JP2013171954A - テラヘルツ波発生素子、それを用いた応用装置、及び装置製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波パルス発生に寄与する励起光の割合を向上させることができるテラヘルツ波発生素子等を提供する。
【解決手段】励起光８の照射によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子は、励起光が有する波長範囲に相当するエネルギーよりも小さいバンドギャップを持つ半導体からなり励起光の照射方向を考慮して決められた基準面を有する励起光吸収部２を有する。励起光吸収部２は、基準面に対して垂直方向に階段状に距離が異なり基準面と平行な平面をそれぞれ有する複数の階段ステップ４、５、６、７が、距離の異なる平面の間を繋ぐ側面を介して連なって構成された階段形状部３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）までの周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子、それを用いたテラヘルツ波発生装置、テラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ）装置、テラヘルツイメージング装置、テラヘルツ波発生装置の製造方法等に関する。

近年、テラヘルツ波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、イメージング技術、物質の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。これらの技術を実用化するためには、テラヘルツ波の発生技術の進歩が重要な要素の一つとなっている。この様なテラヘルツ波の発生技術として、フォトデンバー効果を利用したテラヘルツ波発生素子が提案されている（特許文献１参照）。ここでフォトデンバー効果とは、半導体表面に励起光パルスを照射した際に生じる２つの光励起キャリア（電子と正孔）の拡散速度差に起因した瞬間的な表面電流の時間変化によりテラヘルツ波パルスを生じる効果である。励起光パルスが半導体表面に照射された瞬間、励起キャリアは表面付近で高密度であるために半導体内部へ拡散しようとする。電子の拡散速度は一般に正孔の拡散速度より大きいので、電子のほうがより遠くへより速く拡散する。これにより、電子と正孔の数密度分布に差異が生じる。これは瞬間的に電流が変化したと看做すことができ、この電流変化の時間スケール（典型的には数ピコ秒程度）のフーリエ成分に応じた周波数を有するテラヘルツ波パルスが生じる。

上記ではフォトデンバー効果による電流変化の向きが半導体表面に対して垂直なケースを説明したが、特許文献１に記載の発生素子では、その電流変化の向きが半導体表面に対して平行方向になるような構造となっている。これは、電流変化の向きと垂直な方向に、テラヘルツ波パルスが最も強く放射されることを考慮しての構造である。電流変化の向きが半導体表面に対して平行方向となることで、テラヘルツ波パルスが強く放射する方向が半導体表面に対して垂直方向になる。電流変化の方向を調整する方法として、遮光膜で半導体表面の一部を覆うなどして励起キャリアの分布が半導体表面平行方向に急峻な勾配を持つようにして電流変化の向きを半導体表面平行方向にする例が開示されている。この様な素子構成により、テラヘルツ波パルスの放射方向を半導体表面に対して垂直方向にすることで、テラヘルツ波パルスを発生素子の外部へ取出しやすくし、空間へ放射されるテラヘルツ波パルスのパワーを向上する効果があるとされている。

国際公開ＷＯ２０１０１４２３１３

しかしながら、特許文献１に記載された発生素子では、励起キャリアの分布が半導体表面平行方向に急峻な勾配を持つようにする構造において、励起光パルスが照射されてもテラヘルツ波パルスの発生に寄与しない箇所があった（例えば遮光膜の箇所など）。そのため、励起光パルスの利用効率が低下する懸念がある。

上記課題に鑑み、本発明のテラヘルツ波発生素子は、励起光の照射によってテラヘルツ波を発生する素子であって、前記励起光が有する波長範囲に相当するエネルギーよりも小さいバンドギャップを持つ半導体からなり、前記励起光の照射方向を考慮して決められた基準面を有する励起光吸収部を有する。そして、前記励起光吸収部は、前記基準面に対して垂直方向に階段状に距離が異なり前記基準面と平行な平面をそれぞれ有する複数の階段ステップが前記距離の異なる平面の間を繋ぐ側面を介して連なって構成された階段形状部を少なくとも１つ有する。

本発明のテラヘルツ波発生素子によれば、それぞれの階段ステップに照射される励起光を、基準面（各階段ステップの平面と平行な面）に対してほぼ垂直方向のテラヘルツ波パルスの発生に多く利用することができる。したがって、テラヘルツ波パルス発生に寄与する励起光の割合を向上させることができるという効果を奏する。

実施形態１のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子でのキャリア数分布を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子への励起光パルスの入射方法を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の製造方法の例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の製造方法の例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の製造方法の例を説明する図。 実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。 実施形態２の装置の構成例を説明する図。 実施形態２の測定方法の例を説明する図。 階段ステップの側面の傾きについて説明する図。

本発明のテラヘルツ波発生素子は、励起光吸収部に階段形状部に形成することで、それぞれの階段ステップにおいてその平面に対してほぼ垂直方向にテラヘルツ波を発生できるようにすることを特徴とする。これにより、励起光パルスの利用効率を向上させようとするものである。階段形状部は、上述した様に、前記基準面に対して垂直方向に階段状に距離が異なり前記基準面と平行な平面をそれぞれ有する複数の階段ステップが前記距離の異なる平面の間を繋ぐ側面を介して連なって構成される。ここで、階段形状部の階段ステップは、隣接する階段ステップとの間を繋ぐ側面の角度が必ずしも直角（すなわち、基準面ないしそれに平行な階段ステップの平面に対して垂直）に形成されている必要はなく、階段形状部の各階段ステップの前記基準面と平行な平面のレベルにおいて実質的に急峻な励起キャリア分布を基準面平行方向に実現できるものであればよい。

以下、図を用いて実施形態を説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１を、図１を参照して説明する。図１（ａ）はテラヘルツ波発生素子の断面図、図１（ｂ）は上面図である。図１では、基板１に接して励起光吸収部２が配置されている。励起光吸収部２は階段形状部３を有している。ここでは、基板１は基準面と平行な上下面を有する平行平板状であり、基板１と励起光吸収部２は基準面と平行な面で接している。まず、本明細書中での方向について、定義をする。図１において、階段形状部３の階段ステップの平面と平行な面を基準面とする。また、基準面の方向に垂直な方向を基準面垂直方向とする。階段ステップの平面ないし基準面に対して或る角度（典型的には垂直）で励起光を照射して、この面にほぼ垂直な方向にテラヘルツ波を発生させるので、基準面は励起光の照射方向を考慮して決められ、それに応じて励起光吸収部の階段ステップの平面が決まる。また、励起光吸収部に接して基板を備える場合、基板１から見て励起光吸収部２がある側を素子上面側とする。その反対側を素子下面側とする。

本実施形態において、励起光吸収部２は、照射される励起光パルス８を吸収して光励起キャリアを生じさせるために、励起光パルス８の主要な波長範囲に相当するエネルギーよりも小さいバンドギャップを持つ半導体からなる。主要な波長範囲とは、例えば励起光パルス８のピーク波長やマイナス３ｄＢ帯域の長波長端または中心波長、などである。励起光吸収部２は励起光パルス８の主要な波長範囲に応じて、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、Ｓｉ、Ｃ（ダイヤモンド）、ＩｎＮ、ＺｎＯなどを用いることができる。その他の材料の選択基準としては、より強いテラヘルツ波を発生するために、キャリア移動度が大きいことや電子とホールの移動度の差が大きいことなどが挙げられる。

励起光吸収部２の階段形状部３の階段形状とは、基準面垂直方向の厚み（基準面に対する垂直方向の距離）が基準面平行方向に段々に変化している形状を指す。本明細書では、この厚みが段々（階段状）に変化している箇所それぞれの段を階段ステップと称する。階段ステップの数は２つ以上で任意である。図１では、励起光吸収部２の階段形状部３は４段の階段ステップ４、５、６、７からなる。

基板１は、テラヘルツ波の吸収を小さくするために、自由キャリアの少ない絶縁性の高い材料からなることが望ましい。例えば、半絶縁性ガリウムヒ素（ＳＩ（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）−ＧａＡｓ）や半絶縁性インジウムリン（ＳＩ−ＩｎＰ）などが適用できる。基板１と励起光吸収部２は同一の材料からなっていてもよい。また、基板１はなくてもよい。基板１に励起光吸収部２をＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などで成長させる場合には、励起光吸収部２の種類に応じて、格子整合などの観点から基板１の材料が選択される。基板１と励起光吸収部２の間に他の層を有していてもよい。また、基板１として、テラヘルツ波領域において吸収の少ない高抵抗シリコン（Ｓｉ）やシクロオレフィンなどの樹脂を用いてもよい。石英やセラミックスなどを用いることもできる。この場合は、別の基板上に成長させた励起光吸収部２を基板１に転写接着する方法などを適用して作製することができる。Ｓｉ基板へは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）／Ｇｅといったバッファー層を介すなどして励起光吸収部２をＭＢＥ法などで成長させる方法もある。

テラヘルツ波の発生には、励起光吸収部２において励起光パルス８の照射時に基準面平行方向に生じる急峻なキャリア分布を利用する。この様なキャリア分布にすると、基準面平行方向にフォトデンバー効果が起こる。つまり、励起光吸収部２に励起光パルス８を照射した際に生じる２つの光励起キャリア（電子と正孔）の拡散速度差に起因した瞬間的な表面電流の時間変化により、テラヘルツ波パルスを生じる効果が生じる。このとき、キャリアの移動度を大きくし、電子とホールの移動度の差を大きくすることがテラヘルツ波パルスの高強度化に有効である。これは、移動度が大きいほど電流が大きくなること、電子とホールの移動度差が大きく両者が離れるほど電流が大きくなることによる。ここでは、基準面平行方向に実質的に電流変化が起こっている。電流変化の向きが基準面平行方向となることで、テラヘルツ波パルスが強く放射する方向が基準面垂直方向すなわち階段ステップの平面に垂直な方向になる。図１のような構成では、空気の誘電率より基板１の誘電率のほうが一般に大きいため（例えば、ＧａＡsの誘電率は約１３）、とくに素子下面側に大きなテラヘルツ波放射強度が得られる。ここでは、励起光吸収部２と基板１の接する面及び基板１の底面は基準面すなわち階段ステップの平面と平行であるので、テラヘルツ波パルスが強く放射する方向は基板１の底面にほぼ垂直な方向になる。これに対して、励起光吸収部２と基板１の接する面または／及び基板１の底面が基準面と非平行である場合は、接する面または／及び基板１の底面においてテラヘルツ波パルスが屈折して放射することになる。

上記したような基準面平行方向の急峻なキャリア分布を生じさせる構成について説明する。説明を平易にするために、励起光パルス８が素子上面側から基準面垂直方向に発生素子に照射される場合（図２（ａ）参照）を考える。ここでは、階段ステップ４に注目する。階段ステップ４へ到達する励起光パルス８は２種類に分けられる。１つは空気中を伝搬して直接階段ステップ４へ到達する励起光パルス８であり、もう１つは階段ステップ５などにより一部吸収や反射などされた後に階段ステップ４の平面のレベルへ到達する励起光パルス８である。後者の励起光パルス８は、そのパワーが大きく低下している。その結果、階段ステップ４の平面のレベルにおいて両者が励起するキャリア数に差が生じる。励起光吸収部２において光励起キャリアが多い領域２２は図２（ａ）に示すよう分布する。したがって、図２（ｂ）に示すように、階段ステップ４と階段ステップ５の段差（両階段ステップの平面間の側面）付近の領域２１で急峻なキャリア分布が基準面平行方向に生成される。

ここで、図２（ａ）は図１の階段ステップ４付近の拡大図であり、図２（ｂ）は励起光パルス８の照射直後の階段ステップ４の平面のレベルにおけるキャリア分布を示す図である。この様なキャリア分布が、その他の階段ステップ５、６でも生成される。図１の構成では最上段の階段ステップ７へ照射される励起光パルス８の強度を基準面平行方向に急峻に変化させる構成がないため、階段ステップ７では基準面平行方向に急峻なキャリア分布は生じない。

本明細書中で励起光パルス８の「パルス」とは、テラヘルツ周波数領域の電磁波を強く発生させる程度のパルス幅（半値全幅）を有する励起光のこととする。周波数１ＴＨｚは時間領域で１ｐｓに対応するので、励起光パルス８のパルス幅は半値全幅１０ｐｓ以下が望ましい。１ｐｓ以下であればより望ましい。

各階段ステップのサイズについて説明する。各階段ステップの基準面垂直方向の厚みｄ（図２（ａ）参照）は励起光パルスの主要な波長範囲に対する光吸収長以下が望ましい。これは、基準面垂直方向に生じるキャリア分布の急峻さを低減することで基準面垂直方向への電流変化を抑え、テラヘルツ波が基準面平行方向に強く放射されてしまうのを防ぐためである。なお、光吸収長とは材料を光が透過した際に、光の透過量が１／ｅとなる材料厚さとする。一方で、ｄが小さ過ぎると光吸収量が減ってしまうため、ｄの値は光吸収長の０．５倍以上２倍以下が望ましい。すなわち、階段形状部を構成する各階段ステップの層の基準面に対して垂直な方向の厚さが、励起光吸収部をなす材料の励起光が有する波長範囲における光吸収長の０．５倍以上２倍以下であることが好ましい。また、各階段ステップの平面の基準面平行方向の幅Ｗ（図２（ａ）参照）はフォトデンバー効果のキャリア拡散の空間スケール程度以下であることが望ましい。これは、各階段ステップにおいて生じる励起キャリアをテラヘルツ波の発生に有効に利用するためである。急峻なキャリア分布が生じる箇所（例えば、図２（ｂ）中の領域２１）からキャリア拡散の空間スケールより大きく離れた場所で発生した励起キャリアは、急峻なキャリア分布が生じる箇所に到達できない。したがって、それらの励起キャリアのテラヘルツ波の発生への寄与は小さくなってしまうので、幅Ｗはフォトデンバー効果のキャリア拡散の空間スケール程度以下であることが望ましい。なお、フォトデンバー効果のキャリア拡散の空間スケールはＧａＡｓの場合に１μｍ程度とされている。こうした場合を考慮して、階段形状部を構成する各階段ステップの平面の側部間の幅は１μｍ以下であることが好ましい。それぞれの階段ステップの基準面垂直方向の厚みｄや基準面平行方向の幅Ｗは各々異なっていても勿論よい。

最上段の階段ステップ７の上面の一部に励起光パルス８を遮光する遮光膜９を形成して、基準面平行方向に急峻なキャリア分布が形成されるようにしてもよい（図３）。遮光膜９は、励起光パルス８を反射または吸収するものであれば金属でも誘電体でもよい。例えば、厚さ２００ｎｍ程度のチタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）膜を使うことができる。遮光膜９は、階段形状部３の最上段の階段ステップの平面において、励起光パルス８のビーム直径以内の位置に配置される。これは、階段形状部３と遮光膜９付近の両方で効率よくテラヘルツ波を発生させるためである。ここで、励起光パルス８のビーム直径とは、励起光パルス８の光軸垂直面内のパワー分布においてピークパワーの１／ｅ^２となる点をつないだ円の直径である。この様に、階段形状部に接して遮光部を、階段形状部において励起光のビーム直径以内の位置に配置することもできる。

以上の様な発生素子として、例えば、基板１にＳＩ−ＧａＡｓ、励起光吸収部２にＵ／Ｄ（Ｕｎｄｏｐｅ）−ＩｎＡsを用いることができる。励起光パルスには、励起光吸収部２の材料であるＩｎＡsが吸収できる１．５μｍ帯のフェムト秒レーザを使うことができる。基板１と励起光吸収部２に格子定数差があるため励起光吸収部２の結晶性が劣化する恐れがある場合は、その結晶性を向上するために基板１と励起光吸収部２の間にバッファー層を形成してもよい。バッファー層としては、ＡｌＩｎＡｓＳｂの単一組成の層、もしくはグレーデッド層などを用いることができる。それぞれの厚さは、基板１を５００μｍ、バッファー層を１μｍ、励起光吸収部２を２．４μｍ、励起光吸収部２の各階段ステップ４、５、６、７の厚さ（側面の高さ）をそれぞれ０．６μｍとする。各階段ステップの厚さは、励起光パルスの波長１．５μｍ帯でのＩｎＡｓの光吸収長である約０．６μｍと等しく設定する。

上記構成において、それぞれの階段ステップから発生したテラヘルツ波は合成されてテラヘルツ波発生素子の外部に放射される。上述した様に、基準面に対する階段ステップの側面の角は直角に形成されている必要はない。このことについて図１４を用いて詳述する。基準面に対する階段形状部の側面１１１の傾きが垂直（α＝９０°）でない場合でも、励起光吸収部２において実質的に急峻な励起キャリア分布を実現できるならば構わない。励起キャリア数は励起光パルス８のパワー密度に比例すると考えられるので、励起光パルス８のパワー密度の観点から、階段形状の側面１１１の傾きの許容範囲を計算できる。上記のように材料としてＩｎＡs（屈折率３.５）を使用する場合、階段形状部の側面１１１の傾きαは７５度以上が望ましい。これは、約７５度が、階段形状部の側面１１１において屈折して励起光吸収部２へ入射する励起光パルス８の基準面平行面でのパワー密度が光線垂直面上でのパワー密度の約半分になる角度に相当するからである。つまり、一般に知られるように、評価面への光線の入射角をθとすると、評価面上でのパワー密度は光線垂直面上でのパワー密度に比べてｃｏｓθ倍に減少する（ｃｏｓ(６０°)＝１／２）。ただし、上記計算は簡単化した一例である。階段形状部の側面１１１の傾きの許容範囲は、他のパラメータ（例えば、励起光パルス８の入射方向や偏光方向、励起光吸収部２の吸収係数や厚さ、フォトデンバー長、階段形状部の側面１１１の表面状態（粗さなど））にも依存することは勿論である。よって、実質的に急峻な励起キャリア分布を実現できる基準面に対する階段ステップの側面の傾きの許容範囲は、個々の構成における種々のパラメータを考慮して決められるべきものである。典型的には、テラヘルツ波パルス発生に寄与する励起光パルスの割合を従来例に対して有意に向上させるという観点から、励起光パルス８の基準面平行面でのパワー密度が光線垂直面上でのパワー密度の約半分以上になる角度範囲（例えば、約７５度から９０度の範囲）であることが望ましい。

発生素子への励起光パルスの照射方法について、図４を用いて説明する。図４（ｂ）、（ｃ）は基板上面側の斜め方向から励起光パルス８が照射される場合を示す。図４（ｂ）では、励起光パルス８が基準面垂直方向よりも階段形状部の厚い側に傾いて照射されている。一方、図４（ｃ）では、その逆側に傾いた励起光パルス８が照射されている。図４（ｂ）のような構成では、或る階段ステップの凸部分（平面と側面の境界付近）は、それより素子下面側にある階段ステップへ照射される励起光パルス８の分布を急峻にカットすることができる。したがって、基準面平行方向の急峻なキャリア分布を生成することが可能である。一方、図４（ｃ）では、光励起キャリアの分布が図４（ａ）、（ｂ）と比べて緩くなる。したがって、より高強度のテラヘルツ波を生じさせるには図４（ａ）、（ｂ）のような照射方法が望ましい。また、ここでは素子上面側から励起光パルス８を照射したが、上述した様に、素子下面側から照射してもよい。この場合は、励起光吸収部において階段ステップが素子下面側（基板側）に形成されるようにする。これには転写接着プロセスなどを用いればよい。基板１を通過することによる励起光パルス８の周波数分散や吸収、反射を避けるために、基板１において励起光パルス８が通過する箇所をくりぬいた構成にしてもよい。励起光吸収部２において階段形状部を基板垂直面に対して対称に形成し、そこに励起光パルス８を対称に照射した場合（図５（ａ）参照）、対称面の両側で生成されるテラヘルツ波は、互いに位相が１８０度反転した電界強度を有している。これら２つのテラヘルツ波は互いに打ち消しあってしまうので、図５（ａ）のような配置は好ましくない。励起光吸収部２の階段形状部が基板垂直面に対して対称に形成されている場合は励起光パルス８を非対称に照射するとよい（図５（ｂ）参照）。

励起光吸収部２の形状として、図６のような同心円状のものを用いることもできる。この場合、励起光パルス８は図６のように励起光吸収部２に対して非対称に照射する。テラヘルツ波の電界方向は励起光吸収部２において発生する電流変化の方向に一致する。したがって、図６において励起光パルス８を励起光吸収部２へ照射する位置によってテラヘルツ波の偏光を制御することが可能である。

各階段ステップの層の間に、キャリアバリア層や励起光反射層を設けてもよい（図７参照）。図７において、１０の構成要素は、キャリアバリア層もしくは励起光反射層である。キャリアバリア層１０を利用すると、それぞれの階段ステップで発生した光励起キャリアが他の階段ステップへ移動する確率が低下する。したがって、それぞれの階段ステップ間において、キャリアが互いに与える影響を低減することができ、より高強度なテラヘルツ波を発生することが可能となる。例えば励起光吸収部２がＩｎＡｓの場合、キャリアバリア層１０としてはＡｌＩｎＡｓＳｂなどを用いることができる。また、励起光反射層１０を利用すると、或る階段ステップ層を通ってそれより下の層への励起光パルスの侵入を低減できる。したがって、より急峻な光励起キャリア分布を形成でき、より高強度なテラヘルツ波を発生することが可能となる。特に、各階段ステップの基準面垂直方向の厚みｄが励起光パルス８の主要な波長範囲に対する光吸収長以下のときに、励起光反射層１０は有効である。これは、励起光反射層１０が、より基板側にある階段ステップへ到達する励起光パルス８の基準面平行方向のパワー分布を急峻にするからである。

発生素子の製造方法の一例を、図８を用いて説明する。図８（ａ）は基板１の上に励起光吸収部２が成膜された状態である。励起光吸収部の励起光が照射される予定の素子上面側の面に、フォトリソグラフィー法によりフォトレジスト膜７３をパターニングして形成する（図８（ｂ））。次に、パターニングしたフォトレジスト膜７３をマスクとして、ドライエッチング法により励起光吸収部２をエッチングする（図８（ｃ））。つまり、フォトレジスト膜でカバーされた領域以外の励起光吸収部をエッチングする。ここで、後に階段形状部を形成するために、励起光吸収部２は膜の途中までエッチングする。図８（ｃ）に示す様に励起光吸収部２の膜の途中でエッチングを止めるには、エッチングレートからエッチング量を計算したり、エッチングストップ層を励起光吸収部２の内部に設けたりするとよい。また、エッチングはウェットエッチング法を使用してもよい。エッチングが終了したら、フォトレジスト膜７３を剥離する。この様な工程を各階段ステップごとに繰り返すことで、最終的に図８（ｄ）のような構造を形成することができる。

また、階段状のレジスト７３を塗布する方法を用いてもよい。まず、図９（ａ）のように励起光吸収部２の上に階段状のレジスト７３を形成する。階段状のレジスト７３は、スプレーコーターを使用して形成することができる。また、多階調フォトマスクやレーザ描画装置を使い露光量を調整することで、リソグラフィーによって形成してもよい。次に、ドライエッチング法により励起光吸収部２をエッチングしていくが、その際にレジスト７３も同時にエッチングされる。もっとも薄いレジスト７３の領域８１がエッチングされてなくなると、その下（基板側）にある励起光吸収部２がエッチングされ始める。この様な工程を繰り返していくことにより、図９（ｂ）のように階段形状部を有する励起光吸収部２を形成できる。

その他にも、最初に塗布したレジスト７３を徐々に後退させつつ励起光吸収部２をエッチングしていく方法がある。まず、励起光吸収部２の上に端面を持つようにレジスト７３を形成する（図１０（ａ））。レジスト７３をマスクとして励起光吸収部２をエッチングする（図１０（ｂ））。レジスト７３を階段ステップの幅方向の長さ分だけ後退させる（図１０（ｃ））。このために、後退させる分だけレジスト７３をレーザ描画装置で露光して除去したり、レーザアブレーションで除去したりする。この様な工程を繰り返していくことにより、図１０（ｄ）のように階段形状部を有する励起光吸収部２を形成することができる。

これまで述べたような発生素子は基準面平行方向に複数並べてアレイ形状に配置してもよい（図１１参照）。つまり、励起光吸収部は階段形状部を複数有することができる。このとき、アレイ内で発生するテラヘルツ波パルスが互いに打ち消し合うことがないように、テラヘルツ波パルスの電界方向（ひいてはキャリア分布の発生方向）を考慮する必要がある。例えば、単素子の場合に説明したように、アレイにおける発生素子の構造を非対称にしたり（つまり階段形状部を、励起光の照射方向を含む面に対して非対称に形成されている領域を含むように形成する）、励起光パルスの照射位置を非対称にしたりする。励起光パルスはアレイの全体に照射してもよいし、一部に照射してもよい。図１１（ａ）はアレイ形状配置のテラヘルツ波発生素子の断面図であり、図１で示したような励起光吸収部２を複数有する。発生したテラヘルツ波を互いに打ち消し合うことがないように、それぞれの励起光吸収部２の階段形状部の向きは、図１１（ａ）のように基準面平行方向で、同じ向きとなっていることが望ましい。図１１（ｂ）は、９個の励起光吸収部２を並べたテラヘルツ波発生素子の上面図である。励起光パルス８は図９に示したようにアレイ全体に照射してもよいし、レンズアレイなどを用いてそれぞれの励起光吸収部２の領域のみに照射してもよい。それぞれの励起光吸収部２に照射する励起光パルス８の位相を制御することで、発生するテラヘルツ波の放射方向を変えることができる（フェーズドアレイ）。

以上に述べたような発生素子により、励起光パルスがテラヘルツ波発生に利用される効率を向上させることができる。すなわち、上記テラヘルツ波発生素子に励起光を照射してテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。

（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１で説明したような発生素子を利用したテラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ；Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）装置に関する。図１２に、本実施形態におけるテラヘルツ時間領域分光装置の構成例を示す。このテラヘルツ時間領域分光装置は、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ程度の周波数領域の電磁波成分を含むテラヘルツ波を利用する装置である。すなわち、本実施形態は、本発明のテラヘルツ波発生素子と、この発生素子に照射する励起光を発生する励起光発生部と、励起光をテラヘルツ波発生素子に照射する照射手段を有するテラヘルツ波発生装置を備える。そして、テラヘルツ波発生装置と共に、テラヘルツ波の電界強度を検出するテラヘルツ波検出装置と、サンプルにテラヘルツ波を照射してサンプルにおいて透過または反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出装置に導くテラヘルツ波光学系と、テラヘルツ波検出装置で検出されたテラヘルツ波の電界強度からテラヘルツ波の時間波形を算出する処理部を備える。

具体的に説明する。図１２において、励起光パルス発生部８０は励起光パルス８１を出射する。励起光パルス発生部８０としては、ファイバレーザなどを使用することができる。励起光パルス８１は、ここでは、波長１．５μｍ帯、パルス時間幅（パワー表示での半値全幅）３０ｆｓ程度のパルスレーザとする。励起光パルス８１はビームスプリッタ８２で二手に分けられる。一方の励起光パルス８１はテラヘルツ波パルス発生部８３へ入射し、もう一方の励起光パルス８１は第二次高調波発生部８４へ入射する。

テラヘルツ波パルス発生部８３は上記実施形態で説明したようなテラヘルツ波発生素子を含む。励起光パルス８１はレンズで集光されてビーム直径１０μｍ程度でテラヘルツ波発生素子の光吸収部へ照射される。テラヘルツ波パルス８５は、発生素子が形成された基板の裏面方向に強く放射される場合、基板裏面にシリコン半球レンズを接して配置して、空間への放射パワーを高めてもよい。ここでは、励起光パルス８１の波長を１．５μｍ帯としたので、光吸収部としては、この波長の励起光を吸収して光励起キャリアを発生できるＩｎＡｓを使うことができる。

上記説明の構成とすれば、パルス時間幅（半値全幅）数１００ｆｓから数ｐｓ程度のテラヘルツ波パルス８５を放射させることが可能である。空間に放射されたテラヘルツ波パルス８５はレンズやミラー等の光学素子によってサンプル８６へと集光される。サンプル８６から反射したテラヘルツ波パルス８５は、光学素子によってテラヘルツ波パルス検出素子８７に入射させられる。

ビームスプリッタ８２で分けられて第二次高調波発生部８４へ入射したもう一方の励起光パルス８１は、第二次高調波変換過程によって波長０．８μｍ帯のパルスレーザとなる。第二次高調波変換素子としては、ＰＰＬＮ結晶（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）などを使用できる。他の非線形過程で生ずる波長や、波長変換されずに出射してくる１．５μｍ帯の波長のレーザは、ダイクロイックミラー等（不図示）によって励起光パルス８１から排除される。０．８μｍ帯の波長に変換された励起光パルス８１は、励起光遅延系８８を通過してテラヘルツ波パルス検出素子８７へと入射する。

テラヘルツ波パルス検出素子８７としては、光伝導素子を使用することができる。検出側では、第二次高調波発生部８８で生成される波長０．８μｍ帯の励起光パルス８１を吸収するために、光伝導素子の光伝導層には低温成長ＧａＡｓが好適に用いられる。光伝導層で発生した光励起キャリアはテラヘルツ波パルス８５の電界によって加速され、電極間に電流を生じさせる。この電流値は、光電流が流れている時間内のテラヘルツ波パルス８４の電界強度を反映している。電流を電流電圧変換デバイスによって電圧に変換してもよい。テラヘルツ波パルス検出素子８７は、光伝導素子に限らず、テラヘルツ領域で一般に使われる他の方法、例えば電気光学結晶の複屈折を利用した検出方法などを使用しても勿論よい。

励起光遅延系８８は、可動式のレトロリフレクターなどを含み、処理部８９によって制御されて、テラヘルツ波パルス検出素子８７に到達する励起光パルス８１の遅延時間を掃引する。これにより、テラヘルツ波パルス８５と励起光パルス８１がテラヘルツ波パルス検出素子８７に到達する相対時間差を変えつつ、テラヘルツ波パルス８７の電界強度を測定することができる。したがって、テラヘルツ波パルス８５の電界強度の時間波形を再構成することができる。処理部８９では、励起光遅延系８８による励起光パルス８１の遅延時間を制御する。さらに、テラヘルツ波パルス８５の時間波形やその周波数成分からサンプル８６の情報（複素屈折率や形状など）を取得し、表示部９０に表示する。

サンプル８６の表面や内部界面で反射されたテラヘルツ波パルス８５の時間間隔を取得することで、それらの面間隔を評価することもできる（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ法）。図１３はその説明図である。入射テラヘルツパルス１００は、サンプル８６によって反射される。サンプル８６はテラヘルツパルスを反射する界面を３面持つとすると、反射テラヘルツパルス１０１は３つのパルスで構成される。さらにサンプル８６における測定箇所を走査することで、トモグラフィックイメージングを行うことも可能である。図１２ではサンプル８６から反射するテラヘルツ波パルス８５を検出しているが、サンプル８６を透過するテラヘルツ波パルス８５を検出してもよい。こうして、例えば、処理部において算出したテラヘルツ波の時間波形からサンプルの屈折率界面構造もしくは構成物体の物性を取得して、テラヘルツイメージング装置を構成することができる。

本発明のテラヘルツ波発生素子を使用することで高強度なテラヘルツ波パルスを利用できるので、以上のようなテラヘルツ時間領域分光装置などの応用装置において、物体の同定やイメージングなどを高精度に行うことが可能となる。これらの特徴を生かして、医療、美容の分野や工業製品検査などの分野等で利用することができる。

１・・・基板、２・・・励起光吸収部、３・・・階段形状部、４、５、６、７・・・階段ステップ、８・・・励起光

Claims (12)

1. 励起光の照射によってテラヘルツ波を発生する素子であって、
   前記励起光が有する波長範囲に相当するエネルギーよりも小さいバンドギャップを持つ半導体からなり、前記励起光の照射方向を考慮して決められた基準面を有する励起光吸収部を有し、
   前記励起光吸収部は、前記基準面に対して垂直方向に階段状に距離が異なり前記基準面と平行な平面をそれぞれ有する複数の階段ステップが前記距離の異なる平面の間を繋ぐ側面を介して連なって構成された階段形状部を少なくとも１つ有することを特徴とするテラヘルツ波発生素子。
2. 前記階段形状部は、前記励起光の照射方向を含む面に対して非対称に形成されている領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
3. 前記階段形状部を構成する各階段ステップの層の前記基準面に対して垂直方向の厚さが、前記励起光吸収部をなす材料の前記励起光が有する波長範囲における光吸収長の０．５倍以上２倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発生素子。
4. 前記階段形状部を構成する各階段ステップの前記平面の前記側部間の幅が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
5. 前記階段形状部を構成する各階段ステップの層の間にキャリアバリア層、または前記励起光パルスを反射する励起光反射層を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
6. 前記階段形状部に接して配置される遮光部を有し、該遮光部は前記階段形状部において前記励起光のビーム直径以内の位置に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
7. 前記階段形状部を照射する前記励起光は半値全幅１０ｐｓ以下のパルスであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
8. 前記励起光吸収部に接して基板を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子と、前記テラヘルツ波発生素子に照射する前記励起光を発生する励起光発生部と、前記励起光を前記テラヘルツ波発生素子に照射する照射手段を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
10. 請求項９に記載のテラヘルツ波発生装置を用いたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
    前記テラヘルツ波の電界強度を検出するテラヘルツ波検出装置と、
    サンプルに前記テラヘルツ波を照射して前記サンプルにおいて透過または反射した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出装置に導くテラヘルツ波光学系と、
    前記テラヘルツ波検出装置で検出された前記テラヘルツ波の電界強度から前記テラヘルツ波の時間波形を算出する処理部と、
    を有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置。
11. 請求項１０に記載のテラヘルツ時間領域分光装置を用いて前記サンプルのイメージングを行うテラヘルツイメージング装置であって、
    前記処理部において算出した前記テラヘルツ波の時間波形から前記サンプルの屈折率界面構造もしくは構成物体の物性を取得することを特徴とするテラヘルツイメージング装置。
12. 請求項１から８のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子のための製造方法であって、
    前記励起光吸収部の前記励起光が照射される予定の素子上面側の面にフォトレジスト膜をパターニングして形成するパターニング工程と、
    前記フォトレジスト膜でカバーされた領域以外の前記励起光吸収部の領域の少なくとも一部を除去するエッチング工程と、
    前記フォトレジスト膜を前記励起光吸収部から剥離する剥離工程と、
    を含み、
    前記パターニング工程と前記エッチング工程と前記剥離工程を、前記励起光吸収部が階段形状部を構成するように繰り返すことを特徴とするテラヘルツ波発生素子の製造方法。

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