JP2006074021A - 電磁波発生装置、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 規模が小さく、かつ、高出力のテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置を提供する。
【解決手段】 高抵抗シリコン基板１と、高抵抗シリコン基板１の一方の面の上に設けられた、光電面４を有する負電極３と、高抵抗シリコン基板１の上記一方の面の上に設けられた正電極２と、正電極２の電位が負電極３の電位より高くなるように、負電極３と正電極２との間に電圧を印加する電源５と、時間変調させた光を照射する光照射部とを備え、光電面４は、光が照射された場合に電子を放出し、かつ、光照射部からの光が照射されるとともに、放出する電子が正電極２に到達する位置に設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）波の発生に係る技術に関する。

周波数がテラヘルツ領域（一般に０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）である電磁波は、光と電波の境界領域に属し、電波のもつ透過性と光のもつ直進性とを有する。また、この領域の電磁波（以下、「テラヘルツ波」という。）は、物質に固有の吸収スペクトルを多数有する。それゆえ、テラヘルツ波は、例えば、封筒中の郵便物検査、食品検査、所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査、複素誘電率評価などの医学応用、環境計測、工学応用など多数の産業分野での使用が期待されており、近年、その研究開発が活発に行われている。

テラヘルツ波の発生方法として、広く用いられている方法は、光伝導素子を用いる方法である。その従来例を図１８（非特許文献１参照）を用いて説明する。半絶縁性ＧａＡｓ基板９１上に分子線エピタキシャル成長法を用いて、低温成長ＧａＡｓ層９２が形成されている。ＧａＡｓ層９２は、低温で形成されると、移動度が比較的大きいまま、ピコ秒（１０^-12ｓｅｃ）以下のキャリア寿命を持つことが知られており、ＴＨｚ用高速光導電膜として有用である。ＧａＡｓ層９２の表面には、正電極２と負電極３とが形成されている。正電極２及び負電極３は、テラヘルツ波が放射しやすいダイポールアンテナを形成している。正電極２及び負電極３は「Ｔ」字型の形状をしており、電極間の最狭部（ギャップ）の間隔は５μｍである。正電極２と負電極３との間には約３０Ｖの電圧が電源５により印加されている。このギャップのＧａＡｓ層９２に、レーザ出射口７から間隔がフェムト秒で短いパルス光８（約８０ｆｓｅｃ，波長約７８０ｎｍ，Ａｒレーザ励起モードロックＴｉ：サファイアレーザ使用）を照射すると、光導電膜（低温成長ＧａＡｓ層９２）で発生した電子は、ピコ秒オーダの単パルス電流になって電極間を流れ、ダイポールアンテナからＴＨｚ波１０が、基板９１の方向に放射する。この放射光のスペクトルは直流〜数ＴＨｚであり、ＴＨｚまで広い帯域の電磁波が得られる。

出力を向上させるためには、正電極２と負電極３との間のバイアス電圧が高い方が望ましいことはいうまでもない。

しかしながら、特許文献１で述べられているように、正電極２と負電極３との間に高い電圧を長時間印加すると、熱的に励起したキャリアによって電極間を流れる電流が増大し、テラヘルツ波の発生効率が低下するという問題がある。このため、特許文献１では強制冷却を行うことで、温度上昇を抑え、熱的な励起を抑制している。

また、光電面にパルス状の光を当てて電子パルス波を放出させ、その電子パルス波を用いてＴＨｚ波を放出させる方法が特許文献２に記載されている。この方法は、電子パルス波を加速してチェレンコフ放射により電磁波を放出させる。この方法を用いる場合、電子を光速近くまで加速するための距離が必要であり、実用的でコンパクトなＴＨｚ波発生源を実現することは困難である。
特開２００４−２２７６６号公報 特開平４−２９６４３０号公報 M. Tani et.al., "Emission characteristics of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs", Applied Optics, vol.36, No.30, 7853〜7859 (1997)

しかし、上記特許文献１に示す方法は、環境温度や使用方法によっては必ずしも有効な手段ではない。更に、冷却器が必要となるため装置が大きくなる。また、短時間の使用においても、電極間に印加される電圧が大きくなると、ＧａＡｓ層９２の表面準位をホッピングして伝導するリーク電流が発生する。このリーク電流はＴＨｚ波発生の効率を低下させる。

本発明は、上記課題を考慮し、規模が小さく、かつ、高出力のテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明の電磁波発生装置は、光電子放出電極と、対向電極とを備え、前記光電子放出電極に時間変調させた光又は波長変調させた光を照射することにより電子を発生させ、発生した前記電子を前記対向電極に向けて走行させることにより電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、前記電子の走行部分が真空である。

また、本発明の電磁波発生装置は、基板と、前記基板の一方の面の上に設けられた、光電子放出部を有する第１電極と、前記基板の前記一方の面の上に設けられた第２電極と、前記第２電極の電位が前記第１電極の電位より高くなるように、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、時間変調させた光又は波長変調させた光を照射する光照射部とを備え、前記光電子放出部が、光が照射された場合に電子を放出し、かつ、前記光照射部からの光が入射可能な位置に設けられており、かつ、放出された電子が前記第２電極に到達する位置に設けられている。

本発明の電磁波発生装置は真空中で使用され、光電子放出部を有する第１電極に負電圧、第２電極に正電圧が印加される。光電子放出部に、時間変調させた光（短パルス光）又は波長変調させた光が照射されると電子が放出され、電子は真空中を第２電極（正電極）に向かい、電子が正電極に達するまで、誘導電流が電極間に流れる。真空では耐圧が高い。すなわち、高電圧を印加することができる。

また、前記光電子放出部は、平面部（光電面）を有し、前記第２電極の形状は板状であり、前記平面部と前記第２電極の前記平面部に対する面とは平行ではないことが望ましい。一般に光電面とその電子を受ける電極面は平行である。その間隔が充分広い場合には、光を光電面に導くことができるが、狭い場合は困難である。このため、光電面が傾いていることにより入射光を光電面に導くことが可能になる（負電極（第１電極）に形成された光電面が正電極（第２電極）に対して傾いていることによって、光照射方向と電子出射方向とを異ならせることができ、光の照射を容易にする）。

更には、前記平面部と前記第２電極の前記平面部に対する対向面（電子入射面）とが形成する角をθ、前記平面部と前記第２電極との最短距離をＬ、前記平面部の前記第１電極から前記第２電極へ向かう方向の長さをＤとした場合、下記数１が満たされることが望ましい。

数１の式の関係を満たせば光電面から出射される電子の走行距離の最小値Ｌと最大値（Ｌ＋Ｄｓｉｎθ）との差は最小値Ｌの１０％以内となり、走行距離の差によるパルス幅の広がりを無視できる範囲に抑制することができる。すなわち、放射電磁波のスペクトル純度を向上させることができる。

また、前記基板の前記一方の面の前記第１電極と前記第２電極との間には凹部が形成されていることが望ましい。この凹部により電極間を真空分離することができる。この凹部がないと電子は基板の表面準位を伝導する。つまり、凹部は高電圧時のリーク電流を低減することができる。

また、前記凹部の少なくとも一部の対向する部位相互の距離（例えば凹部の幅）は、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが望ましい。これにより基板表面の凹部で、テラヘルツ波（１〜３ＴＨｚ）が共振し、よりスペクトル純度の高いテラヘルツ波を放出することが可能になる。このテラヘルツ波の波長は１００〜３００μｍであるため、前記凹部の少なくとも一部の対向する部位相互の距離がその半波長（５０〜１５０μｍ）である場合、上記テラヘルツ波は共振する。この共振により、放射テラヘルツ波のスペクトル純度を向上させることが可能になる。

また、前記光電子放出部は、カーボンナノチューブが用いられて形成されていることが望ましい。カーボンナノチューブは先端が極めて細いため電界が集中しやすい。この結果、フォトンエネルギーで生じた電子は容易に放出することが可能になり、大電流を電極間（アンテナ）に流すことができ、高出力なテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置を実現することができる。

この場合、前記カーボンナノチューブが電子を放出する直前のバイアス電圧を印加するように、前記電圧印加部が印加する電圧を制御することが望ましい。これにより、実効的な仕事関数が小さくなり、エネルギーの小さい光でも光電子放出が可能になり、光源選択の自由度を上げることができる。

また、前記光電子放出部は、Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が用いられて形成されていることが望ましい。ＡｌＧａＮ及びＡｌＮは電子親和力が負に近いことが知られている（R.J.Nemanich, P.K.Baumann, M.C. Benjamin, O.-H.Nam, A. T. Sower, B. L. Ward, H Ade and R.F. Davis, Appl. Surf. Sci. 130, 694〜703 (1998)参照）。更に他のIII族原子であるＩｎを含ませることにより、格子定数を調整することができ、歪のない光電子面を形成することができる。

この場合、前記Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮが電子を放出する直前のバイアス電圧を印加するように、前記電圧印加部が印加する電圧を制御することが望ましい。これにより、実効的な仕事関数が小さくなり、エネルギーの小さい光でも光電子放出が可能になり、光源選択の自由度を上げることができる。

また、前記光電子放出部から放出された電子が前記第２電極に到達するまでの時間が０．０１ピコ秒以上１０ピコ秒以下となるように、前記電圧印加部が印加する電圧と、前記第１電極と前記第２電極との距離が決定されることが望ましい。

特許文献２からわかるように、電極間の距離をｄ、電極間の電圧をＶ、電子の電荷をｅ、電子の質量をｍとし、簡単のため、負電極（第１電極）から電子は、初速度０で放出されるとし、一様な電界が正／負電極間にあるとすると、電子が正電極に達したときの速度ｖ_d、及び、電子が正電極に達するまでの時間τは、下記数２及び数３の式で表現される。

上記数２及び数３の式から、下記数４の式に示すように、前記光電子放出部から放出された電子が前記第２電極に到達するまでの時間τが導かれる。

電子が電極間を走行している間、電極を含む回路には誘導電流が流れる。この結果、τが上記範囲（０．０１ピコ秒以上１０ピコ秒以下）に入っていると誘導電流もその期間だけ流れることになり、ＴＨｚパルス光を取り出すことができる。

更に、前記光照射部は、１ピコ秒以下のパルス幅を有するパルス光を、又は差周波数が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下である二つの光を、照射することが望ましい。１ピコ秒以下のパルス光で電極間を導通状態にした構造では、ＴＨｚ成分を有する電磁波を放射することができる。また、差周波がＴＨｚ領域の光で電極間を導通状態にした構造においては、その差周波に相当するＴＨｚ波を放射することができる。放射されるＴＨｚ周波数は、差周波をどの程度にチューニングするかにより調整できる。

更には、前記基板の前記一方の面の上に、前記光照射部からの光を前記光電子放出部に導くミラーが設けられていることが好ましい。これにより、入射光を光電子放出部に導くことができ、入射光の配置の自由度を向上させることができる。

更に、前記第１電極及び前記第２電極は、電磁波共振器に接続されていることが望ましい。電磁波共振器は、例えば０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波を共振させる共振器である。この構造では、電極から発生したＴＨｚ波が電磁波共振器によって増強され、高出力なＴＨｚ波を得ることが可能になる。

また、前記基板は、シリコンが用いられて形成されており、前記基板の前記一方の面の裏側の面には、電磁波集光素子が形成されていることが望ましい。シリコン基板は、熱伝導率が高く、一方、ＴＨｚ帯ではほとんど透明であることからＴＨｚ用集積素子としては最適である。また、シリコンは屈折率が高いので、電極で発生した電磁波は基板方向に向かう。このためレンズ構造も一体にでき、実装を容易にできる。

また、前記電磁波集光素子は、階段状のレンズであり、前記レンズの階段幅は１５μｍ以上４０μｍ以下であるであることが望ましい。階段ステップは波長より短くとるが、ＴＨｚ領域では波長が長く、容易に階段状レンズを作製できる。ＴＨｚ波の波長は１００〜３００μｍなので、Ｓｉ中（屈折率約３．５）では３０〜８０μｍとなる。従ってレンズの階段幅がその半分である１５〜４０μｍであればＴＨｚ波は平均的な形状を感じ、球形レンズと同様の集光効果が生じる。球状レンズに比べて一般的な半導体工程でレンズを作製することができる。

また、基板の一方の面に凹部を形成する第１ステップと、前記凹部に前記凹部を保護する保護部材を充填する第２ステップと、前記保護部材が充填された前記凹部の上に端部が位置するように、前記基板の前記一方の面の上に第１電極と第２電極とを間隔を設けて形成する第３ステップと、前記第１電極の前記第２電極との対向部を、傾斜が形成されるように削る第４ステップと、前記第４ステップを行った後に、前記第１電極の削られた面に光電子放出部を形成する第５ステップと、前記第４ステップ又は前記第５ステップを行った後に、前記保護部材を除去する第６ステップとを含む電磁波発生装置の製造方法を用いて電磁波発生装置を製造する。ここで、前記保護部材は多結晶ＧａＡｓであることが好ましい。

また、基板の一方の面に段差を有するＳｉＣ層を形成する第１ステップと、前記段差の段が高い方の部位を除く前記基板を窒化アルミニウム部材で覆う第２ステップと、前記第２ステップを行った後に、前記基板全体を前記ＳｉＣ層からＳｉ成分が除去される温度で加熱し、前記段差の段が高い方の部位にカーボンナノチューブにより形成された光電子放出部を形成する第３ステップと、前記光電子放出部を多結晶ＧａＡｓで覆う第４ステップと、前記基板の前記一方の面に、前記光電子放出部と接続する第１電極を形成する第５ステップと、前記基板の前記一方の面に、端部が前記光電子放出部の上方に位置する第２電極を形成する第６ステップと、前記第６ステップを行った後に、前記多結晶ＧａＡｓを除去する第７ステップとを含む電磁波発生装置の製造方法を用いて電磁波発生装置を製造する。窒化アルミニウムの融点は２０００℃以上あり、カーボンナノチューブの製造工程（１６００℃程度）において劣化することはない。

更に、基板の一方の面に光電子放出部を形成するためにＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の層を形成する第１ステップと、前記層の一部に多結晶ＧａＡｓを積層する第２ステップと、前記基板の前記一方の面に、前記層と接続する第１電極を形成する第３ステップと、前記基板の前記一方の面に、端部が前記多結晶ＧａＡｓの上に位置する第２電極を形成する第４ステップと、前記第４ステップを行った後に、前記多結晶ＧａＡｓを除去する第５ステップとを含む電磁波発生装置の製造方法を用いて電磁波発生装置を製造する。

製造工程において、二つの電極間にＧａＡｓが埋められていることが望ましい。ＧａＡｓは硫酸系エッチングでエッチングでき、シリコンや金属はエッチング速度が遅いため、電極間の空洞を形成することが可能になる。

本発明は、規模が小さく、かつ、高出力のテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置、及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
先ず、第１の実施の形態のテラヘルツ波発振器を、図１から図６を用いて説明する。テラヘルツ波発振器は、本発明の電磁波発生装置の一例である。

図１は第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の斜視図である。その中心線（Ａ−Ａ’）における断面を図２に示す。

高抵抗シリコン基板１上に正電極２及び負電極３が形成されている。正電極２及び負電極３は、ともに金が用いられて形成されており、平板状であり、厚みは０．２μｍである。正電極２及び負電極３はフォトリソグラフィによりＴ字型に形成されており、「Ｔ」の縦棒に相当する部分の長さは１５０μｍであり、同横棒に相当する部分の長さは２ｍｍである。正電極２と負電極３との間には２μｍ間隔ｄのギャップがある。正電極２及び負電極３により所謂ダイポールアンテナが形成されている。正電極２と負電極３との間には電源５により１００Ｖの直流電圧Ｖが印加される。

負電極３の「Ｔ」の縦棒の先端部分は、斜め４５度にカットされている。その表面には、Ｓｂ・Ｋ・Ｎａ・Ｃｓが用いられて、Ｓ−２０光電面４（コロナ社 濱田成徳、和田正信 「電子管工学」第１５６〜１５８ページ参照）が、１００ｎｍ厚で形成されている。光電面４は、光が照射された場合に電子を放出する。光電面４に焦点が合うように、波長７８０ｎｍのＡｒレーザモードロックＴｉ：サファイアフェムト秒レーザの出射口７が設置されている（フェムト秒レーザ自体は図示していない。レーザからの光がファイバを通じて出射口７まで導入されている）。上記ギャップの下部を含む上記ギャップ近傍の基板１には凹部６が形成されている。凹部６は電磁波共振器の一例である。凹部６を中心にして、シリコン基板１の裏面にはレンズ１２が形成されている（図２参照、レンズ半径は２００μｍである。）。シリコンレンズ１２は、断面が階段状になるような構造をしているがその階段幅は約１５〜４０μｍであり、ＴＨｚ波の波長（１００〜３００μｍ）に比べれば十分狭い。このため、レンズ１２は平均的には半球状のレンズとみなしても問題ない。また、テラヘルツ波発信器のレーザ以外は、１０^-4パスカル以下の真空状態に保持される。

なお、正電極２と負電極３との間の距離（ギャップｄ）と、電源５が印加する電圧との一方又は双方は、光電面４から放出された電子が正電極２に到達するまでの時間が０．０１ピコ秒以上１０ピコ秒以下となるように決定される。

また、図３に示すように、光電面４と正電極２の電子入射面とが形成する角をθ、正電極２と負電極３との最短距離をＬ、光電面４の電極間方向の長さをＤとしたとき、下記数１を満たすことが望ましい。

数１が満たされれば、光電面４から出射される電子の走行距離の最小値Ｌと最大値（Ｌ＋Ｄｓｉｎθ）との差は最小値Ｌの１０％以内となり、走行距離の差によるパルス幅の広がりを無視できる範囲に抑制することができる。すなわち、テラヘルツ波のスペクトル純度を向上させることができる。

以下にテラヘルツ波発振器の基本的な動作を示す。

フェムト秒レーザから出射されたパルス光８（パルス幅８０ｆｓｅｃ）は、光電面４に照射され、光電子を発生させる。光電子は、正電極２からの電界により、電子パルスとなり正電極２に向かう。この間、アンテナ（電極間）に誘導電流が流れる。基板１には凹部６が設けられているので電子パルスが基板１の影響を受けることはない。電子パルスが正電極２に到達すると、アンテナを流れる電流が停止する。電子パルスが発生してから消滅するまでの時間が０．０１ピコ秒以上１０ピコ秒以下であれば、ＴＨｚ領域の電流がアンテナに流れる。アンテナはＴＨｚ波が放射する形状であるため、テラヘルツ波１１が高抵抗シリコン基板１の内部で発生する。基板１を形成しているシリコンの屈折率は空気より大きいため、発生したＴＨｚ波は基板１の裏面方向へ向かう。基板１の裏面にはシリコンレンズ１２が存在するのでＴＨｚ波は収束され、外部光１０として取り出される。

この状態で、パルス光８を光電面４に照射した後、アンテナ（電極間）に電流が流れる時間を測定した。その結果、電流は０．８ｐｓｅｃ流れた。これは、約１．３ＴＨｚの成分のテラヘルツ波が発生したことを示す。この理由を検討した。

電源５が印加する電圧Ｖ＝１００Ｖ，正電極２と負電極３とのギャップｄ＝２μｍであるから、下記数４の式より電極間を電流が流れる時間をτとすると、τ=０．６７ｐｓｅｃになる。

一方、図４に示すように、光電面４は、負電極３（厚みｔ＝０．２μｍ）の４５゜にカットされた面に形成されている（すなわち、光電面４の電極間方向の長さＤは、Ｄ＝０．２／ｓｉｎ（４５°）＝０．２８μｍ）ため、光電子の走行距離はｄ＝２〜２＋０．２＝２〜２．２μｍである。この走行距離差によってアンテナを電流が流れる時間は、数４より、最大０．７４ｐｓｅｃであり、実測値とほぼ一致する。

なお、凹部６の幅や長さなどの、凹部６の少なくとも一部の対向する部位相互の距離を、ＴＨｚ波が共振する大きさとする。例えば１．５ＴＨｚ波を得る場合、そのＴＨｚ波の波長は２００μｍであるので、例えば凹部６の幅を半波長１００μｍとする。これにより、より強く（より高出力の）、また、スペクトル半値の小さい（スペクトル純度がより高い）ＴＨｚ光を得ることができる。

また、パルス光８のパルス幅は、８０ｆｓｅｃに限るものではない。１ピコ秒以下であればよい。

次に、第１の実施の形態のテラヘルツ波発振器の製造方法を図５及び図６を用いて説明する。

まず、Ｓｉ基板１上にフォトリソグラフィで開口のあるフォトレジスト４０を形成し、ＣＦ₄を用いた反応性プラズマエッチングを用いて、凹部６を形成する（図５（ａ））。その表面にスパッタ法により多結晶ＧａＡｓ４１を堆積させた後、フォトレジスト４０を剥離し、凹部６を多結晶ＧａＡｓ４１で満たす（図５（ｂ））。次にフォトリソグラフィと電子ビーム蒸着装置とを用い、金を用いて正電極２と負電極３とを形成する（図５（ｃ））。その際、正電極２と負電極３との間隔ｄが２μｍとなるように正電極２と負電極３とを形成する。なお、正電極２及び負電極３を基板１の表面で「Ｔ」字型に形成することは言うまでもない。

次に集束イオンビーム装置（ガリウム（Ｇａ）イオンビーム４２）を用いて、負電極３の先端を斜めに削る。この時、多結晶ＧａＡｓ４１は、Ｇａイオンビーム４２により一部削り取られるが、Ｇａイオンビーム４２によって凹部６が傷つけられないように凹部６を保護する（図５（ｄ））。次にフォトリソグラフィによりフォトレジスト４３を形成した後、Ｓｂ・Ｋ・Ｎａ・Ｃｓを用いてスパッタ法により光電面４を形成する（図５（ｅ））。なお、Ｓｂ・Ｋ・Ｎａ・Ｃｓはフォトレジスト４３上にも堆積されるが、図５（ｅ）では図示していない。その後にフォトレジスト４３を剥離し、多結晶ＧａＡｓ４１を硫酸系ウエットエッチングで除去する（図５（ｆ））。

次に保護のため基板１の表面をフォトレジスト４４で覆った後、基板１の裏面に、フォトリソグラフィを用いてフォトレジスト４５を形成する。フォトレジスト４５には円状（最外周半径２００μｍ、幅２０μｍ）の開口部があり、その円の中心を、両面アライナー装置を用いて、正電極２と負電極３との間の中心に一致させる（図６（ｇ））。そして、ＣＦ₄反応性イオンエッチングにより開口に対してほぼ垂直に凹部４６（深さ２０μｍ）を形成する（図６（ｈ））。フォトレジスト４５をすべて取り去った後、再び、保護のため基板１の表面をフォトレジスト４４で覆った後、基板１の裏面に、フォトリソグラフィを用いてフォトレジスト４７を形成する。フォトレジスト４７には円状（最外周半径２００μｍ、幅４０μｍ）の開口部があり、その円の中心を、両面アライナー装置を用いて、正電極２と負電極３との間の中心に一致させる。これに対して反応性イオンエッチング（深さ２０μｍ）を行う。これにより、図６（ｈ）で示した凹部４６の深さが４０μｍになり、また、今回新たに露出した部分が深さ２０μｍとなる段差４８が形成される（図６（ｉ））。

以下、図６（ｊ）に示すように、上記の開口部を有するフォトレジストを形成するステップと、イオンエッチングを行うステップとを順次複数回（例えば１０回）繰り返し（ただしフォトレジストの開口部の幅は、半球状になるように調整する）、半径２００μｍの階段状シリコンレンズ１２を形成する（図６（ｋ））。最後に、電極に配線を行った後、これ全体をガラス管中に真空封止し、励起用光ファイバを位置あわせして取り付けることによりテラヘルツ波発振器を完成させる。

（第２の実施の形態）
図７は第２の実施の形態におけるテラヘルツ波発信器の斜視図である。その中心線（Ｂ−Ｂ’）における断面を図８に示す（図８において入射光８は、紙面垂直方向に存在するが、簡便のため、断面と同一面内に図示している）。

半絶縁性ＳｉＣ基板２７上の一部に導電性ＳｉＣエピタキシャル層２４が形成されており、更にその上にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）からなるＣＮＴ電子エミッタ２２が形成されている。導電性エピタキシャル層２４にはコンタクト部２６を通じて負電極３が形成されている。ＣＮＴ電子エミッタ２２に対面して電子捕獲部２５がＳｉＯ₂スペーサ層２３を介して形成されている。電子捕獲部２５は正電極２に接続されている。正電極２と負電極３との間には電源５により電圧が印加される。ＣＮＴ電子エミッタ２２の側面にはアルミニウムミラー２１が形成されている。ミラー２１はレーザ出射口７から基板２７表面に垂直に照射される光８の進行方向を曲げ、ＣＮＴ電子エミッタ２２に光を照射させる。ＳｉＣ基板２７の裏面には高抵抗シリコンレンズ１２が形成されている（図８参照）。正電極２及び負電極３はともに「Ｔ」字型になっており、正電極２と負電極３とがダイポールアンテナを形成することは、第１の実施の形態の場合と同様である。また、本装置全体は１０^-8パスカル以下の真空状態に保持される。

次に、第２の実施の形態におけるテラヘルツ波発信器の動作原理を述べる。

外部から入射されたフェムト秒レーザ光８はミラー２１で反射されて、ＣＮＴ電子エミッタ２２に入射する。カーボンナノチューブの仕事関数は４．５ｅＶであるので（H.Tanaka et.al., "Barrier Effect on Field Emission from Stand-alone Carbon Nanotube", Japanese Journal of Applied Physics, vol.43, No.2, 864〜867 (2004)参照）、アルゴンレーザでモードロックした波長７８０ｎｍのＴｉ：サファイアフェムト秒レーザの三倍高調波（４．８ｅＶ、高調波用結晶にはＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）結晶を使用）の光を用いた。電源５は３０Ｖの電圧を印加する。この状態でＣＮＴ電子エミッタ２２に光が入射されると、フォトンエネルギーが自由電子のエネルギーを高めて、仕事関数を超えさせ、光電子放出９がなされる。光電子は、第１の実施の形態の場合と同様、約０．６７ｐｓｅｃかけて電子捕獲部２５に達する。この結果、正電極２と負電極３との間でＴＨｚ波１１が発生する。ＴＨｚ波１１はシリコンレンズ１２により集光１０として外部に放出される。

図９及び図１０は、第２の実施の形態のテラヘルツ波発振器の製造方法を示す。

半絶縁性ＳｉＣ基板２７にウエハーボンディング法を用いて、ｎ型ＳｉＣ基板６０を融着させる（図９（ａ））。この時、基板６０の融着面を炭素極性になるようにする。研磨とＫＯＨウエットエッチングとによりｎ型ＳｉＣ基板を厚み１μｍにまで薄膜化した後、フォトリソグラフィとＳＦ₆ドライエッチングとにより電子エミッタとなる部分６１を形成する（図９（ｂ））。次に、フォトリソグラフィとＳＦ₆ドライエッチングとにより、ＣＮＴを形成しない部分に段差６２を形成する（図９（ｃ））。

次にＣＮＴを形成する部分以外を、フォトリソグラフィと有機金属気相成長法とを用いて、多結晶ＡｌＮ薄膜６３で保護する（図９（ｄ））。この時、露出したＳｉＣの表面はＳｉ面になっている。これを１６００℃の真空雰囲気で約３０分間加熱してカーボンナノチューブ２２を生成する（図９（ｅ）参照、田中一義編集、カーボンナノチューブ （２００１）、化学同人８８９〜８９５ページ参照）。次に、カーボンナノチューブを保護するため、保護膜６３をマスクにして、多結晶ＧａＡｓ６４を成長させる（図９（ｆ））。この後、希釈ＫＯＨ水溶液を用いて、多結晶ＡｌＮを除去する。

次に、フォトリソグラフィでフォトマスク６５を形成し（図１０（ｇ））、スパッタ法でＳｉＯ₂スペーサ層２３を形成する（図１０（ｈ））。次にフォトリソグラフィで電極用フォトマスク６６を形成し（図１０（ｉ））、正電極２及び負電極３を形成する（図１０（ｊ））。そして、硫酸系エッチャントを用いて、多結晶ＧａＡｓを除去する。最後に、シリコンレンズ１２を基板２７に押し付けて固定し、ミラー（図示していない）をＡｕＳｎ共晶半田で貼り付け、電極に配線を行った後、これ全体をガラス管中に真空封止し、励起用光ファイバを位置あわせして取り付けることによりテラヘルツ波発振器を完成させる。

なお、半絶縁性ＳｉＣ基板２７はダイヤモンド基板に置き換えられてもよい。

（第３の実施の形態）
図１１は第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発信器の斜視図である。その中心線（Ｃ−Ｃ’）における断面を図１２に示す（図１２において入射光８は、紙面垂直方向に存在するが、簡便のため、断面と同一面内に図示している）。

半絶縁性ＳｉＣ基板２７上の一部にシリコンがドープされたＡｌＮ（窒化アルミニウム）により構成される層１０１（以下、単に「ＡｌＮ１０１」という。）が形成されている。シリコンがドープされたＡｌＮは低閾値電圧で電子を放出することが知られている（M. Kasu and N. Kobayashi, Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 1835〜1837 参照）。したがって、ＡｌＮ１０１は電子エミッタとして作用する。ＡｌＮ１０１にはコンタクト部２６を通じて負電極３が形成されている。ＡｌＮ１０１に対面して電子捕獲部２５がＳｉＯ₂スペーサ層２３を介して形成されている。電子捕獲部２５は正電極２に接続されている。正電極２と負電極３との間には電源５により電圧が印加される。ＡｌＮ１０１の側面にはミラー２１が形成されている（図１２参照）。ミラー２１はレーザ出射口７から基板２７表面に垂直に照射される光８の進行方向を曲げ、ＡｌＮ１０１に光を照射させる。ＳｉＣ基板２７の裏面には高抵抗シリコンレンズ１２が形成されている。正電極２及び負電極３はともに「Ｔ」字型になっており、ダイポールアンテナを形成することは、第１の実施の形態及び第２の実施の形態の場合と同様である。また、本装置全体は１０^-8Ｐａ以下の真空状態に保持されている。

次に、第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発信器の動作原理を述べる。

外部から入射されたフェムト秒レーザ光８はミラー２１で反射されて、電子エミッタであるＡｌＮ１０１に入射する。電源５は３０Ｖを印加する。ＡｌＮのバンドギャップは６．２ｅＶであるため、アルゴンレーザでモードロックした波長７８０ｎｍのＴｉ：サファイアフェムト秒レーザの四倍高調波（６．３５ｅＶ、高調波用結晶にはＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）結晶を使用）の光を用いた。この電圧は、ＡｌＮが電子を放出をするしきい値電圧より僅かに小さい値である。このため、ＡｌＮ１０１は非常に電子を放出しやすい状態にある。ＡｌＮ１０１に光が入射されると、フォトンエネルギーが自由電子のエネルギーを高め、自由電子のエネルギーがＡｌＮ１０１と真空との間のポテンシャルエネルギーを超え、光電子放出９がなされる。光電子は、第１の実施の形態の場合と同様、約０．６７ｐｓｅｃかけて電子捕獲部２５に達する。この結果、正電極２と負電極３との間でＴＨｚ波１１が発生する。ＴＨｚ波１１はシリコンレンズ１２により集光１０として外部に放出される。

図１３及び図１４は、第３の実施の形態のテラヘルツ波発振器の製造方法を示す。

半絶縁性ＳｉＣ基板２７に分子線エピタキシャル成長法を用いて、シリコンをドープしながらＡｌＮ１０２を成長させる（図１３（ａ））。フォトリソグラフィとＫＯＨウエットエッチングとにより電子エミッタとなる部分１０１を形成する（図１３（ｂ））。次にフォトリソグラフィによりフォトレジスト１０３を形成する（図１３（ｃ））。そして、多結晶ＧａＡｓ６４を成長させる（図１３（ｄ））。

次に、フォトリソグラフィでフォトマスク６５を形成し（図１４（ｅ））、スパッタ法でＳｉＯ₂スペーサ層２３を形成する（図１４（ｆ））。次にフォトリソグラフィで電極用フォトマスク６６を形成し（図１４（ｇ））、正電極２及び負電極３を形成する（図１４（ｈ））。その後に硫酸系エッチャントを用いて、多結晶ＧａＡｓを除去する。最後に、シリコンレンズ１２を基板２７に押し付けて固定し、ミラー（図示していない）をＰｂＳｎ半田で貼り付け（図１４（ｉ））、電極に配線を行った後、これ全体をガラス管中に真空封止し、励起用光ファイバを位置あわせして取り付けることによりテラヘルツ波発振器を完成させる。

なお、上述した第３の実施の形態では、半絶縁性ＳｉＣ基板２７上にＡｌＮ１０１が形成されている例を示した。しかしながら、ＡｌＮ１０１は、Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が用いられて形成された層に置き換えられてもよい。

図１５は、正負電極間の印加電圧とテラヘルツ波出力との関係を示す。テラヘルツ波の周波数は１．５ＴＨｚとした。入力光は７８０ｎｍのフェムト秒パルス光である。従来構造では、印加電圧が約２０Ｖ付近から印加電圧の増大とともに出力が低下する。これはＬＴ−ＧａＡｓのリーク電流が増加するためである。他方、第１の実施の形態の場合では、正負電極間は真空であるのでリーク電流が発生することなく、大きなＴＨｚ波出力が得られることがわかる。第２の実施の形態の場合、低電圧域では、ＣＮＴの有効仕事関数が高いため、電子放出が少ない。しかし、有効仕事関数が低くなると、光電子は急速に増加し、また、電界が急峻になるため、ＣＮＴは電子を放出しやすく、図１５に示すような、高いテラヘルツ波出力が得られる。更に第３の実施の形態の場合、閾値電圧は高くなるが、閾値電圧より高い電圧では、急激にＴＨｚ波出力が増加し、従来構造に比べ、高い出力が得られる。

なお、以上の例では、フェムト秒レーザを光源に用いたが、差周波がＴＨｚ波となる二つのレーザ光（例えば、半導体レーザなど）を用い、その差周波成分でＴＨｚ波を放射させることも可能である。図１６は、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板２０１上に、短キャリア寿命半導体であるＬＴ−ＧａＡｓ層２０２が積層され、その上に「Ｔ」字型の正電極２及び負電極３が形成されたテラヘルツ波発振器の一部に、周波数ｆ₁の光２０５と、周波数ｆ₂の光２０６とが入射している状態を示している。周波数ｆ₁と周波数ｆ₂との差が０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下であれば、図１７に示すように、周波数ｆ₁と周波数ｆ₂との差をピーク周波数とするテラヘルツ波が得られる。従って、図１６の代わりに、図１、図７、図１１に示す構造を用いれば、効率よいＴＨｚ発生器が得られる。

なお、上記の第１の実施の形態から第３の実施の形態において、テラヘルツ波発振器を１０^-4Ｐａ以下の高真空中に配置したが、これらのテラヘルツ波発振器が配置される真空度は、テラヘルツ波発振器における正負電極間でのリーク電流が発生しない程度、具体的には正負電極間に印加される電圧により放電しない程度であればよい。

本発明にかかる電磁波発生装置は、高出力のテラヘルツ波を発生することができ、セキュリティや医用分野で高精度に被測定物を分析でき、産業上の利用価値は高い。

第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の斜視図 第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の要部断面図 第１の実施の形態における光電面４及び正電極２の配置関係を説明するための図 第１の実施の形態における光電面４と正電極２の電子入射面との距離を説明するための図 第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の製造方法を示す第１の断面図 第１の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の製造方法を示す第２の断面図 第２の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の斜視図 第２の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の要部断面図 第２の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の製造方法を示す第１の断面図 第２の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の製造方法を示す第２の断面図 第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の斜視図 第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の要部断面図 第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の製造方法を示す第１の断面図 第３の実施の形態におけるテラヘルツ波発振器の製造方法を示す第２の断面図 各実施の形態及び従来のテラヘルツ波発振器の正負電極間の印加電圧とテラヘルツ波出力との関係を示す図 差周波がＴＨｚ波となる二つのレーザ光を用いてＴＨｚ波を発生するテラヘルツ波発振器の説明図 差周波がＴＨｚ波となる二つのレーザ光を用いて発生させたＴＨｚ波の出力を示す図 従来のテラヘルツ波発振器の斜視図

符号の説明

１ 高抵抗シリコン基板
２ 正電極
３ 負電極
４ 光電面
５ 直流電源
６ 凹部
７ 出射口
８ 短パルス光
９ 光電子放出
１０ 外部光
１１ テラヘルツ波
１２ レンズ
２１ アルミニウムミラー
２２ ＣＮＴ電子エミッタ
２３ ＳｉＯ₂スペーサ層
２４ 導電性ＳｉＣエピタキシャル層
２５ 電子捕獲部
２６ コンタクト部
２７ 半絶縁性ＳｉＣ基板
４０、４３、４４、４５、４７、４９、１０３ フォトレジスト
４１、６４ 多結晶ＧａＡｓ
４２ Ｇａイオンビーム
４６ 凹部
４８、５０、６２ 段差
６０ 基板
６１ 電子エミッタとなる部分
６３ 多結晶ＡｌＮ薄膜
６５ フォトマスク
６６ 電極用フォトマスク
１０１ ＡｌＮ
１０２ シリコンドープ

Claims (11)

1. 光電子放出電極と、対向電極とを備え、
   前記光電子放出電極に時間変調させた光又は波長変調させた光を照射することにより電子を発生させ、発生した前記電子を前記対向電極に向けて走行させることにより電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
   前記電子の走行部分が真空である
   電磁波発生装置。
2. 基板と、
   前記基板の一方の面の上に設けられた、光電子放出部を有する第１電極と、
   前記基板の前記一方の面の上に設けられた第２電極と、
   前記第２電極の電位が前記第１電極の電位より高くなるように、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
   時間変調させた光又は波長変調させた光を照射する光照射部とを備え、
   前記光電子放出部は、光が照射された場合に電子を放出し、かつ、前記光照射部からの光が入射可能な位置に設けられており、かつ、放出された電子が前記第２電極に到達する位置に設けられている
   電磁波発生装置。
3. 前記光電子放出部は平面部を有し、
   前記第２電極の形状は板状であり、
   前記平面部と前記第２電極の前記平面部に対する面とが形成する角をθ、前記平面部と前記第２電極との最短距離をＬ、前記平面部の前記第１電極から前記第２電極へ向かう方向の長さをＤとした場合、Ｄｓｉｎθ／Ｌ≦０．１が満たされる
   請求項２記載の電磁波発生装置。
4. 前記基板の前記一方の面の前記第１電極と前記第２電極との間には凹部が形成されている
   請求項２記載の電磁波発生装置。
5. 前記光電子放出部は、カーボンナノチューブが用いられて形成されている
   請求項２記載の電磁波発生装置。
6. 前記光電子放出部は、Ａｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）が用いられて形成されている
   請求項２記載の電磁波発生装置。
7. 更に、前記基板の前記一方の面の上に設けられた、前記光照射部からの光を前記光電子放出部に導くミラーを備える
   請求項２記載の電磁波発生装置。
8. 基板の一方の面に凹部を形成する第１ステップと、
   前記凹部に前記凹部を保護する保護部材を充填する第２ステップと、
   前記保護部材が充填された前記凹部の上に端部が位置するように、前記基板の前記一方の面の上に第１電極と第２電極とを間隔を設けて形成する第３ステップと、
   前記第１電極の前記第２電極との対向部を、傾斜が形成されるように削る第４ステップと、
   前記第４ステップを行った後に、前記第１電極の削られた面に光電子放出部を形成する第５ステップと、
   前記第４ステップ又は前記第５ステップを行った後に、前記保護部材を除去する第６ステップと
   を含む電磁波発生装置の製造方法。
9. 前記保護部材は多結晶ＧａＡｓである
   請求項８記載の電磁波発生装置の製造方法。
10. 基板の一方の面に段差を有するＳｉＣ層を形成する第１ステップと、
    前記段差の段が高い方の部位を除く前記基板を窒化アルミニウム部材で覆う第２ステップと、
    前記第２ステップを行った後に、前記基板全体を前記ＳｉＣ層からＳｉ成分が除去される温度で加熱し、前記段差の段が高い方の部位にカーボンナノチューブにより形成された光電子放出部を形成する第３ステップと、
    前記光電子放出部を多結晶ＧａＡｓで覆う第４ステップと、
    前記基板の前記一方の面に、前記光電子放出部と接続する第１電極を形成する第５ステップと、
    前記基板の前記一方の面に、端部が前記光電子放出部の上方に位置する第２電極を形成する第６ステップと、
    前記第６ステップを行った後に、前記多結晶ＧａＡｓを除去する第７ステップと
    を含む電磁波発生装置の製造方法。
11. 基板の一方の面に光電子放出部を形成するためにＡｌ_1-x-yＩｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の層を形成する第１ステップと、
    前記層の一部に多結晶ＧａＡｓを積層する第２ステップと、
    前記基板の前記一方の面に、前記層と接続する第１電極を形成する第３ステップと、
    前記基板の前記一方の面に、端部が前記多結晶ＧａＡｓの上に位置する第２電極を形成する第４ステップと、
    前記第４ステップを行った後に、前記多結晶ＧａＡｓを除去する第５ステップと
    を含む電磁波発生装置の製造方法。

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