2などは、固體中の多電子の多重項のスピン多重度と対稱性を表す群論の記號です。,固體レーザーYAGレーザー、YVO4レーザー,YAG:Nd1.06?m微細加工SHG用光源,LD(810nm)→Nd3+を勵起Nd3+→1064nmのレーザ発振非線形結晶→SHGにより532nm(緑),,,,,http://www.fesys.co.jp/sougou/seihin/fa/laser/fal3000.html,L

30、D勵起固體レーザーフォトテクニカ社,固體レーザーNd:YAGレーザー,Nd:YAGレーザは４準位系である。 Nd3+イオンの高エネルギー準位は基底狀態(tài)の原子を、フラッシュランプまたはGaAlAs半導體レーザによって0.73 μm および0.8 μmの波長でポンピングする。これにより反転分布が生じるが、 Nd3+イオンは上位の狀態(tài)から下位の狀態(tài)4F3/2へ格子緩和し、レーザー勵起準位に分布する。 この準位から レーザー基底狀態(tài)4I

31、11/2に誘導放出が起きレーザ動作する。発振波長は1.06?mである。,http://www.lasalle.edu/academ/chem/laser_web/ndyag_laser.html,固體レーザーチタンサファイアレーザー,Al2O3:Ti3+ (波長可変）,佐藤研のチタンサファイアレーザー,固體レーザーチタンサファイアレーザの原理,Ti3+ イオンの3d1  エネルギー準位図を示す。 図において, 2T2 準

32、位が基底狀態(tài)、2E 準位が勵起狀態(tài)である。非常に接近した多數のバイブロニック準位（フォノンと結合した電子準位）が純粋の電子準位の幅を広げている。電子遷移とバイブロニック遷移の強い混成により、チタンサファイアレーザはバイブロニックレーザとも呼ばれている。出力波長は、660から1180 nmにおよんでおり、現存するレーザのうちで最も広いチューニング範囲をもっている。,http://www.lasalle.edu/academ/chem

33、/laser_web/titanium_sapphire_laser.htm,液體レーザー色素レーザー,色素レーザーは長さ1cmの石英ガラスの管に例えばローダミン6Gのような有機色素溶液を満たしたものである。この色素セルは、部分反射鏡と回折格子からなるキャビティ中に置かれる。波長を変えるために回折格子をキャビティ內に入れる。 ポンプ光は色素セルに集光され、色素を勵起してレーザー動作を誘導する。 色素レーザーに使う色素溶液の濃度は、

34、10-2から10-4モルの間である。 色素レーザは波長範囲 360～950 nmにおいて3nsのパルス光を出力する。ピークパワーは使う色素によるが10～20 kWの程度である。 CW色素レーザの線幅は 20～40 GHzである。,http://www.lasalle.edu/academ/chem/laser_web/dye_laser.htm,液體レーザー色素レーザーの原理,ポンプ光としてはフラッシュランプか、他のレーザを用いる

35、。色素は、発光波長より短い波長の光を吸収する。なぜならバイブロニック準位のせいで、吸収したエネルギーの一部は熱に変換されるからである。色素に吸収されたエネルギーは反転分布をもたらし、電子を勵起狀態(tài)に運ぶ。勵起にひきつづき、振動エネルギーが失われ、勵起狀態(tài)の最も低いバイブロニック準位に移る。誘導放出は、基底狀態(tài)の最も高いバイブロニック準位に対して置き、振動緩和によって系の基底狀態(tài)に戻る。このプロセスが繰り返される。,http:/

36、/www.lasalle.edu/academ/chem/laser_web/dye_laser.htm,6.半導體レーザー　LD (laser diode),LED構造において、劈開面を用いたキャビティ構造を用いるとともに、ダブルヘテロ構造により、光とキャリアを活性層に閉じ込め、反転分布を作る。DFB構造をとることで特定の波長のみを選択している。,半導體レーザーの動作特性,佐藤勝昭編著「応用物性」（オーム社）,LED動作,,,半導體

37、レーザーの材料,光通信帯用：1.5μm;GaInAsSb, InGaAsPCD用：780nm　GaAsDVD用：650nm GaAlAs MQW次世代DVD用：405nm InGaN,バルク基板にMOVPE、MBEなど気相成長によって薄膜をエピタキシャル成長している。,MOVPE： metal-organic vaper phase epitaxyMBE: molecular beam epitaxy,エピタキシャル成長,エピ

38、タキシャル成長とは、単結晶基板上に結晶方位が揃った単結晶の薄膜を成長させる方法のことである。エピタキシで得られる薄膜結晶は、バルクの結晶に比べ結晶性、純度ともに優(yōu)れており、また極めて薄い結晶膜や複雑な多層の結晶構造を作り出せることから、特に化合物半導體の分野では不可欠な技術となっている。原料物質の形態(tài)、成長に利用する原理により、気相エピタキシ、液相エピタキシ、分子線エピタキシなどの手法がある。,ZDnet Glossaryによる,ホ

39、モ接合とダブルヘテロ構造,活性層(GaAs)をバンドギャップの広い材料でサンドイッチ：ダブルヘテロ(DH)構造,佐藤勝昭編著「応用物性」p.149,ＤＨレーザー,光とキャリアの閉じこめバンドギャップの小さな半導體をバンドギャップの大きな半導體でサンドイッチ：高い濃度の電子?ホールの活性層に閉じこめ屈折率の高い半導體(バンドギャップ小)を屈折率の低い半導體(バンドギャップ大)でサンドイッチ：全反射による光の閉じこめ,DHレーザーを発明

40、したAlferov博士と故林厳雄博士,DFBレーザー,1波長の光しかでないレーザ。つまり、通信時に信號の波がずれることがないので、高速?遠距離通信が可能。（通信速度：Gb/s = 1秒間に10億回の光を點滅する。電話を1度に約2萬本通話させることができます),http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html,量子井戸レーザー,厚みが1nm程度のGaAsとAlGaAsを交互に積

41、層した人工格子構造のバンド構造は図のようになり、1次元の量子井戸（QW)を形成する。量子井戸內には離散的なエネルギー準位ができる。量子井戸レーザは、しきい値電流が低く、しきい値電流の溫度依存性が小さい、利得スペクトル幅が狹い、レーザーの偏光度が高い、パルス応答性が優(yōu)れているなどの特徴をもつ。,量子ドットレーザー,量子ドットレーザーでは活性層に、量子ドットが縦橫に並んだ量子ドットアレイ(quantum dot array)を用いている。

42、量子ドットでは空間的に同じ場所に電子と正孔が閉じ込められるため、一対の正孔と電子が効率よく再結合を行うことが出來る。なお、一対の電子と正孔の再結合では光子が一つしか発生しないため、活性層では量子ドットがたくさん並んだアレイ構造になっている。,http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/qdot/4.htm,http://pr.fujitsu.com/jp/news/2002/07/29.html,実用化さ

43、れたQDレーザー,東京大學と富士通株式會社は、量子ドットを用い、従來の半導體レーザーでは不可能であった、溫度による光出力特性の変化を抑制した量子ドットレーザーの開発に成功した。開発した量子ドットレーザーは、溫度による光出力の変動が非常に小さく、レーザーの駆動電流を調整することなく、20℃から70℃の範囲で、毎秒10ギガビットの高速動作を実現した。,問題,Laserは何の頭文字をとったもので意味は何かLaserのさまざまな応用はレーザ