JP2007281223A

JP2007281223A - 電磁波発生装置

Info

Publication number: JP2007281223A
Application number: JP2006106091A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hirose; 裕廣瀬
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】従来より少ない消費電力で、従来と同等のテラヘルツ電磁波を発生させる電磁波発生装置を提供する。
【解決手段】対向電極１４と、ギャップ１３を挟んで対向電極１４と対向するカーボンナノチューブ層１２と、対向電極１４の電位がカーボンナノチューブ層１２の電位に対して正となるように、対向電極１４とカーボンナノチューブ層１２とに電圧を印加する電圧源１６と、カーボンナノチューブ層１２にパルス状のレーザ光１０３を照射するフェムト秒レーザ光源１０２とを備え、対向電極１４はカーボンナノチューブ層１２に向かって鋭利な先端部を有し、対向電極１４とギャップ１３とカーボンナノチューブ層１２との間にバイアス電圧印加により、トンネル電流を流すことが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波発生装置に関する。

近年、セキュリティ検査用途、医療検査用途、及び食品分析用途等を目的として、テラヘルツ帯の電磁波を発生する電磁波発生装置の需要が高まりつつあり、活発な開発が進められている（特許文献１、２、非特許文献１、２）。これらの技術においては、パルス幅が１ピコ秒以下である超短パルスレーザからの光によって励起対象をパルス幅程度の緩和時間を有する励起状態に励起し、その緩和時間に発生する電界変化をテラヘルツ電磁波として取り出す。しかし、発生する電磁波のパワーが小さく、得られる電磁波を上記用途に用いるためには、高感度の検出器が必要である。
特開平４−２９６４３０号公報 US Patent 5,056,111 阪井清美「テラヘルツ時間領域分光法」、分光研究、第５０巻、第６号（２００１年）別冊、ｐ．２６１〜ｐ．２７３． A. Bonvalet and M. Joffre, "Terahertz Femtosecond Pulses", in "Femtosecond Laser Pulses", Second Ed., ed. Claude Rulliere, pp.309-pp.331, (2005).

そこで、発生する電磁波の出力が小さいという課題を解決することを目的として、本願発明者等は、図１５に示す電磁波発生装置を提案する。図１５に示す電磁波発生装置では、カソード電極１７の上にＳｉＣ基板１１が配置され、その上にカーボンナノチューブ層１２が配置され、空隙１３を置いてアノード電極１５が配置され、アノード電極１５にカソード電極１７に対して相対的に正のバイアス電圧が電源１６により印加される。電界放射型の電子放出装置のカソードであるカーボンナノチューブ層１２に、短パルスレーザ光を照射することによってカーボンナノチューブ層１２から電子を放出させ、パルス状の大電流を発生させ、高出力のテラヘルツ電磁波を発生させる。

しかし、この技術においては、電界放射動作を実現するために必要なバイアス電圧が極めて高く、その結果消費電力が極めて多くなるという課題がある。

本発明は、従来より少ない消費電力で、従来と同等のテラヘルツ電磁波を発生させる電磁波発生装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の電磁波発生装置は、第１の導電層と、ポテンシャル障壁領域を挟んで、前記第１の導電層と対向する第２の導電層と、前記第１の導電層の電位が前記第２の導電層の電位に対して正となるように、前記第１の導電層と前記第２の導電層とに電圧を印加する電源と、前記第２の導電層にパルス状の光を照射する光源とを備え、前記第１の導電層と、前記ポテンシャル障壁領域と、前記第２の導電層との間にバイアス電圧印加により、トンネル電流を流すことが可能である。本発明の電磁波発生装置は、第２の導電層内のキャリアを励起させ、被励起キャリアを前記障壁領域を通過させ、対向するアノードとして作用する第１の導電層に移動させ、瞬時電流を発生させることで、テラヘルツ電磁波を発生させる。本発明の電磁波発生装置においては、被励起キャリアは、第２の導電層から第１の導電層への移動する際、トンネルジャンクションを通過するだけであるので、従来の電界放射型の電磁波発生装置に比してバイアス電圧は１／１０以下となり、バイアス印加時のアイドリング時間での消費電力も１／１０以下に抑えることが可能となる。本発明の電磁波発生装置は、例えば、１０^-4Ｔｏｒｒ程度より真空度が高い真空状態で使用される。

例えば、前記第１の導電層は、前記第２の導電層に向かって鋭利な先端部を有する金属電極であり、前記第２の導電層は、カーボンナノチューブが前記第１の導電層から前記第２の導電層への方向に配列したカーボンナノチューブ層であり、前記ポテンシャル障壁領域は、空隙である。前記第１の導電層が鋭利な先端部を有する金属電極であるので、従来と同等の出力を有するテラヘルツ電磁波を、従来の電圧の１／５０以下のバイアス電圧で発生させることが可能となり、その結果、消費電力は従来の電圧の１／５０以下に抑えることが可能となる。

また例えば、前記第１の導電層は、金属の層であり、前記第２の導電層は、第１の半導体の層であり、前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の半導体の層、絶縁体の層、又は、空隙であり、前記電源は、前記金属のフェルミレベルが前記第１の半導体のバンドギャップ内に位置するように、前記金属の層と前記第１の半導体の層とに電圧を印加し、前記光源は、前記金属のフェルミレベルと前記第１の半導体の価電子帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記第１の半導体の層に照射する。バイアス電圧印加時には、前記金属のフェルミレベルが前記第１の半導体のバンドギャップ内に位置するのでリーク電流は発生しない。従って消費電力を更に抑えることが可能である。

前記第１の半導体はｐ型半導体であることが好ましい。なぜなら、バイアス電圧印加時に、前記第２の導電層を構成する第１の半導体の表面が空乏化し、リーク電流を更に低減すること、すなわち、消費電力を低減することが可能となるからである。

また例えば、前記第１の導電層は、第１の半導体の層であり、前記第２の導電層は、金属の層であり、前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の半導体の層、絶縁体の層、又は、空隙であり、前記電源は、前記金属のフェルミレベルが前記第１の半導体のバンドギャップ内に位置するように、前記金属の層と前記第１の半導体の層とに電圧を印加し、前記光源は、前記金属のフェルミレベルと前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記金属の層に照射する。バイアス電圧印加時には、前記金属のフェルミレベルが前記第１の半導体のバンドギャップ内に位置するのでリーク電流は発生しない。従って消費電力を更に抑えることが可能である。

前記第１の半導体はｎ型半導体であることが好ましい。なぜなら、バイアス電圧印加時に、前記第１の導電層を構成する第１の半導体の表面が空乏化し、リーク電流を更に低減すること、すなわち、消費電力を低減することが可能となるからである。

また例えば、前記第１の導電層は、第１の半導体の層であり、前記第２の導電層は、第２の半導体の層であり、前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップよりも広く、かつ前記第２の半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第３の半導体の層、絶縁体の層、又は、空隙であり、前記第２の半導体の伝導帯のエネルギーレベルが前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルよりも高く、前記光源は、前記第２の半導体のフェルミレベルと前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記第２の半導体の層に照射する。

例えば、前記第２の半導体の価電子帯のエネルギーレベルは前記第１の半導体の価電子帯のエネルギーレベルよりも低い。これにより、バイアス電圧が印加され、パルス状の光が照射されていない状態において、電磁波発生源となる第２の導電層の第２の半導体の価電子帯内電子は、第１の半導体層内にトンネル伝導によって移動しない。したがって、バイアス電圧時においては、リーク電流は発生せず、消費電力は０となる。他方、被励起キャリアは第２の導電層の第２の半導体の伝導帯に励起され、より低いエネルギーレベルにある第１の導電層半導体の伝導帯に容易にトンネルするので、電磁波発生に必要な瞬時電流を発生させることができる。例えば、前記第１の半導体はｎ型半導体であり、前記第２の半導体はｐ型半導体である。第１の半導体がｎ型半導体であるので、第１の導電層の価電子帯のホールが第２の導電層にリークすることがなく、第２の半導体がｐ型半導体であるので、第２の導電層の伝導帯の電子が第１の導電層にリークすることもない。したがって、バイアス電圧印加時におけるリーク電流はなく、消費電力は０となる。

また例えば、前記第１の導電層は、金属の層であり、前記第２の導電層は、第１の半導体の層であり、前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップより広いバンドギャップを有し、分極特性を有する第２の半導体の層であり、前記光源は、前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルと前記第２の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記第１の半導体の層に照射する。前記第２の導電層と前記ポテンシャル障壁領域との間には、十分に濃度の濃い電子の蓄積層が形成されるので、所望のパワーを有する電磁波を発生させることが可能となる。

また例えば、前記第１の導電層は、第１の半導体の層であり、前記第２の導電層は、金属の層であり、前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップより広いバンドギャップを有し、分極特性を有する第２の半導体の層であり、前記光源は、前記金属のフェルミレベルと前記第２の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記金属の層に照射する。

本発明の電磁波発生装置によれば、従来よりも低いバイアス電圧で、すなわち従来よりも少ない消費電力で、従来と同等のパワーを有するテラヘルツ電磁波を電界放射型により発生させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
先ず、実施の形態１の電磁波発生装置について図１を参照して説明する。

図１は、実施の形態１の電磁波発生装置の断面を模式的に示している。図１に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板１１を１×１０^-5Ｔｏｒｒの真空中で温度１０００℃で６０分アニールすることにより、ＳｉＣからＳｉを脱離させ、残存炭素をＳｉＣ基板１１に対して垂直方向に配列させた高さ２００ｎｍのカーボンナノチューブ層１２を形成させる。ＳｉＣ基板１１の表面に形成されたカーボンナノチューブ層１２は、カーボン面が平均して５層よりなる平均直径１１０ｎｍのマルチウォール型であり、各カーボン面間距離を保ったまま最表面で閉じた構造をとるため、各チューブ先端部で尖鋭な形状が形成される。

カーボンナノチューブ層１２の上に、ポテンシャル障壁として作用する間隔０．１μｍのギャップ１３を挟んで、透明電極１５の上に形成された先端が尖鋭なティップ構造であるアノードとして作用する対向電極１４を配置する。対向電極１４は、ＳｉＣ基板１１に対して相対的に正のバイアス電圧が電圧源１６により印加される透明電極１５に接続している。カーボンナノチューブ層１２とギャップ１３と対向電極１４とはトンネルジャンクションであり、その電流−電圧特性は図２の曲線Ｉにより示される。

図２からわかるように、曲線IIにより示される従来の電界放出型の電磁波発生装置の電流−電圧特性と比較して、実施の形態１の電磁波発生装置では、０．０１μＡの電流を発生させるのに必要な電圧として定義される閾値電圧は従来の約２７０Ｖから約２５Ｖへと従来の１／１０以下に低減する。これは、カソード（カーボンナノチューブ層）１２からアノード（対向電極）１４へ、電子１０５が非常に狭いギャップ１３をトンネルすることによるものであり、実施の形態１の電磁波発生装置では、従来の電界放射型の電磁波発生装置に比して、トンネル障壁の幅が狭いことに起因する。

トンネルジャンクションのアノード１４の先端部下のカソード１２の表面に、超短パルスレーザ光源１０２から発せられるパルス幅１００フェムト秒のレーザ光１０３を照射すると、カーボンナノチューブ層１２の表面で励起された電子１０５が印加バイアス電圧に従い、アノード１４の先端に向かってトンネル効果によって移動する。この励起された電子１０５の移動に伴う電流の時間変化が、電流の進行方向に平行な方向に変化する電界を伴う電磁波を発生する。

電流はレーザ光１０３のパルス幅と励起された電子１０５の緩和時間との和の時間間隔（通常０．１〜１０ｐｓ程度）で変化する。従って、発生する電磁波の周波数はその逆数に比例し、図３に示すように、０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が得られる。

このように、実施の形態１の電磁波発生装置は、従来の１／１０以下のバイアス印加電圧により従来と同程度の出力を有するテラヘルツ電磁波を発生させることが可能である。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２の電磁波発生装置について図４を参照して説明する。

図４は、実施の形態２の電磁波発生装置の断面を模式的に示している。ｐ型Ｓｉ基板２１の上に厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂膜２２を熱酸化法により形成し、その上にｎ⁺ポリシリコン電極２３を堆積し、基板２１、絶縁膜（ＳｉＯ₂膜）２２、及び電極２３をＭＯＳ構造とする。基板２１と絶縁膜２２と電極２３との接合はトンネルジャンクションである。

電極２３に基板２１に対して相対的に正のバイアス電圧を電圧源２５により印加したときの電流−電圧特性を図５の曲線Ｉに示す。図６（Ａ）に示すように、電極２３のフェルミレベルＥ_Fが基板２１のバンドギャップ中に位置する低電圧印加時（図５の領域（ｉ））では、基板２１のバンドギャップ中の状態密度が極めて低いので、リーク電流は極めて少ない。バイアス電圧を更に高くし（図５の領域（ｉｉ））、図６（Ｂ）に示すように、電極２３のフェルミレベルＥ_Fが基板２１の価電子帯よりも低いエネルギーレベルとなると、基板２１の価電子帯の状態密度が高いのでトンネル効果により、電流はバイアス電圧の増加に対して指数関数的に増大する。

図５からわかるように、図５の曲線IIに示す従来の電界放出型の電磁波発生装置の電流−電圧特性と比較して、実施の形態２の電磁波発生装置では、０．０１μＡの電流を発生させるのに必要な閾値電圧は従来の約２７０Ｖから約１Ｖへと従来の１／２５０以下に低減する。これは、カソードである基板２１からアノードである電極２３へ、電子２７が非常に薄い絶縁膜２２をトンネルすることによるものであり、実施の形態２の電磁波発生装置では、従来の電界放射型の電磁波発生装置と比較してトンネル障壁の幅が狭いことに起因する。

ここで、電極２３のフェルミレベルＥ_Fが基板２１のバンドギャップ中に位置するように、電極２３に基板２１に対して相対的に正のバイアス電圧を電圧源２５により印加する（図５の領域（ｉ）及び図６（Ａ）参照）。この状態で、トンネルジャンクションの電極２３の下部に位置する基板２１の表面に、超短パルスレーザ光源１０２から発せられるパルス幅１００フェムト秒、エネルギー１．５９ｅＶのレーザ光１０３を照射する。これにより、基板２１にレーザ光１０３が照射されたときだけ、図６（Ａ）に示すように、基板２１の表面で基板２１の価電子帯から金属のフェルミレベル以上の高さに励起された電子２７が印加バイアス電圧に従い、電極２３に向かってトンネル伝導によって移動する。この励起された電子２７の移動に伴う電流の時間変化が、電流の進行方向に平行な方向に変化する電界を伴う電磁波を発生する。

電流は励起レーザ光１０３のパルス幅と励起された電子２７の緩和時間との和の時間内（通常０．１〜１０ｐｓ程度）で急激に変化する。従って、発生する電磁波の周波数はその逆数に比例し、図３に示すように、周波数０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が得られる。

このように、実施の形態２の電磁波発生装置は、従来の１／２５０以下のバイアス印加電圧により従来と同程度の出力を有するテラヘルツ電磁波を発生させることが可能である。

なお、実施の形態２では、超短パルスレーザ光１０３のエネルギーは１．５９ｅＶであってｐ型Ｓｉ基板２１のバンドギャップ以上であるので、価電子帯の電子は伝導帯まで励起される。しかしながら、テラヘルツ電磁波を発生させるために必要な被励起電子を電極２３側へトンネル伝導させるためには、レーザ光１０３のエネルギーはバイアス印加時の金属電極２３のフェルミレベルＥ_Fとｐ型Ｓｉ基板２１の価電子帯との差より大きいエネルギーであれば十分である。

また、絶縁膜（ＳｉＯ₂膜）２２は、ｐ型Ｓｉ基板２１を構成するｐ型Ｓｉのバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する半導体、又は、空隙に置き換えられてもよい。更に、ｐ型Ｓｉ基板２１はｎ型半導体によって構成される基板に置き換えられてもよい。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３の電磁波発生装置について図７を参照して説明する。

図７は、実施の形態３の電磁波発生装置の断面を模式的に示している。ｎ型Ｓｉ基板３１の上に厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂膜３２を熱酸化法により形成し、その上にｐ⁺ポリシリコン電極３３を堆積し、基板３１、絶縁膜（ＳｉＯ₂膜）３２、及び電極３３をＭＯＳ構造とする。基板３１と絶縁膜３２と電極３３との接合はトンネルジャンクションである。

電極３３に基板３１に対して相対的に負のバイアス電圧を電圧源３５により印加したときの電流−電圧特性を図８の曲線Ｉに示す。図９（Ａ）に示すように、電極３３のフェルミレベルＥ_Fが基板３１のバンドギャップ中に位置する低電圧印加時（図８の領域（ｉ））では、基板３１のバンドギャップ中の状態密度が極めて低いので、リーク電流は極めて少ない。バイアス電圧を更に負側に増大し（図８の領域（ｉｉ））、図９（Ｂ）に示すように、電極３３のフェルミレベルＥ_Fが基板３１の伝導帯よりも高いエネルギーレベルとなると、基板３１の伝導帯の状態密度が高いのでトンネル効果により、電流はバイアス電圧の負側への増加に対して指数関数的に増大する。

図８からわかるように、図８の曲線IIに示す従来の電界放出型の電磁波発生装置の電流−電圧特性と比較して、実施の形態３の電磁波発生装置では、０．０１μＡの電流を発生させるのに必要な閾値電圧は従来の約２７０Ｖから約１Ｖへと従来の１／２５０以下に低減する。これは、カソードである電極３３からアノードである基板３１へ向かって電子３７が非常に薄い絶縁膜３２をトンネルすることによるものであり、実施の形態３の電磁波発生装置では、従来の電界放射型の電磁波発生装置に比して、トンネル障壁幅が狭いことに起因する。

ここで、電極３３のフェルミレベルＥ_Fが基板３１のバンドギャップ中に位置するように、電極３３に基板３１に対して相対的に負のバイアス電圧を電圧源３５により印加する（図８の領域（ｉ）及び図９（Ａ）参照）。この状態で、トンネルジャンクションの電極３３の絶縁膜３２との界面近傍に、超短パルスレーザ光源１０２から発せられるパルス幅１００フェムト秒、エネルギー１．５９ｅＶのレーザ光１０３を照射する。これにより、電極３３にレーザ光１０３が照射されたときだけ、図９（Ａ）に示すように、電極３３の絶縁膜３２との界面近傍のフェルミレベルＥ_Fから励起された電子３７が印加バイアス電圧に従い、基板３１に向かってトンネル伝導によって移動する。この励起された電子３７の移動に伴う電流の時間変化が、電流の進行方向に平行な方向に変化する電界を有する電磁波を発生する。

電流は励起レーザ光１０３のパルス幅と励起された電子３７の緩和時間との和の時間内（通常０．１〜１０ｐｓ程度）で急激に変化する。従って、発生する電磁波の周波数はその逆数に比例し、図３に示すように、周波数０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が得られる。

このように、実施の形態３の電磁波発生装置は、従来の１／２５０以下のバイアス印加電圧により従来と同程度の出力を有するテラヘルツ電磁波を発生させることが可能である。

なお、実施の形態３では、超短パルスレーザ光１０３のエネルギーは１．５９ｅＶであって電極３３のフェルミレベルＥ_Fとｎ型Ｓｉ基板３１の伝導帯のエネルギーレベルとの差以上であるため、電極３３側で電子は基板３１の伝導帯よりも高いレベルまで励起される。しかしながら、テラヘルツ電磁波を発生させるために必要なレーザ光１０３のエネルギーは、電極３３のフェルミレベルＥ_Fとｎ型Ｓｉ基板３１の伝導帯のエネルギーレベルとの差より大きいエネルギーであればよい。

また、絶縁膜（ＳｉＯ₂膜）３２は、ｎ型Ｓｉ基板３１を構成するｎ型Ｓｉのバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する半導体、又は、空隙に置き換えられてもよい。更に、ｎ型Ｓｉ基板３１はｎ型半導体によって構成される基板に置き換えられてもよい。

（実施の形態４）
次に、実施の形態４の電磁波発生装置について図１０を参照して説明する。

図１０は、実施の形態４の電磁波発生装置の断面を模式的に示している。ｎ型ＧａＡｓ基板４１の上に厚さ１０ｎｍのＣａＦ₂膜４２をＭＢＥ法により形成し、更にその上にｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３をＭＢＥ法により堆積し、半導体−絶縁膜−半導体（ＳＩＳ）構造を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板４１と絶縁層（ＣａＦ₂膜）４２とｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３との接合はトンネル接合である。

ｎ型ＧａＡｓ基板４１、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３は、オーミックコンタクト４４ａ、４４ｂを介して各々電源４５の正極、負極に接続される。ｐ型ＡｌＧａＡｓ層４３に基板４１に対して相対的に負のバイアス電圧を電源４５により印加したときの電流−電圧特性を図１１の曲線Ｉにより示す。上記バイアス条件は、ダイオードの逆バイアス条件であり、ｎ型ＧａＡｓ基板４１、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３ともに空乏層が広がる。

加えて、実施の形態４においては、絶縁層４２を挟んでｎ型ＧａＡｓ基板４１とｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３とが配置されている。図１２（Ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板４１よりもバンドギャップが広いｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３の価電子帯のエネルギーレベルがバンドギャップの狭いｎ型ＧａＡｓ基板４１の価電子帯のレベルよりも低く、かつ、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３の伝導帯のエネルギーレベルがｎ型ＧａＡｓ基板４１の伝導帯のレベルよりも高い。したがって、絶縁層４２の両側のキャリアは電圧の絶対値が増加するほど減少し、かつ、バイアスの増加に伴い絶縁層４２の両側の層の間の状態密度の重なりが増加しても、電子のトンネリング確率は極めて低い。したがって、絶縁破壊電圧２５Ｖに達しない限り、リーク電流は極めて低く０．０１μＡ以下に抑えられる。

実施の形態４の電磁波発生装置に上記負バイアス条件で、電源４５により０．５Ｖを印加した状態で、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３の絶縁膜４２との界面近傍に、超短パルスレーザ光源１０２から発せられるパルス幅１００フェムト秒、エネルギー１．５９ｅＶのレーザ光１０３を照射する。そうすると、図１２（Ｂ）に示すように、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３の価電子帯から励起された電子４７が印加バイアス電圧に従い、ｎ型ＧａＡｓ基板４１に向かってトンネル伝導により移動する。この励起された電子４７の移動に伴う電流の時間変化が、電流の進行方向に平行な方向に変化する電界を有する電磁波を発生する。

電流は励起レーザ光１０３のパルス幅と励起された電子４７の緩和時間との和の時間内（通常０．１〜１０ｐｓ程度）で急激に変化する。従って、発生する電磁波の周波数はその逆数に比例し、図３に示すように、周波数０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が得られる。

このように、実施の形態４の電磁波発生装置は、従来の１／１００以下のバイアス印加電圧により従来と同程度の出力を有するテラヘルツ電磁波を発生させることが可能である。

なお、レーザ光１０３のエネルギーは、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３のフェルミレベルＥ_Fとｎ型ＧａＡｓ基板４１の伝導帯のエネルギーレベルとの差より大きいエネルギーであればよい。

また、絶縁層４２は、ｎ型ＧａＡｓ基板４１を構成する半導体のバンドギャップよりも広く、かつｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３よりも広いバンドギャップを有する半導体の層、又は、空隙に置き換えられてもよい。更に、ｎ型ＧａＡｓ基板４１はｐ型半導体によって構成される基板に置き換えられてもよく、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層４３はｎ型半導体によって構成される基板に置き換えられてもよい。

（実施の形態５）
次に、実施の形態５の電磁波発生装置について図１３を参照して説明する。

図１３は、実施の形態５の電磁波発生装置の断面を模式的に示している。サファイア基板５１の上に厚さ１μｍのＧａＮエピタキシャル層５２を堆積し、その上に厚さ１０ｎｍのＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５３を堆積し、更にその上にＰｄ−Ｎｉ合金より形成される電極５４を堆積する。ＧａＮ層５２とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５３と電極５４との接合はトンネルジャンクションである。

ＧａＮ層５２とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５３とはヘテロ接合し、その分極量の差に起因する高濃度（１０¹³ｃｍ^-2以上）の２次元電子ガスがヘテロ接合界面に生成される。更に、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５３は厚さ１０ｎｍと極めて薄く、ヘテロ接合障壁層として作用するが、電極５４への正電圧印加時に前記２次元電子ガスの電極５４へのトンネル伝導が可能であり、図１４の曲線Ｉに示す電流−電圧特性が得られる。

図１４からわかるように、図１４の曲線IIに示す従来の電界放出型の電磁波発生装置の電流−電圧特性と比較して、実施の形態５の電磁波発生装置では、０．０１μＡの電流を発生させるのに必要な閾値電圧は従来の約２７０Ｖから約０．５Ｖへと従来の１／５００以下に低減する。これは、カソードである二次元電子ガスがアノードである電極５４へ非常に薄い障壁層（Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層）５３をトンネルすることによるものであり、従来の電界放射型の電磁波発生装置に比して、実施の形態５の電磁波発生装置のトンネル障壁の幅が狭いことに起因する。

トンネルジャンクションのＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５３の直下領域の二次元電子ガスに、超短パルスレーザ光源１０２から発せられるパルス幅１００フェムト秒のレーザ光１０３を照射すると、二次元電子ガスの基底準位から励起された電子５７が印加バイアス電圧に従い、電極５４に向かってトンネル伝導により移動する。この励起された電子５７の移動に伴う電流の時間変化が、電流の進行方向に平行な方向に変化する電界を有する電磁波を発生する。

電流は励起レーザ光１０３のパルス幅と励起された電子５７の緩和時間との和の時間間隔（通常０．１〜１０ｐｓ程度）で変化する。従って、発生する電磁波の周波数はその逆数に比例し、図３に示すように０．１〜１０ＴＨｚのテラヘルツ電磁波が得られる。

このように、実施の形態５の電磁波発生装置は、従来の１／５００以下のバイアス印加電圧で、従来と同程度の出力を有するテラヘルツ電磁波を発生することが可能である。

なお、レーザ光１０３は、ＧａＮ層５２の伝導帯のエネルギーレベルとＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層５３の伝導帯のエネルギーレベルとの差より大きいエネルギーを有していればよい。

また、電源電圧極性を反転し、電極５４に負電圧を印加し、超短パルスレーザ光源１０２からの光として電極５４を構成する金属のフェルミレベルとＧａＮ層５２の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を電極５４の直下に照射してもよい。この場合も、二次元電子ガスの基底準位から励起された電子が、印加バイアス電圧に従い、ＧａＮ層５２に向かってトンネル伝導により移動し、その励起された電子の移動に伴う電流の時間変化が、電流の進行方向に平行な方向に変化する電界を有するテラヘルツ電磁波を発生する。

なお、各実施の形態において、トンネルジャンクションは、トンネル電流が発生するジャンクションであって、ポテンシャル障壁の幅は１μｍ以下である。

本発明の電磁波発生装置は、セキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサ、医療診断装置等に利用可能である。

実施の形態１の電磁波発生装置の構成図である。実施の形態１の電流−電圧特性を示す図である。得られるテラヘルツ電磁波を示す図である。実施の形態２の電磁波発生装置の構成図である。実施の形態２の電流−電圧特性を示す図である。実施の形態２における電子のトンネル伝導を説明するための図である。実施の形態３の電磁波発生装置の構成図である。実施の形態３の電流−電圧特性を示す図である。実施の形態３における電子のトンネル伝導を説明するための図である。実施の形態４の電磁波発生装置の構成図である。実施の形態４の電流−電圧特性を示す図である。実施の形態４における電子のトンネル伝導を説明するための図である。実施の形態５の電磁波発生装置の構成図である。実施の形態４の電流−電圧特性を示す図である。従来の電磁波発生装置の構成図である。

符号の説明

１１ＳｉＣ基板
１２カーボンナノチューブ層
１３空隙
１４ティップ構造を有する対向電極
１５アノード電極
１６電圧源
１７裏面電極
１０２フェムト秒レーザ光源
１０３フェムト秒パルスレーザ光
１０４発生電磁波波面
１０５トンネル伝導電子
２１ｐ型Ｓｉ基板
２２ＳｉＯ₂膜
２３ｎ⁺ポリシリコンアノード電極
２４アノード用オーミック電極
２５電圧源
２６基板用オーミック裏面電極
２７トンネル伝導電子
３１ｎ型Ｓｉ基板
３２ＳｉＯ₂膜
３３ｐ⁺ポリシリコンカソード電極
３４カソード用オーミック電極
３５電圧源
３６基板用オーミック裏面電極
３７トンネル伝導電子
４１ｎ型ＧａＡｓ基板
４２ＣａＦ₂膜
４３ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層
４４ａ，４４ｂオーミック電極
４５電圧源
４７トンネル伝導電子
５１導電性Ｓｉ基板
５２ＧａＮ層
５３Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層
５４Ｐｄ−Ｎｉ電極
５５電圧源

Claims

第１の導電層と、
ポテンシャル障壁領域を挟んで、前記第１の導電層と対向する第２の導電層と、
前記第１の導電層の電位が前記第２の導電層の電位に対して正となるように、前記第１の導電層と前記第２の導電層とに電圧を印加する電源と、
前記第２の導電層にパルス状の光を照射する光源とを備え、
前記第１の導電層と、前記ポテンシャル障壁領域と、前記第２の導電層との間にバイアス電圧印加により、トンネル電流を流すことが可能である
電磁波発生装置。
前記第１の導電層は、前記第２の導電層に向かって鋭利な先端部を有する金属電極であり、
前記第２の導電層は、カーボンナノチューブが前記第１の導電層から前記第２の導電層への方向に配列したカーボンナノチューブ層であり、
前記ポテンシャル障壁領域は、空隙である
請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記第１の導電層は、金属の層であり、
前記第２の導電層は、第１の半導体の層であり、
前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の半導体の層、絶縁体の層、又は、空隙であり、
前記電源は、前記金属のフェルミレベルが前記第１の半導体のバンドギャップ内に位置するように、前記金属の層と前記第１の半導体の層とに電圧を印加し、
前記光源は、前記金属のフェルミレベルと前記第１の半導体の価電子帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記第１の半導体の層に照射する
請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記第１の半導体はｐ型半導体である
請求項３に記載の電磁波発生装置。
前記第１の導電層は、第１の半導体の層であり、
前記第２の導電層は、金属の層であり、
前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の半導体の層、絶縁体の層、又は、空隙であり、
前記電源は、前記金属のフェルミレベルが前記第１の半導体のバンドギャップ内に位置するように、前記金属の層と前記第１の半導体の層とに電圧を印加し、
前記光源は、前記金属のフェルミレベルと前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記金属の層に照射する
請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記第１の半導体はｎ型半導体である
請求項５に記載の電磁波発生装置。
前記第１の導電層は、第１の半導体の層であり、
前記第２の導電層は、第２の半導体の層であり、
前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップよりも広く、かつ前記第２の半導体のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第３の半導体の層、絶縁体の層、又は、空隙であり、
前記第２の半導体の伝導帯のエネルギーレベルが前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルよりも高く、
前記光源は、前記第２の半導体のフェルミレベルと前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記第２の半導体の層に照射する
請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記第２の半導体の価電子帯のエネルギーレベルは前記第１の半導体の価電子帯のエネルギーレベルよりも低い
請求項７に記載の電磁波発生装置。
前記第１の半導体はｎ型半導体であり、
前記第２の半導体はｐ型半導体である
請求項７に記載の電磁波発生装置。
前記第１の導電層は、金属の層であり、
前記第２の導電層は、第１の半導体の層であり、
前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップより広いバンドギャップを有し、分極特性を有する第２の半導体の層であり、
前記光源は、前記第１の半導体の伝導帯のエネルギーレベルと前記第２の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記第１の半導体の層に照射する
請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記第１の導電層は、第１の半導体の層であり、
前記第２の導電層は、金属の層であり、
前記ポテンシャル障壁領域は、前記第１の半導体のバンドギャップより広いバンドギャップを有し、分極特性を有する第２の半導体の層であり、
前記光源は、前記金属のフェルミレベルと前記第２の半導体の伝導帯のエネルギーレベルとの差よりも大きいエネルギーを有するパルス状の光を前記金属の層に照射する
請求項１に記載の電磁波発生装置。
第１の導電層と、ポテンシャル障壁領域を挟んで、前記第１の導電層と対向する第２の導電層とを有し、前記第１の導電層と前記ポテンシャル障壁領域と前記第２の導電層との接合がトンネルジャンクションである素子に対して、
前記第１の導電層の電位が前記第２の導電層の電位に対して正となるように、前記第１の導電層と前記第２の導電層とに電圧を印加し、
前記第２の導電層にパルス状の光を照射する
電磁波発生方法。