JP6332993B2 - PHOTOCONDUCTION SUBSTRATE, ELECTROMAGNETIC GENERATION DETECTION DEVICE, AND PHOTOCONDUCTION SUBSTRATE MANUFACTURING METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波等の電磁波の発生および検出に用いられる光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a photoconductive substrate used for generation and detection of electromagnetic waves such as terahertz waves, an electromagnetic wave generation detection device, and a method for manufacturing the photoconductive substrate.
従来、この種の電磁波発生検出装置として、基板と光伝導膜から成る半導体基板と、半導体基板の表面に形成した光伝導アンテナと、光伝導アンテナに接続した電流計と、を備えたテラヘルツ波検出装置が知られている(特許文献1参照)。このテラヘルツ波検出装置では、半導体基板を構成する光伝導膜が、300℃程度以下で膜成長させた低温成長GaAsで構成されている。半導体基板に裏面側からテラヘルツ波を入射させる一方、表面側から光伝導アンテナのギャップに励起光となるフェムト秒レーザー光(波長1.5μm帯)を照射する。これにより、半導体基板内にキャリアが生成され、このキャリアがテラヘルツ波の振動電場により加速されて、振動電場に比例して瞬時電流が流れる。そして、この瞬時電流を電流計で検出するようにしている。 Conventionally, as this type of electromagnetic wave generation detection device, a terahertz wave detection device comprising a semiconductor substrate composed of a substrate and a photoconductive film, a photoconductive antenna formed on the surface of the semiconductor substrate, and an ammeter connected to the photoconductive antenna An apparatus is known (see Patent Document 1). In this terahertz wave detection device, the photoconductive film constituting the semiconductor substrate is made of low-temperature grown GaAs grown at about 300 ° C. or less. While a terahertz wave is incident on the semiconductor substrate from the back surface side, femtosecond laser light (wavelength 1.5 μm band) serving as excitation light is applied to the gap of the photoconductive antenna from the front surface side. As a result, carriers are generated in the semiconductor substrate, the carriers are accelerated by the terahertz wave oscillating electric field, and an instantaneous current flows in proportion to the oscillating electric field. This instantaneous current is detected by an ammeter.
また、この種の電磁波発生検出装置として、基板と、基板上に形成した半導体層と、半導体層上に形成した第1電極および第2電極と、から成る光スイッチが知られている(特許文献2参照)。この光スイッチでは、基板が結晶InPで形成され、半導体層が低温成長させたInXGa1-XAs(0.45≦X≦1)、厳密にはIn0.53Ga0.47Asで形成されている。また、In0.53Ga0.47As層は、下層の結晶層と、鉄イオンが注入された上層の鉄イオン注入層とで構成されている。第1電極と第2電極との間のギャップに、通信で用いられる波長1.55μmのパルス光を照射すると、パルス電流がギャップを流れ、テラヘルツ波が発生する。 Also, as this type of electromagnetic wave generation detection device, an optical switch including a substrate, a semiconductor layer formed on the substrate, and a first electrode and a second electrode formed on the semiconductor layer is known (Patent Document). 2). In this optical switch, the substrate is formed of crystalline InP, and the semiconductor layer is formed of In x Ga 1-x As (0.45 ≦ X ≦ 1), strictly speaking, In 0.53 Ga 0.47 As grown at a low temperature. . The In 0.53 Ga 0.47 As layer is composed of a lower crystal layer and an upper iron ion implanted layer into which iron ions are implanted. When the gap between the first electrode and the second electrode is irradiated with pulsed light having a wavelength of 1.55 μm used for communication, a pulse current flows through the gap and a terahertz wave is generated.
このように構成された特許文献1の技術では、光伝導層(光伝導膜)として、In比率0%のGaAs(LT−GaAs)を用いているため、破壊電圧(抵抗)が高く、ノイズ(暗電流)が小さいというメリットがある。しかし、励起光に対するAsクラスター等の不純物準位を介した光励起によるため、励起効率が悪く、テラヘルツ波の検出(発生)効率が低下するという問題があった。
一方、特許文献2の技術では、光伝導層(半導体層)として、In比率約50%のInGaAs(LT−InGaAs)を用いているため、エネルギーギャップが小さく、テラヘルツ波の励起効率は高いというメリットがある。しかし、破壊電圧(抵抗)が低く、ノイズ(暗電流)が大きいため、結局、テラヘルツ波の発生・検出効率が低下するという問題があった。
In the technique of
On the other hand, in the technique of
本発明は、量子ドットを含有する光伝導層により、電磁波の発生・検出効率を向上させることができる光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a photoconductive substrate, an electromagnetic wave generation detecting device, and a photoconductive substrate manufacturing method capable of improving the generation / detection efficiency of an electromagnetic wave by a photoconductive layer containing quantum dots.
本発明の光伝導基板は、基板と、基板上に形成され、量子ドットを含有するIn X Ga 1−X As(0≦X≦0.53)化合物半導体から成る光伝導層と、を備え、光伝導層の一部または全部は、Beが1×10 17 cm −3 以上1×10 18 cm −3 以下の割合で添加されたIn X Ga 1−X As(0≦X≦0.53)化合物半導体であることを特徴とする。 The photoconductive substrate of the present invention comprises a substrate and a photoconductive layer formed on the substrate and made of an In X Ga 1-X As (0 ≦ X ≦ 0.53) compound semiconductor containing quantum dots , In X Ga 1-X As (0 ≦ X ≦ 0.53) in which part or all of the photoconductive layer is added with Be in a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less. It is a compound semiconductor .
この場合、光伝導層は、複数層の個別光伝導層と、複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の量子ドットと、を有していることが好ましい。 In this case, the photoconductive layer preferably has a plurality of individual photoconductive layers and a plurality of quantum dots formed between the individual photoconductive layers.
この場合、各層の量子ドットは、その下層に位置する各層の個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成されたものであることが好ましい。 In this case, it is preferable that the quantum dots of each layer are formed on the basis of the strain caused by the difference in lattice constant with respect to the individual photoconductive layer of each layer located in the lower layer.
一方、量子ドットは、InAs,InGaAs,InAsSbおよびInGaSbのいずれかであることが好ましい。 On the other hand, the quantum dot is preferably one of InAs, InGaAs, InAsSb, and InGaSb.
本発明の電磁波発生検出装置は、上記した光伝導基板と、光伝導基板上に形成された平行伝送線路と、を備えたことを特徴とする。 The electromagnetic wave generation detection apparatus of the present invention includes the above-described photoconductive substrate and a parallel transmission line formed on the photoconductive substrate.
この場合、光伝導基板に照射する励起光の波長は、1.45μm以上1.65μm以下であることが好ましい。 In this case, the wavelength of the excitation light applied to the photoconductive substrate is preferably 1.45 μm or more and 1.65 μm or less.
本発明の光伝導基板の製造方法は、上記した光伝導基板の製造方法であって、基板上に、個別光伝導層を形成する個別光伝導層形成工程と、個別光伝導層上に、量子ドットを形成する量子ドット形成工程と、を複数回繰り返すことで光伝導層を形成することを特徴とする。 The method for producing a photoconductive substrate of the present invention is the above-described method for producing a photoconductive substrate, wherein an individual photoconductive layer forming step for forming an individual photoconductive layer on the substrate, and a quantum on the individual photoconductive layer are provided. The photoconductive layer is formed by repeating a quantum dot forming step of forming dots a plurality of times.
この場合、複数回の個別光伝導層形成工程の一部または全部では、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)化合物半導体の前記個別光伝導層を形成することが好ましい。 In this case, in some or all of the plurality of individual photoconductive layer forming steps, Be is added at a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less of In X Ga 1-X As. It is preferable to form the individual photoconductive layer of a compound semiconductor (0 ≦ X ≦ 0.53).
また、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)化合物半導体の前記個別光伝導層に、アニール処理を施すアニール処理工程を、更に実行することが好ましい。 In addition, the individual photoconductive layer of In x Ga 1-x As (0 ≦ X ≦ 0.53) compound semiconductor to which Be is added at a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less. In addition, it is preferable to further execute an annealing process for performing an annealing process.
一方、量子ドット形成工程では、量子ドットを、下層に位置する個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成することが好ましい。 On the other hand, in the quantum dot forming step, it is preferable to form the quantum dots based on the strain caused by the difference in lattice constant with respect to the individual photoconductive layer located in the lower layer.
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態の係る光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法を適用した光伝導アンテナ素子について説明する。この光伝導アンテナ素子は、これに電圧を印加することにより、テラヘルツ波を発生させる電磁波発生素子として機能する一方、電流計を接続することにより、テラヘルツ波を検出する電磁波検出素子として機能するものである。特に、実施形態の光伝導アンテナ素子は、テラヘルツ波スペクトルにおいてS/N比、或いはダイナミックレンジを向上させるものである。なお、ここで規定するテラヘルツ波とは、狭義のテラヘルツ波(0.1THz〜10THzの電磁波)は元より、広義のテラヘルツ波(数十GHz〜数百THzの電磁波)も含む概念である。 Hereinafter, a photoconductive antenna element to which a photoconductive substrate, an electromagnetic wave generation detecting device and a photoconductive substrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention are applied will be described with reference to the accompanying drawings. This photoconductive antenna element functions as an electromagnetic wave generating element that generates a terahertz wave by applying a voltage thereto, and functions as an electromagnetic wave detecting element that detects a terahertz wave by connecting an ammeter. is there. In particular, the photoconductive antenna element of the embodiment improves the S / N ratio or dynamic range in the terahertz wave spectrum. In addition, the terahertz wave prescribed | regulated here is a concept including not only a narrowly defined terahertz wave (0.1 THz to 10 THz electromagnetic wave) but also a broadly defined terahertz wave (several tens GHz to several hundred THz electromagnetic wave).
図1は、光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図であり、図2は光伝導アンテナ素子を模式的に表した断面図である。両図に示すように、光伝導アンテナ素子1は、主体を為す光伝導基板2と、光伝導基板2上に成膜された平行伝送線路3と、により構成されている。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a photoconductive antenna element, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the photoconductive antenna element. As shown in both figures, the
光伝導基板2は、基板11と、基板11上に形成されたバッファ層12と、バッファ層12上に形成された光伝導層13と、を備えている。そして、光伝導層13は、複数層に亘って量子ドット22を含有した複数層の個別光伝導層21を有している。また、平行伝送線路3は、一対のアンテナ31,31を備えている。なお、バッファ層12を省略することも可能である。
The
基板11は、化合物半導体の単結晶基板であり、GaAs(ガリウム砒素)により構成されている。基板11の材料としては、GaAsの他、バッファ層12や光伝導層13の材料(の格子定数)に応じて、例えばSi、Ge、InP等の単結晶半導体を用いることもできる。
The
バッファ層12は、基板11の格子定数以上、光伝導層13の格子定数以下もしくは基板11の格子定数以下、光伝導層13の格子定数以上となる材料を用いて、基板11上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、実施形態のものは、GaAs(ガリウム砒素)により構成されている。バッファ層12は、この上に積層する光伝導層13の結晶性を制御するために設けられている。このため、バッファ層12を構成する半導体材料は、基板11および光伝導層13の材料(の格子定数)に応じて任意に選択して用いることができる。また、これらを複数層としてもよい。
The
光伝導層13は、LT−GaAs(低温成長ガリウム砒素)やLT-InGaAs(低温成長インジウムガリウム砒素)を、バッファ層12を介して基板11上にエピタキシャル成長させたものである。すなわち、光伝導層13は、キャリアの応答速度の高速化(短キャリア寿命)に鑑み、III−V族化合物半導体であるInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)を材料として低温でエピタキシャル成長させて形成されている。また、光伝導層13は、複数層の個別光伝導層21と、複数層の個別光伝導層21の各層間に形成した複数層の量子ドット22と、を有している。
The
個別光伝導層21は、LT−GaAs(LT-InGaAs)を、バッファ層12を介して基板11上に成長させたものであり、量子ドット22は、各個別光伝導層21上にInAs(インジウム砒素)を成長させたものである。実施形態の量子ドット22は、当該量子ドット22を構成するInAsと、その下層(または上層)のGaAs(InGaAs)と、の間の格子定数のミスマッチを利用し、これにより生ずるひずみ力で島状構造(量子ドット22)を実現するものである。詳細は後述するが、光伝導層13内に量子ドット22を封じ込めるように、個別光伝導層21の形成と、量子ドット22の形成とを交互に行うようにしている。
The individual
なお、光伝導層13を構成するIII−V族化合物半導体は、基板11がGaAsやGeの場合には、GaAs(LT−GaAs)、InGaAs(LT-InGaAs)、AlGaAs(LT−AlGaAs)、InGaP、AlAsであることが好ましい。また、基板11がInPの場合には、InGaAs(LT-InGaAs)、GaAsSb、InGaAsP、InP、InAlAsであることが好ましい。さらに、光伝導層13が、InAs(LT−InAs)、InSb等であってもよい。
The III-V compound semiconductor constituting the
また、量子ドット22は、光伝導層13(個別光伝導層21)との格子定数の相違を考慮し、InAs,InGaAs,InAsSb,InGaSb等であることが好ましい。また更に、量子ドット22の形成方法として、微細マスクを用いた選択成長や界面活性剤を用いたもの等、結晶成長時に形成するものであってもよい。
The
平行伝送線路3は、光伝導層13上に形成したダイポール型の一対のアンテナ31,31で構成されている。各アンテナ31は、線状に延びるライン部32と、ライン部32の中央から内側に延設した電極部(電極)33と、を有しており、ライン部32の少なくとも一方の端部が電極パッド34として機能する。一対のアンテナ31,31は、そのライン部32,32同士が平行に配置され、且つ相互の電極部33,33が所定のギャップを存して対向配置されている。すなわち、相互の電極部33,33の対向端部間には、数μmの幅(実施形態のものは、5μm程度)のギャップ部35が構成されている。
The
実施形態の各アンテナ31は、Au(金)で構成されているが、Al、Ti、Cr、Pd、Pt、Au−Ge合金、Al−Ti合金等の導電性材料であってもよい。なお、平行伝送線路3(アンテナ31)の形式は、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型等であってもよい。また、ギャップ部35(電極部33)を複数形成する構成であってもよい。
Each
このように構成された光伝導アンテナ素子1を、テラヘルツ波発生素子として機能させるには、一対の電極パッド34,34を介して、相互の電極部33,33間に所定のバイアス電圧を印加しておいて、ギャップ部35に、フェムト秒パルスレーザ等の励起光(波長1.55μmのパルス光)を照射する。すなわち、電極部33,33間に電界を発生させておいて、励起光によりギャップ部35の光伝導層13を励起する。これにより、光伝導層13にキャリア(電子および正孔)が生成され、且つ電極部33,33間の電圧(電界)でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。このパルス状電流の時間変動(超高速電流変調)によりテラヘルツ波(厳密にはテラヘルツパルス波)が発生し、誘電率の大きい基板11側に強く放射される。なお、上記では、光伝導層13(ギャップ部35)に照射される励起光として、その波長が、1.55μmのものを例示したが、本光伝導アンテナ素子1では、当該励起光として、その波長が、1.45μm以上1.65μm以下のものを用いることを想定している。
In order for the
また、この光伝導アンテナ素子1は、テラヘルツ波を受けたときに一対の電極部33,33間に電流が流れるため、テラヘルツ波の検出素子として用いることもできる。この場合には、電流(テラヘルツ波)を検出するための電流計や電流増幅器等を、一対の電極パッド34,34に接続しておく。
The
次に、図3を参照して、光伝導層13を有する光伝導アンテナ素子1の、製造方法について説明する。この製造方法では、先ずMBE(分子線エピタキシー)装置に基板11をセットし、As分子線を照射した状態にする(同図(a)参照)。次に、基板11の温度を600℃程度に上昇させて、基板11表面の酸化膜を除去する。次に、GaAsの基板11上に、0.1μm〜0.5μm厚程度のGaAsのバッファ層12をエピタキシャル成長させる(同図(b)参照)。具体的には、基板11の温度を500℃〜600℃、成長速度約1μm/hour、Ga分子線強度に対するAs分子線強度の比(As/Ga供給比)を約5〜30に設定し、バッファ層12を0.1μm〜0.5μm程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。
Next, a manufacturing method of the
次に、バッファ層12上に、LT−GaAs(LT-InGaAs)の個別光伝導層21をエピタキシャル成長させる(同図(c)参照)。具体的には、MBE装置にセットした基板11の温度を、500℃以下(実施形態のものは、約300±50℃)に降温させ、成長速度をバッファ層12と同程度の約1μm/hとし、個別光伝導層21を5nm〜100nm程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。
Next, the
最下層の個別光伝導層21を成膜したら、上記と同様に500℃以下の温度下で、InAsからなる量子ドット22を自己成長させる(同図(d)参照)。この場合、個別光伝導層21と、量子ドット22となるInAsとの格子定数の相違からひずみが生じ、InAsは島状構造となる。これにより、励起子となるInAsは、3次元の全方向で閉じ込められ、いわゆる量子ドット22となる。
When the lowermost individual
このように量子ドット22を自己成長させたら、直ちに量子ドット22を埋め込むように、第2層目の個別光伝導層21を成膜(エピタキシャル成長)させる。そして、この個別光伝導層21の形成および量子ドット22の形成を、10〜数100回程度繰り返して、基板11およびバッファ層12上に厚さ1.5〜4μmの光伝導層13を形成する(同図(e)〜(f)参照)。
When the
次に、この光伝導基板2に対し、熱処理(アニール処理)を行う(同図(g)参照)。具体的には、MBE装置内において、光伝導基板2に対しAs分子線を照射した状態のまま、基板11の温度を500℃以上600℃以下とし(昇温)、5〜10分間の熱処理を行う。このアニールにより、光伝導層13のAsがAsクラスターとして、GaAs(InGaAs)の結晶中に析出する。
Next, heat treatment (annealing treatment) is performed on the photoconductive substrate 2 (see FIG. 5G). Specifically, in the MBE apparatus, the temperature of the
このようにして、基板11、バッファ層12および光伝導層13から成る光伝導基板2が完成したら、光伝導基板2上に真空蒸着により一対のアンテナ31,31を成膜する(同図(h)参照)。具体的には、光伝導基板2(光伝導層13)上にレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により、平行伝送線路3(一対のアンテナ31,31)の形状のレジストパターンを形成し、アンテナ材料のAuを真空蒸着により成膜し、不要部分を剥離除去する。
When the
このようにして、製造された光伝導アンテナ素子1は、その光伝導層13に量子ドット22を含有する構造となる。そして、量子ドット22は、発生したキャリアを適切に封じ込める(トラップする)よう機能する。
Thus, the manufactured
次に、図4を参照して、光伝導層13のテラヘルツ波特性に関し、本実施形態と従来技術とを比較しながら説明する。同図は、光伝導層13を構成するInXGa1-XAsにおいて、引用文献1に代表されるIn比率0%のもの(同図(a)参照)、本実施形態のIn比率0〜50%のもの(同図(b)参照)、引用文献2に代表されるIn比率50%以上のもの(同図(c)参照)、を比較したものである。また、励起光として、通信用の波長1.5μmのフェムト秒パルスレーザ(0.8eV)を用いている。
Next, the terahertz wave characteristics of the
図4(a)のIn比率0%のLT−GaAs(光伝導層13)では、エネルギーギャップ(Eg)が1.42eVであり、破壊電圧(抵抗)は高く且つノイズ(暗電流)は小さいが、Asクラスター等の不純物準位を介した光励起となるため、励起効率が悪く、テラヘルツ波の発生・検出効率が低下する。 In LT-GaAs (photoconductive layer 13) with an In ratio of 0% in FIG. 4A, the energy gap (Eg) is 1.42 eV, the breakdown voltage (resistance) is high, and the noise (dark current) is small. Since the light excitation is performed through impurity levels such as As clusters, the excitation efficiency is low and the generation / detection efficiency of the terahertz wave is lowered.
また、図4(c)のIn比率50%以上のLT−InGaAs(光伝導層13)では、エネルギーギャップ(Eg)が約0.8eVであり、励起効率は良いが、破壊電圧(抵抗)が低く、ノイズ(暗電流)が大きくなるため、結局、テラヘルツ波の発生・検出効率が低下する。 In addition, in LT-InGaAs (photoconductive layer 13) with an In ratio of 50% or more in FIG. 4C, the energy gap (Eg) is about 0.8 eV and the excitation efficiency is good, but the breakdown voltage (resistance) is low. Since it is low and noise (dark current) becomes large, the generation / detection efficiency of terahertz waves eventually decreases.
一方、図4(b)のIn比率0〜50%のLT−InGaAs(光伝導層13)では、エネルギーギャップ(Eg)が0.8eV以上となり、破壊電圧(抵抗)を高くすることができると共に、ノイズ(暗電流)を低減することができる。また、量子ドット22により、励起効率を向上させることができる。すなわち、量子ドット22により、Asクラスター等の不純物準位を介した光励起を増強することができる。
On the other hand, in LT-InGaAs (photoconductive layer 13) with an In ratio of 0 to 50% in FIG. 4B, the energy gap (Eg) is 0.8 eV or more, and the breakdown voltage (resistance) can be increased. , Noise (dark current) can be reduced. Further, the excitation efficiency can be improved by the
言い換えれば、InGaAsの光伝導層13において、In比率50%以下であっても、量子ドット22によりエネルギーギャップ(Eg)を約0.8eV(波長1.5μm)にすることができる。これにより、実施形態の光伝導アンテナ素子1では、テラヘルツ波スペクトルにおいてS/N比、或いはダイナミックレンジを向上させることができ、テラヘルツ波の発生・検出効率が向上させることができる。
In other words, even if the In ratio is 50% or less in the
次に、図5および図6を参照して、第2実施形態および第3実施形態に係る光伝導アンテナ素子1につき、主に第1実施形態と異なる部分について説明する。これらの実施形態は、テラヘルツ応答が、一対のアンテナ31,31の電極部33間における光伝導層13で行われることに着目したものであり、ギャップ部35にのみ光伝導層13を形成している。
Next, with reference to FIG. 5 and FIG. 6, portions different from the first embodiment will be mainly described for the
図5の第2実施形態に係る光伝導アンテナ素子1では、各電極部33を、光伝導層13およびバッファ層12の厚みに相当する分、基板11から立ち上げるように形成し、この立ち上げた一対の電極部33間に、バッファ層12および光伝導層13を形成(成膜)している。
In the
同様に、図6の第3実施形態に係る光伝導アンテナ素子1では、各電極部33を、光伝導層13の厚みに相当する分、バッファ層12から立ち上げるように形成し、この立ち上げた一対の電極部33間に、光伝導層13を形成(成膜)している。
Similarly, in the
このような、第2・3実施形態の光伝導アンテナ素子1では、リーク電流やノイズを軽減することができ、発生もしくは検出するテラヘルツ波のS/N比またはダイナミックレンジを向上させることができる。
In such
次に、図7および図8を参照して、第4実施形態に係る光伝導アンテナ素子1につき、主に第1実施形態と異なる部分について説明する。第4実施形態にかかる光伝導アンテナ素子1では、光伝導層13Aとして、Be(ベリリウム)が添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)に、熱処理を施したものを用いている。図7に示すように、第4実施形態の光伝導層13Aは、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)を、バッファ層12を介して基板11上に低温でエピタキシャル成長させ、且つ熱処理(アニール処理)を施したものである。
Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, the part which is different from 1st Embodiment mainly about the
厳密に言えば、本光伝導層13Aは、第1実施形態と同様、複数層の個別光伝導層21Aと、複数層の量子ドット22とを有している。そして、本光伝導層13Aにおける量子ドット22は、第1実施形態と同様、InAsを成長させたものであるのに対し、本光伝導層13Aにおける個別光伝導層21Aは、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)を成長させ且つ熱処理を施して形成されている。なお、第1実施形態と同様、量子ドット22は、InAsに限るものではない。
Strictly speaking, the
図8に示すように、第4実施形態に係る光伝導アンテナ素子1の製造方法では、バッファ層12を形成させた後(同図(b)参照)、バッファ層12上に、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)の個別光伝導層21Aを低温でエピタキシャル成長させる(同図(c)参照)。具体的には、MBE装置にセットした基板11の温度を、500℃以下(実施形態のものは、約300±50℃)に降温させ、成長速度を約1μm/hとし、個別光伝導層21A(BeがドーピングされたGaAs層またはInGaAs層)を5nm〜100nm程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。
As shown in FIG. 8, in the method of manufacturing the
最下層の個別光伝導層21Aを成膜したら、500℃以下の温度下で、InAsからなる量子ドット22を自己成長させる(同図(d)参照)。量子ドット22を自己成長させたら、直ちに量子ドット22を埋め込むように、第2層目の個別光伝導層21Aを成膜(エピタキシャル成長)させる。そして、この個別光伝導層21Aの形成および量子ドット22の形成を、10〜数100回程度繰り返して、基板11およびバッファ層12上に厚さ1.5〜4μmの光伝導層13Aを形成する(同図(e)〜(f)参照)。
When the lowermost individual
光伝導層13Aを形成したら、第1実施形態と同様に、光伝導層13A(各個別光伝導層21Aおよび量子ドット22)に対し、500℃以上600℃以下で熱処理(アニール処理)を行う(同図(g)参照)。そして、第1実施形態と同様に、光伝導基板2上に真空蒸着により一対のアンテナ31,31を成膜する(同図(h)参照)。
When the
このようにして、製造された光伝導アンテナ素子1は、Beが所定の割合で添加され且つ熱処理が施されたInGaAs(またはGaAs)の光伝導層13Aに量子ドット22を含有する構造となる。
Thus, the manufactured
次に、第4実施形態の有効性を示すべく、図9の実験結果を参照して、量子ドット22を含有するInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)の光伝導層13,13AにおけるBe添加量(Be添加割合)と抵抗値との関係について説明する。同図の実験では、成長後に熱処理が施された光伝導層13,13Aを用いている。また、同図の実験では、光伝導層13,13Aを構成するInXGa1-XAsが、In比率35%であるもの(In0.35Ga0.65As)を用いている。
Next, in order to show the effectiveness of the fourth embodiment, with reference to the experimental results of FIG. 9, a photoconductive layer of In x Ga 1-x As (0 ≦ X ≦ 0.53) containing
同図の符号P1に示すように、Be添加量が0(ゼロ)である場合(第1実施形態に相当)には、抵抗値が1×105Ω以下となっている。一方、同図の符号P2、P3、P4に示すように、Be添加量が、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下である場合(第4実施形態に相当)、抵抗値が1×106Ω以上となっている。このように、熱処理が施される前提において、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合でBeを添加した場合、光伝導層13、13Aの抵抗値が格段に大きくなる。
As indicated by reference numeral P1 in the figure, when the Be addition amount is 0 (zero) (corresponding to the first embodiment), the resistance value is 1 × 10 5 Ω or less. On the other hand, when the addition amount of Be is 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less (corresponding to the fourth embodiment) as shown by reference signs P2, P3, and P4 in FIG. The value is 1 × 10 6 Ω or more. As described above, when Be is added at a rate of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less on the premise that the heat treatment is performed, the resistance values of the
このように、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合でBeを添加し且つ熱処理を施すことで、量子ドット22を含有するInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)の光伝導層13,13Aにおいて、抵抗値を格段に大きくすることができる。すなわち、破壊電圧(抵抗)をより高くすることができると共に、ノイズ(暗電流)を低減することができる。この抵抗値の増大は、ドープされたアクセプタであるBeが、熱処理によって活性化し、低温成長中に発生した電子を補償することで生じたものである。第4実施形態の光伝導アンテナ素子1では、この光伝導層13Aを用いることで、テラヘルツ波スペクトルにおいてS/N比、或いはダイナミックレンジをより向上させることができ、テラヘルツ波の発生・検出効率がより向上させることができる。なお、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合でBeを添加する構成は、キャリア寿命の低減にも寄与している。
Thus, by adding Be at a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less and performing heat treatment, In X Ga 1-X As (0 ≦ 0) containing
なお、上記第4実施形態においては、光伝導層13Aの全体(全部)に、Beに添加させて、光伝導層13Aの全体を高抵抗化したが、図10に示すように、光伝導層13Aの上部(表面側の一部)のみにBeを添加させて、光伝導層13Aを部分的に高抵抗化する構成であってもよい。
In the fourth embodiment, the entire
具体的には、光伝導層13Aを成す複数層の個別光伝導層21,21Aのうち、表面側(平行伝送線路3形成側)に位置する1以上の個別光伝導層21Aは、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)を成長させて形成され、それ以外の個別光伝導層21(裏面側に位置する個別光伝導層21)は、Beが添加されていないアンドープのInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)を成長させて形成される。これにより、光伝導層13Aに、Beドープ部とアンドープ部とが形成される。
Specifically, among the plurality of individual
かかる場合、図示省略するが、光伝導アンテナ素子1の製造方法では、Beの添加量を調整し、複数回の個別光伝導層21,21A形成工程のうち一部の形成工程では、Beが1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加されたInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)の個別光伝導層21Aを形成する。また、それ以外の形成工程では、アンドープのInXGa1-XAs(0≦X≦0.53)の個別光伝導層21を形成する。
In this case, although not shown in the drawing, in the method of manufacturing the
このように、重要な「光伝導層13A(個別光伝導層21A)の平行伝送線路3付近の部分」のみにBeを添加し、部分的に高抵抗化することによって、Beの消費量(使用量)を抑えることができ、光伝導アンテナ素子1のコストダウンを図ることができる。なお、ここでは、光伝導層13Aの上部のみにBeを添加する構成としたが、「光伝導層13Aの平行伝送線路3付近の部分」のみに、Beを添加する構成であれば、光伝導層13Aの上部にBeを添加する構成に限るものではない。すなわち、光伝導層13Aの下側に平行伝送線路3を形成する構成の場合には、平行伝送線路3の配置に合わせて、光伝導層13Aの下部のみに、Beを添加する構成としてもよい。
Thus, by adding Be only to the important “portion of the
また、光伝導層13Aにおける光電効果が生じる領域が、光伝導層13A全体ではなく、その一部である場合、当該光電効果が生じる領域の一部または全部に、Beを、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下の割合で添加する構成であってもよい。なお、「光電効果が生じる領域」とは、入射した励起光によって光励起キャリアが励起され、光励起キャリアが移動可能な領域を指す。
Further, when the region where the photoelectric effect occurs in the
さらに、上記各実施形態において、基板11は、SiやGe等の、テラヘルツ波を透過するものであっても良い。また、バッファ層12は、SiO2やGeO2等の、絶縁膜として機能するものであってもよい。
Further, in each of the above embodiments, the
1 光伝導アンテナ素子、2 光伝導基板、3 平行伝送線路、11 基板、12 バッファ層、13 光伝導層、21 個別光伝導層、22 量子ドット、31 アンテナ、33 電極部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記基板上に形成され、量子ドットを含有するIn X Ga 1−X As(0≦X≦0.53)化合物半導体から成る光伝導層と、を備え、
前記光伝導層の一部または全部は、Beが1×10 17 cm −3 以上1×10 18 cm −3 以下の割合で添加されたIn X Ga 1−X As(0≦X≦0.53)化合物半導体であることを特徴とする光伝導基板。 A substrate,
A photoconductive layer formed on the substrate and made of an In X Ga 1-X As (0 ≦ X ≦ 0.53) compound semiconductor containing quantum dots ,
In part or all of the photoconductive layer, Be is added at a ratio of 1 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 18 cm −3 or less In X Ga 1-X As (0 ≦ X ≦ 0.53). A photoconductive substrate characterized by being a compound semiconductor .
前記複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の前記量子ドットと、を有していることを特徴とする請求項1に記載の光伝導基板。 The photoconductive layer includes a plurality of individual photoconductive layers;
The photoconductive substrate according to claim 1, further comprising: a plurality of quantum dots formed between the plurality of individual photoconductive layers.
前記光伝導基板上に形成された平行伝送線路と、を備えたことを特徴とする電磁波発生検出装置。 The photoconductive substrate according to any one of claims 1 to 4 ,
An electromagnetic wave generation detecting device comprising: a parallel transmission line formed on the photoconductive substrate.
前記基板上に、前記個別光伝導層を形成する個別光伝導層形成工程と、
前記個別光伝導層上に、前記量子ドットを形成する量子ドット形成工程と、を複数回繰り返すことで前記光伝導層を形成することを特徴とする光伝導基板の製造方法。 A method for producing a photoconductive substrate according to claim 2,
An individual photoconductive layer forming step of forming the individual photoconductive layer on the substrate;
A method for producing a photoconductive substrate, comprising: forming the photoconductive layer on the individual photoconductive layer by repeating a quantum dot forming step of forming the quantum dots a plurality of times.
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