JP7016775B2 - 発光素子及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子及び光源装置に関する。

グラファイト薄膜（例えば単層又は多層のグラフェン）を用いた発光素子が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このような発光素子では、グラファイト薄膜に電圧が印加されることによって、グラファイト薄膜から赤外光が発せられる。

特開２０１４－６７５４４号公報 米国特許出願公開第２０１７／０２９４６２９号明細書

特許文献１に記載の構造では、フィラメントとしてグラファイト薄膜が用いられ、外部に対して密閉することで内部を真空状態にした収容部材にグラファイト薄膜が収容されている。このような構造において、グラファイト薄膜に含まれるガスが放出されると、収容部材内の真空度が保たれずに発光効率が低下してしまうおそれがある。特許文献２に記載の構造では、予め溝が形成された基板上にグラファイト薄膜が位置合わせされ、グラファイト薄膜の各縁部が、基板上の金電極に接着されている。このような構造において、グラファイト薄膜のうち溝を架橋している架橋部分が発光部として用いられる場合があり、架橋部分を効率よく加熱することが望まれる。

そこで、本発明の一側面は、グラファイト薄膜からの放出ガスによる影響を低減すると共にグラファイト薄膜の架橋部分を効率よく加熱することができる発光素子及び光源装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る発光素子は、第１方向に延びる溝が形成され、第１方向と交差する第２方向において溝を互いに挟むように配置される第１表面及び第２表面を有する基板と、第１表面に設けられる第１電極と、第２表面に設けられる第２電極と、第１電極上及び第２電極上に設けられると共に、第２方向に沿って溝を跨ぐように第１電極から第２電極まで延びるグラファイト薄膜と、第１電極と電気的に接続されると共に、グラファイト薄膜を介して第１電極と対向するようにグラファイト薄膜上に設けられる第３電極と、第２電極と電気的に接続されると共に、グラファイト薄膜を介して第２電極と対向するようにグラファイト薄膜上に設けられる第４電極と、を備える。

本発明の一側面に係る発光素子では、グラファイト薄膜が、基板に形成された溝を跨ぐように、溝を互いに挟む第１表面及び第２表面に第１電極及び第２電極を介して設けられる。また、グラファイト薄膜のうち第１電極及び第２電極と対向する部分が、第３電極及び第４電極によって覆われている。この構成によれば、グラファイト薄膜には、主に第１電極及び第３電極の溝側の一端から第２電極及び第４電極の溝側の一端に向けて電流が流れるので、グラファイト薄膜のうち架橋部分と架橋部分の近傍とに主に電流が流れる。また、グラファイト薄膜を覆う第３電極及び第４電極により、グラファイト薄膜の表面において、グラファイト薄膜に含まれるガスの放出が抑制される。その結果、グラファイト薄膜からの放出ガスによる影響を低減すると共にグラファイト薄膜の発光部分を効率よく加熱することができる。

グラファイト薄膜は、層数が５０～２０００である多層のグラフェンであってもよい。発光強度を向上させるためには、グラファイト薄膜の層数は多い方がよい。一方、熱応答速度を改善する観点からは、グラファイト薄膜の熱容量を低くするために、グラファイト薄膜の層数は少ない方がよい。グラファイト薄膜の層数を５０～２０００とすることにより、上記観点において好適な発光素子が得られる。

第１電極の溝側の一端は、第３電極の溝側の一端よりも溝側に位置してもよく、第２電極の溝側の一端は、第４電極の溝側の一端よりも溝側に位置してもよい。この構成によれば、グラファイト薄膜を介した第１電極と第２電極との間の距離が、グラファイト薄膜を介した第３電極と第４電極との間の距離よりも短くなる。これにより、グラファイト薄膜を介して第１電極及び第２電極の間に流れる電流値と、グラファイト薄膜を介して第３電極及び第４電極の間に流れる電流値との大小関係を調整することができる。

第１電極は、少なくとも第１表面と溝との境界線上まで延びてもよく、第２電極は、少なくとも第２表面と溝との境界線上まで延びてもよい。この構成によれば、グラファイト薄膜の架橋部分に主に電流が流れる。その結果、グラファイト薄膜の架橋部分をさらに効率よく加熱することができる。

基板は、シリコンによって構成される基材と、酸化物を含む材料によって構成される酸化物層とを有してもよく、酸化物層は、少なくとも基材と第１電極との間及び基材と第２電極との間に配置されてもよい。この構成によれば、酸化物を含む材料で構成される酸化物層により、基材を介した第１電極と第２電極との間の絶縁を確保することができる。

第３電極及び第４電極のそれぞれは、最表面層と、最表面層及びグラファイト薄膜の間に配置される中間層と、を有してもよく、最表面層の抵抗値は、中間層、第１電極、及び第２電極の抵抗値よりも小さくてもよい。この構成によれば、外部から電流を供給するための接続線を最も接続しやすい第３電極及び第４電極の最表面層に主に電流を流すことができる。

最表面層は、金によって構成されてもよく、中間層は、チタンによって構成される第１層と、白金によって構成される第２層とを含んでもよく、第１層は、グラファイト薄膜上に設けられてもよく、第２層は、第１層及び最表面層の間に配置されてもよい。この構成によれば、第１層がチタンで構成されることでグラファイト薄膜との接触抵抗を小さくすることができる。また、白金によって構成される第２層を介することで、第１層に対する最表面層の接合性を向上させることができる。

第１電極及び第２電極のそれぞれは、チタンによって構成される第３層と、白金によって構成される第４層とを有してもよく、第３層は、基板上に設けられてもよく、第４層は、第３層及びグラファイト薄膜の間に配置されてもよい。例えば、第１電極及び第２電極が形成された状態の基板にグラファイト薄膜を転写することで第１電極上及び第２電極上にグラファイト薄膜が形成される。この構成によれば、チタンで構成される第１層が白金で構成される第２層によって覆われているので、グラファイト薄膜を基板に転写する際に第１電極及び第２電極が酸化することを抑制できる。

本発明の他の側面に係る光源装置は、上述の発光素子と、光透過窓を有し、真空状態に保持された内部空間を形成するパッケージと、を備え、発光素子は、パッケージの内部空間に配置される。

本発明の他の側面に係る光源装置では、上述の発光素子が、真空状態に保持されたパッケージの内部空間に配置される。上述の発光素子の構成によって、グラファイト薄膜から放出されるガスが抑制されるので、放出ガスによって内部空間の真空度が落ちる可能性が低減される。これにより、内部空間の真空度が保たれ、発光効率の低下を抑制することができる。

本発明の一側面によれば、グラファイト薄膜からの放出ガスによる影響を低減すると共にグラファイト薄膜の架橋部分を効率よく加熱することができる。

図１は、一実施形態に係る発光素子を含む光源装置を示す平面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 図３は、図１に示される発光素子の一部を拡大した拡大図である。 図４は、図１に示される発光素子に電流を流したときの温度特性の計測結果を示す図である。 図５の（ａ）は、図１に示される発光素子の応答特性の計測結果を示す図である。図５の（ｂ）は、比較例の応答特性の計測結果を示す図である。 図６は、図１に示される発光素子の輝度分布の計測結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図に示される各部材（又は部位）の寸法又は寸法の比率は、説明をわかり易くするために、実際の寸法又は寸法の比率とは異なることがある。図面には必要に応じてＸＹＺ直交座標系が示される。

図１及び図２を参照して、一実施形態に係る光源装置１の構成について説明する。図１は、一実施形態に係る発光素子４を含む光源装置１を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図１においては、後述する光透過窓２３の図示を省略している。図１及び図２に示されるように、光源装置１は、真空状態に保持された内部空間Ｓを形成するパッケージ２と、パッケージ２内に配置されたステム３と、ステム３上に配置された発光素子４と、ベース板５と、ステムピン６と、ボンディングワイヤ７と、スペーサ８と、ハトメ９と、を備えている。発光素子４は、基板４１と、グラファイト薄膜４２と、電極４３（ソース電極４３ａ及びドレイン電極４３ｂ）と、を備えている。以降の説明では、光源装置１（発光素子４）で生成された光が鉛直方向の上方に向けて発光するように光源装置１を配置した場合を基準として、「上（上部）」及び「下（下部）」の用語を用いる。従って、光源装置１（発光素子４）の使用状態によっては、「上」の用語で示す部材が、「下」の用語で示す部材に対して鉛直方向における上方に位置するとは限らない。

パッケージ２は、例えば金属からなる円板状のベース部材２１と、例えば金属からなる円筒状のキャップ２２と、光透過窓２３と、を有している。ベース部材２１とキャップ２２とは、ベース部材２１の縁部とキャップ２２のベース部材２１側において外側に延びるリング状のフランジ部２２ａとが接触した状態で、気密に接合されている。キャップ２２の上端部（フランジ部２２ａとは反対側の端部）には、内側に延びるリング状のフランジ部２２ｂが形成されている。

光透過窓２３は、円板状に形成されている。光透過窓２３は、例えばＣａＦ２（フッ化カルシウム）等の赤外光透過率の高い材料によって形成されている。光透過窓２３は、キャップ２２に固定されている。具体的には、光透過窓２３は、キャップ２２のフランジ部２２ｂによって形成された開口を塞ぐように、キャップ２２のフランジ部２２ｂの上面（外側表面）に気密に接合されている。以上のようにベース部材２１、キャップ２２、及び光透過窓２３が気密に接合されることにより、パッケージ２の内側に、真空状態に保持された内部空間Ｓが形成されている。ベース部材２１の内側表面（内部空間Ｓ側の表面）には、ベース部材２１よりも一回り小さい円板状の金属からなるベース板５が接合されている。

ステム３は、ベース板５よりも一回り小さい円板状の部材である。ステム３は、例えばセラミックからなる。ステム３、ベース板５、及びベース部材２１には、ステムピン６ａを挿通させるための貫通孔３ａ、貫通孔５ａ、及び貫通孔２１ａと、ステムピン６ｂを挿通させるための貫通孔３ｂ、貫通孔５ｂ、及び貫通孔２１ｂとが形成されている。貫通孔３ａ、貫通孔５ａ、及び貫通孔２１ａは、ステム３の厚さ方向（Ｚ軸方向）から見て互いに重なる位置に形成されている。貫通孔３ｂ、貫通孔５ｂ、及び貫通孔２１ｂは、ステム３のＺ軸方向から見て互いに重なる位置に形成されている。ステムピン６ａを挿通させるための貫通孔（貫通孔３ａ、貫通孔５ａ、及び貫通孔２１ａ）とステムピン６ｂを挿通させるための貫通孔（貫通孔３ｂ、貫通孔５ｂ、及び貫通孔２１ｂ）とは、ソース電極４３ａとドレイン電極４３ｂとが対向する方向（Ｘ軸方向）に、互いに対向している。具体的には、Ｚ軸方向から見て、貫通孔３ａ、貫通孔５ａ、及び貫通孔２１ａは、ソース電極４３ａよりも外側に位置しており、貫通孔３ｂ、貫通孔５ｂ、及び貫通孔２１ｂは、ドレイン電極４３ｂよりも外側に位置している。すなわち、Ｚ軸方向から見て、ステムピン６ａは、ソース電極４３ａの外側に位置しており、ステムピン６ｂは、ドレイン電極４３ｂの外側に位置している。

各ステムピン６は、導電性を有する部材であり、例えばコバール金属にニッケルめっき（１～１０μｍ）と金めっき（０．１～２μｍ）等を施した金属からなり、Ｚ軸方向に延在している。各ステムピン６とベース部材２１の貫通孔２１ａ，２１ｂとは、例えば低融点ガラスからなるシール部材Ｇにより、気密に接合されている。各ステムピン６においてステム３から突出している一部分とステム３とは、ハトメ９を介して互いに固定されている。これにより、各ステムピン６は、ステム３に対して固定されている。ステムピン６ａにおいてパッケージ２の外側に延びる部分は、図示しない外部電源等に接続される。一方、ステムピン６ａにおいてステム３から突出している部分（本実施形態ではステムピン６ａの先端）は、ボンディングワイヤ７を介して、ソース電極４３ａと電気的に接続されている。これにより、ソース電極４３ａと外部電源との間の導通が確保されている。同様に、ステムピン６ｂにおいてパッケージ２の外側に延びる部分は、図示しない外部電源等に接続される。一方、ステムピン６ｂにおいてステム３から突出している部分（本実施形態ではステムピン６ｂの先端）は、ボンディングワイヤ７を介して、ドレイン電極４３ｂと電気的に接続されている。これにより、ドレイン電極４３ｂと外部電源との間の導通が確保されている。

ステム３とベース板５との間には、各ステムピン６の周囲を覆うように、円筒状のスペーサ８が配置されている。スペーサ８は、例えばセラミックからなる。スペーサ８により、ステム３は、ベース板５から離間した位置に配置されている。

発光素子４は、基板４１におけるグラファイト薄膜４２が設けられる側とは反対側の面がダイボンディング等によってステム３の上面に固定されることにより、ステム３上に固定されている。電極４３によって発光素子４のグラファイト薄膜４２に電圧が印加されることによりグラファイト薄膜４２から発光された光は、光透過窓２３を介してパッケージ２の外部に出射される。発光素子４（光源装置１）は、赤外光を発する赤外発光素子（赤外光源装置）である。

なお、光源装置１の構成は上記構成に限られない。例えば、光源装置１では、ステム３は、Ｙ軸方向に対向する２つのステムピン６ａ，６ｂによって固定されているが、ステム３をより安定的に固定するために、３つ以上のステムピンがステム３、ベース板５、及びベース部材２１に挿通されてもよい。

次に、図３を参照して、本実施形態に係る発光素子４の詳細構成について説明する。図３は、図１に示される発光素子４の一部を拡大した拡大図である。図３に示されるように、発光素子４は、基板４１と、電極４３の一部を介して基板４１上に配置されたグラファイト薄膜４２と、グラファイト薄膜４２の一部を覆う電極４３（ソース電極４３ａ及びドレイン電極４３ｂ）と、を有している。

基板４１は、矩形板状に形成されている。基板４１は、Ｚ軸方向から見て、例えば一辺が５ｍｍ程度の正方形状を有する。基板４１は、ステム３の上面に固定される側とは反対側において表面４１ａ（第１表面）と表面４１ｂ（第２表面）とを有している。基板４１には、ステム３の上面に固定される側とは反対側において、Ｙ軸方向（第１方向）に延びる溝４１ｃが形成されている（図１参照）。溝４１ｃのＹ軸方向と交差する断面形状は、例えば矩形状である。Ｙ軸方向から見た溝４１ｃの幅は、例えば１００μｍ～３００μｍ程度であり、溝４１ｃの深さは、例えば４００μｍ程度である。基板４１に溝４１ｃが形成されることにより、例えばグラファイト薄膜４２が発光する際に、グラファイト薄膜４２から基板４１への熱伝導を抑制することができる。このように、基板４１では、表面４１ａ及び表面４１ｂは、Ｘ軸方向（第２方向）において溝４１ｃを互いに挟むように配置される。つまり、表面４１ａ及び表面４１ｂは、溝４１ｃが形成された矩形板状の基板４１における表面のうち溝４１ｃを除いた部分である。表面４１ａ及び表面４１ｂのＺ軸方向における位置は、互いに略同一である。表面４１ａは、ステムピン６ａ側に位置しており、表面４１ｂは、ステムピン６ｂ側に位置している。

本実施形態では、基板４１は、矩形板状の基材４１ｄと、基材４１ｄの表面上に設けられる絶縁物層４１ｅ（酸化物層）と、を有している。基材４１ｄは、Ｓｉ（シリコン）によって構成されるシリコン基板である。基材４１ｄの厚さは、例えば１０００μｍ（１ｍｍ）程度である。ただし、基材４１ｄは、グラファイト薄膜４２と比べて電気抵抗が十分大きく、ソース電極４３ａとドレイン電極４３ｂとの間で電気的に短絡しないような材料であればよく、例えばＳｉＮ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等であってもよい。絶縁物層４１ｅは、例えばＳｉＯ２（二酸化ケイ素）等の酸化物を含む材料によって構成されている。絶縁物層４１ｅは、基板４１の表面にコーティングされている。絶縁物層４１ｅの厚さは、例えば０．２μｍ程度である。本実施形態では、絶縁物層４１ｅの一部の表面が表面４１ａ及び表面４１ｂを構成している。

グラファイト薄膜４２は、Ｚ軸方向から見て、基板４１よりも十分に小さい矩形状に形成されており、基板４１のＹ軸方向における略中央に配置されている。グラファイト薄膜４２のＹ軸方向における幅は、例えば１００μｍである。グラファイト薄膜４２は、Ｘ軸方向に沿って延びており、溝４１ｃを跨ぐように表面４１ａから表面４１ｂまで延びている。グラファイト薄膜４２は、例えば層数が１～２０００である単層又は多層のグラフェン（又はグラファイト）である。グラフェン１層分の膜厚は、約３．３Å（０．３３ｎｍ）である。グラファイト薄膜４２（グラフェン）は、炭素（カーボン）によって構成される。グラファイト薄膜４２の材料となる単層又は多層のグラフェンは、例えば、粘着テープ等によるグラファイトからの転写、化学気相成長法、ＳｉＣ加熱法等により作製され得る。

グラファイト薄膜４２は、電極４３によって電圧が印加されて発熱することにより赤外光を発光する発光部として機能する。ここで、発光強度を向上させるためには、グラファイト薄膜４２の層数は多い方がよい。一方、熱応答速度を改善する観点からは、グラファイト薄膜４２の熱容量を低くするために、グラファイト薄膜４２の層数は少ない方がよい。上記観点から、グラファイト薄膜４２は、好ましくは、層数が５０～２０００の多層グラフェンであってもよい。グラファイト薄膜４２の層数を５０～２０００とすることにより、上記観点において好適な発光素子４が得られる。グラファイト薄膜４２は、表面４１ａ側の基板４１に支持される被支持部４２ａと、表面４１ｂ側の基板４１に支持される被支持部４２ｂと、溝４１ｃと対向する（溝４１ｃを架橋する）架橋部４２ｃと、を有している。

ソース電極４３ａは、表面４１ａに設けられ、グラファイト薄膜４２の被支持部４２ａを覆う。ドレイン電極４３ｂは、表面４１ｂに設けられ、グラファイト薄膜４２の被支持部４２ｂを覆う。ソース電極４３ａ及びドレイン電極４３ｂは、グラファイト薄膜４２の架橋部４２ｃを覆っておらず、架橋部４２ｃは発光素子４の外部に露出している。なお、架橋部４２ｃと溝４１ｃの表面との間には空間が形成されている。ソース電極４３ａ及びドレイン電極４３ｂは、互いに同様の構成（対称的な構造）を有している。

ソース電極４３ａは、下部電極４４ａ（第１電極）と上部電極４５ａ（第３電極）とを有している。下部電極４４ａと上部電極４５ａは、Ｚ軸方向においてグラファイト薄膜４２を挟むように互いに対向して配置される。言い換えると、基板４１上には、下部電極４４ａ、グラファイト薄膜４２（被支持部４２ａ）、及び上部電極４５ａが、基板４１側からこの順で設けられる。上部電極４５ａと下部電極４４ａとは、互いに電気的に接続され、同電位に維持される。

下部電極４４ａは、表面４１ａ上に設けられる。下部電極４４ａは、Ｚ軸方向から見て矩形状に形成されている。下部電極４４ａの厚さは、例えば０．３μｍ程度である。下部電極４４ａのＹ軸方向における略中央には、グラファイト薄膜４２の被支持部４２ａが設けられている。下部電極４４ａは、Ｘ軸方向に沿って、基板４１のステムピン６ａ側の縁の近傍から表面４１ａと溝４１ｃとの境界線ＢＬａ上まで延びている。境界線ＢＬａは、Ｙ軸方向に延びており、表面４１ａのＸ軸方向における一端、及び溝４１ｃのソース電極４３ａ側の側面の上端に相当する。なお、下部電極４４ａは、境界線ＢＬａよりもドレイン電極４３ｂに向かって突出していてもよい。つまり、本実施形態では、下部電極４４ａは、Ｘ軸方向に沿って少なくとも境界線ＢＬａ上まで延びている。

下部電極４４ａは、基板４１（表面４１ａ）上に設けられる下層５１ａ（第３層）と、下層５１ａ及びグラファイト薄膜４２の間に配置される上層５２ａ（第４層）と、を有している。下層５１ａ及び上層５２ａは、基板４１側からこの順で設けられる。下層５１ａの厚さは、例えば０．２μｍ程度であり、上層５２ａの厚さは、例えば０．１μｍ程度である。下層５１ａ及び上層５２ａ（下部電極４４ａ）を構成する材料は、電流が流れる材料であればどのような材料でもよく、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属であってもよいし、半導体であってもよい。ただし、グラファイト薄膜４２の発光強度に関して高速変調が要求される場合には、下部電極４４ａ（電極４３）は、電気抵抗が小さい金属であることが好ましい。本実施形態では、下層５１ａは、Ｔｉ（チタン）によって構成されており、上層５２ａは、Ｐｔ（白金）によって構成されている。上層５２ａは、グラファイト薄膜４２に接合されている。下層５１ａ及び上層５２ａは、互いに同電位に維持される。

上部電極４５ａは、グラファイト薄膜４２上に設けられる。上部電極４５ａは、Ｚ軸方向から見て矩形状に形成されている。本実施形態では、Ｚ軸方向から見た上部電極４５ａの大きさ（面積）は、下部電極４４ａよりも小さい。上部電極４５ａの厚さは、例えば０．８μｍ程度である。上部電極４５ａのＹ軸方向における中央部分は、被支持部４２ｂ上に設けれ、上部電極４５ａの中央部分以外は、下部電極４４ａ上に設けられる（図１参照）。つまり、上部電極４５ａは、Ｙ軸方向における中央部分において、グラファイト薄膜４２を介して下部電極４４ａと対向する。上部電極４５ａの中央部分以外が下部電極４４ａ上に設けられることにより、上部電極４５ａは下部電極４４ａと電気的に接続される。

上部電極４５ａは、Ｘ軸方向に沿って、グラファイト薄膜４２のステムピン６ａ側の一端から溝４１ｃの近傍まで延びている。本実施形態では、下部電極４４ａのＸ軸方向における溝４１ｃ側の一端４４ｃは、上部電極４５ａのＸ軸方向における溝４１ｃ側の一端４５ｃよりも溝４１ｃ側に位置している。つまり、一端４５ｃは、Ｚ軸方向から見て、溝４１ｃのソース電極４３ａ側の側面から一端４４ｃよりも離間している。また、上部電極４５ａのステムピン６ａ側の他端は、下部電極４４ａのステムピン６ａ側の他端よりも溝４１ｃ側に位置している（図２参照）。なお、上部電極４５ａの他端と下部電極４４ａの他端とでは、Ｘ軸方向における位置が互いに略同一であってもよい。この場合、上部電極４５ａの他端部と下部電極４４ｂの他端部が、グラファイト薄膜４２のＸ軸方向における外側において、互いに電気的に接続されてもよい。また、上部電極４５ａは、Ｘ軸方向において境界線ＢＬａの位置まで延びていてもよい。つまり、一端４４ｃと一端４５ｃとでは、Ｘ軸方向における位置が互いに略同一であってもよい。

上部電極４５ａは、グラファイト薄膜４２（下部電極４４ａ）上に設けられる下層５３ａ（第１層）と、下層５３ａ上に設けられる連接層５４ａ（第２層）と、ステムピン６ａ側のボンディングワイヤ７が接続される最表面層５５ａと、を有している。下層５３ａ、連接層５４ａ、及び最表面層５５ａは、基板４１側からこの順で設けられる。つまり、連接層５４ａは、下層５３ａと最表面層５５ａとの間に配置されており、最表面層５５ａは発光素子４の外部に露出している。上部電極４５ａでは、下層５３ａと連接層５４ａとで構成される中間層が、基板４１と最表面層５５ａとの間に配置される。下層５３ａの厚さは、例えば０．２μｍ程度であり、連接層５４ａの厚さは、例えば０．１μｍ程度である。最表面層５５ａの厚さは、例えば０．５μｍ程度である。

下層５３ａ、連接層５４ａ、及び最表面層５５ａ（上部電極４５ａ）を構成する材料は、下部電極４４ａの下層５１ａ及び上層５２ａと同様に、電流が流れる材料であればどのような材料でもよく、例えばＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ等の金属であってもよいし、半導体であってもよい。本実施形態では、最表面層５５ａの抵抗値が、下部電極４４ａの下層５１ａ及び上層５２ａ、並びに下層５３ａ及び連接層５４ａ（中間層）の抵抗値よりも小さくなるように、各層の材料が選択される。本実施形態では、上述の抵抗値の関係を満たすために、下層５３ａは、Ｔｉ（チタン）によって構成されており、連接層５４ａは、Ｐｔ（白金）によって構成されており、最表面層５５ａは、Ａｕ（金）によって構成されている。

ドレイン電極４３ｂは、下部電極４４ｂ（第２電極）と上部電極４５ｂ（第４電極）とを有している。下部電極４４ｂは、下部電極４４ａと同様の構成を有しており、上部電極４５ｂは、上部電極４５ａと同様の構成を有している。下部電極４４ｂは、表面４１ｂ上に設けられる。下部電極４４ｂ上には、グラファイト薄膜４２の被支持部４２ｂが設けられる。上部電極４５ｂは、グラファイト薄膜４２（被支持部４２ｂ）上に設けられる。基板４１上には、下部電極４４ｂ、グラファイト薄膜４２（被支持部４２ｂ）、及び上部電極４５ｂが、基板４１側からこの順で設けられる。言い換えると、上部電極４５ｂは、グラファイト薄膜４２を介して下部電極４４ｂと対向する。下部電極４４ｂと上部電極４５ｂとは、互いに電気的に接続される。

下部電極４４ｂは、Ｘ軸方向に沿って、基板４１のステムピン６ｂ側の縁の近傍から表面４１ｂと溝４１ｃとの境界線ＢＬｂ上まで延びている。なお、下部電極４４ｂは、境界線ＢＬｂよりもソース電極４３ａに向かって突出していてもよい。つまり、本実施形態では、下部電極４４ｂは、Ｘ軸方向に沿って少なくとも境界線ＢＬｂ上まで延びている。下部電極４４ｂのＸ軸方向における溝４１ｃ側の一端４４ｄは、上部電極４５ｂのＸ軸方向における溝４１ｃ側の一端４５ｄよりも溝４１ｃ側に位置している。つまり、一端４５ｄは、Ｚ軸方向から見て、溝４１ｃのドレイン電極４３ｂ側の側面から一端４４ｄよりも離間している。

本実施形態では、発光素子４は、Ｘ軸方向の中央に位置しＹ軸方向に延びる仮想的な中心線に対して線対称に構成されている。本実施形態に係る発光素子４では、下部電極４４ａの一端４４ｃと下部電極４４ｂの一端４４ｄとの間隔は、上部電極４５ａの一端４５ｃと上部電極４５ｂの一端４５ｄとの間隔よりも小さい。下部電極４４ａの一端４４ｃと下部電極４４ｂの一端４４ｄとの間隔は、Ｙ軸方向から見た溝４１ｃの幅と略等しく、Ｘ軸方向におけるグラファイト薄膜４２の架橋部４２ｃの長さと略等しい。

下部電極４４ｂは、基板４１（表面４１ｂ）上に設けられる下層５１ｂ（第３層）と、下層５１ｂ及びグラファイト薄膜４２の間に配置される上層５２ｂ（第４層）と、を有している。下層５１ｂは、下部電極４４ａの下層５１ａと同様に構成されており、上層５２ｂは、下部電極４４ａの上層５２ａと同様に構成されている。下層５１ｂを構成する材料は、下層５１ａを構成する材料と同じであり、上層５２ｂを構成する材料は、上層５２ａを構成する材料と同じである。

上部電極４５ｂは、グラファイト薄膜４２（下部電極４４ｂ）上に設けられる下層５３ｂ（第１層）と、下層５３ｂ上に設けられる連接層５４ｂ（第２層）と、ステムピン６ｂ側のボンディングワイヤ７が接続される最表面層５５ｂと、を有している。上部電極４５ｂでは、下層５３ｂと連接層５４ｂとによって構成される中間層が、グラファイト薄膜４２と最表面層５５ｂとの間に配置される。下層５３ｂは、上部電極４５ａの下層５３ａと同様に構成されており、連接層５４ｂは、上部電極４５ａの連接層５４ａと同様に構成されている。最表面層５５ｂは、上部電極４５ａの最表面層５５ａと同様に構成されている。下層５３ｂを構成する材料は、下層５３ａを構成する材料と同じであり、連接層５４ｂを構成する材料と同じであり、最表面層５５ｂを構成する材料は、最表面層５５ａを構成する材料と同じである。

次に、発光素子４の製造方法の一例を説明する。まず、所望の大きさの溝が形成され、絶縁物層がコーティングされたシリコン基板（基板４１）を用意する。続いて、溝部分をマスクし、溝が形成された表面（表面４１ａ，４１ｂ）上に下地電極（下部電極４４ａ，４４ｂ）を蒸着する。そして、例えば水等の溶液中に浮かしたグラファイト薄膜４２を、下地電極が蒸着されたシリコン基板ですくい取ることで、シリコン基板にグラファイト薄膜４２を転写する。続いて、グラファイト薄膜４２が転写されたシリコン基板にさらに、下地電極及びグラファイト薄膜４２の一部を覆うように電極（上部電極４５ａ，４５ｂ）を蒸着する。以上により発光素子４が製造され、このように製造された発光素子４を、パッケージ２の内部空間Ｓ内に配置することによって、光源装置１が形成される。

次に、図４～図６を参照して、本実施形態に係る発光素子４（光源装置１）の特性の計測結果について説明する。図４は、図１に示される発光素子４に電流を流したときの温度特性の計測結果を示す図である。図５の（ａ）は、図１に示される発光素子４の応答特性の計測結果を示す図である。図５の（ｂ）は、比較例の応答特性の計測結果を示す図である。図６は、図１に示される発光素子４の輝度分布の計測結果を示す図である。

発光素子４の特性の計測では、１辺の長さが５ｍｍであるＳｉＯ２／Ｓｉ基板（ＳｉＯ２がコーティングされたシリコン基板）に、幅が１００μｍであるグラファイト薄膜４２を設けた発光素子４を用いた。ＳｉＯ２／Ｓｉ基板には、幅が１００μｍであり、深さが４００μｍである溝を形成した。また、グラファイト薄膜４２として、多層（約１０００層）のグラフェンを用いた。比較例として、フィラメントがタングステンである豆電球（発光素子）を用いた。

図４には、入力電力Ｐｉｎを変化させた場合の発光素子における温度Ｔの計測結果が示されている。図４において、横軸は、発光素子に対して入力した入力電力Ｐｉｎ（ミリワット；ｍＷ）であり、縦軸は、発光素子の温度Ｔ（℃）である。発光素子の温度Ｔは、パイロメータ（Pyrometer；放射温度計）を用いて測定した。図４では、発光素子４の温度変化を示す計測結果Ｌ１は、比較例の温度変化を示す計測結果Ｌ２に比べて、入力電力Ｐｉｎが小さい範囲において、発光素子４の温度が高温まで上昇したことを示している。従って、比較例に比べて、発光素子４は低消費電力で昇温が可能であることがわかる。なお、この計測結果において測定された温度Ｔは、発光素子からの輝度に対応する。つまり、発光素子の温度Ｔが高いほど、発光素子から発せられる光が高輝度であることを示している。

図５の（ａ）及び図５の（ｂ）には、所定周波数を有する入力電圧を発光素子に入力した場合の発光素子の応答特性が示されている。図５の（ａ）及び図５の（ｂ）において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図５の（ａ）の入力電圧Ｖｉｎ１は、発光素子４に入力された約１ｋＨｚの矩形波電圧である。応答結果である電圧Ｖｏｕｔ１は、ＩｎＡｓＳｂ（インジウムヒ素アンチモン）で構成されるＰＮ接合部が設けられたＩｎＡｓＳｂフォトダイオードを備える赤外線検出素子（光起電力素子）を用いて、発光素子４から発せられた光を検出した際の当該赤外線検出素子から出力された電圧である。図５の（ｂ）の入力電圧Ｖｉｎ２は、比較例の豆電流に入力された約５０Ｈｚの矩形波電圧である。応答結果である電圧Ｖｏｕｔ２は、電圧Ｖｏｕｔ１と同様に、比較例の発光素子から発せられた光を検出した際の赤外線検出素子から出力された電圧である。なお、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）では、赤外線検出素子の出力をオシロスコープによって観察することで得られる電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の時間変化が示されている。図５の（ａ）に示されるように、発光素子４では、入力電圧Ｖｉｎ１の変化に対して追随する応答結果が得られた。一方、比較例の豆電球では、図５の（ｂ）に示されるように、発光素子４に入力した入力電圧Ｖｉｎ１よりも低い周波数の入力電圧Ｖｉｎ２を比較例の豆電球に入力したが、入力電圧Ｖｉｎ２の変化に対して追随していない応答結果が得られた。これらの結果から、発光素子４は、比較例の豆電球に対して、より早い速度で入力に対して追従する応答特性を有していることがわかる。

図６には、発光素子４及び比較例の豆電球それぞれの発光部分に対する画像データから得られる輝度分布が示されている。画像データの取得には、可視光から近赤外光までの領域において高い感度を有するＣＣＤカメラを使用した。発光素子４の輝度分布では、画像データのうちグラファイト薄膜４２に沿った位置でのデータから輝度値（カウント値）を取得した。比較例の豆電球の輝度分布では、画像データのうち正面視における比較例の豆電球の中心を通る位置でのデータから輝度値を取得した。図６において、横軸は画素（ピクセル）位置であり、縦軸は輝度値である。画素位置によって発光素子のどの部分に位置するかが特定される。輝度値は、上述のＣＣＤカメラにより得られた画像データにおいて発光部分を観測することにより得られた値である。輝度値が大きい画素位置ほど、対応する発光部分の位置から強い光を発していることを示している。発光素子４の計測結果Ｌ３から、発光素子４は局所的に強い光を発していることがわかる。これに対して、比較例の豆電球に対する計測結果Ｌ４から、比較例の豆電球は比較的広い範囲において発光していることがわかる。これらの結果から、発光素子４は、微小点において高輝度に発光する素子であることがわかる。

以上述べた発光素子４では、グラファイト薄膜４２が、基板４１に形成された溝４１ｃを跨ぐように、溝４１ｃを互いに挟む表面４１ａ及び表面４１ｂに下部電極４４ａ及び下部電極４４ｂを介して設けられる。また、グラファイト薄膜４２のうち被支持部４２ａ及び被支持部４２ｂの少なくとも一部が、上部電極４５ａ及び上部電極４５ｂによって覆われている。この構成によれば、グラファイト薄膜４２には、主に下部電極４４ａの一端４４ｃ及び上部電極４５ａの一端４５ｃから下部電極４４ｂの一端４４ｄ及び上部電極４５ｂの一端４５ｄに向けて電流が流れるので、グラファイト薄膜４２のうち架橋部４２ｃと架橋部４２ｃの近傍とに主に電流が流れる。また、グラファイト薄膜４２にガスが含まれている場合がある。例えば、グラファイト薄膜４２が多層のグラフェンで構成されているとき、グラフェン間（炭素膜間）にガスが含まれている場合がある。本実施形態の発光素子４の構成では、上部電極４５ａ，４５ｂがグラファイト薄膜４２の上面を覆う。この構成により、グラファイト薄膜４２の表面（外部に露出した架橋部４２ｃ以外の部分（被支持部４２ａ，４２ｂ）の表面）において、グラファイト薄膜４２に含まれるガスの放出が抑制される。その結果、グラファイト薄膜４２からの放出ガスによる影響を低減すると共にグラファイト薄膜４２の発光部分（架橋部４２ｃ）を効率よく加熱することができる。

また、下部電極４４ａは、少なくとも表面４１ａと溝４１ｃとの境界線ＢＬａ上まで延び、下部電極４４ｂは、少なくとも表面４１ｂと溝４１ｃとの境界線ＢＬｂ上まで延びる。この構成によれば、グラファイト薄膜４２の架橋部４２ｃに主に電流が流れる。その結果、グラファイト薄膜４２の架橋部４２ｃをさらに効率よく加熱することができる。

下部電極４４ａの一端４４ｃは、上部電極４５ａの一端４５ｃよりも溝側に位置し、下部電極４４ｂの一端４４ｄは、上部電極４５ｂの一端４５ｄよりも溝側に位置する。この構成によれば、グラファイト薄膜４２を介した下部電極４４ａと下部電極４４ｂとの間の距離が、グラファイト薄膜４２を介した上部電極４５ａと上部電極４５ｂとの間の距離よりも短くなる。これにより、グラファイト薄膜４２を介して下部電極４４ａ及び下部電極４４ｂの間に流れる電流値と、グラファイト薄膜４２を介して上部電極４５ａ及び上部電極４５ｂの間に流れる電流値との大小関係が調整される。

電流値の大小関係の調整について詳細に説明すると、外部から発光素子４に電流を供給するためのボンディングワイヤ７との接続（例えば、接触抵抗）が考慮されて、上部電極４５ａ，４５ｂの最表面層５５ａ，５５ｂの抵抗値は、上部電極４５ａ，４５ｂの中間層（下層５３ａ，５３ｂ及び連接層５４ａ，５４ｂ）、及び下部電極４４ａ，４４ｂの抵抗値よりも小さい。上記の抵抗値の関係から、最表面層５５ａ，５５ｂの間（上部電極４５ａ，４５ｂの間）の方が下部電極４４ａ，４４ｂの間よりも電流が流れ易くなっている。一方、下部電極４４ａ，４４ｂの間の距離が上部電極４５ａ，４５ｂの間の距離よりも短いことにより、グラファイト薄膜４２を介した下部電極４４ａ，４４ｂの間の抵抗値が、グラファイト薄膜４２を介した上部電極４５ａ，４５ｂの間の抵抗値よりも小さくなる。つまり、この抵抗値の大小関係により、下部電極４４ａ，４４ｂの間の方が、上部電極４５ａ，４５ｂの間よりも電流が流れ易くなる。従って、下部電極４４ａ，４４ｂの間の距離を上部電極４５ａ，４５ｂの間の距離よりも短くすることにより、最表面層５５ａ，５５ｂの間（上部電極４５ａ，４５ｂの間）の電流の流れ易さと下部電極４４ａ，４４ｂの間の電流の流れ易さとをバランスさせることができる。その結果、グラファイト薄膜４２における下部電極４４ａ，４４ｂ及び上部電極４５ａ，４５ｂの間の部分（すなわち、架橋部４２ｃ及びその近傍）に対して、上下から略均一に電流を流すことが可能となる。

基板４１は、シリコンによって構成される基材４１ｄと、酸化物を含む材料によって構成される絶縁物層４１ｅとを有する。絶縁物層４１ｅは、下部電極４４ａ，４４ｂと基材４１ｄとの間に配置される。この構成によれば、絶縁物層４１ｅにより、基材４１ｄを介したソース電極４３ａ（下部電極４４ａ）とドレイン電極４３ｂ（下部電極４４ｂ）との間の絶縁を確保することができる。つまり、下部電極４４ａと下部電極４４ｂとの間が、基材４１ｄを介して短絡してしまうことを抑制できる。

上部電極４５ａ，４５ｂでは、最表面層５５ａ，５５ｂは金によって構成され、下層５３ａ，５３ｂはチタンによって構成され、連接層５４ａ，５４ｂは白金によって構成される。このように下層５３ａ，５３ｂがチタンで構成されることで、グラファイト薄膜４２とソース電極４３ａ及びドレイン電極４３ｂ（上部電極４５ａ，４５ｂ）との間の接触抵抗を小さくすることができる。また、白金によって構成される連接層５４ａ，５４ｂを介することで、下層５３ａ，５３ｂに対する最表面層５５ａ，５５ｂの接合性を向上させることができる。

下部電極４４ａ，４４ｂでは、下層５１ａ，５１ｂがチタンによって構成されており、上層５２ｂが白金によって構成されている。例えば、チタンのみによって構成された下部電極が蒸着された基板４１を用いて、水等の溶液中に浮かしたグラファイト薄膜４２を転写すると、下部電極（チタン）が酸化してしまうおそれがある。これに対して、下層５１ａ，５１ｂ上には、白金で構成される上層５２ａ，５２ｂが配置されるので、グラファイト薄膜４２を基板４１に転写する際に、下部電極４４ａ，４４ｂが酸化することを抑制できる。また、下層５１ａ，５１ｂをＳｉＯ２との親和性が高いチタンによって構成することにより、基板４１の表面４１ａ，４１ｂを構成する絶縁物層４１ｅ（ＳｉＯ２）に対する下部電極４４ａ，４４ｂの接合性を向上させることができる。

光源装置１では、発光素子４が、真空状態に保持されたパッケージ２の内部空間に配置される。上述した発光素子４の構成によって、グラファイト薄膜４２から放出されるガスが抑制されるので、放出ガスによって内部空間の真空度が落ちる可能性が低減される。これにより、内部空間の真空度が保たれ、発光効率の低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、下部電極４４ａは、Ｘ軸方向に沿って、境界線ＢＬａ上まで延びていなくてもよく、境界線ＢＬａからステムピン６ａ側に離れた位置まで延びてもよい。下部電極４４ｂは、Ｘ軸方向に沿って、境界線ＢＬｂ上まで延びていなくてもよく、境界線ＢＬｂからステムピン６ｂ側に離れた位置まで延びてもよい。

発光素子４は、複数のグラファイト薄膜４２を備えてもよい。例えば、複数のグラファイト薄膜４２が、Ｙ軸方向（溝４１ｃの延在方向）に沿って並ぶように配置されてもよい。この場合、複数のグラファイト薄膜４２の各々の被支持部４２ａ，４２ｂが、ソース電極４３ａ及びドレイン電極４３ｂに覆われる。また、下部電極４４ａ，４４ｂの大きさ（面積）は、上部電極４５ａ，４５ｂの大きさと同じであってもよいし、上部電極４５ａ，４５ｂの大きさよりも小さくてもよい。下部電極４４ａ，４４ｂのＸ軸方向における長さは、上部電極４５ａ，４５ｂのＸ軸方向における長さと同じであってもよいし、上部電極４５ａ，４５ｂのＸ軸方向における長さよりも短くてもよい。

溝４１ｃのＹ軸方向から見た形状は、矩形状に限られない。溝４１ｃの形状は、楕円形状等のいずれの形状であってもよい。溝４１ｃの表面に、絶縁物層４１ｅが設けられなくもよい。発光素子４は、Ｙ軸方向に沿った仮想線に対して線対称な構造でなくてもよい。ソース電極４３ａを構成する各層（例えば、下層５１ａ）の材料と、ドレイン電極４３ｂを構成する各層（例えば、下層５１ｂ）の材料とは、互いに異なってもよい。

１…光源装置、２…パッケージ、４…発光素子、２３…光透過窓、４１…基板、４１ａ，４１ｂ…表面、４１ｃ…溝、４１ｄ…基材、４１ｅ…絶縁物層、４２…グラファイト薄膜、４４ａ，４４ｂ…下部電極、４４ｃ，４４ｄ…一端、４５ａ，４５ｂ…上部電極、４５ｃ，４５ｄ…一端、５１ａ，５１ｂ…下層、５２ａ，５２ｂ…上層、５３ａ，５３ｂ…下層、５４ａ，５４ｂ…連接層、５５ａ，５５ｂ…最表面層。

Claims (9)

1. 第１方向に延びる溝が形成され、前記第１方向と交差する第２方向において前記溝を互いに挟むように配置される第１表面及び第２表面を有する基板と、
   前記第１表面に設けられる第１電極と、
   前記第２表面に設けられる第２電極と、
   前記第１電極上及び前記第２電極上に設けられると共に、前記第２方向に沿って前記溝を跨ぐように前記第１電極から前記第２電極まで延びるグラファイト薄膜と、
   前記第１電極と電気的に接続されると共に、前記グラファイト薄膜を介して前記第１電極と対向するように前記グラファイト薄膜上に設けられる第３電極と、
   前記第２電極と電気的に接続されると共に、前記グラファイト薄膜を介して前記第２電極と対向するように前記グラファイト薄膜上に設けられる第４電極と、
   を備える発光素子。
2. 前記グラファイト薄膜は、層数が５０～２０００である多層のグラフェンである、
   請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１電極の前記溝側の一端は、前記第３電極の前記溝側の一端よりも前記溝側に位置し、
   前記第２電極の前記溝側の一端は、前記第４電極の前記溝側の一端よりも前記溝側に位置する、
   請求項１又は請求項２に記載の発光素子。
4. 前記第１電極は、少なくとも前記第１表面と前記溝との境界線上まで延び、
   前記第２電極は、少なくとも前記第２表面と前記溝との境界線上まで延びる、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 前記基板は、シリコンによって構成される基材と、酸化物を含む材料によって構成される酸化物層とを有し、
   前記酸化物層は、少なくとも前記基材と前記第１電極との間及び前記基材と前記第２電極との間に配置される、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. 前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれは、最表面層と、前記最表面層及び前記グラファイト薄膜の間に配置される中間層と、を有し、
   前記最表面層の抵抗値は、前記中間層、前記第１電極、及び前記第２電極の抵抗値よりも小さい、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の発光素子。
7. 前記最表面層は、金によって構成され、
   前記中間層は、チタンによって構成される第１層と、白金によって構成される第２層とを含み、
   前記第１層は、前記グラファイト薄膜上に設けられ、
   前記第２層は、前記第１層及び前記最表面層の間に配置される、
   請求項６に記載の発光素子。
8. 前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれは、チタンによって構成される第３層と、白金によって構成される第４層とを有し、
   前記第３層は、前記基板上に設けられ、
   前記第４層は、前記第３層及び前記グラファイト薄膜の間に配置される、
   請求項１～７のいずれか一項に記載の発光素子。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の発光素子と、
   光透過窓を有し、真空状態に保持された内部空間を形成するパッケージと、
   を備え、
   前記発光素子は、前記パッケージの前記内部空間に配置される、
   光源装置。

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