JP6155012B2 - グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトを用いた発光素子、光源及びフォトカプラ - Google Patents
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Description
本発明は、グラファイト(黒鉛)、その中でも特にグラフェンや多層グラフェンを用いた発光素子、光源及びフォトカプラに係り、特に情報通信電気電子分野で用いるのに好適な、５００Ｍｂｐｓ以上の超高速通信を実現する高速変調が可能な連続スペクトル光源を実現できる発光素子、該発光素子を用いた光源及びフォトカプラに関する。
従来、電流注入により発光する素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーダイオード（ＬＤ）がある。
ＬＥＤは、半導体に注入した電子・正孔の再結合による発光であり、発光スペクトルはバンドギャップに起因して特定の波長のみで発光するピーク形状を有しており、特定の発光波長を利用してディスプレイや照明等へ用いられている。しかし、ＬＥＤは、キャリアの放電時定数が大きく、数十ＭＨｚ程度の変調が限界であり、Ｇｂｐｓレベルの高速変調性は有していない。また、インジウム(Ｉｎ)などのレアメタルを含むために資源枯渇の問題があることや、砥素(Ａｓ)などの有害物質を含むために除害が必須になるなど製造コストが高い。また、ＬＥＤは安価なシリコン基板上に直接作製できないため、集積回路上に直接形成することは困難である。
半導体ＬＤは、極めて狭い発光ピーク波長と高速変調性を有しており光通信光源等に利用されている。しかし、シリコン基板上への作製が難しいため、現在研究が進められている光集積回路や光回路用光源への応用の障害となっている。また、ＬＥＤと同様にＩｎなどのレアメタルを含むために資源枯渇の問題があることや、Ａｓなどの有害物質を含むため除害が必須になるなど製造コストが高い。
一方、あらゆる物質は、絶対零度を超える温度において熱による電磁波の放射（黒体放射）が見られる。この黒体放射では、その発光スペクトルはプランク則によって記述され、ＬＥＤやＬＤとは異なり、広い波長範囲において連続的なスペクトルが得られるとともに、熱放射のエネルギーは温度Ｔの４乗に比例するステファン・ボルツマン則に従う。この黒体放射は、現在は例えば電球のタングステンフィラメントとして用いられていて、照明等に利用されている。しかし、従来のフィラメント等による黒体放射では、数十〜数百ｍｓ程度と極めて遅い応答時間であるため、現状では高速変調可能な連続スペクトル光源は、実用化されていない。
近年、グラファイトの一層のみを取りだしたグラフェンが注目されている。このグラフェンの電子状態は、伝導帯と価電子帯がＫ点で接しているゼロギャップの半導体であり、金属的な電気伝導特性を示す。但し、２層のグラフェンは、２００ｍｅＶ程度のバンドギャップが現れることが明らかとなっている。グラフェンは、２００４年に発見された新規物質であり、高い電気伝導特性や熱伝導特性を示すとともに、機械的特性や耐熱性も優れており、２０１０年には発見者がノーベル賞を受賞するなど、近年非常に注目される新規ナノ材料である。
このグラフェンにおける発光に関しては、次のような報告がある。
（ｉ）グラフェンを多数積層したグラフェンペーパーによる黒体放射発光（非特許文献１、２）
ここでは、溶液に分散したグラフェンを基板上に積層させてペーパー化したものに通電することにより、黒体放射が得られることを明らかにしている。ただし、本成果は、一層から数層の通常のグラフェンではなく、それらを多量に積層させたグラフェンペーパー（厚み：数十μｍ以下程度）であり、本発明とは異なる。また、高速変調などの本発明に関する記述は全く無い。また、多量に積層したグラフェンペーパーは、本発明で提案する単層〜数層のグラフェンと比べて基板への熱の散逸が抑制されるため、高速変調性は得られにくい。
ここでは、溶液に分散したグラフェンを基板上に積層させてペーパー化したものに通電することにより、黒体放射が得られることを明らかにしている。ただし、本成果は、一層から数層の通常のグラフェンではなく、それらを多量に積層させたグラフェンペーパー（厚み：数十μｍ以下程度）であり、本発明とは異なる。また、高速変調などの本発明に関する記述は全く無い。また、多量に積層したグラフェンペーパーは、本発明で提案する単層〜数層のグラフェンと比べて基板への熱の散逸が抑制されるため、高速変調性は得られにくい。
（ii）単層グラフェンによる黒体放射発光（非特許文献３、４）
単層のグラフェンに電極を形成し、電圧を印加することによって、黒体放射による発光を観測している。ここでは、バイアス電圧やゲート電圧に依存したスペクトル・発光強度・発光位置の変化を観測して、電圧印加に伴う黒体放射の発現メカニズム等を議論している。しかし、本発明で行われているような、高速変調性に関する実験は全く行われておらず、高速変調性に関する結果は全く得られていないとともに、それらに対する知見も述べられていない。そのため、高速変調に最適な構造などについても、全く示されていない。
単層のグラフェンに電極を形成し、電圧を印加することによって、黒体放射による発光を観測している。ここでは、バイアス電圧やゲート電圧に依存したスペクトル・発光強度・発光位置の変化を観測して、電圧印加に伴う黒体放射の発現メカニズム等を議論している。しかし、本発明で行われているような、高速変調性に関する実験は全く行われておらず、高速変調性に関する結果は全く得られていないとともに、それらに対する知見も述べられていない。そのため、高速変調に最適な構造などについても、全く示されていない。
（iii）フォノンアシストによる可視光領域におけるグラフェン発光（非特許文献５）
フォノンアシストによる遷移を利用することにより、カーボンナノチューブやグラフェンで可視光領域での発光が得られることを示している。本発明の黒体放射とは発光機構が異なることから、発光波長が異なるとともに、発光スペクトルはピーク形状を有する。また、高速変調性に関する報告はない。
フォノンアシストによる遷移を利用することにより、カーボンナノチューブやグラフェンで可視光領域での発光が得られることを示している。本発明の黒体放射とは発光機構が異なることから、発光波長が異なるとともに、発光スペクトルはピーク形状を有する。また、高速変調性に関する報告はない。
特許文献１には、グラフェンを湾曲させてバンドギャップ構造を作って発光させることが開示されている。
また、特許文献２、３には、グラフェン層が成長された基板を電子集積回路や光集積回路に用いることが開示されている。
Dingshan Yu and Liming Dai， "Voltage-induced incandescent light emission from large-area graphene films"， App1.Phys.Lett.，96 143107，2010.
Haiqun Chen， et a1.，"Mechanically Strong，Electrically Conductive，and Biocompatible Graphene Paper", Adv. Mater.，20，3557-3561，2008.
Marcus Freitag， et al.，"Thermal infrared emission from biased graphene" ， Nature Nanotechnology，5，497-501，2010.
Stephane Berciaud，et a1.，"Electron and Optica1 Phonon Temperature in Electrically Biased Graphene", Phys. Rev. Lett.，104，227401，2010.
S.Essig et al.， "Phonon-Assisted Electroluminescence from Metallic Carbon Nanotubes and Graphene"，Nano Letters，10，1589-1594，2010.
従来の半導体を用いたＬＥＤやＬＤでは、発光スペクトルは特定の波長のみで発光するピーク形状を有し、連続スペクトルは有しない。また、従来の半導体発光素子は、化合物半導体を用いているため、安価・大面積・安全で豊富な資源があるシリコンウェハー上に直接成長させることが困難である。また、化合物半導体は、Ｉｎなどのレアメタルを含むため資源枯渇の問題があるとともに、Ａｓなどの有害物質を含むため除害等にコストがかかる。
一方、連続スペクトル光源としては、一般にタングステンなどのフィラメントが用いられているが、数十〜数百ｍｓ程度の極めて遅い変調性しか有しておらず、光通信等に必要な高速変調は不可能であった。
更に、特許文献１〜３のいずれも、黒体放射による発光ではなく、また高速変調への言及もない。
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、５００Ｍｂｐｓ以上の高速変調を達成して超高速通信を可能にする、連続スペクトル光源を実現することを課題とする。
本発明は、グラフェン及び多層グラフェンの高い電気伝導特性や熱伝導特性に注目し、特にグラフェン及び多層グラフェンへの通電による温度上昇に伴う黒体放射を高速変調発光として利用する。これにより、黒体放射によるブロードな発光スペクトルを有し、かつ高速変調が可能である発光素子を実現するものである。
即ち、本発明は、基板と、該基板上に配設された複数の電極と、該電極間に配設された所定層数以下のグラファイトからなる発光部とを備え、前記電極への通電により前記発光部が発熱して発光する黒体放射によって、可視光から１０μｍよりも短い波長の赤外線までの連続した広い発光波長域で発光を行うことを特徴とするグラファイトを用いた発光素子として、前記課題を解決したものである。
ここで、前記グラファイトを、層数が１であるグラフェンまたは１００以下である多層グラフェンとすることができる。
又、前記グラファイトの層数を５０００以下とすることができる。
又、少なくとも前記グラファイトの表面を絶縁体で覆うことができる。
又、前記グラファイトを真空中に配置することができる。
本発明は、又、前記グラファイトを用いた発光素子を備えたことを特徴とする光源を提供するものである。
ここで、前記グラファイトを、発光した光を伝搬させるための光ファイバと直交するように配設することができる。
又、前記グラファイトが、前記基板の表面と垂直な方向に発光するようにできる。
本発明は、又、前記グラファイトを用いた発光素子と、受光素子を備えたことを特徴とするフォトカプラを提供するものである。
本発明によれば、グラファイトに電極を形成するだけで、高速変調可能な発光素子が得られる。この発光素子を光通信に応用した場合、最低でも５００Ｍｂｐｓ以上の超高速通信を可能とすることが期待され、デバイスの最適化により、更なる高速変調も期待される。また、シリコン基板など様々な基板上に集積させて作製することも容易である。また、発光波長も８００ｎｍ〜１０μｍ程度の様々な波長をもつ高速変調発光素子が実現できる。そのため、光ファイバを用いた光通信、シリコン基板上への光集積回路、チップ間やボード間の短距離情報伝送、フォトカプラなど、高速変調が必要となる様々な応用が可能である。
また、本発明によれば、従来の発光ダイオードやレーザーダイオードでは不可能な広い波長範囲において連続的なスペクトルの白色光源を得られる特徴がある。従来のフィラメント等による黒体放射では、高速変調はできないため、現状では高速変調可能な白色光源は存在しないが、本発明により高速変調可能な白色光源が実現される。
なお、変調速度があまり大きくない場合、グラファイトを用いることも可能である。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の第１実施形態である発光素子は、図１に示す如く、グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトからなる発光部１０に対してソース電極１２とドレイン電極１４を形成した素子構造を持つ。
基板２０としては、どのような基板を用いても良く、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなど、グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトと比べて基板の電気抵抗が十分大きく、ソース・ドレイン電極間が電気的に短絡しなければ、どのような基板を用いても良い。本実施形態では、シリコン基板２０上に設けたＳｉＯ２絶縁膜２２上に素子を形成している。
電極１２、１４の形状は、矩形や櫛形などどのような形状でも良い。また、電極材料は、電流が流れる材料であればどのような材料でも良く、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌなど、金属でも半導体でも良い。ただし、発光素子を高速変調させることを考慮すると、電気抵抗が小さい金属が望ましい。
図１に示したように発光部１０は、ソース・ドレイン電極１２、１４間に配置される。電極間の発光部１０は、高速変調が要求される場合は一層のグラフェン又は多層グラフェンであり、変調速度があまり大きくない場合はグラファイトでもよい。ただし、層数が少ないほど基板への熱の散逸が大きく、高速変調が可能である。逆に層数が多くなると、変調速度は小さくなるが、発光強度は大きくなる。また、基板との接触が良いほど基板への熱の散逸が大きくなり、変調速度が大きくなるため、基板の種類や作製法によっては、単層よりも二層以上の多層グラフェンの方が基板との接触がよくなり、変調速度がより大きくなることがある。また、グラフェンや多層グラフェンは、粘着テープ等によるグラファイトからの転写や、化学気相成長法、ＳｉＣ加熱法など、どのような方法で作製したものを用いてもよい。
電極への熱の散逸を考慮しない場合のグラファイトの層数と発光の立ち上がり時間の関係を調べた実験結果及びシミュレーション結果を図２に示す。
図２の実線Ａが、グラファイトの層数が少ないときのフィッティングで、層数（Ｎ）と立ち上がり時間（t rise）の関係は、ほぼ
t rise ∝ Ｎ1.55 （層数の１．５５乗）
の関係で(これをグラフェン領域とする)、多層グラフェンの実験結果（楕円形の領域）とほぼ一致している。
t rise ∝ Ｎ1.55 （層数の１．５５乗）
の関係で(これをグラフェン領域とする)、多層グラフェンの実験結果（楕円形の領域）とほぼ一致している。
一方、図２の破線Ｂが、グラファイトの層数が大きい領域（これをグラファイト領域とし、厚みの熱伝導が支配的になっている状況）のフィッティングであり、層数（Ｎ）と立ち上がり時間（t rise）の関係は、ほぼ
t rise ∝ Ｎ2.00（層数の２乗）
の関係で、グラファイトの実験結果（十字部分）とほぼ一致している。
t rise ∝ Ｎ2.00（層数の２乗）
の関係で、グラファイトの実験結果（十字部分）とほぼ一致している。
シミュレーションから判断すると、グラフェン領域とグラファイト領域の特性がクロスする層数は５０層程度である。例えば、１ｎｓ程度の立ち上がり速度を得るためには、１５−２０層程度以下であればよい。
図３に、単層グラフェンの発光強度を１としたときの、多層グラフェンの層数に対する発光強度を示す。この図から、およそ１００層以上になると発光強度が飽和する傾向にあり、２００層になるとほぼ一定となる。これは、下層のグラフェンからの発光が途中で上層のグラフェンに吸収されてしまい、表面から出てこないことによるものである。
ここで、立ち上がり時間と発光強度の観点で層数依存性を考えると、層数が少ない場合は、（ａ）立ち上がり時間は早くなるが、（ｂ）発光強度が弱い。従って、立ち上がり時間を重視したいのであれば、層数を少なくすればよい。
一方、層数が多くなると、（ａ）立ち上がり時間は遅くなるが、（ｂ）発光強度は大きい。従って、発光強度を重視したいのであれば、厚くすればよいということになる。
ここで、
（１）発光強度は、図３に示したように、約１００層以上では、厚くしてもほとんど増加しないのに対して、
（２）立ち上がり時間は、図２に示したように、厚くなるにしたがって急激に大きくなるので、約１００層以上の多層グラフェンでは、発光強度が変わらないのにどんどん速度が遅くなるということが分かる。
（１）発光強度は、図３に示したように、約１００層以上では、厚くしてもほとんど増加しないのに対して、
（２）立ち上がり時間は、図２に示したように、厚くなるにしたがって急激に大きくなるので、約１００層以上の多層グラフェンでは、発光強度が変わらないのにどんどん速度が遅くなるということが分かる。
そのため、１００層以上の多層グラフェンは、高速変調発光素子の観点では、余り意味が無く、高速変調素子としては、１００層以下が適切である。
なお、１００層以上であっても発光素子として機能しないわけではなく、１００層の時は、図２より、２０ｎｓ（５０ＭＨｚ）ぐらいの応答速度になる。ただし、後述するように、電極への熱の逃げを考慮すると、電極間隔を短くすることで１００層のときでも１ｎｓ程度（１ＧＨｚ)の応答も可能になる。
本発明の発光素子で用いるグラフェン、多層グラフェン又はグラファイトでは、基板に横たわって接触しているものでも、両端のみが基板に支えられた架橋グラフェン、架橋多層グラフェン又は架橋グラファイトでも、黒体放射による連続スペクトルは観測される。ただし、本発明で重要となる高速変調を得る場合は、基板への熱の散逸が大きいほど高速で変調されることから、基板に接触しているグラフェン、多層グラフェン又はグラファイトの方が好ましい。さらに、グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトは、大気中に露出していてもよいが、図１に示すように、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ａ１２Ｏ３、ＭｇＯなどの酸化物絶縁体やＰＭＭＡなどの高分子材料絶縁体など、絶縁体材料（図では絶縁体キャップ層２４）に覆われているグラフェン、多層グラフェン又はグラファイトが望ましい。これは、絶縁体などでグラフェン、多層グラフェン又はグラファイトを覆った場合、
（１）上下に挟まれた絶縁体を通して熱が散逸することから、覆っていない発光素子と比べて高速変調が可能になること、および、
（２）グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトが大気中の酸素と反応して損傷することから、絶縁体材料で覆うことにより酸素との反応によるグラフェン、多層グラフェン又はグラファイトの損傷を防ぐことが出来るため、覆われていないものと比べてより大きな電圧・電流が印加可能となり、よってより大きな発光強度を得ることができるためである。
（１）上下に挟まれた絶縁体を通して熱が散逸することから、覆っていない発光素子と比べて高速変調が可能になること、および、
（２）グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトが大気中の酸素と反応して損傷することから、絶縁体材料で覆うことにより酸素との反応によるグラフェン、多層グラフェン又はグラファイトの損傷を防ぐことが出来るため、覆われていないものと比べてより大きな電圧・電流が印加可能となり、よってより大きな発光強度を得ることができるためである。
ただし、絶縁体材料に覆われていなくても、グラフェン、多層グラフェン又はグラファイトを真空中に保持するなど、酸素と接触することを避けることにより、同様の効果が得られる。
基板に横たわって接触している５層の多層グラフェンを用いた発光素子に０〜８Ｖの電圧を印加した際の発光スペクトルの例を図４（ａ）（長波長側）及び（ｂ）（短波長側）に示す。長波長側で強度が緩やかに増加する発光は、通電により多層グラフェンが発熱することによる黒体放射による発光である。この発光に対して、図５（ａ）に示すような１０ｎｓ幅（５０Ｍｂｐｓ）のパルス電圧を印加した際の発光の時間分解測定の観測結果を図５（ｂ）に示す。印加したパルス電圧に同期した発光パルスが観測される。立ち上がり時間、立ち下がり時間は、それぞれ約１ｎｓ、０．７ｎｓであった。この結果は、高速変調された電圧印加に伴い、発光も高速での変調が可能であることを示しており、立ち上がり・立ち下がり時間から、少なくとも５００Ｍｂｐｓ程度以上の高速光通信が可能であることを示している。また、パルス幅１ｎｓのパルス電圧（４−６Ｖ変調）を印加した際の発光の時間分解測定の結果を図６に例示する。この時間分解測定は、多層グラフェンからの発光を光ファイバに通して行っていることから、この発光素子が光ファイバを用いた高速光通信に用いることが出来ることを示している。同様の高速変調は、グラフェン、多層グラフェンにおいても観測できる。
この黒体放射による発光の高速変調は、
（１）グラフェンが一原子層オーダーの極めて薄い材料であるため、熱容量が非常に小さく、また基板への熱の散逸が大きいこと、
（２）グラフェンの熱伝導率が非常に高いこと、
に起因している。
（１）グラフェンが一原子層オーダーの極めて薄い材料であるため、熱容量が非常に小さく、また基板への熱の散逸が大きいこと、
（２）グラフェンの熱伝導率が非常に高いこと、
に起因している。
これらに起因して、グラフェンや多層グラフェンでは速やかな昇温、降温が実現されることから、黒体放射にも関わらず高速変調が実現される。このような黒体放射による発光の高速変調は、単層のグラフェン発光素子および多層グラフェン発光素子の両方で得られる。この黒体放射の発光原理による高速変調では、少ない熱エネルギーでグラフェン、多層グラフェンの温度が速やかに変化することで高速変調が得られることから、高い放熱性を得ることができる基板にグラフェン、多層グラフェンを接触させる、または高い放熱性をもつ材料でグラフェン、多層グラフェンを覆った場合に、応答時間の向上が見られる。
さらに、電極への熱の散逸を考慮した場合、電極方向への熱伝導を利用して、電極間距離を変えることにより、立ち上がり時間を制御することが可能となる。図７に電極方向への熱伝導のみを考慮した場合の電極間距離に依存した立ち上がり時間を示す。電極への熱の散逸のみを考慮した場合では、電極間距離を短くするほど、立ち上がり時間が早くなっている。例えば、電極間距離が４．５μｍでは立ち上がりは１０ｎｓ程度、３μｍでは立ち上がりは５ｎｓ程度、１μｍでは立ち上がりは０．５ｎｓ程度である。
また、図８に、基板への熱の散逸と電極への熱の散逸を共に考慮した場合の立ち上がり時間の層数依存性を示す。層数が薄い領域では基板への熱の散逸が支配的であり、層数が増すごとに立ち上がり時間が遅くなるが、ある層数以上では電極への熱の散逸の方が支配的になり、立ち上がり時間は層数に依存せず一定となる。このため、電極への熱の散逸を利用すれば、層数を増やしても、高速応答を維持することができる。この一定となる立ち上がり時間は、電極間隔によって制御することが可能であり、電極間隔を狭くするほど、この飽和する立ち上がり時間を早くすることが出来、１ｎｓ以下の応答速度を実現することも可能である。
また、前述したように、発光強度は、１００層程度までは層数を増やすことで、大きくすることができる。ここで、もし電極への熱の散逸が無い場合は、発光強度を増やすために１００層のグラフェンを用いると、１００層において２０ｎｓの立ち上がりとなってしまい、応答速度が低下してしまう。しかし、電極への熱の散逸を利用した場合、電極間隔を狭くしておけば、１００層までグラフェンを厚くした場合でも高速応答速度を維持することができ、例えば、電極間隔が１μｍの時を考えると、１００層までグラフェンを厚くしても、立ち上がり時間は１ｎｓに維持されており、高速応答速度を維持しつつ、発光強度を大きくすることが可能となる。
次に、垂直発光素子や共振器による狭線幅発光素子に適した本発明の第２実施形態について説明する。
黒体放射では連続スペクトルが得られるが、石英光ファイバなどを用いて高速光通信を行うことを目指した場合、スペクトル幅を狭くすることが有用である。そこで、グラフェン又は多層グラフェンからなる発光部をミラーで挟んだ共振器構造を作製することにより、スペクトル幅の狭い発光素子とし、基板と垂直な方向に光を照射するようにした垂直発光素子が開発可能である。この第２実施形態では図９に示す如く、発光層である発光部１０に対して、ＳｉＯ２等の誘電体薄膜３０の微細加工によって導波路構造を形成して垂直方向に発光を取り出すとともに、発光部１０、誘電体薄膜３０をＡｕなどの金属または誘電体多層膜によるミラー３２、３４で挟んだ共振器構造を作製することにより、ミラー３２、３４内で共振する光のみを取り出し、発光の指向性向上および発光波長の狭線幅化を行う。また、上部ミラー３２を削除することによって狭線幅化されない垂直発光素子が作製可能である。ちなみに、この構造では、誘電体で発光部１０が挟まれるため、発光部１０から誘電体への熱の散逸が大きくなり、変調速度がより大きくなる。
次に、光ファイバとの結合に適した本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態は、図１０に示す如く、第１実施形態と同様な発光素子に対し、光ファイバ４０のコア４２を押し当てて、ＰＭＭＡやエポキシ等の接着剤により接合するようにしたものである。これにより、光ファイバ４０のコア４２に対して効率良く光を入射できる。
次に、フォトカプラに適用した本発明の第４実施形態について説明する。
本発明は、安価に高速変調光源が得られるため、フォトカプラヘの応用が期待される。フォトカプラは、図１１に例示するように、発光部１０と例えばフォトトランジスタチップのような受光素子５０を対として、電気信号を光に変換して伝達する素子である。図において、５２はリードフレーム、５４は発光部１０及び受光素子５０を覆う半透明エポキシ樹脂、５６は該半透明エポキシ樹脂５４の周囲を覆う黒色エポキシ樹脂である。
フォトカプラでは、入力と出力が電気的に絶縁されており、基準電圧の異なる回路間の情報伝達やノイズ除去を目的として様々な機器で用いられている。現在実用化されているフォトカプラは、発光ダイオードを用いているために、超高速と呼ばれるものでも十Ｍｂｐｓ程度であるが、本発明を用いることにより、大幅な高速化が可能である。また、安価に作製可能であることや構造が単純であることから、比較的早期に実用化可能であると考えられる。
次に、微小分析用超高速白色光源に適用した本発明の第５実施形態について説明する。
本発明では、微小で高速変調可能な白色光源が得られる。そのため、図１２に示す如く、微小なナノ材料や分子などの測定対象物６０に対して、直接白色光を照射することが可能である。この光照射に伴う透過光やルミネッセンスのスペクトルを測定することにより、超小型の分析装置の構築が可能になる。また、本発光素子は、高速変調が可能であり、透過スペクトルやルミネッセンスの時間分解測定も可能であるため、発光や吸収の緩和時間測定も可能となる。また、本発光素子は、微小であるため、例えばマイクロ流路などをもちいた分析装置にも容易に導入可能である。そのため、化学分析やバイオ分析等で応用が期待されている分析チップ用の光源として、利用可能である。
また、高速変調が要求されない場合は、グラフェン、多層グラフェンの代わりにグラファイトを用いることも可能である。
本発明の特徴である、高速変調可能、微小光源であること、シリコン基板上へ集積が可能なことを利用して、光ファイバ通信、光集積回路（ＰＩＣ）や光デバイス、光・電子集積回路（ＯＥＩＣ）内のチップ内光配線・光回路用光源や、チップ間・ボード間光配線用光源、超高速変調白色光源を利用した分析機器用光源などとして用いることが期待される。
１０…発光部（グラフェン、多層グラフェン又はグラファイト）
１２、１４…電極
２０…基板
２２…絶縁膜
２４…絶縁体キャップ層
３０…誘電体薄膜
３２、３４…ミラー
４０…光ファイバ
４２…コア
５０…受光素子
６０…測定対象物
１２、１４…電極
２０…基板
２２…絶縁膜
２４…絶縁体キャップ層
３０…誘電体薄膜
３２、３４…ミラー
４０…光ファイバ
４２…コア
５０…受光素子
６０…測定対象物
Claims (9)
- 基板と、
該基板上に配設された複数の電極と、
該電極間に配設された所定層数以下のグラファイトからなる発光部とを備え、
前記電極への通電により前記発光部が発熱して発光する黒体放射によって、可視光から１０μｍよりも短い波長の赤外線までの連続した広い発光波長域で発光を行うことを特徴とするグラファイトを用いた発光素子。 - 前記グラファイトは、層数が１であるグラフェンまたは１００以下である多層グラフェンであることを特徴とする請求項１に記載のグラファイトを用いた発光素子。
- 前記グラファイトの層数が５０００以下であることを特徴とする請求項１に記載のグラファイトを用いた発光素子。
- 少なくとも前記グラファイトの表面が絶縁体で覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のグラファイトを用いた発光素子。
- 前記グラファイトが真空中に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のグラファイトを用いた発光素子。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載のグラファイトを用いた発光素子を備えたことを特徴とする光源。
- 前記グラファイトが、発光した光を伝搬させるための光ファイバと直交するように配設されていることを特徴とする請求項６に記載の光源。
- 前記グラファイトが、前記基板の表面と垂直な方向に発光するようにされていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光源。
- 請求項１乃至５のいずれかに記載のグラファイトを用いた発光素子と、受光素子を備えたことを特徴とするフォトカプラ。
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