JP2004538630A - ＴＨｚ放射の発生デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、ＴＨｚ放射の発生デバイスに関する。デバイスは、双極子発生層と、抽出ブロックと、結合ブロックとを備える。結合ブロックは、レーザ光に対して透明であり、デバイスの使用時に、レーザからの光を双極子発生層の表面と結合するために双極子発生層の表面に接触している。抽出ブロックは、放出抽出面をもたらすために双極子発生層の表面に接触している。双極子形成層、結合ブロック、及び抽出ブロックの屈折率は、実質的に等しい。このようにして、レーザによる双極子発生層の照射で発生する双極子は、放出抽出面に垂直でない軸線を有する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体のテラヘルツ（ＴＨｚ）放射の発生及び抽出に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、コヒーレントＴＨｚ放射分光法及び画像化の新しい用途は、小型の高電力ＴＨｚエミッタが無いので制限されている。
【０００３】
表面電場ＴＨｚ発生は、半導体バンドギャップより大きいフォトンエネルギーを有するピコ秒以下のレーザパルスを半導体に照射することで生じる。表面空乏領域内の電場は、電子及び正孔を反対方向に加速する。その結果、ピコ秒の時間スケールで起こる電荷分離は、コヒーレンスＴＨｚ過渡光を放出する双極子を形成する。
【０００４】
ＴＨｚ発生は、デバイスがピコ秒以下のレーザパルスで照射された場合、即ち、フォトンエネルギーがｉ（真性領域）を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも大きい場合にｐ−ｉ−ｎダイオードに生じる。ｐ−ｉ−ｎダイオードのｉ領域内の電場は、光生成電荷を加速する。この電場は、ｎ領域とｐ領域との間に電圧を印加することによって増減させることができる。電圧を調整することによって、ＴＨｚ放射の最大出力周波数を調節することができる。
【０００５】
励起レーザを集中させたスポットサイズによりＴＨｚ双極子の横方向の拡がりが決まる。このスポットサイズが小さい場合（１００ミクロン未満）、回折効果が重要であり、ＴＨｚ放射は、広範囲の角度にわたって放出される。指向性ＴＨｚ光を生成するためには、ビームウェストがＴＨｚ波長より大きい（一般的に約２５０ミクロン）平行レーザ光を使用することが必要である。従って、双極子は、反射レーザ光及び/又は透過レーザ光の方向にのみ強い光を放出する。
【０００６】
表面電場ＴＨｚ放出の強化は、大きな磁場を表面電場に印加すると様々な半導体材料で得られることは公知である。ローレンツ力の主作用は、双極子の強度をほとんど変えることなく、半導体の表面に対してＴＨｚ双極子を再配向することである。この新しい双極子の配向によって、半導体の表面を通過するＴＨｚ放射の透過量を大きくすることができ、結果的に大きなＴＨｚ出力が放出される。
【０００７】
高出力の大きな磁場を設けることは、複雑で費用がかかる場合がある。従って、大きな磁場を必要とすることなく表面電場ＴＨｚ放出の強化を引き起こすことが有利であろう。
【０００８】
別の方法として、又は大きな磁場の使用に加えて、ＴＨｚ放出半導体の表面全体にわたる電場を作り出すために、ＴＨｚエミッタ電極をＴＨｚ放出半導体表面に隣接して配置することができる。この方法によって所定の大きさ制御可能性を実現できる。しかしながら、このことは放電破壊電圧によって制限され、高出力の場合に発生する周波数（１．５ＴＨｚ）に関しては電場を破壊し、ギャップに沿って金属製電極が溶ける場合がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、
双極子発生層と、
レーザ光に対して透明であり、使用時に、レーザからの光を双極子発生層の表面に結合するために、使用時に、双極子発生層の表面に接触している結合ブロックと、
放出抽出面をもたらすために双極子発生層の表面に接触している抽出ブロックと、
を備えるテラへルツ放射の発生デバイスであって、
双極子発生層、結合ブロック、及び抽出ブロックの屈折率は実質的に等しく、使用時に、双極子発生層がレーザ照射を受けて発生する双極子が、放出抽出面に対して垂直でない軸線を有することを特徴とするデバイスが提供される。
【００１０】
抽出される放出パターンの区域は、双極子軸線と一直線になっておらず、結果的に垂線からの双極子軸線のズレが大きくなるに従って放出強度が高くなる。
【００１１】
抽出ブロック及び結合ブロックは、プリズム又はレンズのグループの１つとすることができる。
【００１２】
双極子形成層の適切な材料としては、ＩｎＡｓ及びＧａＡｓを挙げることができる。抽出ブロック及び結合ブロックの適切な材料としては、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、及びＩｎＰを挙げることができる。
【００１３】
入射レーザが双極子発生層の表面で反射されることになる場合、結合ブロック及び抽出ブロックを単一の構成部品として設けることができる。入射レーザが双極子発生層を通過することになる場合、双極子発生層及び抽出ブロックを単一の構成部品として設けることができる。
【００１４】
双極子形成層は、少なくとも１つの半導体層を備えることができる。双極子形成層は、ｐ−ｉ−ｎダイオードとすることができる。
【００１５】
双極子形成層の屈折率は、放出面に穴を形成することによって効率的に低減することができ、これにより、抽出される双極子放出パターンの区域を大きくすることができる。双極子形成層の表面をパターン化することができる。
【００１６】
結合ブロック及び／又は抽出ブロックの表面は、反射防止材で被覆することができる。
【００１７】
ＴＨｚ放射を発生させるための前記デバイスと、使用時にピコ秒以下のレーザパルスを発生させるレーザ発生器と、制御回路とを備えるシステムを設けることができる。
【００１８】
以下に添付図面を参照して本発明の種々の実施例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
前述のように、半導体バンドギャップよりも大きなフォトンエネルギーを有するピコ秒以下のレーザパルス４を半導体デバイス３の表面に照射すると、双極子１が形成される。この双極子１は、図１に示す出力分布をもつコヒーレントＴＨｚ過渡光を放出する。双極子１の軸線２は、半導体３の表面に垂直である。この表面を介して抽出できる放出パターン領域は、半導体材の反射特性によって制限される。屈折率が約ｎ＝３．５の材料において、表面の法線に対して約１７°よりも大きな入射内角の全ての放射は、半導体材料内で反射する。この角度で定義されている領域を放出コーンと呼ぶ。双極子１の放出パターンは、双極子２の軸線から偏向されているので、例えば、±１７°の制約が制限になる。このような環境では、放出出力の０．１％のみが逃げることが分かっている。
【００２０】
同じ屈折率を有する別の材料のブロック５を導入すれば、双極子１の配向は影響を受けない場合がある。このブロック５の表面６は、別の区域のＴＨｚ放出パターンの外面６にもたらされるように、双極子形成層３の表面に対して非平行面の状態で形成することができる。別の面６の法線に対して±１７°の制約は依然して残るが、これは、双極子軸線２に対して±１７°より大きな角度に該当し、放出は強くなる。その結果、高出力の大きな磁場を必要とすることなく、ＴＨｚ抽出のレベル／効率を上げることができる。
【００２１】
励起レーザ４が集中するスポットサイズは、ＴＨｚ双極子１の横方向の拡がりを決定する。スポットサイズが小さい場合（１００ミクロン未満）、回折効果が重要であり、ＴＨｚ放射は、図５に示すように、広範囲の角度にわたって放出される。この場合、双極子形成層３の表面を通る放射の抽出レベルを高めるために、この表面上に回折格子を設けることができる。
【００２２】
指向性ＴＨｚ光を生成することが好ましいので、ＴＨｚ波長よりも大きなスポットサイズ（一般的に約２５０ミクロン）を使用する必要がある。大きなスポットの場合、放出領域全体にわたる面内コヒーレンスは、放出ＴＨｚ放射が反射レーザ光と同じ方向に平行調整される傾向にある。従って、スポットサイズを大きくすることによってＴＨｚ出力の抽出分を大きくすることができる。励起スポットは、点双極子の分布として考えることができ、相対位相はレーザパルス全体にわたる位相変化によって規定され、反射方向への平行調整をもたらすことになる。従って、入射角度（従って放出）が変わると、平行調整された方向で得られる出力は、先に実験的に示したように、点双極子の放出パターンに厳密に従う。このことは、大きなレーザスポットの場合でも、双極子を表面に対して再配向することが非常に好都合であることを意味する。また、プリズム５ａ、楔５ｂ、又はレンズ５ｃ形式の結合ブロック７を使用することによって、放出ＴＨｚ光の方向が双極子１に対して効率的な放射方向にあり、双極子形成層と抽出ブロックとの組み合わせ体の外で結合され得るような角度で、平行レーザが双極子形成層３を励起することを可能にする必要がある。このことは、抽出ブロック５の別の面を通して励起レーザ４を通過させることで実現できる。
【００２３】
図２Ａのテラヘルツ発生器は、４５°プリズム５ａと組み合わせて設けられている。別の構成部品に使用される材料は、実質的に同じ屈折率を有する。この場合、テラヘルツ発生器３はＩｎＡｓ（ｎ＝３．５）で作られ、プリズム５ａはＧａＡｓ（ｎ＝３．５）で作られている。プリズム５ａの材料は、入射レーザ光４に対して透明である必要がある。
【００２４】
プリズム５ａは、入射レーザ４をテラヘルツ発生器３の表面と結合するための手段、並びに前述の双極子放出パターンを得るための第２の励起面６を備える。換言すると、抽出ブロック５は、デバイスの外面６が元の半導体３表面に対して４５°になるように設けられている。
【００２５】
図２Ｂのデバイスは、抽出ブロック５が楔５ｂである以外は図２Ａと同じである。
【００２６】
図２Ｃにおいて、抽出ブロック５は、レンズ５ｃによってもたらされており、レンズは増大された内角へのアクセスを可能にする。図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃは、使用時の前記デバイスを示す。
【００２７】
図４Ａは、テラヘルツ放射８を双極子形成層３を通過して伝搬する必要がある場合に使用される、３つの構成部品による本発明のデバイスを示す。結合ブロック７は、使用時、ＴＨｚ発生器３と入射レーザ４との間に設けられる。双極子１は、レーザ４が双極子形成層３と最初に接触する点（図４Ａに図示）で双極子形成層３に形成される。テラヘルツ放射は、抽出ブロックを介して双極子形成層から抽出される。この双極子発生位置は放出面に隣接していないので、双極子形成層３を再形成して（図４Ｂに示すように）、直接抽出ブロックとして機能するようにすることができる。換言すると、ＴＨｚパターンの強力な区域にアクセスして抽出できるように、テラヘルツ発生器内に別個の面６を形成できる。
【００２８】
ｐ−ｉ−ｎダイオードを使用する場合、デバイスは、使用時にダイオードを横切る電圧を調節することによって調整可能である。電圧を高くすると、電荷キャリアの加速が大きくなり、最大ＴＨｚ周波数が高くなる（最大４０ＴＨｚまで）。半導体成長時のドープ処理濃度を変えることによって、製造時に表面電場エミッタを、電場プロファイルを制御する特定の周波数に調整することができる。
【００２９】
屈折率を一致させる別の方法は、放出層３の屈折率を小さくすることである。双極子層の放出面に穴を形成することによって有効屈折率は小さくなり、屈折率が小さな抽出ブロック５に一致させることができる。このことは、穴及びそれらの間隔がＴＨｚ波長よりもずっと小さいことを必要とする（おそらく１０ミクロン）。屈折率を小さくすると、抽出できる内角の範囲が広くなり、結果的に、抽出ブロック５（プリズム又はレンズ）がない場合の出力を大きくできる。
【００３０】
本発明の別の実施形態において、プリズムは、分子ビームエピタキシーを用いて、５００ｎｍ厚の結晶ＡｎＡｓ層を５００μｍの半絶縁性（１００）ＧａＡｓウエハ上に蒸着させて作る。ＩｎＡｓ層は、室温にて５×１０¹⁶ｃｍ^-3のキャリア密度でｎタイプドープ処理されることが分かっている。ウエハは、エピ層を下にして真鍮研磨ブロック上に接着された１．５ｍｍのストリップに劈開する。次に、プリズムの２面をダイヤモンドペーストで研磨して直角プリズムを形成する。最後に、デバイスを空中に吊るした状態で室温にて測定を行い、未研磨ストリップの１つを対照試料として使用する。
【００３１】
Ｔｉ：サファイアレーザ（波長＝９２０ｎｍ、ＴＭ二極分化、パルス長＝１４０ｆｓ、パルスエネルギー＝２．５ｎＪ、パルス繰返し数８６ＭＨｚ）からのパルスが対照試料の裏面から４５°の角度で入射し、ガウス強度プロファイル（σ＝４５μｍ）を形成するように一点に集中させた。レーザパルスは、ＧａＡｓのバンドギャップよりも低いフォトンエネルギーを有するが、ＩｎＡｓのバンドギャップよりも高くなっており、パルスは、ＩｎＡｓ内で吸収される前にＧａＡｓを通過する。従って、ＴＨｚ過渡光がＩｎＡｓ内で発生するが、屈折率の不一致は僅かなのでＧａＡｓに入る際の屈折は無視できる。
【００３２】
対照試料から放出されるＴＨｚ放射の角度出力分布は、試料の周りを回転するアパーチャ付きゴーレーセルボロメータ（Ｃａｔｈｄｅｏｎ社製、英国ケンブリッジ）の電圧を測定することによって得られる。図６ａは、得られた放射パターンを示す。極座標の２つの丸い突出部は、反射レーザ光（４５°）と透過レーザ光（１３５°）の方向に伝搬する弱平行ＴＨｚ光を示す。従来、類似の放射パターンは、バルク表面電場エミッタに関して報告されている。測定された出力は、同じ励起条件でのＩｎＡｓバルクウェーハの表面から得られたものと同一である。
【００３３】
プリズム試料は、二次元対照と同じ条件で、即ち、レーザを、研磨面の一方に対して垂直な入射角でありＩｎＡｓ接触面で４５°の内角を与えるレーザを用いて励起した。次に、ＴＨｚ放出は、双極子軸線に対して４５°の方向の周りで平行になり、他方のプリズム面から出てくる。図６ｂは測定された放射パターンを示す。ピークＴＨｚ角強度は、二次元の対照試料の場合の８．７倍である。更に、９．５°の円錐形内で放出されたＴＨｚ放射を集光するためにｆ／３集光器を用いると、全出力（約７μＷ）は、プリズムの場合の２１倍であることが分かった。実際には、プリズムからの広角の放出は、ｆ／３よりもｆ数が小さな光学器を使用した場合でも、相当大きな強化係数をもたらす。
【００３４】
図７は、プリズムエミッタによって生成されたＴＨｚ過渡光の電場を示す。プリズムから放出されたＴＨｚパルスの形状は、同条件の対照試料及びバルクＩｎＡｓウエハから得られた弱い測定値と類似している。これらの結果は、発生放射のコヒーレント性を示し、プリズムは、ＴＨｚパルスの所望の半サイクル波形を変更しないことを示す。図７の挿入図は、放出パルスの出力スペクトルを示す。
【００３５】
高出力パルスを生成するために別の方法が使用されている。例えば、半導体面に発生した出力は、大きな磁場（３−８テスラ）を適用することで約１桁大きくできることが数年前から知られている。この効果は、移動キャリアに作用するローレンツ力に起因する、ＴＨｚ双極子の回転の結果として理論的に説明されてきた。プリズム幾何形状を用いて類似の出力強化を引き起こすことができたので、この説明が実験によって確認された。プリズムデバイスとは対照的に、磁場強化エミッタは、高い磁場を生じるための大型磁石を必要とする欠点があり、多くの用途への適用が制限される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】半導体デバイス内の双極子からの例示的なＴＨｚ放出パターンを示す。
【図２Ａ】プリズムが、結合及び放出ブロックとなり、テラヘルツ放出半導体デバイスと組み合わせて使用される、本発明による物理的構造を示す図である。
【図２Ｂ】テラヘルツ放出半導体デバイスと組み合わせて楔を利用する、本発明による他のデバイスを示す。
【図２Ｃ】テラヘルツ放出半導体デバイスと組み合わせてレンズを利用する、本発明による他のデバイスを示す。
【図３Ａ】使用時の図２Ａのデバイスを示す。
【図３Ｂ】使用時の図２Ｂのデバイスを示す。
【図３Ｃ】使用時の図２Ｃのデバイスを示す。
【図４ａ】双極子発生層を通って入射レーザ光の方向にＴＨｚ放射が抽出される、使用時の本発明によるデバイスを示す。
【図４ｂ】抽出ブロック及び双極子発生層が単一の構成部品によってもたらされる、本発明による他のデバイスを示す。
【図５】双極子角度の関数として計算上の放出ＴＨｚ出力を示す。
【図６】従来のデバイス、及び本発明によるデバイスに関する放射パターンを示す。
【図７】本発明によるデバイスによって生成されたＴＨｚ過渡光の電場を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１ 双極子
２ 軸線
３ 半導体デバイス
４ レーザパルス
５ ブロック

Claims (16)

1. 双極子発生層と、
   レーザ光に対して透明であり、使用時に、レーザからの光を前記双極子発生層の表面に結合するために、使用時に、前記双極子発生層の表面に接触している結合ブロックと、
   放出抽出面をもたらすために前記双極子発生層の前記表面に接触している抽出ブロックと、
   を備えるテラへルツ放射の発生デバイスであって、
   前記双極子発生層、前記結合ブロック、及び前記抽出ブロックの屈折率は実質的に等しく、使用時に、前記双極子発生層がレーザ照射を受けて発生する双極子が、前記放出抽出面に対して垂直でない軸線を有することを特徴とするデバイス。
2. 前記抽出ブロックは、プリズム及びレンズのグループの１つであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記結合ブロックは、プリズム及びレンズのグループの１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記双極子発生層は、ＩｎＡｓ及びＧａＡｓのグループの材料で作られることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
5. 前記抽出ブロック及び前記結合ブロックは、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、及びＩｎＰのグループの材料から作られることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
6. 前記入射レーザは、前記双極子発生層の前記表面で反射されることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
7. 前記結合ブロック及び前記抽出ブロックは、単一の構成部品として設けられることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
8. 前記入射レーザは、前記双極子発生層を通って伝搬されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のデバイス。
9. 前記双極子発生層及び前記抽出ブロックは、単一の構成部品として設けられることを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
10. 前記双極子形成層は、少なくとも１つの半導体層を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
11. 前記双極子形成層は、ｐ−ｉ−ｎダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記双極子形成層の前記屈折率は、前記放出面に穴を形成することによって効率的に低減されることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
13. 双極子形成層の前記表面は、パターン化されたことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
14. 前記結合ブロックの前記表面は、反射防止材で被覆されたことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
15. 前記抽出ブロックの前記表面は、反射防止材で被覆されたことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載のデバイス。
16. 前記請求項のいずれか１項に記載のテラヘルツ放射の発生デバイスと、
    使用時に、ピコ秒以下のレーザパルスを発生させるレーザ発生器と、
    制御回路と、
    を備えることを特徴とするシステム。

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