JP4341013B2

JP4341013B2 - 遠赤外発光素子

Info

Publication number: JP4341013B2
Application number: JP2003298003A
Authority: JP
Inventors: 進小宮山; 健司生嶋; 寿人佐久間
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: JP2005072153A

Description

本発明は、遠赤外の発光が可能な発光素子に関する。

赤外領域の半導体発光素子としては、発光波長が９４０ｎｍのＧａＡｓ発光ダイオードや、発光波長が７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓダブルヘテロ接合半導体レーザーが一般的に広く利用されている。近年、光記憶媒体の記録密度の向上や、レーザー加工の微細化を目的として、より発光波長の短い発光ダイオードや半導体レーザーの開発が盛んに行われている。

一方、より長波長領域にあたる遠赤外光の発光は、既存の化合物半導体素子、例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ半導体のバンドギャップエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを必要とするため、化合物半導体を用いた遠赤外発光素子での実現は技術的に困難である。

さらに、従来の化合物半導体を用いた発光素子は通常、発光波長の変化が困難であり、固定された波長でしか利用できない。

また現在、遠赤外発光を可能にするレーザーとして炭酸ガスレーザが実用化されているが、将来の高速通信技術の分野や、生体分子分光などの基礎研究の分野で必要とされる、より小型で低消費電力の半導体レーザーに関しては、ほとんど動作原理の提案すらされていない。
Physical Review B, Vol. 40, p. 12566(1989) Physica B, Vol. 184, p.7(1993)

このように、遠赤外光の発光は、従来型の化合物半導体による発光メカニズムでは実現が困難であり、炭酸ガスレーザー等の大型装置を利用せざるを得なかった。また、従来の化合物半導体を用いた発光素子は波長を変化させることができなかった。
上記課題に鑑み、本発明は、遠赤外発光が可能で、且つ波長可変機能を有した、小型、低消費電力の遠赤外発光素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の第１の遠赤外発光素子は、固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系と、二次元キャリア系に形成したチャネルと、チャネルを横断して設けた第１のゲート電極と、チャネルに電流を供給するソース及びドレイン電極とを有し、二次元キャリア系を量子ホール状態に設定すると共に第１のゲート電極に電圧を印加して、エッジチャネル間に非平衡キャリア分布を形成し、且つエッジチャネル間の化学ポテンシャル差が、ランダウ準位間のエネルギー差以上になる電位差を、ソース及びドレイン電極間に印加することにより、エッジチャネル間にキャリアの反転分布を形成し、反転分布により遠赤外発光することを特徴とする。

この構成によれば、キャリアが電子系である場合に以下のように動作する。
二次元キャリア系の量子ホール状態とは、散乱ポテンシャルによって有限の幅を持つランダウ準位間のランダウ準位の存在しない位置にフェルミレベルが存在し、フェルミレベルより下のランダウ準位が全て占有されている状態である。この状態は、印加磁場強度やキャリア濃度を調整して設定する。この状態でソースとドレイン間に電圧を印加すると電流チャネルとしてエッジチャネルが生起する。

第１のゲート電極に負の適切な電圧を印加して、第１のゲート電極下の静電ポテンシャルを増加させ、フェルミレベルが上位エッジチャネルと下位エッジチャネルの間にくるようにする。この状態では、上位エッジチャネルがフェルミレベルよりも高いために、上位エッジチャネルは第１のゲート電極下を通過できずに反射される。一方、下位エッジチャネルは第１のゲート電極下を通過する。これにより、チャネル端を互いに同一方向に進行するソースの化学ポテンシャルを有する上位エッジチャネルとドレインの化学ポテンシャルを有する下位エッジチャネルが形成される。上位エッジチャネルは上位ランダウ準位からなり、下位エッジチャネルは下位ランダウ準位からなる。このようにエッジチャネルの化学ポテンシャルが互いに異なる状態をエッジチャネル間の非平衡キャリア分布状態と呼ぶ（上記非特許文献１参照）。

非平衡キャリア分布状態において、ソースとドレイン間の電位差を増加させていくと、低ポテンシャル側のチャネル端において、エッジチャネルの化学ポテンシャルが下降し、有限の幅を持つ下位バルク・ランダウ準位のエネルギーレベル領域まで落ち込む。これにより、低ポテンシャル側のチャネル端近傍の下位ランダウ準位に電子の空席が生じる。このようにして、化学ポテンシャルの高い上位ランダウ準位と、化学ポテンシャルが低く、電子の空席を持つ下位ランダウ準位間に電子の反転分布が形成される。この反転分布によって遠赤外光が生成する。

本発明は、好ましくは、チャネルのチャネル端に沿って設けた第２のゲート電極を有し、発光効率が高められる。
この構成によれば、第２のゲート電極に適切な負の電圧を印加することにより、フェルミレベルを上位エッジチャネルと下位エッジチャネルの間に存在させることができる。この状態では、上位エッジチャネルがフェルミレベルよりも高いために、上位エッジチャネルは第２のゲート電極下を通過できず、第２のゲート電極近傍を通過するようになり、下位エッジチャネルは第２のゲート電極下を通過する。これにより、上位エッジチャネルと下位エッジチャネルが空間的に分離される。上位エッジチャネルと下位エッジチャネルが空間的に分離されるので、上位エッジチャネルと下位エッジチャネル間のフォノン放出を伴う電子遷移が抑制され、遠赤外光の発光効率が高まる。

好ましくは、チャネルはコルビノ型チャネルであり、発光効率が高められる。この構成によれば、コルビノ型チャネルは、ホール抵抗が零であるので、遠赤外光の発光に無関係なホール抵抗による発熱を無くすことができ、発光効率が向上する。また、コルビノ型チャネルは、ソースからドレインに流れる電流方向が、エッジチャネルと交錯する方向であるため、反転分布形成において、上位ランダウ準位に過剰電子を効率よく供給することができ、発光効率が向上する。
好ましくは、第２のゲート電極を有し、且つチャネルはコルビノ型チャネルである。この構成によれば第２のゲート電極による遷移抑制効果とコルビノ型チャネルによる発光効率向上効果とが同時に実現され、さらに発光効率が高まる。

また、好ましくは、チャネルは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであり、且つこのジグザグ型チャネルの両端が接続されており、単位面積あたりの発光強度が高められる。この構成によれば, コルビノ型チャネルと同様にホール抵抗が零であり発光効率が高いと共に、単位面積あたりのチャネル数が増加するので単位面積あたりの発光強度が増大する。
また、好ましくは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネル有し、且つ第２のゲート電極を有する。この構成によれば、上記効果に加えて第２のゲート電極による遷移抑制効果が実現される。

本発明の第２の遠赤外発光素子は、固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系と、二次元キャリア系に形成したチャネルと、チャネルのチャネル端に沿って設けたゲート電極と、チャネルに電流を供給するソース及びドレイン電極とを有し、二次元キャリア系を量子ホール遷移状態に設定すると共に、エッジチャネルとバルクチャネル間の化学ポテンシャル差がランダウ準位間のエネルギー差以上になる電位差をソース及びドレイン電極間に印加してキャリアの反転分布を形成し、且つゲート電極に電圧を印加して、発光効率を高めることを特徴とする。

この構成によればキャリアが電子系の場合に以下のように動作する。
二次元キャリア系の量子ホール遷移状態とは、散乱ポテンシャルによって有限の幅を持つランダウ準位中にフェルミレベルが存在し、フェルミレベルが存在するランダウ準位より下のランダウ準位が全て占有され、フェルミレベルの存在するランダウ準位は、フェルミレベル以上の準位が空席である状態である。この状態は、印加磁場強度やキャリア濃度を調整して設定する。この状態でソースとドレイン間に電圧を印加すると電流チャネルとしてエッジチャネルとバルクチャネルが生起する。

フェルミレベルが存在するランダウ準位からなるチャネルはエネルギー散逸を伴う電流チャネルであり、フェルミレベルより下のランダウ準位はエネルギー散逸を伴わない、いわば超伝導電流チャネルである。バルクチャネルはフェルミレベルが存在する上位ランダウ準位からなり、エッジチャネルはフェルミレベルより下の下位ランダウ準位からなる。ソースとドレイン間に電圧を印加することにより、エッジチャネルとバルクチャネル間に非平衡キャリア分布が生じる。ソースとドレイン間の印加電圧を増大していくと、低ポテンシャル側のチャネル端でエッジチャネルの化学ポテンシャルが、有限の幅を持つ下位バルク・ランダウ準位のエネルギーレベル領域にまで降下する。これにより、チャネル端近傍の下位ランダウ準位に電子の空席が生じる。このようにして、化学ポテンシャルの高い上位ランダウ準位と、化学ポテンシャルが低く、電子の空席を有する下位ランダウ準位間に反転分布が形成される（上記非特許文献２参照）。この反転分布によって遠赤外光が生成される。

この際、チャネル端に沿って設けた第２のゲート電極に適切な負の電圧を印加することにより、フェルミレベルが上位ランダウ準位と下位ランダウ準位の間にくるようにする。この状態では、上位ランダウ準位のバルクチャネルは、フェルミレベルよりも高いために、ゲート電極下を通過できずゲート電極近傍を通過するようになり、下位ランダウ準位のエッジチャネルは電極下を通過する。これにより、上位ランダウ準位のバルクチャネルと下位ランダウ準位のエッジチャネルが空間的に分離されるためバルクチャネルとエッジチャネル間のフォノンを介した電子遷移が抑制され、遠赤外光の発光効率が高まる。

上記構成において、好ましくは、チャネルはコルビノ型チャネルであり、発光効率が高められる。この構成によれば、コルビノ型チャネルはホール抵抗が零であるので、遠赤外光の発光に無関係なホール抵抗による発熱を無くすことができ、発光効率が向上する。
また、コルビノ型チャネルは、ソースからドレインに流れる電流方向が、エッジチャネルと交錯する方向であり、反転分布形成において上位ランダウ準位へ過剰電子を効率よく供給することができ、発光効率が向上する。
好ましくは、チャネルは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであり、且つジグザグ型チャネルの両端が接続されており、単位面積あたりの発光強度が高められる。この構成によれば、単位面積あたりのチャネル数が増加するので実効的に単位面積あたりの発光強度が増大する。

本発明の第３の遠赤外発光素子は、固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系と、二次元キャリア系に形成したチャネルと、チャネルを横断して設けた第１のゲート電極と、チャネルに電流を供給するソース及びドレイン電極とを有し、二次元キャリア系を量子ホール遷移状態に設定すると共に第１のゲート電極に電圧を印加し、且つ電流チャネル間の化学ポテンシャル差が、ランダウ準位間のエネルギー差以上になる電位差を、ソース及びドレイン電極間に印加することにより、電流チャネル間にキャリアの反転分布を形成し、反転分布により遠赤外発光することを特徴とする。

この構成によればキャリアが電子系の場合に以下のように動作する。
印加磁場強度やキャリア濃度を調整して本発明の第２の遠赤外発光素子と同様に、二次元電子系を量子ホール遷移状態に設定する。第１のゲート電極に負の適切な電圧を印加して、第１のゲート電極下の静電ポテンシャルを増加させ、フェルミレベルが上位ランダウ準位と下位ランダウ準位の間にくるようにする。この状態では、バルクチャネルは上位ランダウ準位からなり、エッジチャネルは下位ランダウ準位からなる。上位ランダウ準位がフェルミレベルよりも高いために、バルクチャネルは第１のゲート電極下を通過できずに反射され、ドレイン電極まで到達できない。いわば、第１のゲートによるポテンシャル障壁は、バルクチャネルの電流がドレイン電極に流れるのをせき止めるダムの役割をする。これにより、バルクチャネルの化学ポテンシャルを第１のゲートが無い場合よりも高く維持することができ、効率的に反転分布を形成することができ、発光効率が向上する。

ソースとドレイン間の印加電圧を増大していくと、低ポテンシャル側のチャネル端でエッジチャネルの化学ポテンシャルがバルクの下位ランダウ準位のエネルギーレベル領域まで下降し、下位ランダウ準位に電子の空席が生じる。これにより、化学ポテンシャルが高いバルク上位ランダウ準位と化学ポテンシャルが低く、電子の空席を有する下位ランダウ準位の間に電子の反転分布が形成される。この反転分布によって遠赤外光が生成される。

上記構成において、好ましくは、チャネル端に沿って設けた第２のゲート電極を有し、発光効率が高められる。この構成によれば、チャネル端に沿って設けた第２のゲート電極に適切な負の電圧を印加することにより、フェルミレベルが上位ランダウ準と下位ランダウ準位の間にくるようにすることができる。この状態では、バルクチャネルは上位ランダウ準位からなり、エッジチャネルは下位ランダウ準位からなる。上位ランダウ準位はフェルミレベルよりも高いために、バルクチャネルはゲート電極下を通過できず、ゲート電極近傍を通過するようになり、一方、下位ランダウ準位は、フェルミレベルよりも低いために、ゲート電極下を通過し、エッジチャネルとバルクチャネルが空間的に分離される。第２のゲート電極による空間分離と第１のゲート電極による高化学ポテンシャルの維持が同時に実現され、さらに遠赤外光の発光効率が高まる。

上記構成において、好ましくは、チャネルはコルビノ型チャネルであり、発光効率が高められる。この構成によれば、コルビノ型チャネルは、ホール抵抗が零であるので、遠赤外光の発光に無関係なホール抵抗による発熱を無くすことができ、発光効率が向上する。また、コルビノ型チャネルは、ソースからドレインに流れる電流方向が、電流チャネルと交錯する方向であり、反転分布形成において上位ランダウ準位へ過剰電子を効率よく供給することができ、発光効率が向上する。
さらに好ましくは、第２のゲート電極を有し、且つチャネルはコルビノ型チャネルである。この構成によれば第２のゲート電極による遷移抑制効果とコルビノ型チャネルによる発光効率向上効果が同時に実現し、さらに発光効率が高まる。
また好ましくは、チャネルは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであり、且つチャネルの両端が接続されており、ホール抵抗による発熱がないと共に単位面積あたりの発光強度が高められる。この構成によれば単位面積あたりのチャネル数が増加するので実効的に単位面積あたりの発光強度が増大する。
上記構成にあって、第２のゲート電極を有し、且つチャネルが棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであることが好ましい。この構成によれば、第２のゲート電極による遷移抑制効果による発光効率の向上と、ホール抵抗による発熱がないと共に単位面積の発光強度増大が同時に実現される。

また、好ましくは、上記第１，第２及び第３の遠赤外発光素子は、固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系に印加する磁場の強度を調整することにより、発光波長を調整する。
この構成によれば、印加磁場強度によりランダウ準位間隔を変えることができるので、発光波長を変化させることができる。また、キャリア濃度を調整すれば占有されるランダウ準位数を変化させることができるので、フェルミレベルの存在位置を変化させることができ、任意のランダウ準位占有率の量子ホール状態、及び量子ホール遷移状態を実現できる。

本発明によれば、固体材料の静磁場中二次元電子系と、ランダウ準位間の反転分布を形成する手段とによって、これまで、低コスト、利便性に優れた良い光源が無かった遠赤外領域において、波長可変で小型、すなわち、低コスト、利便性に優れた遠赤外発光素子が可能になる。さらに、コルビノ型に構成し、チャネル端近傍にゲート電極を付加することにより、効率のよい遠赤外発光素子が可能になる。さらに、光フィードバック機構を付加することにより、レーザー発振も可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、実質的に同一の構成要素には説明を簡潔にするため同一の符号を付して説明する。また、２次元キャリア系が電子系の場合について説明し、ホール系は実質的に同一なので説明を省略する。
初めに本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子を説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＺ−Ｚ断面図である。なお、図１は第１の実施の形態に属する複数の構成のうち、第２のゲート電極を有し、且つチャネル形状がコルビノ型の構成の場合を示している。

本発明の遠赤外発光素子１ａは、ＧａＡｓ２とＧａＡｌＡｓ３の界面に形成した２次元電子系４上に、円盤形状のソース電極５、ソース電極５の外側に円環状を成し且つ円環の一部に切欠部分６ａを有する第２のゲート電極６、この第２のゲート電極６の切欠部分６ａから金属ゲート６の外側に一定距離離れた位置に第１のゲート電極７、第１のゲート電極７のさらに外側にドレイン電極８を有している。また、ＧａＡｓ基板２の裏面側に裏面ゲート電極９を有していてもよい。
２次元電子系４はこの構成に限らず、他の化合物半導体を使用してもよく、またＳｉ表面の反転層を利用してもよい。また、円盤状のソース電極５と、ソース電極５を囲んで円環状の第２のゲート電極６を配置した形状はコルビノ型量子ホール素子と呼ばれ、従来から知られている。
図の点線１０ａ，１０ｂは、上位及び下位エッジチャネルを表しており、上位エッジチャネル１０ａは上位ランダウ準位１０ａであり、下位エッジチャネル１０ｂは下位ランダウ準位１０ｂである。

次に、本発明の遠赤外発光素子の動作を説明する。
図１の遠赤外発光素子１ａに、図面垂直方向に静磁場を印加し、二次元電子系をランダウ準位充填率４の量子ホール状態にする。第１のゲート電極７に負の電圧を印加して第１のゲート電極７の下のランダウ準位充填率を２に設定すると、第１のゲート電極７の下には印加電圧による静電ポテンシャルの増加により、下位エッジチャネル１０ｂのみが通過し、上位エッジチャネル１０ａは、第１のゲート電極７の下を通過できず、第１のゲート電極７の周辺に沿って走る。
これにより、ソースの化学ポテンシャルμ_Sに近く、ドレインの化学ポテンシャルμ_Dよりも大きな化学ポテンシャルを有する上位エッジチャネル１０ａと、ドレインの化学ポテンシャルμ_Dを有する下位エッジチャネル１０ｂが形成され、チャネル端を互いに同一方向に進行し、非平衡キャリア分布状態が形成される。

さらに、ソース電極５とドレイン電極８との間の電位差を調整して、上位エッジチャネル１０ａと下位エッジチャネル１０ｂの化学ポテンシャル差Δμ_abが、ランダウ準位エネルギー差、即ちサイクロトロンエネルギー（＝ｈω_c／２π，ｈ：プランク定数，ω_c：サイクロトロン周波数）以上の化学ポテンシャル差になるようにすると、上位エッジチャネル１０ａと下位エッジチャネル１０ｂ間に反転分布が形成される。この反転分布によって遠赤外発光が可能になる。
なお、二次元電子系をランダウ準位充填率４の量子ホール状態にするには、図１（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ発光ダイオード１１の光照射を併用してもよい。この場合には光照射によるキャリアー濃度の増加よって、ランダウ準位の充填率を調整できる。また、裏面ゲート電極９に電圧を印加して調整してもよい。

図２は、エッジチャネル間の反転分布の形成を説明する図である。（ａ）はソース電極５の中心を原点とした半径ｒ方向のランダウ準位のエネルギー構造を示しており、横軸は半径ｒ、縦軸はエネルギーＥを示している。（ｂ）は電子に関して低ポテンシャル側のチャネル端、すなわち図１における第２のゲート電極６近傍の上位及び下位ランダウ準位１０ａ，１０ｂの反転分布を示しており、横軸はランダウ準位の状態密度Ｄ（Ｅ）、縦軸はランダウ準位のエネルギーＥを示す。

通常、ランダウ準位は乱雑ポテンシャルの影響で有限の幅ｄを有している。ソース電極５とドレイン電極８の電位差を増大していき、上位エッジチャネル１０ａと下位エッジチャネル１０ｂ間の化学ポテンシャルの差Δμ_abがサイクロトロンエネルギーを越えると、（ａ）に示すように低ポテンシャル側のチャネル端において、下位エッジチャネル１０ｂの化学ポテンシャルμ_bがバルクのランダウ準位の化学ポテンシャルμ_Bにまで落ち込み、下位ランダウ準位１０ｂに電子の非占有部分Ａが生じる。電子の非占有部分Ａが生じると、電荷中性を保つために上位ランダウ準位１０ａに電子ｅ^-が集積し、過剰電子集積部分Ｂが生じる。このようにして、低ポテンシャル側のエッジチャネル間に反転分布を形成することができる。（ｂ）に示すように、過剰電子集積部分Ｂから電子非占有部分Ａに電子がフォトンを放出して遷移することによって、遠赤外光２１が生成できる。

次に、第２のゲート電極６に負の電圧を印加した効果について説明する。
図１において、第２のゲート電極６に負の電圧を印加することにより、第２のゲート電極６の下のランダウ準位充填率を２に調整する。このとき、第２のゲート電極６の下には下位ランダウ準位のエッジチャネル１０ｂのみが通過し、上位ランダウ準位のエッジチャネル１０ａは、印加電圧によるポテンシャル障壁により、第２のゲート電極６の下を通過できず、第２のゲート電極６の周辺に沿って走る。これにより、エッジチャネル１０ａ，１０ｂが第２のゲート電極６の全周にわたって空間的に分離され、エッジチャネル１０ａ，１０ｂ間の、すなわち、ランダウ準位１０ａ，１０ｂ間のフォノン放出による電子遷移が抑制され、第２のゲート電極６の全周にわたって発光効率を高めることができる。

次に、チャネル形状がコルビノ型形状である場合の効果を説明する。
一般に、コルビノ型形状のチャネルにおいては、ソースとドレイン間に印加する電場の方向がソース電極の半径方向であり、この電場とチャネルに垂直に印加する磁場によるローレンツ力はソース電極を中心とした円周方向となり、この円周方向には端点がないためにホール抵抗が零となる。図１に示した本発明の遠赤外発光素子においては、第１のゲート電極７によって上位エッジチャネル１０ａを反射して周回させるので、上記一般のコルビノ型チャネルの場合と同様に端点が無く、ホール抵抗が生じない。また、下位エッジチャネル１０ｂもソース電極８から出てソース電極８に戻るのでホール抵抗が生じない。さらに、コルビノ型チャネルは、ソース５からドレイン８に流れる電流方向が、エッジチャネル１０ａ，１０ｂと交錯する方向であるため、反転分布形成において、上位ランダウ準位１０ａに過剰電子ｅ^-を効率よく供給することができ、発光効率が向上する。
本発明の遠赤外発光メカニズムにおいては、ホール抵抗は何ら発光に関与しないので、ホール抵抗が零であれば、発光効率が向上する。また、過剰電子の供給効率が高いので発光効率が高い。

次に、本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子に属する他の構成の遠赤外発光素子を説明する。
図３は、本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子に属する他の構成の遠赤外発光素子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）及び（ｃ）は断面図である。この遠赤外発光素子１ｂは、図１に示した構成と比べて、第１のゲート電極として２つの第１のゲート電極７ａ，７ｂを有する点が異なり、２次元電子系は（ｂ）及び（ｃ）に示されているように、第２のゲート電極６の下に形成されたリング状の２次元電子系４ａと、ソース電極５の下から伸びて２次元電子系４ａと接続され、ドレイン電極８の下に至る２次元電子系４ｂとからなる点が異なり、また、第２のゲート電極６は第１のゲート電極７ｂを配設するための第２の切欠き部分６ｂを有することが異なる。

この構成によれば、ソース５の化学ポテンシャルμ_Sを有してソース電極５を出た上位エッジチャネル１０ａは、２次元電子系４ｂのチャネル端（２次元電子系４ｂの端）に沿って走り、次に２次元電子系４ａの内側のチャネル端（２次元電子系４ａの内側の端）に沿って走り、次に第１のゲート電極７ｂで反射されて第１のゲート電極７ｂの縁に沿って走り、次に２次元電子系４ａの外側のチャネル端に沿って走り、次に第１のゲート電極７ａで反射されて第１のゲート電極７ａの縁に沿って走り、次に２次元電子系４ａの外側のチャネル端に沿って走り、次に第１のゲート電極７ｂで反射されて第１のゲート電極７ｂの縁に沿って走り、次に２次元電子系４ａの内側のチャネル端に沿って走り、そして２次元電子系４ｂのチャネル端に沿って走り、ソース電極５に戻る。

一方、ドレイン８の化学ポテンシャルμ_Dを有してドレイン電極８を出た下位エッジチャネル１０ｂは、２次元電子系４ｂのチャネル端に沿って走り第１のゲート電極７ａの下を通過し、次に２次元電子系４ａの外側のチャネル端に沿って走り、次に第１のゲート電極７ｂの下を通過して２次元電子系４ａの外側のチャネル端に沿って走り、そして２次元電子系４ｂのチャネル端に沿って走り第１のゲート電極７ａの下を通過しドレイン電極８に戻る。

従って、２次元電子系４ａの外側のチャネル端では、ソース５の化学ポテンシャルμ_Sを有した上位エッジチャネル１０ａとドレイン８の化学ポテンシャルμ_Dを有した下位エッジチャネル１０ｂとが同一方向に走る。ソースとドレインの印加電圧を増加させることによって上位エッジチャネル１０ａと下位エッジチャネル１０ｂとの間に反転分布を形成することは、図１及び図２の説明と同様であるが、遠赤外発光素子１ｂの場合には、上位エッジチャネル１０ａの化学ポテンシャルを強制的にソース５の化学ポテンシャルμ_Sに等しくできるので、発光効率が高い。なお、第２のゲート電極及びコルビノ型チャネルの効果は図１の説明と同様であるので省略する。

次に、本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子に属する他の構成の遠赤外発光素子を説明する。
図４は、本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子に属する他の構成の遠赤外発光素子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。この遠赤外発光素子１ｃは、図３に示した構成と比べて、第１のゲート電極と第２のゲート電極とを一体化した、ゲート電極６を設けた点が異なる。ゲート電極６は、図３の第１のゲート電極７ｂに相当してチャネルの内側に向かう突出部６ｃを有している。
この構成によれば、図３における第１のゲート電極７ａの作用はゲート電極６のドレイン近傍の部分によって代替され、また、第１のゲート電極７ｂの作用は突起部６ｃによって代替される。

次に、本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子に属する、チャネルがジグザグ形状である場合の遠赤外発光素子を説明する。
図５は、本発明のチャネルがジグザグ形状である場合の遠赤外発光素子の構成を示す図である。遠赤外発光素子１ｄは、図１の構成と比べて、チャネル３２を両端が接続されたジグザグ形状とし、第２のゲート電極３３をチャネル３２の端を覆ってジグザグ形状に設けた点が異なる。
図１の遠赤外発光素子の場合と同様に、図面垂直方向に静磁場を印加し、二次元電子系をランダウ準位充填率４の量子ホール状態に設定し、第１のゲート電極３７に負の電圧を印加して第１のゲート電極３７の下のランダウ準位充填率を２に設定し、ソース電極３５とドレイン電極３８間にサイクロトロンエネルギー以上の電位差を印加し、ゲート電極３３に負の電圧を印加してランダウ準位充填率を２に設定する。
これにより、図２の説明と同様に、エッジチャネル間に反転分布が形成され、遠赤外光が発生する。また、チャネル３２の両端が接続され、第１のゲート電極３７を有することから、コルビノ型チャネルと同様にホール抵抗が無く、またエッジチャネルが第２のゲート電極３３によって空間的に分離されているので発光効率が高いことは図１に示した構成の遠赤外発光素子１と同様であるが、遠赤外発光素子１ｄはさらに、チャネルがジグザグに折り返されているために、実効的に単位面積あたりの発光領域が増大し、発光強度を高めることができる。なお、図においては、第１のゲート電極３７がある場合を示しているが、第２のゲート電極３３のドレイン電極と対向する部分３３ａが同様な効果を生ずるので、この第１のゲート電極３７は無くともよい。ただし、第１のゲート電極３７と第２のゲート電極３３に印加する電圧を変化させて発光強度を変調する場合には第１のゲート電極３７は必要である。

なお、上記した第１の実施の形態の遠赤外発光素子以外の第１の実施の形態に属する他の構成の遠赤外発光素子は、上記説明から容易に理解できるので説明を省略する。

次に、本発明の第２の実施の形態の遠赤外発光素子を説明する。
図６は本発明の第２の実施の形態の遠赤外発光素子の構成を示す上面図である。図６は、第２の実施の形態に属する複数の構成のうち、第２のゲート電極を有し且つチャネル形状がコルビノ型の構成の場合を示している。
遠赤外発光素子２ａは、図１の遠赤外発光素子１の構成と比べて、図１の第１のゲート電極７が無いことのみが異なる。また、動作させるための設定は図１の遠赤外発光素子１ａの場合と比べて、二次元電子系を量子ホール遷移状態に設定することのみが異なる。
二次元キャリア系の量子ホール遷移状態とは、散乱ポテンシャルによって有限の幅を持つランダウ準位中にフェルミレベルが存在し、フェルミレベルの存在するランダウ準位より下のランダウ準位は全て占有され、フェルミレベルの存在するランダウ準位は、フェルミレベル以上の準位が空席の状態である。この状態は、印加磁場強度やキャリア濃度を調整して設定する。この状態でソースとドレインに電圧を印加すると電流チャネルとしてバルクチャネルとエッジチャネルが生起される。

フェルミレベルが存在するランダウ準位からなるチャネルはエネルギー散逸を伴う電流チャネルであり、フェルミレベルより下のランダウ準位はエネルギー散逸を伴わない、いわば超伝導電流チャネルである。バルクチャネル４２ａはフェルミレベルが存在する上位ランダウ準位からなり、エッジチャネル４２ｂはフェルミレベルより下の下位ランダウ準位からなる。ソース５とドレイン８間に電圧を印加することにより、エッジチャネル４２ｂとバルクチャネル４２ａ間に非平衡キャリア分布が生じる。ソース５とドレイン８間の印加電圧を増大し、エッジチャネル４２ｂとバルクチャネル４２ａ間の化学ポテンシャル差をサイクロトロンエネルギー以上にすると、下位エッジチャネル４２ｂの化学ポテンシャルが有限の幅を持つ下位バルク・ランダウ準位のエネルギーレベルにまで降下する。これにより、チャネル端近傍の下位ランダウ準位４２ｂに電子の空席が生じる。このようにして、化学ポテンシャルの高い上位ランダウ準位４２ａと、化学ポテンシャルが低く電子の空席を有する下位ランダウ準位４２ｂ間に反転分布が形成される。この反転分布によって遠赤外光が生成される。

この際、チャネル端に沿って設けた第２のゲート電極６に適切な負の電圧を印加することにより、フェルミレベルが上位ランダウ準位４２ａと下位ランダウ準位４２ｂの間にくるようにする。この状態では、バルクチャネル４２ａは、フェルミレベルよりも高いために、ゲート電極６下を通過できず、ゲート電極６近傍を通過するようになり、エッジチャネル４２ｂはゲート電極６近傍を通過する。これにより、エッジチャネル４２ｂとバルクチャネル４２ａが空間的に分離されるため、バルクチャネル４２ａとエッジチャネル４２ｂ間のフォノン放出を伴う電子遷移が抑制され、遠赤外光の発光効率が高まる。
なお、コルビノ型チャネルの効果は、図１の構成で説明した効果と同様にホール抵抗が無いこと及び過剰電子供給効率が高いことであるので説明を省略する。

また、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルを用いた構成は、図３に説明した構成において第１のゲート電極３７が無いことのみ異なり、単位面積あたりの発光強度が増大する効果は同様であるので説明を省略する。また、上記した本発明の第２の実施形態の遠赤外発光素子以外の本発明の第２の実施形態の遠赤外発光素子に属する他の構成は、上記説明から容易に理解できるので説明を省略する。

次に、本発明の第３の実施の形態の遠赤外発光素子を説明する。
本発明の第３の実施の形態の遠赤外発光素子は、上記した本発明の第１の実施の形態の遠赤外発光素子と構成が同じであり、二次元電子系を量子ホール遷移状態に設定して動作させることのみ異なる。効果は、上記第１及び第２の実施の形態の遠赤外発光素子の説明から理解できるので説明を省略する。

次に、本発明の第４の実施形態である遠赤外レーザーを説明する。
図７は、本発明の第４の実施形態である遠赤外レーザーの構成を示す図である。この遠赤外レーザー５１は、本発明の遠赤外発光素子５２を挟んで、反射率が高い凹面鏡５３と半透過性の平面鏡５４が配置された構成であり、凹面鏡５３と半透過性平面鏡５４とで構成されたレーザー共振器と、遠赤外発光素子５１の反転分布とでレーザー発振する。

次に、本発明の第５の実施形態である遠赤外レーザーを説明する。
図８は、本発明の第５の実施形態である遠赤外レーザーの構成を示す図である。本発明の遠赤外レーザー６１は、ＧａＡｓ基板６２上にＧａＡｌＡｓをヘテロ接合して形成した２次元電子系６３を有する本発明の遠赤外発光素子６１と、遠赤外発光素子６１の表面側に密着させた、遠赤外発光素子６１の発光する遠赤外光波長の１／４以上の厚さを有するＧａＡｓ基板６４と、ＧａＡｓ基板６２の裏面側に設けた金属等の反射率の高い反射膜６５とからなる。
この構成によれば、ＧａＡｓの屈折率が３．４程度であるから、ＧａＡｓ基板６４は、遠赤外発光素子６１の発光波長に対して反射率３０％程度の半透過膜となる。ＧａＡｓ基板６４と反射膜６５とでレーザー共振器が構成できる。また、上記のように遠赤外光波長の１／４以上の厚さを有するＧａＡｓ基板６４を用いる代わりに、表面６６から２次元電子系６３に到る深さｔが発光波長の１／４以上となるように構成してもよい。

次に、実施例を説明する。この実施例は、本発明の第２の実施形態に属するジグザグチャネルによる遠赤外発光素子の発光を測定したものである。
２次元電子系はＧａＡｓとＧａＡｌＡｓのヘテロ接合によるものである。ジグザグチャネルの一辺の長さ及び幅はそれぞれ３ｍｍ、０．５ｍｍである。印加磁場は６Ｔ（テスラ）、ランダウ準位間隔は１０ｍｅＶである。測定温度は４．２Ｋであり、測定装置は量子ホール検出器を用いたＴＨｚ顕微鏡である。

図９は、本発明の遠赤外発光素子が発光している様子を示す図である。（ａ）の左図は紙面垂直下方向に磁場を印加した場合の発光を示し、右図は、紙面垂直上方向に磁場を印加した場合の発光を示している。（ｂ）はソースとドレイン間に印加する電圧の極性を（ａ）とは逆にした場合の発光を示し、左図は紙面垂直下方向に、右図は紙面垂直上方向に磁場を印加した場合の発光を示している。
図からわかるように、低ポテンシャル側のチャネル端で発光することがわかる。また、磁場方向、又はソース・ドレイン間の電圧極性を変化させることによって、発光するチャネル端が変化することから、チャネル間の反転分布に基づく発光であることがわかる。

図１０は、上記発光チャネル端の遠赤外発光素子の発光特性を示す図である。横軸は波長λを示し、縦軸は任意メモリで示した発光強度である。図から、中心波長λ＝１２０μｍの赤外光が、半値幅Δλ＝６μｍで放出されていることがわかる。この半値幅はバンド幅に換算すると約５％に相当し極めて鋭い。

上記説明では、量子ホール素子としてコルビノ型チャネル素子、ジグザグ型チャネル素子を用いて説明したが、これに限らず、エッジチャネル間、又はエッジチャネルとバルクチャネル間に反転分布を形成できる構成の量子ホール素子であれば使用可能である。また、上に説明した共振器は一例であって、上記共振器に限られるものではない。

第１の実施の形態に係る遠赤外発光素子の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＺ−Ｚ断面図である。エッジチャネルの反転分布の形成を説明する図である。第１の実施の形態に係る遠赤外発光素子に属する他の構成の遠赤外発光素子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＹ−Ｙ断面図、（ｃ）はＺ−Ｚ断面図である。第１の実施の形態に係る遠赤外発光素子に属する他の構成の遠赤外発光素子を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。チャネルがジグザグ形状である場合の遠赤外発光素子の構成を示す図である。第２の実施の形態に係る遠赤外発光素子の構成を示す平面図である。本発明の第４の実施形態である遠赤外レーザーの構成を示す図である。本発明の第５の実施形態である遠赤外レーザーの構成を示す図である。本発明の遠赤外発光素子が発光している様子を示す図である。本発明の遠赤外発光素子の発光特性を示す図である。

符号の説明

１ａ第１の実施の形態による遠赤外発光素子
１ｂ第１の実施の形態による他の遠赤外発光素子
１ｃ第１の実施の形態による他の遠赤外発光素子
１ｄ第１の実施の形態によるジグザグチャネルによる遠赤外発光素子
２ａ第２の実施の形態による遠赤外発光素子
２ＧａＡｓ基板
３ＧａＡｌＡｓ
４２次元電子系
５ソース電極
６第２のゲート電極
６ａ第２のゲート電極の切欠部分
６ｂ第２のゲート電極の切欠部分
７第１のゲート電極
７ａ第１のゲート電極
７ｂ第１のゲート電極
８ドレイン電極
９裏面ゲート電極
１０ａエッジチャネル、バルクチャネル、上位ランダウ準位
１０ｂエッジチャネル、下位ランダウ準位
１１光源
２１遠赤外発光
３２チャネル
３３第２のゲート電極
３４発光領域
３５ソース電極
３７第１のゲート電極
３８ドレイン電極
４１本発明の第２の実施の形態の遠赤外発光素子
４２ａバルクチャネル
４２ｂエッジチャネル
５１第４の実施形態である遠赤外レーザー
５２遠赤外発光素子
５３凹面鏡
５４金属メッシュ平面鏡
６１第５の実施形態による遠赤外レーザー
６２ＧａＡｓ基板
６３２次元電子系
６４遠赤外光の波長以上の厚さを有するＧａＡｓ基板
６５反射膜
６６表面

Claims

固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系と、この二次元キャリア系に形成したチャネルと、このチャネルを横断して設けた第１のゲート電極と、上記チャネルに電流を供給するソース及びドレイン電極とを有し、
上記二次元キャリア系を量子ホール状態に設定すると共に上記第１のゲート電極に電圧を印加して、エッジチャネル間に非平衡キャリア分布を形成し、且つこのエッジチャネル間の化学ポテンシャル差が、ランダウ準位間のエネルギー差以上になる電位差を、上記ソース及びドレイン電極間に印加することにより、上記エッジチャネル間にキャリアの反転分布を形成し、この反転分布により遠赤外発光することを特徴とする遠赤外発光素子。
前記チャネルのチャネル端に沿って設けた第２のゲート電極を有し、発光効率を高めることを特徴とする、請求項１に記載の遠赤外発光素子。
前記チャネルはコルビノ型チャネルであり、発光効率を高めることを特徴とする、請求項１又は２に記載の遠赤外発光素子。
前記チャネルは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであり、且つこのジグザグ型チャネルの両端が接続されており、単位面積あたりの発光強度を高めることを特徴とする、請求項１又は２に記載の遠赤外発光素子。
固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系と、この二次元キャリア系に形成したチャネルと、このチャネルのチャネル端に沿って設けたゲート電極と、上記チャネルに電流を供給するソース及びドレイン電極とを有し、
上記二次元キャリア系を量子ホール遷移状態に設定すると共に、エッジチャネルとバルクチャネル間の化学ポテンシャル差がランダウ準位間のエネルギー差以上になる電位差を上記ソース及びドレイン電極間に印加してキャリアの反転分布を形成し、且つ上記ゲート電極に電圧を印加して、発光効率を高めることを特徴とする、遠赤外発光素子。
前記チャネルはコルビノ型チャネルであり、発光効率を高めることを特徴とする、請求項５に記載の遠赤外発光素子。
前記チャネルは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであり、且つこのジグザグ型チャネルの両端が接続されており、単位面積あたりの発光強度を高めることを特徴とする、請求項５又は６に記載の遠赤外発光素子。
固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系と、この二次元キャリア系に形成したチャネルと、このチャネルを横断して設けた第１のゲート電極と、上記チャネルに電流を供給するソース及びドレイン電極とを有し、
上記二次元キャリア系を量子ホール遷移状態に設定すると共に上記第１のゲート電極に電圧を印加し、且つこのエッジチャネル間の化学ポテンシャル差が、ランダウ準位間のエネルギー差以上になる電位差を、上記ソース及びドレイン電極間に印加することにより、上記エッジチャネル間にキャリアの反転分布を形成し、この反転分布により遠赤外発光することを特徴とする、遠赤外発光素子。
前記チャネルのチャネル端に沿って設けた第２のゲート電極を有し、発光効率を高めることを特徴とする、請求項８に記載の遠赤外発光素子。
前記チャネルはコルビノ型チャネルであり、発光効率を高めることを特徴とする、請求項８又は９に記載の遠赤外発光素子。
前記チャネルは、棒状のチャネルを多数回折り返したジグザグ型チャネルであり、且つこのジグザグ型チャネルの両端が接続されており、単位面積あたりの発光強度を高めることを特徴とする、請求項８又は９に記載の遠赤外発光素子。
前記固体材料中に作製した静磁場中二次元キャリア系に印加する磁場の強度を調整することにより、発光波長を調整することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の遠赤外発光素子。