JP2012084888A - テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】集束レンズと、前記集束レンズ上に蒸着された光導電体薄膜と、前記光導電体薄膜上に形成された光伝導アンテナ用金属電極とを含み、前記集束レンズと前記光導電体薄膜とは一体型で形成されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子およびその製造方法に関する。

本発明の背景技術は、大韓民国登録特許公報第０６４５８００号（２００６年１１月１４日公開）に開示されている。

テラヘルツ波は、電磁波スペクトル（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ）で０．１〜１０ＴＨｚの間の周波数領域に該当する電磁波であって、電波（ｒａｄｉｏ ｗａｖｅ）と光波（ｌｉｇｈｔ）との中間に該当し、ミリ波よりは短く、赤外線よりは長い波長を有する。
これにより、既存の電磁波とは異なる独特の特性があるため、多様な学術分野で研究が行われており、いずれ様々な産業分野で応用されることが期待されている。しかし、テラヘルツ波の発生および検出技術は最近になってはじめて開発されはじめ、ほとんどが高価な装置や先端電子および光学技術を必要とする。なかでも、最も成功裏に開発され商用化されたのは、ＬＴ−ＧａＡｓ素材をベースとする光伝導アンテナを用いた技術である。最近では、低価格の小型、軽量化された製品が紹介されており、市場性も期待されている。
図１は、従来の光伝導アンテナ素子を作製する工程順であって、これを参照して従来の光伝導アンテナ素子の作製工程を説明する。

まず、半絶縁ＧａＡｓ基板１０１を直径略２インチのウエハとして用意し、ＭＢＥなどの蒸着装置でＬＴ−ＧａＡｓ薄膜１０２をＧａＡｓ基板１０１上に蒸着させる。このときは、工程温度と時間、そして、熱処理温度と時間を調節することでＬＴ−ＧａＡｓ内の結晶欠陥を調整することが核心である。薄膜が蒸着された後、当該表面に光伝導アンテナ金属電極１０３を形成する。電極の素材としては、アルミニウムや金などを使用し、状況によっては、２種以上の合金を使用することもできる。

電極パターンの形成が完了すると、各パターンを１つずつ区分して切断した後、基板の裏面と集束レンズ１０４とを接着する。このとき、金属パターンの中心部と集束レンズの中心を正確に整列することが重要な核心技術である。また、基板とレンズとの間に空き空間が生じないように密着させることも重要であるが、それは、極めて少量でも空気層が存在する場合、テラヘルツ波の散乱が起き、それによるノイズが発生し、システム全体の性能を低下させ、分光および映像結果のクオリティを低下させる要因になるからである。

しかし、前述したように、集束レンズに光伝導体素材を付着する際に、電極のパターンと集束レンズの中心を正確に整列させると同時に、基板とシリコンレンズとの間に空間がないように密着して付着させることは非常に難しい。前記のような作業が順調に行われない場合には、空気層によってテラヘルツ波の散乱が発生し、テラヘルツ信号ノイズの原因になり得、正確な分光や映像を得ることができないという問題があった。そして、半導体素材の半絶縁ＧａＡｓ基板は、テラヘルツ波に対する透過度が高抵抗シリコンに比べて低く、テラヘルツ信号対ノイズ比（ＳＮＲ；Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が低下するという問題もあった。

そこで、本発明が解決しようとする技術的課題は、従来の光伝導アンテナで幅広く用いられており、一部商用化に成功したＬＴ−ＧａＡｓベースの光伝導アンテナ素子の問題を解決することにある。

本発明の一態様によれば、本発明は、集束レンズと、前記集束レンズ上に蒸着された光導電体薄膜と、前記光導電体薄膜上に形成された光伝導アンテナ用金属電極とを含み、前記集束レンズと前記光導電体薄膜とは一体型で形成されることを特徴とする、テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子を提供する。

また、本発明の他の様態によれば、本発明は、集束レンズを形成するステップと、前記集束レンズ上に光導電体薄膜を蒸着するステップと、前記光導電体薄膜上に光伝導アンテナ用金属電極を形成するステップとを含み、前記集束レンズと前記光導電体薄膜とは一体型で形成されることを特徴とする、テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法を提供する。

本発明において、前記集束レンズは、超半球形で高抵抗シリコンを含んでなることが好ましい。

本発明において、前記光導電体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含んでなることが好ましい。

前記集束レンズ上に光導電体薄膜を蒸着するステップにおいて、前記集束レンズを収容する試験片ホルダに前記集束レンズが蒸着された状態で前記蒸着ステップが行われることが好ましい。

本発明において、前記試験片ホルダは、前記超半球形の集束レンズが装着される挿入部を有する装着部と、前記超半球形の集束レンズが挿入される貫通孔を有する蓋部とを含むことが好ましい。

本発明において、前記装着部の挿入部は、半球形の凹部であり、前記貫通孔は、上部にいくほど貫通半径が減少することが好ましい。

本発明によれば、多結晶ＧａＡｓ薄膜を直接シリコン集束レンズに蒸着することにより、全体の作製工程を大きく単純化し、エラー発生の余地を取り除くことができるため、時間と経費を節減することができる。そして、工程の単純化および整列問題の解決により、光伝導アンテナ素子の性能および信頼度を向上させることができる。これは、長期的にテラヘルツシステムが商品化する場合、大量生産が可能な基盤となる。

従来の光伝導アンテナ素子を作製する工程順である。 本発明の一実施形態にかかるテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ素子の構成を示す概念図である。 本発明の一実施形態にかかる光伝導アンテナ素子の作製工程順である。 本実施形態で用いられる試験片ホルダの構造図である。

以下、添付した図面を参考にして、本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。そして、図面において、本発明を明確に説明するために、説明と関係のない部分は省略しており、明細書全体にわたって類似の部分については類似の図面符号を付した。

明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは、特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図２は、本発明の一実施形態にかかるテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ素子の構成を示す概念図であり、図３は、本発明の一実施形態にかかる光伝導アンテナ素子の作製工程順であって、以下、これらを参照して本発明を説明する。

図２および図３に示すように、本実施形態にかかるテラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子は、集束レンズ２０１と、前記集束レンズ２０１上に蒸着された光導電体薄膜２０２と、前記光導電体薄膜２０２上に形成された光伝導アンテナ用金属電極２０３とを含み、前記集束レンズ２０１と前記光導電体薄膜２０２とは一体型で形成される。

集束レンズ２０１は、超半球形で高抵抗シリコンを含んでなる。そして、光導電体薄膜２０２は、多結晶ＧａＡｓを含んでなる。

このように構成された本実施形態の作用を、図２〜図４を参照して具体的に説明する。

光伝導アンテナ素子は、依然として技術的な困難のために非常に高い価格で作製されている。これを改善するための数多くの研究が行われているが、なかでも、多結晶ＧａＡｓ薄膜を用いた研究が特許として行われており、これを用いた多様な応用開発が可能になった。

韓国特許出願公開第２００９−００５６７６４号
米国特許出願第１２／７８７８４１号
日本特許出願第２０１０−１３９５９９号
テラヘルツ波の特徴や光伝導アンテナの原理、そして、多結晶ＧａＡｓ薄膜の特性などに関する細部事項は、前記特許出願を参照することができる。前記特許出願から明らかなように、多結晶薄膜は、基板の種類に関係なく成長が可能なため、既存のＬＴ−ＧａＡｓ薄膜を成長するために必ずＧａＡｓ単結晶基板を用いなければならないという条件がなくなり、これにより、シリコン、石英（ｑｕａｒｔｚ）、サファイア、ガラスなどでも成長が可能であり、すでにその可能性についても確認済みである。そのため、光伝導体薄膜を、基板なしに直接集束レンズの素材として使用されている高抵抗シリコンに蒸着することも可能である。特に、高抵抗シリコンは、テラヘルツ波に対する透過度が非常に高い素材であって、従来の半絶縁ＧａＡｓ基板における吸収を最小化することができるため、より強いテラヘルツ波信号を得ることができる。

図２は、本実施形態によって作製されたテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ素子の構成図およびテラヘルツ波の発生原理を説明する概念図である。

図２を参照すると、本実施形態にかかるテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ素子は、光伝導アンテナ電極２０３と、光伝導体薄膜２０２と、集束レンズ２０１とを含む。テラヘルツ波を発生させるためには、１０〜１００ｆｓのパルス時間を有するフェムト秒レーザパルス２１０が必要である。また、発生したテラヘルツ波を一定方向に集束するために、テラヘルツ波に対して透過度が高く、屈折率が大きい素材である高抵抗シリコンで作製した超半球形の集束レンズ２０１が一般的に用いられる。ここで、超半球形（ｓｕｐｅｒ−ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃ）とは、図２および図３に示す集束レンズ２０１のような形態を意味するものであって、半球形からさらに球形態へと上方にもう少し延長された形状を意味する。

テラヘルツ波の発生原理を図２を参照して説明すると、１０〜５０ＶのＤＣバイアス電圧が加えられているアンテナ電極２０３の間にフェムト秒レーザ２１０が入射すると、光伝導体薄膜２０２内で電子−正孔対が生成され、これらの電荷がバイアスによって両側の電極に移動しながら光電流（ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ）が発生するようになる。この光電流は、極超短パルスによって極めて短時間に流れ、このとき、光電流の変化によって電磁場（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が形成されるが、光電荷の移動時間がピコ秒（ｐｉｃｏ−ｓｅｃｏｎｄ）レベルに達する程度に短いとき、この電磁場によってテラヘルツ波２２０が発生する。テラヘルツ波の発生および放出は全空間で行われるが、自由空間に比べて光伝導体薄膜２０２および集束レンズ２０１の誘電率がはるかに大きいため、ほとんどのテラヘルツ波は薄膜の方向に放射される。そのため、これを一方向に集束するために、シリコン集束レンズ２０１を用いる。

本実施形態にかかるテラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波発生素子と同一の構造および素材からなる。しかし、検出特性を改善するために、検出用アンテナ電極の形態を異なるようにすることもできる。

図３は、本発明の実施形態にかかる光伝導アンテナの作製方法を示したものである。ここでは、従来の工程のような半絶縁ＧａＡｓ基板を用意する必要がなく、シリコン集束レンズ２０１の平らな面に直接光伝導体薄膜２０２を蒸着させる。光伝導体薄膜２０２は、多結晶ＧａＡｓを含んでなるため、蒸着装置として必ずしもＭＢＥを用いる必要はなく、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）またはスパッタなど、可能な多様な方法を適用することができる。

光伝導体薄膜２０２の蒸着が完了すると、光伝導アンテナ金属電極２０３を形成するが、シリコン集束レンズ２０１上に蒸着された光伝導体薄膜２０２に直接金属電極２０３を形成させるため、別途の整列過程を経て付着する必要がなく、中心部を合わせて工程を行えばよい。本発明の工程を用いると、従来の方法に比べて、基板の使用を減らすことができ、工程ステップが簡単になることにより、時間および価格を節減することができ、金属電極２０３とシリコン集束レンズ２０１との間の整列誤差を低減することができるため、様々な改善効果をもたらすことができる。

つまり、本実施形態によれば、多結晶ＧａＡｓ薄膜を直接シリコン集束レンズに蒸着することにより、全体の作製工程を大きく単純化し、エラー発生の余地を取り除くことができるため、時間と経費を節減することができる。そして、工程の単純化および整列問題の解決により、光伝導アンテナ素子の性能および信頼度を向上させることができる。これは、長期的にテラヘルツシステムを商品化する場合、大量生産が可能な基盤となる。

図４は、図３の工程において、シリコン集束レンズの平らな面に直接蒸着するために必要な別途の試験片ホルダ４００である。この試験片ホルダ４００は、前記超半球形の集束レンズ２０１が装着される挿入部を有する装着部４０１と、超半球形の集束レンズ２０１が挿入される貫通孔を有する蓋部４０２とを含む。装着部４０１の挿入部は、半球形の凹部であり、前記貫通孔４０２は、上部にいくほど貫通半径が減少することを特徴とする。

一般的な半導体薄膜蒸着装置では、ウエハに薄膜を蒸着することを基本とするため、ある程度の体積を有する集束レンズを試験片に装入するためには、本実施形態のような別途の試験片ホルダ４００が必要である。シリコン集束レンズ２０１は超半球形であるため、本実施形態では、試験片ホルダ４００を２つの部品として提案した。まず、半球形の装着部４０１に集束レンズ２０１を入れ、その上を蓋部４０２で覆うと、上方が狭くなる蓋部４０２の特性により、全体の試験片ホルダ４００をひっくり返しても集束レンズ２０１が抜けることはない。一部の半導体蒸着装置では、試験片が蒸着されるにつれて上下部がひっくり返る場合があるため、これに備えることもできる。この試験片ホルダ４００の大きさは、使用しようとする集束レンズ２０１の大きさに合わせて作製することができ、一般的に、直径は１０〜１２ｍｍに達する。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、下記の請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

２０１：集束レンズ
２０２：光伝導体薄膜
２０３：光伝導アンテナ用金属電極
２０４：テラヘルツ波の発生のために加えるＤＣバイアス電圧
２１０：フェムト秒レーザパルス
２２０：光伝導体薄膜で発生して集束レンズに集束された後、外部に放射されるテラヘルツ波
４００：試験片ホルダ
４０１：試験片ホルダの装着部
４０２：試験片ホルダの蓋部

Claims (11)

1. 集束レンズと、
   前記集束レンズ上に蒸着された光導電体薄膜と、
   前記光導電体薄膜上に形成された光伝導アンテナ用金属電極とを含み、
   前記集束レンズと前記光導電体薄膜とは一体型で形成されることを特徴とする、テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子。
2. 前記集束レンズは、超半球形で高抵抗シリコンを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子。
3. 前記光導電体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子。
4. 前記集束レンズは、超半球形で高抵抗シリコンを含んでなり、
   前記光導電体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子。
5. 集束レンズを形成するステップと、
   前記集束レンズ上に光導電体薄膜を蒸着するステップと、
   前記光導電体薄膜上に光伝導アンテナ用金属電極を形成するステップとを含み、
   前記集束レンズと前記光導電体薄膜とは一体型で形成されることを特徴とする、テラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。
6. 前記集束レンズは、超半球形で高抵抗シリコンを含んでなることを特徴とする、請求項５に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。
7. 前記光導電体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含んでなることを特徴とする、請求項５に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。
8. 前記集束レンズは、超半球形で高抵抗シリコンを含んでなり、
   前記光導電体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含んでなることを特徴とする、請求項５に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。
9. 前記集束レンズ上に光導電体薄膜を蒸着するステップにおいて、
   前記集束レンズを収容する試験片ホルダに前記集束レンズが装着された状態で前記蒸着ステップが行われることを特徴とする、請求項６に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。
10. 前記試験片ホルダは、
    前記超半球形の集束レンズが装着される挿入部を有する装着部と、
    前記超半球形の集束レンズが挿入される貫通孔を有する蓋部とを含むことを特徴とする、請求項９に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。
11. 前記装着部の挿入部は、半球形の凹部であり、
    前記貫通孔は、上部にいくほど貫通半径が減少することを特徴とする、請求項１０に記載の集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子の製造方法。

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