(57)【要約】【課題】磁性半導体膜における現象を究明し、またその現象を有効に利用できるルミネッセンス型光磁気センサを提供する。【解決手段】光源と、フォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜を形成した光磁気素子１と、この光磁気素子１のフォトルミネッセンス効果によって増幅された光源からの光の強度を測定する受光器とを備えたルミネッセンス型光磁気センサ。また、光源と光磁気素子１との間に偏光子２を配置し、光磁気素子１と受光器の間に検光子３を、その光軸の向きが偏光子２の光軸の向きとおよそ９０度異なるように配置した光磁気センサ。このようにファラデー効果よりもフォトルミネッセンス効果を現出する磁性半導体膜を利用することにより、高周波磁界測定のできるＳ／Ｎ（信号雑音比）に優れた光磁気センサが構成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、フォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜を形成した光磁気素子と、この光磁気素子のフォトルミネッセンス効果によって増幅された前記光源からの光の強度を測定する受光器とを備えたルミネッセンス型光磁気センサ。
【請求項２】
前記光源と前記光磁気素子との間に偏光子を配置し、前記光磁気素子と前記受光器の間に検光子を、その光軸の向きが前記偏光子の光軸の向きとおよそ９０度異なるように配置したことを特徴とする請求項１記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【請求項３】
前記フォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜は、四元系磁性半導体である請求項１または２に記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【請求項４】
前記四元系磁性半導体はＡII1-x-yＭｎxＣｏyＢVIである請求項３記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【請求項５】
ＡIIはＺｎ，Ｃｄ，Ｈｇの群の中から選ばれた１つである請求項４記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【請求項６】
ＢVIはＳ，Ｓｅ，Ｔｅの群の中から選ばれた１つである請求項４記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【請求項７】
前記四元系磁性半導体はＣｄ1-x-yＭｎxＣｏyＴｅ（0.2＜ｘ＜0.45、0.02＜ｙ＜0.06）である請求項４記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトルミネッセンス効果を用いた光磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁界や電流の大きさを測定する光磁気センサとして、本発明者は先に、ファラデー効果に基づく磁気光学特性の優れた希薄磁性半導体（ＤＭＳ：Diluted Magnetic Semiconductor）膜とその製造方法について提案した（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、三元系希薄磁性半導体ＣｄＭｎＴｅ薄膜に第４の元素としてＣｏを加え、ＣｄＭｎＣｏＴｅ薄膜とすることにより、母材ＣｄＭｎＴｅ中でのバンド電子を媒介とした磁性イオンＭｎ++間の超交換磁気相互作用によるファラデー回転発生機構に加えて、Ｍｎ++Ｃｏ++間のいわゆる局在スピン間磁気相互作用の発生によるファラデー回転特性の大幅な強化を行うことを特徴とする希薄磁性半導体薄膜及びその製造法である。
【０００４】
現在までに研究され、公表されたＡII1-xＭｎxＢVIＤＭＳ膜の例を表１に示す（非特許文献１，２参照）。
【０００５】
【表１】
2011058977.tif 000003
【０００６】
また、これまでに本願発明者らが作成したＣｄＭｎＣｏＴｅ膜の格子定数（Lattice constant）、禁制帯幅Ｅｇ（Band-gap energy）、磁化率Ｋχ（Magnetic susceptibility）を表２に示す。
【０００７】
【表２】
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【０００８】
ＡII1-xＭｎxＢVIＤＭＳ膜の特徴は次の通りである。
（１）この三元化物は元素成分比率を変えることで、格子定数とバンドギャップ幅を変化できる。
（２）Ｍｎ原子による置換により、Ｍｎ++によるｓｐバンド電子とｄ電子の間で交換作用が発生し、それが電子準位の大きなゼーマン（Zeeman）効果を生む。
（３）選択的なスピン依存の増幅特性は大きなファラデー効果（光磁気効果）を発生させると考えられている。
【０００９】
ファラデー効果を用いた光磁気センサの構成を図３に示す。
この構成において、ファラデー回転角θFは次式で表される。
【００１０】
【数１】
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ここで、χは磁化率、Ｈは印加磁界、Ｅgはエネルギーバンドギャップ、ωは角周波数、ｌは膜厚、
2011058977.tif 000006
（ｈはプランク定数）である。
また、Ｋは次式で表される。
【００１１】
【数２】
2011058977.tif 000007
ここで、
2011058977.tif 000008
は振動子強度が関係する定数、（β−α）はｓｐ−ｄ交換定数、ｃは光の速度、ｇはｇ因子のｇ値、μBはボーア磁子である。
磁場中の直接遷移型化合物における価電子帯（Valence band：Ｖ．Ｂ．Γ8）の上部と伝導帯（Conduction band：Ｃ．Ｂ．Γ6）の底部の関係及びゼーマン分裂と光学遷移の関係を図１に示す。
【００１２】
図２は、Ｃｄ0.60Ｍｎ0.40ＴｅとＣｄ0.60Ｍｎ0.37Ｃｏ0.03Ｔｅの磁界の強さ（ＫＯｅ、但し、１［Ｏｅ］≒７９．５７７［Ａ／ｍ］）とファラデー回転（ｄｅｇ／μｍ）の関係を示すグラフである。この図２に示されるように、Ｃｄ0.60Ｍｎ0.40ＴｅとＣｄ0.60Ｍｎ0.37Ｃｏ0.03Ｔｅの二つの膜はほぼ同様のＭｎ含有率（すなわち、エネルギーバンドギャップＥｇ）であり、磁気測定では磁化率χにほとんど差が見られなかった。そこで、ファラデー回転θFの両膜での違いは震動子強度Ｋの差によると当初は考えた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−３２４７１１号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】大塚信雄「希薄磁性半導体超格子」応用物理、社団法人応用物理学会、１９８７年、第５６巻、第９号、p.1148-1154
【非特許文献２】岡泰夫「希薄磁性半導体における磁気光物性」応用物理、社団法人応用物理学会、１９８８年、第５７巻、第６号、p.894-899
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したように、従来の光磁気センサの原理はファラデー回転であり、磁界依存性はゼーマン効果によるものと考えられてきた。
そして、ファラデー回転の大きな代表的センサ素材は磁性ガーネット（フェリ磁性）であり、偏光子と検光子が必要で、互いに光軸を４５度回転させた配置であった。その構成を図３に示す。
ファラデー回転の場合は、θFは次式により評価できる。
【００１６】
【数３】
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【００１７】
【数４】
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【００１８】
ここで、Ｉ1は磁界がない場合の受光器による受光量、Ｉ2は磁界が印加された場合の受光量で、ΔＩはＩ2とＩ1の差である。Ｉ2とＩ1はコサイン関数であるから、θA＝４５度でΔＩは最も大きくなり、図３に示すように、ファラデー回転測定は通常この検光子角度θA〜４５度周りで測定する。
【００１９】
大きなファラデー回転を示す「磁性ガーネット膜」では、ファラデー効果の測定は４５°周りで行ってきた。この膜については何の問題もなく、測定に関する疑問は起きなかった。
【００２０】
一方、本発明者らが研究してきた「磁性半導体膜」では、１５度を超えて４５度の方向に回転した場合、効果の測定が出来なかった。むしろ、偏光子と検光子の角度９０度あたりでデータを得ることが出来たが、これはファラデー効果とは説明がつかず、一つの課題となっていた。また、研究してきた「磁性半導体膜は、磁性ガーネット膜のようには、検光子角におけるプラスとマイナスの明確さに欠けていて、これが二つ目の課題となっていた。
【００２１】
そこで本発明は、研究してきた磁性半導体膜における現象を究明し、またその現象を有効に利用できるルミネッセンス型光磁気センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、下記の発明が上記目的に合致することを見出し、本発明に至った。
【００２３】
すなわち、本発明は、以下の発明に係るものである。
＜１＞光源と、フォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜を形成した光磁気素子と、この光磁気素子のフォトルミネッセンス効果によって増幅された前記光源からの光の強度を測定する受光器とを備えたルミネッセンス型光磁気センサ。
＜２＞前記光源と前記光磁気素子との間に偏光子を配置し、前記光磁気素子と前記受光器の間に検光子を、その光軸の向きが前記偏光子の光軸の向きとおよそ９０度異なるように配置したことを特徴とする＜１＞記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
＜３＞前記フォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜は、四元系磁性半導体である＜１＞または＜２＞に記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
＜４＞前記四元系磁性半導体はＡII1-x-yＭｎxＣｏyＢVIである＜３＞記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
＜５＞ＡIIはＺｎ，Ｃｄ，Ｈｇの群の中から選ばれた１つである＜４＞記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
＜６＞ＢVIはＳ，Ｓｅ，Ｔｅの群の中から選ばれた１つである＜４＞記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
＜７＞前記四元系磁性半導体はＣｄ1-x-yＭｎxＣｏyＴｅ（0.2＜ｘ＜0.45、0.02＜ｙ＜0.06）である＜４＞記載のルミネッセンス型光磁気センサ。
【００２４】
研究の結果、本願発明に係る光磁気素子の増幅作用を生じさせる原理としては、フォトルミネッセンス効果であることが判明した。
ここでフォトルミネッセンス効果とは、物質に光を照射した際に、その物質から光（ルミネッセンス）が放出される現象をいう。
【００２５】
ゼーマン分裂と光学遷移の関係を示した図１のゼーマン効果における磁界Ｈ依存性は、次の式ΔＥ（Ｈ）により与えられる。また、励起子準位の有効ｇeff値は、磁性イオン濃度ＮS、磁場方向（z方向）の磁性イオンの平均スピン成分<ＳZ>、電子と正孔それぞれの交換相互作用定数αとβを用いて与えられる。
【００２６】
【数５】
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ここで、ｇ*は伝導帯、価電子帯から決まる励起子のｇ値、μBはボーア磁子、Ｈは外部磁場である。
【００２７】
本発明の光磁気センサのセンサ素材は常温で常磁性を示すＩＩ−ＶＩ磁性半導体とし、相反・非相反性は相反（光アイソレータは構成できない）とする。偏光子と検光子は原理的には不要であるが、ルミネッセンス効果が小さい場合でフィルタ（検光子）を使う場合は９０度配置とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、次の効果を奏する。
（１）フォトルミネッセンス効果を用いる光磁気磁界センサの提案は、これまでになされていない。特に本発明では、対象とする磁性半導体膜で、センサ利用磁界（数百から数キロＯｅ）で磁界依存性が明確に出ることが判明した。
（２）ＡII1-xＭｎxＢVIの光磁気効果はファラデー効果であるとの前提で扱われてきたが、実はＭｎイオンのフォトルミネッセンス効果が重畳しており、しかも測定法の検討と測定結果から、フォトルミネッセンス効果が優勢であると判断できる。
（３）四元系磁性半導体「ＡII1-x-yＭｎxＣｏyＢVI膜」の光磁気効果はこれまで手掛けられておらず、しかもこの膜の光磁気効果が非常に大きく、さらにその効果がＣｏイオンのルミネッセンスであるとしたものは、これまでには無い。
（４）四元系磁性半導体ＡII1-x-yＭｎxＣｏyＢVI膜による、フォトルミネッセンス型光磁気磁界センサにより、新しい光ＣＴと回転機制御用磁界センサの提案が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】磁場中の直接遷移型化合物における価電子帯の上部と伝導帯の底部の関係及びゼーマン分裂と光学遷移の関係を示す説明図である。
【図２】Ｃｄ0.60Ｍｎ0.40ＴｅとＣｄ0.60Ｍｎ0.37Ｃｏ0.03Ｔｅの磁界の強さとファラデー回転の関係を示すグラフである。
【図３】ファラデー回転角の測定原理図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光磁気センサの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る光磁気センサの原理を説明するためのベクトル図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る光磁気センサの構成を示す図である。
【図７】ＣｄＭｎＣｏＴｅの透過率を示すグラフである。
【図８】光磁気効果の検光子角度依存性を示すグラフである。
【図９】ファラデー回転角として表示した測定値を示すグラフである。
【図１０】ルミネッセンス・スペクトルを示すグラフである。
【図１１】本発明の実施例１を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施例２を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施例３を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の実施の形態１は、光源と、フォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜を形成した光磁気素子と、この光磁気素子のフォトルミネッセンス効果によって増幅された前記光源からの光の強度を測定する受光器とを備えたルミネッセンス型光磁気センサである。
【００３１】
この構成を図４に示す。図４に示すように、本発明の光磁気素子１はフォトルミネッセンス効果を有する磁性半導体膜からなっており、外部磁界Ｈの大きさにより、その大きさに応じた強さで発光する。そうすると、入射光が増幅された状態となる。
【００３２】
本発明の実施の形態２の構成を図６に示す。この実施の形態２は、実施の形態１において、光源と光磁気素子１との間に偏光子２を配置し、光磁気素子１と受光器の間に検光子３を、その光軸の向きが偏光子２の光軸の向きとおよそ９０度異なるように配置したことを特徴とする。
【００３３】
この実施の形態２の構成におけるフォトルミネッセンス効果を、図５に示すベクトル図を参照して説明する。
【００３４】
検光子光軸成分ＥP2ｃｏｓ2（９０度−θA）はＨ＝０とＨ≠０で共通に含まれΔＩでは除去される。したがって、ΔＩは（ＥH2−Ｅ02）ｃｏｓ2（θA）と表わされる。ΔＩはｃｏｓ2（θA）の関数であり、θA＝４５度ではなくθA＝０度で最大となり、この角度が、測定が最も容易であることが分かる。
【００３５】
半導体のバンドギャップに相当する光用半導体のそれは光吸収端と呼ばれる。図７に示すように、試料として用いたＣｄＭｎＣｏＴｅの光吸収端は５７５ｎｍから６２５ｎｍ辺りにある。通常、ファラデー回転（光磁気特性）はその吸収端近傍で最大値を示す。しかし、本発明の実施の形態の磁性半導体膜であるコバルトを入れたものは、図９に示すようにもう少し波長の長い領域でピーク値を示している。これは、光磁気現象にルミネッセンス効果が入ってきていると考えて差し支えないと思われる。図９のデータを対数処理してルミネッセンス強度として見立てた図１０では、Ｃｄ0.57Ｍｎ0.4０Ｃｏ0.03Ｔｅ、Ｃｄ0.60Ｍｎ0.37Ｃｏ0.03Ｔｅ、Ｃｄ0.70Ｍｎ0.23Ｃｏ0.05Ｔｅがそれぞれ６４０ｎｍ、６５５ｎｍ、６８０ｎｍでスペクトルのピークを持つと解釈できるデータ整理ができた。このスペクトルの波長依存性はほとんどがＣｏイオンによるもので、一部Ｍｎイオンの寄与があると考えられる。
【００３６】
さらに、図８に示したように光磁気測定の信号はＣｄ0.60Ｍｎ0.37Ｃｏ0.03Ｔｅでは偏光子と検光子の直交配置（水平軸から計って０度）のときが一番大きく、直交配置からずれて行くとだんだん小さくなる。直交配置から１５度以上では信号がかなり小さくなり、この特徴は磁性ガーネット（フェリ磁性体）など従来の光磁気用薄膜と大きく違っている（４５度周辺が信号最大）。このことも現象がファラデー効果で起こるのではなく、主にルミネッセンス効果で起きていると考える根拠になると思われる。
【００３７】
以上が、本発明による「ルミネッセンス型光磁気磁界センサ」を可能にするＣｄＭｎＣｏＴｅ磁性半導体膜についての基礎データである。
【００３８】
さらに、上記と同じ試料Ｃｄ0.57Ｍｎ0.4０Ｃｏ0.03Ｔｅ、Ｃｄ0.60Ｍｎ0.37Ｃｏ0.03Ｔｅ、Ｃｄ0.70Ｍｎ0.23Ｃｏ0.05Ｔｅについて、フィルタ（偏光子および検光子）のない場合で、磁界を印加しない時の受光パワーと印加したときの受光パワーの差ΔＩ％（フィルタなし）と、フィルタを入れた場合のΔＩ％について比較を行ったのが次の表３である。
【００３９】
【表３】
2011058977.tif 000012
【００４０】
フィルタのない場合に一応ΔＩ％の有意な値が検出されたが、それはフィルタありの場合のΔＩ％の十分の一程度であり、現状ではフィルタを用いる必要がありそうである。
【００４１】
ΔＩは、（ＥH2−Ｅ02）ｃｏｓ2（θA）のように表現されることでｃｏｓ2（θA）の関数となるので、フィルタを用いた場合、偏光子と検光子が直交する辺りでその値が最も大きく測定される。やはりこのことが関係しているため、フィルタを外した場合は、背景光が大きくなることでΔＩ測定に不利になると考えられる。つまり、現状では磁界印加時の発光量を支配するゼーマン効果が、フィルタを外せるほどには大きくないと言える。なお、量子効果の利用できる超格子膜（人工格子多層膜）等により、さらにルミネッセンス効果を高めることが出来るようであればフィルタを外せる可能性が出てくる。
【実施例】
【００４２】
本発明の実施例を説明する。
図１１は本発明の実施例１に係る磁気光センサを示すものであり、光磁気素子１１と、偏光子１２と、検光子１３と、光ファイバ１４，１７と、ボールレンズ１５，１６とから構成されている。光ファイバ１４によって伝送されてきた入射光はボールレンズ１５によって偏光子１２に出射され、光磁気素子１１および検光子１３を通ってボールレンズ１６により集められ、再び光ファイバ１７を通って受光器（図示せず）に出射される。光磁気素子１１には外部磁界が印加されるので、その印加された外部磁界の強さに応じて入射光は増幅され、出射される。したがって、入射光の強さと出射光の強さを測定すれば、光磁気素子１１に印加された外部磁界の大きさを測定することができる。
【００４３】
図１２は本発明の実施例２を示すものであり、これは、図１１に示した実施例１において、光磁気素子１１の光の出側に直角プリズム１８を設けて出射光を全反射させ、検光子１３に戻すものであり、光磁気素子１１には２回、光が通過するので、光の増幅度が単純計算で２倍になり、測定精度が向上する。また、光ファイバ１４，１７が光磁気素子１１に対して同じ方向に位置することになるため、装置全体がコンパクトになる。
【００４４】
実施例１、２のいずれも、従来は磁気誘導型のＣＴ（電流変成器）を用いられていたところに適用することができる。ＣＴは一種の変圧器であるため交流のみしか測定できないが、光式にすることにより、交流、直流いずれも適用することができる。
【００４５】
図１３は本発明の実施例３を示すものであり、これは回転機制御用光磁気センサとして応用したものである。図において、５３２ｎｍの波長の緑色レーザダイオード（ＬＤ）２１から出射されたレーザ光は偏光子１２を通って光磁気素子１１に入射し、外部磁界の大きさに応じて光増幅され、絞り２２を介して検光子１３に入射する。この光を受光器であるフォトダイオード２５で測定し、バンドパスフィルタ２６でノイズ除去し、オシロスコープ２７で観察する。光磁気素子１１には、回転機の回転子に設けられたリング状磁石の磁極による磁界が印加される。受光器による測定信号は、回転機の駆動制御回路へとフィードバックされ、回転機の精密回転制御の信号として使うことができる。
【００４６】
この実施例３によれば、小型・高速応答で電磁誘導に強い磁界センサが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、電磁雑音に強く、非常に小型かつ軽量な、フォトルミネッセンス効果を利用した光磁気センサとして、光ＣＴ、回転機制御用光磁気センサを初めとして、多くの磁気センサに利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  光磁気素子
２  偏光子
３  検光子
１１  光磁気素子
１２  偏光子
１３  検光子
１４  光ファイバ
１５  ボールレンズ
１６  ボールレンズ
１７  光ファイバ
１８  直角プリズム
２１  レーザダイオード
２２  絞り
２３  リング状磁石
２４  ホール素子
２５  フォトダイオード
２６  バンドパスフィルタ
２７  オシロスコープ
【図１】
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【図２】
2011058977.tif 000014
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2011058977.tif 000020
【図９】
2011058977.tif 000021
【図１０】
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【図１１】
2011058977.tif 000023
【図１２】
2011058977.tif 000024
【図１３】
2011058977.tif 000025