JP5955203B2

JP5955203B2 - 光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置

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Publication number: JP5955203B2
Application number: JP2012260771A
Authority: JP
Inventors: 大島　清朗; 清朗大島; 喜彦加茂
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: JP2013080939A

Description

本発明は、テラヘルツ電磁波の検出または発生に用いることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置に関する。

従来、半導体基板上に形成された化合物半導体層を積層した光伝導基板と、化合物半導体層上において、間隙を設けて配置された一対の電極を有するアンテナと、を備え、半導体基板には、一対の電極の間隙部分において開口部を有している光伝導素子が知られている（特許文献１参照）。
この光伝導素子を構成する光伝導基板は、半導体基板の一部を除去して開口部を設けることにより、照射した励起光により発生した励起キャリアおよびテラヘルツ電磁波が半導体基板に吸収されることを防止することができるようになっている。

特開２００７−２８１４１９号公報

しかし、従来の光伝導素子では、励起キャリアおよびテラヘルツ電磁波が半導体基板に吸収されることを防止するために、半導体基板の一部を除去しなければならず、製造工程の増加およびコストの増加という問題が生じていた。

本発明は、製造工程の複雑化を防止すると共に、半導体基板によるテラヘルツ電磁波の吸収を抑え、光照射で発生した励起キャリアを効率良くテラヘルツ電磁波の発生または検出に用いることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置を提供することを課題とする。

本発明の光伝導基板は、基板上に積層され、基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するキャリア移動防止層と、キャリア移動防止層上に積層され、基板のバンドギャップ以上のバンドギャップであってキャリア移動防止層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する半導体層と、を備え、キャリア移動防止層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ≦１）をエピタキシャル成長させてなる層であり、半導体層は、ＧａＡｓを低温でエピタキシャル成長させてなる層であることを特徴とする。

この構成によれば、基板と半導体層との間に、バンドギャップの異なるキャリア移動防止層を設けることにより、半導体層とキャリア移動防止層との界面の半導体層側に２次元電子ガス（two dimensional electron gas）が発生する。この２次元電子ガスは、半導体層で発生した励起キャリア（電子）を閉じ込め、励起キャリアの基板側への移動を防止する。これにより、入射した励起光によって発生した励起キャリアを効率良くテラヘルツ電磁波の発生または検出に用いることができる。
また、Ａｌ _ｘＧａ _１−ｘＡｓにおいてｘの値を０．５以上１以下、言い換えれば、Ｇａに対するＡｌの組成比（Ａｌ／Ｇａ）を１以上とすることで、キャリア移動防止層のバンドギャップが２．０ｅＶ以上となる。これにより、半導体層において励起されたキャリアの最も高い準位が２．０ｅＶ未満であれば、励起キャリアが伝導帯準位に遷移してしまうことを確実に防止することができる。

この場合、基板とキャリア移動防止層との間にバッファ層を、更に備えていることが好ましい。

この構成によれば、バッファ層を設けることにより、基板とキャリア移動防止層との間における格子不整合を低減することができる。これにより、バッファ層上に設けられるキャリア移動防止層および半導体層の結晶性を制御することができる。また、キャリア移動防止層の材料および層厚について、ある程度、自由に設計することができる。

この場合、基板は、ＳｉまたはＧｅにより形成されていることが好ましい。

この構成によれば、特に、Ｓｉ（シリコン）からなる基板は、ＧａＡｓ系等の基板に比べて、安価であるうえ、強度が高いという利点を有する。したがって、この構成によれば、基板の薄型化および大口径化が可能となる。これにより、小型・軽量な光伝導基板を、安価に大量生産することができる。また、Ｓｉ基板およびＧｅ基板は、ＧａＡｓ系基板と比べて、テラヘルツ電磁波の吸収が少ないという特長を有するため、効率良くテラヘルツ電磁波を発生または検出することができる。さらに、毒性が高く、取り扱いが難しいＧａＡｓ系の基板に対して、Ｓｉ基板およびＧｅ基板は、取り扱いが容易であり、環境面においても有利である。

本発明の電磁波発生検出装置は、上記のいずれかの光伝導基板と、半導体層上に形成されたアンテナと、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、励起キャリアは、半導体層とキャリア移動防止層との界面に生じた２次元電子ガスに閉じ込められ、基板側への移動が阻止される。これにより、発生した励起キャリアを無駄なくテラヘルツ電磁波の発生に用いることができる。

本実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した斜視図である。本実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図である。キャリア移動防止層と半導体層との接合界面のバンド構造を示した図である。ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌの組成割合とバンドギャップとの関係を示した図である。電磁波発生検出装置を応用した時間領域分光装置を示した概略図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光伝導基板を用いた電磁波発生検出装置について説明する。

図１は、本実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した斜視図である。図２は、本実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。図１および図２に示すように、電磁波発生検出装置１は、光伝導材料の薄膜を積層した光伝導基板２と、光伝導基板２上に形成されたアンテナ６と、を備えている。

光伝導基板２は、基板３と、基板３上に形成されたバッファ層４と、バッファ層４上に積層されたキャリア移動防止層５１と、キャリア移動防止層５１上に積層された半導体層５２と、を備えている。

基板３は、単結晶のＳｉ（シリコン）により構成されている。なお、基板３の材料としては、Ｓｉに限定されるものではなく、例えば、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の任意の単結晶半導体を用いることができる。

しかし、Ｓｉからなる基板３は、ＧａＡｓ系基板等に比べて、安価であるうえ、強度が高いという利点を有する。したがって、基板３の材料としてＳｉを用いることで、基板３の薄型化および大口径化が可能となる。これにより、小型・軽量な光伝導基板２を、安価に大量生産することができる。

また、Ｓｉからなる基板３は、ＧａＡｓ系基板と比べて、テラヘルツ電磁波の吸収が少ないという特長を有する。このため、Ｓｉからなる基板３を用いることで、テラヘルツ電磁波を効率良く発生または検出することができるという利点を有する。

さらに、ＧａＡｓ系基板は、砒素化合物であるため毒性が高く、厳重に管理された設備において、十分な注意をもって取り扱うことが要求される。このように取り扱いが難しいＧａＡｓ系基板に対して、Ｓｉからなる基板３は、取り扱いが容易であり、環境面においても有利である。

バッファ層４は、ＧａＡｓを材料として基板３上にエピタキシャル成長させた薄膜である。バッファ層４は、この上に積層するキャリア移動防止層５１および半導体層５２の結晶性を高くするために設けられている。

なお、バッファ層４の材料は、ＧａＡｓに限定されるものではなく、基板３およびキャリア移動防止層５１および半導体層５２の材料に応じて適切な材料が選択される。また、バッファ層４の層厚も、キャリア移動防止層５１および半導体層５２の結晶性を考慮して任意に設定される。したがって、基板３とキャリア移動防止層５１（半導体層５２）との格子定数差が小さく、基板３上に適切にキャリア移動防止層５１（半導体層５２）を積層できるのであればバッファ層４を省略してもよい。

バッファ層４上に積層されたキャリア移動防止層５１は、基板３のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している。また、キャリア移動防止層５１上に積層された半導体層５２は、基板３のバンドギャップ以上のバンドギャップを有すると共に、キャリア移動防止層５１のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有している。つまり、基板３≦半導体層５２＜キャリア移動防止層５１の順にバンドギャップが大きくなる。

半導体層５２は、ガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）を材料として低温でエピタキシャル成長させた層である。フェムト秒パルスレーザ等の励起光は、半導体層５２の表面に対し垂直に入射する。そして、入射した励起光が、半導体層５２内において、励起キャリア（電子）を発生させる。

このように半導体層５２に用いる半導体材料を、キャリア移動防止層５１とのバンドギャップの差を考慮して任意に選択することにより、励起キャリアの基板３側への移動を阻止することができる。

キャリア移動防止層５１は、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）を材料としてエピタキシャル成長させた層である。上記したように、キャリア移動防止層５１は、バッファ層４と半導体層５２との間に介設され、半導体層５２（および基板３）のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有している。

図３は、キャリア移動防止層５１と半導体層５２との接合界面のバンド構造を示した図である。図３に示すように、バンドギャップの大きなキャリア移動防止層５１上に半導体層５２を設けることにより、半導体層５２とキャリア移動防止層５１との界面の半導体層５２側に２次元電子ガス（two dimensional electron gas）が発生する。この２次元電子ガスは、半導体層５２で発生した励起キャリアを閉じ込め、励起キャリアが基板３側に移動することを防止する。これにより、励起光の照射により、半導体層５２において発生した励起キャリアを効率良くテラヘルツ電磁波の発生に用いることができる。

次に、図４を参照して、キャリア移動防止層５１（ＡｌＧａＡｓ）の組成比について説明する。図４は、ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌの組成割合とバンドギャップとの関係を示した図である。

半導体層５２で発生した励起キャリアは、後述する一対のアンテナ本体６２間に電圧を印加することによって、伝導帯準位に移る場合がある（バレー間遷移によるポテンシャル障壁乗り越え）。本実施形態に係る半導体層５２（ＧａＡｓ）のバレーポテンシャルは、それぞれ、γ：１．４２４ｅＶ，Ｌ：１．７１ｅＶ，Ｘ：１．９ｅＶである。そこで、キャリア移動防止層５１のバンドギャップを、１．９ｅＶ以上、好ましくは２．０ｅＶ以上とすることで、バレー間遷移によるポテンシャル障壁乗り越えを確実に防止することができる。

本実施形態に係るキャリア移動防止層５１では、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓにおいてｘ≧０．５に設定することで、２．０ｅＶ以上のバンドギャップを確保している（図４参照）。したがって、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓにおいてｘの値を０．５以上１以下、換言すればＧａに対するＡｌの組成比を、Ａｌ／Ｇａ≧１となるように、キャリア移動防止層５１を構成すればよい。これにより、半導体層５２において励起されたキャリアが、バレー間遷移によりポテンシャル障壁を乗り越えてしまうことを防ぐことができる。

なお、キャリア移動防止層５１の層厚は、臨界膜厚を考慮して任意に設定される。また、キャリア移動防止層５１の材料は、ＡｌＧａＡｓに限定されるものではなく、基板３および半導体層５２それぞれの格子定数やバンドギャップを考慮して任意の半導体材料または任意の誘電体材料を用いることができる。つまり、キャリア移動防止層５１は、半導体層５２で励起されたキャリアの最も高い準位よりも大きなバンドギャップを有していればよい。例えば、キャリア移動防止層５１の材料は、ＡｌＡｓを用いてもよい（ｘ＝１の場合）。

アンテナ６は、半導体層５２上に配設されている。アンテナ６は、一対の電極部６１と、一対のアンテナ本体６２と、からなるダイポールアンテナである。一対の電極部６１には、ケーブルを介して電源や電流増幅器等が接続される。一対のアンテナ本体６２は、所定の間隔（ギャップ部６３）を有して配置されている。

一対のアンテナ本体６２に電圧を印加した状態で、ギャップ部６３にフェムト秒パルスレーザ等の励起光を照射すると、励起キャリアが発生する。そして、一対のアンテナ本体６２の間（ギャップ部６３）にパルス状の電流が流れ、この電流によってテラヘルツ電磁波が発生する。また、この電磁波発生検出装置１は、テラヘルツ電磁波を受けたときに一対のアンテナ本体６２間に電流が発生するため、検出（受信）素子としても用いることができる。この場合、電流（テラヘルツ電磁波）を検出するための電流増幅器等を、一対の電極部６１に接続しておく。

電磁波発生検出装置１の製造工程について簡単に説明する。まず、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置に基板３をセットし、バッファ層４、キャリア移動防止層５１、半導体層５２の順で、それぞれ任意の成長条件（温度、成長速度等）でエピタキシャル成長させる。これにより、光伝導基板２が形成される。

そして、光伝導基板２の半導体層５２上に、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む。）等の公知の技術を用いてアンテナ６が形成されて、電磁波発生検出装置１が完成する。

以上の構成によれば、励起キャリアは、半導体層５２とキャリア移動防止層５１との界面において、半導体層５２側に生じた２次元電子ガスに閉じ込められ、基板３側への移動が阻止される。これにより、発生した励起キャリアを無駄なくテラヘルツ電磁波の発生・検出に用いることができる。

なお、本実施形態の基板３はＳｉを用いているが、これに代えてＧｅ（ゲルマニウム）からなる基板３を用いてもよい。Ｇｅからなる基板３は、Ｓｉからなる基板３と同様に、テラヘルツ電磁波の吸収が殆ど無いため、テラヘルツ電磁波の発生または検出を効率良く行うことができる。また、Ｇｅのバンドギャップは、Ｓｉの半分程度（約０．７ｅＶ）であるため、上述した実施形態に係るものと同様、励起キャリアの基板３側への移動を防止することができる。さらに、Ｇｅの格子定数は、ＧａＡｓの格子定数と略同じであるため、基板３上に積層する各層４，５１，５２との間で格子不整合が生じることを防止することができる。なお、この場合、バッファ層４を省略してもよい。

続いて、図５を参照して、電磁波発生検出装置１の応用例として時間領域分光装置７について簡単に説明する。図５は、電磁波発生検出装置１を応用した時間領域分光装置７を示した概略図である。時間領域分光装置７は、テラヘルツ電磁波が伝播する経路中に測定したい測定試料Ｓを置き、透過したテラヘルツ電磁波の時間波形と、測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ電磁波の振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの細かい物性測定を行うものである。

時間領域分光装置７は、フェムト秒レーザ（励起光）を発生するレーザ照射装置７１と、フェムト秒レーザを分離するビームスプリッター７２と、電磁波発生装置１ａおよび電磁波検出装置１ｂと、電磁波検出装置１ｂに入射するフェムト秒レーザを遅延させる遅延光学系７３と、フェムト秒レーザを反射・集光する各種光学系と、入力信号を処理する信号処理装置７４と、を備えている。また、その他、時間領域分光装置７として一般的な構成を有している。なお、電磁波検出装置１ｂおよび電磁波発生装置１ａは、上述した電磁波発生検出装置１と同一のものである。

まず、レーザ照射装置７１から発せられたフェムト秒レーザ（波長８００ｎｍ）は、ビームスプリッター７２により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、振幅変調を掛けた状態で電磁波発生装置１ａに入射する。このとき一対のアンテナ本体６２間に電圧を印加しておくことで、電磁波発生装置１ａからテラヘルツ電磁波が発生する。このテラヘルツ電磁波は、第１放物面鏡７５で反射され、第１レンズ７６により集光されて測定試料Ｓに照射される。測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波は、第２レンズ７７、第２放物面鏡７８を介して電磁波検出装置１ｂに入射する。

一方、ビームスプリッター７２により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡７９によって、遅延光学系７３に照射され、時間遅延を与えられて電磁波検出装置１ｂに入射する。電磁波検出装置１ｂで検出された信号は、信号処理装置７４に入力される。信号処理装置７４は、測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波の時間波形および測定試料Ｓが無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形を各々時系列データとして記憶し、これをフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Ｓからのテラヘルツ電磁波の強度振幅や位相の分光スペクトルを得ることで、測定試料Ｓの物性等を調べることができる。

以上の構成によれば、Ｓ／Ｎ比が向上したテラヘルツ電磁波を用いることにより、物質（測定試料Ｓ）の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より明確に行うことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

１：電磁波発生検出装置、２：光伝導基板、３：基板、４：バッファ層、６：アンテナ、５１：キャリア移動防止層、５２：半導体層

Claims

基板上に積層され、前記基板のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するキャリア移動防止層と、
前記キャリア移動防止層上に積層され、前記基板のバンドギャップ以上のバンドギャップであって前記キャリア移動防止層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する半導体層と、を備え、
前記キャリア移動防止層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．５≦ｘ≦１）をエピタキシャル成長させてなる層であり、
前記半導体層は、ＧａＡｓを低温でエピタキシャル成長させてなる層であることを特徴とする光伝導基板。
前記基板と前記キャリア移動防止層との間にバッファ層を、更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の光伝導基板。
前記基板は、ＳｉまたはＧｅにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光伝導基板。
請求項１ないし３のいずれかに記載の光伝導基板と、
前記半導体層上に形成されたアンテナと、を備えていることを特徴とする電磁波発生検出装置。