JP2005538543A - ＤＣパワー減少抵抗を有するコヒーレントＴＨｚエミッタ - Google Patents

Abstract

周波数の第１領域において放射線を出射するためのエミッタは：光導電性材料（１１）と；光導電性ギャップにバイアスを適用するために、前記光導電性材料（１１）により与えられる前記光導電性ギャップにより分離されている第１及び第２接触要素（１２、１３、１４）と；から構成されるエミッタであり、前記の第１及び第２接触要素１２、１３、１４）の少なくとも１つは、周波数の第１領域より低い周波数の第２領域にある前記第１及び第２接触要素間の電流を制限するための抵抗要素（１４）から構成される。

Description

本発明は、構造体からの構成情報を画像化する又は決定するために用いることができる放射線の発生のためのエミッタに関し、特に、口語的にテラヘルツ放射線と呼ばれる周波数領域における放射線に関する。その領域は０．０２ＴＨｚ乃至１００ＴＨｚであり、特に、０．０９ＴＨｚ乃至８４ＴＨｚの領域であり、とりわけ、０．１ＴＨｚ乃至２０ＴＨｚの領域である。

最近、種々の方法を用いて広範な種々のサンプルを観察するテラヘルツ（ＴＨｚ）放射線の使用に多くの関心が寄せられている。例えば、ＴＨｚ放射線は、画像の各々の画素においてスペクトルを得ることとサンプルを画像化することの両方のために用いられることができる。ＴＨｚ放射線は、プラスチック、紙、織物、ボール紙、半導体及び非極性有機基板のような、殆どの乾燥した、非金属及び非極性物体を貫通する。それ故、ＴＨｚ放射線は、箱、ケース等の内部を観察するためのＸ線の代わりに用いられることができる。

放射線の１つの方式は、短い時間スケールの広帯域パルスから構成される。広帯域パルス化放射線を発生する最も効率的な方法の１つは、サブピコ秒の光／ＮＩＲレーザパルス及び光導電性エミッタを利用する。これらのパルスを生成するために、適切な波長のレーザパルスが光導電性エミッタに導かれる。エミッタがバイアスされ、電極間のギャップを照射するために用いられる光パルスが十分短い（＜１ｐｓｅｃ）とき、結果として得られる電流過渡状態は、テラヘルツ領域に拡張された周波数を有する電極から広帯域にある電磁放射線を放射する。

この技術は、レーザ励起及び適切に製造された光導電性装置に依存する。定義により、これらの光導電性装置は、特定の波長の光が見込まれるとき、電気導電度の増加を示す。この電気導電度は、材料における電気キャリアの“寿命”に対応する時間の間、持続する。例えば、ＧａＡｓ光導電性装置に対して、寿命は、典型的には、１ｎｓｅｃのオーダーである。

最も簡単な方式においては、光導電性エミッタは、半導体材料のような光導電性材料の表面に備えられた２つの電極から構成される。ＧａＡｓ及びＳｉのような多くの半導体材料は光導電性である。エミッタを動作させるためには、バイアス電圧が電極間に印加され、光導電性材料は適切な波長のレーザ源に露出される。これは、バイアス電界の存在のために、電極間の材料により電流が流れる範囲まで半導体の導電性を著しく増加させる。そのバイアス電界が維持される場合、材料中の光生成電荷キャリアの寿命に対応する時間の間、持続する。

光導電性装置により出射されるパワーは電極に印加されるバイアス電圧に伴って増加する。最終的に、印加することができる最大電圧は、対象の材料の“誘電体ブレークダウン”電界値により制限される。

過剰パワー消費又は過剰電流密度による装置故障は、狭いギャップの電極デザインであって、例えば、高繰り返しレート、それ故、高パワーにおいて典型的に実行される集積電極構成において、最も問題である。高繰り返しレートにおいて実行される大きいギャップの電極デザインは、同様に、過剰パワー消費がもたらされる。

出射ポイントへの導電性接触において流れる電流の密度が十分に大きいとき、電流によりもたらされる原子の動きは長時間に亘って導体において起こり、そのことは、装置故障を引き起こすこととなる（この現象は、“エレクトロマイグレーション”として知られている）。この現象は、典型的には、１００，０００Ａｃｍ２の領域において始まるとみさされる。今日の技術を用いると、光導電性装置に適用される金属の厚さは、典型的には、約３００ｎｍである。１ｍＡのオーダーの典型的な電流を伴うこのような幾何学的構成は、エレクトロマイグレーションの始まりに近づく電流密度をもたらす。それ故、時期尚早の装置故障が所定のバイアスに対して起こることとなる。

熱の影響の問題は、放熱及び空／水冷のような熱管理技術により対処されてきた。

所謂、“コプレーナストリップラインエミッタ”は、光導電性材料におけるストリップライン幾何学的構成を有する電極を有するエミッタの方式のことをいう。そのようなエミッタの高周波数性能は、低周波数放射線が、ストリップライン導体に沿った電流の方向であって、出射ＴＨｚ分極に対して垂直である方向に逸らされる、ことにより消費される。

そのようなエミッタは、典型的には、１００Ｖ以上のバイアス電圧を伴って及び１ｍＡ以上の平均電流において実行される。それ故、装置において消費されるパワーは、しばしば、数μｍ^３の体積において１００ｍＷ以上である。そのような装置における熱の影響の問題は、電極端部のライン（ポイントではなく）に沿って励起レーザを焦点合わせすることにより、それ故、そのラインに沿って出射を分配させ、電流密度を減少させることにより考慮されてきた。ラインフォーカスはポイントフォーカスより大きい領域に対してパワー消費を分配するが、装置における全パワー消費は、全電流は同様に大きいために、いまだに大きいまま保たれる。それ故、パワー消費の問題は、ラインフォーカス技術等を用いることにより部分的に軽減されるのみであり、放熱及び水冷が尚も必要とされる。更に、
ラインフォーカス技術は、ファイバ結合ＴＨｚ装置であって、特にＴＨｚボローブシステムを組み入れる場合に更に困難である。

エミッタにおいて用いるのに適切であり、装置の寿命を長くするために時期尚早のサンプル故障を最小化することができる光導電性装置が、それ故、望ましい。

エミッタにおいて用いるために適切な光導電性装置であって、パワー消費を最小化することができる装置を考案することが特に望ましい。

本発明の目的は、先行技術の問題点の少なくとも１つを軽減すること又は克服することである。

第１の特徴に従って、本発明は、周波数の第１領域において放射線を出射するためのエミッタであって：
光導電性材料；並びに
光導電性ギャップにおいてバイアスを印加するために前記光導電性材料により与えられる前記光導電性ギャップにより隔てられている、第１及び第２接触要素；
から構成されるエミッタであり、
前記の第１及び第２接触要素の少なくとも１つは、周波数の第１領域より低い周波数の第２領域にある前記第１及び第２接触要素間の電流を制限するための抵抗要素から構成される、エミッタを提供する。

第１及び第２接触要素は、光導電性材料に隣接する材料の層又は領域の表面において設けられている又は光導電性材料の出射表面において設けられている表面電極により与えられることが可能である。代替として、接触要素は、光導電性材料と隣接する材料の層又は領域により与えられることが可能である。上記のいずれの組み合わせを用いることが可能である。

第１及び第２接触要素の少なくとも１つは、全体として、抵抗要素からネルことが可能であすが、しかしながら、好適には、接触要素の少なくとも１つは前記抵抗要素と直列状態に設けられたアンテナ電極から構成される。そのようなアンテナ電極が設けられる場合、それは前記光導電性ギャップに隣接しても受けられ、前記抵抗要素より小さい抵抗を有する。

典型的には、前記抵抗要素は、アンテナ電極の抵抗より著しく大きい抵抗値であって、例えば、好適には、アンテナ電極の抵抗の少なくとも５倍の抵抗値を有する。

抵抗要素の抵抗は、好適には、エミッタに対して設けられるいずれの給電回路の抵抗より大きい必要がある。典型的には、抵抗要素は、少なくとも５ｋΩ、好ましくは少なくとも１０ｋΩ、更に好ましくは少なくとも３０ｋΩ、その上に好ましくは少なくとも６０ｋΩ、最も好ましくは１ｋΩの抵抗を有する。

任意に、接触電極は又、外部の電気的接触が前記抵抗要素に対して形成されるようにされる前記抵抗要素と直列に設けられることが可能である。アンテナ電極が又、設けられる場合、アンテナ電極、抵抗要素及び接触電極はそれぞれ、直列に設けられる。

好適には、第１及び第２接触要素は同じである。しかしながら、それらは、必ずししも同じである必要はなく、上記の構成のいずれの組み合わせにより与えられることが可能である。例えば、一の接触要素は、単に抵抗要素から構成されることが可能であり、他の接触要素は、単に低抵抗の金属表面電極から構成されることが可能である。一の接触要素は抵抗要素とアンテナ電極とから構成され、他の接触要素は抵抗要素のみから構成されることが可能である。

本発明の第１の特徴においては、好適には、周波数の第１領域は０．０２ＴＨｚ乃至１００ＴＨｚの領域の少なくとも一部にあり、更に好適には、３ＴＨｚ乃至１００ＴＨｚの領域の少なくとも一部にある。

上記の特徴においては、電極を有する抵抗要素を使用することは、パワー消費の問題は、高周波数出射においていずれの重大な影響を伴うことなく、低周波数において装置内のパワー消費を限定するために有利に役立つことが判明したために、パワー消費の問題に対処することができる。

第１及び第２接触要素は、好適には、アンテナ構成を形成する。例えば、それらは、単純なダイポールアンテナであって、２つの対抗する接触要素の少なくとも一部は、一般に、三角形形状であり、ミラー構成に配置されるように形成される、ボウタイアンテナを構成することが可能であり、それらの先端は鈍化されることが可能である。好適には、光導電性ギャップに隣接して設けられた接触要素のエッジは鈍化され又は円形化されている。又、所謂、集積電極デザインを用いることが可能である。

好適には、接触要素の対抗するエッジ、即ち、光導電性ギャップに隣接する接触要素の
エッジは、光導電性材料の表面の下に埋め込まれている。

本発明に従ったエミッタは、テラヘルツ放射線を発生し、検出するためのシステムにおいて、又は構造体の構成情報を決定するため、又は画像化するための機器において利用されることが可能である。好適には、そのような機器は、ＡＣ電圧を用いてエミッタをバイアスするための送信器から構成される。又、好適には、そのような機器はパルス化レーザ源から更に構成される。テラヘルツ放射線を発生し、検出するためのシステムにおいては、好適には、受信器はボウタイアンテナテラヘルツ受信器から構成される。

エミッタの抵抗要素は、いずれの適切な抵抗材料から構成され、その抵抗材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化インジウム、酸化スズ、インジウムチタン酸化物、酸化チタン、ニッケルクロム、ドープされた二酸化シリコン、シリサイド、ポリシリコン、カーボン、ドープされたＧａＡｓ、低濃度にドープされたシリコン、ニクロム又はＡｌＧａＡｓへテロ層の少なくとも１つを含むことが可能である。

光導電性材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ａｓ注入ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、イオン注入Ｓｉ、イオン注入Ｇｅ、いずれの他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、いずれの他のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、いずれのイオン注入半導体及びＬＴ−ＧａＡｓのようないずれのイオン注入エピタキシャル層／半導体の少なくとも１つを含む、いずれの適切な材料から構成される。

最も好適には、光導電性装置は、装置の電気的ブレークダウン電圧が最大化されるように、ＬＴ−ＧａＡｓ、Ａｓ注入ＧａＡｓ又は放射線損傷シリコンのような短い寿命の光導電性材料から製造される。

好適には、誘電体薄膜は、エミッタの出射表面を少なくとも一部を覆い、特に、好適には、誘電体薄膜は、第１及び第２接触要素の対向しているエッジを覆う。

誘電体薄膜は、窒化シリコン、ポリシリコン、窒化ガリウム、アクリル又は二酸化シリコンの少なくとも１つから構成されることが可能である。

第２の特徴に従って、本発明は、テラヘルツエミッタにおいて直列のバイアス抵抗として用いるために抵抗値を決定する方法であって：
励起レーザの繰り返し周波数を表す値を決定する段階；
エミッタの静電容量を表す値を決定する段階；及び
テラヘルツエミッタのＲＣ時定数と繰り返し周波数を示す値とを等しくすることにより抵抗値を計算する段階；
から構成される、方法を提供する。

第３の特徴に従って、本発明は、テラヘルツエミッタにおいて直列のバイアス抵抗として用いるための抵抗値領域を決定する方法であって：
励起レーザの繰り返し周波数を示す値の領域を決定する段階；
エミッタの静電容量を表す値を決定する段階；及び
テラヘルツエミッタのＲＣ時定数と繰り返し周波数を示す値とを等しくすることにより抵抗値領域を計算する段階；
から構成される、方法を提供する。

第４の特徴に従って、本発明は、光導電性基板と基板表面のアンテナ電極とから構成されるテラヘルツエミッタにおいて直列のバイアス抵抗として用いる抵抗値Ｒを決定するための方法であって：
式Ａ＝１／（ＲＣ）を用いて抵抗値を決定する段階；
から構成され、ここで、Ａは励起レーアの繰り返し周波数であり、Ｃはアンテナ電極の静電容量である、方法を提供する。

第４の特徴においては、好適には、Ｃは、抵抗要素とアンテナとの間の導体の静電容量から更に構成され、その導体はアンテナに給電する。

これは、抵抗要素がアンテナ及び給電導体を外界から分離するように機能するためである。それ故、抵抗要素の外部の相対の静電容量は殆ど存在せず、その影響はない。

本発明の第２、第３及び第４の特徴により、レーザの繰り返し周波数及び装置の静電容量に基づく最適な抵抗値を決定することができる。それは、本発明の第１の特徴にとっては、そのような値を有する抵抗を用いるために、重要ではないが、好適には、出射効率、パワー処理及びエミッタの寿命を改善するために、本発明の第２乃至第４の特徴に規定された抵抗値に従った抵抗値を有する抵抗要素を用いる。

本発明について、以下、制限的でない実施形態に関して説明する。

図１を参照するに、本発明の実施形態に従った一般的なエミッタを示している。図に示しているエミッタは、基板上に備えられた接触要素アセンブリ（１２、１３、１４）を有する基板１１としてＧａＡｓ光導電性材料から構成されている。

光導電性基板１１は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ａｓ注入ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、イオン注入Ｓｉ、イオン注入Ｇｅ、いずれの他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、いずれの他のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体及びＬＴ−ＧａＡｓのようないずれのイオン注入エピタキシャル層／半導体を含む、いずれの適切な光導電性材料から構成されることが可能である。

各々の接触要素は、第１及び第２接触電極１２、抵抗要素１３並びにアンテナ電極１３から成る３つの主な構成要素を有する。接触電極１２は、ミラー関係に光導電性材料の表面上に互いに対向して、位置付けられている。アンテナ電極１３は、第１及び第２接触電極１２の間に設けられている。この実施形態においては、アンテナ電極１３は小さいギャップにより分離された導電性材料の２つの領域から構成され、それらは共にダイポールアンテナを構成している。

接触電極１２及びアンテナ電極１３は、例えば、金、銅、銀又はそれらの合金、Ｔｉ−Ｐｄ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏシリサイド及びドープポリシリコン等のいずれの高導電性材料から構成される。

本発明の実施形態においては、電極アセンブリの抵抗要素１４は、接触電極１２とアンテナ電極１３との間に直列に設けられた、２つの高抵抗値のストリップの形をとる。各々の抵抗ストリップは、接触電極と中央のアンテナ電極との間に広がっている。各々の抵抗ストリップは、第１及び第２接触電極１２の１つと、それぞれ、関連付けられることが可能であり、それ故、各々の抵抗ストリップ／接触電極の組み合わせは導電性端子を構成する。

好適には、抵抗要素１４は、エッミッタ装置用金型に抵抗要素を統合することにより光導電性基板１１上に集積される。この関連で、“集積される”は、抵抗要素がアンテナ電極及び光導電性材料のように同じ半導体上にリソグラフィ技術により形成されることを意味する。

抵抗要素１４は、給電線として、基板領域に薄膜のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）のストリップを蒸着することにより生成されることが可能である。抵抗要素の、特に組成に関する正確な性質は厳密ではない。例えば、抵抗要素に対する他の適切な材料は、酸化インジウム、酸化スズ、インジウムチタン酸化物、酸化チタン、ニッケルクロム、ドープされた二酸化シリコン、シリサイド、ポリシリコン、カーボン、ドープされたＧａＡｓ、ニクロム又はＡｌＧａＡｓへテロ層を含む。これらの層を、標準的なフォトリソグラフィの手法を用いて形成することが可能である。

基板上の抵抗要素の正確な位置及び構造は又、低出射周波数における電極間の電流を少なくとも部分的に限定するように抵抗要素を位置付ける場合、重要ではない。例えば、抵抗要素は、２つの抵抗ストリップから構成される必要はない。接触端子間のギャップにおける単一の抵抗要素は、２つのストリップを有することと類似する優位性を示すため、本発明の範囲内にあるのである。同様に、特に、１つ又はそれ以上の抵抗ストリップから構成される場合、抵抗要素は、接触電極とアンテナ電極との間で、又は、同等に、接触電極と光導電性ギャップとの間で部分的にのみ特に広がる必要がある。抵抗要素が接触電極とアンテナ電極との間で、又は接触電極と光導電性ギャップとの間で部分的にのみ広がるとき、低抵抗要素が回路を完成させるために用いられる。

又、アンテナ電極を用いないで本発明を実施することが可能である。即ち、本発明に従ったエミッタは、接触電極の１つ又は両方に関連する抵抗要素と、光導電性ギャップを間に有する２つの接触電極とから構成されることが可能である。そのような構成においては、光導電性ギャップは出射を与える。

更に、抵抗要素１４の正確な抵抗値は、接触電極とアンテナ電極又は光導電性ギャップとの間に直列状態にあるとき、抵抗要素が低出射周波数（例えば、＜１ＴＨｚ）において過剰電流を抑制する又は最小化する一方、ＴＨｚ周波数のように高周波数において、抵抗要素１４がエミッタの性能に殆ど影響を与えないように十分大きい場合、重要でない。

例えば、強いアバランシェブレークダウン抵抗を有する光導電性材料はＴＨｚの発生の間に装置を流れる電流を最大化するために役立つ。適切な材料としては、ＬＴ−ＧａＡｓ、イオン注入されたＧａＡｓ、Ａｓイオン注入されたＧａＡｓ、放射線損傷シリコン及びいずれのＬＴ−成長半導体材料を含む。

電気的ブレークダウンを抑制するためにエミッタに組み込まれることが可能である他の特徴は、装置の表面上の誘電体膜である。図２は、表面に設けられた接触要素アセンブリ（１２、１３、１４）を有する基板１１から構成される、図１のエミッタを示している。誘電体膜１５は、エミッタの表面上の少なくとも一部に設けられている。図示している図２の例においては、誘電体はアンテナ電極１３を全体的に覆っている。

図３を参照するに、アンテナ電極１３を覆う誘電体膜１５を有する図２のエミッタの断面図を示しており、誘電体膜１５は、そうでなければ、基板の表面上に露出されるアンテナ電極１３の表面全てを少なくとも実質的に覆っていることは明らかである。そのような誘電体膜を、特に装置の電極領域に対して設けることにより、電気的ブレークダウンは抑制される。これは、誘電体コーティングが２つのアンテナ電極間のギャップを埋めるため、及び、誘電体のブレークダウン電界はベア半導体表面又は周囲の空気の電界より大きいためであり、その誘電体の存在により、装置の全体的なブレークダウン耐性を増大させることができる。

更に、誘電体の存在により、装置表面におけるエレクトロマイグレーションを抑制することができる。誘電体膜は、表面の電気伝導及び装置表面のアーキングを抑制するため、この結果を達成することができる。即ち、誘電体膜は、エレクトロマイグレーションに対するバリアとして機能する固体である。金属原子は、この空間が既に誘電体材料により覆われているため、電極間のギャップにおいて移動することができない。

適切な誘電体コーティングとしては、窒化シリコン、ポリイミド、窒化ガリウム、アクリル又は二酸化シリコンを含む。

電気的ブレークダウン及びエレクトロマイグレーションは、半導体ウェーハの表面の下にアンテナ電極領域を埋め込むことにより、更に低減させることが可能である。好適には、それらの電極は表面のすぐ下に埋め込まれる。それらの電極を埋め込むことにより、エレクトロマイグレーション及びその影響を排除する又は少なくとも低減することができる物理的境界が提供される。端子を埋め込むことにより、埋め込まれたピットの側面に対して少なくとも略垂直の電流は、電流密度、電力損失及び熱の影響を低減するように機能する。

本発明に従って構成されるエミッタは、好適には、ＴＨｚ放射線のような高周波数放射線を発生及び検出するためのシステムにおいて利用される。そのようなシステムを用いると、高電圧エレクトロニクスは、一般に、バイアス信号源を設けることが必要となる。しかしながら、昇圧トランスがバイアス信号源とエミッタ装置との間に設けられる場合、そのようなエレクトロニクスは必要ない。適切な励振回路の例を図９に示す。

図９の例においては、ＡＣ信号源９１からの信号は、電力増幅器９２を介して１：５０トランス９３に入力する。ＡＣ信号源９１からの出力は又、出射検出器（図示せず）に対する位相基準信号として供給される。

昇圧トランス９１の出力は、次いで、光導電性エミッタ９４の電極に入力する。昇圧トランス９３は、ＤＣバイアスではなく、大きいＡＣバイアス電圧をエミッタに供給するように適合されている。ＡＣバイアスはエミッタ９４の陽極と陰極との間で前後にフリップし、そのエミッタは、ＤＣ電流を用いて生じるストレスを最小化する機能を果たし、エミッタの寿命を長くするように役立つ。

図９は又、パルス化されたＴＨｚ出射のようなパルス化された出射９６を発生させるように、トランスからの大きいＡＣバイアス電圧に加えて、パルス化されたＮＩＲレーザから、パルス化された励起信号９５を受けるエミッタ９４を示している。

５０：１昇圧トランスを用いる場合、入力電圧は１乃至５Ｖ ＲＭＳの範囲内にあることが可能である。そのような入力を用いると、５０乃至２５０Ｖ ＲＭＳの範囲内の出力が見込まれる。ＴＨｚ放射線を生成することが意図される場合、好適には、トランス９３により生成されるＡＣバイアス電圧は、約３０ｋＨｚにおいて１００Ｖ ＲＭＳより大きい。エミッタに適用することができる最大電圧はエミッタのブレークダウン耐性に依存する。

大きく、高価である、典型的な５００Ｖ、１０ＷのＤＣ電源と比較して、図９の構成は
小さく、安価な構成により大きい電圧を生成することができる。更に具体的には、１：５０トランスは、体積が代表的には数ｃｍ^３であり、２０Ｗの電力増幅器により駆動されることができ、それらは、一般に、安価な構成要素であるため、小さい構成を実現できる。必要とされる電力は、エミッタ中の電流が小さいために、非常に小さい。

本発明に従って構成されるエミッタの効率を例示するために、接触電極と６０ｋΩのアンテナ電極との間の略全抵抗を伴って製造されたＴＨｚエミッタ、及びチップ毎に７０μｍの長さの電極を有する円形のダイポールアンテナのデザインを考えてみる。

そのようなエミッタの拡大写真を図４に示す。光導電性基板の表面における抵抗要素２１は、ＧａＡｓ基板２３と共にリソグラフィにおけるマスク化装置にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）の薄膜を蒸着することにより形成された。アンテナ電極２２及び接触電極（図示せず）は、抵抗要素２１の表面にチタン−金層を蒸着することにより形成される。

アンテナ電極２２は、ミラー関係にある２つのダイポールから成るダイポールアンテナを構成する。図４の写真における２つのダイポールの形状は、円形形状ではなく、五角形形状を示している。２つのアンテナのダイポール２２の間のギャップは４μｍである。図５は、ギャップにより隔てられ、ミラー関係にある２つの円形のダイポールを有する、“円形ダイポール”アンテナの典型的な形状を模式的に示している。

その動作について例示するに、図４のこのエミッタは、５０：１昇圧トランスを用いて、３３ｋＨｚのサイン波周波数においてＡＣバイアスされたものである。光励起は、Ｖｉｔｅｓｓｅ（登録商標）コヒーレントＴｉ：サファイアレーザから１００ｆｓｅｃのパルスにより与えられた。ＴＨｚ検出は、標準的なボウタイ形状のＴＨｚ光導電性受信器により提供された。比較のために、直列の抵抗要素を用いることなく、従来のボウタイ形状のＴＨｚエミッタを用いて、類似する測定が実行された。

図７は、抵抗要素を用いないで、標準的なボウタイ形状のエミッタからのＴＨｚパルスと比較した、図４の集積抵抗ＴＨｚエミッタから得られたＴＨｚパルス形状を例示している。パルスは両方のエミッタから得られたが、集積抵抗エミッタから得られたパルスは“より急峻”である。即ち、集積抵抗エミッタに対する主ＴＨｚパルスの後に、事実上、低周波数共振は存在しない。標準的なボウタイデザインのエミッタは、他方で、実質的に低周波数共振を表す。重要なことに、この急峻なパルスは、パルスのピーク振幅の損失を殆ど伴わないで得られたものである。

図８は、時間領域データにフーリエ変換を加えることにより得られた周波数領域における、図７のデータを示している。周波数領域パラースペクトルから、集積抵抗デザインの高周波数性能は、実質的にボウタイデザインより優れていることは明らかである。例えば、３ＴＨｚの周波数において、その新しいデザインは、標準的なボウタイデザインより１００倍をはるかに上回るパワーを生成する。全ての周波数に対する全出射パワーは標準的なボウタイデザインに対するより大きいが、これは、非常に低い周波数（＜１００ＧＨｚ）における極めて強い出射によるものであり、このことは、一般に、テラヘルツ放射線発生において不所望である。

本発明の他の特徴に従って、アンテナ装置の幾何学的構成に依存して、エミッタの抵抗要素に対する好適な抵抗値が存在する。これらの対抗値は集積抵抗エミッタを実行するためには重要でないが、装置性能は本発明のこの特徴により最適化されることが可能であり、このことについて、以下で説明することとする。

ＴＨｚアンテナを、直列給電抵抗（Ｒ）により充電されるコンデンサ（Ｃ）とみなすことにより、コンデンサに対する充電時間はシステムのＲＣ時定数により特徴付けられる。適切なＲＣ値は、光励起パルス間の時間に略等しい。ＲＣ時定数がパルス間の時間よりかなり長い場合、電極間のバイアス電界は低減され、それ故、少ないＴＨｚパワーが出射される。他方、ＲＣ時定数が半導体における荷電キャリア寿命より非常に短い場合、過剰な光電流が増加し、これにより、次には、装置パワー消費が増加し、早い装置故障に繋がる。それ故、励起パルス間の時間値に関して好適なＲＣ値が存在する。

図６を参照するに、本発明の実施形態に従ったエミッタの概略の回路図を示している。Ｒ_{ａｎｔｅｎｎａ}はアンテナの特性インピーダンスであり、光励起後のエミッタの光導電性領域の抵抗を表す。即ち、物理的観点から、周囲空間によりアンテナにおける電流に掛かる負荷をシミュレートすることができる。ボウタイ又は円形ダイポールのような、殆どのアンテナの幾何学的構成に対して、Ｒ_{ａｎｔｅｎｎａ}は２０乃至２００Ωの範囲内にある。Ｒ_ｆｅｅｄは直列の給電抵抗を表す。

アンテナの静電容量はＣ_{ａｎｔｅｎｎａ}であり、アンテナに給電する導体の静電容量はＣ_ｆｅｅｄである。例えば、長さ１ｍの代表的な同軸ケーブルは１００ｐＦの静電容量を有する。図６に示すように、Ｒ_{ａｎｔｅｎｎａ}及びＲ_ｆｅｅｄは、バイアス電圧Ｖ_ｂｉａｓと直列であるとみなされる。他方、Ｃ_{ａｎｔｅｎｎａ}及びＣ_ｆｅｅｄはＶ_ｂｉａｓと並列であるとみなされる。通電されるときのレーザパルスはＳ_{ｌａｓｅｒ}として表され、必要に応じて、抵抗とＶ_ｂｉａｓとの間の直列回路を閉じ、開く。

光パルス間で、アンテナ導体と給電導体の結合静電容量に蓄積される（Ｃ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｃ_{ａｎｔｅｎｎａ}＋Ｃ_ｆｅｅｄ）。光励起は、装置の光導電要素によるコンデンサの放電をもたらし、それ故、光導電体Ｒ_{ａｎｔｅｎｎａ}における蓄積エネルギーを消費させる。Ｒ_{ａｎｔｅｎｎａ}における過剰なパワー消費は装置故障に繋がり、それ故、例えば、最適なＲ_ｆｅｅｄを有することにより最小化される必要がある。

エミッタ構造の静電容量は、アンテナ電極のサイズをできるだけ小さくすることにより最小化されることができる。これは、全体的な静電容量を減少させるばかりでなく装置の高周波性能を改善するように有利に作用する一方、消費される全体的なパワーを減少させる。好適には、ギャップサイズはレーザ焦点サイズに適応され、０．２５ｎＪのレーザパルスエネルギーに対しては、２乃至４μｍの焦点サイズが最適である。異なるレーザパルスエネルギーに対して、一定なパルス領域エネルギー密度を維持するために、最適な焦点サイズに拡大縮小される必要があることに留意されたい。それ故、エネルギーの４倍のレーザパルスに対しては、最適な焦点サイズは２（即ち、√４）だけ増加する。アンテナ電極サイズはアンテナの高周波数ロールオフを決定し、特定のアプリケーションに治して好ましい応答に従って追従されるが、典型的な好ましい範囲は１０乃至１００μｍである。図５に示すように、これは、両端距離又はダイポールの長さである（即ち、各々の電極は、この長さの略半分である）ことに留意されたい。

ＧａＡｓベースのＴＨｚエミッタ及び８０ＭＨｚ反復レーザを考慮するに、光励起パルス間の時間は１２ｎｓｅｃである。これに基づいて、最適なＲＣ値は１２ｎｓｅｃであり、この値のどちら側にも１桁のＲＣ値（即ち、１．２ｎｓｅｃ乃至１２０ｎｓｅｃ）を有するように見込まれる装置特性は有利である。

時間領域有限差分法（ＦＤＴＤ）の計算を用いて、ＧａＡｓ構造における６００μｍの長さのボウタイアンテナは、電極間のギャップのサイズに略依存しない静電容量を有し、約５０ｆＦである必要がある。それ故、最小化されたＣ_ｆｅｅｄを有する６００μｍの標準的なボウタイ装置に対して、Ｃ_{ｔｏｔａｌ}はＣ_{ａｎｔｅｎｎａ}に略等しく、ＲＣ時定数から計算され、適切な直列抵抗は２４０ｋΩである。

７０μｍの円形ダイポールアンテナデザインに対しては、静電容量は６．２ｆＦに減少するが、抵抗要素自体の自己容量は又、適切な抵抗値を計算するときに考慮される必要があり、その自己容量はＣ_{ａｎｔｅｎｎａ}を１４ｆＦ以下にする。このようにして、最小化されたＣ_ｆｅｅｄを有する７０μｍの円形ダイポール装置に対しては、Ｃ_{ｔｏｔａｌ}はＣ_{ａｎｔｅｎｎａ}に略等しく、ＲＣ時定数目標値から計算され、適切な直列抵抗は８６０ｋΩである。

当業者には理解されるであろうように、本発明の一般的な概念の範囲内で、変形及び追加が可能である。本発明の広範な発明概念は従来のタイプのパルス化出射システムに提供することが可能であり、上記の厳密な実施形態は、単に例示であり、限定的なものではないことが理解できるであろう。例えば、本発明は、所謂、コプレーナストリップラインのような、多くの種々の光導電性エミッタの幾何学的構成に容易に適用されることが可能である。

更に、本発明のエミッタは、結合されたＴＨｚ発生及び検出システムにおけるように、種々の形態において用いられることが可能である。このような形態で用いられるとき、組み合わせは殆ど完全な広帯域であるため、ＴＨｚ検出器は、好適には、集積抵抗ＴＨｚエミッタと組み合わせて用いられるボウタイアンテナＴＨｚ受信器を含む。

本発明の実施形態に従ったエミッタの一般的構成の模式図である。 本発明の実施形態に従った、誘電体膜を重ね合わされたエミッタの一般的構成の模式図である。 誘電体膜を重ね合わされた、図２のエミッタの断面図である。 本発明の実施形態に従って構成されたダイポールエミッタのアンテナ領域の拡大写真である。 本発明の実施形態に従ったエミッタにおいて利用されることが可能である、典型的な丸められたダイポールアンテナの平面図である。 本発明の実施形態に従ったＴＨｚ光導電性エミッタの概略を示す模式的回路図である。 標準的なボウタイ形状アンテナからのＴＨｚパルスと比較して、図４の丸められたダイポール形状エミッタにより生成されたＴＨｚパルスを示す図である。 図７の領域データを用いて得られた標準的なボウタイエミッタと集積抵抗エミッタについての周波数領域パワースペクトルを示す図である。 本発明の実施形態に従ったエミッタに励起パルス信号を与えるための励起回路を示す図である。

Claims (24)

1. 周波数の第１領域において放射線を出射するためのエミッタであって：
   光導電性材料；並びに
   光導電性ギャップにおいてバイアスを印加するために前記光導電性材料により与えられる前記光導電性ギャップにより隔てられている、第１及び第２接触要素；
   から構成されるエミッタであり、
   前記の第１及び第２接触要素の少なくとも１つは、周波数の第１領域より低い周波数の第２領域にある前記第１及び第２接触要素間の電流を制限するための抵抗要素から構成される；
   ことを特徴とするエミッタ。
2. 請求項１に記載のエミッタであって、前記の周波数の第１領域は、０．０２ＴＨｚ乃至１００ＴＨｚの周波数領域の少なくとも一部にある、ことを特徴とするエミッタ。
3. 請求項１又は２に記載のエミッタであって、前記の少なくとも１つの接触要素は、前記抵抗要素と直列に設けられたアンテナ電極から更に構成され、前記アンテナ電極は前記光導電性ギャップに隣接して設けられ、前記抵抗要素より小さい抵抗値を有する、ことを特徴とするエミッタ。
4. 請求項１乃至３のいずれ一項に記載のエミッタであって、前記の少なくとも１つの電極は、外部の電気的接続が前記抵抗要素に対してなされるように、前記抵抗要素と直列に設けられた接触電極から更に構成される、ことを特徴とするエミッタ。
5. 請求項１乃至４のいずれ一項に記載のエミッタであって、前記抵抗要素はエミッタに統合される、ことを特徴とするエミッタ。
6. 請求項１乃至５のいずれ一項に記載のエミッタであって、前記抵抗要素は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化インジウム、酸化スズ、インジウムチタン酸化物、酸化チタン、ニッケルクロム、ドープされた二酸化シリコン、シリサイド、ポリシリコン、カーボン、ドープされたＧａＡｓ、低濃度にドープされたシリコン、ニクロム又はＡｌＧａＡｓへテロ層の少なくとも１つから構成される、ことを特徴とするエミッタ。
7. 請求項１乃至６のいずれ一項に記載のエミッタであって、前記光導電性材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓ、Ａｓ注入ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、イオン注入Ｓｉ、イオン注入Ｇｅ、ＬＴ−ＩｎＡｓ、ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ、ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、イオン注入半導体及び低温成長半導体の少なくとも１つから構成される、ことを特徴とするエミッタ。
8. 請求項１乃至７のいずれ一項に記載のエミッタであって、エミッタの出射表面の少なくとも一部を覆う誘電体膜から更に構成される、ことを特徴とするエミッタ。
9. 請求項３に記載のエミッタであって、誘電体膜はアンテナ電極の少なくとも一部を覆っている、ことを特徴とするエミッタ。
10. 請求項１乃至９のいずれ一項に記載のエミッタであって、誘電体膜は光導電性ギャップの少なくとも一部を覆っている、ことを特徴とするエミッタ。
11. 請求項８乃至１０のいずれ一項に記載のエミッタであって、誘電体膜は、窒化シリコン、ポリシリコン、窒化ゲルマニウム、アクリル又は二酸化シリコンの少なくとも１つから
    構成される、ことを特徴とするエミッタ。
12. 請求項１乃至１１のいずれ一項に記載のエミッタであって、光導電性ギャップに隣接する接触要素のエッジは光導電性材料の表面の下に埋め込まれている、ことを特徴とするエミッタ。
13. 請求項１乃至１２のいずれ一項に記載のエミッタであって、光導電性ギャップに隣接して設けられた第１及び第２接触要素は丸められている、ことを特徴とするエミッタ。
14. 請求項１乃至１３のいずれ一項に記載のエミッタであって、前記抵抗要素は抵抗値Ｒを有し、ここで、Ｒ＞１／ＡＣであり、Ａは励起レーザの繰り返し周波数であり、そしてＣは接触要素の静電容量である、ことを特徴とするエミッタ。
15. 請求項１乃至１４のいずれ一項に記載のエミッタであって、前記抵抗要素は少なくとも５ｋΩの抵抗値を有する、ことを特徴とするエミッタ。
16. テラヘルツエミッタにおいてバイアス抵抗として用いる抵抗値を決定する方法であって：
    励起レーザの繰り返し周波数を表す値を決定する段階；
    エミッタの静電容量を表す値を決定する段階；及び
    テラヘルツエミッタのＲＣ時定数と繰り返し周波数を表す値を等しくすることにより抵抗値を計算する段階；
    から構成されることを特徴とする方法。
17. 光導電性基板と基板表面のアンテナ電極とから構成されるテラヘルツエミッタにおいて直列のバイアス抵抗として用いる抵抗値Ｒを決定するための方法であって：
    式Ａ＝１／（ＲＣ）を用いて抵抗値を決定する段階であって、ここで、Ａは励起レーアの繰り返し周波数であり、Ｃはアンテナ電極の静電容量である、段階；
    から更に構成される、ことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、Ｃは、抵抗要素とアンテナとの間の導体の静電容量から更に構成され、その導体はアンテナに給電する、ことを特徴とする方法。
19. 請求項１乃至１５のいずれ一項に記載のエミッタから構成されることを特徴とする画像化のための機器。
20. 請求項１乃至１５のいずれ一項に記載のエミッタから構成される構造体の構成情報を決定することを特徴とする機器。
21. 請求項１９又は２０に記載の機器であって、ＡＣ電圧を用いてエミッタをバイアスするためのトランスから更に構成される、ことを特徴とする機器。
22. 請求項１９乃至２１のいずれ一項に記載の機器であって、パルス化レーザ源から更に構成される、ことを特徴とする機器。
23. 請求項１乃至１５のいずれ一項に記載のエミッタを有するテラヘルツ放射線を発生し、検出するためのシステムであって、そのシステムの検出器はボウタイアンテナのテラヘルツ受信器から構成されることを特徴とするシステム。
24. 添付図を参照して明細書において記載されたことを特徴とするエミッタ。

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