JP5352787B2 - 2次元フォトニック結晶熱輻射光源 - Google Patents
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Description
複数種の半導体を積層して成る量子井戸構造を有するスラブと、
前記スラブを加熱する熱源とを備え、
前記スラブ内に、
a) 前記量子井戸の複数のサブバンドの間の遷移エネルギーを含むような、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップが形成されるように周期的に多数配置された、前記複数種の半導体と異なる屈折率を有する異屈折率領域と、
b) 前記異屈折率領域の周期的配置の点状欠陥から成り前記遷移エネルギーに対応する波長の光が内部に存在可能な点状欠陥と
を備えることを特徴とする2次元フォトニック結晶熱輻射光源である。
また、本発明に係る熱輻射光源の他の態様のものは、
複数種の半導体を積層して成る量子井戸構造を有するスラブを備え、
前記スラブ内に、
a) 前記量子井戸の複数のサブバンドの間の遷移エネルギーを含むような、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップが形成されるように周期的に多数配置された、前記複数種の半導体と異なる屈折率を有する異屈折率領域と、
b) 前記異屈折率領域の周期的配置の点状欠陥から成り前記遷移エネルギーに対応する波長の光が内部に存在可能な点状欠陥と
を備え、
前記スラブが加熱されて前記遷移エネルギーに対応するエネルギーがスラブに供給されることにより、該遷移エネルギーに対応する波長の発光が生じることを特徴とする2次元フォトニック結晶熱輻射光源である。
(1) 量子井戸構造
上記量子井戸構造について、図1を用いて説明する。電子のエネルギーに関する第1バンドギャップ131を有する第1半導体121と、第1バンドギャップ131よりも幅が狭く第1バンドギャップ131の一部と重複する第2バンドギャップ132を有する第2半導体122を交互に積層したスラブ11を形成する。これにより、第2半導体122の第2バンドギャップ132よりも上側(高エネルギー側)にある伝導バンド15の下端付近であって第1バンドギャップ131に挟まれた領域14内では、第1バンドギャップ131の上端と第2バンドギャップ132の上端の差HA及び第2半導体122の厚さHBにより定まる離散的なエネルギー準位のみを取り得る。同様に、第2半導体122の第2バンドギャップ132よりも下側(低エネルギー側)にある価電子バンド16にも離散的なエネルギー準位が形成される。このようなエネルギー準位はサブバンドと呼ばれる。なお、ここでは2種類の半導体(第1半導体と第2半導体)を積層した場合を例に説明したが、量子井戸構造及びサブバンドは3種類以上の半導体を積層することにより形成することもできる。
スラブ11内に、そのスラブの材料である第1半導体及び第2半導体とは異なる屈折率を有する領域(異屈折率領域)を多数、周期的に配置する。これにより、光のエネルギーに関するバンド構造が形成され、スラブ内を光が伝播することが不可能となるエネルギー範囲(波長範囲、周波数範囲)が形成される。このようなエネルギー範囲はフォトニックバンドギャップ(Photonic Band Gap:PBG)と呼ばれる。このPBGは、結晶内に原子が周期的に配置されていることにより形成される電子のバンドギャップに対応するものであることから、上述のように異屈折率領域が周期的に配置されたものはフォトニック結晶と呼ばれ、特に、異屈折率領域がスラブ内に配置されたものは2次元フォトニック結晶と呼ばれる。
なお、異屈折率領域は、スラブとは屈折率が異なる何らかの部材を埋め込むことによって形成してもよいし、スラブに空孔を設けることにより形成してもよい。後者の方が作製が容易であり、スラブとの屈折率の差も十分に大きくすることができるため望ましい。
第1の役割は共振効果により共振波長(欠陥準位に対応する波長)の発光強度を増強することにある。一般に熱輻射においては、光が発光体から放出されるまでに通過する平均長さと吸収係数の積が大きくなるほど、発光強度は理論限界である黒体の発光強度に最も近づく。本発明の光源では、点状欠陥に共振している光は他の波長の光に比べて長い時間点状欠陥内にとどまるため、通過長さと吸収係数の積が大きくなる。
吸収係数は量子井戸構造の電子(正孔)密度により調整することができ、電子(正孔)密度を上げると吸収係数が大きくなる。上記の通り、電子(正孔)密度を上げてゆくと、共振波長の光は他の波長の光よりも低い電子(正孔)密度で発光強度が黒体輻射の強度に近づいて飽和するが、電子(正孔)密度を更に上げると、他の波長の光の強度も増加してしまう。そこで、量子井戸構造の電子(正孔)密度を、共振光の強度(これは、本輻射光源からの放射光の強度にほぼ等しい)が飽和する最小限の値とすることにより、共振波長の光を理論限界に近い発光強度とし、かつそれ以外の波長の光を十分に弱いままとすることができる。なお、電子(正孔)密度と共振波長の発光強度の関係は、実験又は理論計算により求めることができる。
なお、このような非対称性のない点状欠陥においてもスラブと外部(空気)の界面の影響によりスラブに平行な電界の成分がわずかに生成されるが、点状欠陥の形状を非対称にすることによりその成分を大きくすることができる。
次に、本発明の2次元フォトニック結晶熱輻射光源の好適な一構成について述べる。その2次元フォトニック結晶熱輻射光源は上述の構成において、
前記異屈折率領域が前記スラブの一方の表面である第1表面において三角格子状に、且つ各格子点に関して少なくとも3回回転対称性を持つように配置されており、
また、該異屈折率領域が前記スラブの他方の表面である第2表面において前記第1表面の三角格子に対して相補的な位置にある三角格子状に、且つ各格子点に関して少なくとも3回回転対称性を持つように配置されており、
前記第1表面の各格子点から該格子点に最隣接である前記第2表面の3個の格子点に向けてそれぞれ該異屈折率領域の柱が延びている、
ことを特徴とする。
本願では、このような形状に形成された異屈折率領域を「3方向傾斜異屈折率領域」と呼ぶ。なお、3方向傾斜異屈折率領域を有する2次元フォトニック結晶については、2006年春季第53回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第3分冊、講演番号22a-L-11(著者:北川均 他)に記載されている。
ここで、上述の量子井戸においては、電子はスラブに平行な方向には自由に運動することができるため、サブバンド間遷移による発光に加えて、自由電子により幅広い波長帯に亘って発光が生じる。点状欠陥23の共振周波数をサブバンド間遷移による発光の周波数に一致させておくことにより、サブバンド間遷移によって生じた光は、共振周波数以外の周波数の光と比較して長時間点状欠陥に留まるため、光と電子の相互作用が強まって発光が選択的に増強され、強度が黒体輻射のレベルに近づく。それに対して、点状欠陥23の共振周波数以外の周波数の光は薄いスラブを通り抜けるだけの時間しか電子と相互作用しないため、垂直な方向への発光は点状欠陥23の共振周波数の光と比較して弱いレベルにとどまる。
そして、選択された周波数の光は、点状欠陥23の非対称性により、TM偏光にはないスラブ21に平行な電界成分が生じるため、点状欠陥23からスラブ21に垂直な方向に放出される。また、点状欠陥23を多数配置したことにより、その点状欠陥23が配置された広い範囲内から発光が得られる。
121…第1半導体
122…第2半導体
131…第1バンドギャップ
132…第2バンドギャップ
14…サブバンドが形成される領域
15…伝導バンド
211…第1半導体層
212…第2半導体層
22…空孔
221…スラブの上面での空孔22の断面
222…スラブの下面での空孔22の断面
23…点状欠陥
241、242、243…格子点
Claims (6)
- 複数種の半導体を積層して成る量子井戸構造を有するスラブと、
前記スラブを加熱する熱源とを備え、
前記スラブ内に、
a) 前記量子井戸の複数のサブバンドの間の遷移エネルギーを含むような、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップが形成されるように周期的に多数配置された、前記複数種の半導体と異なる屈折率を有する異屈折率領域と、
b) 前記異屈折率領域の周期的配置の点状欠陥から成り前記遷移エネルギーに対応する波長の光が内部に存在可能な点状欠陥と
を備えることを特徴とする2次元フォトニック結晶熱輻射光源。 - 複数種の半導体を積層して成る量子井戸構造を有するスラブを備え、
前記スラブ内に、
a) 前記量子井戸の複数のサブバンドの間の遷移エネルギーを含むような、TM偏波に対するフォトニックバンドギャップが形成されるように周期的に多数配置された、前記複数種の半導体と異なる屈折率を有する異屈折率領域と、
b) 前記異屈折率領域の周期的配置の点状欠陥から成り前記遷移エネルギーに対応する波長の光が内部に存在可能な点状欠陥と
を備え、
前記スラブが加熱されて前記遷移エネルギーに対応するエネルギーがスラブに供給されることにより、該遷移エネルギーに対応する波長の発光が生じることを特徴とする2次元フォトニック結晶熱輻射光源。 - 前記点状欠陥がスラブに垂直な方向に関して非対称な形状を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の2次元フォトニック結晶熱輻射光源。
- 前記異屈折率領域が、前記遷移エネルギーを含むような完全フォトニックバンドギャップが形成されるように配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶熱輻射光源。
- 前記異屈折率領域が前記スラブの一方の表面である第1表面において三角格子状に、且つ各格子点に関して少なくとも3回回転対称性を持つように配置されており、
該異屈折率領域が前記スラブの他方の表面である第2表面において前記第1表面の三角格子に対して相補的な位置にある三角格子状に、且つ各格子点に関して少なくとも3回回転対称性を持つように配置されており、
前記第1表面の各格子点から該格子点に最隣接である前記第2表面の3個の格子点に向けてそれぞれ該異屈折率領域の柱が延びている、
ことを特徴とする請求項4に記載の2次元フォトニック結晶熱輻射光源。 - 前記量子井戸構造の電子又は正孔の密度を、本熱輻射光源からの放射光の強度が飽和する最小値とすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の2次元フォトニック結晶熱輻射光源。
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