JP2004172410A - テラヘルツ光発生素子およびテラヘルツ光発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いバイアス電圧を印加し続けても長時間安定して使用できるテラヘルツ光発生装置を提供する。
【解決手段】テラヘルツ光発生装置は、大口径テラヘルツ光発生素子１０と、フェムト秒パルスレーザー３０と、直流バイアス電源４０とを備えている。大口径テラヘルツ光発生素子１０は、半導体基板１１の表面にエピタキシャル光伝導層１２を設け、その上面に導電膜１３Ｌ，１３Ｒを設ける。導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間にバイアス電圧を印加しつつパルスレーザー光を照射する。光伝導層１２は、エピタキシャル成長法により半導体基板１１上に形成されており、より高いバイアス電圧を印加し続けたとき、電流が所定値で飽和する。その結果、連続して高出力のテラヘルツ光を出力することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テラヘルツ光を発生する素子および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、テラヘルツ光を利用した通信機器や検査装置の開発が行われている。テラヘルツ光の発生には、光スイッチ素子と呼ばれるテラヘルツ光発生素子が多く用いられている。テラヘルツ光発生素子から発生するテラヘルツ光の放射強度を増大させることができれば、テラヘルツ光を利用する各種の装置、例えば、分光装置、検査装置、分析装置等において、測定時間や検査時間の短縮、測定範囲や検査範囲の拡大、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【０００３】
そこで従来から、大口径光スイッチ素子を用いたテラヘルツ光発生装置が知られている。大口径光スイッチ素子は、ＧａＡｓ半導体基板上に互いに分離して設けられた一対の導電膜を有する。２つの導電膜間にバイアス電圧を印加した状態でフェムト秒パルスレーザー光を照射すると、２つの導電膜間にパルス電流が流れる。このパルス電流によってテラヘルツ光が発生し、半導体基板の裏面から射出される。
【０００４】
この種の大口径光スイッチ素子では、導電膜間に印加するバイアス電圧を高くすれば、テラヘルツ光強度を大きくできる。しかしながら、高いバイアス電圧を印加し続けると、ある時間経過後に急激に電流値が上昇して、テラヘルツ光発生素子を使用できなくなるという現象を発明者らは見出した。
【０００５】
本発明は、高いバイアス電圧を印加し続けても長時間安定して使用できるテラヘルツ光発生素子およびその素子を使用するテラヘルツ光発生装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明は、基板と、光伝導部上に２ｍｍ以上５０ｍｍ以下の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部とを有し、一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が導電部間の領域に照射されると、基板からテラヘルツ光を射出する大口径テラヘルツ光発生素子に適用される。そして、基板の上面にエピタキシャル光伝導部を形成し、エピタキシャル光伝導部の上面に一対の導電部を形成したことを特徴とする。
エピタキシャル光伝導部の厚みは０．５μｍ以上、３μｍ以下であることが好ましい。また、エピタキシャル光伝導部をｎ型半導体とし、１×１０^１６／ｃｍ^３以下のキャリア濃度とするのが好ましい。さらに、エピタキシャル光伝導部をＭＢＥ法で形成することが好ましい。
（２）請求項５の発明によるテラヘルツ光発生装置は、請求項１〜４のいずれかのテラヘルツ光発生素子と、テラヘルツ光発生素子に励起パルス光を照射するレーザー光源と、一対の導電部間にバイアス電圧を印加するバイアス電源とを備えることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のテラヘルツ光発生装置について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るテラヘルツ光発生装置の概略構成図である。図１に示すように、テラヘルツ光発生装置は、大口径光スイッチ素子と呼ばれるテラヘルツ光発生素子１０と、フェムト秒パルスレーザーなどに代表されるレーザー光源３０と、直流バイアス電源４０とを備えている。
【０００８】
図２に示すように、テラヘルツ光発生素子１０は、ＧａＡｓなどの半導体基板１１と、半導体基板１１の一方の表面に形成された光伝導層（光伝導部）１２と、光伝導層１２の上に形成され互いに分離された２つの導電膜（導電部）１３Ｌ、１３Ｒとを有する。２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒの中央部分に示されるスポット１５は、励起パルス光の照射領域である。２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒの間隔は、例えば２５ｍｍに設定される。
【０００９】
本発明によるテラヘルツ光発生素子１０は、導電膜１３Ｌ、１３Ｒの間隔が大きく、間隔が数μｍから数十μｍ程度のテラヘルツ光発生素子（たとえば、ダイポール型素子、ストリップ線路型素子などと呼ばれる。本明細書では小口径光スイッチ素子と呼ぶ）に対して大口径光スイッチ素子と呼ばれる。ここで、大口径光スイッチ素子は、２つの導電膜間の距離が数ｍｍ〜数十ｍｍ、好ましくは２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、２つの導電膜間に照射されるレーザスポット径も同様な値である。ダイポール型素子やストリップ線路型素子が発生するパルス光は点光源であり平行光ではない。そのため、パルス光を平行光束とする光学系が不可欠である。これに対して、大口径光スイッチ素子は、複数の点光源の集合体と考えることができ、発生するパルス光を平行光束として取り扱うことができる。
【００１０】
半導体基板１１はたとえば、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓエピタキシャル光伝導層１２を形成して構成されている。ＧａＡｓ基板は、周知のＬＥＣ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法、ＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｏａｔ Ｍｅｔｈｏｄ）法（ＶＧＦ法とも呼ぶ）により製作することができる。ＧａＡｓエピタキシャル層１２は、ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ−ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）法によって数百度以上（２５０℃〜８００℃）の雰囲気中で成膜される。このＭＢＥ法は従来から知られている成膜技術であり、膜の結晶性が良く均一性が高い成膜法である。
なお、ＧａＡｓ基板の表面に低温ＭＢＥ法で光伝導層を形成した小口径光スイッチ素子が公知技術である。そこで、本明細書による大口径光スイッチ素子の光伝導層を形成するＭＢＥ法を、この公知技術と比較の上で高温ＭＢＥ法と呼ぶことにする。半導体基板１１の材質をサファイアとし、光伝導膜３４としてシリコンを用いてもよい。
【００１１】
図１のテラヘルツ光発生装置からテラヘルツ光が出射される動作について説明する。
２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間に直流バイアス電源４０によりバイアス電圧を印加する。電圧を印加した状態で、２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間のスポット領域１５にレーザー光源３０から放射される励起パルスレーザー光Ｌ３０を照射する。照射領域１５に自由キャリア（電子と正孔）が生成して抵抗値が下がり、バイアス電圧によって自由キャリアが加速されて導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間にパルス電流が流れる。このパルス電流によってテラヘルツ帯域の周波数をもつ電磁波、すなわちテラヘルツ光Ｌ１０が発生する。テラヘルツ光Ｌ１０は、半導体基板１１の裏面から射出し、空間を伝播する。
【００１２】
このとき発生するテラヘルツ光Ｌ１０の遠方での電場強度Ｅ_ＴＨｚは次式（１）で表される。すなわち、十分遠方でのテラヘルツ光の電場強度Ｅ_ＴＨｚは、光励起されたキャリアの移動度μ、キャリアの密度ｎ、２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間に印加されるバイアス電圧Ｅ_ｂｉａｓ、パルス電流の流れる断面積Ｓに依存している。したがって、電子電荷をｅで表すと、十分遠方でのテラヘルツ光の電場強度Ｅ_ＴＨｚは、次の式（１）で表すことができる。
【００１３】

ここで、電流の流れる断面積Ｓは、照射領域１５において２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒを結ぶ線分に直交する断面積である。言い換えれば、断面積Ｓは、自由キャリアが生成する３次元領域を２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒを結ぶ線分に直交する面で切断したときの面積である。
【００１４】
式（１）によれば、十分遠方でのテラヘルツ光の電場強度Ｅ_ＴＨｚは、２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間に印加されるバイアス電圧Ｅ_ｂｉａｓが大きいほど大きくなる。したがって、バイアス電圧Ｅ_ｂｉａｓを大きくすれば、発生するテラヘルツ光Ｌ１０の強度は増す。
【００１５】
励起レーザ光をパルス状ではなく連続して照射して実験した結果を図４および図５に示す。図２に示す光伝導層１２を設けたテラヘルツ光発生素子１０では、図３に示すように、バイアス電圧１０ｋＶを導電膜１３Ｌ，１３Ｒに印加したときのテラヘルツ光強度は９０（任意単位）である。このバイアス電圧１０ｋＶを印加した状態を継続したときの電流変化特性を図４に示す。時間経過に関わらず電流値はほとんど変わらず、５分経過してもほぼ一定の電流値を示している。つまり、基板１１の温度変化は少なく、急激な電流増加が生せず、高い光強度のテラヘルツ光を安定して出力し続けることができる。
【００１６】
これに対して、図２の光伝導層１２を省略した従来の大口径テラヘルツ光発生素子は、ＬＥＣ法、ＶＢ（ＶＧＦ）法によるＧａＡｓの半導体基板の上面に一対の導電膜を形成したものであり、基板表面の一部が光伝導層として機能する。図５に示すように、導電膜間を流れる電流値は、時間経過と伴に増加してゆき、１４００秒経過するあたりで急激な増加を示す。バイアス電圧を印加する電源には、流すことが可能な電流の限界があり、この限界を超えると電源を使用できなくなってしまう。実験によれば、従来の半導体基板１１に励起パルスレーザ光が長時間にわたり照射されると、基板１１の温度が非常に高温となることが分かっている。発明者は、その基板１１の温度上昇に起因して図５に示すような特性となるものと考えている。つまり、電流値が時間経過とともに増大すると、やがて電源が対応できなくなるという問題がある。その結果、励起パルスレーザ光が基板１１に照射されても、テラヘルツ光の発生が起こらないという問題がある。
【００１７】
従来の大口径テラヘルツ光発生素子では、バイアス電圧を高くすると、図５に示すような現象が発生するため、バイアス電圧の最大値は、図３に示されるように、ＬＥＣ法により単一構造の半導体基板を形成したものが３．５ｋＶ、ＶＢ法により単一構造の半導体基板を形成したものが６．５ｋＶで制限されてしまう。これに対して、半導体基板の表面に、ＭＢＥ法（後述するように、低温ＭＢＥに対して高温ＭＢＥと呼ぶことができる）によりエピタキシャル光伝導層を形成したものは、上述したようにバイアス電圧を１０ｋＶと高くすることができる。なお、三種類の素子にそれぞれ最大のバイアス電圧を印加したときのテラヘルツ光強度の最大値は、それぞれ１５、３５、９０（任意単位）であり、本実施の形態の素子は他の二つに比べて高強度なテラヘルツ光を取り出すことができる。
【００１８】
このように、エピタキシャル光伝導層１２を設けた本発明による大口径テラヘルツ光発生素子では、光伝導層１２を基板表面に設けない従来の各種製法にて作製された大口径テラヘルツ光発生素子に比べて、長時間にわたり高いバイアス電圧を印加して放射強度の高いテラヘルツ光を出射することができる。その結果、本発明による大口径テラヘルツ光発生装置を分光装置、検査装置、分析装置等に適用することにより、測定時間や検査時間の短縮、測定範囲や検査範囲の拡大、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。
【００１９】
【実施例】
テラヘルツ光発生素子１０の具体例について説明する。
半絶縁性ＧａＡｓ基板１１の厚さは６２５μｍであり、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上には厚さ０．５μｍ程度のバッファー層が成膜されている。半絶縁性ＧａＡｓ基板１１のバッファー層上に厚さが１．２μｍのＧａＡｓエピタキシャル層１２が成膜されている。導電膜１３Ｌ，１３Ｒの間隔は２５ｍｍである。
【００２０】
このテラヘルツ光発生素子１０の製造方法は以下のとおりである。
▲１▼厚さ６２５μｍの半絶縁性ＧａＡｓ基板１１を作製する。
▲２▼半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に厚さ０．５μｍ程度のバッファー層を成膜する。▲３▼ＭＢＥ装置内にこの半絶縁性ＧａＡｓ基板１１を設置し、５２０℃雰囲気中でＧａを含む分子線とＡｓを含む分子線をＧａＡｓ基板１１に照射して、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１のバッファー層上にＧａＡｓエピタキシャル層１２を成膜する。
▲４▼ＧａＡｓエピタキシャル層１２の厚さが１．２μｍになったときに成膜を停止する。
▲５▼ＧａＡｓエピタキシャル層１２の上に、金（Ａｇ）の導電膜１３Ｌ，１３Ｒをパターニング形成する。金（Ａｇ）に代えてアルミニウム（Ａｌ）を用いてもよい。
【００２１】
上述した図３および図４は、このように製造された大口径テラヘルツ光発生素子１０を備えたテラヘルツ光発生装置の実験例である。
【００２２】
ＧａＡｓエピタキシャル層１２の厚さは、０．５μｍ以上、３μｍ以下が望ましい。電磁波の強度が１／ｅに減衰する長さから見積もると、ＧａＡｓエピタキシャル層１２の厚さは約１μｍとなる。したがって、１μｍより厚くすれば光伝導層としての機能には支障はないが、成膜に時間がかかるのでコストが高くなってしまう。成膜時間、コスト、膜質等を考え合わせると、ＧａＡｓエピタキシャル層１２の厚さは３μｍ以下が適切である。逆に、１μｍの半分以下では光伝導層としてエピタキシャル層を設ける意味が失われてしまう。
【００２３】
また、ＧａＡｓエピタキシャル層１２をｎタイプの半導体とし、そのキャリア濃度を１×１０^１６／ｃｍ^３以下とするのが一層好ましい。キャリア濃度を１×１０^１６／ｃｍ^３以下とするのは、励起パルス光がテラヘルツ光発生素子１０に照射されていないときに、２つの導電膜１３Ｌ，１３Ｒ間の絶縁性を確保するためである。バイアス電圧は常に印加されている。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、大口径テラヘルツ光発生素子の基板表面にエピタキシャル光伝導層を設け、その上面に一対の導電膜を形成したので、高いバイアス電圧を印加し続けても長時間安定して高強度テラヘルツ光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るテラヘルツ光発生装置の概略構成図である。
【図２】図１中のテラヘルツ光発生素子を拡大した斜視図である。
【図３】各種製法にて作製されたテラヘルツ光発生素子について、テラヘルツ光の放射強度のバイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係るテラヘルツ光発生装置において、バイアス電圧を印加したときの電流値の時間変化を示すグラフである。
【図５】従来の大口径光スイッチ素子において、高いバイアス電圧を印加した状態での電流値の時間変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１０：テラヘルツ光発生素子
１１：半導体基板（半絶縁性ＧａＡｓ基板）
１２：光伝導層（ＧａＡｓエピタキシャル層）
１３Ｌ，１３Ｒ：導電膜
３０：レーザー光源（フェムト秒パルスレーザー）
４０；電源（直流電源）
Ｌ１０：テラヘルツ光
Ｌ３０：パルスレーザー光（励起パルス）

Claims (5)

1. 基板と、前記光伝導部上に２ｍｍ以上５０ｍｍ以下の間隔を設けて形成された少なくとも一対の導電部とを有し、前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加した状態で励起パルス光が前記導電部間の領域に照射されると、前記基板からテラヘルツ光を射出する大口径テラヘルツ光発生素子において、
   前記基板の上面にエピタキシャル光伝導部を形成し、
   前記エピタキシャル光伝導部の上面に前記一対の導電部を形成したことを特徴とするテラヘルツ光発生素子。
2. 請求項１のテラヘルツ光発生素子において、
   前記エピタキシャル光伝導部の厚みは０．５μｍ以上、３μｍ以下であることを特徴とするテラヘルツ光発生素子。
3. 請求項１または２のテラヘルツ光発生素子において、
   前記エピタキシャル光伝導部はｎ型半導体であり、１×１０^１６／ｃｍ^３以下のキャリア濃度を有することを特徴とするテラヘルツ光発生素子。
4. 請求項１〜３のいずれかのテラヘルツ光発生素子において、
   前記エピタキシャル光伝導部はＭＢＥ法で形成することを特徴とするテラヘルツ光発生素子。
5. 請求項１〜４のいずれかのテラヘルツ光発生素子と、
   前記テラヘルツ光発生素子に励起パルス光を照射するレーザー光源と、
   前記一対の導電部間にバイアス電圧を印加するバイアス電源とを備えることを特徴とするテラヘルツ光発生装置。

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