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
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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
【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、1×1016/cm3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ETHz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ETHz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Ebias、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ETHz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ETHzは、2つの導電膜13L,13R間に印加されるバイアス電圧Ebiasが大きいほど大きくなる。したがって、バイアス電圧Ebias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1×1016/cm3以下とするのが一層好ましい。キャリア濃度を1×1016/cm3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)
【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、1×1016/cm3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ETHz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ETHz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Ebias、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ETHz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ETHzは、2つの導電膜13L,13R間に印加されるバイアス電圧Ebiasが大きいほど大きくなる。したがって、バイアス電圧Ebias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1×1016/cm3以下とするのが一層好ましい。キャリア濃度を1×1016/cm3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)
- 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。 - 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。 - 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、1×1016/cm3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。 - 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。 - 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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-
2002
- 2002-11-20 JP JP2002337147A patent/JP2004172410A/ja active Pending
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