JP2005026347A

JP2005026347A - Photoconductivity element, infrared radiation element using the same, and sensing element therefor

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Publication number: JP2005026347A
Application number: JP2003188257A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nishizawa; 誠治西澤; Toshiyuki Iwamoto; 敏志岩本
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP3806742B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a phtoconductivity element which can radiate stable far-infrared electromagnetic wave pulse of narrow pulse time width and detect far-infrared electromagnetic wave pulse with high sensitivity. SOLUTION: In a phtoconductivity element, mutual antenna parts are so arranged that a pair of electrode films and a phtoconductivity film which are arranged to form an antenna by separation with a minute gap portion are formed on a substrate. The surface of the substrate consists of an effective light carrier formation region and an un-effective light carrier formation region which consists of an electrode film projection region and an electrode film non-projection region. The effective light carrier formation region is made a projection region to the substrate of the minute gap portion in the incident direction of excitation light. The electrode film projection region is made a projection region to a substrate surface of the electrode film in the incident direction of the excitation light. The electrode film non-projection region is made an un-effective light carrier formation region. The photoconductivity element is characterized by constituting that the light carrier is formed only in a photoconductivity film which is formed in at least one part in the effective light carrier formation region. COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、時系列変換パルス分光装置の放射部又は検出部において使用される光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９８０年代にパルス状の遠赤外領域の電磁波放射及び検出が可能となり、それを受けて、近年、このパルス状の遠赤外領域の電磁波を用いた時系列変換パルス分光法が開発された。
【０００３】
従来の分光法では光の強度（電磁波の電場の振幅の二乗）しか得られなかったが、時系列変換パルス分光法では、電磁波の電場の時間変化を直接測定することから、電磁波の電場の振幅だけでなく、その位相をも得ることができるというユニークな特徴を持っている。従って、試料がない場合と比較することによって、振幅スペクトルだけでなく位相シフトスペクトルを得ることができる。位相シフトは波数ベクトルと比例することから、この分光法を用いて試料中の分散関係を決定することができ、この分散関係からは例えば、誘電体材料の誘電率を知得することも可能となる（特開２００２−２７７３９４号公報参照）。従って、例えば、近年、携帯電話等に有効なメモリとして期待されている強誘電体メモリにおける強誘電体薄膜の誘電率の非破壊測定も可能となる。
【０００４】
図１に、時系列変換パルス分光装置の概要を示す。
【０００５】
符号１はフェムト秒レーザを放射する励起源である。励起源１から放射されたフェムト秒レーザ光は、ビームスプリッタ２で分割される。一方のフェムト秒レーザパルスは、パルス励起光（ポンプパルス光）Ｌ１としてパルス光放射素子５に照射される。このとき、パルス励起光Ｌ１は光チョッパ３により変調された後、対物レンズ４によって集光される。このパルス光放射素子５は例えば光伝導素子であり、パルス励起光Ｌ１が照射されたときに瞬間的に電流が流れ、遠赤外電磁波パルスＬ２を放射する。この遠赤外電磁波パルスＬ２は、放物面鏡６、７により集光され測定試料８に照射される。その試料８の透過ないし反射電磁波（ここでは透過電磁波）Ｌ３は、放物面鏡９、１０により集光され、検出器１２に導光される。
【０００６】
他方のフェムト秒レーザは、サンプリングパルス光（励起光）Ｌ４として検出器１２に導光される。この検出器１２も例えば光伝導素子であり、サンプリングパルス光Ｌ４で照射され、その瞬間だけ導電性となり、その瞬間の試料８からの透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の強度を電流として検出することができる。ビームスプリッタ２から検出器１２に到達するまでの時間を遅延手段１３、１４で変えることにより、試料を透過して来た透過遠赤外電磁波パルスＬ３の時間波形を得ることができる。
【０００７】
検出用の光伝導素子はサンプリングパルス光Ｌ４を照射している瞬間試料からの透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場振幅に対応する電流を検出する。すなわち、透過遠赤外電磁波パルスの電場振幅が光伝導素子の電極の微小アンテナ間においてバイアス電圧として働き、その電場振幅に比例する電流が流れ、この電流の大きさと符号とを検出する。サンプリングパルス光の時間幅は透過遠赤外電磁波パルスＬ３の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。すなわち、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較してサンプリングパルス光Ｌ４の照射時間は短い。そのため、サンプリングパルス光Ｌ４が照射している間の光伝導素子に流れる電流は透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場のごく短い照射時間部分に依存し、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場のうち遅延手段１３、１４による時間遅延によって決められた時間部分のみが電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことにより透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の他の部分も測定でき、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の時間波形を得ることができる。
【０００８】
試料８の透過遠赤外電磁波パルスの電場強度の各時間分解データは、信号処理手段によって処理される。すなわち、ロックインアンプ１６を介してコンピュータ１７に伝送され、順次、時系列データに記憶され、一連の時系列データを、該コンピュータ１７でフーリエ変換処理して振動数（周波数）空間に変換することにより、試料８の透過遠赤外電磁波パルスの振幅及び位相の分光スペクトルが得られる。すなわち、試料からの透過遠赤外電磁波パルスの電場の時間変化を、光伝導素子の微小アンテナ間の電流の大きさと向きとして時系列で記録し、それをフーリエ変換により、透過遠赤外電磁波パルスの振幅及び位相スペクトルを得る。
【０００９】
以上のように、新しい原理に基づいた時系列変換パルス分光装置において、従来の分光装置例えば、フーリエ変換赤外分光装置（ＦＴＩＲのような）と比較してそのユニークな特徴を担っているのが、遠赤外電磁波パルスの光源部（放射素子）と検出部（検出素子）である。そして、その代表的な素子が、例として挙げた光伝導素子であり、光伝導素子は放射及び検出のいずれにも使用できるものである。
【００１０】
図２に、遠赤外電磁波パルスの発生（放射）及び検出に用いる代表的な光伝導素子である、ダイポール型のアンテナの概略構成を示す。図３は、図２の１点破線ＡＡ’で示した断面図である。
【００１１】
この光伝導素子２０は、図のように半導体基板２１、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上に光伝導膜２２を形成し、その上に、それぞれ中央部に微小なアンテナ部２３ａ、２４ａを有する一対の電極膜２３、２４を蒸着することによって作製する。電極膜のアンテナ部は互いに微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置され、各アンテナ部は一対の電極膜に直流のバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄに均一な電場を形成できるような形状に形成される。光伝導膜は、１ｐｓ以下の光キャリア寿命、高い光キャリア移動度、高い耐電圧を有することが必要であり、現在は低温成長させたガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）膜が使用される場合が多い。
【００１２】
放射素子として光伝導素子を用いる場合は通常、直流のバイアス電圧を印加した状態で用いるが、光伝導膜のうち、アンテナ部の微小間隙部近傍の領域を時間幅が１００フェムト秒程度のレーザーパルス光で励起すると、光キャリア（電子と正孔）が生成され、それらがバイアス電圧に応じて移動することによって瞬間電流が流れ、この電流の時間微分に比例した遠赤外電磁波パルスが発生（双極子放射）する。そのパルス幅は１ｐｓ以下（例えば、５００ｆｓ程度）である。放射された遠赤外電磁波パルスは光伝導素子の基板側から強く放射される。
【００１３】
また、微小ダイポールアンテナから放射された遠赤外電磁波パルスは通常、光伝導素子の基板側に配置された高抵抗シリコンの超半球（もしくは半球）レンズ１８により光の拡がりを抑えつつ放物面鏡へ送られコリメートされた後、絞って試料に照射される。
【００１４】
一方、検出素子として光伝導素子を用いる場合、電極の微小アンテナ間を流れる検出電流が微弱なため、通常、低雑音電流アンプと共に使用される。すなわち、光伝導膜のうち、アンテナ部の微小間隙部近傍の領域がサンプリングパルス光によって励起されると光キャリアが生成され、この光キャリアは試料から反射又は透過してきた遠赤外電磁波パルスの電場強度をバイアス電圧として電極まで移動し、こうして流れた微弱な電流は低雑音電流アンプにより１０^７倍程度増幅されて検出される。こうして、遠赤外電磁波パルスの符号を含めた電場強度がアンテナ間を流れる電流として検出される。
【００１５】
また、検出用の光伝導素子の基板（例えば、半絶縁性ガリウム砒素）側にも高抵抗シリコンの超半球（もしくは半球）レンズ１９が配置されている。この領域の電磁波に対する半絶縁性ガリウム砒素及び高抵抗シリコンの屈折率はそれぞれ、３．６及び３．４２と近いため、光伝導膜の表面の位置が超半球（もしくは半球）シリコンレンズの中心からｒ／ｎ（ｒ：超半球レンズの半径、ｎ：屈折率、ただし、半球の場合は中心）の距離に光伝導膜が位置するような構成をとることによって、試料から反射又は透過された遠赤外電磁波パルスは超半球（もしくは半球）シリコンレンズにより光伝導膜の表面に焦点が形成されるようになっている。
【００１６】
ここで、放射素子として光伝導素子を用いる場合、光伝導素子から放射される遠赤外電磁波パルスは、電極のアンテナ間を流れる電流によって生成され、この電流の時間微分によって表される。従って、パルス時間幅の狭いシャープな遠赤外電磁波パルスを得るためには、各光キャリアの電極微小アンテナ間の移動が同じ挙動となる構成であるのが望ましい。また、光伝導素子からの遠赤外電磁波パルスを安定に放射させるためには、同じ条件で照射されたポンプパルス光に対して同数の光キャリアが生成される構成であるのが望ましい。
【００１７】
また、検出用の光伝導素子においては、試料から反射又は透過してきた遠赤外電磁波パルスの電場強度は電極のアンテナ間を流れる微弱電流（より微視的には、光キャリアの移動）として検出される。放射用光伝導素子の場合と同様に、電流は単位時間に流れる電荷量なので、高検出感度で安定に測定を行うためには、光伝導素子は、励起光により生成される各光キャリアの電極間の移動時間及び光キャリアの数は測定毎に変動しない構成となっていることが望ましい。
【００１８】
以上のように、光伝導素子は放射素子又は検出素子のいずれとして用いる場合にも、放射パルスの時間幅や検出感度等の性能は、光伝導膜のうち、微小アンテナ部の微小間隙部近傍の領域に生成される各光キャリアの電極の微小アンテナ間の移動時間及び光キャリアの数に依存する。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００３−１３１１３７号公報
【特許文献２】
特開２００３−１１５６２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３６８２５０号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５７６２９号公報
【特許文献５】
特開２００２−２２３０１７号公報
【特許文献６】
特開２００１−１４８５０２号公報
【特許文献７】
特開２０００−２７５１０５号公報
【特許文献８】
特開２０００−２７５１０３号公報
【特許文献９】
特開２０００−２４３６２１号公報
【特許文献１０】
特開２０００−２３５２０３号公報
【特許文献１１】
特開２０００−０４９４０２号公報
【非特許文献１】
Ｄ．Ｈ．オースチン（Ｄ．Ｈ．Ａｕｓｔｏｎ）、Ｋ．Ｐ．チャン（Ｋ．Ｐ．Ｃｈｅｕｎｇ）、Ｐ．Ｒ．スミス（Ｐ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ）著、アプライド・フィジクス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ）４５（１９８４）２８４
【非特許文献２】
Ｍ．タニ（Ｍ．Ｔａｎｉ）、Ｓ．マツウラ（Ｓ．Ｍａｔｓｕｕｒａ）、Ｋ．サカイ（Ｋ．Ｓａｋａｉ）、Ｓ．ナカムラ（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ）著、アプライド・オプティクス（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．）３６（１９９７）７８５３
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、励起用のパルスレーザー光はレンズによって集光されるため、光伝導膜の照射領域はアンテナ間の間隙程度の径を持つ円形となり、その領域内での空間強度分布が存在し、そのため、レーザー光の照射位置がわずかに変化した場合でも、放射される遠赤外電磁波パルスにおいて明確な違いとして現れる。遠赤外電磁波パルスの生成に関わる電流は光キャリアの数及び移動速度に比例するためである。特に、放射用の光伝導素子の発生においては、電極間に印加される電圧によって生じる微小アンテナ間隙近傍の電場は図４に示すようにアンテナ間隙とその周辺部ではその大きさ及びその方向の変化は異なっている。図中において、符号２６、２７はそれぞれ、微小アンテナ間隙内での電気力線及びその周辺部での電気力線の一例を示す。そのため、アンテナ間隙以外の領域では光キャリアはアンテナからアンテナまでの最短方向を動かない。この結果、放射される遠赤外電磁波パルスのパルスの時間幅が広がってしまうという問題がある。光キャリアの移動速度は受ける電場の大きさに比例するところ、アンテナ間隙以外の領域に生成された光キャリアはその移動速度も、アンテナ間隙領域に生成された光キャリアのそれとは異なり低いため、パルスレーザー光がアンテナ間隙以外の領域に照射されると遠赤外電磁波パルスの放射効率が低下してしまうという問題がある。
【００２１】
また、検出用の光伝導素子の場合も、サンプリングパルス光の照射位置がずれてアンテナ間隙以外の領域を照射すると、その領域からの光キャリアはアンテナ間の微小間隙部のものとは異なる角度でアンテナに向かう。この場合、例えば、ダイポールアンテナの場合、光キャリアについてアンテナの先端部に入射するものとアンテナの側面部に入射するものが存在するというようにことになる。すなわち、アンテナの先端部に入射する光キャリアとアンテナの先端部以外に入射する光キャリアとが検出電流に寄与することになる。従って、検出される遠赤外線パルスがアンテナ近傍で空間的に一様な電場を形成している場合でも、検出電流がその遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映せず、検出感度が低下又は変動してしまうという問題があった。
【００２２】
さらに、従来の方法では、アンテナの間隙が狭いにもかかわらず、その間隙に埃などが付着して電極間がショートして、突然、光伝導素子が使用できなくなるという問題もあった。
【００２３】
さらにまた、特に、光伝導膜のアンテナの間隙部分に空気中の水分等が吸着し、それがレーザー光の照射によって酸化するために劣化し易いという問題もあった。
【００２４】
従って、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、放射素子として使用する場合にはパルス時間幅が狭く安定に遠赤外電磁波パルスを放射することができ、検出素子として使用する場合にはテラヘルツパルス光を高い感度で検出することができる光伝導素子を提供することを目的とする。
【００２５】
また、本発明は、パルス時間幅が狭く安定に遠赤外電磁波パルスを放射することができる光伝導素子に超半球又は半球シリコンレンズを備えた赤外放射素子を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明は、遠赤外電磁波パルスを高い感度で検出することができる光伝導素子に超半球又は半球シリコンレンズを備えた検出素子を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下の構成を採用した。
請求項１に記載の光伝導素子は、互いのアンテナ部が微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜と光伝導膜とを基板上に備え、前記光伝導膜に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する光伝導素子において、前記基板の面は、有効光キャリア生成領域と、電極膜射影領域及び電極膜非射影領域から成る非有効光キャリア生成領域とから成り、前記有効光キャリア生成領域は、前記励起光の入射方向における前記微小間隙部の基板面への射影領域とされ、前記電極膜射影領域は、前記励起光の入射方向における前記電極膜の基板面への射影領域とされ、前記電極膜非射影領域は、前記電極膜射影領域以外の非有効光キャリア生成領域とされ、前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成されるように構成されたことを特徴とする。
【００２８】
請求項１に記載の「微小間隙部」における“微小”とは、電極膜のうちアンテナ部以外の部分の間隙に比して微小であることを意味する。
【００２９】
また、請求項１に記載の「有効光キャリア生成領域」とは、基板面上の仮想領域であって、光伝導素子において、光キャリアを生成する領域として最適であると考えられる領域である。
【００３０】
さらに、請求項１に記載の発明には、「電極膜射影領域」に、電極膜が直接形成される場合、光伝導膜がまず形成されその上に電極膜が形成される場合、及び、その一部に電極膜が直接形成されかつ他の一部には光伝導膜がまず形成されその上に電極膜が形成される場合も含まれる。
【００３１】
さらにまた、請求項１に記載の「有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成される」との記載は、光伝導膜を備える領域を有効光キャリア生成領域内に限定するものではなく、有効光キャリア生成領域内の他に、電極膜射影領域内あるいは電極膜非射影領域内のいずれか又はその両方にも備えてよいが、遠赤外電磁波パルスを発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜だけであるとの意である。従って、仮に、非有効光キャリア生成領域に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合は前記記載の「前記光キャリアが生成される」には含まれない。
【００３２】
請求項１に記載の光伝導素子では、光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域に備わる光伝導膜で生成されるため、遠回りせずにアンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。ここで、「アンテナ間の最短距離を移動」とは、光キャリアが、励起光の照射方向から見て、非有効光キャリア生成領域を通過せずに（アンテナ部の微小間隙部のものとは異なる角度で入射せず）有効光キャリア生成領域のみを通過してアンテナに向かうことを意味する。また、「遠回り」とは、光キャリアが例えば、図４の符号２７で示した電場に沿って移動する場合のように、励起光の照射方向から見て、非有効光キャリア生成領域を通過してアンテナに向かうことを意味する。
【００３３】
請求項１に記載の光伝導素子を遠赤外電磁波パルスの放射用として用いる場合、光伝導素子における電極膜のアンテナ部の形状は、一対の電極膜にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部に空間的に均一な電場を形成できる形状を有するのが好ましい。
【００３４】
この態様では、電極膜のアンテナ部間には空間的に均一な電場が形成されるので、すべての光キャリアが受ける電場が等しいため光キャリアの移動速度のばらつきが抑制される。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、パルス時間幅がより狭く安定な遠赤外電磁波パルスを放射することができる。また、光伝導素子を検出用として用いる場合、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をさらに正確に反映して検出感度がさらに向上する。
【００３５】
この光伝導膜の好適な材料としては、低温成長されたガリウム砒素がある。また、基板の好適な材料としては、半導体特に、半絶縁性ガリウム砒素（ＳＩ−ＧａＡｓ）がある。
【００３６】
請求項１に記載の光伝導素子は、例えば、時系列変換パルス分光装置等の放射部又は検出部において用いることができるが、これに限定されない。また、光伝導素子のアンテナは、ダイポール型のものであるが、ボウタイ型等の他の型のアンテナであってもよい。
【００３７】
請求項２に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内にのみ備えられ、かつ、前記一対のアンテナ部の両方に対して前記光伝導膜の側面で電気的に接続して成ることを特徴とする。
【００３８】
この光伝導素子では、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内にしか存在しないので、遠回りしてアンテナに向かう光キャリアは存在せず、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をより正確に反映して検出感度が向上する。
【００３９】
尚、光伝導膜及び電極膜の形成は公知の膜作製技術を用いることができる。
【００４０】
請求項３に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部と、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部とに備えられ、前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜に電気的に接続し、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜に電気的に接続していることを特徴とする。
【００４１】
この光伝導素子では、光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域に備わる光伝導膜で生成されたものであるため、遠回りせずにアンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。
【００４２】
尚、請求項３に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜が、前記電極膜非射影領域の一部に備える場合を完全に排除するものではない。ただし、この場合、前記電極膜非射影領域の一部に備えた光伝導膜が、前記有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜には電気的に接続せずかつ前記一対の電極膜の両方には電気的に接続していない構成とする必要がある。これによって、遠赤外電磁波パルスの発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜だけとなり、仮に、非有効光キャリア生成領域に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合は瞬間電流を成す光キャリアに比べて無視することができる。
【００４３】
また、請求項３に記載の光伝導素子は、例えば、基板上の一部に光伝導膜を形成し、その後に、励起光の入射方向から見てこの光伝導膜を一対のアンテナ部で挟むような構成で電極膜を形成することにより作製が可能である。尚、光伝導膜及び電極膜の形成は公知の膜作製技術を用いることができる。
【００４４】
請求項４に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材を備え、該ピンホール部材は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように配置されていることを特徴とする。
【００４５】
この光伝導素子は、基板の表側（光伝導膜や電極膜が形成されている側）から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのはピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子では、ピンホールの径や形状、光伝導膜に対する相対位置を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００４６】
尚、請求項４に記載の光伝導素子は、このピンホール部材と前記光伝導膜及び前記電極膜を備えた基板との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール部材を金属で作製する場合には、ピンホール部材と電極膜の間を絶縁するための層を介在させた構成とする。
【００４７】
請求項５に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜を備え、前記ピンホール薄膜は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように配置されていること光又はサンプリングパルス光が透過しない光学的遮光材から成る薄膜であることを特徴とする。
【００４８】
この光伝導素子は、基板の表側（光伝導膜や電極膜が形成されている側）から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのはピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホールの径や層厚を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００４９】
尚、請求項５に記載の光伝導素子は、このピンホール薄膜と前記光伝導膜及び前記電極膜を備えた基板との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール薄膜を金属で作製する場合には、ピンホール薄膜と電極間の間を絶縁するための層を介在させた構成とする。
【００５０】
請求項６に記載の光伝導素子は、請求項１から５のいずれか一項に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたを特徴とする。
【００５１】
この光伝導素子では、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上する。
【００５２】
この透明保護膜の好適な材料としては、二酸化シリコン等がある。透明保護膜はＣＶＤ法等の通常の膜作製技術により作製可能である。
【００５３】
請求項７に記載の赤外放射素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５４】
請求項８に記載の赤外放射素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５５】
請求項７及び８に記載の赤外放射素子では、光伝導素子で発生したパルス時間幅の狭い遠赤外電磁波パルスが空間的に拡がるのを抑えて効率よく試料側へ送ることができる。
【００５６】
請求項９に記載の検出素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５７】
請求項１０に記載の検出素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５８】
請求項９及び１０に記載の検出素子では、基板内での多重反射（スペクトルにおける干渉の影響）を軽減することが可能となるので、検出感度が向上する。
【００５９】
尚、請求項７から１０に記載の超半球又は半球レンズの好適な例としては、シリコン、特に高抵抗のシリコンから成るものがあげられる。
【００６０】
請求項１１に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、前記基板がピンホールを備え、該ピンホールの前記励起光の入射方向における基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように前記基板が配置されていることを特徴とする。
【００６１】
この光伝導素子は、基板の裏側から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのは基板のピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホールの径を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００６２】
請求項１２に記載の光伝導素子は、請求項１１に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたことを特徴とする。
【００６３】
この光伝導素子では、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上する。二酸化シリコンが透明保護膜の好適な材料の例である。
【００６４】
尚、請求項１１又は１２のいずれかに記載の光伝導素子は、基板の表側に超半球レンズあるいは半球レンズを備えて赤外放射素子あるいは検出素子として用いることもできる。また、超半球又は半球レンズの好適な例としては、シリコン製のものがあげられる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子の実施形態に図を用いて説明する。尚、図面を通して同等な部材については同じ符号を用いている。また、図示された形状は例示であって、それらに限定するものではない。
【００６６】
図５に、本発明の光伝導素子の第１の実施形態の概略構成図を示す。図６は、光伝導素子のアンテナ部近傍の斜視図である。
【００６７】
この光伝導素子３０は、互いのアンテナ部２３ａ，２４ａが微小間隙部Ｄで離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜２３，２４と光伝導膜３２とを基板２１上に備えたものであり、光伝導膜３２に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する。
【００６８】
基板は例えば、半絶縁性ガリウム砒素（ＳＩ−ＧａＡｓ）から成り、光伝導膜は例えば、低温成長ガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）から成る。
【００６９】
ここで、基板２１の面は、図７に示すように、有効光キャリア生成領域Ｄ’と、電極膜射影領域２３’、２４’及び電極膜非射影領域２８’から成る非有効光キャリア生成領域とから成る。ここで、有効光キャリア生成領域Ｄ’は、励起光の入射方向における微小間隙部Ｄの基板面への射影領域であり、電極膜射影領域２３，２４は、励起光の入射方向における電極膜２３，２４の基板面への射影領域であり、電極膜非射影領域２８’は、電極膜射影領域２３’，２４’以外の非有効光キャリア生成領域である。
【００７０】
ここで、微小間隙部とは、励起光の入射方向から見て、一方のアンテナ部の最先端を成す最先端輪郭線とそのアンテナ部の側面を成す２本の側面輪郭線との２つの交点をａ，ｂ、他方のアンテナ部の最先端輪郭線とその２つの交点をｃ，ｄとしたときにアンテナ間の近接する交点同士を結んだ２つの線分ａｃ及びｂｄと、前記一方のアンテナ部の最先端を成す最先端輪郭線と、前記他方のアンテナ部の最先端輪郭線と、によって囲まれた領域をいう。
この実施形態では、電極膜２３、２４のアンテナ２３ａ、２４ａは、励起光の入射方向から見て矩形であって、アンテナの最先端輪郭線及び側面輪郭線はそれぞれほぼ直線である。従って、この場合の微小間隙部Ｄは、励起光の入射方向から見てａ，ｂ，ｃ，ｄを頂点とする平面視矩形形状である。また、アンテナ部間の向かい合った最先端輪郭線ａｂとｃｄとは互いに平行である。
【００７１】
光伝導膜３２は、基板２１面上の有効キャリア生成領域Ｄ’内にのみ備えられているため、光キャリアは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えられた光伝導膜３２においてのみ生成される。また、光伝導膜３２は、一対のアンテナ部２３ａ，２４ａの両方に対して光伝導膜３２の側面で電気的に接続しているので、アンテナ間にバイアス電圧が印加されると、生成された光キャリアはアンテナ部に向かって移動する。
【００７２】
この光伝導素子３０のアンテナは、ダイポール型のものであるが、ボウタイ型等の他の型のアンテナであってもよい。この光伝導素子３０では、各アンテナ部は平面視矩形形状であり、前記の一対の電極膜にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄに空間的に均一な電場を形成される。バイアス電圧は直流、交流のいずれでもよい。
【００７３】
このように電極のアンテナ部間の微小間隙部にだけ光伝導膜を形成する際、通常の半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術等、公知の膜作製技術を用いることができる。
【００７４】
この光伝導素子では、光キャリアが生成される光伝導膜３２は有効光キャリア生成領域Ｄ’内にしか存在しない。また、電極膜２３、２４のアンテナ２３ａ、２４ａは図５で示したような平面視矩形形状であるため、電極膜２３，２４にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄには空間的に均一な電場を形成される。従って、励起光により生成されたすべての光キャリアが受ける電場が等しくなるため、光キャリアの移動速度のばらつきが抑制される。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、従来の光伝導素子に比べてパルス時間幅がより狭く安定な遠赤外電磁波パルスを放射することができる。また、光伝導素子を検出用として用いる場合、従来の光伝導素子に比べて検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をより正確に反映して検出感度がさらに向上する。
【００７５】
図８に、本発明の光伝導素子の第２の実施形態の概略構成を示す。また、図９は、図８の１点破線ＣＣ’で示した断面図である。この光伝導素子４０は、光伝導膜４２が、前記基板２１面上の有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部（符号４２ｂで示した部分）と、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部（符号４２ａ、４２ｃで示した部分）とに備えられ、有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ｂは、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ａに電気的に接続し、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ａ、４２ｃは、電極膜２４ａ、２３ａに電気的に接続している。この例では、形成された光伝導膜は励起光の入射方向から見て円形であり、その直径がアンテナの幅より小さいために、光伝導膜４２ｂは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に収まっている。
【００７６】
この実施形態の光伝導素子は、例えば、半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術を利用して、基板上の一部に穿孔を有するマスクを介して光伝導膜を形成し、その後に、励起光の入射方向から見てこの光伝導膜を一対のアンテナ部で挟むような構成に電極膜を形成することにより作製が可能である。
【００７７】
尚、この実施形態の光伝導素子では、光伝導膜が有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部及び電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部以外に、さらに電極膜非射影領域２８’の一部にも備える場合を含む。この場合は、電極膜非射影領域２８’の一部に備えた光伝導膜４２は、有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えた光伝導膜４２ｂには電気的に接続せずかつ一対の電極膜２３，２４の両方には電気的に接続していない構成とするのが好ましい。この構成とすることにより、遠赤外電磁波パルスの発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えた光伝導膜４２ｂだけとなり、仮に、非有効光キャリア生成領域２８’に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合となるので、瞬間電流を成す光キャリアに比べて無視することができるからである。
【００７８】
この光伝導素子では、遠赤外電磁波パルスの放射を作る瞬間電流を成す光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域Ｄ’に備えられた光伝導膜で生成されたものであるため、アンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。
【００７９】
図１０に、本発明の光伝導素子の第３の実施形態の概略構成を示す。この光伝導素子５０は、基板２１上に順に光伝導膜２２と電極膜２３、２４とを備え、さらにその上にピンホール５５を有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材５１を備え、このピンホール部材５１は、励起光の入射方向におけるピンホール５５の基板２１面への射影が有効キャリア生成領域２３’内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。
【００８０】
このピンホール部材の材料としては、励起光源としてチタンサファイアレーザーを用いる場合は、例えば、ガリウム砒素やシリコン等が使用可能である。また、電極との間に励起光を透過する絶縁性の膜（例えば、二酸化シリコン）を形成することによって、金属を使用することも可能である。ピンホール５５の形状は矩形が好適であるが、円形、楕円形も使用可能である。
【００８１】
この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜２２を照射するのはピンホール５５を抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域２３’内に備えられた部分だけのものとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホール部材５１のピンホール５５の径や光伝導膜に対する相対位置を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００８２】
尚、この光伝導素子は、このピンホール部材５１と前記光伝導膜２２及び前記電極膜２３，２４を備えた基板２１との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール部材５１を金属で作製した場合には、ピンホール部材５１と電極膜２３，２４の間を絶縁するための層を介在させる。
【００８３】
図１１に、本発明の光伝導素子の第４の実施形態の概略構成を示す。図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は平面図であり、図１１（ｃ）は励起光透過絶縁膜６３を形成する前の平面図である。この光伝導素子６０は、超半球レンズ６６の上に順にベース膜２１’と光伝導膜２２と電極膜２３、２４とを備え、さらにその上にピンホール６５を有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜６１を備え、このピンホール薄膜６１は、励起光の入射方向におけるピンホール６５のベース膜２１’面への射影が有効キャリア生成領域２３’内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。また、この実施形態では、光伝導膜２２及び電極膜２３、２４の上に、さらに金属から成るピンホール薄膜６１と電極膜２３，２４の間の絶縁性を保証しかつ励起光が透過する励起光透過絶縁膜６３を備えていることも特徴としている。励起光透過絶縁膜６３は、図１１（ｂ）においては平面視円状に見えているが、楕円等の他の形状でもよい。さらにまた、図１１は、赤外放射素子又は検出素子の実施形態でもある。
【００８４】
ここで、ベース膜は、光伝導膜を超半球レンズの上に直接形成した場合には格子定数の差から良質の光伝導膜が形成できないという不都合をがあり、それを回避するために下地として設けるものである。これによって、光伝導素子の放射及び検出において最も重要な構成要素である光伝導膜の良好な膜質が保証される。例えば、光伝導膜が低温成長ガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）である場合に、ベース膜２１として半絶縁性ガリウム砒素（ＳＩ−ＧａＡｓ）から成るものを用いることができる。
【００８５】
金属から成るピンホール薄膜６１としては、例えば、Ａｕ／Ｃｕ／ＦｅＯ膜が好適な例である。
【００８６】
この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜２２を照射するのはピンホール６５を抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域２３’内に備えられた部分だけのものとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホール薄膜６１のピンホール６５の径または形状を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。ピンホールの形状は矩形が好適であるが、円形、楕円形も使用可能である。さらに、励起光透過絶縁膜６３の層厚を変えることによっても、ピンホール薄膜６１と光伝導膜２２との距離、すなわち、ピンホール６５の光伝導膜２２に対する相対位置を変えることによっても、光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００８７】
このようなピンホール薄膜は、通常の半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術を利用して作製することができる。
【００８８】
また、この光伝導素子では、励起光透過絶縁膜６３は保護膜としても作用し、光伝導膜２２に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避される。励起光透明絶縁膜の好適な例としては、ＳｉＯ_２等がある。超半球又は半球レンズの好適な材料としては、シリコン、特に高抵抗シリコンがある。
【００８９】
このような励起光透過絶縁膜は、通常の物理的気相成長法を用いて作製することができる。
【００９０】
また、基板の面に超半球又は半球レンズを設置する方法としては従来技術の他に、シリコンレンズに直接ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓ、電極を蒸着することも可能である。
【００９１】
図１２は、図１１で示した実施形態において、さらに、ピンホール薄膜６１と励起光透過絶縁膜６３との間に誘電体反射防止膜６８を備えたものであって、超半球レンズに直接、ベース膜、光伝導膜等が形成された実施形態を示したものである。
【００９２】
図１３に示すように、図５で示した第１の実施形態の光伝導素子において、さらにその上に透明保護膜７３を備えた実施形態を示すしたものである。この透明保護膜７３によって光伝導膜２２に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避される。透明保護膜の好適な例としては、二酸化シリコン等がある。
【００９３】
図１４は、光伝導膜２２、電極膜２３，２４、励起光透過絶縁膜６３、誘電体反射防止膜６８、ピンホール薄膜６１に、透明保護膜７３を順に備えた基板２１の裏側に超半球レンズ６６を具備した実施形態を示すものである。また、励起光の集光に透明保護膜７３の上に超半球レンズを備えている。
【００９４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子によれば、以下のような効果を奏する。
【００９５】
請求項１に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。
【００９６】
請求項２に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。
【００９７】
請求項３に記載の光伝導素子によれば、光光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜及び電極膜の形成が比較的容易であるという効果を奏する。
【００９８】
請求項４に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【００９９】
請求項５に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【０１００】
請求項６に記載の光伝導素子によれば、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されているので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避できると共に耐久性が向上するという効果を奏する。
【０１０１】
請求項７及び８に記載の赤外放射素子によれば、光伝導素子で発生したパルス時間幅の狭い遠赤外電磁波パルスが拡がるのを抑えて効率よく試料側へ送ることができるという効果を奏する。
【０１０２】
請求項９及び１０に記載の検出素子によれば、基板内での多重散乱を軽減することが可能となるので、検出感度が向上するという効果を奏する。
【０１０３】
請求項１１に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上するいう効果を奏する。また、この光伝導素子ではピンホールの径を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【０１０４】
請求項１２に記載の光伝導素子によれば、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の時系列変換パルス分光装置の概略構成図である。
【図２】従来の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図３】図２で示した光伝導素子のＡＡ’線断面図である。
【図４】電極膜のアンテナ間の電場の様子を示す電場の電気力線の模式図である。
【図５】本発明に係る第１の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図６】図５で示した光伝導素子の斜視図である。
【図７】本発明で用いる基板の平面図である。
【図８】本発明に係る第２の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図９】図８で示した光伝導素子のＣＣ’線断面図である。
【図１０】本発明に係る第３の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図１１】本発明に係る第４の実施形態の光伝導素子の概略構成を示すものであって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は励起光透過絶縁膜を形成する前の平面図である。
【図１２】図１１で示した実施形態において、さらに誘電体反射防止膜を備えたものを示す断面図である。
【図１３】図５で示した実施形態において、さらに透明保護膜を備えたものを示す断面図である。
【図１４】ピンホール薄膜の上に透明保護膜を備え、その上に励起光の集光に超半球レンズを備えた実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１励起源
２ビームスプリッタ
３光チョッパ
４対物レンズ
５パルス光放射素子
６，７，９，１０放物面鏡
８試料
１２検出手段（検出器）
１３，１４遅延手段
１５電流増幅器
１６ロックインアンプ
１７コンピュータ
１８、１９超半球シリコンレンズ
２０光伝導素子
２１基板
２２光伝導膜
２３、２４電極膜
２３’、２４’ 電極膜射影領域
２３ａ、２４ａアンテナ部
２６、２７電気力線
２８’ 電極膜非射影領域
３０光伝導素子
３２光伝導膜
４０光伝導素子
４２光伝導膜
４２ａ電極膜射影領域に形成された光伝導膜
４２ｂ有効光キャリア生成領域に形成された光伝導膜
５０光伝導素子
５１ピンホール部材
５５ピンホール
６０光伝導素子
６１ピンホール薄膜
６３励起光透過絶縁膜
６５ピンホール
６６超半球レンズ
６８誘電体反射防止膜
７３透明保護膜
Ｄ微小間隙部
Ｄ’ 有効光キャリア生成領域
Ｌ１励起パルス光（ポンプパルス光）
Ｌ２入射遠赤外電磁波パルス
Ｌ３透過遠赤外電磁波パルス
Ｌ４サンプリングパルス光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a photoconductive element used in a radiation part or a detection part of a time-series conversion pulse spectroscopic device, an infrared radiation element using the same, and a detection element thereof.
[0002]
[Prior art]
In the 1980s, it became possible to emit and detect pulsed far-infrared electromagnetic waves, and in recent years, time-series conversion pulse spectroscopy using pulsed far-infrared electromagnetic waves was developed.
[0003]
With conventional spectroscopy, only the light intensity (the square of the amplitude of the electromagnetic field) can be obtained, but with time-series conversion pulse spectroscopy, the time variation of the electromagnetic field is directly measured, so the amplitude of the electromagnetic field is Not only has the unique feature of being able to get that phase as well. Therefore, by comparing with the case where there is no sample, not only the amplitude spectrum but also the phase shift spectrum can be obtained. Since the phase shift is proportional to the wave vector, the dispersion relationship in the sample can be determined using this spectroscopy, and the dielectric constant of the dielectric material can be obtained from this dispersion relationship, for example. (See JP 2002-277394 A). Therefore, for example, non-destructive measurement of the dielectric constant of a ferroelectric thin film in a ferroelectric memory, which is expected as an effective memory for mobile phones and the like in recent years, is also possible.
[0004]
FIG. 1 shows an outline of a time series conversion pulse spectrometer.
[0005]
Reference numeral 1 denotes an excitation source that emits a femtosecond laser. The femtosecond laser light emitted from the excitation source 1 is split by the beam splitter 2. One femtosecond laser pulse is applied to the pulsed light emitting element 5 as pulsed excitation light (pump pulsed light) L1. At this time, the pulse excitation light L1 is modulated by the optical chopper 3 and then condensed by the objective lens 4. The pulsed light emitting element 5 is, for example, a photoconductive element, and when the pulsed excitation light L1 is irradiated, a current flows instantaneously and radiates a far-infrared electromagnetic wave pulse L2. The far-infrared electromagnetic wave pulse L2 is collected by the parabolic mirrors 6 and 7 and applied to the measurement sample 8. The transmitted or reflected electromagnetic wave L 3 (here, transmitted electromagnetic wave) L 3 of the sample 8 is collected by the parabolic mirrors 9 and 10 and guided to the detector 12.
[0006]
The other femtosecond laser is guided to the detector 12 as sampling pulse light (excitation light) L4. This detector 12 is also a photoconductive element, for example, which is irradiated with the sampling pulse light L4, becomes conductive only at that moment, and detects the intensity of the electric field of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3 from the sample 8 at that moment as a current. be able to. By changing the time required to reach the detector 12 from the beam splitter 2 by the delay means 13 and 14, the time waveform of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3 transmitted through the sample can be obtained.
[0007]
The detection photoconductive element detects a current corresponding to the electric field amplitude of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3 from the instantaneous sample irradiated with the sampling pulse light L4. That is, the electric field amplitude of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse acts as a bias voltage between the micro antennas of the electrodes of the photoconductive element, a current proportional to the electric field amplitude flows, and the magnitude and sign of this current are detected. The time width of the sampling pulse light is considerably short, about several tenths of the time width of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3. That is, the irradiation time of the sampling pulse light L4 is shorter than the time required for the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3 to reach from the first part to the last part. Therefore, the current flowing through the photoconductive element during the irradiation of the sampling pulse light L4 depends on a very short irradiation time portion of the electric field of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3. Only the time portion determined by the time delay by the delay means 13 and 14 is measured as a current, and by further shifting the time delay, the other portion of the electric field of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse L3 can be measured. The time waveform of the electric field of the external electromagnetic wave pulse L3 can be obtained.
[0008]
Each time-resolved data of the electric field intensity of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse of the sample 8 is processed by the signal processing means. That is, the data is transmitted to the computer 17 via the lock-in amplifier 16 and sequentially stored in the time series data, and the series of time series data is subjected to Fourier transform processing by the computer 17 and converted to a frequency (frequency) space. Thus, the spectrum of the amplitude and phase of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse of the sample 8 is obtained. That is, the time variation of the electric field of the transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse from the sample is recorded in time series as the magnitude and direction of the current between the micro-antennas of the photoconductive element, and this is recorded by the Fourier transform. Obtain the amplitude and phase spectra of.
[0009]
As described above, the time-series conversion pulse spectroscopic device based on the new principle has its unique characteristics as compared with a conventional spectroscopic device such as a Fourier transform infrared spectroscopic device (such as FTIR). These are a light source part (radiation element) and a detection part (detection element) of the far-infrared electromagnetic wave pulse. The representative element is the photoconductive element given as an example, and the photoconductive element can be used for both radiation and detection.
[0010]
FIG. 2 shows a schematic configuration of a dipole antenna that is a typical photoconductive element used for generation (radiation) and detection of far-infrared electromagnetic wave pulses. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the dashed line AA ′ in FIG.
[0011]
As shown in the figure, this photoconductive element 20 has a photoconductive film 22 formed on a semiconductor substrate 21, for example, a gallium arsenide (GaAs) substrate, and has minute antenna portions 23a and 24a on the center thereof, respectively. The pair of electrode films 23 and 24 are produced by vapor deposition. The antenna portions of the electrode films are arranged so as to be separated from each other by a minute gap portion, and each antenna portion is located in the minute gap portion D between the antenna portions when a DC bias voltage is applied to the pair of electrode films. It is formed in a shape that can form a uniform electric field. The photoconductive film is required to have a photocarrier lifetime of 1 ps or less, high photocarrier mobility, and high withstand voltage. Currently, a gallium arsenide (LT-GaAs) film grown at a low temperature is often used. .
[0012]
When a photoconductive element is used as a radiating element, it is usually used with a DC bias voltage applied. However, a laser pulse having a time width of about 100 femtoseconds in a region near the minute gap portion of the antenna portion of the photoconductive film. When excited by light, photocarriers (electrons and holes) are generated, and when they move according to the bias voltage, an instantaneous current flows, generating far-infrared electromagnetic pulses proportional to the time derivative of this current (bipolar) Child radiation). The pulse width is 1 ps or less (for example, about 500 fs). The emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is strongly radiated from the substrate side of the photoconductive element.
[0013]
A far-infrared electromagnetic wave pulse radiated from a minute dipole antenna is usually a parabolic mirror while suppressing the spread of light by a super-hemispherical (or hemispherical) lens 18 of high resistance silicon disposed on the substrate side of the photoconductive element. After being collimated, the sample is squeezed and irradiated onto the sample.
[0014]
On the other hand, when a photoconductive element is used as the detection element, since the detection current flowing between the minute antennas of the electrodes is weak, it is usually used with a low noise current amplifier. That is, when a region of the photoconductive film near the minute gap portion of the antenna portion is excited by the sampling pulse light, a photocarrier is generated, and this photocarrier is reflected by or transmitted through the far-infrared electromagnetic wave pulse electric field from the sample. The weak current that has flowed to the electrode using the intensity as a bias voltage is reduced to 10 by the low noise current amplifier. ⁷ It is amplified and detected about twice. Thus, the electric field strength including the sign of the far-infrared electromagnetic wave pulse is detected as a current flowing between the antennas.
[0015]
Further, a super-hemispherical (or hemispherical) lens 19 of high-resistance silicon is also disposed on the substrate (for example, semi-insulating gallium arsenide) side of the photoconductive element for detection. Since the refractive indices of semi-insulating gallium arsenide and high-resistance silicon with respect to electromagnetic waves in this region are close to 3.6 and 3.42, respectively, the position of the surface of the photoconductive film is from the center of the super hemisphere (or hemisphere) silicon lens. By adopting a configuration in which the photoconductive film is located at a distance of r / n (r: radius of super hemisphere lens, n: refractive index, but center in case of hemisphere), the distance reflected or transmitted from the sample The infrared electromagnetic wave pulse is focused on the surface of the photoconductive film by a super hemisphere (or hemisphere) silicon lens.
[0016]
Here, when a photoconductive element is used as the radiating element, a far-infrared electromagnetic wave pulse radiated from the photoconductive element is generated by a current flowing between the antennas of the electrodes, and is represented by time differentiation of this current. Therefore, in order to obtain a sharp far-infrared electromagnetic wave pulse with a narrow pulse time width, it is desirable that the movement of each optical carrier between the electrode micro-antennas be the same. In addition, in order to stably emit far-infrared electromagnetic wave pulses from the photoconductive element, it is desirable that the same number of optical carriers be generated with respect to pump pulse light irradiated under the same conditions.
[0017]
In the photoconductive element for detection, the electric field strength of the far-infrared electromagnetic wave pulse reflected or transmitted from the sample is detected as a weak current (more microscopically, movement of the optical carrier) flowing between the electrode antennas. Is done. As in the case of the radiation photoconductive element, the current is the amount of charge that flows per unit time. Therefore, in order to perform stable measurement with high detection sensitivity, the photoconductive element is an electrode of each photocarrier generated by the excitation light. It is desirable that the moving time between them and the number of optical carriers do not vary for each measurement.
[0018]
As described above, when the photoconductive element is used as either a radiating element or a detecting element, the performance of the radiation pulse, such as the time width and detection sensitivity, is in the vicinity of the minute gap portion of the minute antenna portion of the photoconductive film. It depends on the moving time between the minute antennas of the electrodes of each optical carrier generated in the region and the number of optical carriers.
[0019]
[Patent Document 1]
JP 2003-131137 A
[Patent Document 2]
JP 2003-115625 A
[Patent Document 3]
JP 2002-368250 A
[Patent Document 4]
JP 2002-257629 A
[Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-2223017
[Patent Document 6]
JP 2001-148502 A
[Patent Document 7]
JP 2000-275105 A
[Patent Document 8]
JP 2000-275103 A
[Patent Document 9]
JP 2000-243621 A
[Patent Document 10]
JP 2000-235203 A
[Patent Document 11]
JP 2000-049402 A
[Non-Patent Document 1]
D. H. Austin, K.C. P. K.P. Cheung, P.C. R. By Smith, Applied Physics Letters 45 (1984) 284
[Non-Patent Document 2]
M.M. M. Tani, S. S. Matsuura, K. et al. K. Sakai, S. S. Nakamura, Applied Optics (Appl. Opt.) 36 (1997) 7853
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method, since the excitation pulse laser beam is collected by the lens, the irradiation region of the photoconductive film is a circle having a diameter that is about the gap between the antennas, and the spatial intensity distribution in that region is Therefore, even if the irradiation position of the laser beam slightly changes, it appears as a clear difference in the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse. This is because the current related to the generation of the far-infrared electromagnetic wave pulse is proportional to the number of optical carriers and the moving speed. In particular, in the generation of a radiation photoconductive element, the electric field in the vicinity of the minute antenna gap generated by the voltage applied between the electrodes changes in the magnitude and direction in the antenna gap and its peripheral portion as shown in FIG. Is different. In the figure, reference numerals 26 and 27 respectively show an example of electric lines of force in the minute antenna gap and electric lines of force in the periphery thereof. Therefore, the optical carrier does not move in the shortest direction from the antenna to the antenna in a region other than the antenna gap. As a result, there is a problem that the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is widened. Since the moving speed of the optical carrier is proportional to the magnitude of the received electric field, the moving speed of the optical carrier generated in the area other than the antenna gap is lower than that of the optical carrier generated in the antenna gap area. There is a problem in that the radiation efficiency of the far-infrared electromagnetic wave pulse is lowered when the laser light is irradiated to a region other than the gap between the antennas.
[0021]
Also, in the case of a photoconductive element for detection, if the irradiation position of the sampling pulse light is shifted and the area other than the antenna gap is irradiated, the optical carrier from that area has an angle different from that of the minute gap between the antennas. Head to the antenna. In this case, for example, in the case of a dipole antenna, there are optical carriers that are incident on the tip of the antenna and those that are incident on the side surface of the antenna. In other words, the optical carrier incident on the tip of the antenna and the optical carrier incident on other than the tip of the antenna contribute to the detection current. Therefore, even if the detected far-infrared pulse forms a spatially uniform electric field in the vicinity of the antenna, the detected current does not accurately reflect the electric field strength of the far-infrared electromagnetic wave pulse, and the detection sensitivity decreases. Or there was a problem of fluctuation.
[0022]
Further, the conventional method has a problem in that although the gap between the antennas is narrow, dust or the like adheres to the gap and the electrodes are short-circuited, and the photoconductive element cannot be used suddenly.
[0023]
Furthermore, in particular, there is a problem that moisture in the air is adsorbed in the gap portion of the antenna of the photoconductive film and is easily deteriorated because it is oxidized by irradiation with laser light.
[0024]
Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and when used as a radiating element, the pulse time width is narrow and can stably radiate a far-infrared electromagnetic wave pulse, and when used as a detecting element. Aims to provide a photoconductive element capable of detecting terahertz pulse light with high sensitivity.
[0025]
It is another object of the present invention to provide an infrared radiation element including a super hemisphere or a hemispherical silicon lens as a photoconductive element capable of stably emitting far-infrared electromagnetic wave pulses with a narrow pulse time width.
[0026]
Another object of the present invention is to provide a detection element comprising a super hemisphere or a hemispherical silicon lens in a photoconductive element capable of detecting a far-infrared electromagnetic wave pulse with high sensitivity.
[0027]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
The photoconductive element according to claim 1 is provided with a pair of electrode films and a photoconductive film disposed on the substrate such that the antenna portions are separated from each other by a minute gap to form an antenna, and the photoconductive film In the photoconductive device that generates photocarriers and emits pulsed light when irradiated with excitation light, the surface of the substrate is a non-projection region composed of an effective light carrier generation region, an electrode film projection region, and an electrode film non-projection region. An effective light carrier generation region, wherein the effective light carrier generation region is a projection region onto the substrate surface of the minute gap portion in the incident direction of the excitation light, and the electrode film projection region is an incidence of the excitation light The electrode film is projected onto the substrate surface in the direction, and the electrode film non-projected area is a non-effective light carrier generating area other than the electrode film projected area, and at least a part of the effective light carrier generating area Be prepared for Characterized in that said optical carrier only in the photoconductive layer is configured to be generated.
[0028]
The “minute” in the “minute gap” according to the first aspect means that the electrode film is minute compared to the gap in the portion other than the antenna portion.
[0029]
The “effective light carrier generation region” described in claim 1 is a virtual region on the substrate surface, and is a region considered to be optimal as a region for generating a photocarrier in the photoconductive element.
[0030]
Furthermore, in the invention described in claim 1, when the electrode film is directly formed in the “electrode film projection region”, the photoconductive film is first formed and the electrode film is formed thereon, and In some cases, an electrode film is directly formed on a part and a photoconductive film is first formed on the other part, and an electrode film is formed thereon.
[0031]
Furthermore, the description that “the photocarrier is generated only in the photoconductive film provided in at least a part of the effective photocarrier generation region” according to claim 1 is that the region including the photoconductive film is effective light. It is not limited to the carrier generation region, but may be provided in either or both of the electrode film projection region and the electrode film non-projection region in addition to the effective light carrier generation region. It is meant that only the photoconductive film provided in the effective photocarrier generation region generates photocarriers that substantially contribute to the instantaneous current that generates the pulse. Therefore, even if a photocarrier is generated in the photoconductive film provided in the ineffective photocarrier generation region, if it is less than or equal to noise, the above-mentioned “the photocarrier is generated” Not included.
[0032]
In the photoconductive element according to the first aspect, since all the photocarriers are generated by the photoconductive film provided in the effective photocarrier generation region, the shortest distance between the antennas is moved without going around. Therefore, when the photoconductive element is used for emission, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse. Here, “move the shortest distance between antennas” means that the optical carrier does not pass through the ineffective optical carrier generation region when viewed from the irradiation direction of the excitation light. This means that the incident light passes through only the effective optical carrier generation region and does not enter at a different angle. Further, “detour” means that the optical carrier passes through the ineffective optical carrier generation region as seen from the irradiation direction of the excitation light as in the case where the optical carrier moves along the electric field indicated by reference numeral 27 in FIG. Means to go to the antenna.
[0033]
When the photoconductive element according to claim 1 is used for radiation of far-infrared electromagnetic wave pulses, the shape of the antenna part of the electrode film in the photoconductive element is such that when a bias voltage is applied to the pair of electrode films, the antenna part It is preferable to have a shape capable of forming a spatially uniform electric field in the minute gaps between them.
[0034]
In this aspect, since a spatially uniform electric field is formed between the antenna portions of the electrode film, since the electric fields received by all the optical carriers are equal, variations in the moving speed of the optical carriers are suppressed. Therefore, when the photoconductive element is used for radiation, a stable far-infrared electromagnetic wave pulse with a narrower pulse time width can be emitted. In addition, when the photoconductive element is used for detection, the detection sensitivity is further improved by more accurately reflecting the electric field strength of the reflected or transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse.
[0035]
A suitable material for this photoconductive film is gallium arsenide grown at low temperature. A suitable material for the substrate is a semiconductor, particularly semi-insulating gallium arsenide (SI-GaAs).
[0036]
Although the photoconductive element of Claim 1 can be used in radiation | emission parts or detection parts, such as a time series conversion pulse spectrometer, for example, it is not limited to this. Further, the antenna of the photoconductive element is a dipole type, but may be another type of antenna such as a bow tie type.
[0037]
The photoconductive element according to claim 2 is the photoconductive element according to claim 1, wherein the photoconductive film is provided only in the effective photocarrier generation region on the substrate surface, and the pair of pairs It is characterized in that it is electrically connected to both antenna portions at the side surface of the photoconductive film.
[0038]
In this photoconductive element, the photoconductive film in which the photocarrier is generated exists only in the effective photocarrier generation region, so there is no optical carrier that goes around and goes to the antenna, and all the optical carriers are the shortest distance between the antennas. To move. When the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by more accurately reflecting the electric field strength of the external electromagnetic pulse.
[0039]
The photoconductive film and the electrode film can be formed using a known film manufacturing technique.
[0040]
The photoconductive element according to claim 3 is the photoconductive element according to claim 1, wherein the photoconductive film includes at least a part of the effective photocarrier generation region on the substrate surface and the electrode film projection. And a photoconductive film provided in at least a part of the effective photocarrier generation region is electrically connected to a photoconductive film provided in at least a part of the electrode film projection region. The photoconductive film connected and provided in at least a part of the electrode film projection region is electrically connected to the electrode film.
[0041]
In this photoconductive element, all of the photocarriers are generated by the photoconductive film provided in the effective photocarrier generation region, and thus move the shortest distance between the antennas without making a detour. Therefore, when the photoconductive element is used for emission, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse.
[0042]
In addition, in the photoconductive element according to claim 3, the case where the photoconductive film is provided in a part of the electrode film non-projection region is not completely excluded. However, in this case, the photoconductive film provided in a part of the non-projection region of the electrode film is not electrically connected to the photoconductive film provided in the effective photocarrier generation region and the pair of electrode films It is necessary to have a configuration in which both are not electrically connected. As a result, only the photoconductive film provided in the effective photocarrier generation region generates photocarriers that substantially contribute to the instantaneous current generated by the far-infrared electromagnetic wave pulse. Even if photocarriers are generated in the photoconductive film provided in the above, if they are less than or equal to noise, they can be ignored as compared to photocarriers that form an instantaneous current.
[0043]
In the photoconductive element according to claim 3, for example, a photoconductive film is formed on a part of the substrate, and then the photoconductive film is sandwiched between a pair of antenna parts as viewed from the incident direction of excitation light. Fabrication is possible by forming the electrode film in such a configuration. The photoconductive film and the electrode film can be formed using a known film manufacturing technique.
[0044]
The photoconductive element according to claim 4 is the photoconductive element according to claim 1, further comprising the photoconductive film and the electrode film in order on the substrate, further having a pinhole on the substrate and excited. A pinhole member made of an optical shielding material that does not transmit light is provided, and the pinhole member is arranged so that the projection of the pinhole on the substrate surface in the incident direction of the excitation light is within the effective carrier generation region. It is characterized by being.
[0045]
This photoconductive element is used in such a manner that excitation light is incident from the front side of the substrate (the side on which the photoconductive film or electrode film is formed). In this photoconductive element, only the photoconductive film that radiates the photoconductive film out of the pinhole in the excitation light, so that photocarriers are generated is only that provided in the effective photocarrier generation region. Thus, all optical carriers travel the shortest distance between the antennas. When the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse. In this photoconductive element, the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted by changing the diameter and shape of the pinhole and the relative position with respect to the photoconductive film.
[0046]
The photoconductive element according to claim 4 includes a configuration in which another layer is interposed between the pinhole member and the substrate including the photoconductive film and the electrode film. For example, when the pinhole member is made of metal, a layer for insulating between the pinhole member and the electrode film is interposed.
[0047]
The photoconductive element according to claim 5 is the photoconductive element according to claim 1, further comprising the photoconductive film and the electrode film in order on the substrate, and further having a pinhole on the photoconductive element. A pinhole thin film made of an optical shading material that does not transmit light is provided, and the pinhole thin film is arranged so that the projection of the pinhole on the substrate surface in the incident direction of the excitation light is within the effective carrier generation region. It is a thin film made of an optical light shielding material that does not transmit light or sampling pulse light.
[0048]
This photoconductive element is used in such a manner that excitation light is incident from the front side of the substrate (the side on which the photoconductive film or electrode film is formed). In this photoconductive element, only the photoconductive film that radiates the photoconductive film out of the pinhole in the excitation light is generated through the pinhole, so that only the photoconductive film that is generated in the effective photocarrier generation region is generated. And all the optical carriers travel the shortest distance between the antennas. When the photoconductive element is used for emission, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is reliably suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field strength of the external electromagnetic wave pulse. Further, in this photoconductive element, by changing the diameter and layer thickness of the pinhole, the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted.
[0049]
The photoconductive element according to claim 5 includes a configuration in which another layer is interposed between the pinhole thin film and the substrate having the photoconductive film and the electrode film. For example, when the pinhole thin film is made of metal, a layer for insulating between the pinhole thin film and the electrode is interposed.
[0050]
A photoconductive element according to a sixth aspect is characterized in that a transparent protective film through which the excitation light is transmitted is provided on the photoconductive element according to any one of the first to fifth aspects.
[0051]
In this photoconductive element, the transparent protective film prevents dust and the like from adhering to the photoconductive film and the adsorption of moisture and the like, so that there is a disadvantage that the photoconductive element cannot be used due to a short circuit between the electrodes. It can be avoided and the durability is improved.
[0052]
A suitable material for this transparent protective film is silicon dioxide or the like. The transparent protective film can be produced by a normal film production technique such as a CVD method.
[0053]
An infrared radiation element according to claim 7 is provided with a super hemispherical lens on the surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to the surface provided with the photoconductive film of the substrate. It is characterized by that.
[0054]
The infrared radiation element according to claim 8 includes a hemispherical lens on a surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to the surface having the photoconductive film of the substrate. It is characterized by that.
[0055]
In the infrared radiating element according to the seventh and eighth aspects, the far-infrared electromagnetic wave pulse having a narrow pulse time width generated by the photoconductive element can be efficiently transmitted to the sample side while suppressing spatial expansion.
[0056]
The detection element according to claim 9 is provided with a super hemispherical lens on the surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to the surface having the photoconductive film of the substrate. It is characterized by.
[0057]
The detection element according to claim 10 is provided with a hemispherical lens on a surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to the surface provided with the photoconductive film of the substrate. Features.
[0058]
In the detection element according to the ninth and tenth aspects, multiple reflection (influence of interference in the spectrum) within the substrate can be reduced, and detection sensitivity is improved.
[0059]
In addition, as a suitable example of the super hemisphere or hemispherical lens according to claims 7 to 10, there can be mentioned one made of silicon, particularly high resistance silicon.
[0060]
The photoconductive element according to claim 11 is the photoconductive element according to claim 1, wherein the photoconductive film and the electrode film are sequentially provided on the substrate, the substrate includes a pinhole, and the pinhole The substrate is arranged so that the projection onto the substrate surface in the incident direction of the excitation light falls within the effective carrier generation region.
[0061]
This photoconductive element is used in a mode in which excitation light is incident from the back side of the substrate. In this photoconductive device, only the photoconductive film that irradiates the photoconductive film out of the pinhole of the substrate is irradiated in the effective photocarrier generation region. All the optical carriers travel the shortest distance between the antennas. When the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse. Further, in this photoconductive element, by changing the diameter of the pinhole, the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted.
[0062]
According to a twelfth aspect of the present invention, a photoconductive element according to the eleventh aspect includes a transparent protective film that transmits the excitation light on the photoconductive element according to the eleventh aspect.
[0063]
In this photoconductive element, the transparent protective film prevents dust and the like from adhering to the photoconductive film and the adsorption of moisture and the like, so that there is a disadvantage that the photoconductive element cannot be used due to a short circuit between the electrodes. It can be avoided and the durability is improved. Silicon dioxide is an example of a suitable material for the transparent protective film.
[0064]
In addition, the photoconductive element according to any one of claims 11 and 12 may be used as an infrared radiation element or a detection element by providing a super hemispherical lens or a hemispherical lens on the front side of the substrate. Moreover, as a suitable example of a super hemisphere or a hemisphere lens, the thing made from a silicon | silicone is mention | raise | lifted.
[0065]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the photoconductive element of the present invention, an infrared radiation element using the same, and a detection element thereof will be described using the drawings. Note that the same reference numerals are used for equivalent members throughout the drawings. The illustrated shapes are merely examples, and the present invention is not limited to them.
[0066]
In FIG. 5, the schematic block diagram of 1st Embodiment of the photoconductive element of this invention is shown. FIG. 6 is a perspective view of the vicinity of the antenna portion of the photoconductive element.
[0067]
The photoconductive element 30 includes a pair of electrode films 23 and 24 and a photoconductive film 32 arranged on the substrate 21 so that the antenna portions 23a and 24a are separated from each other by a minute gap portion D to form an antenna. When the photoconductive film 32 is irradiated with excitation light, it generates photocarriers and emits pulsed light.
[0068]
The substrate is made of, for example, semi-insulating gallium arsenide (SI-GaAs), and the photoconductive film is made of, for example, low-temperature grown gallium arsenide (LT-GaAs).
[0069]
Here, as shown in FIG. 7, the surface of the substrate 21 has an effective light carrier generation region D ′, an ineffective optical carrier generation region comprising electrode film projection regions 23 ′ and 24 ′, and an electrode film non-projection region 28 ′. It consists of. Here, the effective light carrier generation region D ′ is a projection region onto the substrate surface of the minute gap D in the incident direction of the excitation light, and the electrode film projection regions 23 and 24 are the electrode film 23 in the incident direction of the excitation light. , 24 are projected areas onto the substrate surface, and the electrode film non-projected area 28 ′ is an ineffective photocarrier generation area other than the electrode film projected areas 23 ′, 24 ′.
[0070]
Here, the minute gap portion refers to two intersections of the leading edge contour line that forms the leading edge of one antenna portion and the two side surface contour lines that form the side surface of the antenna portion when viewed from the incident direction of the excitation light. , A, b, two line segments ac and bd connecting adjacent intersections between the antennas, where c is the leading edge of the other antenna portion and the two intersections thereof are c, d, and the one antenna This is a region surrounded by the most advanced contour line that forms the forefront of the part and the most advanced contour line of the other antenna part.
In this embodiment, the antennas 23a and 24a of the electrode films 23 and 24 are rectangular when viewed from the incident direction of the excitation light, and the foremost contour line and the side surface contour line of the antenna are substantially straight lines. Accordingly, the minute gap portion D in this case has a rectangular shape in plan view with a, b, c, and d as vertices when viewed from the incident direction of the excitation light. Further, the opposed front-end contour lines ab and cd between the antenna portions are parallel to each other.
[0071]
Since the photoconductive film 32 is provided only in the effective carrier generation region D ′ on the surface of the substrate 21, the photocarrier is generated only in the photoconductive film 32 provided in the effective photocarrier generation region D ′. . Further, since the photoconductive film 32 is electrically connected to both the pair of antenna portions 23a and 24a on the side surface of the photoconductive film 32, the photoconductive film 32 is generated when a bias voltage is applied between the antennas. The optical carrier moves toward the antenna unit.
[0072]
The antenna of the photoconductive element 30 is a dipole type, but may be another type of antenna such as a bow tie type. In this photoconductive element 30, each antenna portion has a rectangular shape in plan view, and when a bias voltage is applied to the pair of electrode films, a spatially uniform electric field is formed in the minute gap portion D between the antenna portions. Is done. The bias voltage may be either direct current or alternating current.
[0073]
Thus, when forming a photoconductive film only in the minute gap part between the antenna parts of an electrode, well-known film | membrane preparation techniques, such as the photolithography technique used at the time of manufacture of a normal semiconductor device, can be used.
[0074]
In this photoconductive element, the photoconductive film 32 in which photocarriers are generated exists only in the effective photocarrier generation region D ′. Further, since the antennas 23a and 24a of the electrode films 23 and 24 have a rectangular shape in plan view as shown in FIG. 5, when a bias voltage is applied to the electrode films 23 and 24, a minute gap D between the antenna parts is obtained. Is formed with a spatially uniform electric field. Accordingly, since the electric fields received by all the optical carriers generated by the excitation light are equal, variations in the moving speed of the optical carriers are suppressed. Therefore, when the photoconductive element is used for emission, a stable far-infrared electromagnetic wave pulse having a narrower pulse time width than that of the conventional photoconductive element can be emitted. In addition, when the photoconductive element is used for detection, the detection sensitivity is further improved by reflecting the electric field strength of the reflected or transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse more accurately than the conventional photoconductive element.
[0075]
FIG. 8 shows a schematic configuration of the second embodiment of the photoconductive element of the present invention. FIG. 9 is a cross-sectional view indicated by a one-dot broken line CC ′ in FIG. In this photoconductive element 40, the photoconductive film 42 has at least a portion (portion indicated by reference numeral 42 b) in the effective carrier generation region D ′ on the surface of the substrate 21 and in the electrode film projection regions 23 ′ and 24 ′. Of the photoconductive film 42b provided in at least a part of the effective carrier generation region D ′ is provided in the electrode film projection regions 23 ′ and 24 ′. The photoconductive films 42a and 42c provided in at least a part of the electrode film projection regions 23 ′ and 24 ′ are electrically connected to the photoconductive film 42a provided in at least a part and electrically connected to the electrode films 24a and 23a. Connected to. In this example, the formed photoconductive film is circular when viewed from the incident direction of the excitation light, and the diameter thereof is smaller than the width of the antenna, so that the photoconductive film 42b is contained within the effective photocarrier generation region D ′. Yes.
[0076]
In the photoconductive element of this embodiment, for example, a photoconductive film is formed through a mask having a perforation in a part on a substrate by using a photolithography technique used in manufacturing a semiconductor device, and thereafter The electrode film can be formed in such a configuration that the photoconductive film is sandwiched between a pair of antenna portions when viewed from the incident direction of the excitation light.
[0077]
Note that in the photoconductive element of this embodiment, the photoconductive film is in addition to at least a part in the effective carrier generation region D ′ and at least a part in the electrode film projection regions 23 ′ and 24 ′. This includes the case where it is also provided for part of 28 '. In this case, the photoconductive film 42 provided in a part of the non-projection region 28 ′ of the electrode film is not electrically connected to the photoconductive film 42b provided in the effective photocarrier generation region D ′ and is a pair of electrodes. It is preferable that both the films 23 and 24 are not electrically connected. With this configuration, the photocarrier that substantially contributes to the instantaneous current generated by the far-infrared electromagnetic wave pulse is generated only in the photoconductive film 42b provided in the effective photocarrier generation region D ′. Even if a photocarrier is generated in the photoconductive film provided in the non-effective photocarrier generation region 28 ', it is a case where it is less than or equal to noise, so it should be ignored in comparison with a photocarrier forming an instantaneous current. Because you can.
[0078]
In this photoconductive element, all the photocarriers that form the instantaneous current that generates radiation of the far-infrared electromagnetic wave pulse are generated by the photoconductive film provided in the effective photocarrier generation region D ′. Move the shortest distance. Therefore, when the photoconductive element is used for emission, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse.
[0079]
FIG. 10 shows a schematic configuration of the third embodiment of the photoconductive element of the present invention. This photoconductive element 50 is provided with a photoconductive film 22 and electrode films 23 and 24 in order on a substrate 21, and further has a pinhole 55 thereon, and a pinhole made of an optical light shielding material that does not transmit excitation light. The pinhole member 51 is provided so that the projection of the pinhole 55 on the surface of the substrate 21 in the incident direction of the excitation light is within the effective carrier generation region 23 ′. It is.
[0080]
As a material for the pinhole member, for example, gallium arsenide or silicon can be used when a titanium sapphire laser is used as an excitation light source. It is also possible to use a metal by forming an insulating film (for example, silicon dioxide) that transmits excitation light between the electrodes. The pinhole 55 is preferably rectangular in shape, but circular and elliptical shapes can also be used.
[0081]
In this photoconductive element, only the photoconductive film 22 that irradiates the photoconductive film 22 out of the excitation light passes through the pinhole 55. Therefore, the photoconductive film in which photocarriers are generated is provided in the effective photocarrier generation region 23 ′. All the optical carriers travel the shortest distance between the antennas. When the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse. Further, in this photoconductive element, by changing the diameter of the pinhole 55 of the pinhole member 51 and the relative position of the photoconductive film to the photoconductive film, the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted.
[0082]
The photoconductive element includes a configuration in which another layer is interposed between the pinhole member 51 and the substrate 21 provided with the photoconductive film 22 and the electrode films 23 and 24. For example, when the pinhole member 51 is made of metal, a layer for insulating the pinhole member 51 and the electrode films 23 and 24 is interposed.
[0083]
FIG. 11 shows a schematic configuration of the fourth embodiment of the photoconductive element of the present invention. 11A is a cross-sectional view, FIG. 11B is a plan view, and FIG. 11C is a plan view before the excitation light transmitting insulating film 63 is formed. The photoconductive element 60 includes a base film 21 ′, a photoconductive film 22, and electrode films 23 and 24 in this order on a super hemispherical lens 66, and further has a pinhole 65 thereon and does not transmit excitation light. A pinhole thin film 61 made of an optical light shielding material is provided, and this pinhole thin film 61 is such that the projection of the pinhole 65 on the surface of the base film 21 ′ in the incident direction of the excitation light is within the effective carrier generation region 23 ′. It is characterized by being arranged. Moreover, in this embodiment, the excitation between which the insulating property between the pinhole thin film 61 made of metal and the electrode films 23 and 24 is further ensured on the photoconductive film 22 and the electrode films 23 and 24 and the excitation light is transmitted. It is also characterized by having a light transmissive insulating film 63. The excitation light transmitting insulating film 63 looks circular in a plan view in FIG. 11B, but may have another shape such as an ellipse. Furthermore, FIG. 11 is also an embodiment of an infrared radiation element or a detection element.
[0084]
Here, when the photoconductive film is formed directly on the super hemisphere lens, the base film has a disadvantage that a good quality photoconductive film cannot be formed due to the difference in lattice constant. It is provided. This ensures good film quality of the photoconductive film, which is the most important component in the emission and detection of the photoconductive element. For example, when the photoconductive film is low-temperature grown gallium arsenide (LT-GaAs), the base film 21 made of semi-insulating gallium arsenide (SI-GaAs) can be used.
[0085]
As the pinhole thin film 61 made of metal, for example, an Au / Cu / FeO film is a suitable example.
[0086]
In this photoconductive element, only the photoconductive film 22 that irradiates the photoconductive film 22 out of the excitation light passes through the pinhole 65. Therefore, the photoconductive film in which photocarriers are generated is provided in the effective photocarrier generation region 23 ′. All the optical carriers travel the shortest distance between the antennas. When the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and when the photoconductive element is used for detection, the detection current is reflected or transmitted far red. The detection sensitivity is improved by accurately reflecting the electric field intensity of the external electromagnetic wave pulse. Further, in this photoconductive element, by changing the diameter or shape of the pinhole 65 of the pinhole thin film 61, the region where photocarriers are generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted. The shape of the pinhole is preferably a rectangle, but a circle or an ellipse can also be used. Further, by changing the layer thickness of the excitation light transmissive insulating film 63, the distance between the pinhole thin film 61 and the photoconductive film 22, that is, the relative position of the pinhole 65 with respect to the photoconductive film 22 can also be changed. The region generated by the carrier can be easily changed or adjusted.
[0087]
Such a pinhole thin film can be manufactured by using a photolithography technique used in manufacturing a normal semiconductor device.
[0088]
Further, in this photoconductive element, the excitation light transmitting insulating film 63 also acts as a protective film, preventing dust and the like from adhering to the photoconductive film 22 and adsorbing moisture and the like. Thus, the disadvantage that the photoconductive element cannot be used is avoided. As a suitable example of the excitation light transparent insulating film, SiO ₂ Etc. A suitable material for the super hemisphere or hemisphere lens is silicon, especially high resistance silicon.
[0089]
Such an excitation light transmitting insulating film can be produced by using a normal physical vapor deposition method.
[0090]
As a method of installing a super hemisphere or hemisphere lens on the surface of the substrate, GaAs, LT-GaAs, and an electrode can be directly deposited on a silicon lens in addition to the conventional technique.
[0091]
12 further includes a dielectric antireflection film 68 between the pinhole thin film 61 and the excitation light transmitting insulating film 63 in the embodiment shown in FIG. An embodiment in which a base film, a photoconductive film, and the like are formed is shown.
[0092]
As shown in FIG. 13, in the photoconductive element of the first embodiment shown in FIG. 5, an embodiment in which a transparent protective film 73 is further provided thereon is shown. Since the transparent protective film 73 prevents dust and the like from adhering to the photoconductive film 22 and moisture from adsorbing, the disadvantage that the photoconductive element cannot be used due to a short circuit between the electrodes is avoided. . A suitable example of the transparent protective film is silicon dioxide.
[0093]
FIG. 14 shows a super hemisphere on the back side of a substrate 21 provided with a photoconductive film 22, electrode films 23 and 24, an excitation light transmitting insulating film 63, a dielectric antireflection film 68, a pinhole thin film 61, and a transparent protective film 73 in this order. An embodiment provided with a lens 66 is shown. In addition, a super hemispherical lens is provided on the transparent protective film 73 for collecting the excitation light.
[0094]
【The invention's effect】
As described above in detail, the photoconductive element according to the present invention, the infrared radiation element using the same and the detection element thereof have the following effects.
[0095]
According to the photoconductive element of claim 1, when the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is suppressed, and when the photoconductive element is used for detection Because the movement of each optical carrier generated by excitation of the excitation light between the antennas behaves the same, the detection current reflects the electric field strength of the far-infrared electromagnetic wave pulse more accurately than the conventional photoconductive element. Play.
[0096]
According to the photoconductive element of claim 2, when the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is reliably suppressed, and the photoconductive element is used for detection. When used as, the movement between antennas of each optical carrier generated by excitation of excitation light shows the same behavior, so the detection current reflects the electric field strength of far-infrared electromagnetic wave pulses more accurately than conventional photoconductive elements. The effect of doing.
[0097]
According to the photoconductive element of claim 3, when the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is suppressed, and the photoconductive element is used for detection. When used, the movement between antennas of each optical carrier generated by excitation of the excitation light shows the same behavior, so the detection current reflects the electric field strength of the far-infrared electromagnetic wave pulse more accurately than the conventional photoconductive element. There is an effect. In addition, the photoconductive film and the electrode film can be formed relatively easily.
[0098]
According to the photoconductive element of claim 4, when the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and the photoconductive element is used for detection. When used as, the movement between antennas of each optical carrier generated by excitation of excitation light shows the same behavior, so the detection current reflects the electric field strength of far-infrared electromagnetic wave pulses more accurately than conventional photoconductive elements. The effect of doing. In addition, there is an effect that the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted.
[0099]
According to the photoconductive element of claim 5, when the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and the photoconductive element is used for detection. When used as, the movement between antennas of each optical carrier generated by excitation of excitation light shows the same behavior, so the detection current reflects the electric field strength of far-infrared electromagnetic wave pulses more accurately than conventional photoconductive elements. The effect of doing. In addition, there is an effect that the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted.
[0100]
According to the photoconductive element of the sixth aspect, the transparent protective film prevents dust and the like from adhering to the photoconductive film and adsorbs moisture and the like. However, it is possible to avoid the inconvenience that it cannot be used, and to improve the durability.
[0101]
According to the infrared radiation element of Claim 7 and 8, the effect that a far-infrared electromagnetic wave pulse with a narrow pulse time width generated in the photoconductive element is prevented from spreading and can be efficiently sent to the sample side. Play.
[0102]
According to the detection element of Claim 9 and 10, since it becomes possible to reduce the multiple scattering in a board | substrate, there exists an effect that a detection sensitivity improves.
[0103]
According to the photoconductive element of the eleventh aspect, when the photoconductive element is used for radiation, the spread of the time width of the emitted far-infrared electromagnetic wave pulse is surely suppressed, and the photoconductive element is used for detection. When used as, the detection current accurately reflects the electric field strength of the reflected or transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse, and the detection sensitivity is improved. In addition, this photoconductive element has an effect that the region where the photocarrier is generated in the photoconductive film can be easily changed or adjusted by changing the diameter of the pinhole.
[0104]
According to the photoconductive element of the twelfth aspect, the transparent protective film prevents dust and the like from adhering to the photoconductive film and adsorbs moisture and the like. The inconvenience that it cannot be used can be avoided, and the durability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional time-series conversion pulse spectrometer.
FIG. 2 is a plan view showing a schematic configuration of a conventional photoconductive element.
3 is a cross-sectional view of the photoconductive element shown in FIG. 2 taken along the line AA ′.
FIG. 4 is a schematic diagram of electric field lines of an electric field showing a state of an electric field between antennas of an electrode film.
FIG. 5 is a plan view showing a schematic configuration of the photoconductive element according to the first embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of the photoconductive element shown in FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a plan view of a substrate used in the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a schematic configuration of a photoconductive element according to a second embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view of the photoconductive element shown in FIG. 8 taken along line CC ′.
FIG. 10 is a plan view showing a schematic configuration of a photoconductive element according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 11A and 11B show a schematic configuration of a photoconductive element according to a fourth embodiment of the present invention, in which FIG. 11A is a cross-sectional view, FIG. 11B is a plan view, and FIG. It is a top view before forming a light transmission insulating film.
12 is a cross-sectional view of the embodiment shown in FIG. 11 and further including a dielectric antireflection film.
13 is a cross-sectional view showing the embodiment further including a transparent protective film in the embodiment shown in FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an embodiment in which a transparent protective film is provided on a pinhole thin film, and a super hemispherical lens is provided on the pinhole thin film to collect excitation light.
[Explanation of symbols]
1 Excitation source
2 Beam splitter
3 Light chopper
4 Objective lens
5 Pulsed light emitting elements
6,7,9,10 Parabolic mirror
8 samples
12 Detection means (detector)
13, 14 Delay means
15 Current amplifier
16 Lock-in amplifier
17 Computer
18, 19 Super hemispherical silicon lens
20 photoconductive elements
21 Substrate
22 Photoconductive film
23, 24 Electrode film
23 ', 24' electrode film projection area
23a, 24a Antenna part
26, 27 Electric field lines
28 'Electrode film non-projection region
30 photoconductive elements
32 Photoconductive film
40 photoconductive elements
42 Photoconductive film
42a Photoconductive film formed in electrode film projection region
42b Photoconductive film formed in effective photocarrier generation region
50 Photoconductive elements
51 Pinhole material
55 pinhole
60 photoconductive elements
61 Pinhole thin film
63 Excitation light transmission insulating film
65 pinhole
66 Super hemispherical lens
68 Dielectric anti-reflective coating
73 Transparent protective film
D Minute gap
D 'Effective optical carrier generation region
L1 excitation pulse light (pump pulse light)
L2 incident far infrared electromagnetic wave pulse
L3 transmitted far-infrared electromagnetic wave pulse
L4 Sampling pulse light

Claims

A pair of electrode films and a photoconductive film are arranged on the substrate so that the antenna parts are separated from each other by a minute gap to form an antenna. In a photoconductive element that generates and emits pulsed light,
The surface of the substrate consists of an effective light carrier generation region and an ineffective light carrier generation region composed of an electrode film projection region and an electrode film non-projection region,
The effective light carrier generation region is a projection region onto the substrate surface of the minute gap in the incident direction of the excitation light,
The electrode film projection region is a projection region onto the substrate surface of the electrode film in the incident direction of the excitation light,
The electrode film non-projection region is a non-effective light carrier generation region other than the electrode film projection region,
The photoconductive element, wherein the photocarrier is generated only in a photoconductive film provided in at least a part of the effective photocarrier generation region.

The photoconductive film is provided only in the effective photocarrier generation region on the substrate surface, and is electrically connected to both of the pair of antenna portions on a side surface of the photoconductive film. The photoconductive element according to claim 1.

The photoconductive film is provided on at least a part of the effective photocarrier generation region on the substrate surface and at least a part of the electrode film projection region,
The photoconductive film provided in at least part of the effective photocarrier generation region is electrically connected to the photoconductive film provided in at least part of the electrode film projection region,
2. The photoconductive element according to claim 1, wherein the photoconductive film provided in at least a part of the electrode film projection region is electrically connected to the electrode film.

The photoconductive film and the electrode film are sequentially provided on the substrate, and further provided with a pinhole member made of an optical light shielding material that has a pinhole and does not transmit excitation light above the pinhole member. 2. The photoconductive element according to claim 1, wherein projections of the pinholes in the incident direction of the excitation light are disposed so as to be within the effective light carrier generation region.

The photoconductive film and the electrode film are provided in order on the substrate, and further provided with a pinhole thin film made of an optical shading material having a pinhole and not transmitting excitation light above the pinhole thin film, 2. The photoconductive element according to claim 1, wherein projections of the pinholes in the incident direction of the excitation light are disposed so as to be within the effective light carrier generation region.

A photoconductive element comprising a transparent protective film through which the excitation light is transmitted on the photoconductive element according to claim 1.

An infrared radiation element comprising a super hemispherical lens on a surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to the surface of the substrate having the photoconductive film.

An infrared radiation element comprising a hemispherical lens on the surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to the surface of the substrate having the photoconductive film.

A detection element comprising a super hemispherical lens on a surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to a surface of the substrate having a photoconductive film.

A detection element comprising a hemispherical lens on a surface of the photoconductive element according to any one of claims 1 to 6 opposite to a surface of the substrate having a photoconductive film.

The photoconductive film and the electrode film are sequentially provided on the substrate, the substrate is provided with a pinhole, and the projection of the pinhole onto the substrate surface in the incident direction of the excitation light is within the effective light carrier generation region. The photoconductive element according to claim 1, wherein the substrate is disposed so as to be accommodated.

A photoconductive element comprising the transparent protective film through which the excitation light is transmitted on the photoconductive element according to claim 11.