量子ドットレーザーの科学と工学 研究の創始と実用化への展開

一方、普通の半導体では、電子はさまざまなエネルギーをとって自由に動き回るため、各電子から放たれる光の波長はそろいません。また、温度が上がると、電子の動きが増すため、放たれる光の波長の範囲はさらに広がります。このため、レーザー光の発生に貢献する電子の数が減り、閾値電流が高くなります。

「電子は、粒子と波の二つの性質があります。量子ドットという電子の波長程度の小さな半導体の箱に電子を閉じ込めると、波の性質が顕著になり、電子のエネルギーは離散的な値をとります。もし、レーザーの波長に共鳴するエネルギー準位を持つ量子ドットを多数個作ることができれば、電子からレーザー光へきわめて効率よく変換できることになります。しかも、三次元的に閉じ込めているため、温度が上昇しても電子の状態が変わらないので、閾値電流は温度に依存しなくなります」と、荒川教授は説明します。量子ドットを使えば、理想の半導体レーザーを実現できるということです（図1）。

助教授になったばかりの荒川教授が” Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current”（多次元量子井戸レーザーとその閾値電流の温度依存性）というタイトルの論文を、当時助教授で、現在豊田工業大学の学長を務める榊裕之東京大学名誉教授と共同で発表したのが1982年。この論文を出発点として、その後35年にわたる量子ドット研究の世界的な潮流へと発展していきます。

工学者・荒川泰彦

学生に対して「工学マインドを持ってほしい」「エンジニアリングの考え方を持ったサイエンティストになってほしい」と語る荒川教授にとって、社会的価値をどのようにして生み出していくかというプランをデザインしていくことは、基礎研究を進めることと並ぶ、関心事です。

事実、1982年の理論から始まった研究の成果により、今や近赤外光を放つ量子ドットレーザーが光ファイバー通信などで使われるまでになっています。しかし、その開発までの道程は安易なものではありませんでした。電子を閉じ込める量子ドットの大きさは数十ナノメートルという極小のサイズ。理論を発表した当時、「どうやったらそれを作れるのかはもちろん、本当にそれを実現できるかすら分からなかったのです」と振り返ります。しかし、荒川教授はあきらめませんでした。

折しも、1985年、フランスのグループが、別の目的で、半導体の多層薄膜を形成する実験を行ったところ、量子ドットが自然に形成されていることを偶然発見しました。この報告から道が少しずつ開けました。

産学連携から大学発ベンチャーへ

1994年には、荒川教授らは、有機金属気相成長という結晶成長法としては世界で初めて、量子ドットを当時としては最小寸法で形成しました。一方、富士通研究所では、光通信に適した波長1.3マイクロメートルの近赤外光を放つ量子ドットの形成に成功しました。そのときの研究者の一人が、荒川教授が技術顧問を務めるQDレーザ社社長の菅原充氏です。