JP2006313803A - テラヘルツ電磁波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＴＨｚ−ＴＤＳ法は、強度においては最大で１０μＷ程度までの放射しか実現しない。また、その帯域も１．５ＴＨｚ程度までは到達しているものの０．３ＴＨｚ付近を最大値としており、１．５ＴＨｚでの強度は０．１μＷ程度にしかなっていない。より高出力かつ広帯域なテラヘルツ帯電磁波発生装置が必要となる。
【解決手段】 前記目的を達成するために従来のＬＴ−ＧａＡｓだけの放射アンテナに対してアバランシェ増倍層２０５を設けることでキャリアの増倍を促進し、アバランシェ増倍層２０５の挿入によって生じる問題点も電荷堰き止め層３０２の挿入と電磁波放射用窓３０４の作製によって解消させた。
【選択図】図２

Description

この発明は強度の大きいテラヘルツ電磁波を発生させることができ、高速大容量での無線通信へ応用することのできるテラヘルツ電磁波発生装置に関し、あるいは半導体、誘電体等の材料評価に利用し、特にテラヘルツ帯で使用する素子を構成する材料の複素屈折率などを測定する複素誘電率測定装置としても応用が可能である。

従来、テラヘルツ帯のような産業応用が進んでおらず、未開拓ともいえる周波数領域に対する電磁波源としては、後進波管や分子レーザーなどが用いられてきた。ここで言うテラヘルツ帯とは０．１ＴＨｚから５ＴＨｚ迄の帯域のことであり、光波の直進性、粒子性を有している最長波長領域であり、同時に電波の透過性を有する最短波長域との重なる帯域を指している。一方で、検出にはＩｎＳｂ等、固体中の電子ガスの電磁波吸収による抵抗変化を測定するホットエレクトロンボロメーターが多用される。

しかし、これらの電磁波源は周波数が離散的、或いは可変であっても周波数範囲が狭く、得られる電磁波強度も１マイクロワット（μＷ）以下と弱いいため、テラヘルツ帯の電磁波を１ｍから１０ｍの範囲で送受信することは難しかった。

これらの課題を解決するため、パルスレーザー励起の光伝導素子を用いた分光法が１９８５年頃開発された。

この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば光キャリアの生成により瞬間的に導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。また、光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。

光パルスを用いた例では、１ＴＨｚ近傍の高周波電磁波に対する試料の応答を測定するための装置として、ＴＤＳ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれる装置（特許文献１を参照）がある。

図９は従来のＴＤＳの概略構成図である。この図に示すように、ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｉｒｅレーザーなどからなるフェムト秒レーザー２２からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、一方の超短パルス光２５（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２５を「第１の超短パルス光」という場合がある）を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表面には、図１０に示すようにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるコプラナー型の対電極１０５が設けられており、それらの間には電源３０から電圧が印加される。第１の超短パルス光２５が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、このときパルス電磁波３２が放射される。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化して試料３４を透過させ、第２放物面鏡３６により電磁波検出用の受信アンテナ２９の裏面に集める。

受信アンテナ２９の表面にはビームスプリッタ２４で分割されたもう一方の超短パルス光２６（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２６を「第２の超短パルス光」という場合がある）が照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。この時点では受信アンテナ２９の電極間に電界が印加されていないので電流は生じない。導電性を示している間に放射アンテナから放射された電磁波が入ってくると、受信アンテナ２９の電極間には電磁波が有している電界が印加されたのと同様の状態となる。一方、光学遅延ステージ４１・４２によって時間遅延を受けた光はその遅延量によって試料３４を透過して来た電磁波３５との相関量が変化する。この相関量が電磁波が有している電界強度に対応した量の電流となって観測される。つまり、電磁波の電界強度が有しているパルス形状に応じた電流量が得られることになる。これが相互相関法による電磁波パルス検出の原理である。以上によって、試料３４を透過して来た電磁波３５と、光学遅延ステージ４１・４２を経由した超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出することができ、テラヘルツ帯域のように通常の電子デバイスでは応答しきれないような高速の電磁波であっても検出が可能となる。

このとき電磁波放射アンテナ２８と電磁波検出用アンテナ２９には、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上に基板温度を３００℃から４５０℃の低温で結晶成長させたＧａＡｓ（低温ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓという場合がある）１０３を用い、フェムト秒レーザー波長としてはＧａＡｓの吸収端（８７３ｎｍ）よりも短波長の８００ｎｍを使用している。

なお、図９中、１３はレンズ、３０は電源、３４は試料、３７はカレントアンプ、３８はロックインアンプ、３３はオプティカルチョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動式光学遅延ステージ、４３はコンピュータを示す。

従来までの光伝導アンテナによるテラヘルツ電磁波放射は、超短パルス光照射によって発生する電流をｉ、発生したキャリアによって生成される分極をＰ、素電荷量をｅ、アンテナ電極への印加電界強度をＥ、キャリア濃度をｎ、移動度をμとしたとき、

のように示される。ここでは、超短光パルスが照射されたときに発生する電荷のキャリア濃度および移動度の時間変化量に比例し、同時に電極間に印加された電界強度に比例する。つまり、ある一定電界が印加されている状態ではキャリア濃度の時間変化量が大きい程、電界で加速されていく電荷の移動度の時間変化量が大きいほど放射電磁波強度は大きくなる。

図１１（ａ）にはアンテナの応答速度に対する電流の減衰特性を示している。電極ギャップ間に電界が印加されている状態のアンテナに７５ｆｓのパルス幅を持つ光が入射した場合のアンテナに発生する電流の時間変化をアンテナの応答速度（時定数）τをパラメーターとして示したものである。キャリアの発生には時間のずれはほとんど生じないためτの大小にかかわらずパルスレーザー光のパルス幅と同じ立ち上がりを示す（時間軸で言うところの負側）。一方で発生したキャリアには材料に応じた時定数が存在するためパルスレーザーの照射が終了していても瞬時に消滅はせず、ある一定の時定数τで電子正孔対が再結合を起こして消滅していく。この過程がキャリアの寿命と呼ばれるものを定義しており、材料に大きく依存する特性である。この結果においてはτの値に伴って電流の減衰していく時間が伸びていく様子がわかる。

図１１（ｂ）には電流の減衰特性から得られる放射電磁波強度を示した。これは図１１（ａ）において示した電流の減衰特性を（数１）を用いて表現することで得られる結果である。ここで得られた結果から、アンテナ材料の持つ時定数τと電磁波強度Ｉとは互いに独立であって、どの時定数の場合でも光電流の発生量が等しければ得られる電磁波強度は同じであることがわかる。

図１１（ａ）および（ｂ）に示したように、発生した光電流が緩やかに減衰していったとしても放射電磁波強度に影響を与えることはなく、光電流値が増加していくことが放射電磁波強度の増加につながっている。数的には放射電磁波強度が光電流との微分で表されるため、減衰時の傾きの大小は考慮しなくても良く、その符号が変わる時点が光電流値の最高到達点であり、同時に放射電磁波強度の最高到達点ともなる。すなわち、アンテナの応答速度は放射電磁波の強度には関係が無く、超短パルス光照射によって発生したキャリアの減衰が緩やかであったとしても放射電磁波強度には影響を与えない。

このテラヘルツＴＤＳ法では、用いられる電磁波が短パルスであるため、コヒーレント性に優れている。このため電磁波の強度と位相から重要な情報が得られ、物性測定用の装置としても応用が可能である。試料３４を透過してきた電磁波波形と試料３４を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。この手法によって得られる実データは図５（ａ）に示したような横軸に時間軸をとった時間分解スペクトルが得られるが、これをフーリエ変換することによって図５（ｂ）に示したような横軸が周波数成分となる周波数スペクトルを得ることができる。

ところで、検出用光伝導素子は光パルス照射間に入射してくるパルス電磁場電場によって駆動される電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。

したがって、光パルスもパルス電磁波も光速で検出用光伝導素子に繰り返し入射するが、各回においてパルス電磁波の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較して光パルスの照射時間は短い。そのため、光パルスが照射している間の検出用光伝導素子に流れる電流はパルス電磁波の電場のごく短い部分によるものであり、さらに光パルスとパルス電磁波とが検出用光伝導素子に到達するタイミングは時間遅延により固定されている。

光パルスの繰り返し周波数が例えば約１００ＭＨｚの場合、光パルスとパルス電磁波とが毎秒約１０⁸回検出用光伝導素子に入射してくるが、パルス電磁波の電場のごく短い部分は毎回パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分であり、全く同じ電流が毎秒約１０⁸回流れることになる。実際の電流計はこのような速い電流の変化に追随できないため、毎秒約１０⁸回のパルス電流の平均値が測定される。したがって、パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分が電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことによりパルス電磁波波形の他の部分も測定できる。このようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、今日ではその出力特性、広帯域特性ともに最も優れたテラヘルツ電磁波発生方法ならびに検出手法の一つとなっている。
特開２００１−２１５０３号公報 特開昭６２−２８１４７７号公報 特開昭６２−１９６８７６号公報 特開昭６３−０１２１２０号公報 特開２００３−８３８８８号公報（特許第３５９８３７５号） Physical Review Letters vol.55(1985),pp.2152-2155 InfraredPhysics vol.26(1986),pp.23-27

前述のＴＤＳ法における光伝導アンテナは現状ではコヒーレントで広帯域な電磁波を発生させうるもっとも簡便な手法であるが、強度においては最大で１０μＷ程度までの放射しか実現しない。また、その帯域も１．５ＴＨｚ程度までは到達しているものの０．３ＴＨｚ付近を最大値としており、１．５ＴＨｚでの強度は０．１μＷ程度にしか達していない。

テラヘルツ波を通信応用など、空間の伝送に用いるためにはより強力な電磁波が放射される必要がある。また、測定器として用いる場合にも１〜３ＴＨｚの領域で電磁波強度が十分でないとＳ／Ｎがとれず測定値の信頼性が危うくなる。

そこで、より高出力かつ広帯域なテラヘルツ帯電磁波発生装置が必要となっていた。

一方で、実際により強力な電磁波放射を行おうとしても印加電圧や入射光強度を現状で用いているような１５Ｖ、１５ｍＷ以上にして使用するとアンテナ材料の絶縁破壊が生じてアンテナが壊れてしまうため、従来技術を用いたテラヘルツ電磁波の発生方法では事実上この値がほぼ限界であった。

そこで、次のような検討を行った。光伝導アンテナにおける放射電磁波強度は（数１）で表現されるので、光伝導アンテナにおける放射電磁波強度を増大するには、超短光パルスが照射されたときに発生する電荷のキャリア濃度の時間変化量を継続して増加させればよい。その結果、光電流値の最高到達点が高くなり、放射電磁波強度が増大する。

そこで、従来までの光伝導アンテナに対してアバランシェ増倍機能を付加した構造を検討した。図１にその構成を示す。

最近接距離が５μｍとなっている上部コプレナー線路２０１および下部コプレナー線路２０２とアバランシェ増倍用上部電極２０３とを、互いに接触しないように放射アンテナ２８の表面に構成した。放射アンテナ２８の本体は不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3添加したｎ型ＧａＡｓ基板２０７上に、同じく不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3添加した厚さ５００ｎｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６、組成ｘが０．１のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓで故意に不純物添加されていない厚さ０．３μｍ程度のアバランシェ増倍層２０５、厚さ０．５μｍで、結晶成長温度が４００℃程度の低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）２０４を順次積層することによって構成した。また、アンテナの裏面に当たるｎ型ＧａＡｓ基板２０７には裏面電極２０８を形成した。

このようにして構成した放射アンテナ２８の上部コプレナー線路２０１と下部コプレナー線路２０２に１５Ｖ程度の電圧を電源３０によって印加するとともに、アバランシェ増倍用上部電極２０３と裏面電極２０８との間に第２電源２０９によって１５Ｖの電圧を印加した。超短パルス照射により、素子表面で発生した電荷をアバランシェ増倍層２０５にて増倍することでキャリア濃度の増加を促進して、放射電磁波強度の増強を行おうとした。

しかしながら、本構成では以下の３点の課題が発生した。すなわち、
（１）電極を基板裏面に形成したため、電磁波が透過しにくい導電性基板や導電層を使用することになり、裏面より取り出せる電磁波強度が低くなった。
（２）アンテナ表面に電極を形成したために、アンテナに対する効率的な光照射が妨げられるとともに、アンテナ電極間での効率的な光電流発生が妨げられて、電磁波強度が低くなった。
（３）発生したキャリアを増倍層へ流れ込ませる必要があるが、このことによって表面と裏面との間に電流が生じてしまい、アンテナ電極間での効率的な光電流発生が妨げられて、電磁波強度が低くなった。

本発明は上記の課題にかんがみて、高出力であるとともに広帯域な、さらには効率の高いテラヘルツ帯電磁波発生装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためには、まず光伝導アンテナにおいて、超短光パルスが照射されたときに発生する電荷濃度の時間変化量を増え続けさせて光電流値の最高到達点を高くして放射電磁波強度を増大させる必要がある。

そこで、アバランシェ増倍効果を効率的に付加するために電荷堰き止め層を導電性基板とアバランシェ増倍層との間に挿入して、発生したキャリアを増倍層へ流れ込ませた後には裏面電極にキャリアを到達させず、表面電極においてキャリアの掃引がすべて行えるようにして、アンテナ電極間での効率的な光電流発生を維持したまま効率的なアバランシェ増倍を実現した。この、電荷堰き止め層を挿入することにより、この層をエッチングストップ層として用いることによって素子表面側の電極構造と裏面の電磁波取り出し用窓の作製が可能となった。その結果、アンテナ裏面に電極や導電性の層が存在していても発生した電磁波を損失なく裏面から取り出せるようになった。また、アンテナ電極をアバランシェ増幅用電極として使用することにより、アンテナ表面に余分な電極を形成する必要がなくなるため、アンテナに対する効率的な光照射が妨げられることもなくなった。

具体的には、超短パルス光を放射する光源と、電磁波放射用アンテナとを備えたテラヘルツ波発生装置であって、
前記電磁波放射用アンテナは、
導電性基板と、前記導電性基板上に形成されたバッファ層上に、１．７ｅＶ以上２．２ｅＶ以下のバンドギャップエネルギーを有している電荷堰き止め層と、１．５ｅＶ以上２．０ｅＶ以下のバンドギャップエネルギーを有しているアバランシェ増倍層と、低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓとも言う）層とを積層して構成され、
素子表面には伝送線路を有し、前記伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
前記伝送線路は、その一対の伝送線路電極本体のうち一方の突起電極直下において電荷堰き止め層迄の深さを有しており、
素子裏面に電極を有し、素子表面にある前記伝送線路の少なくとも一方との間に印加する電界強度は１×１０⁵Ｖ／ｃｍ以上５×１０⁶Ｖ／ｃｍ以下の電界であって、
前記突起電極間に、波長５４０ｎｍ以上８７０ｎｍ以下で平均強度が１５ｍＷ以上１Ｗ以下の超短パルス光を光源より照射することによって
アバランシェ増倍を受け、電荷堰き止め層で堰き止められたキャリアを挿引し、次のパルスが来るまでにキャリアを初期状態に戻す効果を有し、従来よりもキャリアが増倍した分だけ強度の増大した電磁波を発生させることができる。

第２の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生装置の電荷堰き止め層は故意に不純物添加されておらず、
膜厚が８ｎｍ以上１００ｎｍ以下であって、
Ｉｎ_sＡｌ_1-sＰ（０．４≦ｓ≦０．６）、Ｉｎ_tＧａ_1-tＰ（０．４≦ｔ≦０．６）、ＧａＳｂ_uＰ_1-u（０．２≦ｕ≦０．４）
のいずれかによって構成する。

このことによってアバランシェ増倍を受けたキャリアは電荷堰き止め層をトンネルすることなく、またアバランシェ増倍層との界面にある伝導帯バンド不連続障壁を乗り越えることなく堰き止められる。さらには導電性基板を含めた電荷堰き止め層以外の層がＡｓを含んでいるためエッチングストップ層として働き、表面の電極構造と裏面の放射窓作製において素子作製の面でも非常に有益な層となる。

第３の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生装置のアバランシェ増倍層は故意に不純物添加されておらず、
膜厚が０．３μｍ以上２μｍ以下であって、
組成ｘが０．１以上０．７以下のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
で構成することによって、一層上にあるＬＴ−ＧａＡｓ層との伝導帯バンド不連続障壁を高くしないようにし、光照射でＬＴ−ＧａＡｓにて発生したキャリアを円滑に導き込むことができるようにしてある。

第４の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生装置のアバランシェ増倍層は故意に不純物添加されておらず、
膜厚が５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であって、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ≦０．３）によって構成されている井戸層と
膜厚が１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下であって、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．１≦ｘ≦０．７）、Ｉｎ_sＡｌ_1-sＰ（０．４≦ｓ≦０．６）、Ｉｎ_tＧａ_1-tＰ（０．４≦ｔ≦０．６）、ＧａＳｂ_uＰ_1-u（０．２≦ｕ≦０．４）のいずれかで構成される障壁層
とで構成される超格子構造とすることによって、アバランシェ増倍の効率を高めることができる。

本発明のテラヘルツ帯電磁波放射用アンテナによれば、最大ピーク強度が１０μＷ以上となるテラヘルツ帯電磁波が発生でき、１．５ＴＨｚを超える領域においてであっても１μＷ以上の出力が得られる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生装置が提供され、５ＴＨｚの帯域まで感度よく電磁波強度を検知でき、物質の誘電率を観測できる測定器としての利用が可能となる。

（実施の形態１）
本発明で用いた光伝導素子の概観図を図２に示す。この光伝導素子は図９において参照符号２８により示される電磁波放射用アンテナとして本発明のテラヘルツ電磁波発生装置に組み込まれる。

放射アンテナ２８の本体は、例えば不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3程度添加されているｎ型ＧａＡｓ基板２０７上に、同じく不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3程度添加した厚さ５００ｎｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６、例えば組成ｙが０．４以上から０．６以下であって、故意に不純物添加をしておらず、膜厚が１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下のＩｎ_yＡｌ_1-yＰ電荷堰き止め層３０２、例えば組成ｘが０．１以上のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓで構成され、故意に不純物添加されていない厚さ０．３μｍ以上２μｍ以下のアバランシェ増倍層２０５、厚さ０．５μｍで、結晶成長温度が３００℃〜４５０℃程度の低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）２０４を順次積層することによって構成されている。また、アンテナの裏面に当たるｎ型ＧａＡｓ基板２０７にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによる裏面電極２０８が構成されている。

この光伝導素子表面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによる上部線路２０１および変形下部線路３０１との距離が５μｍとなるように構成されており、特に下部線路３０１は、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５をＨＦ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５のエッチング液で（１１１）Ａ面を出すようにメサエッチを施した後にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着して構成する。このとき、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＰ電荷堰き止め層３０２はエッチングストップ層の役目も果たす。

以上のような構成の放射アンテナ２８の動作原理について説明する。

上部線路２０１と変形下部線路３０１に１５Ｖ程度の電圧を電源３０によって印加する。このとき変形下部線路３０１が上部線路２０１より高電位となるように電圧印加する。また、裏面電極２０８には増倍制御用電源３０３によって電圧印加を行えるようにもしてある。増倍制御用電源３０３は可変電圧であり、上部線路２０１より裏面電極が高電位となるように電圧印加する。

このような放射アンテナ２８に対し、従来例で示したように第１の超短パルス光２５が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、このときパルス電磁波３２が放射される。超短パルス光２５の波長は８００ｎｍであるので、光の侵入長は１μｍ程度である。このとき、光パルスがＬＴ−ＧａＡｓ層２０４で吸収され、光電流が発生し、これに伴ってテラヘルツ電磁波が発生する。このときの超短パルス光２５の波長には制限がある。まず、波長が短いと光が表面層だけで吸収され、発生したキャリアがアバランシェ増倍層２０５へのキャリア移動ができなくなってしまう。そこで、侵入長を０．１μｍ以上とするために、超短パルス光の波長は５４０ｎｍ以上である必要がある。一方、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下の波長ではＬＴ−ＧａＡｓ層２０４を透過してしまうので、超短パルス光の波長はＧａＡｓのバンドギャップエネルギーである８７０nm以下とする必要がある。

本発明のテラヘルツ電磁波放射アンテナは、超短パルス光照射により素子表面近傍で発生した電荷をアバランシェ増倍層２０５にて増倍することでキャリア濃度の増加を促進させ、放射電磁波強度の増強を行うことができる。このキャリア濃度の増倍について以下で説明する。

前述したように変形下部線路３０１が上部線路２０１より高電位となるように電圧印加してある。一方、裏面電極２０８には増倍制御用電源３０３によって、裏面電極２０８が上部線路２０１より高電位となるように電圧印加を行えるようにしてある。このとき、超短パルス光照射によって発生した電荷、特にこの場合電子は変形下部線路３０１から上部線路２０１に向かっている電界によって掃引され、変形下部線路３０１へと向かっていく。また同時に上部線路２０１と裏面電極２０８との間の電位差によって生ずる電界により、一部の電子はアバランシェ増倍層２０５へ向かう。前述したように、変形下部線路３０１と上部コプレーナ線路２０１との距離は５μｍである。一方、膜厚の詳細については後述するが、アバランシェ増倍に関する電子の走行距離は素子の膜厚にほぼ等しく、１μｍ程度である。また、変形下部線路３０１と上部線路２０１との間の、素子に対する水平方向電界は３×１０⁴ｃｍ／Ｖであり、アバランシェ増倍に必要な素子に対する膜厚方向電界は１×１０⁵ｃｍ／Ｖである。このことから光照射で発生した電子は表面にある線路間を走行するよりもアバランシェ増倍層２０５へ引き込まれやすい。また、変形下部線路３０１の突起部においてはメサエッチングによって深さ方向に向かって先細るように電極形成しているので、深さ方向に引き込まれた電子ほどアバランシェ増倍層２０５内を長く走行する。アバランシェ増倍層２０５に引き込まれた電子は電離衝突を繰り返し、キャリアの増倍を引き起こしながら裏面電極２０８に向かって進むが、アバランシェ増倍層２０５よりもバンドギャップエネルギーの大きい電荷堰き止め層３０２によって堰き止められ、この層の直上まで掘り下げてある変形下部線路３０１に流れ込むことで掃引が完了する。

以上によって、電極構造を簡素化し、アバランシェ増倍を実現しつつもそのキャリアを線路間での掃引を実現できる。また、電荷堰き止め層３０２をエッチングストップ層として利用していることで素子の表面からも裏面からも所望の溝を作製でき、変形下部線路３０１のような構造と電磁波放射用窓３０４を同時に作製できる。電磁波放射用窓３０４を電荷堰き止め層３０２のところまで掘り込めるので、不純物添加された層に阻害されることなく発生電磁波を効率よく素子外に取り出すことが出来る。

このときのキャリア増倍と印加電圧との関係を説明するために上部線路２０１と裏面電極２０８との間に増倍制御用電源３０３によって電界印加した時のバンドの様子、とりわけ伝導帯のバンド図を図３に示した。図３は放射アンテナ２８を構成している各層に対応した伝導帯の接合状態を示したものであるって、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４の表面で発生する電子３１１、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５との界面に存在する伝導帯バンド不連続ΔＥｃ₁３１２、アバランシェ増倍層２０５と電荷堰き止め層３０２との界面に存在する伝導帯バンド不連続ΔＥｃ₂３１３、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４を走行する電子３１４、アバランシェ増倍層２０５を走行する電子３１５、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５と電荷堰き止め層３０２とに印加されている電界３１６をそれぞれ示している。電界３１６は増倍制御用電源３０３によって、裏面電極２０８が上部線路２０１より高電位となるように電圧印加しているので、裏面電極２０８側から上部線路２０１側へ向かっている。また、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５と電荷堰き止め層３０２の各々は不純物添加を故意に行っていないため、各層とも高抵抗であり、電界を緩和する要素がないので電界３１６はどの層においてもほぼ同じ値をとる。

ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４の表面で発生する電子３１１が電界３１６によってアバランシェ増倍層２０５へ導かれるには、図３における伝導帯バンド図に示したように、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４を走行する電子３１４に対して、ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５との界面に存在するバンド不連続ΔＥｃ₁３１２を乗り越えられるだけのエネルギーを与えるだけの電位が必要である。ちなみに、ΔＥｃ₁＝０．０５ｅＶであるならばこの電位差は０．５Ｖ程度必要となる。

さらに、アバランシェ増倍層２０５においてアバランシェ増倍層２０５を走行する電子３１５が電離衝突を繰り返し、キャリアの増倍が開始される最小の電界は１×１０⁵Ｖ／ｃｍであるので、このアバランシェ増倍層２０５の膜厚が０．３μｍであるならば少なくとも３Ｖの電位差が必要となる。

アバランシェ増倍は１×１０⁵Ｖ／ｃｍ以上の電界強度によって発生するが、キャリアの走行距離に伴って増倍量は増加していく。ただし、この量は無限にとれるわけではなく、増倍量が高すぎると電流が流れ過ぎることになり、素子の絶縁破壊につながる。増倍率は最大でも１００倍程度が限度となることが知られており、０．３μｍで２倍となることを考えると２の７乗である１２８倍になる直前の２μmが上限の膜厚といえる。ただし、膜厚が大きいことは作製工程上、好ましくないため、通常は０．３μｍから０．５μｍ程度の膜厚を用い、印加電界強度を調節することによって増倍率を制御するほうが好ましい。

アバランシェ増倍を制御する上で必要となる電位差は前述したバンド不連続ΔＥｃ₁３１２を乗り越えられるだけのエネルギーを与えるだけの電位差０．５Ｖとアバランシェ増倍開始電圧３Ｖ以外にＬＴ−ＧａＡｓ層２０４の膜厚と電荷堰き止め層３０２の膜厚が決めれば見積もることが出来る。ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４の膜厚は前述したように光パルスの侵入長が０．１μｍ以上１μｍ以下としているのでこの範囲にあれば良く、通常は０．５μｍ程度の膜厚を使用している。

電荷堰き止め層３０２の膜厚が厚過ぎると電界がこの層で消費されてしまい、アバランシェ増倍層２０５に効率的な電界印加がしにくくなる。薄すぎればトンネル効果が生じてしまい、電荷堰き止めの効果がなくなってしまう。不純物添加を行えば電荷堰き止め層３０２への電界印加はなくなるが、電極の構成上、裏面電極と変形線路３０１との電位差が無くなってしまい、素子としての機能を果たさなくなってしまう。さらには素子表面で発生しているテラヘルツ電磁波がこの層を透過する際に著しく反射を受けるためこの層への不純物添加はあり得ない。この観点より、膜厚はトンネル現象の生じない８ｎｍ以上であって、この層での電圧消費がアバランシェ増倍開始電圧の３Ｖに影響を与えないように１Ｖ以下となるように０．１μｍ以下にしておくことが好ましい。ただし、膜厚が大きいことは作製工程上、好ましくないため、通常は１０ｎｍから３０ｎｍ程度の膜厚としておくことがより好ましい。

以上より、アバランシェ増倍層に必要な電位差としてはＬＴ−ＧａＡｓ層２０４を０．５μｍ、アバランシェ増倍層２０５を０．３μｍ、電荷堰き止め層３０２を０．１μmとしてキャリアの増倍が開始される最小電界１×１０⁵Ｖ／ｃｍを得るための９ＶとＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５との界面に存在するバンド不連続ΔＥｃ₁を乗り越えられるだけの電位差０．５Ｖとを併せて９．５Ｖ以上あればよい。この印加電圧を調節することによって、増倍率を調整することもできる。

次にアバランシェ増倍層に用いる材料について説明する。アバランシェ増倍を発生させるにあたっては、アバランシェ増倍層２０５において効率的に電界がからなければならない。キャリアの増倍が開始される最小電界１×１０⁵Ｖ／ｃｍ以上の電界、特に１×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の電界では増倍率１０程度となり、５×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の電界では増倍率１００程度となることはすでに知られている。このように大きな電界がかかったとしてもトンネル現象によるリーク電流が発生しないようにアバランシェ増倍層２０５に用いる材料を選ぶ必要がある。５×１０⁶Ｖ／ｃｍ程度の電界がかかってもリーク電流が発生しないためにはバンドギャップエネルギーが１．５ｅＶ以上の材料で構成されていればよい。このことはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓにおけるＡｌ組成ｘの最小値が０．１であることの根拠である。なお、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓはＡｌの組成を１にしたとしてもＧａＡｓに格子整合できるため最大値は１でもよいが、後述する電荷堰き止め層３０２とのバランスを考えると図３の伝導帯バンド図に示した電荷堰き止め層３０２との伝導帯不連続量ΔＥｃ₂３１２が０．２ｅＶ以上でないとアバランシェ増倍用に印加している電圧だけで電荷が障壁を乗り越えてしまい、電荷を十分に堰き止めることができなくなってしまう。電荷堰き止め層３０２とアバランシェ増倍層２０５との伝導帯不連続を０．２ｅＶ以上とするためにはＡｌ_xＧａ_1-xＡｓにおけるＡｌの組成上限は０．７となる。

続いて電荷堰き止め層３０２に用いる材料について説明する。前述したようにアバランシェ増倍層２０５にはＡｌ組成の上限を０．７としたＡｌ_xＧａ_1-xＡｓを用いることとした。このことから電荷堰き止め層３０２にはアバランシェ増倍層２０５と電荷堰き止め層３０２との伝導帯不連続量ΔＥｃ₂３１２が０．２ｅＶ以上となる材料を使用すればよい。また、基板であるＧａＡｓとの格子整合を考慮し、かつエッチングストップ層としての働きを持たせるため、Ｖ族元素にＡｓを含んでいないものを選ぶ必要がある。この条件
に相当するのがＩｎ_sＡｌ_1-sＰ（０．４≦ｓ≦０．６）、Ｉｎ_tＧａ_1-tＰ（０．４≦ｔ≦０．６）、ＧａＳｂ_uＰ_1-u（０．２≦ｕ≦０．４）である。

最後に増倍層について説明する。アバランシェ増倍は電子などのキャリアが印加電界に掃引される過程において、運動エネルギーを得た結果、電離衝突を繰り返して増倍していくものである。その様子を図４（ａ）に示した。素電荷量ｅ、電界強度Ｅ、走行距離ｄの積が印加電界による掃引で電子が得ることの出来るエネルギー４０１である。これに対し、超格子構造を導入することによって、例えば伝導帯のバンドギャップ不連続量４０２に相当するエネルギーを伝導帯のバンドギャップ不連続が存在するヘテロ界面を通過する毎に与えることも出来る。この様子を図４（ｂ）に示した。この方式のほうがアバランシェ増倍を起こすのには効率がよい。伝導帯のバンドギャップ不連続量４０２を伝導帯のバンドギャップ不連続が存在するヘテロ界面を通過する毎に与えるにあたってはその有効距離は１．５ｎｍであり、それ以上の距離があってもエネルギーのやりとりは行われない。一方で５ｎｍ以下ではエネルギーのうちの８割程度しか受け取らないので超格子構造における井戸層の膜厚は５ｎｍ以上、１５ｎｍ以下が必要である。障壁層も同様な理由により、上限は１５ｎｍとなり、下限はトンネル現象が生じない１０ｎｍとしておくことが必要である。

井戸層の材料にはＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ≦０．３）が適している。障壁層には前述したようなＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．１≦ｘ≦０．７）の他にＩｎ_sＡｌ_1-sＰ（０．４≦ｓ≦０．６）、Ｉｎ_tＧａ_1-tＰ（０．４≦ｔ≦０．６）、ＧａＳｂ_uＰ_1-u（０．２≦ｕ≦０．４）が考えられる。前述したようにアバランシェ増倍層２０５の膜厚は０．３μｍから０．５μｍ程度が妥当であるので、超格子の周期は１０から２０としておくことが望ましい。

以上の構成によって、
（１） アンテナ裏面に電極や導電性の層が存在していても発生した電磁波を裏面から損失なく取り出しうる。
（２） アンテナ表面には電極が必要でなくなり、アンテナに対する効率的な光照射は妨げられない。
（３） 発生したキャリアを増倍層へ流れ込ませた後にも裏面電極にはキャリアを到達させずに済み、表面電極においてキャリアの掃引がすべて行える。このことによって、アンテナ電極間での効率的な光電流発生は妨げられない。
ことが実現され、光伝導アンテナにおいて、超短光パルスが照射されたときに発生する電荷のキャリア濃度の時間変化量を従来に比較して１００倍程度まで増大させることができ、光電流値の最高到達点を高くすることができるので、放射電磁波強度を従来までの光伝導アンテナに比較して１００倍程度まで増大させることができるようになる。

（実施例１）
実施の形態に従って、実際にアバランシェ増倍層２０５を伴って構成される光伝導素子を用いた場合の実験結果を示す。

この光伝導素子は、不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3添加したｎ型ＧａＡｓ基板２０７上に、同じく不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3添加した厚さ５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６、故意に不純物添加をしておらず、膜厚が２０ｎｍのＩｎ_0.5Ａｌ_0.5Ｐ電荷堰き止め層３０２、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓで構成され、故意に不純物添加されていない厚さ０．５μｍのアバランシェ増倍層２０５、４００℃で成長した厚さ０．５μｍの低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）２０４を順次積層した。ＬＴ−ＧａＡｓ層以外の各層は基板上に固体ソースＭＢＥ法によって５００℃から６５０℃程度の基板温度にて成長した。

また、アンテナの裏面に当たるｎ型ＧａＡｓ基板３０７には、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによる裏面電極３０８を構成した。

この光伝導素子表面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕによる上部線路２０１および変形下部線路３０１を距離が５μｍとなるように構成した。なお、この電極構造としては、図８（ａ）に示すダイポール型を採用した。

得られる電磁波は１．５ＴＨｚ以上の超広帯域波を含んでいるが、検知時の帯域を広くとることを考慮しないのであればホーンアンテナなどの帯域遮断型アンテナで導波管へ導き、フォトニックミキサーおよびハーモニックシンセサイザーによるダウンコンバート式の検出が考えられる。また、２ＴＨｚ程度までであればカロリーメーターを利用したパワーメーターでの検知も考えられるが、本実験では感度、分解能、広帯域性を加味して前述のテラヘルツＴＤＳ法を採用した。その光学系は、本発明の光伝導素子の部分を除き、従来例の説明でも使用した図９と同様である。

テラヘルツＴＤＳ法は前述したように、超短パルスレーザーを用いたテラヘルツ波の発生と検知を同時に扱うことができ、特に検知においては簡便かつ高感度な検出方法である。本実験で用いた放射アンテナ２８の内部構成は図２に示したものと同様である。

図９に示すように、ＴＤＳではフェムト秒レーザー２２からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、第１の超短パルス光２５を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射した。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表面には、図２に示すようにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるコプラナー型の対電極を設けており、それらの間には電源３０から電圧を印加した。超短パルス光１２が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、同時に増倍制御電源３０３によって裏面電極２０８に印加された電圧によってアバランシェ増倍が誘起されて、よりいっそう電子正孔対が生成される。このとき、（数１）記載の式に応じたパルス電磁波３２が放射される。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化し、第２放物面鏡３６により電磁波検出用アンテナ２９の裏面に集めた。

電磁波検出用アンテナ２９の表面にはビームスプリッタ２４で分割した第２の超短パルス光を照射した。電磁波検出用アンテナは、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。この時点では受信アンテナ２９の電極間に電界が印加されていないので電流は生じない。導電性を示している間に放射アンテナから放射された電磁波が入ってくると、受信アンテナ２９の電極間には電磁波が有している電界が印加されたのと同様の状態となる。一方、光学遅延ステージ４１・４２によって時間遅延を受けた光はその遅延量によって第２放物面鏡３６により集められた電磁波３２との相関量が変化する。この相関量と電磁波が有している電界強度に対応した量の電流値を観測した。

フェムト秒レーザー２２の波長としては８００ｎｍを使用した。

本実験では広帯域性を重視しているので受信側アンテナの電極構造としてはボウタイ型に比べて広帯域特性の良いダイポール型（図８（ａ）参照）を用いてた。受信側では出力を高める必要が特にないので、材料としては従来から用いられているＬＴ−ＧａＡｓを光伝導素子として使用した。

このとき、上部線路２０１と変形下部線路３０１への印加電圧を１５Ｖ、アバランシェ増倍層への印加電界を１×１０⁵Ｖ／ｃｍ（増倍率２）、平均入射光強度を１５ｍＷとして求めた結果を図５に示す。

図５（ａ）において黒丸の点、図５（ｂ）において白抜きの四角で示したものが放射用アンテナ材料にＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子（従来用いてきたもの）を用いた場合の実験結果で、アンテナ構成を本発明によるアバランシェ増倍機構を伴ったものとした場合のシミュレーション結果を実線で示している。縦軸に電磁波強度、横軸に時間軸をとった場合に得られる結果は図５（ａ）に示したようなスペクトル形状であり、アバランシェ増倍機構を伴ったアンテナ構成とすることによって時間軸上のスペクトル線幅が細くなった。このことは周波数表示に変換した場合に高周波領域の強度が大きくなっていることを意味している。

図５（ａ）で得られた結果をフーリエ変換することによって発生している電磁波のスペクトル分布表示縦軸：強度、横軸：周波数に変換することができ、図５（ｂ）に示したようなスペクトル分布が得られた。すなわち、ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合には、周波数が約０．１ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じるのに対して、アバランシェ増倍機構を伴ったアンテナ構成とした場合には、周波数が約０．５ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じた。ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合、パルス電磁波強度のピークは８μＷであった。図５からアバランシェ増倍機構を伴った場合、最大ピーク強度が１．２５倍となって、１０μＷとなった。また、０．２ＴＨｚ以上の周波数領域においてスペクトル強度が増えており、１．５ＴＨｚにおける電磁波強度は３μＷとなった。

以上により、本発明の構成における光伝導アンテナにおいて、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波を発生および検出できることがわかった。
（実施例２）
本発明の構成における光伝導アンテナ作製工程については図６から図８にまとめてあり、このあと述べる電磁波放射用窓３０３の作製工程でも同様のエッチング液を使用することから、下部線路３０２と電磁波放射用窓３０３の作製は併せて説明することとする。

図６、図７、図８を用いて以下にそれらの工程を説明する。

前述したように、放射アンテナ２８の本体は、例えば不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3程度添加されているｎ型ＧａＡｓ基板２０７上に、同じく不純物のＳｉを１０¹⁸ｃｍ^-3程度添加した厚さ５００ｎｍ程度のｎ型ＧａＡｓバッファ層２０６、例えば組成ｙが０．４以上から０．６以下であって、故意に不純物添加をしておらず、膜厚が１０ｎｍ以上のＩｎ_yＡｌ_1-yＰ電荷堰き止め層３０２、例えば組成ｘが０．１以上０．７以下のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓで構成され、故意に不純物添加されていない厚さ０．３μｍ以上２μｍ以下のアバランシェ増倍層２０５、厚さ０．５μｍで、結晶成長温度が３００℃〜４５０℃程度の低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）２０４を順次積層することによって構成されている。この本体の製造方法は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法が最もよく知られており、特にＬＴ−ＧａＡｓ層２０４は現在のところ、ＭＢＥ法でしか作製できない。ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４を除く他の層は化学気相成長（ＣＶＤ）法でも作製可能である。この本体の側面図を示したものが図６（ａ）である。この素子本体の表面裏面ともに図６（ｂ）に示すようなフォトレジストパターニングを施す。このとき、表面側ではメサ構成位置６０２の部分だけフォトレジストを落とし、裏面側では放射窓構成位置６０３の部分だけフォトレジストを落とす。メサ構成位置６０２の寸法は下部線路３０１の突起形状に合わせた寸法で良く、線路は一般的には図８（ａ）に示したダイポール型アンテナか図８（ｂ）に示したボウタイ型が用いられる。

図８（ａ）には微小ダイポールアンテナの寸法を示してある。コプラナー伝送路の間隔を２０μｍ、突起電極の間隔を５μｍとしておく。

図２ではダイポール型の電極構成で放射アンテナ構造を示しているがこのほかに図８（ｂ）に示すようなボウタイ型の電極構成もまたよく用いられる。この図８（ｂ）に示したボウタイ型においては、突起電極の形状が異なる。図８（ａ）のダイポール型では突起電極は長方形であり、図８（ｂ）のボウタイ型では突起電極は台形である。ボウタイ型の場合、コプラナー伝送路の間隔を２ｍｍ、突起電極の間隔を５μｍ、台形の上底部長さを５μｍとしておく。

このような伝送線路の一方の突起部分の下側にメサエッチングを施すため、フォトレジストのパターニングは図面下側の線路の突起部分に相当する範囲のレジストが取り除かれていればよい。また、放射窓構成位置６０３の寸法は放射電磁波を取り出すための窓であることから線路の突起間隔である５μｍ以上である必要があり、この窓によって素子裏面の電極が分断されないよう、素子幅の５ｍｍ未満とすればよい。上記のような寸法でフォトレジストをパターニングした本体をＨＦ：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：１：５のエッチング液で（１１１）Ａ面を出すようにメサエッチを施し、レジストを除去する。このとき、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＰ電荷堰き止め層３０２はエッチングストップ層の役目も果たすので、エッチングが進みすぎて両面からの穴がつながるようなことはない。このときの状態を図７（ａ）に示した。ここまででメサエッチが完了している。

再度、電極蒸着用にフォトレジストをパターニングするがこのときの寸法は表面では図８に示したものを用い、裏面では前述したような放射窓構成位置６０３部分にレジストが塗布された状態になっていればよい。この様子を図示したものが図７（ｂ）である。最後に表面、裏面ともにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着して電極を構成し、レジストを除去して作製工程が完了する。

本発明により、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生・検出装置を得ることができる。

従来のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係るダイポール型光伝導素子にアバランシェ増倍層を付した形態の概略構成図 本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る実施の形態の概略構成図 本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る電界印加時の伝導帯バンド状態図 アバランシェ増倍の概略説明図であって、（ａ）バルクタイプの図（ｂ）超格子タイプの図 本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る実施例において得られる実験結果と従来の実験結果とを比較したグラフであって、（ａ）この発明に係る遅延時間に対する電流信号を示すグラフ（ｂ）（ａ）のデータからフリーエ変換されたスペクトル分布を示すグラフ 本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る作製工程図 本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る作製工程図 テラヘルツ帯電磁波発生装置に係るアンテナ電極の概略構成図であって、（ａ）ダイポール型電極の概略構成図（ｂ）ボウタイ型電極の概略構成図 従来のテラヘルツＴＤＳの概略構成図 従来のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係るダイポール型光伝導素子と光の入射、電磁波の放射の関係を示した図 光伝導素子に発生する電流とその際に生じるテラヘルツ波強度の関係図であって、（ａ）発生電流の時間変化の関係図（ｂ）電流変化より割り出されるテラヘルツ電磁波強度の時間変化の関係図

符号の説明

１０ 電磁波放射用アンテナ
１１ 超短パルス光源
１２ 波長変換された超短パルス光
１３ レンズ
２４ ビームスプリッタ
２５ 第１の超短パルス光
２６ 第２の超短パルス光
２８ 電磁波放射用光伝導素子、放射アンテナ
２９ 電磁波検出用光伝導素子、受信アンテナ
３０ 電源
３１，３６ 放物面鏡
３２ 放射電磁波
３４ 試料
３５ 試料透過後のテラヘルツ電磁波
３８ ロックイン増幅器
３９ ＬＢＯ結晶で構成されるＳＨＧ素子
４０ 平面鏡
４１ リトロリフレクタ
４２ 移動ステージ
４３ コンピュータ
１０１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０３ 光伝導薄膜
１０５ 伝送線路
２０１ 上部線路
２０２ 下部線路
２０３ アバランシェ増倍用電極
２０４ ＬＴ−ＧａＡｓ層
２０５ アバランシェ増倍層
２０６ ｎ＋型ＧａＡｓバッファ層
２０７ ｎ＋型ＧａＡｓ基板
２０８ 裏面電極
２１０ 第二電極
３０１ 変形下部線路
３０２ 電荷堰き止め層
３０３ 増倍制御電源
３０４ 電磁波放射用窓
３１１ 発生電荷
３１２ ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４とアバランシェ増倍層２０５との界面に存在する伝導 帯バンド不連続ΔＥｃ₁
３１３ アバランシェ増倍層２０５と電荷堰き止め層３０２との界面に存在する伝導帯 バンド不連続ΔＥｃ₂
３１４ ＬＴ−ＧａＡｓ層２０４を走行する電子
３１５ アバランシェ増倍層２０５を走行する電子
３１６ 電界
４０１ 印加電界による掃引で電子が得ることの出来るエネルギー
４０２ 伝導帯のバンドギャップ不連続量
６０１ フォトレジスト
６０２ メサ構成位置
６０３ 放射窓構成位置
８０１ 伝送線路
８０２ 伝送線路電極本体
８０３ 突起電極

Claims (4)

1. 超短パルス光を放射する光源と、電磁波放射用アンテナとを備えたテラヘルツ波発生装置であって、
   前記電磁波放射用アンテナは、
   導電性基板と、前記導電性基板上に形成されたバッファ層上に、１．７ｅＶ以上２．２ｅＶ以下のバンドギャップエネルギーを有している電荷堰き止め層と、１．５ｅＶ以上２．０ｅＶ以下のバンドギャップエネルギーを有しているアバランシェ増倍層と、低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓとも言う）層とを積層して構成され、
   素子表面には伝送線路を有し、前記伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
   前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
   前記突起電極は互いに向かい合っており、
   前記伝送線路は、その一対の伝送線路電極本体のうち一方の突起電極直下において電荷堰き止め層迄の深さを有しており、
   素子裏面に電極を有し、素子表面にある前記伝送線路の少なくとも一方との間に印加する電界強度は１×１０⁵Ｖ／ｃｍ以上５×１０⁶Ｖ／ｃｍ以下の電界であって、
   前記突起電極間に、波長５４０ｎｍ以上８７０ｎｍ以下で平均強度が１５ｍＷ以上１Ｗ以下の超短パルス光を光源より照射することによって電磁波を発生させることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
2. 前記電荷堰き止め層は故意に不純物添加されておらず、
   膜厚が８ｎｍ以上１００ｎｍ以下であって、
   Ｉｎ_sＡｌ_1-sＰ（０．４≦ｓ≦０．６）、Ｉｎ_tＧａ_1-tＰ（０．４≦ｔ≦０．６）、ＧａＳｂ_uＰ_1-u（０．２≦ｕ≦０．４）
   のいずれかによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
3. 前記アバランシェ増倍層は故意に不純物添加されておらず、
   膜厚が０．３μｍ以上２μｍ以下であって、
   組成ｘが０．１以上０．７以下のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
   で構成されていることを特徴とする請求項１から２記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
4. 前記アバランシェ増倍層は故意に不純物添加されておらず、
   膜厚が５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であって、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ≦０．３）によって構成されている井戸層と
   膜厚が１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下であって、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．１≦ｘ≦０．７）、Ｉｎ_sＡｌ_1-sＰ（０．４≦ｓ≦０．６）、Ｉｎ_tＧａ_1-tＰ（０．４≦ｔ≦０．６）、ＧａＳｂ_uＰ_1-u（０．２≦ｕ≦０．４）のいずれかで構成される障壁層
   とで構成される超格子構造となっていることを特徴とする請求項１から３記載のテラヘルツ電磁波発生装置。

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