JP2008091541A - Terahertz wave radiation apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置に関する。 The present invention relates to a terahertz wave radiation device that radiates electromagnetic waves in a terahertz band.
近年、テラヘルツの周波数域の電磁波（以下、テラヘルツ波と呼称する。）が非常に注目されている。０．１〜１０ＴＨｚ域の電磁波は、光が真っ直ぐ進む集光性と、セラミック、プラスチック、紙などの様々な物に対する透過性とを有する。これらの特性を利用して、分光、バイオ医学、セキュリティ、イメージングなど、様々な分野に、テラヘルツ波が応用されている。この背景のもと、新しいテラヘルツ波の応用を見出すことと、セキュリティの要望にともない、また薬物問題の増加にともない、コンパクトでポータブルな高出力のテラヘルツ波放射装置の開発とが盛んに行われている（例えば、特許文献１参照。）。 In recent years, electromagnetic waves in the terahertz frequency range (hereinafter referred to as terahertz waves) have attracted a great deal of attention. An electromagnetic wave in the range of 0.1 to 10 THz has a light condensing property in which light travels straight and a transmissivity to various objects such as ceramic, plastic, and paper. Using these characteristics, terahertz waves are applied to various fields such as spectroscopy, biomedicine, security, and imaging. Against this background, the discovery of new terahertz wave applications and the development of compact and portable high-power terahertz radiation devices in response to security demands and increasing drug problems are being actively pursued. (For example, refer to Patent Document 1).
図３１は、一例として、従来の形態におけるテラヘルツ波放射装置の構成を示す斜視図である。 FIG. 31 is a perspective view showing a configuration of a terahertz wave radiating device in a conventional form as an example.
図３１に示されるように、テラヘルツ波放射装置１０では、絶縁性ＧａＡｓウエハ１１の上に、低温成長で数μｍ厚のガリウム砒素（以下、ＬＴ−ＧａＡｓと略称する。）層１２が形成されている。さらに、ＬＴ−ＧａＡｓ層１２の上に、電極１３および電極１４が形成されている。電極１３および電極１４のそれぞれは、凸形状であり、電極１３の突部と電極１４の突部とが対向して配置されている。 As shown in FIG. 31, in the terahertz wave radiation device 10, a gallium arsenide (hereinafter abbreviated as LT-GaAs) layer 12 having a thickness of several μm is formed on an insulating GaAs wafer 11 by low temperature growth. Yes. Furthermore, an electrode 13 and an electrode 14 are formed on the LT-GaAs layer 12. Each of the electrode 13 and the electrode 14 has a convex shape, and the protruding portion of the electrode 13 and the protruding portion of the electrode 14 are arranged to face each other.
このような構造のテラヘルツ波放射装置１０では、ＤＣバイアス電源１５から電極１３および電極１４に高直流電圧を印加し、電極１３および電極１４の間のギャップ（５〜１０００μｍ）、すなわち、電極１３の突部と電極１４の突部との間にできた空間に、高出力のサブピコ秒パルスのレーザを照射すると、静電気的な放電が起こり、テラヘルツ波が放射される。このようにして、コンパクトなテラヘルツ波放射装置が実現される。
しかしながら、従来のテラヘルツ波放射装置では、ＧａＡｓ材料の低いブレークダウン電圧のため、テラヘルツ波の出力が制限される。また、無理に電圧をあげると電流リークの問題が存在する。このとき、上記問題を解決するテラヘルツ波放射装置として図３２に示されるものが考えられる。なお、図３２（ａ）は同テラヘルツ波放射装置の構造を示す断面図であり、図３２（ｂ）は同テラヘルツ波放射装置の部分拡大図（図３２（ａ）のＡ部の拡大図）であり、図３２（ｃ）はＣＮＴ層の構造（図３２（ｂ）のＢ部の原子構造）を示す図である。 However, in the conventional terahertz wave radiation device, the output of the terahertz wave is limited due to the low breakdown voltage of the GaAs material. In addition, if the voltage is forcibly increased, there is a problem of current leakage. At this time, a terahertz wave radiating device that solves the above problem may be the one shown in FIG. FIG. 32A is a sectional view showing the structure of the terahertz wave radiating device, and FIG. 32B is a partially enlarged view of the terahertz wave radiating device (enlarged view of portion A in FIG. 32A). FIG. 32 (c) is a diagram showing the structure of the CNT layer (the atomic structure of portion B in FIG. 32 (b)).
図３２に示されるテラヘルツ波放射装置は、カソード電極を構成するカソードウエハ１０８と、アノード電極を構成するアノードウエハ１０７と、カソードウエハ１０８およびアノードウエハ１０７を接合する電気分離層１０４と、ＤＣ電源１１１とから構成される。 32 includes a cathode wafer 108 constituting a cathode electrode, an anode wafer 107 constituting an anode electrode, an electrical separation layer 104 joining the cathode wafer 108 and the anode wafer 107, and a DC power supply 111. It consists of.
カソードウエハ１０８表面の凹部（リセス部）には、ＣＮＴ（Carbon Nano Tube）層１０２の形成されたＳｉＣチップ１０１がグラファイト層１１０および熱結合物質層１０９を介して取り付けられている。カソードウエハ１０８裏面には、カソードウエハ１０８とオーミック接触するように、ニッケル電極層１０３が形成されている。ニッケル電極層１０３は、ニッケルを蒸着した後、１０００℃〜１２００℃での約１分間のアニール処理を施すことで形成される。一方、アノードウエハ１０７の裏面には、透明アノード電極層１０５が形成されている。 A SiC chip 101 on which a CNT (Carbon Nano Tube) layer 102 is formed is attached to a concave portion (recess portion) on the surface of the cathode wafer 108 via a graphite layer 110 and a thermal coupling material layer 109. A nickel electrode layer 103 is formed on the back surface of the cathode wafer 108 so as to be in ohmic contact with the cathode wafer 108. The nickel electrode layer 103 is formed by depositing nickel and then performing an annealing process at 1000 ° C. to 1200 ° C. for about 1 minute. On the other hand, a transparent anode electrode layer 105 is formed on the back surface of the anode wafer 107.
上記構造を有するテラヘルツ波放射装置では、高いピークパワーを有するフェムト秒レーザ１１２がレンズ１１３でフォーカスされ、ＣＮＴ層１０２に照射されると、ＣＮＴ層１０２からアノード先端１０６に向けて光電子が放出される。放出された光電子は、ＤＣ電源１１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波１１４が放射される。なお、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）およびテラヘルツ波の放射効率は、レーザと電圧との同期化によって向上する。 In the terahertz wave radiation device having the above structure, when a femtosecond laser 112 having a high peak power is focused by the lens 113 and irradiated onto the CNT layer 102, photoelectrons are emitted from the CNT layer 102 toward the anode tip 106. . The emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power supply 111, and a terahertz wave 114 is emitted. Note that the SNR (Signal to Noise Ratio) and the radiation efficiency of the terahertz wave are improved by synchronizing the laser and the voltage.
以上のように図３２のテラヘルツ波放射装置は、カソード電極およびアノード電極の間に電気絶縁層を備えるため、カソード電極およびアノード電極に高い電圧を供給しても、電流リークが起こり難く、テラヘルツ波の放射効率を高めることができる。しかしながら、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置では、その製造プロセスにおいて、ＣＮＴ層１０２の形成されたＳｉＣチップ１０１をカソードウエハ１０８表面の凹部に取り付けるプロセスが必要となるため、製造プロセスが複雑になる。その結果、量産性および信頼性が低く、低コストで製造することができない。 As described above, since the terahertz wave radiation device of FIG. 32 includes the electrical insulating layer between the cathode electrode and the anode electrode, even if a high voltage is supplied to the cathode electrode and the anode electrode, current leakage hardly occurs, and the terahertz wave The radiation efficiency can be increased. However, in the terahertz wave radiating device having the above-described structure, the manufacturing process is complicated because the process of attaching the SiC chip 101 on which the CNT layer 102 is formed to the concave portion on the surface of the cathode wafer 108 is required. As a result, mass productivity and reliability are low, and it cannot be manufactured at low cost.
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、テラヘルツ波の放射効率を高めることができ、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of such problems, an object of the present invention is to provide a terahertz wave radiating device that can increase the radiation efficiency of terahertz waves and can be manufactured at low cost, and a method for manufacturing the terahertz wave radiating device.
上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ波放射装置は、ＳｉＣ基板と、カーボンナノ構造体から構成され、前記ＳｉＣ基板表面の一部に選択的に形成された第１カーボンナノ層と、前記ＳｉＣ基板と電気的に接続された第１電極と、前記第１カーボンナノ層と間を置いて対向するように前記ＳｉＣ基板上方に位置する第２電極と、前記ＳｉＣ基板と前記第２電極との間に位置し、前記第２電極から前記第１カーボンナノ層に向かう貫通孔を有する絶縁性の第１電気分離層とを備えることを特徴とする。ここで、前記第１カーボンナノ層表面は、前記ＳｉＣ基板表面よりも低くてもよいし、前記第１カーボンナノ層表面は、前記ＳｉＣ基板表面よりも２ｎｍ以上低くてもよい。また、前記カーボンナノ構造体は、ＣＮＴ（Carbon Nano Tube）、ＣＮＦ（Cardon Nano Flake）層、ＣＮＲ（Cabon Nano Rod）およびＣＮＰ（Carbon Nano Pillar）のいずれかであってもよい。 In order to achieve the above object, a terahertz wave radiating device of the present invention includes a SiC substrate and a first carbon nanolayer formed of a carbon nanostructure and selectively formed on a part of the SiC substrate surface; A first electrode electrically connected to the SiC substrate; a second electrode positioned above the SiC substrate so as to face the first carbon nanolayer; and the SiC substrate and the second electrode And an insulating first electrical separation layer having a through hole from the second electrode toward the first carbon nanolayer. Here, the surface of the first carbon nanolayer may be lower than the surface of the SiC substrate, and the surface of the first carbon nanolayer may be 2 nm or more lower than the surface of the SiC substrate. The carbon nanostructure may be any one of a CNT (Carbon Nano Tube), a CNF (Cardon Nano Flake) layer, a CNR (Cabon Nano Rod), and a CNP (Carbon Nano Pillar).
これによって、光電子放出層としてのカーボンナノ層は、ＳｉＣ基板表面の一部に選択的に形成される。従って、図３２のテラヘルツ波放射装置のようにＳｉＣ基板をカソードウエハに取り付けることなく、ＳｉＣ基板をそのままカソード電極として機能させることができる。その結果、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 Thereby, the carbon nanolayer as the photoelectron emission layer is selectively formed on a part of the surface of the SiC substrate. Therefore, the SiC substrate can function as a cathode electrode as it is without attaching the SiC substrate to the cathode wafer as in the terahertz wave radiation device of FIG. As a result, a terahertz wave radiation device that can be manufactured at low cost can be realized.
また、カソード電極としてのＳｉＣ基板およびアノード電極としての第２電極の間に電気分離層を備える。従って、カソード電極およびアノード電極に高い電圧を供給しても、電流リークが起こり難く、テラヘルツ波の放射効率を高めることができる。 Further, an electrical separation layer is provided between the SiC substrate as the cathode electrode and the second electrode as the anode electrode. Therefore, even if a high voltage is supplied to the cathode electrode and the anode electrode, current leakage hardly occurs and the terahertz wave radiation efficiency can be increased.
また、前記ＳｉＣ基板の表面には、凹部が形成されており、前記第１カーボンナノ層は、前記凹部内でカーボンナノ構造体を選択的に成長させて前記凹部内に形成されてもよい。 In addition, a recess may be formed on the surface of the SiC substrate, and the first carbon nanolayer may be formed in the recess by selectively growing a carbon nanostructure in the recess.
これによって、一般的な半導体装置の製造方法を用いてＳｉＣ基板表面の凹部の深さを調節し、カソード電極としてのＳｉＣ基板およびアノード電極としての第２電極の間隔を調節することができる。その結果、低コストかつ容易に、カソード電極およびアノード電極の間隔を設定することができる。また、カーボンナノ層をＳｉＣ基板に強く接合させることができる。 Thus, the depth of the concave portion on the surface of the SiC substrate can be adjusted by using a general method for manufacturing a semiconductor device, and the distance between the SiC substrate as the cathode electrode and the second electrode as the anode electrode can be adjusted. As a result, the distance between the cathode electrode and the anode electrode can be set easily at low cost. In addition, the carbon nanolayer can be strongly bonded to the SiC substrate.
また、前記第１カーボンナノ層は、前記凹部上方に開口を有するグラファイトマスクで前記ＳｉＣ基板表面を覆った後、前記凹部内でカーボンナノ構造体を選択的に成長させて形成されてもよい。 The first carbon nanolayer may be formed by selectively growing a carbon nanostructure in the recess after covering the SiC substrate surface with a graphite mask having an opening above the recess.
これによって、カーボンナノ層を形成すべきＳｉＣ基板の所望の部分のみを表面に露出させ、その所望の部分にのみに選択的にカーボンナノ層を形成できる。 Thus, only a desired portion of the SiC substrate on which the carbon nanolayer is to be formed is exposed on the surface, and the carbon nanolayer can be selectively formed only on the desired portion.
また、前記成長は、１×１０-4Ｔｏｒｒ以下の真空度の雰囲気下で１６００℃以上の温度で前記ＳｉＣ基板を熱処理することにより行われてもよい。 The growth may be performed by heat-treating the SiC substrate at a temperature of 1600 ° C. or higher in an atmosphere with a vacuum degree of 1 × 10 −4 Torr or lower.
これによって、アノード電極としての第２電極に向かうカーボンナノ層の光電子放出中心を多くすることができるので、電子放出効率を高めることができる。 Thereby, the number of photoelectron emission centers of the carbon nanolayer toward the second electrode as the anode electrode can be increased, so that the electron emission efficiency can be increased.
また、前記テラヘルツ波放射装置は、さらに、カーボンナノ構造体から構成され、前記ＳｉＣ基板裏面の一部に選択的に形成された第２カーボンナノ層と、前記第２カーボンナノ層と間を置いて対向するように前記ＳｉＣ基板下方に位置する第３電極と、前記ＳｉＣ基板と前記第３電極との間に位置し、前記第３電極から前記第２カーボンナノ層に向かう貫通孔を有する第２電気分離層とを備えてもよい。 The terahertz wave radiation device further includes a second carbon nanolayer formed of a carbon nanostructure and selectively formed on a part of the back surface of the SiC substrate, and the second carbon nanolayer. A third electrode located below the SiC substrate so as to oppose, and a through-hole located between the SiC substrate and the third electrode and extending from the third electrode toward the second carbon nanolayer. And two electrical separation layers.
これによって、カーボンナノ層がＳｉＣ基板の両面に形成される。従って、各カーボンナノ層から同時にテラヘルツ波を放射させることができる。その結果、各カーボンナノ層から放射されたテラヘルツ波を集光することにより、高出力のテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、各カーボンナノ層から放射されたテラヘルツ波を集光しない場合でも、各テラヘルツ波を一度に被測定体に照射し、それらの透過状態を確認することで、スキャニング動作の不要な、つまり簡易な２次元イメージング装置を実現することができる。 Thereby, carbon nanolayers are formed on both surfaces of the SiC substrate. Therefore, terahertz waves can be simultaneously emitted from each carbon nanolayer. As a result, a high-power terahertz wave radiating device can be realized by collecting the terahertz waves radiated from the carbon nanolayers. Even if the terahertz waves radiated from each carbon nanolayer are not collected, the scanning operation is unnecessary, that is, simplified by irradiating each terahertz wave to the object to be measured at once and checking their transmission state. Such a two-dimensional imaging apparatus can be realized.
また、前記ＳｉＣ基板表面には、複数の前記第１カーボンナノ層が形成され、前記ＳｉＣ基板表面における前記複数の第１カーボンナノ層の配列は、１次元状、２次元状およびランダムのいずれかであってもよい。 A plurality of the first carbon nanolayers are formed on the SiC substrate surface, and the arrangement of the plurality of first carbon nanolayers on the SiC substrate surface is one-dimensional, two-dimensional, or random. It may be.
これによって、設計自由度の高いテラヘルツ波放射装置を実現できる。
また、前記テラヘルツ波放射装置は、さらに、前記第１カーボンナノ層にフェムト秒レーザを照射する光源と、前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加する電源とを備えてもよい。
Thereby, a terahertz wave radiation device with a high degree of design freedom can be realized.
The terahertz wave radiating device may further include a light source that irradiates the first carbon nanolayer with a femtosecond laser, and a power source that applies a voltage to the first electrode and the second electrode.
これによって、カーボンナノ層にはフェムト秒レーザが照射されるので、効率的に光電子を放出させることができる。 As a result, the carbon nanolayer is irradiated with a femtosecond laser, so that photoelectrons can be efficiently emitted.
また、前記光源は、３００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを前記カーボンナノ構造体に照射し、前記電源は、直流電圧を前記第１電極および前記第２電極に印加してもよい。 The light source may irradiate the carbon nanostructure with a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less, and the power source may apply a DC voltage to the first electrode and the second electrode.
これによって、４．１ｅＶ〜４．８ｅＶというカーボンナノ構造体の仕事関数よりも高いエネルギーがカーボンナノ層に与えられるので、効率的に光電子を放出させることができる。 Thus, energy higher than the work function of the carbon nanostructure of 4.1 eV to 4.8 eV is given to the carbon nanolayer, so that photoelectrons can be efficiently emitted.
また、前記テラヘルツ波放射装置は、さらに、前記第１カーボンナノ層と前記ＳｉＣ基板との間に形成されたＳｉ酸化膜と、前記第１カーボンナノ層および前記Ｓｉ酸化膜を貫通し、前記第１カーボンナノ層および前記ＳｉＣ基板と接する金属層とを備えてもよい。 The terahertz wave radiating device further includes a Si oxide film formed between the first carbon nanolayer and the SiC substrate, the first carbon nanolayer and the Si oxide film, One carbon nanolayer and a metal layer in contact with the SiC substrate may be provided.
これによって、ＳｉＣ基板とカーボンナノ層との間の電気的抵抗を下げることができると共に、カソード電極としての第１電極から金属層への電流狭窄をすることができる。その結果、より少ない電流値で効率良くカーボンナノ層からアノード電極としての第２電極に光電子を放出させることができるので、テラヘルツ波の放射効率を高めることができる。 As a result, the electrical resistance between the SiC substrate and the carbon nanolayer can be lowered, and current confinement from the first electrode as the cathode electrode to the metal layer can be performed. As a result, since photoelectrons can be efficiently emitted from the carbon nanolayer to the second electrode as the anode electrode with a smaller current value, the radiation efficiency of the terahertz wave can be increased.
また、前記ＳｉＣ基板は、ＳｉＣがコートされたカーボン基板およびアモルファスＳｉＣ基板のいずれかであってもよい。 The SiC substrate may be either a carbon substrate coated with SiC or an amorphous SiC substrate.
これによって、テラヘルツ波放射装置を低コスト化することができる。
また、本発明は、所定の位置に開口が形成されたＰＧ（Pyrolytic Graphite）ケースおよびグラファイトマスクのいずれかでＳｉＣ基板表面を覆う被覆ステップと、前記被覆されたＳｉＣ基板に対して熱処理を行い、カーボンナノ構造体から構成されるカーボンナノ層を前記開口に露出している前記ＳｉＣ基板表面に選択的に形成するカーボンナノ層形成ステップと、前記ＳｉＣ基板と電気的に接続された第１電極を形成する第１電極形成ステップと、前記ＳｉＣ基板表面から前記ＰＧケースおよびグラファイトマスクいずれかを取り除いた後、前記カーボンナノ層上方に貫通孔を有する電気分離層を前記ＳｉＣ基板上に形成する電気分離層形成ステップと、前記貫通孔上方に第２電極を形成する第２電極形成ステップとを含むことを特徴とするテラヘルツ波放射装置の製造方法とすることもできる。ここで、前記カーボンナノ構造体は、ＣＮＴ（Carbon Nano Tube）、ＣＮＦ（Cardon Nano Flakes）層、ＣＮＲ（Cabon Nano Rods）およびＣＮＰ（Carbon Nano Pillars）のいずれかであってもよい。
As a result, the cost of the terahertz radiation device can be reduced.
Further, the present invention is a coating step of covering the SiC substrate surface with any of a PG (Pyrolytic Graphite) case and a graphite mask in which an opening is formed at a predetermined position, and heat-treating the coated SiC substrate, A carbon nanolayer forming step of selectively forming a carbon nanolayer composed of carbon nanostructures on the surface of the SiC substrate exposed in the opening; and a first electrode electrically connected to the SiC substrate. A first electrode forming step to be formed; and electrical separation in which an electrical separation layer having a through hole is formed on the SiC substrate after removing either the PG case or the graphite mask from the surface of the SiC substrate. A layer forming step and a second electrode forming step of forming a second electrode above the through hole. It may be a method of manufacturing a Hertzian wave emitting device. Here, the carbon nanostructure may be any one of a CNT (Carbon Nano Tube), a CNF (Cardon Nano Flakes) layer, a CNR (Cabon Nano Rods), and a CNP (Carbon Nano Pillars).
これによって、図３２のテラヘルツ波放射装置のようにＳｉＣ基板をカソードウエハに取り付けるプロセスが不要になるので、高いテラヘルツ波の放射効率を有するテラヘルツ波放射装置を低コストで製造できる。 This eliminates the need for a process of attaching the SiC substrate to the cathode wafer as in the terahertz wave radiation device of FIG. 32, so that a terahertz wave radiation device having a high terahertz wave radiation efficiency can be manufactured at low cost.
また、前記被覆ステップでは、前記ＳｉＣ基板の凹部上方に開口が形成されたＰＧケースおよびグラファイトマスクのいずれかでＳｉＣ基板表面を覆い、前記カーボンナノ層形成ステップでは、前記凹部内でカーボンナノ構造体を選択的に成長させて前記凹部内に前記カーボンナノ層を形成してもよい。 Further, in the covering step, the SiC substrate surface is covered with either a PG case or a graphite mask in which an opening is formed above the concave portion of the SiC substrate, and in the carbon nanolayer forming step, a carbon nanostructure is formed in the concave portion. May be selectively grown to form the carbon nanolayer in the recess.
これによって、低コストかつ容易に、カソード電極としてのＳｉＣ基板およびアノード電極としての第２電極の間隔を設定することができる。また、カーボンナノ層をＳｉＣ基板に強く接合させることができる。 Thereby, the distance between the SiC substrate as the cathode electrode and the second electrode as the anode electrode can be easily set at low cost. In addition, the carbon nanolayer can be strongly bonded to the SiC substrate.
また、前記カーボンナノ層形成ステップでは、１×１０-4Ｔｏｒｒ以下の真空度の雰囲気下で１６００℃以上の温度で前記ＳｉＣ基板を熱処理することにより前記成長を行ってもよい。 In the carbon nanolayer forming step, the growth may be performed by heat-treating the SiC substrate at a temperature of 1600 ° C. or higher in an atmosphere of a vacuum degree of 1 × 10 −4 Torr or lower.
これによって、アノード電極としての第２電極に向かうカーボンナノ層の光電子放出中心を多くすることができるので、電子放出効率を高めることができる。 Thereby, the number of photoelectron emission centers of the carbon nanolayer toward the second electrode as the anode electrode can be increased, so that the electron emission efficiency can be increased.
本発明によれば、テラヘルツ波の放射効率を高めることができ、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置およびその製造方法を実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the terahertz wave radiation efficiency which can improve the radiation efficiency of a terahertz wave and can be manufactured at low cost, and its manufacturing method are realizable.
以下、本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a terahertz wave radiating device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００の構造を示す斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a terahertz wave radiation device 200 according to the present embodiment.
このテラヘルツ波放射装置２００は、カソード電極を構成するＳｉＣウエハ（ＳｉＣ基板）２０１と、アノード電極を構成するアノード透明電極層２０５と、カソード電極およびアノード電極を電気的に分離する絶縁性の電気分離層２０４と、カソード電極およびアノード電極に直流電圧を印加するＤＣ電源１１１と、３００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを出射する光源（図外）とから構成される。 The terahertz wave radiating device 200 includes an SiC wafer (SiC substrate) 201 that constitutes a cathode electrode, an anode transparent electrode layer 205 that constitutes an anode electrode, and an insulating electrical separation that electrically separates the cathode electrode and the anode electrode. The layer 204 includes a DC power source 111 that applies a DC voltage to the cathode electrode and the anode electrode, and a light source (not shown) that emits a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less.
ＳｉＣウエハ２０１表面の直径１ｍｍの円形状の凹部（リセス部）内には、凹部底面を覆うように、ＣＮＷ（Carbon Nano-Wall）から構成されるＣＮＷ層２０２が選択的に形成されている。ＣＮＷ層２０２は、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部内で選択的にＣＮＷを成長させることにより形成される。ＳｉＣウエハ２０１裏面には、ＳｉＣウエハ２０１とオーミック接触するように、カソード電極層２０３が形成されている。カソード電極層２０３は、蒸着・アニール処理のプロセスを経て形成される。 A CNW layer 202 made of CNW (Carbon Nano-Wall) is selectively formed so as to cover the bottom surface of the recess in a circular recess (recess) having a diameter of 1 mm on the surface of the SiC wafer 201. The CNW layer 202 is formed by selectively growing CNW in the recesses on the surface of the SiC wafer 201. A cathode electrode layer 203 is formed on the back surface of the SiC wafer 201 so as to be in ohmic contact with the SiC wafer 201. The cathode electrode layer 203 is formed through a vapor deposition / annealing process.
電気分離層２０４は、ＳｉＣウエハ２０１とアノード透明電極層２０５との間に形成され、アノード透明電極層２０５からＣＮＷ層２０２に向かう貫通孔を有する。 The electrical separation layer 204 is formed between the SiC wafer 201 and the anode transparent electrode layer 205 and has a through hole from the anode transparent electrode layer 205 toward the CNW layer 202.
アノード透明電極層２０５は、ＣＮＷ層２０２と間を置いて対向するようにＳｉＣウエハ２０１上方の電気分離層２０４上に形成されている。ＤＣ電源１１１は、カソード電極層２０３およびアノード透明電極層２０５と電気的に接続されている。 The anode transparent electrode layer 205 is formed on the electric separation layer 204 above the SiC wafer 201 so as to face the CNW layer 202 with a space therebetween. The DC power source 111 is electrically connected to the cathode electrode layer 203 and the anode transparent electrode layer 205.
なお、ＣＮＷ層２０２は本発明の第１カーボンナノ層の一例である。また、カソード電極層２０３は本発明の第１電極の一例であり、アノード透明電極層２０５は本発明の第２電極の一例である。さらに、電気分離層２０４は本発明の第１電気分離層の一例である。 The CNW layer 202 is an example of the first carbon nanolayer of the present invention. The cathode electrode layer 203 is an example of the first electrode of the present invention, and the anode transparent electrode layer 205 is an example of the second electrode of the present invention. Furthermore, the electrical separation layer 204 is an example of a first electrical separation layer of the present invention.
上記構造を有するテラヘルツ波放射装置２００では、１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空度の真空容器内で、光源からの高いピークパワーを有するフェムト秒レーザ１１２がレンズ１１３でフォーカスされ、アノード透明電極層２０５を介してＣＮＷ層２０２に照射されると、ＣＮＷ層２０２から光電子が放出される。放出された光電子は、ＤＣ電源１１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波が放射される。なお、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）およびテラヘルツ波の放射効率は、レーザと電圧との同期化によって向上する。 In the terahertz wave radiating device 200 having the above structure, a femtosecond laser 112 having a high peak power from a light source is focused by a lens 113 in a vacuum vessel having a vacuum degree of 1 × 10 −6 Torr or less, and an anode transparent electrode layer When the CNW layer 202 is irradiated through 205, photoelectrons are emitted from the CNW layer 202. The emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power source 111, and a terahertz wave is emitted. Note that the SNR (Signal to Noise Ratio) and the radiation efficiency of the terahertz wave are improved by synchronizing the laser and the voltage.
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００によれば、光電子放出層としてのＣＮＷ層２０２は、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部内に選択的にＣＮＷを成長させて形成される。従って、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部の深さにより、カソード電極およびアノード電極の間隔を調節することができる。その結果、低コストかつ容易に、カソード電極およびアノード電極の間隔を１００μｍより小さくすることができ、例えば高性能かつ高品質の冷陰極電界電子放出装置を実現できる。 As described above, according to the terahertz wave radiating device 200 of the present embodiment, CNW layer 202 as a photoelectron emission layer is formed by selectively growing CNW in a recess on the surface of SiC wafer 201. Therefore, the distance between the cathode electrode and the anode electrode can be adjusted by the depth of the recess on the surface of the SiC wafer 201. As a result, the distance between the cathode electrode and the anode electrode can be made smaller than 100 μm easily and at low cost, and for example, a high-performance and high-quality cold cathode field electron emission device can be realized.
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００によれば、光電子放出層としてのＣＮＷ層２０２は、ＳｉＣウエハ２０１表面の一部に選択的に形成される。従って、図３２のテラヘルツ波放射装置のようにＳｉＣ基板をカソードウエハに取り付けることなく、ＳｉＣ基板をそのままカソード電極として機能させることができる。その結果、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 Moreover, according to the terahertz wave emission device 200 of the present embodiment, the CNW layer 202 as the photoelectron emission layer is selectively formed on a part of the surface of the SiC wafer 201. Therefore, the SiC substrate can function as a cathode electrode as it is without attaching the SiC substrate to the cathode wafer as in the terahertz wave radiation device of FIG. As a result, a terahertz wave radiation device that can be manufactured at low cost can be realized.
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００によれば、カソード電極およびアノード電極の間に電気分離層２０４を備える。従って、カソード電極およびアノード電極に高い電圧を供給しても、電流リークが起こり難く、テラヘルツ波の放射効率を高めることができる。 Further, according to the terahertz wave radiation device 200 of the present embodiment, the electrical separation layer 204 is provided between the cathode electrode and the anode electrode. Therefore, even if a high voltage is supplied to the cathode electrode and the anode electrode, current leakage hardly occurs and the terahertz wave radiation efficiency can be increased.
次に、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置２００の製造方法について説明する。図２および図３は、同テラヘルツ波放射装置２００の製造方法を説明するための図である。 Next, a manufacturing method of the terahertz wave radiation device 200 having the above structure will be described. 2 and 3 are views for explaining a method of manufacturing the terahertz wave radiating device 200. FIG.
まず、ＳｉＣウエハ２０１を用意し（図２（ａ））、そのＳｉＣウエハ２０１表面の所定の部分に凹部３０１を形成する（図２（ｂ））。このとき、凹部３０１の深さは、必要とされるカソード電極およびアノード電極の間隔に基づいて決定される。 First, a SiC wafer 201 is prepared (FIG. 2A), and a recess 301 is formed in a predetermined portion on the surface of the SiC wafer 201 (FIG. 2B). At this time, the depth of the recess 301 is determined based on the required distance between the cathode electrode and the anode electrode.
次に、ＳｉＣウエハ２０１をグラファイト熱処理装置用のサンプルホルダ４０２にグラファイト基板３０９を介して入れた後、凹部３０１のみが露出するように開口部４０１が形成されたＰＧ（Pyrolytic Graphite）ケース３０２でＳｉＣウエハ２０１表面を覆う。その後、サンプルホルダ４０２をグラファイト熱処理装置に入れ、開口部４０１に露出している凹部３０１内で選択的にＣＮＷを成長させて例えば数ｎｍ〜数十μｍの膜厚のＣＮＷ層２０２を形成する（図２（ｃ））。このとき、ＣＮＷの選択成長では、ＳｉＣウエハ２０１に対して１×１０-4Ｔｏｒｒ以下、例えば１×１０-4Ｔｏｒｒ〜１×１０-6Ｔｏｒｒの真空度の雰囲気下で、１６００℃以上、例えば１６００℃〜２１００℃の条件下で３０分間以上のアニール処理が行われる。これによって、アノード透明電極層２０５に向かうＣＮＷ層２０２の光電子放出中心を多くすることができる。なお、ＣＮＷ層２０２の形成プロセスの詳細については後述する。 Next, after putting the SiC wafer 201 into the sample holder 402 for the graphite heat treatment apparatus through the graphite substrate 309, the SiC PG (Pyrolytic Graphite) case 302 in which the opening 401 is formed so that only the concave portion 301 is exposed is formed in the SiC. The surface of the wafer 201 is covered. Thereafter, the sample holder 402 is put into a graphite heat treatment apparatus, and CNW is selectively grown in the recess 301 exposed in the opening 401 to form a CNW layer 202 having a thickness of, for example, several nm to several tens of μm ( FIG. 2 (c)). In this case, the selective growth of CNW, 1 × 10 -4 Torr or less with respect to SiC wafer 201, for example, 1 × 10 under an atmosphere of -4 Torr~1 × 10 -6 Torr of vacuum, 1600 ° C. or higher, e.g. Annealing treatment is performed for 30 minutes or more under conditions of 1600 ° C. to 2100 ° C. As a result, the number of photoelectron emission centers of the CNW layer 202 toward the anode transparent electrode layer 205 can be increased. The details of the CNW layer 202 formation process will be described later.
次に、ＳｉＣウエハ２０１からＰＧケース３０２を外し、ＳｉＣウエハ２０１をサンプルホルダ４０２から取り出す（図２（ｄ））。 Next, the PG case 302 is removed from the SiC wafer 201, and the SiC wafer 201 is taken out from the sample holder 402 (FIG. 2D).
次に、ＳｉＯ2等から構成され、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部３０１上方に貫通孔を有し、凹部３０１以外の部分を覆う電気分離層２０４をＳｉＣウエハ２０１表面に形成する（図３（ａ））。 Next, an electrical separation layer 204 made of SiO 2 or the like, having a through hole above the recess 301 on the surface of the SiC wafer 201 and covering a portion other than the recess 301 is formed on the surface of the SiC wafer 201 (FIG. 3A). ).
次に、ＳｉＣウエハ２０１の裏面上に蒸着によりカソード電極層２０３を形成する。その後、電気分離層２０４上にＮｉ等を蒸着し、１０００℃〜１２００℃で１０秒〜２分間だけ熱処理を行い、少なくとも一部が電気分離層２０４の貫通孔上方に位置するアノード透明電極層２０５を形成する（図３（ｂ））。 Next, the cathode electrode layer 203 is formed on the back surface of the SiC wafer 201 by vapor deposition. Thereafter, Ni or the like is vapor-deposited on the electric separation layer 204, and heat treatment is performed at 1000 ° C. to 1200 ° C. for 10 seconds to 2 minutes. At least a part of the anode transparent electrode layer 205 is located above the through hole of the electric separation layer 204. (FIG. 3B).
最後に、ＣＮＷ層２０２を横切るように、ＳｉＣウエハ２０１をダイシングし（図３（ｃ））、テラヘルツ波放射装置２００を形成する（図３（ｄ））。このテラヘルツ波放射装置により、例えば冷陰極電界電子放出装置又は光電子放出装置が構成される。 Finally, the SiC wafer 201 is diced so as to cross the CNW layer 202 (FIG. 3C), and the terahertz wave radiation device 200 is formed (FIG. 3D). For example, a cold cathode field electron emission device or a photoelectron emission device is configured by the terahertz wave emission device.
図４は、ＣＮＷ層２０２の形成が行われるグラファイト熱処理装置４００の構成を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a graphite heat treatment apparatus 400 in which the CNW layer 202 is formed.
このグラファイト熱処理装置４００は、図４（ａ）に示されるように、外部グラファイトチャンバー４０６と、外部グラファイトチャンバー４０６内にＡｒガスおよびＮ2ガス等を導入するガス導入路４０７と、ターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）と接続され、外部グラファイトチャンバー４０６内のガスを排気する排気口４０８と、外部グラファイトチャンバー４０６内に配設されたグラファイトヒータ４０５と、外部グラファイトチャンバー４０６内にサンプルホルダ４０２を取り囲むように配設された直径約１３０ｍｍの円筒状の内部グラファイトチャンバー４０３とから構成される。 As shown in FIG. 4A, the graphite heat treatment apparatus 400 includes an external graphite chamber 406, a gas introduction path 407 for introducing Ar gas and N 2 gas into the external graphite chamber 406, a turbo molecular pump ( TMP), an exhaust port 408 for exhausting the gas in the external graphite chamber 406, a graphite heater 405 disposed in the external graphite chamber 406, and a sample holder 402 in the external graphite chamber 406 so as to surround the sample holder 402. A cylindrical internal graphite chamber 403 having a diameter of about 130 mm is provided.
サンプルホルダ４０２には、図４（ｂ）に示されるように、ＳｉＣウエハ２０１が取り付けられ、そのＳｉＣウエハ２０１表面は、凹部３０１上方に開口部４０１が形成されたＰＧケース３０２で覆われる。このとき、ＳｉＣウエハ２０１としては、例えば普及品としての２インチＳｉＣウエハが用いられ、ＳｉＣウエハ２０１とＰＧケース３０２との間隔は０．１ｍｍより小さくされる。 As shown in FIG. 4B, the SiC wafer 201 is attached to the sample holder 402, and the surface of the SiC wafer 201 is covered with a PG case 302 in which an opening 401 is formed above the recess 301. At this time, for example, a 2-inch SiC wafer as a popular product is used as the SiC wafer 201, and the interval between the SiC wafer 201 and the PG case 302 is made smaller than 0.1 mm.
内部グラファイトチャンバー４０３には、ＳｉＣウエハ２０１からのガスフローを制御することを目的として、直径１ｍｍ〜１３０ｍｍの排出孔４０４が設けられている。 The internal graphite chamber 403 is provided with a discharge hole 404 having a diameter of 1 mm to 130 mm for the purpose of controlling the gas flow from the SiC wafer 201.
上記構成を有するグラファイト熱処理装置４００を用いたＣＮＷ層２０２の形成は、次のように行われる。 The CNW layer 202 is formed using the graphite heat treatment apparatus 400 having the above-described configuration as follows.
すなわち、まずサンプルホルダ４０２にＳｉＣウエハ２０１を装填する。
次に、ガス導入路４０７から外部グラファイトチャンバー４０６内にガスを供給した後、外部グラファイトチャンバー４０６内を大気圧として室温下で内部グラファイトチャンバー４０３内にサンプルホルダ４０２を配設する。
That is, first, the SiC wafer 201 is loaded into the sample holder 402.
Next, after supplying gas from the gas introduction path 407 into the external graphite chamber 406, the sample holder 402 is disposed in the internal graphite chamber 403 at room temperature with the external graphite chamber 406 at atmospheric pressure.
次に、排気口４０８から外部グラファイトチャンバー４０６内のガス（ＳｉＣウエハ２０１表面で発生したガスを含むガス）を排気して１×１０-4Ｔｏｒｒ〜１×１０-6Ｔｏｒｒの真空度を維持しつつ、グラファイトヒータ４０５を用いて内部グラファイトチャンバー４０３内を２０００℃以上の温度に昇温する。このとき、昇温は所定の熱処理温度に到達するまで１０℃／ｍｉｎ〜２５℃／ｍｉｎのレートで行われ、所定の熱処理温度に到達した後はその温度が維持される。このような昇温は、ＣＮＷ層２０２形成のための成長条件を最適化するプログラムによりグラファイト熱処理装置４００を制御することで行われる。なお、昇温において、１２００℃〜１４００℃、５分〜２０分間のクリーニングが行われてもよい。 Next, the gas in the external graphite chamber 406 (including the gas generated on the surface of the SiC wafer 201) is exhausted from the exhaust port 408 to maintain a vacuum degree of 1 × 10 −4 Torr to 1 × 10 −6 Torr. Meanwhile, the internal graphite chamber 403 is heated to a temperature of 2000 ° C. or higher using the graphite heater 405. At this time, the temperature rise is performed at a rate of 10 ° C./min to 25 ° C./min until a predetermined heat treatment temperature is reached, and the temperature is maintained after reaching the predetermined heat treatment temperature. Such a temperature increase is performed by controlling the graphite heat treatment apparatus 400 with a program that optimizes the growth conditions for forming the CNW layer 202. Note that cleaning may be performed at 1200 ° C. to 1400 ° C. for 5 minutes to 20 minutes during the temperature increase.
最後に、外部グラファイトチャンバー４０６内のガスを排気しつつ、グラファイトヒータ４０５を切り、ＳｉＣウエハ２０１を自然冷却させる。その後、外部グラファイトチャンバー４０６内を大気圧として室温下で内部グラファイトチャンバー４０３からサンプルホルダ４０２を取り出す。 Finally, the graphite heater 405 is turned off while the gas in the external graphite chamber 406 is exhausted, and the SiC wafer 201 is naturally cooled. Then, the sample holder 402 is taken out from the internal graphite chamber 403 at room temperature with the inside of the external graphite chamber 406 at atmospheric pressure.
以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波放射装置２００の製造方法によれば、図５の断面図に示されるようにＳｉＣウエハ２０１が単にサンプルホルダ４０２に取り付けられるのではなく、図４（ｂ）に示したように開口部４０１を持つＰＧケース３０２で覆われる。従って、開口部４０１を介して表面に露出したＳｉＣウエハ２０１のＳｉ面＜０００１＞およびＣ面＜０００−１＞等のみにＣＮＷを成長させることができる。 As described above, according to the method of manufacturing terahertz wave radiating device 200 according to the present embodiment, SiC wafer 201 is not simply attached to sample holder 402 as shown in the cross-sectional view of FIG. As shown in (b), it is covered with a PG case 302 having an opening 401. Therefore, CNW can be grown only on the Si surface <0001> and the C surface <000-1> of the SiC wafer 201 exposed on the surface through the opening 401.
なお、上記実施の形態のグラファイト熱処理装置４００において、ＳｉＣウエハ２０１からのガスフローを制御する必要が無い場合には、図６に示されるように、内部グラファイトチャンバー４０３は設けられなくてもよい。 In the graphite heat treatment apparatus 400 of the above embodiment, when it is not necessary to control the gas flow from the SiC wafer 201, the internal graphite chamber 403 may not be provided as shown in FIG.
また、上記実施の形態では、ＳｉＣウエハ２０１はＰＧケース３０２で覆われ、ＰＧケース３０２に開口部４０１が形成されるとした。しかし、ＳｉＣウエハ２０１はグラファイトマスクで覆われ、グラファイトマスクにおけるＳｉＣウエハ２０１の凹部上方に位置する部分に開口部が形成されてもよい。 In the above embodiment, the SiC wafer 201 is covered with the PG case 302, and the opening 401 is formed in the PG case 302. However, SiC wafer 201 may be covered with a graphite mask, and an opening may be formed in a portion of the graphite mask located above the recess of SiC wafer 201.
例えば、図７（ａ）に示されるような上面形状のＣＮＷ層２０２を形成する場合、ＰＧケース３０２には図８（ａ）の断面図（図７（ａ）のＡ−Ａ’における断面図）に示されるような開口部４０１が形成され、グラファイトマスク５０１には図９（ａ）の断面図（図７（ａ）のＡ−Ａ’における断面図）に示されるような開口部４０１が形成される。同様に、図７（ｂ）に示されるような上面形状のＣＮＷ層２０２を形成する場合、ＰＧケース３０２には図８（ｂ）の断面図（図７（ｂ）のＡ−Ａ’における断面図）に示されるような開口部４０１が形成され、グラファイトマスク５０１には図９（ｂ）の断面図（図７（ｂ）のＡ−Ａ’における断面図）に示されるような開口部４０１が形成される。また、図７（ｃ）に示されるような上面形状のＣＮＷ層２０２を形成する場合、ＰＧケース３０２には図８（ｃ）の断面図（図７（ｃ）のＡ−Ａ’における断面図）に示されるような開口部４０１が形成され、グラファイトマスク５０１には図９（ｃ）の断面図（図７（ｃ）のＡ−Ａ’における断面図）に示されるような開口部４０１が形成される。 For example, when the CNW layer 202 having the top shape as shown in FIG. 7A is formed, the PG case 302 has a cross-sectional view in FIG. 8A (a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 7A). ) And an opening 401 as shown in the cross-sectional view of FIG. 9A (cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 7A) is formed in the graphite mask 501. It is formed. Similarly, when the CNW layer 202 having an upper surface shape as shown in FIG. 7B is formed, the PG case 302 has a cross-sectional view of FIG. 8B (a cross section taken along line AA ′ in FIG. 7B). An opening 401 as shown in FIG. 9 is formed, and the graphite mask 501 has an opening 401 as shown in the cross-sectional view of FIG. 9B (cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 7B). Is formed. When forming the CNW layer 202 having the top shape as shown in FIG. 7C, the PG case 302 has a cross-sectional view of FIG. 8C (cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 7C). The opening 401 as shown in FIG. 9 is formed, and the opening 401 as shown in the cross-sectional view of FIG. 9C (cross-sectional view along AA ′ of FIG. 7C) is formed in the graphite mask 501. It is formed.
次に、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置２００の評価結果について説明する。図１０（ａ）は、図１０（ｂ）の上面図で示されるＣＮＷ層２０２が形成され、ＣＮＷ層２０２以外の部分がＳｉＮマスクで覆われたＳｉＣウエハ２０１のラマンスペクトルの測定結果である。なお、被測定体は、ＳｉＣウエハ２０１として６Ｈ−ＳｉＣウエハを用い、２０００℃、３時間の熱処理を行って直径１ｍｍのＣＮＷ層２０２が形成されたものである。 Next, an evaluation result of the terahertz wave radiation device 200 having the above structure will be described. FIG. 10A shows the measurement result of the Raman spectrum of the SiC wafer 201 in which the CNW layer 202 shown in the top view of FIG. 10B is formed and the part other than the CNW layer 202 is covered with a SiN mask. The object to be measured is obtained by using a 6H—SiC wafer as the SiC wafer 201 and performing a heat treatment at 2000 ° C. for 3 hours to form a CNW layer 202 having a diameter of 1 mm.
図１０（ａ）から、グラファイト特性に基づくＧバンドのピーク６００ｇ、ピーク６００ｇに付加されたＣＮＷ特性に基づくＷバンドのピーク６００ｗ、および結晶欠陥特性に基づくＤバンドのピーク６００ｄが明確にあらわれていることがわかる。これらのピークは、ＣＮＷ層２０２がＣＮＷ構造を持つことを示すものである。そして、これらのピークは、固体アモルファスＳｉＣ基板、４Ｈ−ＳｉＣ基板および６Ｈ−ＳｉＣ基板のいずれをＳｉＣウエハ２０１として用いても観測される。従って、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置の製造方法により、ＳｉＣコートの基板を含むあらゆる種類のポリＳｉＣ基板においても、またそのような基板のＳｉおよびＣのいずれの面においてもＣＮＷ構造を持つＣＮＷ層２０２を形成することができ、同製造方法はＣＮＷの選択成長に有用であることがわかる。なお、ＳｉＣウエハ２０１のＣＮＷ層２０２が形成されていない部分（ＳｉＮマスクの部分）からはＤバンドのピーク６００ｄは観測されず、Ｇバンドのピーク６００Ｇのみが観測される。 From FIG. 10A, the G band peak 600 g based on the graphite characteristics, the W band peak 600 w based on the CNW characteristics added to the peak 600 g, and the D band peak 600 d based on the crystal defect characteristics are clearly shown. I understand that. These peaks indicate that the CNW layer 202 has a CNW structure. These peaks are observed when any of the solid amorphous SiC substrate, 4H—SiC substrate, and 6H—SiC substrate is used as the SiC wafer 201. Therefore, according to the manufacturing method of the terahertz wave radiation device of the present embodiment, a CNW structure is provided in any kind of poly SiC substrate including a SiC-coated substrate and on both sides of Si and C of such a substrate. The CNW layer 202 can be formed, and it can be seen that this manufacturing method is useful for the selective growth of CNW. Note that the peak 600d of the D band is not observed from the portion of the SiC wafer 201 where the CNW layer 202 is not formed (the portion of the SiN mask), and only the peak 600G of the G band is observed.
図１１は、ＣＮＷ層２０２のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真を示す図である。なお、被測定体は、２０００℃、３時間の熱処理を行ってＣＮＷ層２０２が形成されたものである。 FIG. 11 is a view showing an SEM (Scanning Electron Microscope) photograph of the CNW layer 202. The object to be measured is one in which the CNW layer 202 is formed by heat treatment at 2000 ° C. for 3 hours.
図１１から、ＳｉＣウエハ２０１上には一様な層成長によりＣＮＷ層２０２が形成されていることがわかる。また、ＣＮＷ層２０２は、その基端部（ＣＮＷ層２０２とＳｉＣウエハ２０１との界面）から先端部（ＣＮＷ層２０２表面）に向かって連続的に真直ぐには成長しておらず、多くの枝を持つジグザグ構造を有することがわかる。従って、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００の製造方法により、多くの電子放出中心を持つＣＮＷ層２０２を形成することができ、高性能の冷陰極電界電子放出装置および高効率で電子を放出する高出力のテラヘルツ波放射装置を実現できる。 11 that the CNW layer 202 is formed on the SiC wafer 201 by uniform layer growth. Further, the CNW layer 202 does not continuously grow straight from the base end portion (interface between the CNW layer 202 and the SiC wafer 201) toward the tip end portion (the surface of the CNW layer 202). It can be seen that it has a zigzag structure. Therefore, the CNW layer 202 having many electron emission centers can be formed by the manufacturing method of the terahertz wave emission device 200 of the present embodiment, and a high-performance cold cathode field electron emission device and high-efficiency electron emission are possible. A high-power terahertz wave radiation device can be realized.
図１２（ａ）および図１３（ａ）は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopic）の測定結果を示す図である。なお、図１２（ａ）は、図１２（ｂ）の断面図に示されるＣＮＷ成長が行われる前のＳｉＣウエハ２０１を被測定体としたものであり、図１３（ａ）は、図１３（ｂ）の断面図に示される１７００℃、１時間の熱処理を行って約５０μｍのＣＮＷ層２０２が形成されたＳｉＣウエハ２０１を被測定体としたものである。なお、図１２（ａ）において横軸はＳｉＣウエハ２０１表面からの深さを示し、図１３（ａ）において横軸はＣＮＷ層２０２表面からの深さを示している。 FIG. 12A and FIG. 13A are diagrams showing measurement results of SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopic). FIG. 12A shows an object to be measured with the SiC wafer 201 before CNW growth shown in the cross-sectional view of FIG. 12B is performed, and FIG. The SiC wafer 201 on which the CNW layer 202 of about 50 μm is formed by performing heat treatment at 1700 ° C. for 1 hour shown in the cross-sectional view of FIG. 12A, the horizontal axis indicates the depth from the surface of SiC wafer 201, and in FIG. 13A, the horizontal axis indicates the depth from the surface of CNW layer 202.
図１２（ａ）および図１３（ａ）から、ＣＮＷ成長によりＳｉＣウエハ２０１表面からＳｉ原子が離落していることがわかる。これは、ＣＮＷ成長のプロセスによるものである。すなわち、ＣＮＷ成長において、ＳｉＣウエハ２０１に対してＯ2存在下の真空チャンバー内での高温熱処理を行うことにより、Ｏ2分子はＳｉＣウエハ２０１のＳｉおよびＣ原子と反応し、それぞれＳｉＯおよびＣＯガスの形態でＳｉＣウエハ２０１から離脱する。そして、Ｓｉ原子のＯ2分子との反応速度は、Ｃ原子のＯ2分子との反応速度よりも速いため、Ｃ原子がＳｉＣウエハ２０１表面に取り残され、ＣＮＷ、ＣＮＴおよびＣＮＦ（Cardon Nano Flake）等のカーボンナノ構造体が形成されることによるものである。なお、カーボンナノ構造体がＣＮＷ、ＣＮＴおよびＣＮＦのいずれであるかは、内部グラファイトチャンバー４０３の排出孔４０４の大きさ、ＳｉＣウエハの熱処理温度およびチャンバー内の真空度等により決定される。 From FIG. 12A and FIG. 13A, it can be seen that Si atoms are detached from the surface of the SiC wafer 201 by CNW growth. This is due to the CNW growth process. That is, in the CNW growth, by performing high-temperature heat treatment in a vacuum chamber of O 2 presence the SiC wafer 201, O 2 molecules react with Si and C atoms of the SiC wafer 201, SiO and CO gas, respectively It leaves | separates from the SiC wafer 201 with the form. Since the reaction rate of Si atoms with O 2 molecules is faster than the reaction rate of C atoms with O 2 molecules, C atoms are left behind on the SiC wafer 201, and CNW, CNT, and CNF (Cardon Nano Flake) This is because carbon nanostructures such as are formed. Whether the carbon nanostructure is CNW, CNT, or CNF is determined by the size of the discharge hole 404 of the internal graphite chamber 403, the heat treatment temperature of the SiC wafer, the degree of vacuum in the chamber, and the like.
また、図１２（ａ）および図１３（ａ）から、ＣＮＷ成長が行われた後のＳｉＣウエハ２０１においては、ＣＮＷ成長が行われる前には観測されないＯの突出した明確なバンプがＣＮＷ層２０２とＳｉＣウエハ２０１との間で観測されていることがわかる。すなわち、ＣＮＷ層２０２とＳｉＣウエハ２０１との間でＳｉ酸化物層９０２が観測されていることがわかる。これは、ＣＮＷ成長のプロセスによるものである。すなわち、ＣＮＷ成長において、上述したようにＯ2分子はＳｉＣウエハ２０１のＳｉ原子と反応してＳｉ原子を離脱させ、カーボンナノ構造体を構成するＣ原子を残す。このとき、ＣＮＷ層２０２が厚くなるにつれてＯ2分子はＳｉＣウエハ２０１表面に到達し難くなり、ＣＮＷ成長が遅くなる。そして、ヒータを切って熱処理を終了させ、ＣＮＷ成長を止め、ＳｉＣウエハ２０１を冷やした場合、高温で活動的であったＣＮＷ層２０２とＳｉＣウエハ２０１との間のＯ2分子は、安定なＳｉＯ2の形態でトラップされることによるものである。これは、図１３（ａ）において、ＣＮＷ層２０２とＳｉＣウエハ２０１との間で、Ｏの密度がＳｉの密度の２倍になっていることからも明らかである。なお、ＣＮＷ層２０２の厚膜化によるＣＮＷ成長速度の減衰率は、熱処理時間の平方根に比例して変化する。 Also, from FIG. 12A and FIG. 13A, in the SiC wafer 201 after CNW growth is performed, a clear bump with protruding O which is not observed before the CNW growth is performed is the CNW layer 202. As can be seen from FIG. That is, it can be seen that the Si oxide layer 902 is observed between the CNW layer 202 and the SiC wafer 201. This is due to the CNW growth process. That is, in the CNW growth, as described above, the O 2 molecule reacts with the Si atom of the SiC wafer 201 to release the Si atom, leaving the C atom constituting the carbon nanostructure. At this time, as the CNW layer 202 becomes thicker, it becomes difficult for O 2 molecules to reach the surface of the SiC wafer 201, and CNW growth becomes slower. When the heater is turned off to finish the heat treatment, the CNW growth is stopped, and the SiC wafer 201 is cooled, the O 2 molecules between the CNW layer 202 and the SiC wafer 201 that are active at a high temperature are stable SiO 2 This is due to being trapped in the form of 2 . This is also clear from the fact that the density of O is twice that of Si between the CNW layer 202 and the SiC wafer 201 in FIG. The attenuation rate of the CNW growth rate due to the thickening of the CNW layer 202 changes in proportion to the square root of the heat treatment time.
以上のようなＣＮＷ成長のメカニズムについては、特にＯ2分子の役割についてはその詳細が知られておらず、本願の発明者が最初に明らかにしたものである。 Regarding the CNW growth mechanism as described above, the details of the role of the O 2 molecule are not particularly known, and the inventors of the present application have clarified it first.
図１４（ａ）は、表面粗さ計（Dektak）によるＳｉＣウエハ２０１表面の凹凸の測定結果を示す図である。なお、図１４（ａ）は、図１４（ｂ）の上面図に示される、凹部内ではないＳｉＣウエハ２０１表面の直径１ｍｍの範囲内に２０００℃、３時間の条件下でＣＮＷ成長が行われたＳｉＣウエハ２０１を被測定体としたものである。 FIG. 14A is a diagram showing a measurement result of unevenness on the surface of the SiC wafer 201 by a surface roughness meter (Dektak). In FIG. 14A, CNW growth is performed under the conditions of 2000 ° C. and 3 hours in the range of 1 mm in diameter on the surface of the SiC wafer 201 that is not in the recess, as shown in the top view of FIG. The SiC wafer 201 is used as an object to be measured.
図１４から、ＣＮＷ層２０２の表面（図１４（ｂ）のＡ）とＳｉＣウエハ２０１の表面（図１４（ｂ）のＢ、Ｃ）との間に２ｎｍ以上５００ｎｍ以下の段差が生じていることがわかる。すなわち、ＣＮＷ層２０２の表面は、ＳｉＣウエハ２０１の表面より低くなっていることがわかる。これは、ＣＮＷ成長のプロセスによるものである。すなわち、ＣＮＷ成長において、上述したようにＯ2分子はＳｉＣウエハ２０１のＳｉ原子と反応（Ｓｉ＋Ｏ→ＳｉＯ）してＳｉＯの形態でＳｉＣウエハ２０１から離脱し、さらにＯ2分子はＣ原子と反応（Ｃ＋Ｏ→ＣＯ）してＣＯガスの形態でＳｉＣウエハ２０１から離脱することによるものである。 From FIG. 14, a step of 2 nm or more and 500 nm or less is generated between the surface of CNW layer 202 (A in FIG. 14B) and the surface of SiC wafer 201 (B and C in FIG. 14B). I understand. That is, it can be seen that the surface of CNW layer 202 is lower than the surface of SiC wafer 201. This is due to the CNW growth process. That is, in the CNW growth, as described above, the O 2 molecule reacts with the Si atom of the SiC wafer 201 (Si + O → SiO) and leaves the SiC wafer 201 in the form of SiO, and the O 2 molecule reacts with the C atom ( (C + O → CO) and then released from the SiC wafer 201 in the form of CO gas.
図１５は、ＤＣ電源１１１による電圧印加を行った状態でフェムト秒レーザ１１２をＣＮＷ層２０２に照射した場合の光電子放出特性を示す図である。 FIG. 15 is a diagram showing photoelectron emission characteristics when the femtosecond laser 112 is irradiated onto the CNW layer 202 in a state where a voltage is applied by the DC power source 111.
図１５から、フェムト秒レーザ１１２をＣＮＷ層２０２に照射しないと電流が流れず（図１５のＢ）、フェムト秒レーザ１１２をＣＮＷ層２０２に照射すると光電子が放出され、真空を介して電流が流れることがわかる（図１５のＡ）。そして、この放出された光電子は、ＤＣ電源１１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波が放射されることがわかる。なお、テラヘルツ波の放射効率は、ＣＮＷ層２０２からアノード透明電極層２０５に向かう光電子のパスを曲げることで向上する。 From FIG. 15, if the femtosecond laser 112 is not applied to the CNW layer 202, no current flows (B in FIG. 15), and when the femtosecond laser 112 is applied to the CNW layer 202, photoelectrons are emitted and current flows through a vacuum. (A in FIG. 15). Then, it can be seen that the emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power source 111, and a terahertz wave is emitted. The radiation efficiency of the terahertz wave is improved by bending the photoelectron path from the CNW layer 202 toward the anode transparent electrode layer 205.
（第２の実施の形態）
図１６は、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００の構造を示す斜視図である。
(Second Embodiment)
FIG. 16 is a perspective view showing the structure of the terahertz wave radiating device 1100 of the present embodiment.
このテラヘルツ波放射装置１１００は、ＳｉＣウエハ２０１に複数のＣＮＷ層が形成されているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００と異なる。同テラヘルツ波放射装置１１００は、カソード電極を構成するＳｉＣウエハ２０１と、アノード電極を構成する複数のアノード透明電極層１１０５と、カソード電極およびアノード電極を電気的に分離する絶縁性の電気分離層１１０４と、ＤＣ電源１１１と、３００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを出射する光源（図外）とから構成される。 This terahertz wave radiation device 1100 is different from the terahertz wave radiation device 200 of the first embodiment in that a plurality of CNW layers are formed on a SiC wafer 201. The terahertz wave radiating device 1100 includes a SiC wafer 201 constituting a cathode electrode, a plurality of anode transparent electrode layers 1105 constituting an anode electrode, and an insulating electric separation layer 1104 for electrically separating the cathode electrode and the anode electrode. And a DC power source 111 and a light source (not shown) that emits a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less.
ＳｉＣウエハ２０１表面の直径１ｍｍの円形状の凹部内には、凹部底面を覆うように、ＣＮＷから構成されるＣＮＷ層１１０２が選択的に形成されている。ＣＮＷ層１１０２は、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部内で選択的にＣＮＷを成長させることにより形成される。ＳｉＣウエハ２０１裏面には、ＳｉＣウエハ２０１とオーミック接触するように、カソード電極層１１０３が形成されている。カソード電極層１１０３は、蒸着・アニール処理のプロセスを経て形成される。 A CNW layer 1102 made of CNW is selectively formed in a circular recess having a diameter of 1 mm on the surface of the SiC wafer 201 so as to cover the bottom surface of the recess. The CNW layer 1102 is formed by selectively growing CNW in a recess on the surface of the SiC wafer 201. A cathode electrode layer 1103 is formed on the back surface of the SiC wafer 201 so as to make ohmic contact with the SiC wafer 201. The cathode electrode layer 1103 is formed through a vapor deposition / annealing process.
電気分離層１１０４は、ＳｉＣウエハ２０１とアノード透明電極層１１０５との間に形成され、アノード透明電極層１１０５からＣＮＷ層１１０２に向かう貫通孔を有する。 The electrical separation layer 1104 is formed between the SiC wafer 201 and the anode transparent electrode layer 1105, and has a through hole from the anode transparent electrode layer 1105 toward the CNW layer 1102.
アノード透明電極１１０５は、ＣＮＷ層１１０２と間を置いて対向するようにＳｉＣウエハ２０１上方の電気分離層１１０４上に形成されている。ＤＣ電源１１１は、カソード電極層１１０３およびアノード透明電極層１１０５と電気的に接続されている。 The anode transparent electrode 1105 is formed on the electrical separation layer 1104 above the SiC wafer 201 so as to face the CNW layer 1102 with a space therebetween. The DC power source 111 is electrically connected to the cathode electrode layer 1103 and the anode transparent electrode layer 1105.
なお、ＣＮＷ層１１０２は本発明の第１カーボンナノ層の一例である。また、カソード電極層１１０３は本発明の第１電極の一例であり、アノード透明電極層１１０５は本発明の第２電極の一例である。さらに、電気分離層１１０４は本発明の第１電気分離層の一例である。 The CNW layer 1102 is an example of the first carbon nanolayer of the present invention. The cathode electrode layer 1103 is an example of the first electrode of the present invention, and the anode transparent electrode layer 1105 is an example of the second electrode of the present invention. Furthermore, the electrical separation layer 1104 is an example of the first electrical separation layer of the present invention.
上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１１００では、１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空度の真空容器内で、光源からの高いピークパワーを有するフェムト秒レーザ１１２が図１７に示されるようなビームスプリッターブロック１２０１を介してＣＮＷ層１１０２の配列に照射される。ビームスプリッターブロック１２０１は、ＣＮＷ層１１０２のハイスピード光電導スイッチを実現するものであり、表面に形成された非反射領域１２０２および高反射領域１２０３と、裏面に形成されたハーフミラー等の可変部分反射領域１２０４とを有する。ビームスプリッターブロック１２０１では、非反射領域１２０２にフェムト秒レーザ１１２が入射すると、フェムト秒レーザ１１２の入射角度に応じた間隔を持つ複数のフェムト秒レーザ１１２が可変部分反射領域１２０４から放射される。このようなビームスプリッターブロック１２０１を介して各ＣＮＷ層１１０２にフェムト秒レーザ１１２が照射されると、各ＣＮＷ層１１０２から光電子が放出される。放出された光電子は、ＤＣ電源１１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波が放射される。なお、ＳＮＲおよびテラヘルツ波の放射効率は、レーザと電圧との同期化によって向上する。 In the terahertz wave radiation device 1100 having the above structure, a femtosecond laser 112 having a high peak power from a light source in a vacuum container having a vacuum degree of 1 × 10 −6 Torr or less is a beam splitter block as shown in FIG. The array of CNW layers 1102 is irradiated through 1201. The beam splitter block 1201 realizes a high-speed photoelectric conducting switch of the CNW layer 1102, and includes a non-reflective region 1202 and a highly reflective region 1203 formed on the front surface, and a variable partial reflection such as a half mirror formed on the back surface. And an area 1204. In the beam splitter block 1201, when the femtosecond laser 112 is incident on the non-reflective region 1202, a plurality of femtosecond lasers 112 having intervals according to the incident angle of the femtosecond laser 112 are emitted from the variable partial reflection region 1204. When the femtosecond laser 112 is irradiated to each CNW layer 1102 through such a beam splitter block 1201, photoelectrons are emitted from each CNW layer 1102. The emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power source 111, and a terahertz wave is emitted. Note that the radiation efficiency of the SNR and the terahertz wave is improved by synchronizing the laser and the voltage.
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００によれば、第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００と同様の理由により、テラヘルツ波の放射効率を高めることができ、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、カソード電極およびアノード電極の間隔を容易に調節することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 As described above, according to the terahertz wave radiation device 1100 of the present embodiment, the radiation efficiency of the terahertz wave can be increased for the same reason as the terahertz wave radiation device 200 of the first embodiment, and the cost is low. A terahertz wave radiation device that can be manufactured with the above can be realized. Further, it is possible to realize a terahertz wave radiation device that can easily adjust the distance between the cathode electrode and the anode electrode.
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００によれば、複数のＣＮＷ層１１０２を備える。従って、各ＣＮＷ層１１０２にフェムト秒レーザ１１２を同時に照射することで、各ＣＮＷ層１１０２から同時にテラヘルツ波を放射させることができる。その結果、各ＣＮＷ層１１０２から放射されたテラヘルツ波を集光することにより、高出力のテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、各ＣＮＷ層１１０２から放射されたテラヘルツ波を集光しない場合でも、各テラヘルツ波を一度に被測定体に照射し、それらの透過状態を確認することで、スキャニング動作の不要な、つまり簡易な２次元イメージング装置を実現することができる。 Moreover, according to the terahertz wave radiating device 1100 of the present embodiment, a plurality of CNW layers 1102 are provided. Therefore, terahertz waves can be simultaneously emitted from each CNW layer 1102 by simultaneously irradiating each CNW layer 1102 with the femtosecond laser 112. As a result, a high-power terahertz wave radiation device can be realized by condensing the terahertz waves emitted from each CNW layer 1102. Further, even when the terahertz waves emitted from each CNW layer 1102 are not collected, each terahertz wave is irradiated onto the object to be measured at one time and the transmission state thereof is confirmed. Such a two-dimensional imaging apparatus can be realized.
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００によれば、１枚のＳｉＣウエハ２０１上に複数のテラヘルツ波放出源を作成することができる。従って、小型で高出力のテラヘルツ波放射装置を実現できる。 Further, according to the terahertz wave radiation device 1100 of the present embodiment, a plurality of terahertz wave emission sources can be created on one SiC wafer 201. Therefore, a small and high output terahertz radiation device can be realized.
なお、上記実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００では、複数のＣＮＷ層１１０２は１次元状に配列されるとした。しかし、複数のＣＮＷ層１１０２は、２次元状に配列されてもよいし、またランダム（不規則）に配列されてもよい。 In the terahertz wave radiating device 1100 of the above embodiment, the plurality of CNW layers 1102 are arranged in a one-dimensional manner. However, the plurality of CNW layers 1102 may be arranged two-dimensionally or randomly (irregularly).
次に、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１１００の製造方法について説明する。図１８および図１９は、同テラヘルツ波放射装置１１００の製造方法を説明するための図である。 Next, a method for manufacturing the terahertz wave radiating device 1100 having the above structure will be described. 18 and 19 are views for explaining a method of manufacturing the terahertz wave radiating device 1100. FIG.
まず、ＳｉＣウエハ２０１を用意し（図１８（ａ））、そのＳｉＣウエハ２０１表面の複数の部分に凹部１１０１を形成する（図１８（ｂ））。このとき、凹部１１０１の深さは、必要とされるカソード電極およびアノード電極の間隔に基づいて決定される。 First, an SiC wafer 201 is prepared (FIG. 18A), and recesses 1101 are formed in a plurality of portions on the surface of the SiC wafer 201 (FIG. 18B). At this time, the depth of the recess 1101 is determined based on the required distance between the cathode electrode and the anode electrode.
次に、ＳｉＣウエハ２０１をグラファイト熱処理装置用のサンプルホルダ４０２にグラファイト基板３０９を介して入れた後、凹部１１０１のみが露出するように開口部４０１が形成されたＰＧケース３０２でＳｉＣウエハ２０１表面を覆う。その後、サンプルホルダ４０２をグラファイト熱処理装置に入れ、開口部４０１に露出している凹部１１０１内で選択的にＣＮＷを成長させて例えば数ｎｍ〜数十μｍの膜厚のＣＮＷ層１１０２を形成する（図１８（ｃ））。なお、ＣＮＷ層１１０２の形成プロセスは、第１の実施の形態におけるものと同様である。 Next, after putting the SiC wafer 201 into the sample holder 402 for the graphite heat treatment apparatus through the graphite substrate 309, the surface of the SiC wafer 201 is covered with the PG case 302 in which the opening 401 is formed so that only the recess 1101 is exposed. cover. Thereafter, the sample holder 402 is put into a graphite heat treatment apparatus, and a CNW is selectively grown in the recess 1101 exposed in the opening 401 to form a CNW layer 1102 having a thickness of, for example, several nm to several tens of μm ( FIG. 18 (c)). The formation process of the CNW layer 1102 is the same as that in the first embodiment.
次に、ＳｉＣウエハ２０１からグＰＧケース３０２を外し、ＳｉＣウエハ２０１をサンプルホルダ４０２から取り出す（図１８（ｄ））。 Next, the PG case 302 is removed from the SiC wafer 201, and the SiC wafer 201 is taken out from the sample holder 402 (FIG. 18D).
次に、ＳｉＯ2等から構成され、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部１１０１上方に貫通孔を有し、凹部１１０１以外の部分を覆う電気分離層１１０４をＳｉＣウエハ２０１表面に形成する（図１９（ａ））。 Next, an electrical separation layer 1104 made of SiO 2 or the like, having a through hole above the recess 1101 on the surface of the SiC wafer 201 and covering a portion other than the recess 1101 is formed on the surface of the SiC wafer 201 (FIG. 19A). ).
次に、ＳｉＣウエハ２０１の裏面上に蒸着によりカソード電極層１１０３を形成する。その後、電気分離層１１０４上にＮｉ等を蒸着し、１０００℃〜１２００℃で１０秒〜２分間だけ熱処理を行い、少なくとも一部が電気分離層１１０４の貫通孔上方に位置する複数のアノード透明電極層１１０５を形成する（図１９（ｂ））。 Next, the cathode electrode layer 1103 is formed on the back surface of the SiC wafer 201 by vapor deposition. Then, Ni etc. are vapor-deposited on the electrical separation layer 1104, heat treatment is performed at 1000 ° C. to 1200 ° C. for 10 seconds to 2 minutes, and a plurality of anode transparent electrodes at least partially located above the through holes of the electrical separation layer 1104 A layer 1105 is formed (FIG. 19B).
最後に、ＣＮＷ層１１０２を横切るように、ＳｉＣウエハ２０１をダイシングし（図１９（ｃ））、テラヘルツ波放射装置１１００を形成する（図１９（ｄ））。 Finally, the SiC wafer 201 is diced so as to cross the CNW layer 1102 (FIG. 19C), and the terahertz wave radiation device 1100 is formed (FIG. 19D).
（第３の実施の形態）
このテラヘルツ波放射装置２００の製造方法は、ＣＮＷ層２０２の形成において、ＳｉＣウエハ２０１をダミーのＳｉＣウエハを介してグラファイト熱処理装置用のサンプルホルダに入れるという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００の製造方法と異なる。
(Third embodiment)
The manufacturing method of the terahertz wave radiating device 200 is the same as that of the first embodiment in that the SiC wafer 201 is inserted into a sample holder for a graphite heat treatment device via a dummy SiC wafer in forming the CNW layer 202. Different from the manufacturing method of the radiation device 200.
同テラヘルツ波放射装置２００の製造方法では、図２（ｃ）で示した製造プロセスにおいて、ＳｉＣウエハ２０１が図２０（ａ）の断面図に示されるような形態でサンプルホルダ４０２に入れられる。すなわち、ＳｉＣウエハ２０１を滑らかな表面を持つ第１ダミーＳｉＣウエハ２０１ｃ、および滑らかな表面を持ち、さらにＳｉＣウエハ２０１表面の凹部上方に開口部を持つ第２ダミーＳｉＣウエハ２０１ｄで挟み込んだ形態でサンプルホルダ４０２に入れられる。 In the manufacturing method of the terahertz wave radiating device 200, in the manufacturing process shown in FIG. 2C, the SiC wafer 201 is put into the sample holder 402 in the form as shown in the sectional view of FIG. That is, the sample is sandwiched between the first dummy SiC wafer 201c having a smooth surface and the second dummy SiC wafer 201d having a smooth surface and having an opening above the recess on the surface of the SiC wafer 201. Placed in holder 402.
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００の製造方法によれば、ＳｉＣウエハ２０１を熱処理する際において、図２０（ｂ）の断面図に示されるように、ＳｉＣウエハ２０１よりもラフな表面を持つグラファイト基板３０９と第１ダミーＳｉＣウエハ２０１ｃとの間には、非常に大量のガス循環２０１ａが発生する。また、第２ダミーＳｉＣウエハ２０１ｄとＰＧケース３０２との間にもガス循環が発生する。しかしながら、第１ダミーＳｉＣウエハ２０１ｃおよび第２ダミーＳｉＣウエハ２０１ｄとＳｉＣウエハ２０１とは密接しているため、ＳｉＣウエハ２０１表面および裏面へのガス循環２０１ｂは大きく制限される。従って、ＣＮＷ層２０２を形成する際におけるＳｉＣウエハ２０１の表面に露出した部分以外の部分からのＣＮＷ成長を大きく防止し、図２０（ｃ）の断面図に示されるような所望の領域のみにＣＮＷ層２０２が形成されたＳｉＣウエハ２０１を実現できる。 As described above, according to the method for manufacturing terahertz wave radiating device 200 of the present embodiment, when heat treating SiC wafer 201, as shown in the cross-sectional view of FIG. A very large amount of gas circulation 201a is generated between the graphite substrate 309 having a smooth surface and the first dummy SiC wafer 201c. Gas circulation also occurs between the second dummy SiC wafer 201d and the PG case 302. However, since the first dummy SiC wafer 201c and the second dummy SiC wafer 201d and the SiC wafer 201 are in close contact with each other, the gas circulation 201b to the front and back surfaces of the SiC wafer 201 is greatly limited. Therefore, CNW growth from a portion other than the portion exposed on the surface of the SiC wafer 201 when forming the CNW layer 202 is largely prevented, and the CNW is formed only in a desired region as shown in the sectional view of FIG. The SiC wafer 201 on which the layer 202 is formed can be realized.
（第４の実施の形態）
図２１は、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１４００の構造を示す斜視図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 21 is a perspective view showing the structure of the terahertz wave radiating device 1400 of the present embodiment.
このテラヘルツ波放射装置１４００は、ＳｉＣウエハ２０１の表面および裏面の両面に複数のＣＮＷ層が形成されているという点で第２の実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００と異なる。同テラヘルツ波放射装置１４００は、カソード電極を構成するＳｉＣウエハ２０１と、アノード電極を構成する複数のアノード透明電極層１１０５、１１１５と、カソード電極およびアノード電極を電気的に分離する絶縁性の電気分離層１１０４、１１１４と、カソード電極およびアノード電極に直流電圧を印加する２つのＤＣ電源１１１、１４１１と、３００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを出射する光源（図外）とから構成される。 This terahertz wave radiation device 1400 differs from the terahertz wave radiation device 1100 of the second embodiment in that a plurality of CNW layers are formed on both the front surface and the back surface of the SiC wafer 201. The terahertz wave radiating device 1400 includes an SiC wafer 201 that constitutes a cathode electrode, a plurality of anode transparent electrode layers 1105 and 1115 that constitute an anode electrode, and an insulating electrical isolation that electrically isolates the cathode electrode and the anode electrode. The layers 1104 and 1114, two DC power sources 111 and 1411 that apply a DC voltage to the cathode electrode and the anode electrode, and a light source (not shown) that emits a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less.
ＳｉＣウエハ２０１の表面の直径１ｍｍの円形状の凹部内には、凹部底面を覆うように、ＣＮＷから構成されるＣＮＷ層１１０２が選択的に形成されている。ＳｉＣウエハ２０１の裏面の凹部内には、ＣＮＷから構成されるＣＮＷ層１１１２が選択的に形成されている。ＣＮＷ層１１１２は、ＳｉＣウエハ２０１の裏面の凹部内で選択的にＣＮＷを成長させることにより形成される。ＳｉＣウエハ２０１側面には、ＳｉＣウエハ２０１とオーミック接触するように、カソード電極層１４０３が形成されている。カソード電極層１４０３は、蒸着・アニール処理のプロセスを経て形成される。 In a circular recess having a diameter of 1 mm on the surface of SiC wafer 201, CNW layer 1102 made of CNW is selectively formed so as to cover the bottom surface of the recess. A CNW layer 1112 made of CNW is selectively formed in a recess on the back surface of SiC wafer 201. CNW layer 1112 is formed by selectively growing CNW in a recess on the back surface of SiC wafer 201. A cathode electrode layer 1403 is formed on the side surface of the SiC wafer 201 so as to make ohmic contact with the SiC wafer 201. The cathode electrode layer 1403 is formed through a vapor deposition / annealing process.
電気分離層１１１４は、ＳｉＣウエハ２０１とアノード透明電極層１１１５との間に形成され、アノード透明電極層１１１５からＣＮＷ層１１１２に向かう貫通孔を有する。 The electrical separation layer 1114 is formed between the SiC wafer 201 and the anode transparent electrode layer 1115 and has a through hole from the anode transparent electrode layer 1115 toward the CNW layer 1112.
アノード透明電極層１１１５は、ＣＮＷ層１１１２と間を置いて対向するようにＳｉＣウエハ２０１下方の電気分離層１１１４上に形成される。ＤＣ電源１４１１は、カソード電極層１４０３およびアノード透明電極層１１１５と電気的に接続されている。 The anode transparent electrode layer 1115 is formed on the electric separation layer 1114 below the SiC wafer 201 so as to face the CNW layer 1112 with a space therebetween. The DC power source 1411 is electrically connected to the cathode electrode layer 1403 and the anode transparent electrode layer 1115.
なお、ＣＮＷ層１１１２は本発明の第２カーボンナノ層の一例である。また、カソード電極層１４０３は本発明の第１電極の一例であり、アノード透明電極層１１１５は本発明の第２電極の一例である。さらに、電気分離層１１１４は本発明の第２電気分離層の一例である。 The CNW layer 1112 is an example of the second carbon nanolayer of the present invention. The cathode electrode layer 1403 is an example of the first electrode of the present invention, and the anode transparent electrode layer 1115 is an example of the second electrode of the present invention. Furthermore, the electrical separation layer 1114 is an example of the second electrical separation layer of the present invention.
上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１４００では、１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空度の容器内で、高いピークパワーを有するフェムト秒レーザ１１２が図２２に示されるような２つのビームスプリッターブロック１５０１ａおよび１５０１ｂを介してＣＮＷ層１１０２、１１１２の配列に照射される。ビームスプリッターブロック１５０１ａは、表面に形成された非反射領域１５０２ａおよび高反射領域１５０３ａと、裏面に形成されたハーフミラー等の可変部分反射領域１５０４ａとを有する。同様に、ビームスプリッターブロック１５０１ｂは、表面に形成された非反射領域１５０２ｂおよび高反射領域１５０３ｂと、裏面に形成されたハーフミラー等の可変部分反射領域１５０４ｂとを有する。ビームスプリッターブロック１５０１ａおよび１５０１ｂでは、非反射領域１５０２ａにフェムト秒レーザ１１２が入射すると、フェムト秒レーザ１１２の入射角度に応じた間隔を持つ複数のフェムト秒レーザ１１２が可変部分反射領域１５０４ａから放射される。フェムト秒レーザ１１２は、可変部分反射領域１５０４ａで２つに分けられ、一方は非反射領域１５０２ｂに向けて放射される。このようなビームスプリッターブロック１５０１ａおよび１５０１ｂを介して各ＣＮＷ層１１０２、１１１２にフェムト秒レーザ１１２が照射されると、各ＣＮＷ層１１０２、１１１２から光電子が放出される。放出された光電子は、ＤＣ電源１１１、１４１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波が放射される。なお、ＳＮＲおよびテラヘルツ波の放射効率は、レーザと電圧との同期化によって向上する。 In the terahertz wave radiation device 1400 having the above structure, a femtosecond laser 112 having a high peak power in a container having a vacuum degree of 1 × 10 −6 Torr or less includes two beam splitter blocks 1501a and 1501a as shown in FIG. The array of CNW layers 1102 and 1112 is irradiated through 1501b. The beam splitter block 1501a has a non-reflective region 1502a and a highly reflective region 1503a formed on the front surface, and a variable partial reflective region 1504a such as a half mirror formed on the back surface. Similarly, the beam splitter block 1501b has a non-reflective region 1502b and a high reflective region 1503b formed on the front surface, and a variable partial reflective region 1504b such as a half mirror formed on the back surface. In the beam splitter blocks 1501a and 1501b, when the femtosecond laser 112 is incident on the non-reflective region 1502a, a plurality of femtosecond lasers 112 having intervals according to the incident angle of the femtosecond laser 112 are emitted from the variable partial reflection region 1504a. . The femtosecond laser 112 is divided into two by a variable partial reflection region 1504a, and one is emitted toward the non-reflection region 1502b. When the CNW layers 1102 and 1112 are irradiated with the femtosecond laser 112 through the beam splitter blocks 1501a and 1501b, photoelectrons are emitted from the CNW layers 1102 and 1112. The emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power sources 111 and 1411, and a terahertz wave is emitted. Note that the radiation efficiency of the SNR and the terahertz wave is improved by synchronizing the laser and the voltage.
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１４００によれば、第２の実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００と同様の理由により、テラヘルツ波の放射効率を高めることができ、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、カソード電極およびアノード電極の間隔を容易に調節することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 As described above, according to the terahertz wave radiating device 1400 of the present embodiment, the radiation efficiency of terahertz waves can be increased for the same reason as the terahertz wave radiating device 1100 of the second embodiment, and the cost is low. A terahertz wave radiation device that can be manufactured with the above can be realized. Further, it is possible to realize a terahertz wave radiation device that can easily adjust the distance between the cathode electrode and the anode electrode.
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１４００によれば、複数のＣＮＷ層をＳｉＣウエハ２０１の両面に備える。従って、ＳｉＣウエハ２０１の表面および裏面に向けて対称にフェムト秒レーザ１１２を照射し、各ＣＮＷ層１１０２、１１１２にフェムト秒レーザ１１２を同時に照射することで、各ＣＮＷ層１１０２、１１１２から同時にテラヘルツ波を放射させることができる。その結果、各ＣＮＷ層１１０２、１１１２から放射されたテラヘルツ波を集光することにより、第２の実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００の２倍の出力を持つ高出力のテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、各ＣＮＷ層１１０２、１１１２から放射されたテラヘルツ波を集光しない場合でも、各テラヘルツ波を一度に被測定体に照射し、それらの透過状態を確認することで、スキャニング動作の不要な、つまり簡易な２次元イメージング装置を実現することができる。 Further, according to terahertz wave radiating device 1400 of the present embodiment, a plurality of CNW layers are provided on both surfaces of SiC wafer 201. Therefore, the femtosecond laser 112 is symmetrically irradiated toward the front surface and the back surface of the SiC wafer 201, and the femtosecond laser 112 is simultaneously irradiated to the CNW layers 1102 and 1112, so that terahertz waves are simultaneously generated from the CNW layers 1102 and 1112. Can be emitted. As a result, by collecting the terahertz waves emitted from the CNW layers 1102 and 1112, a high-power terahertz wave radiation device having an output twice that of the terahertz wave radiation device 1100 of the second embodiment is realized. it can. In addition, even when the terahertz waves emitted from the CNW layers 1102 and 1112 are not collected, each terahertz wave is irradiated onto the measurement object at once and the transmission state thereof is confirmed, so that a scanning operation is unnecessary. That is, a simple two-dimensional imaging apparatus can be realized.
次に、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１４００の製造方法について説明する。
このテラヘルツ波放射装置１４００の製造方法は、ＣＮＷ層１１０２、１１１２の形成において、ＳｉＣウエハ２０１の両面をダミーのＳｉＣウエハ又はグラファイトマスクで被覆し、ＳｉＣウエハ２０１を立てた状態でグラファイト熱処理装置用のサンプルホルダに入れるという点で第２の実施の形態のテラヘルツ波放射装置１１００の製造方法と異なる。
Next, a method for manufacturing the terahertz wave radiating device 1400 having the above structure will be described.
In the method of manufacturing the terahertz wave radiating device 1400, in forming the CNW layers 1102 and 1112, both surfaces of the SiC wafer 201 are covered with a dummy SiC wafer or a graphite mask, and the SiC wafer 201 is erected for the graphite heat treatment apparatus. It differs from the manufacturing method of the terahertz wave radiation device 1100 of the second embodiment in that it is put in the sample holder.
同テラヘルツ波放射装置１４００の製造方法では、図２（ｃ）で示した製造プロセスにおいて、ＳｉＣウエハ２０１が図２３（ａ）の断面図に示されるような形態でサンプルホルダ４０２に入れられる。すなわち、ＳｉＣウエハ２０１を滑らかな表面を持ち、さらにＳｉＣウエハ２０１表面の凹部上方に開口部を持つ２つの第２ダミーＳｉＣウエハ２０１ｄで挟み込んだ形態でＰＧケース３０２を介してサンプルホルダ４０２に入れられる。 In the manufacturing method of the terahertz wave radiating device 1400, in the manufacturing process shown in FIG. 2C, the SiC wafer 201 is put into the sample holder 402 in the form as shown in the sectional view of FIG. That is, the SiC wafer 201 is put into the sample holder 402 via the PG case 302 in a form sandwiched between two second dummy SiC wafers 201d having a smooth surface and having an opening above the concave portion on the surface of the SiC wafer 201. .
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１４００の製造方法によれば、ＳｉＣウエハ２０１を熱処理する際において、図２３（ｂ）の断面図に示されるように、第２ダミーＳｉＣウエハ２０１ｄとＳｉＣウエハ２０１とは密接しているため、ＳｉＣウエハ２０１表面および裏面へのガス循環２０１ｂは大きく制限される。従って、ＣＮＷ層１１０２、１１１２が形成されるＳｉＣウエハ２０１の凹部以外の部分からのＣＮＷ成長を大きく防止し、図２３（ｃ）の断面図に示されるような所望の領域のみにＣＮＷ層１１０２、１１１２が形成されたＳｉＣウエハ２０１を実現できる。また、ＳｉＣウエハ２０１の両面の凹部が表面に露出しているため、両面の凹部に同時にＣＮＷ層１１０２、１１１２を形成することができる。 As described above, according to the method for manufacturing terahertz wave radiating device 1400 of the present embodiment, when heat treating SiC wafer 201, second dummy SiC wafer 201d is shown in the cross-sectional view of FIG. Since the SiC wafer 201 is in close contact with the SiC wafer 201, the gas circulation 201b to the front and back surfaces of the SiC wafer 201 is greatly limited. Therefore, CNW growth from a portion other than the concave portion of the SiC wafer 201 on which the CNW layers 1102 and 1112 are formed is largely prevented, and the CNW layer 1102 and only the desired region as shown in the cross-sectional view of FIG. The SiC wafer 201 on which 1112 is formed can be realized. Further, since the concave portions on both surfaces of SiC wafer 201 are exposed on the surface, CNW layers 1102 and 1112 can be simultaneously formed on the concave portions on both surfaces.
なお、上記テラヘルツ波放射装置１４００の製造方法におけるＣＮＷ層１１０２、１１１２の形成において、ＳｉＣウエハ２０１の両面をグラファイトマスクで被覆してもよい。この場合には、図２４の断面図に示されるように、ＳｉＣウエハ２０１よりもラフな表面を持つグラファイトマスク１５００と、ＳｉＣウエハ２０１との間には、比較的多くのガス循環１６００ａが発生する。従って、ＳｉＣウエハ２０１の表面に露出した部分以外の部分にもＣＮＷ層が形成される。 In forming CNW layers 1102 and 1112 in the method for manufacturing terahertz wave radiating device 1400, both surfaces of SiC wafer 201 may be covered with a graphite mask. In this case, as shown in the sectional view of FIG. 24, a relatively large amount of gas circulation 1600a is generated between the graphite mask 1500 having a rougher surface than the SiC wafer 201 and the SiC wafer 201. . Therefore, a CNW layer is also formed in a portion other than the portion exposed on the surface of SiC wafer 201.
（第５の実施の形態）
図２５は、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１６００の構造を示す斜視図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 25 is a perspective view showing the structure of the terahertz wave radiating device 1600 of the present embodiment.
このテラヘルツ波放射装置１６００は、図１３で示したテラヘルツ波放射装置の評価結果を利用したものであり、凹部内に金属層が設けられ、さらにＣＮＷ層とＳｉＣウエハとの間に絶縁層が設けられているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００と異なる。同テラヘルツ波放射装置１６００は、カソード電極を構成するＳｉＣウエハ２０１と、アノード電極を構成するアノード透明電極層２０５と、カソード電極およびアノード電極を電気的に分離する電気分離層２０４と、ＤＣ電源１１１と、３００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを出射する光源（図外）とから構成される。 This terahertz wave radiating device 1600 utilizes the evaluation result of the terahertz wave radiating device shown in FIG. 13, and a metal layer is provided in the recess, and an insulating layer is provided between the CNW layer and the SiC wafer. It differs from the terahertz wave radiation device 200 of the first embodiment in that it is used. The terahertz wave radiating device 1600 includes a SiC wafer 201 that constitutes a cathode electrode, an anode transparent electrode layer 205 that constitutes an anode electrode, an electrical separation layer 204 that electrically separates the cathode electrode and the anode electrode, and a DC power supply 111. And a light source (not shown) that emits a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less.
ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部内には、Ｓｉ酸化物を主成分とした高抵抗層１６０２を介して直径１ｍｍの円形状のＣＮＷ層２０２が選択的に形成されている。また、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部のほぼ中央付近には、直径１００μｍの穴がＣＮＷ層２０２および高抵抗層１６０２を貫通してＳｉＣウエハ２０１に達するまで設けられ、この穴を埋めるように金属層１６０１が形成されている。この金属層１６０１はＣＮＷ層２０２に対しオーミック接触をし、かつＳｉＣウエハ２０１と導通するものである。ＳｉＣウエハ２０１裏面には、ＳｉＣウエハ２０１とオーミック接触するように、カソード電極層２０３が形成されている。 In the recess on the surface of the SiC wafer 201, a circular CNW layer 202 having a diameter of 1 mm is selectively formed via a high resistance layer 1602 containing Si oxide as a main component. In addition, a hole with a diameter of 100 μm is provided near the center of the recess on the surface of SiC wafer 201 until it reaches SiC wafer 201 through CNW layer 202 and high resistance layer 1602, and metal layer 1601 is filled to fill this hole. Is formed. This metal layer 1601 is in ohmic contact with the CNW layer 202 and is electrically connected to the SiC wafer 201. A cathode electrode layer 203 is formed on the back surface of the SiC wafer 201 so as to be in ohmic contact with the SiC wafer 201.
電気分離層２０４は、ＳｉＣウエハ２０１のＣＮＷ層２０２が形成されていない領域上に形成され、電気分離層２０４上には凹部を持つアノード透明電極層２０５が形成されている。アノード透明電極層２０５の凹部は、ＣＮＷ層２０２に対向するように位置する。ＤＣ電源１１１は、カソード電極層２０３およびアノード透明電極層２０５と電気的に接続され、カソード電極を負極性に、アノード電極を正極性にする。 The electrical separation layer 204 is formed on a region of the SiC wafer 201 where the CNW layer 202 is not formed, and an anode transparent electrode layer 205 having a recess is formed on the electrical separation layer 204. The concave portion of the anode transparent electrode layer 205 is positioned so as to face the CNW layer 202. The DC power source 111 is electrically connected to the cathode electrode layer 203 and the anode transparent electrode layer 205 to make the cathode electrode negative and the anode electrode positive.
上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１６００では、１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空度の真空容器内で、高いピークパワーを有するフェムト秒レーザ１１２がレンズ１１３でフォーカスされ、アノード透明電極層２０５を介してＣＮＷ層２０２に照射されると、アノード透明電極層２０５の凹部とＣＮＷ層２０２との間の空間部に、ＣＮＷ層２０２から光電子が放出される。放出された光電子は、ＤＣ電源１１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波が放射される。 In the terahertz wave radiating device 1600 having the above structure, a femtosecond laser 112 having a high peak power is focused by a lens 113 in a vacuum container having a degree of vacuum of 1 × 10 −6 Torr or less, and is passed through an anode transparent electrode layer 205. When the CNW layer 202 is irradiated, photoelectrons are emitted from the CNW layer 202 into a space between the concave portion of the anode transparent electrode layer 205 and the CNW layer 202. The emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power source 111, and a terahertz wave is emitted.
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１６００によれば、第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００と同様の理由により、テラヘルツ波の放射効率を高めることができ、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、カソード電極およびアノード電極の間隔を容易に調節することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 As described above, according to the terahertz wave radiation device 1600 of the present embodiment, the radiation efficiency of terahertz waves can be increased for the same reason as the terahertz wave radiation device 200 of the first embodiment, and the cost is low. A terahertz wave radiation device that can be manufactured with the above can be realized. Further, it is possible to realize a terahertz wave radiation device that can easily adjust the distance between the cathode electrode and the anode electrode.
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１６００は、ＣＮＷ層２０２の一部にＳｉＣウエハ２０１に達する穴を設け、ＣＮＷ層２０２に対しオーミック接触をし、かつＳｉＣウエハ２０１と導通する金属層１６０１を有している。従って、カソード電極層２０３とＣＮＷ層２０２との間の電気的抵抗を下げることができると共に、カソード電極層２０３から金属層１６０１への電流狭窄をすることができる。その結果、より少ない電流値でもって効率良くＣＮＷ層２０２からアノード電極へ光電子を放出させることができるので、テラヘルツ波の放射効率を高めることが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 In addition, terahertz wave radiating device 1600 of the present embodiment is provided with a hole that reaches SiC wafer 201 in a part of CNW layer 202, metal layer 1601 that is in ohmic contact with CNW layer 202 and is electrically connected to SiC wafer 201. have. Therefore, the electrical resistance between the cathode electrode layer 203 and the CNW layer 202 can be lowered, and current confinement from the cathode electrode layer 203 to the metal layer 1601 can be performed. As a result, photoelectrons can be efficiently emitted from the CNW layer 202 to the anode electrode with a smaller current value, so that a terahertz wave radiation device capable of increasing the radiation efficiency of terahertz waves can be realized.
次に、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１６００の製造方法について説明する。図２６は、同テラヘルツ波放射装置１６００の製造方法を説明するための断面図である。 Next, a manufacturing method of the terahertz wave radiating device 1600 having the above structure will be described. FIG. 26 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the terahertz wave radiating device 1600.
まず、ＳｉＣウエハ２０１を用意し（図２６（ａ））、そのＳｉＣウエハ２０１表面を直径１ｍｍの円形状の開口部を有するグラファイトマスク１７００で覆い、ＣＮＷ層２０２を形成する（図２６（ｂ））。このとき、ＣＮＷ層２０２の形成に付随して高抵抗層１６０２が形成される。 First, an SiC wafer 201 is prepared (FIG. 26A), and the surface of the SiC wafer 201 is covered with a graphite mask 1700 having a circular opening having a diameter of 1 mm to form a CNW layer 202 (FIG. 26B). ). At this time, the high resistance layer 1602 is formed along with the formation of the CNW layer 202.
次に、グラファイトマスク１７００を除去した後、レジストマスク１７０１をＳｉＣウエハ２０１上に形成し、レジストマスク１７０１におけるＣＮＷ層２０２の中央に対応する位置に直径１００μｍの円形状の開口部を設ける（図２６（ｃ））。 Next, after removing the graphite mask 1700, a resist mask 1701 is formed on the SiC wafer 201, and a circular opening having a diameter of 100 μm is provided at a position corresponding to the center of the CNW layer 202 in the resist mask 1701 (FIG. 26). (C)).
次に、レジストマスク１７０１を用いてＣＮＷ層２０２に対してドライエッチングを施し、ＣＮＷ層２０２の中央にＳｉＣウエハ２０１まで達する穴を設ける。その後、この穴を含むレジストマスク１７０１の上に金属層１６０１を形成し、穴を金属層１６０１で埋める（図２６（ｄ））。 Next, dry etching is performed on CNW layer 202 using resist mask 1701, and a hole reaching SiC wafer 201 is provided in the center of CNW layer 202. Thereafter, a metal layer 1601 is formed on the resist mask 1701 including the hole, and the hole is filled with the metal layer 1601 (FIG. 26D).
次に、リフトオフによりレジストマスク１７０１を除去する（図２６（ｅ））。
最後に、ＳｉＯ2等から構成され、ＳｉＣウエハ２０１表面の凹部以外の部分を覆う電気分離層２０４を形成する。その後、電気分離層２０４の上に、凹部を有するアノード透明電極層２０５を、凹部がＣＮＷ層２０２に対向するように載置する。このようにしてテラヘルツ波放射装置１６００が形成される。
Next, the resist mask 1701 is removed by lift-off (FIG. 26E).
Finally, an electrical separation layer 204 made of SiO 2 or the like and covering a portion other than the concave portion on the surface of the SiC wafer 201 is formed. Thereafter, the anode transparent electrode layer 205 having a recess is placed on the electrical separation layer 204 so that the recess faces the CNW layer 202. In this way, the terahertz wave radiation device 1600 is formed.
（第６の実施の形態）
図２７（ａ）は、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１８００の構造を示す斜視図である。図２７（ｂ）は、同テラヘルツ波放射装置１８００の部分拡大図（図２７（ａ）のＡ部の拡大図）である。
(Sixth embodiment)
FIG. 27A is a perspective view showing the structure of the terahertz wave radiating device 1800 of the present embodiment. FIG. 27B is a partially enlarged view of the terahertz wave radiating device 1800 (enlarged view of portion A in FIG. 27A).
このテラヘルツ波放射装置１８００は、ＳｉＣウエハの凹部内では無く、ＳｉＣウエハの表面にＣＮＷ層が設けられているという点で第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００と異なる。同テラヘルツ波放射装置１８００は、カソード電極を構成するＳｉＣウエハ２０１と、アノード電極を構成するアノード透明電極層２０５と、カソード電極およびアノード電極を電気的に分離する電気分離層２０４と、ＤＣ電源１１１と、３００ｎｍ以下の波長のフェムト秒レーザを出射する光源（図外）とから構成される。 This terahertz wave radiating device 1800 is different from the terahertz wave radiating device 200 of the first embodiment in that a CNW layer is provided on the surface of the SiC wafer, not in the recess of the SiC wafer. The terahertz wave radiating device 1800 includes a SiC wafer 201 that constitutes a cathode electrode, an anode transparent electrode layer 205 that constitutes an anode electrode, an electrical separation layer 204 that electrically separates the cathode electrode and the anode electrode, and a DC power supply 111. And a light source (not shown) that emits a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less.
ＳｉＣウエハ２０１表面の一部には、選択的に直径１ｍｍの円形状のＣＮＷ層２０２が形成されている。ＳｉＣウエハ２０１裏面には、カソード電極層２０３が形成されている。電気分離層２０４上には凹部を持つアノード透明電極層２０５が形成されている。アノード透明電極層２０５の凹部は、ＣＮＷ層２０２に対向するように位置する。ＤＣ電源１１１は、カソード電極層２０３およびアノード透明電極層２０５と電気的に接続され、カソード電極を負極性に、アノード電極を正極性にする。 A circular CNW layer 202 having a diameter of 1 mm is selectively formed on a part of the surface of the SiC wafer 201. A cathode electrode layer 203 is formed on the back surface of the SiC wafer 201. An anode transparent electrode layer 205 having a recess is formed on the electrical separation layer 204. The concave portion of the anode transparent electrode layer 205 is positioned so as to face the CNW layer 202. The DC power source 111 is electrically connected to the cathode electrode layer 203 and the anode transparent electrode layer 205 to make the cathode electrode negative and the anode electrode positive.
ここで、ＣＮＷ層２０２表面は、図２７（ｂ）に示されるように、ＳｉＣウエハ２０１表面よりも低く、ＳｉＣウエハ２０１表面とＣＮＷ層２０２表面との間には、２ｎｍ以上、例えば２ｎｍ〜５００ｎｍの段差が形成される。 Here, as shown in FIG. 27B, the CNW layer 202 surface is lower than the SiC wafer 201 surface, and the surface between the SiC wafer 201 surface and the CNW layer 202 surface is 2 nm or more, for example, 2 nm to 500 nm. Are formed.
上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１８００では、１×１０-6Ｔｏｒｒ以下の真空容器内で、高いピークパワーを有するフェムト秒レーザ１１２がレンズ１１３でフォーカスされ、アノード透明電極層２０５を介してＣＮＷ層２０２に照射されると、アノード透明電極層２０５の凹部とＣＮＷ層２０２との間の空間部に、ＣＮＷ層２０２から光電子が放出される。放出された光電子は、ＤＣ電源１１１による電圧印加によって加速され、テラヘルツ波が放射される。 In the terahertz wave radiating device 1800 having the above structure, a femtosecond laser 112 having a high peak power is focused by a lens 113 in a vacuum vessel of 1 × 10 −6 Torr or less, and a CNW layer is formed via an anode transparent electrode layer 205. When irradiated to 202, photoelectrons are emitted from the CNW layer 202 into a space between the concave portion of the anode transparent electrode layer 205 and the CNW layer 202. The emitted photoelectrons are accelerated by voltage application by the DC power source 111, and a terahertz wave is emitted.
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射装置１８００によれば、第１の実施の形態のテラヘルツ波放射装置２００と同様の理由により、テラヘルツ波の放射効率を高めることができ、低コストで製造することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。また、カソード電極およびアノード電極の間隔を容易に調節することが可能なテラヘルツ波放射装置を実現できる。 As described above, according to the terahertz wave radiation device 1800 of the present embodiment, the terahertz wave radiation efficiency can be increased and the cost can be reduced for the same reason as the terahertz wave radiation device 200 of the first embodiment. A terahertz wave radiation device that can be manufactured with the above can be realized. Further, it is possible to realize a terahertz wave radiation device that can easily adjust the distance between the cathode electrode and the anode electrode.
次に、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１８００の製造方法について説明する。図２８は、同テラヘルツ波放射装置１８００の製造方法を説明するための断面図である。 Next, a manufacturing method of the terahertz wave radiating device 1800 having the above structure will be described. FIG. 28 is a cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the terahertz wave radiating device 1800.
まず、ＳｉＣウエハ２０１を用意し、そのＳｉＣウエハ２０１表面を直径１ｍｍの円形状の開口部１９０１を有するグラファイトマスク１９００で覆う（図２８（ａ））。 First, an SiC wafer 201 is prepared, and the surface of the SiC wafer 201 is covered with a graphite mask 1900 having a circular opening 1901 having a diameter of 1 mm (FIG. 28A).
次に、グラファイトマスク１９００の開口部１９０１内の露出したＳｉＣウエハ２０１表面にＣＮＷ層２０２を形成する（図２８（ｂ））。このとき、ＳｉＣウエハ２０１の表面より２ｎｍ〜５００ｎｍ低い位置にＣＮＷ層２０２の上端が来るようにＣＮＷ層２０２が形成される。 Next, the CNW layer 202 is formed on the exposed surface of the SiC wafer 201 in the opening 1901 of the graphite mask 1900 (FIG. 28B). At this time, the CNW layer 202 is formed so that the upper end of the CNW layer 202 comes to a position 2 nm to 500 nm lower than the surface of the SiC wafer 201.
最後に、ＳｉＯ2等から構成され、ＳｉＣウエハ２０１表面のＣＮＷ層２０２以外の部分を覆う電気分離層２０４を形成する。その後、電気分離層２０４の上に、凹部を有するアノード透明電極層２０５を、その凹部がＣＮＷ層２０２に対向するように載置する。このようにしてテラヘルツ波放射装置１８００が形成される。 Finally, an electrical separation layer 204 made of SiO 2 or the like and covering a portion other than the CNW layer 202 on the surface of the SiC wafer 201 is formed. Thereafter, the anode transparent electrode layer 205 having a recess is placed on the electrical separation layer 204 so that the recess faces the CNW layer 202. In this way, the terahertz wave radiation device 1800 is formed.
図２９は、上記構造を有するテラヘルツ波放射装置１８００の変形例およびその製造方法を示す断面図である。 FIG. 29 is a cross-sectional view showing a modification of the terahertz wave radiating device 1800 having the above structure and a method for manufacturing the terahertz wave radiating device 1800.
まず、ＳｉＣウエハ２０１を用意し、そのＳｉＣウエハ２０１の全面にＣＮＷ層２０２を形成する（図２９（ａ））。 First, an SiC wafer 201 is prepared, and a CNW layer 202 is formed on the entire surface of the SiC wafer 201 (FIG. 29A).
次に、ＣＮＷ層２０２の一部をグラファイトマスク２０００で覆い、グラファイトマスク２０００以で被覆された領域外の領域におけるＣＮＷ層２０２を除去する（図２９（ｂ））。 Next, a part of the CNW layer 202 is covered with a graphite mask 2000, and the CNW layer 202 in a region outside the region covered with the graphite mask 2000 or more is removed (FIG. 29B).
次に、グラファイトマスク２０００を除去し、ＣＮＷ層２０２に接するように金属層２００１を形成する（図２９（ｃ））。 Next, the graphite mask 2000 is removed, and a metal layer 2001 is formed so as to be in contact with the CNW layer 202 (FIG. 29C).
最後に、ＳｉＯ2等から構成され、ＳｉＣウエハ２０１表面のＣＮＷ層２０２以外の部分を覆う電気分離層２０４を形成する。その後、電気分離層２０４の上に、凹部を有するアノード透明電極層２０５を、その凹部がＣＮＷ層２０２に対向するように載置する（図２９（ｄ））。このようにしてテラヘルツ波放射装置１８００の変形例が形成される。 Finally, an electrical separation layer 204 made of SiO 2 or the like and covering a portion other than the CNW layer 202 on the surface of the SiC wafer 201 is formed. Thereafter, the anode transparent electrode layer 205 having a recess is placed on the electrical separation layer 204 so that the recess faces the CNW layer 202 (FIG. 29D). In this way, a modification of the terahertz wave radiation device 1800 is formed.
以上、本発明のテラヘルツ波放射装置およびその製造方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the terahertz wave radiating device and the manufacturing method thereof according to the present invention have been described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. The present invention includes various modifications made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
例えば、上記実施の形態では、ＳｉＣウエハ表面の凹部内にＣＮＷ層を形成するとした。しかし、ＳｉＣウエハ表面の凹部内にカーボンナノ構造体が形成されればこれに限られず、ＳｉＣウエハ表面の凹部内には例えばＣＮＴ層、ＣＮＦ層、ＣＮＲ（Cabon Nano Rod）層あるいはＣＮＰ（Carbon Nano Pillar）層が形成されてもよい。 For example, in the above embodiment, the CNW layer is formed in the recess on the surface of the SiC wafer. However, the present invention is not limited to this as long as carbon nanostructures are formed in the recesses on the surface of the SiC wafer. For example, a CNT layer, a CNF layer, a CNR (Cabon Nano Rod) layer, or a CNP (Carbon Nano Rod) layer is formed in the recesses on the SiC wafer surface. Pillar) layer may be formed.
また、上記実施の形態では、単結晶のＳｉＣウエハを用意し、そのＳｉＣウエハにＣＮＷ層を形成するとした。しかし、アモルファスＳｉＣ基板又はＣＶＤ法等を用いてＳｉＣでコーティングされたカーボン基板を用意し、そのＳｉＣ基板にＣＮＷ層を形成してもよい。このようなＳｉＣ基板は、例えば図３０の断面図に示される工程を経て形成される。すなわち、まず適当な凹部を持つカーボン基板１６１１上にＳｉＣ層１６１２を成長させ、カーボン基板１６１１の表面形状をＳｉＣ層１６１２に転写する（図３０（ａ））。最後に、ＳｉＣ層１６１２をカーボン基板１６１１から分離し（図３０（ｂ））、ＳｉＣ層１６１２裏面を研磨してＳｉＣ層１６１２裏面の凸部１６１３を取り除き、更に必要な厚さになるまでＳｉＣ層１６１２を研磨してＳｉＣ基板を形成する（図３０（ｃ））。なお、ＳｉＣ層１６１２の両面にＣＮＷ層を形成する場合には、ＳｉＣ層１６１２表面の凸部１６１３は取り除かれなくてもよい。ただし、ＳｉＣ層１６１２表面の凸部１６１３を取り除いた場合には、ＣＮＷ層の形成におけるＳｉＣ層１６１２とダミーＳｉＣウエハとの密接の程度が高められる。従って、ダミーＳｉＣウエハを用いたＣＮＷ層の形成を行う場合には、ＳｉＣ層１６１２表面の凸部１６１３が取り除かれることが好ましい。 In the above embodiment, a single crystal SiC wafer is prepared, and a CNW layer is formed on the SiC wafer. However, an amorphous SiC substrate or a carbon substrate coated with SiC using a CVD method or the like may be prepared, and a CNW layer may be formed on the SiC substrate. Such a SiC substrate is formed, for example, through the process shown in the cross-sectional view of FIG. That is, first, an SiC layer 1612 is grown on a carbon substrate 1611 having an appropriate recess, and the surface shape of the carbon substrate 1611 is transferred to the SiC layer 1612 (FIG. 30A). Finally, the SiC layer 1612 is separated from the carbon substrate 1611 (FIG. 30 (b)), the back surface of the SiC layer 1612 is polished to remove the convex portion 1613 on the back surface of the SiC layer 1612, and the SiC layer until the required thickness is reached. 1612 is polished to form a SiC substrate (FIG. 30C). When CNW layers are formed on both surfaces of SiC layer 1612, convex portion 1613 on the surface of SiC layer 1612 may not be removed. However, when the protrusion 1613 on the surface of the SiC layer 1612 is removed, the closeness between the SiC layer 1612 and the dummy SiC wafer in the formation of the CNW layer is increased. Therefore, when forming a CNW layer using a dummy SiC wafer, it is preferable that the convex part 1613 on the surface of the SiC layer 1612 is removed.
この場合には、ＣＮＷ層形成のための熱処理温度がＳｉＣウエハの場合と比較して高くなるが、テラヘルツ波放射装置を低コスト化すること、およびＣＮＷ層が形成される凹部をより深くすることが可能になる（例えば、特願２００５−３５２５６３号参照）。 In this case, the heat treatment temperature for forming the CNW layer is higher than that in the case of the SiC wafer, but the cost of the terahertz radiation device is reduced, and the recess in which the CNW layer is formed is made deeper. (For example, see Japanese Patent Application No. 2005-352563).
本発明は、テラヘルツ波放射装置およびその製造方法に利用でき、特にカーボンナノ構造体を用いたテラヘルツ波放射装置およびその製造方法等に利用することができる。 The present invention can be used for a terahertz wave radiating device and a method for manufacturing the terahertz wave radiating device, and particularly for a terahertz wave radiating device using a carbon nanostructure and a method for manufacturing the terahertz wave radiating device.
１０、２００、１１００、１４００、１６００、１８００ テラヘルツ波放射装置
１１ 絶縁性ＧａＡｓウエハ
１２ ＬＴ−ＧａＡｓ層
１３、１４ 電極
１５ ＤＣバイアス電源
１０１ ＳｉＣチップ
１０２ ＣＮＴ層
１０３ ニッケル電極層
１０４、２０４、１１０４、１１１４ 電気分離層
１０５ 透明アノード電極層
１０６ アノード先端
１０７ アノードウエハ
１０８ カソードウエハ
１０９ 熱結合物質層
１１０ グラファイト層
１１１、１４１１ ＤＣ電源
１１２ フェムト秒レーザ
１１３ レンズ
１１４ テラヘルツ波
２０１ ＳｉＣウエハ
２０１ａ、２０１ｂ、１６００ａ ガス循環
２０１ｃ 第１ダミーＳｉＣウエハ
２０１ｄ 第２ダミーＳｉＣウエハ
２０２、１１０２、１１１２ ＣＮＷ層
２０３、１１０３、１４０３ カソード電極層
２０５、１１０５、１１１５ アノード透明電極層
３０１ 凹部
３０２ ＰＧケース
３０９ グラファイト基板
４００ グラファイト熱処理装置
４０１、１９０１ 開口部
４０２ サンプルホルダ
４０３ 内部グラファイトチャンバー
４０４ 排出孔
４０５ グラファイトヒータ
４０６ 外部グラファイトチャンバー
４０７ ガス導入路
４０８ 排気口
５０１、１５００、１７００、１９００、２０００ グラファイトマスク
９０２ Ｓｉ酸化物層
１２０１、１５０１ａ、１５０１ｂ ビームスプリッターブロック
１２０２、１５０２ａ、１５０２ｂ 非反射領域
１２０３、１５０３ａ、１５０３ｂ 高反射領域
１２０４、１５０４ａ、１５０４ｂ 可変部分反射領域
１６０１、２００１ 金属層
１６０２ 高抵抗層
１６１１ カーボン基板
１６１２ ＳｉＣ層
１６１３ 凸部
１７０１ レジストマスク
10, 200, 1100, 1400, 1600, 1800 Terahertz radiation device 11 Insulating GaAs wafer 12 LT-GaAs layer 13, 14 Electrode 15 DC bias power supply 101 SiC chip 102 CNT layer 103 Nickel electrode layer 104, 204, 1104, 1114 Electrical separation layer 105 Transparent anode electrode layer 106 Anode tip 107 Anode wafer 108 Cathode wafer 109 Thermal coupling material layer 110 Graphite layer 111, 1411 DC power source 112 Femtosecond laser 113 Lens 114 Terahertz wave 201 SiC wafer 201a, 201b, 1600a Gas circulation 201c First dummy SiC wafer 201d Second dummy SiC wafer 202, 1102, 1112 CNW layer 203, 1103, 1403 Cathode electrode layer 05, 1105, 1115 Anode transparent electrode layer 301 Recess 302 PG case 309 Graphite substrate 400 Graphite heat treatment device 401, 1901 Opening 402 Sample holder 403 Internal graphite chamber 404 Discharge hole 405 Graphite heater 406 External graphite chamber 407 Gas introduction path 408 Exhaust port 501, 1500, 1700, 1900, 2000 Graphite mask 902 Si oxide layer 1201, 1501a, 1501b Beam splitter block 1202, 1502a, 1502b Non-reflective region 1203, 1503a, 1503b Highly reflective region 1204, 1504a, 1504b Variable partial reflective region 1601 2001 metal layer 1602 high resistance layer 1611 carbon substrate 1612 SiC layer 1613 Convex 1701 Resist mask
Claims (17)
カーボンナノ構造体から構成され、前記ＳｉＣ基板表面の一部に選択的に形成された第１カーボンナノ層と、
前記ＳｉＣ基板と電気的に接続された第１電極と、
前記第１カーボンナノ層と間を置いて対向するように前記ＳｉＣ基板上方に位置する第２電極と、
前記ＳｉＣ基板と前記第２電極との間に位置し、前記第２電極から前記第１カーボンナノ層に向かう貫通孔を有する絶縁性の第１電気分離層とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波放射装置。 A SiC substrate;
A first carbon nanolayer composed of carbon nanostructures and selectively formed on a part of the SiC substrate surface;
A first electrode electrically connected to the SiC substrate;
A second electrode located above the SiC substrate so as to face the first carbon nanolayer with a gap therebetween;
A terahertz wave comprising: an insulating first electrical separation layer positioned between the SiC substrate and the second electrode and having a through hole from the second electrode toward the first carbon nanolayer. Radiation device.
前記第１カーボンナノ層は、前記凹部内でカーボンナノ構造体を選択的に成長させて前記凹部内に形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。 A recess is formed on the surface of the SiC substrate,
The terahertz wave emitting device according to claim 1, wherein the first carbon nanolayer is formed in the recess by selectively growing a carbon nanostructure in the recess.
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波放射装置。 The first carbon nanolayer is formed by selectively growing a carbon nanostructure in the recess after covering the surface of the SiC substrate with a graphite mask having an opening above the recess. The terahertz wave radiation device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波放射装置。 The terahertz wave radiation device according to claim 2, wherein the growth is performed by heat-treating the SiC substrate at a temperature of 1600 ° C or higher in an atmosphere of a vacuum degree of 1 × 10 -4 Torr or lower.
カーボンナノ構造体から構成され、前記ＳｉＣ基板裏面の一部に選択的に形成された第２カーボンナノ層と、
前記第２カーボンナノ層と間を置いて対向するように前記ＳｉＣ基板下方に位置する第３電極と、
前記ＳｉＣ基板と前記第３電極との間に位置し、前記第３電極から前記第２カーボンナノ層に向かう貫通孔を有する第２電気分離層とを備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 The terahertz radiation device further includes:
A second carbon nanolayer composed of a carbon nanostructure and selectively formed on a part of the back surface of the SiC substrate;
A third electrode positioned below the SiC substrate so as to face the second carbon nanolayer with a gap therebetween;
5. A second electrical separation layer, which is located between the SiC substrate and the third electrode and has a through hole from the third electrode toward the second carbon nanolayer, is provided. The terahertz wave radiation device according to any one of the above.
前記ＳｉＣ基板表面における前記複数の第１カーボンナノ層の配列は、１次元状、２次元状およびランダムのいずれかである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 A plurality of the first carbon nanolayers are formed on the surface of the SiC substrate,
The terahertz according to any one of claims 1 to 4, wherein the arrangement of the plurality of first carbon nanolayers on the surface of the SiC substrate is one-dimensional, two-dimensional, or random. Wave radiation device.
前記第１カーボンナノ層にフェムト秒レーザを照射する光源と、
前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加する電源とを備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 The terahertz radiation device further includes:
A light source for irradiating the first carbon nanolayer with a femtosecond laser;
The terahertz wave radiating device according to claim 1, further comprising: a power source that applies a voltage to the first electrode and the second electrode.
前記電源は、直流電圧を前記第１電極および前記第２電極に印加する
ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ波放射装置。 The light source irradiates the carbon nanostructure with a femtosecond laser having a wavelength of 300 nm or less,
The terahertz wave radiating device according to claim 7, wherein the power supply applies a DC voltage to the first electrode and the second electrode.
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 5. The terahertz wave radiating device according to claim 1, wherein a surface of the first carbon nanolayer is lower than a surface of the SiC substrate.
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 The terahertz wave radiating device according to any one of claims 1 to 4, wherein the surface of the first carbon nanolayer is 2 nm or more lower than the surface of the SiC substrate.
前記第１カーボンナノ層と前記ＳｉＣ基板との間に形成されたＳｉ酸化膜と、
前記第１カーボンナノ層および前記Ｓｉ酸化膜を貫通し、前記第１カーボンナノ層および前記ＳｉＣ基板と接する金属層とを備える
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 The terahertz radiation device further includes:
A Si oxide film formed between the first carbon nanolayer and the SiC substrate;
The metal layer which penetrates the 1st carbon nano layer and the Si oxide film, and contacts the 1st carbon nano layer and the SiC substrate is provided. The claim 1 characterized by things. Terahertz radiation device.
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 The terahertz wave radiating device according to any one of claims 1 to 11, wherein the SiC substrate is either a carbon substrate coated with SiC or an amorphous SiC substrate.
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置。 The carbon nanostructure is any one of CNT (Carbon Nano Tube), CNF (Cardon Nano Flake) layer, CNR (Cabon Nano Rod) and CNP (Carbon Nano Pillar). The terahertz wave radiation device according to any one of the above.
前記被覆されたＳｉＣ基板に対して熱処理を行い、カーボンナノ構造体から構成されるカーボンナノ層を前記開口に露出している前記ＳｉＣ基板表面に選択的に形成するカーボンナノ層形成ステップと、
前記ＳｉＣ基板と電気的に接続された第１電極を形成する第１電極形成ステップと、
前記ＳｉＣ基板表面から前記ＰＧケースおよびグラファイトマスクいずれかを取り除いた後、前記カーボンナノ層上方に貫通孔を有する電気分離層を前記ＳｉＣ基板上に形成する電気分離層形成ステップと、
前記貫通孔上方に第２電極を形成する第２電極形成ステップとを含む
ことを特徴とするテラヘルツ波放射装置の製造方法。 A covering step of covering the SiC substrate surface with either a PG (Pyrolytic Graphite) case having an opening formed in a predetermined position and a graphite mask;
A carbon nanolayer forming step of performing a heat treatment on the coated SiC substrate and selectively forming a carbon nanolayer composed of carbon nanostructures on the surface of the SiC substrate exposed in the opening;
A first electrode forming step of forming a first electrode electrically connected to the SiC substrate;
After removing either the PG case or the graphite mask from the SiC substrate surface, an electrical separation layer forming step of forming an electrical separation layer having a through hole above the carbon nanolayer on the SiC substrate;
And a second electrode forming step of forming a second electrode above the through hole. A method for manufacturing a terahertz wave radiating device, comprising:
前記カーボンナノ層形成ステップでは、前記凹部内でカーボンナノ構造体を選択的に成長させて前記凹部内に前記カーボンナノ層を形成する
ことを特徴とする請求項１４に記載のテラヘルツ波放射装置の製造方法。 In the covering step, the SiC substrate surface is covered with either a PG case or a graphite mask in which an opening is formed above the concave portion of the SiC substrate,
15. The terahertz wave emitting device according to claim 14, wherein, in the carbon nanolayer formation step, a carbon nanostructure is selectively grown in the recess to form the carbon nanolayer in the recess. Production method.
ことを特徴とする請求項１５に記載のテラヘルツ波放射装置の製造方法。 The carbon nanolayer formation step includes performing the growth by heat-treating the SiC substrate at a temperature of 1600 ° C. or higher in an atmosphere with a vacuum degree of 1 × 10 −4 Torr or lower. Manufacturing method of terahertz wave radiation device.
ことを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射装置の製造方法。 The carbon nanostructure is any one of CNT (Carbon Nano Tube), CNF (Cardon Nano Flakes) layer, CNR (Cabon Nano Rods) and CNP (Carbon Nano Pillars). The manufacturing method of the terahertz wave radiation device of any one of these.
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|---|---|---|---|---|
| JP2011198801A (en) * | 2010-03-17 | 2011-10-06 | Canon Inc | Photoconductive element |
| JP2016536806A (en) * | 2013-09-18 | 2016-11-24 | 中国科学院蘇州納米技術与納米▲ファン▼生研究所 | Terahertz light source chip, light source device, light source unit and manufacturing method thereof |
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2006
- 2006-09-29 JP JP2006269397A patent/JP2008091541A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011198801A (en) * | 2010-03-17 | 2011-10-06 | Canon Inc | Photoconductive element |
| JP2016536806A (en) * | 2013-09-18 | 2016-11-24 | 中国科学院蘇州納米技術与納米▲ファン▼生研究所 | Terahertz light source chip, light source device, light source unit and manufacturing method thereof |
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