半導体レーザー

半導体中での光の誘導放出による増幅現象と、端面を反射鏡にして光の正帰還現象とを組み合わせて、コヒーレント光を放出する発光素子。スペクトル幅が極めて狭く、指向性が良いのが特徴。また大きな発光効率が得られる。通常は、ヘテロ接合を2つ組み合わせたダブル・ヘテロ構造が採用される。この構造でより高密度の電子と正孔を動作層内に閉じ込め、レーザー発振を起こしやすくする。CDのピック・アップや光通信の光源に実用化されている。

レーザーの発振には反転分布の形成が必要であるが、このための励起機構としては、半導体に電圧をかけることによる電子の注入が一般的に用いられる。基本的には、半導体のpn接合領域に電子と正孔を注入し、これらが再結合する時に光子の形でバンドギャップに相当するエネルギーを放出するのを利用する。量子井戸構造などを用いて電子と正孔を接合部の狭い領域に高密度に注入することで、誘導放出が継続的に生じ、放出された電磁波（光）は雪崩的に増加する。 誘導放出によって増幅された電磁波（光）を共振器でフィードバックすることで、電磁波（光）は発振し、レーザー光が得られる。

一般的には、共振器を半導体基板と平行に作り込み、へき開した側面から光が出射する構造である。このような構造の半導体レーザを一般的に端面発光レーザ（Edge Emitting Laser）という。一方、光が半導体基板と垂直に出射する構造のレーザを面発光レーザといい、中でも共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ面発光レーザを垂直共振器面発光レーザという。垂直共振器面発光レーザは、VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、ビクセル）と呼ばれることが多い。共振器を外部に持つ外部共振器型垂直面発光レーザ(VECSEL)も普及しつつある。

他のレーザーと比べ、小型で消費電力が少なく安価に製造出来るため、民生分野の情報機器などで広く用いられている。CDやDVD等の光学ドライブの光ピックアップ、コピー機やレーザープリンター、光ファイバーを用いた通信機器などに利用されている。 高出力なものは1個の素子で5W以上、複数の素子を束ねたアレイとすることで数十Wもの出力を持つ例。こうした超高出力製品はレーザーマーカーやレーザー加工機などに応用される。 レーザー光のもつ拡散しにくく遠距離まで届く性質から、測量機器やレーザーポインターとしても利用され、特に低出力赤色半導体レーザー素子の小型化・低電力化・低価格化と共に広く普及した。また長波長の半導体レーザ光で発振用の結晶（非線形光学結晶）をポンピングすることで短波長のレーザ光を得る手法(DPSS)により、緑色レーザー光を発する製品も市販されている。 近年は窒化ガリウムによる半導体レーザーの実現により、ポンピング無しでの紫外線〜紫〜青〜水色の発光も可能になっている（製品ラインアップの例）。窒化ガリウム製のレーザーは量産の難しさから比較的高価格であるが、青色の物は日亜化学工業に続いてソニーなどが大量生産に漕ぎ着け、ゲーム機や次世代DVDなど民生品にも搭載されるようになっている。
長波長の半導体レーザ光から短波長のレーザ光を発生させる手法としては、高調波発生(SHG,THG,FHGなど)も用いられ、光ピックアップなどに応用されることがある。 近年はパソコン用のマウスにも応用されている。これらはレーザーマウスと呼ばれ、一般にハイエンド製品である。レーザーの可干渉性を利用し、微細な凹凸を敏感に検出することで感度を上げることができる。

● 窒化ガリウム系半導体レーザー

窒化ガリウム（ちっかガリウム、GaN）はガリウムの窒化物であり、主に青色発光ダイオード（青色LED）の材料として用いられる半導体である。ガリウムナイトライド (gallium nitride) とも呼ばれる。

バンドギャップは室温において約 3.4 eV で、波長では約 365 nm に相当し、紫外領域の光源となる。微量のインジウム (In) を加えて InGaN 結晶にすることで紫色、青色の光源として用いることができる。発光ダイオードによる光の三原色のひとつとして交通信号やディスプレイに用いられる

● 面発光レーザー

半導体レーザーのうち、放出された光をpn接合の面に垂直な方向で外部に取り出すようにした構造の素子。光通信用の半導体レーザーに多く用いられる構造。高輝度を得るために、種々の工夫がある。光を放出する活性領域の面積を、結合させる光ファイバーの断面より小さくした電流狭窄構造などである。
端面発光型レーザと比べて，VCSELは低価格という特徴を持つ。VCSELの製造工程が大量生産に適しているためである。また，レーザ端面をへき開して形成する必要がなく，初期不良はウエハーの段階で一括して欠陥を判定して歩留まりを高められる。 直接変調が可能，2次元アレイ構造が採れる，といった特徴がある。

　⇒　発光ダイオード（light emitting diode）