JP2005019472A

JP2005019472A - Semiconductor device, terahertz wave generating device, and their manufacturing methods

Info

Publication number: JP2005019472A
Application number: JP2003178562A
Authority: JP
Inventors: Tadataka Edamura; 忠孝枝村; Masahiko Tani; 正彦谷
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2005-01-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device that inexpensively realizes a simple small-sized terahertz-wave light source, and to provide a terahertz wave generating device and methods of manufacturing the devices. <P>SOLUTION: In the semiconductor device, an AlSb buffer layer 31 is formed on an Si substrate 30 which makes little absorption in a terahertz region and an InAs layer 32 is epitaxially grown on the buffer layer 31 as a crystalline semiconductor layer used for generating a terahertz wave L2. The InAs layer 32 is constituted in a transmission type which uses the surface 3a of the layer 32 as the plane of incidence of pulsed pumping light L1 and the surface 3b of the Si substrate 30 as the emitting surface of the terahertz wave L2 generated in the InAs layer 32 by the pumping light L1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波であるテラヘルツ波の発生に用いられる半導体装置、テラヘルツ波発生装置、及びそれらの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えばおよそ０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚなどの広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域である。このようなテラヘルツ波は、非破壊検査、イメージング、通信などへの応用が期待されている。また、テラヘルツ波の利用は、環境計測やライフサイエンスの分野などへも波及しており、先端的基盤技術分野となりつつある（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２５７６２９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５１６６０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
テラヘルツ波の利用を進め、産業化するためには安価で簡便、小型なテラヘルツ波光源を実現することが重要である。従来のテラヘルツ波発生装置として、光スイッチ素子（アンテナ素子）にフェムト秒パルス励起光を照射してテラヘルツ波を発生させる装置が知られている。
【０００５】
このような装置では、例えば特許文献１に記載されているように、キャリア寿命が極めて短い半導体基板上に電極を形成した光スイッチ素子が用いられることが多い。しかしながら、このような方法では、光学系が複雑であるためにシステム全体としては大掛りとなり、細かいアライメント調整が要求されるなどの問題がある。また、光スイッチ素子は静電気に弱く取り扱いに注意を要し、経時劣化も認められるなど汎用性の点でも問題がある。
【０００６】
一方、光スイッチ素子を用いた発生装置以外にも、半導体結晶内でテラヘルツ波を発生させる装置など、様々なテラヘルツ波発生装置が提案されている。例えば、特許文献２には、サブミリワットクラスの比較的高強度のテラヘルツ電磁波を発生する方法として、ＩｎＡｓなどのバルクのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶に磁場を印加してパルス励起光を照射する方法が開示されている。ここでは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として、電子の有効質量が軽いＩｎＡｓやＩｎＳｂが用いられている。
【０００７】
このような装置は、リソグラフィー技術を用いた複雑な素子製造工程を必要とせず、その経時劣化もないことから、光スイッチ素子を用いたものに比べて汎用性が高い。しかしながら、半導体結晶に磁場を印加する上記構成では、半導体結晶に磁場を印加するために大掛りな電磁石が必要となる。また、一般にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はテラヘルツ領域で吸収が大きく反射配置を用いる必要があるため、光学系の構成が複雑になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、低コストで簡便、小型なテラヘルツ波光源を実現可能な半導体装置、テラヘルツ波発生装置、及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記課題を解決することが可能なテラヘルツ波発生装置の構成について鋭意検討を行った結果、半導体結晶に透過配置を適用することによって好適な光源が得られること、及び、そのような透過配置がテラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板を用いることによって実現可能であることを見出し、本発明に至った。
【００１０】
すなわち、本発明による半導体装置は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＳｂからなるバッファ層と、バッファ層上にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層とを備えることを特徴とする。
【００１１】
同様に、本発明による半導体装置の製造方法は、Ｓｉ基板上にＡｌＳｂからなるバッファ層を形成するステップと、バッファ層上にＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層をエピタキシャル成長するステップとを備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による透過型のテラヘルツ波発生装置の製造方法は、上記した半導体装置の製造方法を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記した半導体装置、半導体装置の製造方法、及びテラヘルツ波発生装置の製造方法においては、テラヘルツ波を発生する半導体結晶として、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層を用いるとともに、Ｓｉ基板上に上記化合物半導体層を形成している。このように、テラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板を用いる構成とすることにより、透過型のテラヘルツ波発生装置に適用可能な半導体装置及び製造方法が実現される。また、Ｓｉ基板は安価であり、装置を低コスト化することができる。
【００１４】
さらに、上記化合物半導体層を形成するためのバッファ層として、Ａｓ系に比べて格子緩和速度が速いＳｂ系材料であって、かつＩｎＡｓ等と比較的格子定数が接近したＡｌＳｂを用いている。これにより、Ｓｉ基板上に平坦で高品質な化合物半導体層を成長することが可能となる。このような構成は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって実現することができる。
【００１５】
また、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなり、Ｓｉ基板と反対側の面がパルス励起光の入射面となる化合物半導体層とを備え、Ｓｉ基板の化合物半導体層と反対側の面が、パルス励起光の入射によって化合物半導体層内で発生したテラヘルツ波の出射面となっていることを特徴とする。
【００１６】
上記したテラヘルツ波発生装置においては、Ｓｉ基板上に形成された上記化合物半導体層を用いてテラヘルツ波を発生するとともに、パルス励起光が化合物半導体層側から入射され、発生したテラヘルツ波がＳｉ基板側から出射される透過配置を適用している。このようなＳｉ基板を用いた透過型の構成によれば、反射型の構成に比べて光学系の構成を簡素化することが可能となる。また、電磁石等の設置も不要となる。したがって、低コストで簡便、小型なテラヘルツ波光源を実現することができる。このような構成では、上記したように、Ｓｉ基板と、化合物半導体層との間に、Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＳｂからなるバッファ層が設けられていることが好ましい。
【００１７】
また、発生装置は、Ｓｉ基板の出射面上でテラヘルツ波が通過する所定位置にレンズが設けられていることが好ましい。同様に、発生装置の製造方法は、Ｓｉ基板の化合物半導体層と反対側の面上の所定位置にレンズを設けるステップを備えることが好ましい。これにより、インピーダンスマッチングによって化合物半導体層内で発生したテラヘルツ波を充分な強度で出射させることができる。
【００１８】
あるいは、発生装置は、化合物半導体層の入射面上でパルス励起光が通過する所定位置にレンズが設けられていることが好ましい。同様に、発生装置の製造方法は、化合物半導体層のＳｉ基板と反対側の面上の所定位置にレンズを設けるステップを備えることが好ましい。これにより、パルス励起光を集光しつつ入射させて、テラヘルツ波の発生効率を向上することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体装置、テラヘルツ波発生装置、及びそれらの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２０】
図１は、本発明による半導体装置の一実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本半導体装置は、テラヘルツ波発生装置に好適に適用可能なものであり、図１に示すように、Ｓｉ基板１０と、Ｓｉ基板１０上に形成されたＡｌＳｂからなるバッファ層１１と、バッファ層１１上にエピタキシャル成長された化合物半導体層１２とを備える。
【００２１】
化合物半導体層１２は、本半導体装置をテラヘルツ波発生装置に適用したときにテラヘルツ波の発生に用いられる半導体結晶層であり、ＩｎＡｓからなる。また、本半導体装置において用いられているＳｉ基板１０は、テラヘルツ領域でほとんど吸収がない基板である。このような構成により、図１に示した半導体装置では、テラヘルツ波発生装置として用いた場合に、ＩｎＡｓ層１２のＳｉ基板１０と反対側の面（図中の上面）１ａがパルス励起光の入射面となり、Ｓｉ基板１０のＩｎＡｓ層１２と反対側の面（図中の下面）１ｂがテラヘルツ波の出射面となる透過型の構成が実現可能である。
【００２２】
以下、図１に示した半導体装置、及びテラヘルツ波発生装置の製造方法について、その構成の具体例とともに説明する。ここでは、固体ソースの分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いた製造方法について述べる。
【００２３】
まず、Ｓｉ基板１０を用意し、フッ酸処理してからチャンバへとロードする。そして、真空中で高温にて熱処理して酸化膜の除去を行う。続いて、基板温度を５００℃程度として、バッファ層１１となるＡｌＳｂを厚さ１００〜２００ｎｍ（１０００〜２０００Å）程度成長する。このとき、Ａｓ系化合物では格子定数差に起因した歪みによる３次元島状成長モードが比較的長く続く傾向であるのに対し、Ｓｂ系化合物では格子緩和速度が速く、Ａｓ系化合物を用いた場合に比べて短い時間で２次元成長モードへと移行する。
【００２４】
次に、基板温度を４００℃程度まで下げた後、ＩｎＡｓ層１２をＭＢＥ法によってエピタキシャル成長する。このＩｎＡｓ層１２の厚さについては、半導体装置をテラヘルツ波発生装置に適用することを考慮して適宜設定することが好ましい。具体的には、ＩｎＡｓ層１２が薄い場合はテラヘルツ電磁波の放射強度が弱くなってしまうが、逆に厚い場合にはＩｎＡｓ層１２内でのテラヘルツ波の吸収が大きくなること等を考慮する。通常は、ＩｎＡｓ層１２を１μｍ以下の厚さとすることが適当である。以上により、図１に示した構成の半導体装置、及びテラヘルツ波発生装置を製造することができる。
【００２５】
本実施形態による半導体装置、テラヘルツ波発生装置、及びそれらの製造方法の効果について説明する。
【００２６】
図１に示した半導体装置、半導体装置の製造方法、及びテラヘルツ波発生装置の製造方法においては、テラヘルツ波を発生する半導体結晶としてＩｎＡｓ層１２を用いるとともに、Ｓｉ基板１０上にＩｎＡｓ層１２を形成している。ここで用いられているＳｉ基板１０は、テラヘルツ領域でほとんど吸収がない基板であり、したがって、透過型のテラヘルツ波発生装置に適用可能な半導体装置及び製造方法が実現される。また、Ｓｉ基板１０は安価であり、装置を低コスト化することができる。
【００２７】
また、図１に示した半導体装置を適用したテラヘルツ波発生装置においては、Ｓｉ基板１０上に形成されたＩｎＡｓ層１２を用いてテラヘルツ波を発生するとともに、パルス励起光がＩｎＡｓ層１２側の面１ａから入射され、発生したテラヘルツ波がＳｉ基板１０側の面１ｂから出射される透過配置が適用される。このような透過型の構成は、テラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板１０を用いることによって可能となるものである。これにより、反射型の構成に比べて光学系の構成を簡素化することが可能となる。
【００２８】
このようなテラヘルツ波発生装置では、リソグラフィー技術を用いた複雑な素子製造工程が不要であるなど、光スイッチ素子を用いたものに比べて汎用性が高い。また、本構成では、ＩｎＡｓ層１２に磁場の印加を行わないため電磁石等の設置が不要である。したがって、低コストで簡便、小型なテラヘルツ波光源を実現することができる。
【００２９】
さらに、図１に示した半導体装置及びその製造方法においては、Ｓｉ基板１０上にＩｎＡｓ層１２を形成するためのバッファ層１１として、Ａｓ系に比べて格子緩和速度が速いＳｂ系材料であるＡｌＳｂを用いている。また、ＡｌＳｂは、ＩｎＡｓと比較的格子定数が接近している。これにより、Ｓｉ基板１０上に平坦で高品質なＩｎＡｓ層１２を成長することが可能となる。
【００３０】
なお、Ｓｉ基板１０上にＡｌＳｂバッファ層１１を介してエピタキシャル成長する半導体層としては、図１に示したＩｎＡｓ層１２に限られない。一般には、このテラヘルツ波を発生する半導体結晶としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層を用いることができる。この場合においても、その製造方法、得られる効果等は上記したものと同様である。
【００３１】
ここで、Ｓｉ基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長について詳述しておく。Ｓｉ基板上へのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル成長は、安価で熱的性質にも優れたＳｉと、電気的及び光学的特性に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体との融合を目指して、Ｓｉ基板上へのＧａＡｓの成長を中心に研究が行われている。
【００３２】
従来、化合物半導体のエピタキシャル成長は格子定数が接近した材料間で行われているが、異なる結晶型、格子定数、熱的性質を克服してＳｉ基板上に高品質なＧａＡｓ層を得る方法としては、Ｓｉ基板と格子定数が接近したＧａＰから成長を開始し、ＧａＡｓＰを経てＧａＡｓへと徐々に目的とする格子定数まで組成を変化させるグレーデッドバッファ層を用いる方法や、２段階成長法（特開昭６２−２１９６１４号公報参照）、歪超格子をバッファ層として利用する方法（特開平１−１１７０１７号公報参照）がある。
【００３３】
これらの方法のうち、グレーデッドバッファ層を用いる方法では、格子歪みを緩和させるには充分に厚いバッファ層が必要になるという問題がある。また、２段階成長法では、Ｓｉ基板温度を４５０℃以下で２０ｎｍ程度の多結晶あるいはアモルファス状のＧａＡｓをバッファ層として成長し、その後に６００℃程度で熱処理して結晶化して、その上にＧａＡｓを成長する。この方法では、確実に単結晶薄膜が得られるが、成長の初期段階が３次元島状成長であるために一般に成長される半導体層の平坦性が悪い。また、歪超格子を用いる方法では、充分に厚い超格子層が必要となり、また、１０ｎｍ程度の薄膜を交互に何層も成長させる複雑な製造工程及び成長技術が必要となるなどの問題がある。
【００３４】
これに対して、ＡｌＳｂバッファ層１１を介してＳｉ基板１０上にＩｎＡｓ層１２をエピタキシャル成長する上記した装置及び製造方法によれば、テラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板上に、平坦で高品質なテラヘルツ波の発生に用いられる化合物半導体層を成長することが可能となる。
【００３５】
図２は、本発明による半導体装置の他の実施形態の構成を概略的に示す側面断面図である。本半導体装置は、図１に示した装置と同様に、テラヘルツ波発生装置に好適に適用可能なものであり、図２に示すように、Ｓｉ基板２０と、Ｓｉ基板２０上に形成されたＡｌＳｂからなるバッファ層２１と、バッファ層２１上にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ層２２とを備える。このような構成により、図２に示した半導体装置では、テラヘルツ波発生装置として用いた場合に、ＩｎＡｓ層２２の面２ａがパルス励起光の入射面となり、Ｓｉ基板１０の面２ｂがテラヘルツ波の出射面となる透過型の構成が実現可能である。
【００３６】
また、本実施形態による半導体装置は、ＡｌＳｂバッファ層を用いる構成と、２段階成長法による構成とを併用した構成となっている。すなわち、図２に示した半導体装置においては、Ｓｉ基板２０及びＡｌＳｂバッファ層２１の間に、ＧａＡｓ低温成長バッファ層２３と、ＧａＡｓ高温成長バッファ層２４とが形成されている。
【００３７】
このような半導体装置の製造方法においては、Ｓｉ基板２０上に例えば基板温度２００℃の低温にて、低温成長バッファ層２３となるＧａＡｓを厚さ１０ｎｍ程度成長する。そして、Ａｓ分子線照射、及び６００℃での熱処理を行った後、基板温度６００℃の高温にて、高温成長バッファ層２４となるＧａＡｓを厚さ１００〜２００ｎｍ程度成長する。このとき、ＧａＡｓ低温成長バッファ層２３上に形成されるＧａＡｓ高温成長バッファ層２４は単結晶となっている。その後、基板温度５００℃でのＡｌＳｂバッファ層２１の成長、及び４００℃でのＩｎＡｓ層２２の成長を順次行うことにより、図２に示した半導体装置が形成される。
【００３８】
図２に示した半導体装置及びその製造方法によっても、ＡｌＳｂバッファ層１１のみを用いた図１の構成と同様に、Ｓｉ基板２０上に平坦で高品質なＩｎＡｓ層２２を成長することが可能となる。特に、ＧａＡｓ層２３、２４をもバッファ層とすることで、貫通転位の増殖が抑制されるので、バッファ層上にエピタキシャル成長されるＩｎＡｓ層をさらに高品質化することができる。
【００３９】
なお、図１及び図２に示した半導体装置に関して上述した製造方法では、固体ソースのＭＢＥ法を用いる例について説明したが、それ以外にも、ガスソースによるＭＢＥ法や、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などを用いることも可能である。また、半導体装置を構成する各半導体層の膜厚等についても、上記した数値はその一例を示すものであり、これに限定されない。また、テラヘルツ波を発生させる化合物半導体層としては、ＩｎＡｓ層に限らず、ＡｌＳｂバッファ層と同様にＳｂを含むＩｎＳｂ層、あるいはＩｎＡｓ及びＩｎＳｂの混晶からなる層を用いても良いことは上述した通りである。
【００４０】
次に、上記構成の半導体装置を適用したテラヘルツ波発生装置について、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＩｎＡｓ層を用いたテラヘルツ電磁波の発生方法とともに説明する。図３は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の一実施形態の構成を示す側面図である。
【００４１】
図３に示すテラヘルツ波発生装置は、透過型の発生装置であり、図１に示した半導体装置と同様に、Ｓｉ基板３０と、Ｓｉ基板３０上に形成されたＡｌＳｂバッファ層３１と、バッファ層３１上にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ層３２とを備える。また、このような構成において、ＩｎＡｓ層３２のエピタキシャル成長表面である面３ａがパルス励起光の入射面となり、Ｓｉ基板３０の面３ｂがテラヘルツ波の出射面となっている。
【００４２】
このような構成のテラヘルツ波発生装置に対し、ＩｎＡｓ層３２内においてテラヘルツ波を発生させるため、その入射面３ａからパルス励起光Ｌ１が照射される。パルス励起光Ｌ１を供給する励起光源（図示していない）は好ましくは超短パルス光源であり、例えばパルス幅１００ｆｓ程度のチタンサファイアレーザが用いられる。また、このとき、ＩｎＡｓ層３２の表面３ａでの励起光の反射を考慮し、成長表面３ａの法線方向に対して角度θでパルス励起光Ｌ１を入射する。
【００４３】
パルス励起光が発生装置へと入射されると、ＩｎＡｓ層３２内で励起されたキャリアによってテラヘルツ波Ｌ２が発生される。そして、ＩｎＡｓ層３２内で発生したテラヘルツ波Ｌ２は、Ｓｉ基板３０を透過し、出射面３ｂから外部へと放射される。また、図３においては、Ｓｉ基板３０の出射面３ｂ上でテラヘルツ波Ｌ２が通過する所定位置に、レンズ３５が設けられている。
【００４４】
図４は、ＩｎＡｓ層において発生するテラヘルツ波強度のパルス励起光の入射角度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は入射面３ａに対するパルス励起光Ｌ１の入射角度θ（ｄｅｇ．）を示し、縦軸は発生するテラヘルツ波のピーク強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ）を示している。
【００４５】
このグラフに示すように、ＩｎＡｓ層３２でテラヘルツ波を発生させる場合、最適配置はブリュースター角近傍である７０°付近で得られる。このとき、ＩｎＡｓ中に誘起された瞬時電流によりテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は双極子モーメントの向きと垂直方向に発生するため、ここではＳｉ基板３０側に放射される。また、Ｓｉ基板３０は上記したようにテラヘルツ領域でほとんど吸収がないため、ＩｎＡｓ層３２から放射されたテラヘルツ波はＳｉ基板３０の出射面３ｂからほとんどそのまま取り出すことができる。
【００４６】
また、ＩｎＡｓ層３２で発生したテラヘルツ波をＳｉ基板３０側から取り出す透過配置を用いているため、出射面となるＳｉ基板３０の面３ｂ上にレンズ３５を装着することができる。これにより、インピーダンスマッチングをとってテラヘルツ波を増強することができる。このレンズ３５としては、具体的には、テラヘルツ領域での屈折率を考慮してＳｉ、ＭｇＯなどを用いることが好ましい。特に、Ｓｉレンズを用いた場合には、Ｓｉ基板との一体成型が可能であるために装置を小型化することができ、そのパッケージングも容易となる。
【００４７】
また、このようにレンズ３５によってテラヘルツ波を増強する構成を用いることにより、例えば半導体結晶に磁場を印加することによるテラヘルツ波の増強は不要となる。したがって、複雑な光学系を必要とせずに、テラヘルツ波発生装置を含むシステム全体を小型化することができる。
【００４８】
図５は、上記したテラヘルツ波発生装置において得られるテラヘルツ波の時間波形を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間（ｐｓ、遅延時間）を示し、縦軸はテラヘルツ波の各時点での強度（ａｒｂ．ｕｎｉｔｓ）を示している。また、グラフＡはレンズを設置しなかった場合での時間波形を、グラフＢはＭｇＯレンズを設置した場合での時間波形をそれぞれ示している。このグラフに示すように、Ｓｉ基板３０側にテラヘルツ波を出射させる透過型の構成を用いるとともに、その出射面３ｂ上にレンズ３５を設けることにより、出射されるテラヘルツ波のピーク強度を増大することができる。
【００４９】
なお、テラヘルツ波発生装置に対するレンズの設置については、図３に示した構成では、Ｓｉ基板３０の出射面３ｂ上に、テラヘルツ波Ｌ２が通過するレンズ３５を設ける構成を示した。これに対して、ＩｎＡｓ層３２の入射面３ａ上でパルス励起光Ｌ１が通過する所定位置に励起光集光用のレンズを設けて、テラヘルツ波の発生効率を向上させる構成としても良い。
【００５０】
また、パルス励起光に対する入射面３ａ上のレンズと、テラヘルツ波に対する出射面３ｂ上のレンズとを併用すれば、さらにテラヘルツ波の放射強度を増大することができる。このようなレンズの適用は、パルス励起光の入射とテラヘルツ波の出射が同一面で行われる従来の反射配置では困難であったが、透過配置を用いた上記構成によれば、このようなレンズの適用が可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明による半導体装置、テラヘルツ波発生装置、及びそれらの製造方法は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、テラヘルツ波を発生する半導体結晶としてＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層を用いるとともに、Ｓｉ基板上に上記化合物半導体層を形成する半導体装置、半導体装置の製造方法、及びテラヘルツ波発生装置の製造方法によれば、テラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板を用いることにより、透過型のテラヘルツ波発生装置に適用可能な半導体装置及び製造方法が実現される。また、Ｓｉ基板は安価であり、装置を低コスト化することができる。さらに、上記化合物半導体層を形成するためのバッファ層として、Ａｓ系に比べて格子緩和速度が速いＳｂ系材料であって、かつＩｎＡｓ等と比較的格子定数が接近したＡｌＳｂを用いることにより、Ｓｉ基板上に平坦で高品質な化合物半導体層を成長することが可能となる。
【００５２】
また、Ｓｉ基板上に形成された上記化合物半導体層を用いてテラヘルツ波を発生するとともに、パルス励起光が化合物半導体層側から入射され、発生したテラヘルツ波がＳｉ基板側から出射される透過配置を適用したテラヘルツ波発生装置によれば、反射型の構成に比べて光学系の構成を簡素化することが可能となる。また、電磁石等の設置も不要となる。したがって、低コストで簡便、小型なテラヘルツ波光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置の一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】半導体装置の他の実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図３】テラヘルツ波発生装置の一実施形態の構成を示す側面図である。
【図４】テラヘルツ波強度のパルス励起光の入射角度依存性を示すグラフである。
【図５】テラヘルツ波の時間波形を示すグラフである。
【符号の説明】
１０、２０、３０…Ｓｉ基板、１１、２１、３１…ＡｌＳｂバッファ層、１２、２２、３２…ＩｎＡｓ化合物半導体層、２３…ＧａＡｓ低温成長バッファ層、２４…ＧａＡｓ高温成長バッファ層、３５…レンズ、１ａ、２ａ、３ａ…パルス励起光の入射面、１ｂ、２ｂ、３ｂ…テラヘルツ波の出射面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, a terahertz wave generator, and a method of manufacturing the same used for generating a terahertz wave that is an electromagnetic wave around a frequency of 1 THz (terahertz).
[0002]
[Prior art]
An electromagnetic wave region around a frequency of 1 THz (terahertz) (a terahertz wave region, for example, a wide frequency region of about 0.01 THz to 100 THz including the surrounding region, for example, approximately 0.1 THz to 10 THz) is a boundary between light waves and radio waves. It is a frequency domain located in Such terahertz waves are expected to be applied to non-destructive inspection, imaging, communication, and the like. Further, the use of terahertz waves has spread to the fields of environmental measurement and life science, and is becoming an advanced fundamental technology field (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-257629 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-251660
[Problems to be solved by the invention]
In order to promote the use of terahertz waves for industrialization, it is important to realize a cheap, simple and small terahertz light source. As a conventional terahertz wave generator, an apparatus that generates a terahertz wave by irradiating an optical switch element (antenna element) with femtosecond pulse excitation light is known.
[0005]
In such an apparatus, as described in Patent Document 1, for example, an optical switch element in which an electrode is formed on a semiconductor substrate having a very short carrier life is often used. However, in such a method, since the optical system is complicated, the entire system becomes large, and there is a problem that fine alignment adjustment is required. In addition, the optical switch element is weak against static electricity, requires attention to handling, and has problems with versatility such as aging deterioration.
[0006]
On the other hand, various terahertz wave generating devices such as a device that generates a terahertz wave in a semiconductor crystal have been proposed in addition to a generating device using an optical switch element. For example, Patent Document 2 discloses a method of applying pulsed excitation light by applying a magnetic field to a bulk III-V compound semiconductor crystal such as InAs as a method of generating a relatively high-intensity terahertz electromagnetic wave of sub milliwatt class. Is disclosed. Here, InAs or InSb, which has a low effective electron mass, is used as the III-V group compound semiconductor.
[0007]
Such an apparatus does not require a complicated element manufacturing process using a lithography technique and does not deteriorate with the passage of time, so that it is more versatile than an apparatus using an optical switch element. However, in the above configuration in which a magnetic field is applied to the semiconductor crystal, a large electromagnet is required to apply the magnetic field to the semiconductor crystal. In general, III-V compound semiconductors have a large absorption in the terahertz region, and it is necessary to use a reflective arrangement, so that there is a problem that the configuration of the optical system becomes complicated.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device, a terahertz wave generator, and a method for manufacturing the same that can realize a low-cost, simple, and compact terahertz light source. With the goal.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of earnestly examining the configuration of the terahertz wave generator capable of solving the above-mentioned problems, the present inventor has obtained a suitable light source by applying a transmission arrangement to a semiconductor crystal, and such As a result, the inventors have found that a transparent arrangement can be realized by using a Si substrate that hardly absorbs in the terahertz region.
[0010]
That is, a semiconductor device according to the present invention includes a Si substrate, a buffer layer made of AlSb formed on the Si substrate, and a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof epitaxially grown on the buffer layer. It is characterized by that.
[0011]
Similarly, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a buffer layer made of AlSb on a Si substrate, and a step of epitaxially growing a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof on the buffer layer. It is characterized by providing.
[0012]
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a transmission type terahertz wave generator, comprising the above-described method for manufacturing a semiconductor device.
[0013]
In the above semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, and terahertz wave generating device manufacturing method, a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof is used as a semiconductor crystal that generates a terahertz wave, and an Si substrate. The compound semiconductor layer is formed thereon. In this manner, by using a Si substrate that hardly absorbs in the terahertz region, a semiconductor device and a manufacturing method that can be applied to a transmissive terahertz wave generator are realized. Further, the Si substrate is inexpensive, and the cost of the apparatus can be reduced.
[0014]
Further, as the buffer layer for forming the compound semiconductor layer, AlSb, which is an Sb-based material having a lattice relaxation rate faster than that of the As-based material and has a lattice constant relatively close to InAs or the like, is used. Thereby, a flat and high-quality compound semiconductor layer can be grown on the Si substrate. Such a configuration can be realized by, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method.
[0015]
In addition, the terahertz wave generator according to the present invention includes a Si substrate and InAs, InSb, or a mixed crystal thereof epitaxially grown on the Si substrate, and a compound whose surface opposite to the Si substrate is an incident surface for pulse excitation light. A surface of the Si substrate opposite to the compound semiconductor layer is an emission surface of a terahertz wave generated in the compound semiconductor layer by incidence of pulsed excitation light.
[0016]
In the above-described terahertz wave generator, the compound semiconductor layer formed on the Si substrate is used to generate a terahertz wave, and pulse excitation light is incident from the compound semiconductor layer side, and the generated terahertz wave is generated on the Si substrate side. The transmission arrangement emitted from is applied. According to the transmission type configuration using such a Si substrate, the configuration of the optical system can be simplified as compared with the reflection type configuration. Moreover, installation of an electromagnet etc. becomes unnecessary. Therefore, a simple and small terahertz wave light source can be realized at low cost. In such a configuration, as described above, it is preferable that the buffer layer made of AlSb formed on the Si substrate is provided between the Si substrate and the compound semiconductor layer.
[0017]
Moreover, it is preferable that the generator is provided with a lens at a predetermined position where the terahertz wave passes on the exit surface of the Si substrate. Similarly, it is preferable that the manufacturing method of the generator includes a step of providing a lens at a predetermined position on the surface of the Si substrate opposite to the compound semiconductor layer. Thereby, the terahertz wave generated in the compound semiconductor layer by impedance matching can be emitted with sufficient intensity.
[0018]
Alternatively, the generator is preferably provided with a lens at a predetermined position through which the pulse excitation light passes on the incident surface of the compound semiconductor layer. Similarly, it is preferable that the method for manufacturing the generator includes a step of providing a lens at a predetermined position on the surface of the compound semiconductor layer opposite to the Si substrate. Thereby, it is possible to improve the generation efficiency of the terahertz wave by making the pulse excitation light incident while condensing it.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a semiconductor device, a terahertz wave generating device, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0020]
FIG. 1 is a side sectional view schematically showing a configuration of an embodiment of a semiconductor device according to the present invention. The present semiconductor device can be suitably applied to a terahertz wave generator. As shown in FIG. 1, the Si substrate 10, the buffer layer 11 made of AlSb formed on the Si substrate 10, and the buffer layer 11 And a compound semiconductor layer 12 epitaxially grown thereon.
[0021]
The compound semiconductor layer 12 is a semiconductor crystal layer used for generation of terahertz waves when the semiconductor device is applied to a terahertz wave generator, and is made of InAs. The Si substrate 10 used in the semiconductor device is a substrate that hardly absorbs in the terahertz region. With such a configuration, when the semiconductor device shown in FIG. 1 is used as a terahertz wave generator, the surface (upper surface in the drawing) 1a opposite to the Si substrate 10 of the InAs layer 12 is incident on the pulse excitation light. It is possible to realize a transmission type configuration in which the surface (lower surface in the drawing) 1b opposite to the InAs layer 12 of the Si substrate 10 is a terahertz wave emission surface.
[0022]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device and the terahertz wave generator illustrated in FIG. 1 will be described together with specific examples of the configuration. Here, a manufacturing method using a solid source molecular beam epitaxy (MBE) method will be described.
[0023]
First, the Si substrate 10 is prepared, subjected to hydrofluoric acid treatment, and then loaded into the chamber. Then, the oxide film is removed by heat treatment at a high temperature in a vacuum. Subsequently, the substrate temperature is set to about 500 ° C., and AlSb serving as the buffer layer 11 is grown to a thickness of about 100 to 200 nm (1000 to 2000 mm). At this time, the As-based compound has a tendency that the three-dimensional island-like growth mode due to the strain caused by the difference in lattice constant continues for a relatively long time, whereas the Sb-based compound has a high lattice relaxation rate, and the As-based compound is used. Transition to the two-dimensional growth mode in a shorter time compared to.
[0024]
Next, after the substrate temperature is lowered to about 400 ° C., the InAs layer 12 is epitaxially grown by the MBE method. The thickness of the InAs layer 12 is preferably set appropriately in consideration of applying the semiconductor device to a terahertz wave generator. Specifically, when the InAs layer 12 is thin, the radiation intensity of the terahertz electromagnetic wave is weakened. On the contrary, when the InAs layer 12 is thick, the absorption of the terahertz wave in the InAs layer 12 is increased. Usually, it is appropriate that the InAs layer 12 has a thickness of 1 μm or less. As described above, the semiconductor device and the terahertz wave generator having the configuration shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0025]
The effects of the semiconductor device, the terahertz wave generation device, and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described.
[0026]
In the semiconductor device, the manufacturing method of the semiconductor device, and the manufacturing method of the terahertz wave generator shown in FIG. 1, the InAs layer 12 is used as the semiconductor crystal that generates the terahertz wave, and the InAs layer 12 is formed on the Si substrate 10. doing. The Si substrate 10 used here is a substrate that hardly absorbs in the terahertz region. Therefore, a semiconductor device and a manufacturing method that can be applied to a transmission type terahertz wave generator are realized. Moreover, the Si substrate 10 is inexpensive, and the cost of the apparatus can be reduced.
[0027]
In the terahertz wave generator to which the semiconductor device shown in FIG. 1 is applied, a terahertz wave is generated using the InAs layer 12 formed on the Si substrate 10, and the pulse excitation light is on the surface on the InAs layer 12 side. A transmission arrangement in which a terahertz wave incident from 1a and emitted from the surface 1b on the Si substrate 10 side is applied. Such a transmission type configuration is possible by using the Si substrate 10 that hardly absorbs in the terahertz region. This makes it possible to simplify the configuration of the optical system as compared to the reflective configuration.
[0028]
Such a terahertz wave generator is more versatile than an apparatus using an optical switch element such that a complicated element manufacturing process using a lithography technique is unnecessary. Further, in this configuration, since no magnetic field is applied to the InAs layer 12, no installation of an electromagnet or the like is necessary. Therefore, a simple and small terahertz wave light source can be realized at low cost.
[0029]
Further, in the semiconductor device and the manufacturing method thereof shown in FIG. 1, AlSb, which is an Sb-based material having a lattice relaxation rate higher than that of the As system, is used as the buffer layer 11 for forming the InAs layer 12 on the Si substrate 10. Is used. In addition, AlSb is relatively close in lattice constant to InAs. This makes it possible to grow a flat and high-quality InAs layer 12 on the Si substrate 10.
[0030]
The semiconductor layer epitaxially grown on the Si substrate 10 via the AlSb buffer layer 11 is not limited to the InAs layer 12 shown in FIG. In general, a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof can be used as a semiconductor crystal that generates the terahertz wave. Also in this case, the manufacturing method, the effect obtained, etc. are the same as those described above.
[0031]
Here, the epitaxial growth of the III-V compound semiconductor on the Si substrate will be described in detail. Epitaxial growth of III-V compound semiconductors on Si substrates is aimed at the fusion of Si, which is inexpensive and excellent in thermal properties, with III-V compound semiconductors which are excellent in electrical and optical properties. Research has been focused on the growth of GaAs on the substrate.
[0032]
Conventionally, epitaxial growth of compound semiconductors has been performed between materials with close lattice constants, but as a method of obtaining a high-quality GaAs layer on a Si substrate by overcoming different crystal types, lattice constants, and thermal properties, A method using a graded buffer layer that starts growth from GaP having a lattice constant close to that of the Si substrate and gradually changes the composition from GaAsP to GaAs to the target lattice constant, or a two-stage growth method 62-219614), and a method using a strained superlattice as a buffer layer (see Japanese Patent Laid-Open No. 1-117017).
[0033]
Among these methods, the method using a graded buffer layer has a problem that a sufficiently thick buffer layer is required to reduce lattice distortion. In the two-stage growth method, polycrystalline or amorphous GaAs having a Si substrate temperature of 450 ° C. or lower and a thickness of about 20 nm is grown as a buffer layer, and then crystallized by heat treatment at about 600 ° C. To grow. In this method, a single crystal thin film can be obtained with certainty, but since the initial stage of growth is three-dimensional island growth, the flatness of the generally grown semiconductor layer is poor. In addition, the method using strained superlattices requires a sufficiently thick superlattice layer, and requires complicated manufacturing processes and growth techniques for alternately growing thin films of about 10 nm. .
[0034]
On the other hand, according to the above-described apparatus and manufacturing method for epitaxially growing the InAs layer 12 on the Si substrate 10 via the AlSb buffer layer 11, the flat and high quality is formed on the Si substrate that hardly absorbs in the terahertz region. It becomes possible to grow a compound semiconductor layer used for generation of terahertz waves.
[0035]
FIG. 2 is a side sectional view schematically showing a configuration of another embodiment of the semiconductor device according to the present invention. This semiconductor device can be suitably applied to a terahertz wave generation device, similarly to the device shown in FIG. 1, and includes an Si substrate 20 and an AlSb formed on the Si substrate 20 as shown in FIG. And a InAs layer 22 epitaxially grown on the buffer layer 21. With such a configuration, when the semiconductor device shown in FIG. 2 is used as a terahertz wave generator, the surface 2a of the InAs layer 22 becomes an incident surface for pulse excitation light, and the surface 2b of the Si substrate 10 has terahertz waves. It is possible to realize a transmission type structure that becomes an emission surface.
[0036]
In addition, the semiconductor device according to the present embodiment has a configuration in which the configuration using the AlSb buffer layer and the configuration using the two-step growth method are used together. That is, in the semiconductor device shown in FIG. 2, the GaAs low temperature growth buffer layer 23 and the GaAs high temperature growth buffer layer 24 are formed between the Si substrate 20 and the AlSb buffer layer 21.
[0037]
In such a method of manufacturing a semiconductor device, GaAs serving as the low temperature growth buffer layer 23 is grown on the Si substrate 20 at a low temperature of, for example, a substrate temperature of 200 ° C. to a thickness of about 10 nm. Then, after performing As molecular beam irradiation and heat treatment at 600 ° C., GaAs serving as the high-temperature growth buffer layer 24 is grown to a thickness of about 100 to 200 nm at a high temperature of the substrate temperature of 600 ° C. At this time, the GaAs high temperature growth buffer layer 24 formed on the GaAs low temperature growth buffer layer 23 is a single crystal. Thereafter, the growth of the AlSb buffer layer 21 at a substrate temperature of 500 ° C. and the growth of the InAs layer 22 at 400 ° C. are sequentially performed, thereby forming the semiconductor device shown in FIG.
[0038]
Also according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof shown in FIG. 2, it is possible to grow a flat and high-quality InAs layer 22 on the Si substrate 20, similarly to the configuration of FIG. 1 using only the AlSb buffer layer 11. Become. In particular, since the growth of threading dislocations is suppressed by using the GaAs layers 23 and 24 as buffer layers, the InAs layer epitaxially grown on the buffer layer can be further improved in quality.
[0039]
In the manufacturing method described above with respect to the semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2, an example using the MBE method of a solid source has been described. However, the MBE method using a gas source, metal organic chemical vapor deposition ( It is also possible to use the MOCVD method. Further, the above numerical values are only examples of the film thickness of each semiconductor layer constituting the semiconductor device, and the present invention is not limited to this. The compound semiconductor layer that generates terahertz waves is not limited to the InAs layer, but an InSb layer containing Sb or a layer made of a mixed crystal of InAs and InSb may be used as in the AlSb buffer layer. Street.
[0040]
Next, a terahertz wave generation device to which the semiconductor device having the above configuration is applied will be described together with a method for generating a terahertz electromagnetic wave using an InAs layer epitaxially grown on a Si substrate. FIG. 3 is a side view showing the configuration of an embodiment of the terahertz wave generator according to the present invention.
[0041]
The terahertz wave generator shown in FIG. 3 is a transmissive generator, and similarly to the semiconductor device shown in FIG. 1, the Si substrate 30, the AlSb buffer layer 31 formed on the Si substrate 30, and the buffer layer And an InAs layer 32 epitaxially grown on the substrate 31. In such a configuration, the surface 3a that is the epitaxial growth surface of the InAs layer 32 is an incident surface for pulse excitation light, and the surface 3b of the Si substrate 30 is an emission surface for a terahertz wave.
[0042]
In order to generate a terahertz wave in the InAs layer 32, the pulse excitation light L1 is irradiated from the incident surface 3a to the terahertz wave generator having such a configuration. An excitation light source (not shown) for supplying the pulse excitation light L1 is preferably an ultrashort pulse light source, and for example, a titanium sapphire laser having a pulse width of about 100 fs is used. At this time, considering the reflection of the excitation light on the surface 3a of the InAs layer 32, the pulse excitation light L1 is incident at an angle θ with respect to the normal direction of the growth surface 3a.
[0043]
When pulsed excitation light is incident on the generator, a terahertz wave L2 is generated by carriers excited in the InAs layer 32. The terahertz wave L2 generated in the InAs layer 32 passes through the Si substrate 30 and is radiated to the outside from the emission surface 3b. In FIG. 3, a lens 35 is provided at a predetermined position where the terahertz wave L <b> 2 passes on the emission surface 3 b of the Si substrate 30.
[0044]
FIG. 4 is a graph showing the incident angle dependence of the pulse excitation light of the terahertz wave intensity generated in the InAs layer. In this graph, the horizontal axis indicates the incident angle θ (deg.) Of the pulse excitation light L1 with respect to the incident surface 3a, and the vertical axis indicates the peak intensity (arb. Units) of the generated terahertz wave.
[0045]
As shown in this graph, when a terahertz wave is generated in the InAs layer 32, the optimum arrangement is obtained in the vicinity of 70 °, which is in the vicinity of the Brewster angle. At this time, a terahertz wave is generated by an instantaneous current induced in InAs. Since the terahertz wave is generated in the direction perpendicular to the direction of the dipole moment, it is radiated to the Si substrate 30 side here. Further, since the Si substrate 30 hardly absorbs in the terahertz region as described above, the terahertz wave radiated from the InAs layer 32 can be extracted almost as it is from the emission surface 3 b of the Si substrate 30.
[0046]
In addition, since the transmission arrangement in which the terahertz wave generated in the InAs layer 32 is extracted from the Si substrate 30 side is used, the lens 35 can be mounted on the surface 3b of the Si substrate 30 serving as an emission surface. Thereby, impedance matching can be taken and terahertz waves can be enhanced. Specifically, it is preferable to use Si, MgO or the like as the lens 35 in consideration of the refractive index in the terahertz region. In particular, when a Si lens is used, the device can be miniaturized because it can be integrally formed with a Si substrate, and its packaging is facilitated.
[0047]
Further, by using the configuration in which the lens 35 enhances the terahertz wave in this way, for example, it is unnecessary to enhance the terahertz wave by applying a magnetic field to the semiconductor crystal. Therefore, the entire system including the terahertz wave generator can be reduced in size without requiring a complicated optical system.
[0048]
FIG. 5 is a graph showing a time waveform of a terahertz wave obtained in the above-described terahertz wave generator. In this graph, the horizontal axis represents time (ps, delay time), and the vertical axis represents the intensity (arb. Units) of each terahertz wave. Graph A shows a time waveform when no lens is installed, and graph B shows a time waveform when an MgO lens is installed. As shown in this graph, the peak intensity of the emitted terahertz wave is increased by using a transmission type structure that emits the terahertz wave to the Si substrate 30 side and providing the lens 35 on the emission surface 3b. Can do.
[0049]
As for the installation of the lens with respect to the terahertz wave generator, the configuration shown in FIG. 3 shows a configuration in which the lens 35 through which the terahertz wave L2 passes is provided on the emission surface 3b of the Si substrate 30. On the other hand, it is good also as a structure which provides the lens for excitation light condensing in the predetermined position where the pulse excitation light L1 passes on the entrance plane 3a of the InAs layer 32, and improves the generation efficiency of a terahertz wave.
[0050]
Further, if the lens on the incident surface 3a for the pulse excitation light and the lens on the output surface 3b for the terahertz wave are used in combination, the radiation intensity of the terahertz wave can be further increased. Application of such a lens has been difficult with the conventional reflection arrangement in which the pulse excitation light is incident and the terahertz wave is emitted on the same surface, but according to the above-described configuration using the transmission arrangement, such a lens is used. Can be applied.
[0051]
【The invention's effect】
As described in detail above, the semiconductor device, the terahertz wave generator, and the manufacturing method thereof according to the present invention have the following effects. That is, a semiconductor device that uses a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof as a semiconductor crystal that generates a terahertz wave and forms the compound semiconductor layer on a Si substrate, a method for manufacturing the semiconductor device, and a terahertz wave According to the manufacturing method of the generator, a semiconductor device and a manufacturing method applicable to a transmission type terahertz wave generator can be realized by using a Si substrate that hardly absorbs in the terahertz region. Further, the Si substrate is inexpensive, and the cost of the apparatus can be reduced. Furthermore, as a buffer layer for forming the compound semiconductor layer, an AlSb that is an Sb-based material having a lattice relaxation rate faster than that of an As-based material and has a lattice constant relatively close to InAs or the like is used. A flat and high-quality compound semiconductor layer can be grown on the substrate.
[0052]
In addition, a terahertz wave is generated using the compound semiconductor layer formed on the Si substrate, and pulsed excitation light is incident from the compound semiconductor layer side, and the generated terahertz wave is emitted from the Si substrate side. According to the applied terahertz wave generator, the configuration of the optical system can be simplified as compared with the reflective configuration. Moreover, installation of an electromagnet etc. becomes unnecessary. Therefore, a simple and small terahertz wave light source can be realized at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of an embodiment of a semiconductor device.
FIG. 2 is a side sectional view showing a configuration of another embodiment of a semiconductor device.
FIG. 3 is a side view showing a configuration of an embodiment of a terahertz wave generation device.
FIG. 4 is a graph showing the dependence of terahertz wave intensity on the incident angle of pulsed excitation light.
FIG. 5 is a graph showing a time waveform of a terahertz wave.
[Explanation of symbols]
10, 20, 30 ... Si substrate, 11, 21, 31 ... AlSb buffer layer, 12, 22, 32 ... InAs compound semiconductor layer, 23 ... GaAs low temperature growth buffer layer, 24 ... GaAs high temperature growth buffer layer, 35 ... lens, 1a, 2a, 3a ... incidence surface of pulse excitation light, 1b, 2b, 3b ... emission surface of terahertz wave.

Claims

Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＳｂからなるバッファ層と、
前記バッファ層上にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層と
を備えることを特徴とする半導体装置。A Si substrate;
A buffer layer made of AlSb formed on the Si substrate;
A semiconductor device comprising: a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof epitaxially grown on the buffer layer.

Ｓｉ基板上にＡｌＳｂからなるバッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層上にＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなる化合物半導体層をエピタキシャル成長するステップと
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a buffer layer made of AlSb on a Si substrate;
And a step of epitaxially growing a compound semiconductor layer made of InAs, InSb, or a mixed crystal thereof on the buffer layer.

請求項２に記載の半導体装置の製造方法を備える透過型のテラヘルツ波発生装置の製造方法。A method for manufacturing a transmissive terahertz wave generator comprising the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2.

前記Ｓｉ基板の前記化合物半導体層と反対側の面上の所定位置にレンズを設けるステップを備えることを特徴とする請求項３記載のテラヘルツ波発生装置の製造方法。4. The method for manufacturing a terahertz wave generation device according to claim 3, further comprising a step of providing a lens at a predetermined position on a surface of the Si substrate opposite to the compound semiconductor layer.

前記化合物半導体層の前記Ｓｉ基板と反対側の面上の所定位置にレンズを設けるステップを備えることを特徴とする請求項３または４記載のテラヘルツ波発生装置の製造方法。5. The method for manufacturing a terahertz wave generating device according to claim 3, further comprising a step of providing a lens at a predetermined position on a surface of the compound semiconductor layer opposite to the Si substrate.

Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、またはその混晶からなり、前記Ｓｉ基板と反対側の面がパルス励起光の入射面となる化合物半導体層とを備え、
前記Ｓｉ基板の前記化合物半導体層と反対側の面が、前記パルス励起光の入射によって前記化合物半導体層内で発生したテラヘルツ波の出射面となっていることを特徴とする透過型のテラヘルツ波発生装置。A Si substrate;
A compound semiconductor layer comprising InAs, InSb, or a mixed crystal thereof epitaxially grown on the Si substrate, and a surface opposite to the Si substrate being an incident surface of pulse excitation light;
Transmission type terahertz wave generation characterized in that a surface of the Si substrate opposite to the compound semiconductor layer is an emission surface of a terahertz wave generated in the compound semiconductor layer by incidence of the pulse excitation light apparatus.

前記Ｓｉ基板と、前記化合物半導体層との間に、前記Ｓｉ基板上に形成されたＡｌＳｂからなるバッファ層が設けられていることを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ波発生装置。The terahertz wave generator according to claim 6, wherein a buffer layer made of AlSb formed on the Si substrate is provided between the Si substrate and the compound semiconductor layer.

前記Ｓｉ基板の前記出射面上で前記テラヘルツ波が通過する所定位置にレンズが設けられていることを特徴とする請求項６または７記載のテラヘルツ波発生装置。The terahertz wave generation device according to claim 6 or 7, wherein a lens is provided at a predetermined position through which the terahertz wave passes on the emission surface of the Si substrate.

前記化合物半導体層の前記入射面上で前記パルス励起光が通過する所定位置にレンズが設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載のテラヘルツ波発生装置。9. The terahertz wave generation device according to claim 6, wherein a lens is provided at a predetermined position through which the pulse excitation light passes on the incident surface of the compound semiconductor layer.