JP2005019472A - 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 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】テラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板３０を用い、このＳｉ基板３０上に、ＡｌＳｂバッファ層３１を形成し、さらにバッファ層３１上に、テラヘルツ波の発生に用いられる半導体結晶層としてＩｎＡｓ層３２をエピタキシャル成長する。そして、ＩｎＡｓ層３２の面３ａをパルス励起光Ｌ１の入射面とし、Ｓｉ基板３０の面３ｂをパルス励起光Ｌ１によってＩｎＡｓ層３２内で発生したテラヘルツ波Ｌ２の出射面とする透過型の構成とする。
【選択図】 図３
【解決手段】テラヘルツ領域でほとんど吸収がないＳｉ基板３０を用い、このＳｉ基板３０上に、ＡｌＳｂバッファ層３１を形成し、さらにバッファ層３１上に、テラヘルツ波の発生に用いられる半導体結晶層としてＩｎＡｓ層３２をエピタキシャル成長する。そして、ＩｎＡｓ層３２の面３ａをパルス励起光Ｌ１の入射面とし、Ｓｉ基板３０の面３ｂをパルス励起光Ｌ１によってＩｎＡｓ層３２内で発生したテラヘルツ波Ｌ２の出射面とする透過型の構成とする。
【選択図】 図３
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。
【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。
Claims (9)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
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| WO2014104224A1 (ja) | 2012-12-26 | 2014-07-03 | Nakajima Toshihiro | ＰＧＣ－１β蛋白質の機能調整剤，ミトコンドリア機能の調節剤，抗肥満剤及びそれらスクリーニング方法 |
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2003
- 2003-06-23 JP JP2003178562A patent/JP2005019472A/ja active Pending
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