WO2015129668A1 - 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶 - Google Patents

熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶 Download PDF

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野田　進
卓也 井上
卓 浅野
ゾイサ メーナカ デ
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Definitions

  • the present invention relates to a heat radiation light source and a two-dimensional photonic crystal used for the heat radiation light source.
  • a heat radiation light source is a device that uses an electromagnetic wave radiated by heat radiation as a light source, but can be regarded as a heat-light conversion device that receives heat and outputs light (electromagnetic waves). When this input heat is given by electromagnetic waves (infrared rays), it can also be regarded as a wavelength converter. Moreover, it can also be regarded as a device that generates thermal radiation by supplying electric energy instead of heat.
  • the “thermal radiation light source” in the present application is intended for any of these.
  • the heat radiation light source has an advantage that light can be obtained simply by applying heat to an object.
  • the heat radiation light source can be suitably used as a light source that converts engine waste heat into infrared rays for sensing.
  • the heat radiation light source is not limited to a gas sensor, and can be used as a light source of various sensors using infrared rays such as a sensor for detecting intrusion of a person, a car, an animal, or the like.
  • Electromagnetic waves emitted from an object to which heat is applied have a spectrum over a wide wavelength range.
  • the wavelength range of electromagnetic waves obtained by heating an object to several tens of degrees Celsius to several hundreds of degrees Celsius is several ⁇ m to several tens of ⁇ m.
  • the above-described infrared sensor generally uses only infrared light having a specific wavelength, using such a heat radiation light source irradiates the object to be measured with unnecessary infrared light other than the specific wavelength, Adverse effects such as being heated occur. Further, in the case of a light source that generates broadband radiation when generating thermal radiation by applying electric energy, an increase in power consumption becomes a problem.
  • Non-Patent Document 1 a plate material having a quantum well structure described later and a different refractive index region having a refractive index different from that of the plate material periodically arranged in the plate material are provided.
  • a heat radiation light source having been proposed.
  • a quantum well structure is a structure in which a well-type energy potential (quantum well) is formed by stacking multiple layers of semiconductors with a thickness of several nanometers to several tens of nanometers with different energy band gaps.
  • the structure of since the different refractive index regions are periodically arranged in the plate material, a periodic distribution of the refractive index is formed.
  • An object in which a periodic refractive index distribution is formed in the plate material is called “two-dimensional photonic crystal”. It is known that a two-dimensional photonic crystal resonates with light having a specific wavelength when a standing wave of light having a specific wavelength corresponding to the period of the refractive index distribution is formed.
  • the thermal radiation light source of Non-Patent Document 1 when heat is supplied from the heat source, an energy transition occurs between energy bands formed in the quantum well (referred to as “subbands” in distinction from semiconductor bands), Thereby, light having a wavelength within a specific wavelength band is generated. Of the light in this wavelength band, light having a specific wavelength determined by the period of the photonic crystal resonates with the photonic crystal. Thereby, the thermal radiation light source of nonpatent literature 1 can generate light with a wavelength spectrum which has a sharp peak in this specific wavelength.
  • this type of sensor In the sensor using infrared rays, noise caused by fluctuation of environmental temperature, low frequency noise of 100Hz or less due to AC power of the power source, etc. are generated, which adversely affects the measurement. Therefore, this type of sensor generates infrared rays whose intensity changes at a frequency of about 1,000 to 100,000 Hz (1 to 100 kHz) in the light source, and the detection unit detects only infrared rays whose intensity changes at this frequency.
  • a noise removal process by intensity modulation is performed. The intensity modulation is typically performed using a rectangular wave generated by switching between two values (“strong” and “weak” or “ON” and “OFF”) with different intensities of infrared light.
  • the output of infrared light can be turned ON and OFF simply by periodically turning the power ON / OFF. It is possible to easily generate an infrared ray having a rectangular wave repeated between.
  • the intensity of the output light can be switched only by switching the input heating and stopping or switching between heating and cooling, and the switching response speed is higher than that of the photoelectric conversion element. Much slower.
  • a thermal radiation light source can only perform intensity modulation only at a low frequency of about 1 to 100 Hz, and it is difficult to directly apply it to a sensor using intensity modulation. Therefore, the optical path is mechanically turned on / off. It was necessary to add external equipment.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a thermal radiation light source capable of switching the intensity of light at a fast response speed in the same manner as a photoelectric conversion element.
  • the thermal radiation light source according to the present invention made to solve the above problems is a) a quantum well in the quantum well structure layer in a plate in which an n layer composed of an n-type semiconductor, a quantum well structure layer having a quantum well structure, and a p layer composed of a p-type semiconductor are stacked in this order in the thickness direction
  • a quantum well in the quantum well structure layer in a plate in which an n layer composed of an n-type semiconductor, a quantum well structure layer having a quantum well structure, and a p layer composed of a p-type semiconductor are stacked in this order in the thickness direction
  • different refractive index regions having refractive indexes different from those of the n layer, the p layer, and the quantum well structure layer are periodically arranged.
  • Two-dimensional photonic crystals and b) an electrode for applying a voltage to the plate member in which the p layer side is negative and the n layer side is positive.
  • FIGS. There are two types of quantum wells: n-type quantum wells that bind electrons to the conduction band and p-type quantum wells that bind holes to the valence band, depending on the type of semiconductor that forms the quantum well structure. .
  • the quantum well structure layer is an n-type quantum well structure layer having an n-type quantum well
  • the plate material in which the n-layer, the n-type quantum well structure layer, and the p-layer are stacked in this order in the thickness direction has an energy state shown in FIG. 1A when no voltage is applied.
  • the In this energy state a valence band and a conduction band are formed by sandwiching a Fermi level E f common to these layers (related to electrons), and electrons are formed in the conduction band in the n layer and in the valence band in the p layer. Each hole exists.
  • a quantum well is formed in the conduction band, and electrons are constrained in the quantum well.
  • a plurality of quantized energy levels (subbands) are formed in the quantum well.
  • Intersubband transition When a two-dimensional photonic crystal is heated, electrons in the quantum well are excited between subbands by thermal energy and then return to the ground state (intersubband transition), which corresponds to the energy difference between the ground state and the excited state.
  • Light having a wavelength to be generated is generated.
  • Intersubband transition has a certain bandwidth, and a standing wave is formed in the two-dimensional photonic crystal for the light of the specific wavelength corresponding to the period of the different refractive index region in the band. become. Thereby, the light of the said specific wavelength is discharge
  • the thermal radiation light source according to the present invention by switching the applied voltage, the intensity of light can be switched between “strong” when the voltage is OFF and “weak” when the voltage is ON. it can.
  • Such switching of voltage can be performed at a very high speed compared to the rate of temperature change by switching between heating and stopping or cooling, and the change in the number of electrons in the quantum well is related to voltage switching. Since it almost follows, the switching of the light intensity in the thermal radiation light source according to the present invention can be performed at a high response speed in the same manner as the photoelectric conversion element.
  • the quantum well structure layer is a p-type quantum well structure layer having a p-type quantum well, as shown in FIG. 2, a quantum well is formed in the valence band, and holes are constrained in the quantum well.
  • a two-dimensional photonic crystal is heated, an intersubband transition occurs in the holes in the quantum well.
  • the light having a certain wavelength bandwidth is generated by the intersubband transition, and the light having the specific wavelength in the two-dimensional photonic crystal is in a resonance state within the band. Is emitted from the thermal radiation light source to the outside as in the case of the n-type quantum well structure layer.
  • the thermal radiation light source according to the present invention has a case where the quantum well structure layer has a p-type quantum well between the quantum well structure layer and the p layer. May have an i layer made of an insulator between the quantum well structure layer and the n layer. As will be described below, this i layer contributes to reducing the electric capacity C of the heat radiation light source due to its thickness, thereby increasing the operating speed (frequency).
  • the upper limit of the operating speed is determined by the delay time until an externally applied voltage is actually applied to the quantum well, and the electric resistance R and electric capacity C of the two-dimensional photonic crystal are
  • the frequency (1 / (2 ⁇ RC)) represented by the reciprocal of the product is the upper limit frequency.
  • This upper limit frequency is a frequency at which the ON / OFF ratio of light intensity is -3 dB. Therefore, it is desirable that the two-dimensional photonic crystal has an electric resistance R and an electric capacitance C that (1 / (2 ⁇ RC)) is equal to or higher than a target frequency.
  • the electric resistance R can be controlled by the addition density of holes in the p layer and electrons in the n layer.
  • the capacitance C can be controlled by the thickness of each layer, but it is desirable to provide the i layer and control the thickness so as not to affect the number of holes and the number of electrons. However, excessive addition of electrons and holes may cause thermal radiation in an unnecessary wavelength band.
  • the electric resistance R and electric capacity C can also be adjusted by the area S of the two-dimensional photonic crystal. The smaller the area S, the smaller the electric resistance R and electric capacity C, and the upper limit frequency can be increased.
  • a thermal radiation light source having an operating frequency of 1 to 100 kHz that is suitable as a light source for the above-described sensor can be realized.
  • a thermal radiation light source having an operating frequency of 10 to 50 MHz that can be used as a signal source for spatial communication can also be realized.
  • a carrier having a larger effective mass of carriers has a smaller effective mass. Desirably higher than density. Since carriers having a large effective mass generally exhibit higher resistance at the same carrier density, the effect of increasing the operating frequency by reducing the electric resistance R of the two-dimensional photonic crystal is greater than that of a carrier having a small effective mass. The adjustment by density becomes remarkable. Also, from the viewpoint that unnecessary thermal radiation is less likely to occur, it is desirable to adjust with a carrier density larger than a carrier with a small effective mass.
  • the electrode is in contact with the p layer and is made of a metal p electrode that forms an ohmic junction with the p-type semiconductor constituting the p layer, and the n layer is in contact with the n layer. It is desirable to use a metal n-electrode that is in ohmic contact with the n-type semiconductor.
  • An ohmic junction is one that is joined so that a conduction state close to electrical conduction according to Ohm's law can be obtained without causing a rectifying action between a semiconductor and a metal, and is compared with a Schottky junction that produces a rectifying action. Is.
  • the electrode is provided on at least one of the surfaces of the plate so as to surround an arrangement region in which the different refractive index regions are periodically arranged. . Thereby, light can be extracted from the arrangement region without being blocked by the electrodes.
  • the thermal radiation light source according to the present invention preferably further includes a heating device for heating the two-dimensional photonic crystal with electric power.
  • a heating device for heating the two-dimensional photonic crystal with electric power.
  • a current is passed from the electrode to the n layer and / or p layer, a heating device electrode is separately provided around the electrode, and the same heating is performed, or a high resistance is separately provided. It is possible to use a mechanism in which heating is performed by supplying a current and supplying current.
  • a method of increasing the temperature of the light source by bringing the light source itself into contact with another heat source without providing a heating device may be used.
  • the two-dimensional photonic crystal according to the present invention is used for a thermal radiation light source, A plate material in which an n layer composed of an n-type semiconductor, a quantum well structure layer having a quantum well structure, and a p layer composed of a p-type semiconductor are laminated in this order in the thickness direction, In the quantum well structure layer, the n layer, the p layer, and the quantum are periodically arranged in the plate so as to resonate with light having a specific wavelength corresponding to transition energy between subbands in the quantum well.
  • the well structure layer includes a different refractive index region having a different refractive index.
  • thermo radiation light source capable of switching light intensity with a fast response speed in the same manner as the photoelectric conversion element.
  • the perspective view (a), longitudinal cross-sectional view (b), and top view (c) of the thermal radiation light source which are one Example of this invention.
  • the inset is a graph showing the result of calculating the relationship between the voltage and the absorption coefficient.
  • the graph which shows the result of having calculated the wavelength spectrum of the emissivity of the light in the case where a voltage is not applied between electrodes with respect to the thermal radiation light source of a present Example, and when it applies.
  • the inset is a graph showing the difference between these two wavelength spectra.
  • the voltage between the electrodes is switched at a frequency of 10 kHz in the thermal radiation light source of this example (a)
  • the voltage of the heater for heating the light source in the conventional thermal radiation light source as a comparative example was switched at a frequency of 10 kHz.
  • the graph which shows the result of having calculated the time change of the radiation power in the case (b).
  • the thermal radiation light source produced in this example the result of measuring the wavelength spectrum of the infrared rays emitted when no voltage is applied between the electrodes and when the voltage is applied can be obtained from the black body radiation light source having the same temperature and the same area.
  • the data for the voltage of 8V and the data for 10V are displayed in an overlapping manner.
  • the voltage between the electrodes is switched at a frequency within the range of 0.1 kHz to 1.5 MHz (100 to 1,500,000 Hz), and high-speed modulation is used to measure the temporal change in the intensity of the emitted light.
  • the schematic diagram which shows the optical system of experiment.
  • the graph (c) which shows the result of having measured the wavelength spectrum of emitted infrared rays.
  • the perspective view (a) and top view (b) which show the modification of the thermal radiation light source which concerns on this invention.
  • the thermal radiation light source 10 of this example includes a plate material 11, a hole (different refractive index region) 121, a p-type electrode 131, and an n-type electrode.
  • the two-dimensional photonic crystal 12 is formed by the plate material 11 and the holes 121.
  • the plate 11 is rectangular and has a structure in which a p layer 111, an i layer 113, a quantum well structure layer 114, and an n layer 112 are stacked in this order from the top.
  • the thickness of each layer in this example is 800 nm for the p layer 111 and the n layer 112, and 200 nm for the i layer 113 and the quantum well structure layer 114.
  • the p-layer 111 is p-GaAs, which is a p-type semiconductor in which p-type impurity Be is added to GaAs
  • the n-layer 112 is an n-type impurity, in which n is an n-type impurity Si.
  • N-GaAs which is a type semiconductor, and GaAs in which no impurity is implanted in the i layer 113 are used as materials.
  • electron density N e of hole density N p and n layer 112 of the p layer 111 are each 1 ⁇ 10 17 cm -3.
  • the quantum well structure layer 114 is formed by alternately laminating a layer made of GaAs and a layer made of n-AlGaAs. As a result, a large number of n-type quantum wells are formed in the quantum well structure layer 114 in which the portion of the layer made of GaAs is in the well.
  • An energy potential in which a large number of quantum wells are formed in this way is called a multiple quantum well, and a structure having multiple quantum wells is called a multiple quantum well structure.
  • the holes 121 are arranged in a triangular lattice shape within a square range in which the length L of one side of the plate 11 is 2 mm.
  • the period length a of this triangular lattice is 4.8 ⁇ m.
  • the two-dimensional photonic crystal 12 resonates with infrared rays having a wavelength of 9.2 ⁇ m in vacuum because the holes 121 are arranged in such a cycle.
  • the hole 121 has a cylindrical shape, and the designed radius r of the cylinder is about 0.96 ⁇ m (0.20a) and the thickness is about 1.3 ⁇ m.
  • the n layer 112 has a larger area than the other layers and has a portion that does not contact the quantum well structure layer 114 at both ends in the longitudinal direction.
  • the n-type electrode 132 is made of a metal electrode made of Ge / Au / Ni / Au alloy that forms an ohmic junction with the n layer 112, and is provided on this portion of the n layer 112 by vapor deposition.
  • the p-type electrode 131 is made of a metal electrode made of an Au / Zn / Au alloy that forms an ohmic junction with the p-layer 111, and is provided on the surface of the p-layer 111 by vapor deposition.
  • the p-type electrode 131 and the n-type electrode 132 are provided at these positions, a voltage is applied between the p layer 111 and the n layer 112 with the quantum well structure layer 114 and the i layer 113 interposed therebetween. Become. Further, since the p-type electrode 131 is provided so as to surround the region (arrangement region) where the holes 121 are periodically arranged, light is extracted from the arrangement region without being blocked by the p-type electrode 131. It is.
  • the legs 14 are two rectangular parallelepiped members made of insulating GaAs into which impurities are not implanted.
  • the two legs 14 are attached to the lower surface of the n layer 112 in the vicinity of both ends in the longitudinal direction of the plate material 11 so as to extend in the short side direction of the plate material 11. With the legs 14, the plate member 11 is held without touching other objects except for the portion where the legs 14 are attached. Further, when the heat radiation light source 10 is heated, heat is transferred from the external heat source to the two-dimensional photonic crystal 12 through the legs 14 by heat conduction.
  • the heating temperature was set to 200 ° C. for (a) the case where no voltage was applied between the p-type electrode 131 and the n-type electrode 132 and (b) the case where a voltage of 8 V was applied.
  • both of (a) and (b) form a large number of quantum wells (multiple quantum wells) in the quantum well structure layer 114.
  • FIG. 4 shows that both of (a) and (b) form a large number of quantum wells (multiple quantum wells) in the quantum well structure layer 114.
  • the energy of the whole quantum well near the p layer 111 is higher than in the case of (a). This means that when a voltage is applied, there are no electrons in the quantum well near the p-layer 111, and fewer electrons contribute to thermal radiation than when no voltage is applied (see FIG. 1). As a result, the light absorption coefficient due to the intersubband transition (Inter Sub Band Transition: ISB-T) in the quantum well is smaller when no voltage is applied (inset in Fig. 4). ), The emission intensity is also reduced.
  • ISB-T Inter Sub Band Transition
  • the emissivity is defined by a value obtained by dividing the emission intensity of the thermal radiation light source 10 by the intensity of black body radiation at the same temperature at each wavelength.
  • the wavelength and wave number refer to those in light in a vacuum. From this graph, it can be seen that the peak value of the emissivity at a wavelength of 9.2 ⁇ m is about 1/8 of (a) in (b).
  • the ON voltage was 8 V
  • the ON / OFF frequency (modulation frequency) was 10 kHz.
  • the heating temperature was 200 ° C.
  • infrared detector infrared rays within a certain wavelength band are detected without being distinguished by wavelength, so that the radiation power is obtained by integrating within a wavelength band of 5 to 15 ⁇ m.
  • the same calculation was performed for a conventional thermal radiation light source when the input power input to the light source to change the temperature was switched at a frequency of 10 kHz.
  • the difference in radiation power between the heater ON and OFF is only 0.066%.
  • the modulation power is about 67%.
  • FIG. 6 (a) shows a value obtained by integrating the radiation power within the wavelength band of 5 to 15 ⁇ m as described above.
  • the infrared rays having a wavelength of around 9.2 ⁇ m contribute.
  • the modulation power at each modulation frequency is shown in decibels as a ratio to the modulation power when the modulation frequency is low (100 Hz).
  • two types of calculation are performed for the area (arrangement area) in which the holes 121 are arranged in the plate material 11 in the case of a square having a side length L of 2 mm and in the case of a square having L of 0.5 mm. It was.
  • thermal radiation light source 10A (3) Results of Experiment on Thermal Radiation Light Source of the Present Example
  • FIG. 8 is a photomicrograph of the thermal radiation light source 10A taken from the upper side in the perspective view of FIG. In (a), the entire upper surface of the thermal radiation light source 10A was photographed with an optical microscope, and in (b), a part of the two-dimensional photonic crystal 12 was magnified and photographed with an electron microscope.
  • FIG. 9 shows the results of measuring the current-voltage characteristics of the obtained thermal radiation light source 10A.
  • a voltage that is positive on the p-type electrode 131 side and negative on the n-type electrode 132 side is positive. Indicated by value.
  • the obtained heat radiation light source 10A was such that a current flows when the voltage is positive, and a current hardly flows when the voltage is negative. It has the characteristics as It can be said that the thermal radiation light source 10A utilizes the movement of electrons between the quantum well and the n-type semiconductor without flowing a current in the range of voltage 0 to negative bias voltage in the PIN diode.
  • the voltage applied between the p-type electrode 131 and the n-type electrode 132 is (a) 0V, and (b) 10V (value expressed as negative in FIG. 9).
  • the result of measuring the wavelength spectrum of the light emission intensity at a certain time is shown together with the measurement result obtained from the black body radiation light source having the same temperature and the same area.
  • the light emission intensity was shown in arbitrary units, the intensity was made uniform so that comparison could be made between the measurement results of (a), (b) and the black body radiation light source. Similar to the calculation result shown in FIG.
  • the experimental result shows that the value of the radiant intensity of (b) is significantly smaller than that of (a) at the wavelength of 9.2 ⁇ m, while there is no light emission at other wavelengths. Or (a) and (b) indicate that light is emitted at an intensity close to each other.
  • FIG. 11A the result of measuring the wavelength spectrum in the vicinity of a wavelength of 9.2 ⁇ m is shown in FIG. 11A, and the result of the calculation corresponding to this measurement is shown in FIG. , Respectively.
  • the measurement result and the calculation result are in good agreement at any applied voltage.
  • the experimental apparatus 20 generates a pulse that generates a square-wave high-frequency voltage having a predetermined modulation frequency, which is applied between the heater 21 on which the thermal radiation light source 10 is mounted and heated, and the p-type electrode 131 and the n-type electrode 132.
  • a digital oscilloscope 25 for observing the output signal by synchronizing the high-frequency voltages.
  • an HgCdTe (mercury / cadmium / tellurium) detector was used as the detector 23, an HgCdTe (mercury / cadmium / tellurium) detector was used.
  • the value of the high frequency voltage when the pulse generator 22 outputs ON is 10V.
  • Fig. 13 shows the measurement results when the modulation frequency is 10 kHz. A square wave output signal corresponding to the frequency of the applied voltage was obtained.
  • FIG. 14 shows the result of measuring the change in modulation power according to the modulation frequency using the experimental apparatus 20.
  • a modulation intensity of ⁇ 3 dB or more can be obtained. This measurement result is in good agreement with the calculation result shown in FIG.
  • the carrier density will be described with reference to FIG. FIG. 15 (a)
  • the emissivity when the electron density N e of hole density N p and n layer 112 of the p layer 111 is a value of the above Examples (both 1 ⁇ 10 17 cm -3)
  • Left Fig. 6 is a graph showing the graph excluding the inset in Fig. 5) and the delay time tr (right diagram).
  • the delay time t r refers to the time from the voltage between the electrodes is applied to actually participate in the quantum well of the photonic crystal center portion.
  • the value of the voltage applied to the quantum well structure layer 114 is (1-e ⁇ 1 ) times the value after sufficient time has elapsed (e is the base of the natural logarithm, (1-e ⁇ 1 ) ⁇ 0.63) a time when that became the delay time was t r.
  • the voltage between the p-type electrode 131 and the n-type electrode 132 was 8V in the left figure and 10V in the right figure.
  • the delay time t r was 0.62Myuesu.
  • the electron density N e of the n layer 112 remains 1 ⁇ 10 17 cm -3, and the only hole density N p of the p layer 111 is increased to 1 ⁇ 10 18 cm -3.
  • the density of holes in the p layer 111 having a larger effective mass of carriers than the electrons in the n layer 112 is increased.
  • FIG. 15 (c) as compared to the delay time t r with is shortened to 0.091Myuesu, changes in the emissivity of the time when the voltage OFF and ON is 0.56, the emissivity was able to be suppressed more than in the case of (b). Unnecessary radiation at wavelengths other than the target wavelength is also suppressed as compared with the case of (b).
  • FIG. 16 shows the result of calculation of the change in modulation power due to the modulation frequency when the hole arrangement area is a square with a side of 0.5 mm.
  • the conditions in this calculation are the points where only the hole density N p of the p layer 111 is increased to 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 compared to the condition in the experiment shown in FIG. e remains 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 , that is, these carrier densities are the same as those in FIG. 15 (c)), and are different in that the area where holes are arranged is reduced.
  • This calculation result shows that the upper limit frequency can be increased to about 70 MHz.
  • a heat radiation light source 10B in which the radius of the hole 121 is made smaller than that of the heat radiation light source 10A of the above embodiment will be described with reference to FIG.
  • the period length a of the triangular lattice is 4.5 ⁇ m
  • the radius r of the air holes 121 is 0.63 ⁇ m (0.14a)
  • other conditions are the same as those of the thermal radiation light source 10A.
  • the micrographs of the obtained thermal radiation light source 10B are shown in FIGS. 17 (a) and 17 (b), and the results of measuring the wavelength spectrum of infrared rays emitted from the thermal radiation light source using the experimental apparatus 20 are shown in the graph. Shown in (c).
  • the infrared wavelength spectrum shows the case where the applied voltage at which the radiation intensity is maximum is 2V and the case where the applied voltage at which the radiation intensity is minimum is 10V.
  • the thermal radiation light source 10B when the applied voltage is 2V, the full width at half maximum of the infrared wavelength spectrum is 7.0 cm ⁇ 1 , and the full width at half maximum when the applied voltage in the thermal radiation light source 10A shown in FIG. It became narrower than 12.5cm -1 . This means that a narrower emission spectrum was obtained by reducing the hole diameter. Further, it was confirmed that when the voltage applied to the thermal radiation light source 10B was changed from 2V to 10V, the intensity of the light was lowered, and the intensity could be modulated by the voltage as in the case of the thermal radiation light source 10A.
  • the present invention is not limited to the above embodiments.
  • the p-layer 111, the n-layer 112, and the i-layer 113 are made of GaAs as a main constituent element, but other semiconductors may be used.
  • the quantum well structure layer 114 may be made of a material other than the above. Further, the quantum well structure layer 114 is not limited to the one having an n-type quantum well, but one having a p-type quantum well, such as one in which multiple layers made of InP and layers made of p-InGaAs are alternately stacked. It may be used.
  • the quantum well structure layer 114 is not limited to the one having the multiple quantum well structure in the above embodiment, and may be one having a quantum well structure in which only one quantum well is formed.
  • the above thickness values of the p layer 111, the n layer 112, the i layer 113, and the quantum well structure layer 114 are merely examples, and are not limited to these values.
  • the values of the hole density of the p layer 111 and the electron density of the n layer 112 (impurity density of those layers) are also examples, and are not limited to these values.
  • the p layer 111 and the quantum well structure layer 114 may be directly joined without using the i layer 113.
  • the holes 121 are used in the different refractive index region, but a member having a refractive index different from that of the plate 11 may be used as the different refractive index region.
  • the shape and size of the different refractive index region (hole 121) are not limited to those in the above-described embodiment, and the shape may be a triangular prism shape, a quadrangular prism shape, or the like.
  • the period length of the different refractive index region (holes 121) and the shape of the grating are not limited to those of the above embodiment, and a square grating or other grating may be used as the shape of the grating.
  • the p-type electrode 131 is provided so as to surround the arrangement region where the holes 121 are periodically arranged. For example, as shown in FIG. Even when the p-type electrode 131A is provided, light can be extracted from the arrangement region without being blocked by the p-type electrode 131A.
  • FIG. 18 like the p-type electrode 131A, two pairs of n-type electrodes 132A are used, but it is not essential to match the shapes of the p-type electrode and the n-type electrode.
  • heat conduction from an external heat source is used for heating the heat radiation light source, but the heating method is not limited to this. Electric power for heating may be input to the thermal radiation light source itself, or other means may be used.

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Abstract

　本発明は、光電変換素子と同様に速い応答速度で光の強弱の切り換えを行うことができる熱輻射光源を提供する。熱輻射光源１０は、n型半導体から成るn層１１２、量子井戸構造を有する量子井戸構造層１１４、及びp型半導体から成るp層１１１がこの順で積層された板材１１内に、量子井戸構造層１１４における量子井戸内のサブバンド間における遷移エネルギーに対応する特定波長の光に共振するように、n層１１２、p層１１１及び量子井戸構造層１１４とは屈折率が異なる異屈折率領域（空孔１２１）が周期的に配置された２次元フォトニック結晶１２と、p層１１１側が負、n層１１２側が正である電圧を板材１１に印加するためのp型電極１３１及びn型電極１３２とを備える。

Description

熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶
　本発明は、熱輻射光源、及び該熱輻射光源に用いる２次元フォトニック結晶に関する。熱輻射光源は、熱輻射により放射される電磁波を光源とする装置であるが、熱を入力とし、光（電磁波）を出力する熱－光変換装置と捉えることができる。この入力たる熱が電磁波（赤外線）で与えられる場合、波長変換装置とも捉えることができる。また、熱ではなく電気エネルギーを投入することにより熱輻射を発生させる装置と捉えることもできる。本願における「熱輻射光源」は、これらいずれをも対象とする。
　熱輻射光源は、物体に熱を与えるだけで発光を得ることができる、という利点を有する。熱輻射光源は例えば、エンジンの排ガス中の成分を分析するガスセンサにおいて、エンジンの廃熱をセンシングのための赤外線に変換する光源として好適に用いることができる。また、熱輻射光源はガスセンサに限らず、人、自動車、動物等の侵入を検知するセンサ等、赤外線を用いた各種センサの光源にも用いることができる。
　熱が与えられた物体が発する電磁波は、広い波長範囲に亘るスペクトルを有する。例えば物体を数十℃～数百℃に加熱することにより得られる電磁波の波長範囲は数μm～数十μmとなる。しかし、前述の赤外線センサでは一般に特定の波長の赤外線のみを利用するため、このような熱輻射光源を用いると、特定波長以外の不要な赤外線が被測定物に照射されてしまい、被測定物が加熱されてしまう等の悪影響が生じる。また、電気エネルギーを投入することにより熱輻射を発生させる場合において広帯域の輻射が生じる光源では、消費電力の増大が問題となる。
　このような問題点を解決するべく、非特許文献１では、後述の量子井戸構造を有する板材と、その板材内に周期的に配置された、該板材とは屈折率が異なる異屈折率領域を有する熱輻射光源が提案されている。量子井戸構造とは、エネルギーバンドギャップの大きさが異なる複数種の、厚さ数nm～十数nm程度の半導体の層を積層することにより、井戸型のエネルギーポテンシャル（量子井戸）を形成した物の構造をいう。また、板材内に異屈折率領域が周期的に配置されることによって、屈折率の周期的な分布が形成される。このように板材内に周期的な屈折率分布が形成された物を「２次元フォトニック結晶」と呼ぶ。２次元フォトニック結晶は、屈折率分布の周期に対応した特定の波長を有する光の定在波が形成されることにより、当該特定波長の光に共振することが知られている。
　非特許文献１の熱輻射光源では、熱源から熱が供給されると、量子井戸内に形成されるエネルギーバンド（半導体のバンドと区別して、「サブバンド」と呼ばれる）間においてエネルギー遷移が生じ、それにより、特定の波長帯内の波長を有する光が生成される。そして、この波長帯の光のうち、フォトニック結晶の周期により定まる特定波長を有する光がフォトニック結晶に共振する。これにより、非特許文献１の熱輻射光源は、この特定波長において鋭いピークを有する波長スペクトルを持つ光を生成することができる。
De Zoysa Menaka（デ　ゾイサ　メーナカ） 他著、"Conversion of broadband to narrow band thermal emission through energy recycling"（エネルギーリサイクルによる広帯域熱輻射から狭帯域熱輻射への変換）、Nature Photonics、（英国）、Nature Publishing Group、2012年7月8日、第6巻、535～539頁
　赤外線を用いたセンサでは、環境温度の変動により生じるノイズや、電源の交流電力等に起因した100Hz以下の低周波ノイズ等が発生し、測定に悪影響を及ぼす。そこで、この種のセンサでは、光源において1,000～100,000Hz（1～100kHz）程度の周波数で強度が変化する赤外線を生成し、検出部においてこの周波数で強度が変化する赤外線のみを検出することによりノイズを除去するという、強度変調によるノイズ除去処理が行われている。強度変調は典型的には、赤外光の強度が異なる2値（「強」と「弱」、あるいは「ON」と「OFF」）の切り換えにより生成される矩形波を用いて行われる。光源としてレーザダイオード等、電力を直接的に光に変換する光電変換素子を用いた場合には、電力を周期的にON/OFFするだけで、赤外光の出力が「ON」と「OFF」の間で繰り返される矩形波を有する赤外線を容易に生成することができる。しかし、従来の熱輻射光源では、出力である光の強度の切り換えは、入力である加熱とその停止の切り換え、あるいは加熱と冷却の切り換えにより行うしかなく、切り換えの応答速度が光電変換素子よりもはるかに遅い。そのため、熱輻射光源はせいぜい1～100Hz程度の低い周波数でしか強度変調を行うことができず、強度変調を用いるセンサに直接適用することは困難であるため、機械的に光路をON/OFFする外部機器を付加する必要があった。
　本発明が解決しようとする課題は、光電変換素子と同様に速い応答速度で光の強弱の切り換えを行うことができる熱輻射光源を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係る熱輻射光源は、
　a) n型半導体から成るn層、量子井戸構造を有する量子井戸構造層、及びp型半導体から成るp層がこの順で厚み方向に積層された板材内に、該量子井戸構造層における量子井戸内のサブバンド間における遷移エネルギーに対応する特定波長の光に共振するように、前記n層、前記p層及び前記量子井戸構造層とは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と、
　b) 前記p層側が負、前記n層側が正である電圧を前記板材に印加するための電極と
を備えることを特徴とする。
　本発明に係る熱輻射光源の動作を、図１及び図２を用いて説明する。量子井戸には、量子井戸構造を形成する半導体の種類により、伝導バンドに電子を束縛するn型量子井戸と、価電子バンドに正孔を束縛するp型量子井戸という２種のものが存在する。
　まず、図１を用いて、量子井戸構造層がn型の量子井戸を有するn型量子井戸構造層である場合について説明する。n層、n型量子井戸構造層、及びp層がこの順で厚み方向に積層された上記板材は、電圧が印加されていない状態においては、図１(a)に示されるエネルギー状態が形成される。このエネルギー状態では、これら各層に共通の（電子に関する）フェルミ準位Efを挟んで価電子バンド及び伝導バンドが形成されており、n層では伝導バンドに電子が、p層では価電子バンドに正孔が、それぞれ存在する。そして、量子井戸構造層においては、伝導バンドに量子井戸が形成され、量子井戸内に電子が束縛されている。量子井戸内には量子化された複数のエネルギー準位（サブバンド）が形成される。２次元フォトニック結晶を加熱すると、量子井戸内の電子が熱エネルギーによりサブバンド間で励起された後に基底状態に戻り（サブバンド間遷移）、その際に基底状態と励起状態のエネルギー差に対応する波長の光が生成される。サブバンド間遷移はある程度の帯域幅をもち、その帯域中で異屈折率領域の周期に対応した上記特定波長の光につき、定在波が２次元フォトニック結晶内に形成されることにより共振状態になる。これにより、当該特定波長の光が熱輻射光源から外部に放出される。
　次に、p層側が負、n層側が正である電圧が電極から板材に印加されると、図１(b)に示すように、n層のエネルギーバンドを基準として見たp層の価電子バンドのエネルギーが上昇し、量子井戸構造層の量子井戸内に存在していた電子のうちの一部がn層に移動する。これにより、量子井戸内の電子が減少するため、２次元フォトニック結晶を加熱した際に生じるサブバンド間遷移に寄与する電子も減少する。これにより、サブバンド間遷移により生成される光の強度が低下するため、２次元フォトニック結晶に共振して外部に放出される上記特定波長の光の強度も低下する。
　以上のように、本発明に係る熱輻射光源では、印加電圧の切り換えにより、該電圧がOFFの時には「強」、該電圧がONの時には「弱」という、光の強弱の切り換えを行うことができる。このような電圧の切り換えは、加熱とその停止又は冷却の切り換えによる温度変化の速度と比較して非常に速い速度で行うことができるうえに、量子井戸内の電子数の変化は電圧の切り換えにほぼ追従するため、本発明に係る熱輻射光源における光の強弱の切り換えは光電変換素子と同様に速い応答速度で行うことができる。
　量子井戸構造層がp型の量子井戸を有するp型量子井戸構造層である場合には、図２に示すように、価電子バンドに量子井戸が形成され、量子井戸内に正孔が束縛される。２次元フォトニック結晶を加熱すると、量子井戸内の正孔にサブバンド間遷移が生じる。このサブバンド間遷移によってある程度の波長の帯域幅をもつ光が生成される点、及びこの帯域中の上記特定波長の光が２次元フォトニック結晶内で共振状態になることによって当該特定波長の光が熱輻射光源から外部に放出される点は、n型量子井戸構造層の場合と同様である。
　そして、p層側が負、n層側が正である電圧が電極から板材に印加されると、図２(b)に示すように、p層のエネルギーバンドを基準として見たn層の伝導バンドのエネルギーが下降し、量子井戸構造層の量子井戸内に存在していた正孔のうちの一部がp層に移動する。これにより、量子井戸内の正孔が減少するため、加熱時のサブバンド間遷移に寄与する正孔も減少し、サブバンド間遷移により生成される光の強度が低下するため、２次元フォトニック結晶に共振して外部に放出される上記特定波長の光の強度も低下する。
　本発明に係る熱輻射光源は、前記量子井戸構造層がn型量子井戸を有する場合には該量子井戸構造層と前記p層の間に、前記量子井戸構造層がp型量子井戸を有する場合には該量子井戸構造層と前記n層の間に、絶縁体から成るi層を有していてもよい。このi層は、次に述べるように、その厚みにより熱輻射光源の電気容量Cを小さくし、それにより、動作速度（周波数）を高めることに寄与する。
　本発明に係る熱輻射光源において、動作速度の上限は、外部から印加された電圧が実際に量子井戸に加わるまでの遅れ時間で決まり、上記２次元フォトニック結晶の電気抵抗Rと電気容量Cの積の逆数で表される周波数(1/(2πRC))が上限周波数となる。この上限周波数は、光の強度のON/OFF比が-3dBとなる周波数である。そのため、上記２次元フォトニック結晶は、(1/(2πRC))が目的とする周波数以上となる電気抵抗R及び電気容量Cを有することが望ましい。電気抵抗Rはp層の正孔及びn層の電子の添加密度により制御することができる。また、電気容量Cは、各層の厚みにより制御することができるが、正孔数及び電子数に影響を与えないように、前記i層を設けてその厚みにより制御することが望ましい。但し、電子・正孔を過多に添加すると不要な波長帯域において熱輻射を生じる原因となる。また、電気抵抗R及び電気容量Cは、２次元フォトニック結晶の面積Sにより調整することもできる。面積Sを小さくするほど、電気抵抗R及び電気容量Cが小さくなり、上限周波数を高めることができる。これら電気抵抗R及び電気容量Cを適切に設定することにより、上述のセンサの光源として好適である1～100kHzの動作周波数を有する熱輻射光源が実現でき、さらには、大気の状態に左右されない自由空間通信の信号源に使用可能である10～50MHzの動作周波数を有する熱輻射光源を実現することもできる。
　本発明に係る熱輻射光源において、前記p層及び前記n層のうち、キャリア（p層では正孔、n層では電子）の有効質量が大きい方のキャリア密度が、有効質量が小さい方のキャリア密度よりも高いことが望ましい。同じキャリア密度では一般に有効質量が大きいキャリアの方が高い抵抗を示すため、２次元フォトニック結晶の電気抵抗Rを小さくすることにより動作周波数を高める効果は、有効質量が小さいキャリアよりも大きいキャリアの密度で調整した方が顕著になる。また、不要な熱輻射を生じ難いという点においても、有効質量が小さいキャリアよりも大きいキャリアの密度で調整した方が望ましい。
　本発明に係る熱輻射光源において、前記電極には、前記p層に接し該p層を構成するp型半導体とオーミック接合となる金属製のp電極と、前記n層に接し該n層を構成するn型半導体とオーミック接合となる金属製のn電極を用いることが望ましい。オーミック接合とは、半導体と金属間で整流作用が生じることなく、オームの法則に従う電気伝導に近い導通状態が得られるように接合されたものをいい、整流作用が生じるショットキー接合と対比されるものである。
　本発明に係る熱輻射光源において、前記電極は、前記板材の表面のうちの少なくとも一方に、前記異屈折率領域が周期的に配置された配置領域を囲繞するように設けられていることが望ましい。これにより、電極に遮られることなく該配置領域から光を取り出すことができる。
　本発明に係る熱輻射光源はさらに、前記２次元フォトニック結晶を電力により加熱する加熱装置を備えることが望ましい。この加熱装置には、上記電極からn層及び／又はp層に電流を流すものや、上記電極の周囲に別途、加熱装置用の電極を設けて同様の加熱を行うもの、あるいは、別途高抵抗の配線を設けて電流を流すことにより加熱する機構を用いることができる。また、光源自体には加熱装置を設けず、別の熱源と接触させることにより光源の温度を上昇させる手法を用いてもよい。
　本発明に係る２次元フォトニック結晶は、熱輻射光源に用いるものであって、
　n型半導体から成るn層、量子井戸構造を有する量子井戸構造層、及びp型半導体から成るp層がこの順で厚み方向に積層された板材と、
　前記量子井戸構造層における量子井戸内のサブバンド間における遷移エネルギーに対応する特定波長の光に共振するように、前記板材内に周期的に配置された、前記n層、前記p層及び前記量子井戸構造層とは屈折率が異なる異屈折率領域と
を備えることを特徴とする。
　本発明により、光電変換素子と同様に速い応答速度で光の強弱の切り換えを行うことができる熱輻射光源が得られる。
本発明に係る熱輻射光源において、量子井戸構造層がn型量子井戸を有する場合における電子のエネルギー状態を説明するための図。 本発明に係る熱輻射光源において、量子井戸構造層がp型量子井戸を有する場合における電子のエネルギー状態を説明するための図。 本発明の一実施例である熱輻射光源の斜視図(a)、縦断面図(b)及び上面図(c)。 本実施例の熱輻射光源につき、電極間に電圧を印加しない場合と印加した場合における電子のポテンシャルを計算した結果を示すグラフ。挿入図は、電圧と吸収係数の関係を計算した結果を示すグラフである。 本実施例の熱輻射光源につき、電極間に電圧を印加しない場合と印加した場合における光の放射率の波長スペクトルを計算した結果を示すグラフ。挿入図は、これら２つの波長スペクトルの差を示すグラフである。 本実施例の熱輻射光源において電極間の電圧を周波数10kHzで切り換えた場合(a)と、比較例である従来の熱輻射光源において該光源を加熱するためのヒータの電圧を周波数10kHzで切り換えた場合(b)における輻射パワーの時間変化を計算した結果を示すグラフ。 本実施例の熱輻射光源につき、変調周波数による変調パワーの変化を計算で求めた結果を示すグラフ。 本実施例で作製した熱輻射光源の顕微鏡写真(a)及び該熱輻射光源における２次元フォトニック結晶を拡大して撮影した顕微鏡写真(b)。 本実施例で作製した熱輻射光源の電流－電圧特性を異なる複数の温度で測定した結果を示すグラフ。 本実施例で作製した熱輻射光源につき、電極間に電圧を印加しない場合と印加した場合において放出された赤外線の波長スペクトルを測定した結果を、同温度・同面積の黒体輻射光源から得られた測定結果と合わせて示すグラフ。 本実施例で作製した熱輻射光源につき、電極間に印加する電圧を変化させながら測定した赤外線の波長スペクトル(a)及び当該測定に対応する条件において計算した赤外線の波長スペクトル(b)を示すグラフ。なお、(b)では、電圧が8Vの場合と10Vの場合のデータが重なって表示されている。 本実施例で作製した熱輻射光源につき、電極間の電圧を0.1kHz～1.5MHz（100～1,500,000Hz）の範囲内の周波数で切り換えつつ、放射される光の強度の時間変化を測定する高速変調実験の光学系を示す模式図。 本実施例で作製した熱輻射光源につき、10kHzの周波数で行った高速変調実験の結果を示すグラフ。 本実施例で作製した熱輻射光源につき、変調周波数による変調パワーの変化を実験で求めた結果を示すグラフ。 本実施例の熱輻射光源において、p層の正孔密度Np及びn層の電子密度Neが共に1×1017cm-3である場合(a)、Np及びNeが共に1×1018cm-3である場合(b)、並びにNpが1×1018cm-3であってNeが1×1017cm-3である場合(c)につき、放射率（左図）及び遅れ時間（右図）を計算で求めた結果を示すグラフ。 空孔の配置領域を１辺0.5mmの正方形とした場合における、変調周波数による変調パワーの変化を計算で求めた結果を示すグラフ。 空孔の径が図８の例よりも小さい熱輻射光源の顕微鏡写真(a)、該熱輻射光源における２次元フォトニック結晶を拡大して撮影した顕微鏡写真(b)、及び該熱輻射光源において放出された赤外線の波長スペクトルを測定した結果を示すグラフ(c)。 本発明に係る熱輻射光源の変形例を示す斜視図(a)及び上面図(b)。
　図３～図１８を用いて、本発明に係る熱輻射光源の実施例を説明する。
(1) 本実施例の熱輻射光源の構成
　本実施例の熱輻射光源１０は、図３に示すように、板材１１、空孔（異屈折率領域）１２１、p型電極１３１、n型電極１３２、及び脚１４を有し、板材１１と空孔１２１により２次元フォトニック結晶１２が形成されている。
　板材１１は長方形であり、上から順にp層１１１、i層１１３、量子井戸構造層１１４及びn層１１２を積層した構造を有する。本実施例における各層の厚みは、p層１１１及びn層１１２では800nm、i層１１３及び量子井戸構造層１１４では200nmである。本実施例では、p層１１１にはGaAsにp型不純物であるBeが添加されたp型半導体であるp-GaAsを、n層１１２にはGaAsにn型不純物であるSiが添加されたn型半導体であるn-GaAsを、i層１１３には不純物が注入されていないGaAsを、それぞれ材料として用いた。p層１１１の正孔密度Np及びn層１１２の電子密度Neはそれぞれ1×1017cm-3である。量子井戸構造層１１４は、GaAsから成る層とn-AlGaAsから成る層が交互に多数積層されたものである。これにより、量子井戸構造層１１４にはGaAsから成る層の部分が井戸内となるn型量子井戸が多数形成される。このように量子井戸が多数形成されたエネルギーポテンシャルを多重量子井戸と呼び、多重量子井戸を有する構造を多重量子井戸構造と呼ぶ。
　空孔１２１は、板材１１のうち、１辺の長さLが2mmである正方形の範囲内に、三角格子状に配置されている。この三角格子の周期長aは4.8μmである。２次元フォトニック結晶１２は、空孔１２１がこのような周期で配置されていることにより、真空中における波長が9.2μmである赤外線に共振する。空孔１２１は円柱状の形状を有しており、該円柱の設計上の半径rは約0.96μm（0.20a）、厚みは約1.3μmである。
　板材１１を構成する各層のうちn層１１２は、他の層よりも面積が大きく、長手方向の両端において量子井戸構造層１１４と接しない部分を有する。n型電極１３２は、n層１１２とオーミック接合となるGe/Au/Ni/Au合金製の金属電極から成り、n層１１２の当該部分に蒸着法により設けられている。p型電極１３１は、p層１１１とオーミック接合となるAu/Zn/Au合金製の金属電極から成り、p層１１１の表面に蒸着法により設けられている。p型電極１３１及びn型電極１３２がこれらの位置に設けられていることにより、量子井戸構造層１１４及びi層１１３を挟んでp層１１１とn層１１２の間に電圧が印加されることになる。また、p型電極１３１は、空孔１２１が周期的に配置された領域（配置領域）を囲繞するように設けられているため、p型電極１３１に遮られることなく該配置領域から光が取り出される。
　脚１４は、不純物が注入されていない絶縁体のGaAsから成る２本の直方体状の部材である。２本の脚１４は板材１１の長手方向の両端付近に、板材１１の短辺方向に延びるようにn層１１２の下面に取り付けられている。この脚１４により、板材１１は脚１４が取り付けられた部分を除いて、他の物に接することなく保持される。また、熱輻射光源１０を加熱する際には、外部の熱源から熱伝導によって、この脚１４を介して２次元フォトニック結晶１２に伝熱される。
(2) 本実施例の熱輻射光源１０の特性に関する計算結果
　次に、本実施例の熱輻射光源１０の特性につき、計算によりシミュレーションを行った結果を説明する。なお、以下では、特記した場合を除いて、p型電極１３１とn型電極１３２の間に電圧を印加する際には、電圧の極性は、p層１１１（p型電極１３１）側を負、n層１１２（n型電極１３２）側を正とした。
　まず、図４を用いて、熱輻射光源１０のp層１１１、i層１１３、量子井戸構造層１１４及びn層１１２における、熱輻射に寄与する電子のポテンシャルを計算で求めた結果を説明する。この計算では、p型電極１３１とn型電極１３２の間に(a)電圧を印加しない場合と、(b)8Vの電圧を印加した場合を対象とし、加熱温度を200℃とした。その結果、図４のグラフに示すように、(a), (b)共に量子井戸構造層１１４に多数の量子井戸（多重量子井戸）が形成されるが、(a)ではいずれの量子井戸もほぼ同じポテンシャルを有するのに対して、(b)ではp層１１１寄りにある量子井戸の全体のエネルギーが(a)の場合よりも高くなっている。このことは、電圧を印加した場合には、p層１１１寄りの量子井戸内には電子が存在せず、電圧を印加しない場合よりも熱輻射に寄与する電子が少なくなることを意味する（図１参照）。これにより、電圧を印加しない場合よりも印加した場合の方が、量子井戸内のサブバンド間遷移（Inter Sub Band Transition：ISB-T）による光の吸収係数は小さくなり（図４中の挿入図）、発光強度も小さくなる。
　次に、図５を用いて、熱輻射光源１０を外部熱源により200℃に加熱した場合における光の放射率の波長スペクトルを、(a)電圧を印加しない場合と、(b)8Vの電圧を印加した場合について計算した結果を説明する。ここで放射率は、各波長において、熱輻射光源１０の発光強度を同温度の黒体輻射の強度で除した値で定義される。なお、図５のグラフにおいて、波長及び波数は、真空中の光におけるものをいう。このグラフより、波長9.2μmにおける放射率のピーク値が、(b)では(a)の約1/8になっていることかわかる。一方、この波長9.2μm以外においても放射率のピークが見られるものの、それらの値はいずれも波長9.2μmにおける(a)のピーク値よりも十分小さい。しかも、波長9.2μm以外のピークでは、(a)と(b)のピーク値にほとんど相違が見られない。このことは、図５の挿入図に示した(a)と(b)の差をとったグラフからも明らかである。これらの計算結果は、電圧のON/OFFにより、波長9.2μm付近の狭い波長帯域の赤外線のみが強度変調されることを意味する。従って、この熱輻射光源１０を用いたセンサにおいて、検出された光の信号のうち、電圧のON/OFFに対応した周波数で強度変調された信号に基づいて、波長9.2μm付近の赤外線による応答のみを得ることができる。
　次に、図６を用いて、熱輻射光源１０を加熱した状態で、電極間に印加する電圧のON/OFFの切り換えを行った場合に得られる輻射パワーの時間変化を計算した結果を説明する。ここで、ONの際の電圧は8Vとし、ON/OFFの周波数（変調周波数）は10kHzとした。加熱温度は200℃とした。ここで、一般的な赤外線検出器においては一定の波長帯内の赤外線が波長で区別されることなく検出されることから、輻射パワーは5～15μmの波長帯内で積算したものを求めた。また、比較例として、従来の熱輻射光源において、その温度を変化させるために光源に投入する入力パワーを周波数10kHzで切り換えた場合について、同様の計算を行った。これらの計算の結果、比較例（図６(b)）ではヒータのON時とOFF時の輻射パワーの差（この差を「変調パワー」と呼ぶ）がわずか0.066％であるのに対して、本実施例（図６(a)）では変調パワーが約67％となった。このように、本実施例によれば、従来よりも約1000倍の変調深さで、10kHzという高い変調周波数による光の強度変調を行うことができる。なお、図６(a)に示したデータは、上述のように5～15μmの波長帯内の輻射パワーを積算した値を示しているが、図５のスペクトルと合わせて考慮すると、強度変調に寄与しているのは波長9.2μm付近の赤外線であるといえる。
　次に、図７を用いて、変調周波数が異なる場合において、電圧OFF時と電圧ON時の変調パワーの相違を計算した結果を説明する。各変調周波数における変調パワーは、変調周波数が低周波（100Hz）であるときの変調パワーとの比をデシベルで示した。ここでは、板材１１に空孔１２１を配置する領域（配置領域）を、１辺の長さLが2mmである正方形の場合と、Lが0.5mmである正方形の場合の2種類の計算を行った。図７の縦軸の値が-3dB（変調周波数＝横軸が100Hzのときの変調パワーの1/2）になる変調周波数は、L=2mmの場合には約700kHz、L=0.5mmの場合には約10MHzであった。従って、これら本実施例の熱輻射光源では、変調周波数を従来の最大値である100Hzよりも高く設定しても、明確な変調動作が可能である。また、L=2mmの場合よりもL=0.5mmの場合の方、すなわち、配置領域が小さい方が、変調周波数を高くすることができる。
(3) 本実施例の熱輻射光源に対する実験の結果
　次に、実際に作製した熱輻射光源（以下、「熱輻射光源１０Ａ」と呼ぶ）に対する実験結果を示す。図８は、熱輻射光源１０Ａを、図３(a)の斜視図における上側から撮影した顕微鏡写真である。(a)では熱輻射光源１０Ａの上面全体を光学顕微鏡で撮影し、(b)では２次元フォトニック結晶１２の一部を電子顕微鏡により拡大して撮影した。
　得られた熱輻射光源１０Ａにつき、電流－電圧特性を測定した結果を図９に示す。ここでは、p型半導体、絶縁体、n型半導体の順で接合されたPINダイオードの測定において通常行われている通り、p型電極１３１側が正、n型電極１３２側が負である電圧を正の値で示した。室温から200℃の範囲内の温度で測定を行ったところ、得られた熱輻射光源１０Ａはいずれも、電圧が正の時には電流が流れ、電圧が負の時にはほどんど電流が流れない、というダイオードとしての特性を有している。熱輻射光源１０Ａは、PINダイオードにおける電圧0から負のバイアス電圧の範囲において、電流を流すことなく、電子を量子井戸とn型半導体の間で移動させることを利用しているといえる。
　図１０に、熱輻射光源１０Ａにおいて、p型電極１３１とn型電極１３２の間に印加する電圧が(a)0Vであるときと、(b)10V（図９では負で表した値）であるときにおける光の放射強度の波長スペクトルを測定した結果を、同温度・同面積の黒体輻射光源から得られた測定結果と合わせて示す。なお、光の放射強度は任意単位で示したが、(a), (b)及び黒体輻射光源の測定結果の間では比較を行うことができるように強度を揃えた。この実験結果は、図５に示した計算結果と同様に、波長9.2μmにおいて(b)の放射強度の値が(a)よりも大幅に小さくなっている一方、他の波長では、発光が無いか、(a)と(b)が互いに近い強度で発光しているかのいずれかであることを示している。
　次に、0～10Vの範囲内における複数の印加電圧について、波長9.2μm付近における波長スペクトルを測定した結果を図１１(a)に、この測定に対応した計算の結果を図１１(b)に、それぞれ示す。印加電圧がいずれの場合にも、測定結果と計算結果が良く一致している。
　次に、p型電極１３１－n型電極１３２間の印加電圧のON/OFFを10kHz以上の変調周波数で繰り返し切り換えながら、熱輻射光源１０Ａからの発光強度を測定した結果を示す。この測定は、図１２に示す実験装置２０を用いて行った。なお、この実験装置２０は、後述の熱輻射光源１０Ｂに対しても使用するため、図１２及び本段落の以下の記載では、熱輻射光源を示す符号は「１０」と表記する。実験装置２０は、熱輻射光源１０を載置すると共に加熱するヒータ２１と、p型電極１３１－n型電極１３２間に印加する、所定の変調周波数を有する方形波の高周波電圧を生成するパルス生成器２２と、熱輻射光源１０が発する光を検出する検出器２３と、この光を熱輻射光源１０から検出器２３に導く光学系２４と、検出器２３から出力される信号とパルス生成器２２の高周波電圧を同期させることによって出力信号を観測するデジタルオシロスコープ２５を有する。検出器２３には、HgCdTe（水銀・カドミウム・テルル）検出器を用いた。パルス生成器２２が出力するON時の高周波電圧の値は10Vとした。
　変調周波数が10kHzである場合の測定結果を図１３に示す。印加電圧の周波数に対応した方形波の出力信号が得られた。
　上記実験装置２０を用いて、変調周波数による変調パワーの変化を測定した結果を図１４に示す。周波数が約600kHz以下の範囲において、-3dB以上の変調強度を得ることができる。この測定結果は、図７に示した計算結果と良く一致している。
　次に、変調周波数をより高くするため、すなわち動作をより高速化するために、p層１１１及びn層１１２のキャリア密度や、空孔の配置領域の面積について検討した結果を説明する。
　まず、キャリア密度に関して、図１５を用いて説明する。図１５(a)は、p層１１１の正孔密度Np及びn層１１２の電子密度Neが上記実施例の値（いずれも1×1017cm-3）である場合における放射率（左図。図５の挿入図を除くグラフの再掲。）及び遅れ時間tr（右図）を示すグラフである。ここで遅れ時間trとは、電極間に電圧が印加されてから実際にフォトニック結晶中央部の量子井戸に加わるまでの時間をいう。ここでは、量子井戸構造層１１４に印加された電圧の値が、十分に時間が経過した後の値の(1-e-1)倍（eは自然対数の底、(1-e-1)≒0.63）になった時の時間を遅れ時間trとした。なお、p型電極１３１とn型電極１３２間の電圧は、左図では8V、右図では10Vとした。図１５(a)の計算では、電圧のOFF時とON時の間での放射率の変化は0.69、遅れ時間trは0.62μsであった。
　次に、p層１１１の正孔密度Np及びn層１１２の電子密度Neを共に1×1018cm-3に増加させたところ、図１５(b)に示すように、(a)と比較して遅れ時間trは0.061μsに短縮され、電圧OFF時とON時の放射率の変化は0.19に減少した。これは、遅れ時間trは改善されたものの、ON/OFF比が悪化したことを意味する。また、図１５(b)の左図より、目的波長（9.2μm）以外の波長における無駄な輻射が増加していることがわかる。
　そこで、n層１１２の電子密度Neは1×1017cm-3のままとし、p層１１１の正孔密度Npのみを1×1018cm-3に増加させた。これは、n層１１２の電子よりもキャリアの有効質量が大きいp層１１１の正孔の密度を高くしたことを意味する。その結果、図１５(c)に示すように、(a)と比較して遅れ時間trは0.091μsに短縮されると共に、電圧OFF時とON時の放射率の変化は0.56となり、放射率の低下を(b)の場合よりも抑えることができた。目的波長以外の波長における無駄な輻射も、(b)の場合よりも抑えられている。
　次に、空孔の配置領域を１辺0.5mmの正方形とした場合における、変調周波数による変調パワーの変化を計算で求めた結果を図１６に示す。この計算における条件は、図１４に示した実験における条件と比較して、p層１１１の正孔密度Npのみを1×1018cm-3に増加させた点（n層１１２の電子密度Neは1×1017cm-3のまま。すなわち、これらのキャリア密度は図１５(c)の場合と同じ。）、及び空孔の配置領域を小さくした点において相違する。この計算結果は、上限周波数を約70MHzにまで高めることができることを示している。
　次に、図１７を用いて、空孔１２１の半径を上記実施例の熱輻射光源１０Ａよりも小さくした熱輻射光源１０Ｂについて説明する。この例では、三角格子の周期長aは4.5μm、空孔１２１の半径rは0.63μm（0.14a）とし、その他の条件は熱輻射光源１０Ａと同じとした。得られた熱輻射光源１０Ｂの顕微鏡写真を図１７(a)及び(b)に、実験装置２０を用いて、該熱輻射光源において放出された赤外線の波長スペクトルを測定した結果をグラフで同図(c)に示す。赤外線の波長スペクトルは、輻射強度が最大となる印加電圧が2Vの場合、及び輻射強度が最小となる印加電圧が10Vの場合について示した。熱輻射光源１０Ｂでは、印加電圧が2Vの場合、赤外線の波長スペクトルの半値全幅は7.0cm-1であり、図１１(a)に示した熱輻射光源１０Ａにおける印加電圧が0Vの場合の半値全幅である12.5cm-1よりも狭くなった。これは、空孔の径を小さくすることによって、より狭帯域な放射スペクトルが得られたことを意味する。また、熱輻射光源１０Ｂへの印加電圧を2Vから10Vに変化させると光の強度が低下し、熱輻射光源１０Ａの場合と同様に電圧による強度変調ができることを確認した。
　本発明は上記実施例には限定されない。
　上記実施例ではp層１１１、n層１１２及びi層１１３にはGaAsを主な構成元素とする半導体を用いたが、他の半導体を用いてもよい。量子井戸構造層１１４にも、上記以外の材料から成るものを用いてもよい。さらに、量子井戸構造層１１４には、n型量子井戸を有するものに限らず、InPから成る層とp-InGaAsから成る層が交互に多数積層されたもの等、p型量子井戸を有するものを用いてもよい。また、量子井戸構造層１１４は、上記実施例における多重量子井戸構造を有するものには限らず、量子井戸が1つのみ形成される量子井戸構造を有するものを用いてもよい。p層１１１、n層１１２、i層１１３及び量子井戸構造層１１４の上記厚みの値は一例であり、それらの値には限定されない。上記のp層１１１の正孔密度及びn層１１２の電子密度（それらの層における不純物の密度）の値も一例であり、それらの値には限定されない。また、i層１１３を用いることなくp層１１１と量子井戸構造層１１４を直接接合してもよい。
　上記実施例では、異屈折率領域には空孔１２１を用いたが、板材１１とは屈折率が異なる部材を異屈折率領域として用いてもよい。また、異屈折率領域（空孔１２１）の形状や大きさは上記実施例のものには限定されず、形状に関しては三角柱状や四角柱状等のものを用いてもよい。異屈折率領域（空孔１２１）の周期長や格子の形状も上記実施例のものには限定されず、格子の形状に関しては正方格子その他の格子を用いてもよい。
　上記実施例では、空孔１２１が周期的に配置された配置領域を囲繞するようにp型電極１３１を設けたが、例えば図１８に示すように配置領域を挟むように２本で１対のp型電極１３１Ａを設けた場合にも、p型電極１３１Ａに遮られることなく該配置領域から光を取り出すことができる。なお、図１８ではp型電極１３１Ａと同様にn型電極１３２Ａも２本で１対のものを用いているが、このようにp型電極とn型電極の形状を合わせることは必須ではない。
　上記実施例では熱輻射光源の加熱に外部熱源からの熱伝導を用いたが、加熱方法はこれに限定されない。熱輻射光源自体に加熱のための電力を投入してもよいし、他の手段を用いてもよい。
１０、１０Ａ、１０Ｂ…熱輻射光源
１１…板材
１１１…p層
１１２…n層
１１３…i層
１１４…量子井戸構造層
１２…２次元フォトニック結晶
１２１…空孔
１３１、１３１Ａ…p型電極
１３２、１３２Ａ…n型電極
１４…脚
２０…実験装置
２１…ヒータ
２２…パルス生成器
２３…検出器
２４…光学系
２５…デジタルオシロスコープ

Claims (9)

  1. 　a) n型半導体から成るn層、量子井戸構造を有する量子井戸構造層、及びp型半導体から成るp層がこの順で厚み方向に積層された板材内に、該量子井戸構造層における量子井戸内のサブバンド間における遷移エネルギーに対応する特定波長の光に共振するように、前記n層、前記p層及び前記量子井戸構造層とは屈折率が異なる異屈折率領域が周期的に配置された２次元フォトニック結晶と、
    　b) 前記p層側が負、前記n層側が正である電圧を前記板材に印加するための電極と
    を備えることを特徴とする熱輻射光源。
  2. 　前記量子井戸構造層がn型量子井戸を有し、該量子井戸構造層と前記p層の間に絶縁体から成るi層を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輻射光源。
  3. 　前記量子井戸構造層がp型量子井戸を有し、該量子井戸構造層と前記n層の間に絶縁体から成るi層を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輻射光源。
  4. 　前記２次元フォトニック結晶が、(1/(2πRC))が目的とする周波数以上となる電気抵抗R及び電気容量Cを有することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の熱輻射光源。
  5. 　前記p層及び前記n層のうち、キャリアの有効質量が大きい方のキャリア密度が、有効質量が小さい方のキャリア密度よりも高いことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の熱輻射光源。
  6. 　前記電極が、前記p層に接し該p層を構成するp型半導体とオーミック接合となる金属製のp電極と、前記n層に接し該n層を構成するn型半導体とオーミック接合となる金属製のn電極であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の熱輻射光源。
  7. 　前記電極が、前記板材の表面のうちの少なくとも一方に、前記異屈折率領域が周期的に配置された配置領域を囲繞するように設けられていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の熱輻射光源。
  8. 　前記２次元フォトニック結晶を電力により加熱する加熱装置を備えることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の熱輻射光源。
  9. 　熱輻射光源に用いる２次元フォトニック結晶であって、
    　n型半導体から成るn層、量子井戸構造を有する量子井戸構造層、及びp型半導体から成るp層がこの順で厚み方向に積層された板材と、
    　前記量子井戸構造層における量子井戸内のサブバンド間における遷移エネルギーに対応する特定波長の光に共振するように、前記板材内に周期的に配置された、前記n層、前記p層及び前記量子井戸構造層とは屈折率が異なる異屈折率領域と
    を備えることを特徴とする２次元フォトニック結晶。
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