金色の石に魅せられて
-光で探る新しい
機能性材料- Part2
東京農工大学工学部
佐藤勝昭
5.光エレクトロニクス材料
• 光ファイバ通信
– 発光素子、受光素子、伝送路、光増幅器、アイソ
レータ
• 光ストレージ
東京農工大学工学部
佐藤勝昭
– 媒体、光磁気、相変化、光ピックアップ
• ディスプレイ
• 光発電(太陽電池)
• 撮像:CCD素子、CMOS素子
光ファイバー通信システム
光ファイバー
• 長距離にわたって光が減衰せずにすすむ
• 全反射を用いている。
東工大影山研HPより
www.mitsubishi-cable.co.jp/ kiden/photo/high_cab.jpg
光ファイバーの伝搬損失
1530~1565nm
佐藤・越田:応用電子物性工学(コロナ社、1989)
• 短波長側の伝
送損失はレー
リー散乱
• 長波長側の伝
送損失は分子
振動による赤
外吸収
• 1.4μm付近の
損失はOHの分
子振動による
光ストレージ
• 読み出しは、レーザー光を絞ったときに回折限界
で決まるスポットサイズで制限されるため、波長が
短いほど高密度に記録される。
• 光ストレージには、読み出し(再生)専用のもの、1
度だけ書き込み(記録)できるもの、繰り返し記録・
再生できるものの3種類がある。
• 記録には、さまざまな物理現象が使われている。
スポットサイズ
• レンズの開口数
– NA=nsinα
• d=0.6λ/NA
現行CD-ROM: NA=0.6
CD-ROM: λ=780nm→d=780nm
DVD: λ=650nm→d=650nm
BluRay: NA=0.85
λ=405nm→d=285nm
AOD: NA=0.6
λ=405nm→d=405nm
α
スポット径 d
光ストレージの分類
• 光ディスク
– 再生(読み出し)専用のもの
• CD, CD-ROM, DVD-ROM
– 記録(書き込み)可能なもの
• 追記型(1回だけ記録できるもの)
– CD-R, DVD-R
• 書換型(繰り返し消去・記録できるもの)
– 光相変化 CD-RW, DVD-RAM, DVD-RW,
DVD+RW, DV-R, DV+R, Bluray, AOD
– 光磁気: MO, GIGAMO, MD, AS-MO, iD-Photo
• ホログラフィックメモリ、ホールバーニングメモリ
いろいろな
光ディスク
CD-ROM
•
•
•
•
ポリカーボネート基板:n=1.55
λ=780nm → 基板中の波長λ’=503nm
ピットの深さ:110nm ~ ¼波長
反射光の位相差π:打ち消し
http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html
CD-ROMドライブ
• フォーカスサーボ
• トラッキングサーボ
• 光ピックアップ
http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html
CD-RW
• 光相変化ディスク
• 結晶とアモルファスの
間の相変化を利用
http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.h
光相変化記録
• アモルファス/結晶の相変化を利用
• 書換可能型 成膜初期状態のアモルファスを熱処
理により結晶状態に初期化しておきレーザ光照射
により融点Tm (600℃)以上に加熱後急冷させアモ
ルファスとして記録。消去は結晶化温度
Tcr(400℃)以下の加熱緩冷して結晶化。
– Highレベル:Tm以上に加熱→急冷→アモル
ファス
– Lowレベル:Tcr以上に加熱→緩冷→結晶化
DVD-RAM: GeSbTe系
DVD±RW: Ag-InSbTe系
相変化ディスクの記録と消去
• 融点以上から急冷:
アモルファス
→低反射率
• 融点以下、結晶化
温度以上で徐冷:
結晶化
→高反射率
http://www.cds21solutions.org/mai
n/osj/j/cdrw/rw_phase.html
相変化と反射率
初期状態:結晶状態
R:大
記録
記録状態:アモ
ルファス状態
R:小
消去
レーザスポット
記録マーク
CD-R
• 有機色素を用い
た光記録
• 光による熱で色
素が分解
• 気体の圧力によ
り加熱された基板
が変形
• ピットとして働く
DVDファミリー
DVD-ROM
DVD-R
DVD-RAM
DVD-RW
DVD+RW
容量(GB)
4.7 / 9.4
2層8.54
3.95 / 7.9
4.7 / 9.4
4.7/9.4
4.7/9.4
形状
disk
disk
cartridge
disk
disk
マーク形成
材 料
ピット形成
1 層 R=4585
2
層 R=18650/635
30
0.6
熱変形型
相変化型
相変化型
有機色素
GeSbTe系
AgInSbTe系
相変化型
AgInSbTe系
R=45-85%
R=18-30%
638/650
R=18-30%
650/635
R=18-30%
650
0.6
0.6
0.6
0.65
最短マーク
長
1層:0.4
2層:0.44
0.4
0.41-0.43
0.4
0.4
トラック幅
0.74
0.8
Wobbled
Land pre-bit
0.74
Wobbled L/G
0.74
Wobbled
Land pre-bit
0.74 HF
Wobbled
groove
105
103-104
103-104
レーザ波長
レンズNA
書き換え可
能回数
-
-
650
ディスプレイ
CRTの原理
• 電子銃からの電
子ビームを2030kVの高電圧
で加速、シャド
ウマスクを通し
て、蛍光スク
リーンの蛍光体
を励起
• CL(カソードルミ
ネセンス)を利用
http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm
カラーCRTの原理
• 赤、緑、青の微
小な領域に蛍光
体が塗り分けら
れており、各発
光色に対応して、
3本の電子銃が
用いられ、別々
に電子ビーム強
度が制御される。
小林洋志「発光の物理」(朝倉書店)より
アパーチャグリル方式CRT
• FDトリニトロン管を含むトリニトロン
ブラウン管は、R、G、Bの三原色か
らなるカラー画像を正しく再現する
ために、色選別機構(管面の蛍光
体を発色させるため、R、G、Bの電
子ビームを選別する小さな孔の開
いたフィルター)に縦ストライプ状の
アパチャーグリルを使用しています。
画面の上下方向に電子ビームを遮
るものがありませんので、ピッチを
狭めても明るく輝度の高い画像を
得られるという特長があります。ま
た、グリルは上下方向にテンション
(張力)を持たせていますので、
ビーム照射による熱膨張を吸収し、
色ズレや色ムラを起こしにくく、長
時間安定した画質を維持すること
ができます。
ソニーのホームページより
www.sony.jp/.../Display/CRT/te
chnology/ Images/tech_3_1.gif
カラーCRTの蛍光体
• 赤:Y2O2S:Eu
• 緑:ZnS:Cu,Al
• 青:ZnS:Ag
緑
青
発光強度
赤
400
500
600
波長[nm]
800
小林洋志「発光の物理」(朝倉書店)より
プラズマディスプレイ
• 微小電極間で放電
→気体原子が励起
→紫外線を放出
→蛍光体を励起
→可視光発光
ハイビジョン用 102cm(42型)
富士通日立プラズマディスプレイ㈱のHPよ
り
• 予備放電→書き込み放電→維
持放電→消去放電
• カラーPDPの原理は蛍光灯と
よく似ており、極小の蛍光ラン
プが無数に並んで1枚の画面
を作っている、そんなイメージ
です。
NECプラズマディスプレイ㈱のHPより
無機エレクトロルミネセンス
•
•
•
•
•
電子が電界により絶縁体/ZnS界面から放出される
電界で加速されホットエレクトロンとして移動
ホットエレクトロンがMnなど発光中心に衝突
発光中心の電子系が励起される
励起状態が放射遷移
有機エレクトロルミネセンス
• 有機ELは、有機発光層を金属電極と透明電極では
さんだ構造をとっている。
• 金属電極と透明電極との間に電圧を加えると、有機
分子上を電荷が対向電極に向かって移動する。こ
の移動中に、ホールと電子が出会うと、有機発光層
の中で再結合し、この時エネルギーを放出する。こ
のエネルギーによって有機発光層が発光する。
光産業技術振興協会のHPより
FED(電界放出型ディスプレイ)
• 真空中において電極
から電子を電界放出
• 低速電子線が対抗電
極上の蛍光体を励起
• カーボンナノチューブ
を電極に用いたFED
が有望
光産業技術協会HP
pixtech社(2002.6破綻
発光ダイオード(LED)と半導体レーザ
(LD)
三洋赤色LD
日亜 青色LED
三洋青色LD
日亜 電球色LED
日亜化学青紫LD
交通信号機が変わった
半導体pn接合
E
P形
N形
P形とN形を接合するとキャリア拡散が起きる
-
+
+
+
+
拡散電位差
+
拡散電位差
LEDの原理
•
•
•
•
pn接合を順バイアス
電子は、p層に注入
ホールはn層に注入
界面付近で再結合
p型
再結合
-
+
+
+
+
n型
空間電荷層
光電変換
•
•
•
•
光エネルギーを電気エネルギーに変換
光伝導(街灯点灯用光スイッチ)
光電子放出(フォトマル)
光起電力効果(太陽電池、フォトダイオード)
光伝導
• 光によってキャリア生
成
• 電界によって移動す
る
• 再結合するまで伝導
に寄与
• トラップ準位があると、
キャリアはいったん捕
捉され、熱的に解放さ
れて再度伝導に寄与
街灯の自動点灯
• 夕方になると街灯がひとりでに点灯し
ますが、光導電素子を使って固体リ
レーを働かせ、電灯をオンオフしてい
ます
CdS光導電セル
モリリカのHPより
街灯自動点滅器(EEスイッチ) 松下電工のHPより
太陽電池について
• 太陽電池は光を電気に変える半導体の素子で
ある。太陽光のエネルギーの10%程度を電気
に変える。
• 太陽電池は乾電池や蓄電池と違って電気を貯
める性質はない。光がないと全く発電しない。
太陽光発電器というべきである。
• 太陽電池の出力は直流である。そのままでは、
家庭用の電源(交流)として使えない。そのた
めインバータという仕掛けを使って交流に変換
している。
太陽電池の仕組み
反射防止
コーティング
-
太陽光
上部電極
+
n型シリコン
ここで
電子と
ホールを生成
p型シリコン
下部電極
光起電力の原理
• pn接合に光照射
• バンドギャップを超え
る光によって電子と
ホールが生成される
• 空間電荷領域の拡
散電位差によって、
電子はn層に拡散、
ホールはp層に拡散
p型
-
+
+
+
+
n型
空間電荷層
太陽電池の等価回路と特性
開放電圧
短絡電流
佐藤勝昭編著「応用物性」p.153
太陽電池の材料
シリコン系
•単結晶シリコン: 材料高コスト, 比較的高効率
•多結晶シリコン: 材料低コスト, 中効率
•薄膜アモルファスシリコン: 省資源, 劣化が問題
•薄膜多結晶シリコン: 省資源, 中効率
化合物系
•単結晶GaAs: 超高効率, 高コスト, As含有→宇
宙
•薄膜多結晶CdTe: 高効率, 低コスト, Cd含有
•薄膜多結晶CuInSe2系: 高効率, 低コスト
同じシリコンでも
分類
不純物濃度
金属級シリコン
10-2
太陽電池級シリコン 10-6 *
半導体級シリコン
<10-9
用途
(原料)
多結晶太陽電池
LSI, 単結晶太陽電池
*Ti, Vについては10-9以下にする必要あり
金属級シリコンに含まれる主な不純物
Al 1500-4000ppm, B 40-80ppm, P 20-50ppm
Ti 160-250ppm, V 80-200ppm
Cr 50-200ppm, Ni 30-90ppm, Fe 2000-3000ppm
フォトダイオード
佐藤勝昭編著「応用物性」p.152
フォトダイオードの動作
• フォトダイオードは、通常、pn接合に逆バイア
スを印加した状態で使用される。空乏層で
キャリア生成、拡散電位差
により分離。
• pinフォトダイオード
高速動作
• アバランシェ・ダイ
オード:電子雪崩
現象で増倍。
浜松ホトニクスのHPよりhttp://www.hpk.co.jp/Jpn/products/ssd/Si_PD/Si_PD.ht
フォトダイオード材料
• IV族
– Si(最もポピュラーなフォトダイオード材料)
– Ge(近赤外線)
• III-V族材料:例) GaInSbAs:光通信用
• II-VI族材料:例) CdHgTe:赤外線計測用
撮像デバイス
ニコンのサイトより
• 静止画像
• 動画像
• CCD (charge
coupled device) の動
作
• CMOS センサー
キャノンのサイトより
ダウンロード

光で探る新しい 機能性材料- Part2