【1】はじめに
半導体の最大の魅力のひとつは、「電気と光を相互に変換できる」ことです。
この性質を応用したのが、LED・レーザー・太陽電池などの光半導体デバイスです。
光を放つ（発光）・光を受ける（受光）・光を電力に変える（光電変換）。
これらの現象を支えるのが、光半導体材料です。
【2】光半導体の分類
光半導体は、主に以下の3種類に大別されます。
１．発光デバイス（LED・LDなど）
→ 電気を光に変える（Electroluminescence）
２．受光デバイス（フォトダイオード・イメージセンサー）
→ 光を電気に変える（Photoconduction）
３．太陽電池（Solar Cell）
→ 光エネルギーを電力に変える（Photovoltaic Effect）
【3】発光デバイス材料（LED・LD）
発光素子には直接遷移型半導体が使われます。
電子がエネルギーを失う際に光を放出するため、光変換効率が高いのです。
主な材料は以下の通りです。
● GaAs（ガリウムヒ素）：赤外LED、レーザー光源
● GaP（リン化ガリウム）：赤・黄緑LED
● GaN（窒化ガリウム）：青色LED、白色LEDの基礎
● InGaN・AlGaN：波長制御が可能で、RGB全色をカバー
● InP（リン化インジウム）：光通信向け赤外レーザー
特に、1990年代の青色LED（GaN系）の登場は、照明・ディスプレイ業界に革命を起こしました。
白色光が得られることで、蛍光灯・電球に代わる省エネ光源が誕生したのです。
【4】光通信・レーザーデバイス材料
光ファイバー通信では、波長1.3μm〜1.55μm帯が主流です。
この帯域では損失が少なく、信号が長距離伝送できます。
主な材料は：
● InP（リン化インジウム）系：光通信の主力（直接遷移型）。
● InGaAsP：波長可変型レーザー、フォトダイオード。
● GaAs系：短波長（850nm帯）の光通信やセンサー用途。
→ 光通信ネットワークの心臓部は、化合物半導体が支えている。
【5】太陽電池用材料の進化
太陽電池（ソーラーパネル）は、光エネルギーを直接電力に変換するデバイスです。
主要材料は、シリコン系から新型薄膜系へと多様化しています。
１．シリコン（Si）系
– 単結晶Si：高効率・高信頼性（変換効率 約22〜25％）
● 多結晶Si：安価・大量生産向き（効率 約18〜20％）
→ 世界の太陽電池の約90％を占める。
２．化合物系（III-V族）
– GaAs, InGaP, Geなどを多層に積んだ多接合セル。
● 変換効率30％超。宇宙用・人工衛星に採用。
３．薄膜系
– CdTe（テルル化カドミウム）
● CIGS（銅・インジウム・ガリウム・セレン化合物）
● アモルファスSi（a-Si）
→ 軽量・柔軟・低コストで、建築物やモバイル機器にも応用可能。
４．次世代型（研究開発段階）
● ペロブスカイト太陽電池（低コスト・印刷製造が可能）
● 有機太陽電池（フレキシブル・軽量）
【6】光半導体の材料選定の考え方
光デバイスでは、電気特性だけでなく光学特性も重要になります。
選定時に考慮する主な要素：
● バンドギャップの大きさ（発光・吸収の波長を決定）
● 直接／間接遷移型の違い（発光効率に直結）
● 屈折率・透過率（光導波設計に関係）
● 結晶整合性（ヘテロ接合の品質）
● 熱伝導率・放熱性
→ 光半導体では「光」「熱」「電気」の三要素のバランス設計がカギになる。
【7】クリーンエネルギーとの関係
太陽電池や光通信など、光半導体は脱炭素社会の推進技術でもあります。
・LED照明 → 消費電力を従来比で70〜80％削減。
・太陽電池 → 化石燃料を使わない発電手段。
・光通信 → 高速・低損失のデータ伝送によるエネルギー効率化。
→ 光半導体は、環境技術とIT技術の“交差点”にある存在。
【8】今後の展望
・ペロブスカイトとシリコンのハイブリッド太陽電池で40％超の変換効率を目指す。
・LEDは量子ドットやマイクロLEDによって高演色・高輝度化が進行。
・光通信は光集積回路（PIC）でさらなる高速・省電力化へ。
・AI・自動運転向けLiDARでは、赤外光半導体が中核に。
→ 光半導体は「情報」と「エネルギー」をつなぐ次世代のキー技術。
【9】まとめ
・光半導体は、光と電気を相互変換する技術の中心。
・LED・レーザー・太陽電池など、多様な応用分野を持つ。
・材料はSiからGaAs、InP、CIGS、ペロブスカイトへと拡大中。
・「光る」「感じる」「電気を生む」すべてを半導体が担う時代へ。
【理解チェック（3問）】
１．発光デバイスに使われるのは直接遷移型か間接遷移型か？
２．宇宙用太陽電池に使われる材料は？
３．ペロブスカイト太陽電池が注目される理由は？
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。
