JP2013127953A - Light emitting element using graphene, multilayer graphene or graphite, light source and photo coupler - Google Patents
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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。 The present invention relates to a light emitting element, a light source, and a photocoupler using graphite (graphite), in particular, graphene and multilayer graphene, and realizes ultra-high-speed communication of 500 Mbps or more, particularly suitable for use in the information communication electrical and electronic fields. The present invention relates to a light emitting element capable of realizing a continuous spectrum light source capable of high-speed modulation, a light source using the light emitting element, and a photocoupler.
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。 Conventionally, light emitting diodes (LEDs) and semiconductor laser diodes (LDs) are known as elements that emit light by current injection.
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。 An LED emits light by recombination of electrons and holes injected into a semiconductor, and the emission spectrum has a peak shape that emits light only at a specific wavelength due to the band gap, and uses a specific emission wavelength. Used in displays and lighting. However, the LED has a large carrier discharge time constant, has a limit of modulation of about several tens of MHz, and does not have high-speed modulation at the Gbps level. In addition, the production cost is high because it contains a rare metal such as indium (In) and there is a problem of resource depletion, and because it contains a harmful substance such as abrasive (As), detoxification is essential. Further, since an LED cannot be directly manufactured on an inexpensive silicon substrate, it is difficult to directly form the LED on an integrated circuit.
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。 The semiconductor LD has an extremely narrow emission peak wavelength and high-speed modulation, and is used for an optical communication light source or the like. However, since it is difficult to fabricate on a silicon substrate, it is an obstacle to the application to optical integrated circuits and optical circuit light sources that are currently being studied. In addition, the production cost is high because there is a problem of resource depletion because it contains a rare metal such as In, as in the case of LEDs, and because detoxication is essential because it contains a harmful substance such as As.
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。 On the other hand, in all substances, radiation of electromagnetic waves (black body radiation) due to heat is observed at temperatures exceeding absolute zero. In this black body radiation, the emission spectrum is described by Planck's law, and unlike LEDs and LDs, a continuous spectrum is obtained in a wide wavelength range, and the energy of thermal radiation is stefan proportional to the fourth power of temperature T. • Follow the Boltzmann law. This black body radiation is currently used, for example, as a tungsten filament of a light bulb, and is used for illumination or the like. However, conventional black body radiation using filaments and the like has an extremely slow response time of about several tens to several hundreds of ms, so that a continuous spectrum light source capable of high-speed modulation has not been put into practical use at present.
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。 In recent years, graphene from which only one layer of graphite is extracted has attracted attention. The electronic state of this graphene is a zero-gap semiconductor in which the conduction band and the valence band are in contact at the K point, and exhibits metallic electrical conduction characteristics. However, it is clear that the band gap of about 200 meV appears in the bilayer graphene. Graphene is a new substance discovered in 2004. It exhibits high electrical and thermal conductivity properties, as well as excellent mechanical properties and heat resistance. In 2010, the discoverer won the Nobel Prize. It is a novel nanomaterial that has attracted much attention in recent years.
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。 Regarding the light emission in this graphene, there are the following reports.
（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。
(I) Black body radiation emission by graphene paper in which many graphenes are laminated (Non-patent
Here, it has been clarified that black body radiation can be obtained by energizing a graphene dispersed in a solution on a substrate and making it into paper. However, the present result is not normal graphene of one to several layers, but graphene paper (thickness: about several tens of μm or less) in which a large amount of them is laminated, which is different from the present invention. There is no description of the present invention such as high-speed modulation. In addition, since graphene paper laminated in large quantities suppresses heat dissipation to the substrate as compared with single to several layers of graphene proposed in the present invention, high-speed modulation is difficult to obtain.
（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。
(Ii) Black body radiation emission by single-layer graphene (Non-Patent Documents 3 and 4)
Light emission by blackbody radiation is observed by forming an electrode on single-layer graphene and applying a voltage. Here, changes in the spectrum, light emission intensity, and light emission position depending on the bias voltage and gate voltage are observed, and the mechanism of blackbody radiation due to voltage application is discussed. However, no experiments relating to high-speed modulation such as those performed in the present invention have been performed, and no results relating to high-speed modulation are obtained, and no knowledge about them has been described. For this reason, the structure optimal for high-speed modulation is not shown at all.
（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。
(Iii) Graphene emission in the visible light region by phonon assist (Non-Patent Document 5)
It is shown that light emission in the visible light region can be obtained with carbon nanotubes and graphene by using phonon-assisted transition. Since the emission mechanism is different from the black body radiation of the present invention, the emission wavelength is different and the emission spectrum has a peak shape. There are no reports on high-speed modulation.
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。
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。 In a conventional LED or LD using a semiconductor, the emission spectrum has a peak shape that emits light only at a specific wavelength, and does not have a continuous spectrum. In addition, since the conventional semiconductor light emitting device uses a compound semiconductor, it is difficult to grow directly on a silicon wafer having abundant resources at low cost, large area, and safety. In addition, since compound semiconductors contain rare metals such as In, there is a problem of resource depletion, and because they contain harmful substances such as As, cost is high for detoxification and the like.
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。 On the other hand, as a continuous spectrum light source, a filament such as tungsten is generally used, but it has only a very slow modulation property of about several tens to several hundreds of ms, and high-speed modulation necessary for optical communication is impossible. Met.
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。
Furthermore, none of
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。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to realize a continuous spectrum light source that achieves high-speed modulation of 500 Mbps or more and enables ultrahigh-speed communication.
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。 The present invention pays attention to the high electric conduction characteristics and heat conduction characteristics of graphene and multilayer graphene, and particularly uses black body radiation accompanying temperature rise due to energization of graphene and multilayer graphene as high-speed modulated light emission. Thus, a light emitting element having a broad emission spectrum due to black body radiation and capable of high-speed modulation is realized.
即ち、本発明は、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、発光波長域が広くかつ高速での変調が可能な発光素子として、前記課題を解決したものである。 That is, the present invention comprises a black body comprising a plurality of electrodes and a light emitting portion made of graphite having a predetermined number of layers or less disposed between the electrodes, wherein the light emitting portion generates heat by energizing the electrodes. As a light-emitting element having a wide emission wavelength range and capable of high-speed modulation by radiation, the above-mentioned problems are solved.
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。 Here, the graphite can be graphene having 1 layer or multilayer graphene having 100 or less layers.
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。 Further, the number of graphite layers can be 5000 or less.
又、前記発光で得られる光を、可視光から１０μｍよりも短い波長の赤外線までの連続した波長域とすることができる。 Moreover, the light obtained by the light emission can be in a continuous wavelength range from visible light to infrared rays having a wavelength shorter than 10 μm.
又、前記変調速度を５００Ｍｂｐｓ以上とすることができる。 Further, the modulation speed can be set to 500 Mbps or more.
又、前記電極間の距離を、前記発光の立ち上がり時間に応じて決めることができる。 The distance between the electrodes can be determined according to the rise time of the light emission.
又、前記グラファイト及び電極を基板上に配設することができる。 The graphite and the electrode can be disposed on the substrate.
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。 Further, at least the surface of the graphite can be covered with an insulator.
又、前記グラファイトを真空中に配置することができる。 The graphite can be placed in a vacuum.
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。 The present invention also provides a light source comprising a light emitting element using the graphite.
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。 Here, the graphite can be disposed so as to be orthogonal to an optical fiber for propagating the emitted light.
又、グラファイト及び電極を基板上に配設し、該基板の表面と垂直な方向に発光するようにできる。 Further, graphite and an electrode can be disposed on the substrate so that light is emitted in a direction perpendicular to the surface of the substrate.
本発明は、又、前記発光素子と、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。 The present invention also provides a photocoupler comprising the light emitting element and a light receiving element.
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。 According to the present invention, a light emitting device capable of high-speed modulation can be obtained simply by forming an electrode on graphite. When this light-emitting element is applied to optical communication, it is expected to enable ultra-high-speed communication of at least 500 Mbps, and further high-speed modulation is expected by optimizing the device. In addition, it can be easily integrated on various substrates such as a silicon substrate. In addition, a high-speed modulation light-emitting element having various emission wavelengths of about 800 nm to 10 μm can be realized. Therefore, various applications that require high-speed modulation are possible, such as optical communication using optical fibers, optical integrated circuits on silicon substrates, short-distance information transmission between chips and boards, and photocouplers.
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。 In addition, according to the present invention, a white light source having a continuous spectrum can be obtained in a wide wavelength range, which is impossible with conventional light emitting diodes and laser diodes. Conventional black body radiation using a filament or the like cannot perform high-speed modulation, so there is no white light source capable of high-speed modulation at present, but a white light source capable of high-speed modulation is realized by the present invention.
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。 If the modulation rate is not so high, graphite can be used.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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。
The light emitting device according to the first embodiment of the present invention has a device structure in which a
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。
As the
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。
The shape of the
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。
As shown in FIG. 1, the
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。 FIG. 2 shows the experimental results and simulation results for examining the relationship between the number of graphite layers and the rise time of light emission when heat dissipation to the electrodes is not taken into consideration.
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。
The solid line A in FIG. 2 is a fitting when the number of graphite layers is small, and the relationship between the number of layers (N) and the rise time (t rise ) is almost
t rise ∝ N 1.55 (number of layers 1.55)
(This is referred to as a graphene region), which is almost the same as the experimental result (elliptical region) of multilayer graphene.
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。
On the other hand, a broken line B in FIG. 2 is a fitting in a region where the number of graphite layers is large (a state where this is a graphite region and thermal conductivity of thickness is dominant), and the number of layers (N) and rise time ( t rise )
t rise ∝ N 2.00 (square of the number of layers)
Therefore, it is almost the same as the experimental result of graphite (cross section).
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。 Judging from the simulation, the number of layers where the characteristics of the graphene region and the graphite region cross each other is about 50 layers. For example, in order to obtain a rising speed of about 1 ns, it may be about 15-20 layers or less.
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。 FIG. 3 shows the light emission intensity with respect to the number of layers of multilayer graphene when the light emission intensity of single-layer graphene is 1. From this figure, the light emission intensity tends to saturate when it is about 100 layers or more, and becomes almost constant when it becomes 200 layers. This is because light emission from the lower graphene is absorbed by the upper graphene on the way and does not come out from the surface.
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。 Here, considering the dependency on the number of layers in terms of rise time and emission intensity, when the number of layers is small, (a) the rise time is accelerated, but (b) the emission intensity is weak. Therefore, if the rise time is important, the number of layers may be reduced.
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。 On the other hand, as the number of layers increases, (a) the rise time is delayed, but (b) the emission intensity is high. Therefore, if the emission intensity is to be emphasized, the thickness should be increased.
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。
here,
(1) As shown in FIG. 3, the light emission intensity hardly increases even when the thickness is increased to about 100 layers or more.
(2) As shown in FIG. 2, the rise time increases rapidly as the thickness increases, and it can be seen that in multi-layer graphene of about 100 layers or more, the light emission intensity does not change, but the speed becomes slower. .
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。 Therefore, multi-layer graphene having 100 layers or more is not very meaningful from the viewpoint of a high-speed modulation light-emitting element, and 100 layers or less are appropriate as a high-speed modulation element.
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。 Note that even if there are more than 100 layers, it does not function as a light-emitting element. When there are 100 layers, the response speed is about 20 ns (50 MHz) from FIG. However, as described later, in consideration of the escape of heat to the electrodes, a response of about 1 ns (1 GHz) is possible even when there are 100 layers by shortening the electrode interval.
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。
In graphene, multilayer graphene, or graphite used in the light-emitting element of the present invention, even if the graphene, the multilayer graphene, or the graphite that is lying on the substrate and in contact with only the both ends are supported by the substrate, the continuous black body radiation A spectrum is observed. However, when high-speed modulation which is important in the present invention is obtained, the higher the heat dissipation to the substrate, the higher the modulation, and therefore graphene, multilayer graphene or graphite in contact with the substrate is preferable. Furthermore, although graphene, multilayer graphene, or graphite may be exposed to the atmosphere, as shown in FIG. 1, oxide insulators such as SiO 2, SiN, SiC, A1 2 O 3 , MgO, PMMA, etc. Graphene, multilayer graphene, or graphite covered with an insulator material (
(1) Since heat is dissipated through an insulator sandwiched between the top and bottom, high-speed modulation is possible compared to a light-emitting element that is not covered, and
(2) Since graphene, multilayer graphene or graphite reacts with oxygen in the atmosphere and is damaged, covering with an insulator material can prevent damage to graphene, multilayer graphene or graphite due to reaction with oxygen. This is because a larger voltage / current can be applied as compared with a non-covered one, and thus a larger emission intensity can be obtained.
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。 However, even if it is not covered with an insulator material, the same effect can be obtained by avoiding contact with oxygen, such as holding graphene, multilayer graphene, or graphite in a vacuum.
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。 Examples of emission spectra when a voltage of 0 to 8 V is applied to a light-emitting element using five layers of graphene lying on and in contact with the substrate are shown in FIGS. (Wavelength side) The light emission whose intensity gradually increases on the long wavelength side is light emission by black body radiation due to heat generation of the multilayer graphene by energization. FIG. 5B shows an observation result of time-resolved measurement of light emission when a pulse voltage of 10 ns width (50 Mbps) as shown in FIG. A light emission pulse synchronized with the applied pulse voltage is observed. The rise time and fall time were about 1 ns and 0.7 ns, respectively. This result shows that light emission can also be modulated at high speed with the application of high-speed modulated voltage, and that high-speed optical communication of at least about 500 Mbps is possible from the rise and fall times. Show. Moreover, the result of the time-resolved measurement of light emission when a pulse voltage (4-6V modulation) having a pulse width of 1 ns is applied is illustrated in FIG. This time-resolved measurement indicates that the light-emitting element can be used for high-speed optical communication using an optical fiber because light emission from the multilayer graphene is performed through the optical fiber. Similar high-speed modulation can be observed in graphene and multilayer graphene.
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。
This high-speed modulation of light emission by blackbody radiation is
(1) Since graphene is a very thin material on the order of one atomic layer, its heat capacity is very small, and heat dissipation to the substrate is large.
(2) The thermal conductivity of graphene is very high,
Due to
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。 Because of these, graphene and multilayer graphene realize rapid temperature rise and fall, and thus high-speed modulation is realized despite blackbody radiation. Such high-speed modulation of light emission by black body radiation can be obtained in both single-layer graphene light-emitting elements and multilayer graphene light-emitting elements. In this high-speed modulation based on the principle of black body radiation, high-speed modulation can be obtained by rapidly changing the temperature of graphene and multilayer graphene with a small amount of thermal energy. Response time is improved when graphene is brought into contact with or covered with graphene or multilayer graphene with a material having high heat dissipation.
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。 Furthermore, when heat dissipation to the electrodes is taken into consideration, the rise time can be controlled by changing the interelectrode distance using heat conduction in the electrode direction. FIG. 7 shows the rise time depending on the interelectrode distance when only the heat conduction in the electrode direction is considered. In the case where only the heat dissipation to the electrodes is considered, the rise time becomes faster as the distance between the electrodes is shortened. For example, when the distance between electrodes is 4.5 μm, the rise is about 10 ns, when 3 μm, the rise is about 5 ns, and when 1 μm, the rise is about 0.5 ns.
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。 FIG. 8 shows the layer number dependence of the rise time when both heat dissipation to the substrate and heat dissipation to the electrode are taken into account. In regions where the number of layers is thin, heat dissipation to the substrate is dominant, and as the number of layers increases, the rise time is delayed, but for a certain number of layers or more, the heat dissipation to the electrode becomes more dominant, The rise time is constant regardless of the number of layers. For this reason, if heat dissipation to the electrode is utilized, a high-speed response can be maintained even if the number of layers is increased. The constant rise time can be controlled by the electrode interval. The narrower the electrode interval, the faster the saturation rise time can be achieved, and a response speed of 1 ns or less can be realized. is there.
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。 Further, as described above, the emission intensity can be increased by increasing the number of layers up to about 100 layers. Here, if there is no heat dissipation to the electrode, if 100 layers of graphene are used to increase the emission intensity, the rise of 20 ns in the 100 layers results in a decrease in response speed. However, when heat dissipation to the electrodes is used, if the electrode spacing is narrowed, high response speed can be maintained even when graphene is thickened up to 100 layers. For example, when the electrode spacing is 1 μm. Considering that, even when graphene is thickened up to 100 layers, the rise time is maintained at 1 ns, and the emission intensity can be increased while maintaining a high response speed.
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。 Next, a second embodiment of the present invention suitable for a narrow line width light emitting element using a vertical light emitting element or a resonator will be described.
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。
Although blackbody radiation can provide a continuous spectrum, it is useful to narrow the spectrum width when aiming at high-speed optical communication using a quartz optical fiber or the like. Therefore, by developing a resonator structure in which a light-emitting part made of graphene or multilayer graphene is sandwiched between mirrors, a light-emitting element with a narrow spectral width is developed, and a vertical light-emitting element that emits light in a direction perpendicular to the substrate has been developed. Is possible. In the second embodiment, as shown in FIG. 9, a waveguide structure is formed by fine processing of a dielectric thin film 30 such as SiO 2 to take out light emission in the vertical direction with respect to the
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。 Next, a third embodiment of the present invention suitable for coupling with an optical fiber will be described.
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。 In the present embodiment, as shown in FIG. 10, the core 42 of the optical fiber 40 is pressed against a light emitting element similar to that of the first embodiment and bonded by an adhesive such as PMMA or epoxy. . Thereby, light can be efficiently incident on the core 42 of the optical fiber 40.
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。 Next, a fourth embodiment of the present invention applied to a photocoupler will be described.
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。
The present invention is expected to be applied to a photocoupler because a high-speed modulated light source can be obtained at low cost. As illustrated in FIG. 11, the photocoupler is an element that converts an electrical signal into light and transmits the light by using the
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。 In a photocoupler, an input and an output are electrically isolated, and are used in various devices for the purpose of transmitting information and removing noise between circuits having different reference voltages. Currently used photocouplers use light-emitting diodes, and even so-called ultra-high speeds are about 10 Mbps. However, by using the present invention, the speed can be significantly increased. In addition, since it can be manufactured at low cost and its structure is simple, it is considered that it can be put into practical use relatively early.
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。 Next, a fifth embodiment of the present invention applied to an ultrafast white light source for microanalysis will be described.
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。 According to the present invention, a white light source that is minute and capable of high-speed modulation can be obtained. Therefore, as shown in FIG. 12, it is possible to directly irradiate white light to the measurement object 60 such as a minute nanomaterial or molecule. By measuring the spectrum of transmitted light and luminescence accompanying this light irradiation, it is possible to construct an ultra-small analyzer. In addition, since the light-emitting element can perform high-speed modulation and can perform time-resolved measurement of transmission spectrum and luminescence, it can also measure relaxation time of light emission and absorption. Moreover, since this light emitting element is very small, it can be easily introduced into an analyzer using a micro flow path, for example. Therefore, it can be used as a light source for an analysis chip that is expected to be applied in chemical analysis and bioanalysis.
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。 In addition, when high-speed modulation is not required, graphite can be used instead of graphene or multilayer graphene.
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。 Utilizing the features of the present invention, which are high-speed modulation capable, a micro light source, and integration on a silicon substrate, optical fiber communication, optical integrated circuit (PIC), optical device, optical / electronic integrated circuit It is expected to be used as a light source for intra-chip optical wiring / optical circuit in (OEIC), a light source for inter-chip / inter-board optical wiring, a light source for analytical instruments using an ultrafast modulation white light source, and the like.
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
10: Light emitting part (graphene, multilayer graphene or graphite)
DESCRIPTION OF
Claims (13)
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、発光波長域が広くかつ高速変調可能な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。 A plurality of electrodes;
A light emitting portion made of graphite having a predetermined number of layers or less disposed between the electrodes,
A light-emitting element using graphite, which emits light having a wide emission wavelength range and capable of high-speed modulation by black body radiation in which the light-emitting portion generates heat and emits light when energized to the electrode.
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