JP2009105102A - テラヘルツ波エミッタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光スイッチをアレイ化してもスクリーニング効果により、十分なテラヘルツ波の出力が得られない。
【解決手段】テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波エミッタ装置であって、半導体テンプレート１４と、その上に形成されたアンテナパターンとを備え、前記アンテナパターンは、ダイポールアンテナを構成する第１のアンテナ電極と第２のアンテナ電極とからなる光スイッチ１２が複数並べられた光スイッチアレイと、複数の光スイッチ１２の第１のアンテナ電極同士を接続する第１の伝送線路１１と、複数の光スイッチの第２のアンテナ電極同士を接続する第２の伝送線路１１とを有し、複数の光スイッチ１２は、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部とがギャップ１３を介して対向し、それぞれのアンテナ電極の先端部が、ギャップ１３に向けて漸次幅狭に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明はテラヘルツ波を発生させる装置に関する。

周波数が１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚであるテラヘルツ波は、その直進性やセラミック、プラスチック、紙などの不透明な物質に対する透過性という特徴から、分光学、バイオメディカル、イメージング、及びセキュリティー分野などへの応用展開が注目されている。これに伴い、上記分野への応用開発が活発になされているが、同時に、基本的な構成要素であるテラヘルツ検出器や発振器の性能向上に関する開発は必須課題である。なかでも、小型で高出力のテラヘルツ波発生器の開発需要は大きい。

図１８は、従来のテラヘルツ波の発生原理を概略説明した図である。同図は、フェムト秒レーザ５０１が、光伝導効果や光学的非線形効果を有する結晶基板５０２に入射されることにより、テラヘルツ波５０３が放射されることを示している。同図（ａ）は透過モードを、また、同図（ｂ）は反射モードを表している。通常、高出力のテラヘルツ波が必要とされるときは、透過モードを使用する方が有利である。

また、結晶基板材料としては、無機結晶材料であるＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓや、有機結晶材料であるＤＡＳＴ（４−（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ） ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｐ−ｔｏｌｕｅｎｓｕｌｆｏｎａｔｅ）などが使用されている。

しかしながら、これらの材料を用いてテラヘルツ波を発生させるためには、上記結晶材料が有する光伝導効果や非線形効果を引き出すための高出力のレーザが必要とされる。この高出力のフェムト秒レーザ５０１は一般的に高価でサイズが大きい。

これに対し、比較的低出力で小型のフェムト秒レーザおよび光伝導効果を用いた光スイッチによるテラヘルツ波の発生も確認されている。図１９は、小型のフェムト秒レーザおよび光スイッチを用いた従来のテラヘルツ波発生装置の構成図を示す。同図に示されるテラヘルツ波発生装置は、フェムト秒レーザ５０１と、テラヘルツ波５０３と、半絶縁性ＧａＡｓウェハ５０４と、低温成長ＧａＡｓテンプレート５０５と、電極５０６および５０７と、電極５０６および５０７が最接近している部分であるギャップ部５０８と、半球状Ｓｉレンズ５０９と、ＤＣバイアス電圧５１０とを備える。

光スイッチは２つの電極５０６および５０７とギャップ部５０８とで構成される。

電極５０６および５０７は、半絶縁性ＧａＡｓウェハ５０４上に低温成長した膜厚１〜４μｍの低温成長ＧａＡｓテンプレート上に形成される。ＧａＡｓは高い移動度および短いキャリア寿命をもつといった点で、テラヘルツ波発生に適した材料と考えられている。また、電極５０６および５０７は、２つの伝送線路とその間に設けられたダイポールアンテナから構成される。

ギャップ部５０８に、集光されたフェムト秒レーザ５０１が照射されると、ギャップ部５０８にキャリアである電子正孔対が生成される。そして、ＤＣバイアス電圧５１０の印加により、電子および正孔がそれぞれ正極および負極へ加速され、テラヘルツ波５０３の発生が加速される。また、ＤＣバイアス電圧５１０の供給タイミングとフェムト秒レーザ５０１のビーム照射のタイミングを同期させることにより、テラヘルツ波出力の高効率化およびＳＮ比の改善がなされる。

ここで、空気とＧａＡｓウェハの屈折率の差のため、放射されたテラヘルツ波５０３は、アンテナとして機能する電極５０６および５０７面からよりもむしろ、その反対側の半絶縁性ＧａＡｓウェハ５０４の裏面から放射される。この光スイッチが形成された半絶縁性ＧａＡｓウェハ５０４の裏面には、光スイッチから放射されるテラヘルツ波５０３を最大限集光するために、半球状Ｓｉレンズ５０９が配置されている。この場合、半球状Ｓｉレンズ５０９のセンターと光スイッチのギャップ部５０８の位置調整が必要となる。この半球状Ｓｉレンズ５０９を使うことにより、テラヘルツ波５０３の内部での全反射が防止される。

しかし、図１９に示されるような単一のＧａＡｓ光スイッチを用いてテラヘルツ波の発生装置を構成した場合、以下のような問題点が挙げられる。

（１）光スイッチとしての有効面積が小さい
図１９をみて明らかなように、テラヘルツ波５０３の発生に寄与しているのは、高価な低温成長ＧａＡｓテンプレート５０５上の僅かな面積を占めるギャップ部５０８であり、残りの低温成長ＧａＡｓテンプレート５０５領域は、光スイッチを構造的に支持してはいるが、テラヘルツ波５０３の発生には直接貢献していない。また、貴重なフェムト秒レーザ５０１の一部のパワーしかテラヘルツ波５０３へと変換できない。

（２）光スイッチとしての静電容量が小さい
単一の光スイッチは、静電容量が小さく、ＤＣバイアス電圧５１０から供給された電荷を十分保持できないので、テラヘルツ波５０３の出力が制限される。

上述した、単一の光スイッチで構成されたテラヘルツ波発生装置の課題を解決する手段として、光スイッチをアレイ化し、それぞれの光スイッチに独立したバイアス電圧を供給することが提案されている（特許文献１）。この提案によれば、光スイッチのアレイ化および供給バイアス電圧の最適化により、高価な半導体基板が有効に利用されること、また、レンズにより分配されたフェムト秒レーザが複数の光スイッチアレイに同時に照射されること、また、電気回路定数や材料物性を最適化にすることでほぼ光スイッチアレイの規模に応じた高出力のテラヘルツ波発生が期待される。
特開２０００−４９４０２号公報

しかしながら、上述した光スイッチのアレイ化においては、隣接する光スイッチのギャップ部の相互干渉が考慮されておらず、また、ギャップ部の形状に応じて楕円状のレーザが照射されたとき、結果的に強力なスクリーニング効果により、テラヘルツ波の出力が予想に反して減少してしまう。

さらに、個々の光スイッチに独立したバイアス電圧を供給するためには、少なくとも片側の伝送線路は電位が共通化されず、接続された個々のダイポールアンテナに対して引き出し電極が必要となり、また、電圧供給回路も複雑化され、回路規模が大きくなってしまう。

ここでいうスクリーニング効果とは、フェムト秒レーザなどの光照射により励起されて発生した電子および正孔が空間的に混在した状態であるとき、バイアス電圧の印加により加速されて瞬時電流が流れる時に、相互作用により発生を打ち消し合い、テラヘルツ波発生を飽和状態にしてしまう現象をいう（非特許文献１）。

以下、スクリーニング効果について検証した結果を説明する。

図２０は、スクリーニング効果を検証したときの測定システムの構成図であり、また、図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、フェムト秒レーザのビーム径を変えたときのテラヘルツ波出力の比較波形図である。図２０に示す測定システムは、フェムト秒レーザ５０１と、オプティカルチョッパ５１１と、単一の光スイッチを備えたテラヘルツ波発生器５１２と、球面ミラー５１３と、レーザフィルタ用Ｓｉウェハ５１４と、ボロメータ５１５と、ロックインアンプ５１６と、オシロスコープ５１７とを備える。

ボロメータ５１５を用いてテラヘルツ波が検出されることにより、スクリーニング効果が観察される。サファイア上に１ミクロン厚のカーボンドープされたＧａＮ層を用いて単一光スイッチが作製された。フェムト秒レーザ５０１が単一光スイッチ上に照射され、半球面状のＳｉレンズと１組の球面ミラー５１３を介して、ボロメータ５１５によりテラヘルツ波の出力が測定された。ボロメータ５１５により測定された出力は、オプティカルチョッパ５１１やレーザドライバからの参照信号を用いてロックインアンプ５１６により分析された。テラヘルツ波の出力は電気信号として測定され、図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示されるようにオシロスコープで観測された。このときのフェムト秒レーザ５０１のビーム径はそれぞれ４ｍｍおよび０．８ｍｍであった。このとき、フェムト秒レーザ５０１のそれぞれのパワー密度は同じである。

図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示された測定データにより、以下のような結果が得られた。

（１）光スイッチのギャップサイズより十分大きなビーム径をもつレーザがギャップ近辺に広く照射された場合、発生する光電流は大きいと推察されるがテラヘルツ波の出力５２１は小さい。

（２）光スイッチのギャップサイズと同程度に小さなビーム径をもつレーザがギャップ近辺に集中して照射された場合、発生する光電流は小さいと推察されるがテラヘルツ波の出力５３１は大きい。

以上の検証により、スクリーニング効果は、照射するレーザビーム径と光スイッチのギャップの大きさとの相対関係、および印加バイアス電圧を考慮しなかった場合、テラヘルツ波の出力を抑制してしまい、結果的に、光スイッチをアレイ化しても所望のテラヘルツ波の高出力は得られないという問題が生じる。

本発明は、上述したスクリーニング効果を最小に抑え、小さなパワーのレーザ照射でテラヘルツ波の高出力化を果たすテラヘルツ波エミッタ装置を提供することを目的とする。
Dae Sim Kim et al., "Enhancement of terahertz radiation from photoconductors by elliptically focused excitation", Applied Physics Letters, vol.87, 061108 (2005)

上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波エミッタ装置は、光伝導効果によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波エミッタ装置であって、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたアンテナパターンとを備え、前記アンテナパターンは、ダイポールアンテナを構成する第１のアンテナ電極と第２のアンテナ電極とからなる光スイッチが複数並べられた光スイッチアレイと、前記複数の光スイッチの第１のアンテナ電極同士を接続する第１の伝送線路と、前記複数の光スイッチの第２のアンテナ電極同士を接続する第２の伝送線路とを有し、前記複数の光スイッチのそれぞれでは、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部とがギャップを介して対向し、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部とは、それぞれ、前記ギャップに向けて漸次幅狭に形成されていることを特徴とする。

これにより、ギャップ間の電界がギャップの先端に集中し、電界密度の高い領域が局所的に形成される。よって、レーザは、そのビーム径を絞ることにより小さなパワーで効果的に照射されるので、各々の光スイッチにおけるスクリーニング効果が減少する。また、高い電界密度が得られることも相まって、個々のテラヘルツ波の出力は増加する。これをアレイ化することにより、スクリーニング効果が最小化され、小さなレーザパワーでテラヘルツ波の高出力が得られる。

また、前記第１のアンテナ電極の先端部および前記第２のアンテナ電極の先端部が共に先鋭形状を有していることが好ましい。

これにより、アンテナ電極の先端の電界密度が最大化され、個々のテラヘルツ波出力が増加する。

また、前記複数の光スイッチのそれぞれでは、前記第１のアンテナ電極の長さと、前記第２のアンテナ電極の長さとが等しく、前記光スイッチアレイでは、すべての前記第１のアンテナ電極の長さが等しく、かつ、すべての前記第２のアンテナ電極の長さが等しく、かつ、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がすべて等しくてもよい。

これにより、コヒーレントで狭帯域なテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記複数の光スイッチのそれぞれでは、前記第１のアンテナ電極の長さと、前記第２のアンテナ電極の長さとが異なり、前記光スイッチアレイでは、すべての前記第１のアンテナ電極の長さが等しく、かつ、すべての前記第２のアンテナ電極の長さが等しく、かつ、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がすべて等しくてもよい。

これにより、テラヘルツ波の放射がギャップの両側に位置するダイポールアンテナの長短により、非対称となる。よって、コヒーレントでアンテナ電極方向に指向性を持つテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記光スイッチアレイでは、隣り合う光スイッチ同士は、前記第１のアンテナ電極の長さが異なり、かつ隣り合う光スイッチ同士は、前記第２のアンテナ電極の長さが異なり、前記第１のアンテナ電極の長さおよび前記第２のアンテナ電極の長さの変化パターンが段階的であり、前記光スイッチアレイにわたり前記変化パターンが周期的に繰り返され、かつ、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がすべて等しくてもよい。

これにより、隣り合う光スイッチ間でのギャップは近接せず、ギャップ間のスクリーニング効果が抑制され、テラヘルツ波の高出力化が実現される。さらに、照射されるレーザビームを必要以上に絞る必要がない。

また、前記光スイッチアレイでは、前記第１のアンテナ電極の長さ、前記第２のアンテナ電極の長さ、及び、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がランダムに異なって配置されていてもよい。

これにより、広帯域なテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との間隔は、少なくとも前記第１のアンテナ電極および前記第２のアンテナ電極が接続されている領域において、一定であることが好ましい。

これにより、光スイッチアレイが多段化された場合に、その構成がコンパクトとなり、高密度なテラヘルツ放射がなされ、テラヘルツ波の高出力化が実現される。

さらに、前記光スイッチアレイでは、隣り合う光スイッチどうしの間隔が、すべての光スイッチにわたり段階的に変化してもよい。

これにより、伝送線路の方向に、高密度または低密度のテラヘルツ放射がなされる部分が存在する。よって、伝送線路の方向に指向性を持つテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記光スイッチアレイでは、隣り合う光スイッチ同士の間隔がすべて等しく、前記間隔はＮλ／４ｎであり、前記Ｎは整数であり、前記λは発生するテラヘルツ波の波長であり、前記ｎは前記半導体基板の屈折率であってもよい。

これにより、コヒーレントなテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記光スイッチのそれぞれでは、前記光スイッチのアンテナ形状が中央部にギャップを有するボウタイ型であってもよい。

これにより、広帯域なテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記光スイッチアレイでは、前記複数の光スイッチが２列以上並べられていてもよい。

これにより、光スイッチアレイが高密度化され、使用される半導体ウェハの有効利用が実現される。また、レーザビームを同心円状に分配または集光することが可能となり、レンズのハンドリングが容易となる。

また、列方向隣接する前記光スイッチの方向が、前記光スイッチのピッチの間隔の半分だけ列方向にずれていてもよい。

これにより、個々の光スイッチにレーザビームを照射する際にレンズアレイを用いる場合に、レンズアレイを構成する個々のレンズの配置をより緻密にすることが可能となる。

また、前記半導体基板は、ＧａＡｓにより形成された結晶の基板、または、ＧａＡｓにより形成された結晶の基板の表面に低温成長した低温成長ＧａＡｓテンプレートを備える基板であってもよい。

これにより、レーザ照射により発生するキャリアのキャリア寿命が短く、また、移動度が高くなることに起因して、個々の光スイッチのテラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、前記半導体基板は、サファイアにより形成された結晶の基板の表面に成長したＧａＮテンプレート、または、ＳｉＣにより形成された結晶の基板の表面に成長したＧａＮテンプレート、または、Ｓｉにより形成された結晶の基板の表面に成長したＧａＮテンプレートを備えてもよい。

また、前記半導体基板は、ＳｉＣにより形成された結晶の基板、または、サファイアにより形成された結晶の基板の表面に成長したＳｉＣテンプレート、または、ＳｉＣにより形成された結晶の基板の表面に成長したＳｉＣテンプレート、または、Ｓｉにより形成された結晶の基板の表面に成長したＳｉＣテンプレートを備えてもよい。

これにより、個々の光スイッチのブレークダウン電圧が高いことに起因して、個々の光スイッチへの印加電圧を高く設定することが可能となり、テラヘルツ波の高出力化が実現される。

また、上記手段は、さらに、前記ＳｉＣテンプレートの膜厚は０．１〜５μｍとすることにより、テラヘルツ波の高出力化が促進される。

また、前記半導体基板は、別の半導体基板上に設けられていてもよい。

これにより、光スイッチアレイを含むコアの半導体基板と、その他の引き出し電極などで構成された周辺部とを分離し、周辺部を別の安価な半導体で構成することにより、低コストのテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。

また、前記半導体基板は、別の半導体基板の表面に設けられた凹部に実装されていてもよい。

これにより、光スイッチアレイを含む半導体基板と、その他の引き出し電極などで構成された周辺部とを分離し、周辺部を別の安価な半導体で構成することにより、低コストのテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。さらに、レーザビームと光スイッチアレイの被照射部との位置合わせが自動的になされ、損失のない高効率なレーザ照射が実現される。

また、前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記複数のギャップのそれぞれに対してレーザビームを分配して照射するためのレンズアレイを備えてもよい。

これにより、個々の光スイッチに対して、個別にレーザビームを照射することができ、レーザ照射の損失が抑制され、高い変換効率を有するテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。

また、前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記複数のギャップのそれぞれに対してレーザビームを分配して照射するためのレンズアレイを備え、前記レンズアレイは、外周部を接して一列に配置されたレンズの列が複数列配置され、隣接する前記レンズ列どうしは、一個のレンズの半径分だけずれて接している凸型マイクロレンズアレイであってもよい。

また、前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記複数のギャップのそれぞれに対してレーザビームを分配して照射するためのレンズアレイを備え、前記レンズアレイは、六角形状でかつ中心に向かってステップ状に厚みを増していく凸型形状である個々のレンズが、互いに外周部を接して密に配置されたレンズ群である回折型マイクロレンズアレイであってもよい。

これにより、個々の光スイッチに対して、個別にレーザビームを照射することができ、レーザ照射の損失が抑制され、高い変換効率を有するテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。また、高密度のレンズアレイが構成されるためレンズおよび光スイッチアレイの小型化が実現される。

また、前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記すべてのギャップに対してレーザビームを集束して照射するための単体のレンズを備えてもよい。

これにより、複雑なレンズアレイを構成することなく、また、ビームを単体の光スイッチアレイのサイズレベルまで集束する必要がないので、安価な構成にてテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。

なお、本発明は、このような特徴的な手段を備えるテラヘルツ波エミッタ装置として実現することができるだけでなく、テラヘルツ波エミッタ装置の製造方法として実現できる。

本発明により、光スイッチのスクリーニング効果を最小に抑え、小さなレーザパワーで高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

（実施の形態１）
本実施の形態１におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光伝導効果を有する半導体基板の表面に形成されたアンテナパターンが、２本の伝送線路と、それらに挟まれダイポールアンテナ構造をもった複数の光スイッチからなる光スイッチアレイとを備える。また、光スイッチのギャップ付近の形状は、ギャップに向かって漸次幅狭となっている。これにより、光スイッチのスクリーニング効果を最小に抑え、小さなレーザパワーで高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光スイッチアレイチップ１と、フェムト秒レーザビーム２と、バイアス電圧３とを備える。さらに、光スイッチアレイチップ１は、伝送線路１１と、複数のアンテナ電極１２と、複数のギャップ１３と、半導体テンプレート１４とを備える。

伝送線路１１、アンテナ電極１２、およびギャップ１３とが、発生したテラヘルツを放射するためのアンテナパターンを形成する。

伝送線路１１は、互いに対向した第１の伝送線路および第２の伝送線路を備え、バイアス電圧３の印加により、それぞれ正極直流電極または負極直流電極としての役割を担う。

アンテナ電極１２は、第１の伝送線路に接続されている第１のアンテナ電極と、第２の伝送線路に接続されている第２のアンテナ電極を備え、テラヘルツ波の放射アンテナとして、また、それぞれ正極直流電極または負極直流電極としての役割を担う。

ギャップ１３は、フェムト秒レーザビーム２の照射により励起されたキャリアが高密度に発生する部分であり、バイアス電圧３の印加により、光励起されたキャリアが加速され、波長変換されることによりテラヘルツ波が発生する。

アンテナパターンの形状は、図１に示されるように、第１のアンテナ電極の長さＬ１および第２のアンテナ電極の長さＬ２は等しく、また、すべてのダイポールアンテナにわたり同じ形状で、ダイポールアンテナ同士の間隔Ｌｎは等しい。さらに、第１のアンテナ電極と第２のアンテナ電極との距離であるギャップ長Ｌ３もすべてのダイポールアンテナにわたり同じ形状である。

寸法としては、例えば、Ｌ１およびＬ２は３０μｍ、Ｌ３は５μｍ、ダイポールアンテナ同士の間隔Ｌｎは４２．８μｍである。この寸法により、例えば、空気中で３００μｍの波長を持つ１ＴＨｚのテラヘルツ波をアレイ全体としてコヒーレントに放射することができる。ここで、ＬｎはＮλ／４ｎ（Ｎ＝２、λ＝３００μｍ、ｎ＝３．５（ＧａＡｓの屈折率））として計算した値を採用した。また、導電膜の膜厚は３００ｎｍ未満であり、Ｎｉ、Ｃｒ、およびＡｕを主成分としている。

半導体テンプレート１４は、照射されたレーザパルス光により励起されたキャリアを発生する半導体基板として機能し、材料としては、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ＧａＡｓ、以降ＳＩ−ＧａＡｓと呼ぶ。）の結晶基板上に低温成長させた低温成長ＧａＡｓテンプレート（Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｇｒｏｗｎ ＧａＡｓ、以降ＬＴ−ＧａＡｓテンプレートと呼ぶ。）、または、ＧａＡｓからなる結晶基板そのものである。このＬＴ−ＧａＡｓテンプレートは、キャリア寿命が短く、移動度が高いので、光励起による瞬時電流の発生および変化に対し有利な材料である。

また、半導体テンプレート１４の別の材料としては、サファイアにより形成された結晶の基板上、半絶縁性のＳｉＣにより形成された結晶の基板上、または、半絶縁性のＳｉにより形成された結晶の基板上に成長させた半絶縁性のＧａＮテンプレートであってもよい。この半絶縁性のＧａＮテンプレートは、耐電圧が高いので、高バイアス電圧を印加することができる点で、有利な材料である。

また、半導体テンプレート１４の別の材料としては、半絶縁性のＳｉＣにより形成された結晶の基板上、または、半絶縁性のＳｉにより形成された結晶の基板上、またはサファイアにより形成された結晶の基板上に成長させた半絶縁性のＳｉＣテンプレート、または半絶縁性のＳｉＣにより形成された結晶の基板そのものであってもよい。この半絶縁性のＳｉＣテンプレートおよびＳｉＣ結晶基板も、上述した半絶縁性のＧａＮテンプレート同様、耐電圧が高いので、高バイアス電圧を印加することができる点で、有利な材料である。

また、これらのＬＴ−ＧａＡｓテンプレート、半絶縁性のＧａＮテンプレート、および半絶縁性のＳｉＣテンプレートは、０．１μｍ以下の場合、表層欠陥により光励起されたキャリアがトラップされてしまい、テラヘルツ波の放射が減少してしまう。一方、膜厚が５μｍ以上の場合、光励起されたキャリアが深さ方向に拡散してしまい、キャリア密度が減少してしまう。よって、これらの膜厚は０．１μｍ〜５μｍであることが好ましい。

フェムト秒レーザビーム２は、レーザパルス光として機能し、例えば、半導体テンプレート１４としてＬＴ−ＧａＡｓテンプレートが使用される場合は、波長８００ｎｍのレーザビームが最適であり、また、半導体テンプレート１４として半絶縁性のＧａＮテンプレートが使用される場合は、波長２６６ｎｍのＵＶ帯レーザビームが最適である。

ここで、光スイッチによるテラヘルツ波の発生原理を説明する。

時間幅が１００フェムト秒（１フェムト秒は１０^-15秒）以下のレーザパルスを光スイッチアレイチップ１のギャップ１３に照射すると、光励起によりギャップ１３表面にキャリア（電子と正孔）が生成され、印加されたバイアス電圧３によりキャリアの移動が加速され、瞬時電流が流れ、この電流の時間微分に比例したテラヘルツパルス波が発生する。ギャップ１３の間隔は５μｍ程度であり、放射されるテラヘルツ波の波長（数百μｍ程度）に比べて十分小さい。よって、瞬時電流が流れる時、キャリアは集団で動くと考えられ、放射されるテラヘルツ波はコヒーレントな放射となる。

一般に、一つの光スイッチからのテラヘルツ出力の大きさは、低バイアス電圧領域および低レーザパワー領域においては、印加バイアス電圧およびレーザパワーに比例する。一方、高バイアス電圧領域または、高レーザパワー領域においては、一つの光スイッチからのテラヘルツ出力の大きさは、生成されたキャリアのスクリーニング効果により飽和する傾向にある。

図１に示されるように、ギャップ１３付近におけるアンテナ電極１２の先端形状は、ギャップ１３に向かって、漸次幅狭となっている。これにより、先端形状がアンテナ電極１２の幅にわたり一様な間隔のギャップを形成している場合に比べ、同じバイアス電圧を印加しても、ギャップに発生する電界は先端部に集中し、電界密度は高くなる。さらに、照射するフェムト秒レーザビーム２の径をギャップ１３の形状に応じてより小さくすることが可能となり、狭い領域で大きな瞬時電流が流れることになり、スクリーニング効果の抑制が実現される。すなわち、小さなバイアス電圧印加および小さなレーザパワー照射でも、大きなテラヘルツ波の出力が得られる。

なお、光スイッチの数が増加するほど個々の光スイッチで発生したテラヘルツ波出力が総和され、また、アンテナとしての電荷容量が増加するので、光スイッチアレイとしてのテラヘルツ出力は増加する。

ここで、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ波エミッタ装置の製造プロセスを説明する。

図２は、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ波エミッタ装置を構成する光スイッチアレイチップ１の作製プロセスを示す図である。ここでは、半導体テンプレート１４として、前述したＬＴ−ＧａＡｓテンプレートを使用した場合を例に挙げる。

まず、ＳＩ−ＧａＡｓ基板２０１上にＬＴ−ＧａＡｓテンプレート２０２を低温成長させる（Ｓ２１）。次にフォトレジストをＬＴ−ＧａＡｓテンプレート２０２上に塗布し、フォトリソグラフィー法により所望のアンテナパターンを反映したフォトレジスト層２０３にパターニングする（Ｓ２２）。最後に、パターニングされたフォトレジスト層２０３上に、膜厚が３００ｎｍ未満であるＮｉ、Ｃｒ、Ａｌを主成分とする金属膜を成膜し、リフトオフプロセスにより、金属膜のアンテナパターン２０４が形成される（Ｓ２３）。

以上のように、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、光スイッチのギャップ付近の形状が、ギャップに向かって漸次幅狭となっている光スイッチをアレイ化することで、光スイッチアレイのスクリーニング効果を最小に抑え、小さなレーザパワーで高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。また、光伝導効果が発生する半導体テンプレートとして、短いキャリア寿命、高い移動度、高い耐電圧をもつ半導体膜を選択することにより、更なるテラヘルツ波の高出力化が達成される。

図３は、本発明の実施の形態１における第１の変形例を示す光スイッチアレイチップの平面図である。図３（ａ）は光スイッチアレイチップ４の全体平面図であり、同図（ｂ）は光スイッチが並列接続されている部分の拡大図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光スイッチアレイチップ４と、フェムト秒レーザビーム２１と、バイアス電圧３とを備える。光スイッチアレイチップ４は、伝送線路４１と、アンテナ電極４２と、ギャップ４３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ４は、図１における光スイッチアレイチップ１と比較して、アンテナ電極４２が並列接続されている一段の光スイッチアレイが、その長手方向と直交する方向へ、複数段配置されている点が機能的に異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図３（ｂ）の拡大図は、アンテナ電極４２が並列接続されている複数の光スイッチが、その３列配置されていることを示している。ここで、第１のアンテナ長Ｌ１と第２のアンテナ長Ｌ２は等しく、すべての光スイッチは同じ形状であり、ギャップ長Ｌ３もすべて同じである。光スイッチの複数列化により、光スイッチアレイ全体の形状が正方形に近づき、一本の円形状のレーザビームで光スイッチアレイ全体にフェムト秒レーザビーム２１を照射する場合の照射効率が、１列の光スイッチからなる長方形状の光スイッチアレイに比べ、相対的に向上し、結果的に、テラヘルツ波の高出力化が図られる。

なお、本実施の形態における変形例では３列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態１の第１の変形例によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、光スイッチアレイの形状をレーザビームの形状に合わせることにより、レーザビームの照射効率が向上し、小さなレーザパワーで高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

図４は、本発明の実施の形態１における第２の変形例を示す光スイッチアレイチップの平面図である。図４（ａ）は光スイッチアレイチップ５の全体平面図であり、同図（ｂ）は光スイッチが並列接続されている部分の拡大図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光スイッチアレイチップ５と、フェムト秒レーザビーム２２と、バイアス電圧３とを備える。光スイッチアレイチップ５は、伝送線路４１と、アンテナ電極４２と、ギャップ４３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ５は、図３における光スイッチアレイチップ４と比較して、アンテナ電極４２およびギャップ４３の配置が光スイッチの列毎に異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１における第１の変形例と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図４（ｂ）に示されるように、１列の光スイッチ列４０１においては、光スイッチは等間隔で配列されている。また、隣接する光スイッチ列４０１同士は、光スイッチ同士の間隔Ｌｎの半分だけ左右にシフトして配置されている。

この配置を採れば、開口効率の高いレンズアレイを用いることが可能となる。

図５は、マイクロレンズアレイの平面図および断面図である。図５（ａ）は六角形状の回折型マイクロレンズアレイ５１の平面図および断面図であり、図５（ｂ）は各レンズの中心を結んだ形状が六角形状に配置された凸型マイクロレンズアレイ５２の平面図および断面図を示している。いずれのレンズアレイもレンズの間の隙間が最小となっており、緻密に配列されているため開口効率が高い。材質は、ガラス基板とエポキシの組み合わせ、またはソーダ系高透明ガラスが使用される。

図４（ｂ）に示されるフェムト秒レーザビーム２２の照射パターンと、図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるレンズアレイの配列パターンとは形状がよく一致する。よって、両者の組み合わせにより、分光されたフェムト秒レーザビーム２２は、各光スイッチのギャップ４３を中心に効率よく照射される。

なお、本実施の形態における変形例では４列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態１の第２の変形例によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、隣り合う光スイッチ列の配置を光スイッチのピッチの半分だけずらせることにより、照射効率の高いマイクロレンズアレイを使用することが可能となり、レーザビームの入射効率が高く、かつ、高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

図６は、本発明の実施の形態１における第３の変形例を示す光スイッチアレイチップの平面図である。図６（ａ）は光スイッチアレイチップ６の全体平面図であり、同図（ｂ）はアンテナ電極が並列接続されている部分の拡大図である。同図（ａ）において、光スイッチアレイチップ６は、伝送線路６１と、アンテナ電極４２と、ギャップ４３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ６は、図４における光スイッチアレイチップ５と比較して、伝送線路６１が直線形状ではない点が異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１における第２の変形例と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図６（ｂ）は、光スイッチアレイチップ６の中央部の拡大図である。伝送線路６１はジグザグ形状となっている。つまり、アンテナ電極４２の存在する部分の２本の伝送線路６１の間隔を大きくし、それ以外の部分の伝送線路６１の間隔を狭くすることにより、図５に示される六角形状の回折型マイクロレンズアレイ５１または各レンズの中心を結んだ形状が六角形状に配置された凸型マイクロレンズアレイ５２を効率良く使用する場合、比較的大きなビーム形状でよく、ビームを厳しく絞る必要がない。さらには、光スイッチアレイチップ６全体に占める光スイッチの密度が向上し、省面積化に貢献できる。

なお、本実施の形態における変形例では３列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態１の第３の変形例によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、伝送線路をジグザグ形状に配置することにより、照射効率の高いマイクロレンズアレイを使用する場合のビーム径の絞り込みが緩和され、かつ、省面積化が図られる。

（実施の形態２）
本実施の形態２におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、複数列の光スイッチを備え、それぞれの光スイッチのギャップ付近の形状は、ギャップに向かって漸次幅狭となっており、第１のアンテナ長と第２のアンテナ長が異なる。これにより、光スイッチのスクリーニング効果を最小に抑え、小さなレーザパワーで指向性をもつ高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照して詳細に説明する。

図７は、本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。図７（ａ）は光スイッチアレイチップ７の全体平面図であり、同図（ｂ）は光スイッチが並列接続されている部分の拡大図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光スイッチアレイチップ７と、フェムト秒レーザビーム２１と、バイアス電圧３とを備える。さらに、光スイッチアレイチップ７は、伝送線路４１と、アンテナ電極７２と、ギャップ７３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ７は、図３における光スイッチアレイチップ４と比較して、アンテナ電極７２の形状およびそれに伴うギャップ７３の位置が異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１における第１の変形例と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図７（ｂ）の拡大図において、第１のアンテナの長さＬ１と第２のアンテナの長さＬ２が異なり、すべての光スイッチは同形状である。また、ギャップ長Ｌ３もすべての光スイッチで同じである。

一般的に、電磁波は金属膜と容易に結合するが、その金属膜の形状により、結合度合いが異なる。従って、本発明に係る実施の形態２のように、第１のアンテナ長Ｌ１と第２のアンテナ長Ｌ２が異なると、アンテナ電極間でのテラヘルツ波の放射量の差異により、全体的なテラヘルツ波放射に指向性が生じる。よって、第１のアンテナ長Ｌ１と第２のアンテナ長Ｌ２を調整することにより、光スイッチの長手方向と平行な方向に、テラヘルツ波の指向性を任意に制御することが可能となる。

なお、本実施の形態では３列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態２によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、光スイッチアレイの形状をレーザビームの円形状に合わせ、かつ、アンテナ長を調整することにより、小さなレーザパワーで指向性のある高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態３におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、複数列の光スイッチを備え、それぞれの光スイッチのギャップ付近の形状は、ギャップに向かって漸次幅狭となっており、さらに、所定本数の光スイッチの間で第１のアンテナの長さと第２のアンテナの長さが段階的に変化し、この変化パターンがすべての光スイッチにわたり周期的に繰り返される。これにより、隣接する光スイッチ同士の干渉によるスクリーニング効果を最小に抑え、かつ、レンズアレイを高密度に配置することができるので、小型のレンズアレイを用いて高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照して詳細に説明する。

図８は、本発明の実施の形態３におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。図８（ａ）は光スイッチアレイチップ７の全体平面図であり、同図（ｂ）は光スイッチが並列接続されている部分の拡大図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光スイッチアレイチップ８と、フェムト秒レーザビーム２２と、バイアス電圧３とを備える。さらに、光スイッチアレイチップ８は、伝送線路４１と、アンテナ電極８２と、ギャップ８３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ８は、図３における光スイッチアレイチップ４と比較して、アンテナ電極８２の形状およびそれに伴うギャップ８３の位置が異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１における第１の変形例と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図８（ｂ）に示されるように、光スイッチアレイチップ８は、３本の光スイッチを１周期として、それぞれ３つの異なるアンテナ電極の長さの対を持つ。例えば、
光スイッチ８２１：Ｌ１＝３０μｍ、Ｌ２＝５０μｍ、Ｌ３＝５μｍ、
光スイッチ８２２：Ｌ１＝４０μｍ、Ｌ２＝４０μｍ、Ｌ３＝５μｍ、
光スイッチ８２３：Ｌ１＝５０μｍ、Ｌ２＝３０μｍ、Ｌ３＝５μｍであり、この３本の光スイッチを１周期として繰り返される。

図９は、光スイッチアレイチップ８にフェムト秒レーザビーム２２１が照射された場合のギャップ付近の拡大図である。フェムト秒レーザビーム２２１の照射により、光励起されたキャリア４４１は同図に示されるように楕円形の分布となる。これは、光励起されたキャリア４４１がギャップ８３の電界方向に垂直に拡散する現象によるものである。この構造をとれば、隣接するアンテナ電極８２の不連続部により存在するギャップ８３同士は隣接せず、相互干渉によるスクリーニング効果を抑制することができる。

また、さらにマイクロレンズアレイを用いて、フェムト秒レーザビーム２２１のように分光して照射させる方式を採る場合、隣接する光スイッチ同士の相互干渉によるスクリーニング効果を考慮する必要が無く、必要以上にフェムト秒レーザビーム２２１を絞ったり、開口効率を下げたりする必要がなくなる。

なお、本実施の形態では３列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態３によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、隣接するギャップを段階的にずらせることにより、隣接するギャップ同士の相互干渉によるスクリーニング効果を抑制することができ、また、レーザビームを必要以上に絞ったり、開口効率を落としたりする必要がないので、レーザパワー効率が高く、高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態４におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、複数列の光スイッチを備え、それぞれの光スイッチのギャップ付近の形状は、ギャップに向かって漸次幅狭となっており、さらに、第１のアンテナの長さ、第２のアンテナの長さ、および、ギャップの間隔が、光スイッチ全体にわたってランダムに変化している。これにより、広帯域かつ高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

以下、本発明の実施の形態４について、図面を参照して詳細に説明する。

図１０は、本発明の実施の形態４におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。図１０（ａ）は光スイッチアレイチップ９の全体平面図であり、同図（ｂ）は光スイッチが並列接続されている部分の拡大図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、バイアス電圧３と、光スイッチアレイチップ９と、フェムト秒レーザビーム２１とを備える。さらに、光スイッチアレイチップ９は、伝送線路４１と、アンテナ電極９２と、ギャップ９３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ９は、図３における光スイッチアレイチップ４と比較して、アンテナ電極９２およびギャップ９３の形状が異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１における第１の変形例と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図１０（ｂ）に示されるように、光スイッチアレイチップ９は、第１のアンテナの長さＬ１、第２のアンテナの長さＬ２、およびギャップ長Ｌ３の総和が１００μｍという制限のもと、ランダムに配置されている。

一般に、ギャップ長Ｌ３が異なると、放射されるテラヘルツ波の波長が異なり、周波数が異なる。従って、本実施の形態では、各光スイッチから放射されるテラヘルツ波の周波数が異なるため、光スイッチアレイ全体としての放射スペクトルは広帯域化される。

なお、本実施の形態では３列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態４によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、アンテナ長およびギャップ長が、光スイッチアレイ全体にわたってランダムに変化しているので、広帯域かつ高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

（実施の形態５）
本実施の形態５におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、複数列の光スイッチを備え、それぞれの光スイッチのギャップ付近の形状は、ギャップに向かって漸次幅狭となっており、さらに、隣接する光スイッチ同士の間隔が光スイッチ全体にわたり段階的に変化している。これにより、テラヘルツ波の放射密度が変化するので、伝送線路に平行な方向での指向性の制御が可能となる。

以下、本発明の実施の形態５について、図面を参照して詳細に説明する。

図１１は、本発明の実施の形態５におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。図１１（ａ）は光スイッチアレイチップ１０の全体平面図であり、同図（ｂ）は光スイッチが並列接続されている部分の拡大図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、バイアス電圧３と、光スイッチアレイチップ１０と、フェムト秒レーザビーム２１とを備える。さらに、光スイッチアレイチップ１０は、伝送線路４１と、アンテナ電極１０２と、ギャップ１０３と、半導体テンプレート４４と、バイアス電圧印加正電極４５と、バイアス電圧印加負電極４６とを備える。

同図における光スイッチアレイチップ１０は、図３における光スイッチアレイチップ４と比較して、隣接するアンテナ電極１０２が等間隔でなく、段階的に間隔が変化している点が異なる。また、各部の使用材料および作製プロセスは、図１における光スイッチアレイチップ１と同様である。

実施の形態１における第１の変形例と同じ点は説明を省略し、以下、異なる点について詳細に説明をする。

図１１（ｂ）に示されるように、本実施例では、中央の２本の光スイッチ（１番目のダイポールアンテナ：ｋ＝１）の間隔は１０μｍであり、ｋ番目光スイッチ１０２４と（ｋ＋１）番目光スイッチ１０２５との間隔は、（１０＋ｋ＊Ｎλ/４ｎ）μｍとなっている。ここで、例えば、Ｎ＝２、λ＝３００（μｍ）、ｎ＝３．５（ＧａＡｓの屈折率）である。このように光スイッチが配置されると、光スイッチアレイの中央部は高密度のテラヘルツ波が放射され、端部では低密度のテラヘルツ波が放射される。この場合、図１２に示されるように、高い指向性をもつテラヘルツ波の出力ビームが得られる。本現象は、テラヘルツ波の出力がレンズにより集光された場合と同等の効果を生じさせる。

なお、本実施の形態では３列の光スイッチを採用したが、光スイッチの列数は、照射するレーザビームの形状に応じて、また、光スイッチアレイチップ全体のサイズに応じて調整してよい。

例えば、単体レンズを用いてレーザビームを集光させる場合は、光スイッチアレイの形状を正方形または円形とすることにより、効率的なレーザビームの照射が達成される。

以上のように、本発明の実施の形態５によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、光スイッチの間隔を段階的に変化させるので、伝送線路と平行な方向に指向性をもち、かつ高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。

（実施の形態６）
本実施の形態６におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、光伝導効果を起こしテラヘルツ波を発生する光スイッチアレイおよび必要最小限の伝送線路のみから構成されるコアの半導体基板と、その他のバイアス電圧印加電極などで構成された周辺部との材料を分離し、周辺部をコアの半導体基板とは別の安価な半導体基板で構成することにより、低コストのテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。さらに、周辺部の半導体基板に凹部を設け、そこにコアの半導体基板を実装することにより、レーザビームと光スイッチアレイの被照射部との位置合わせが自動的になされ、損失のない高効率なレーザ照射が実現される。

以下、本発明の実施の形態６について、図面を参照して詳細に説明する。

図１３は、本発明の実施の形態６におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す平面図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、フェムト秒レーザビーム２１と、光スイッチアレイチップ２１０と、実装基板３０１と、バイアス電圧印加正電極３０３と、バイアス電圧印加負電極３０４と、金ワイヤ３０５とを備える。

光スイッチアレイチップ２１０は、光伝導効果を起こしテラヘルツ波を発生する光スイッチアレイおよび伝送線路のみから構成され、材料としては、前述したＧａＡｓ基板、ＬＴ−ＧａＡｓテンプレート、半絶縁性のＧａＮテンプレート、または半絶縁性のＳｉＣテンプレートのいずれかである。また、光スイッチアレイチップ２１０は、図１、図３、図４、図６、図７、図８、図１０、および図１１に図示されたアンテナパターン、またはこれらの組み合わせパターンのいずれかを備える。

実装基板３０１は、安価な半絶縁性のＳｉやＳｉＣなどの結晶基板であるウェハを材料としており、中央部に光スイッチアレイチップ２１０をセットするための、凹部が形成されている。また凹部の周辺にはバイアス電圧３を供給するためのバイアス電圧印加正電極３０３およびバイアス電圧印加負電極３０４が形成されている。

図１４は、図１３で示されたテラヘルツ波エミッタ装置の光スイッチアレイチップ２１０と実装基板３０１との実装関係を説明する構成図である。

まず、安価なＳｉウェハ３００をパターニングして加工することにより、規則正しく配列された凹部３０２およびバイアス電圧印加正電極３０３およびバイアス電圧印加負電極３０４が形成される。この凹部は、光スイッチアレイチップ２１０が挿入されるようなサイズとなっている。次に凹部３０２が形成されたＳｉウェハをダイシングし、実装基板３０１が完成する。凹部３０２の役割は、光スイッチアレイチップ２１０の位置決めが容易になされることである。電極パターンは図１４に示されるように、基板上の凹部３０２の周りに形成されており、光スイッチアレイチップ２１０が凹部３０２に実装され、金線などのワイヤボンディング法または熱圧着法により基板と接続される。

図１５は、図１３で示された光スイッチアレイチップ２１０および実装基板３０１とを含んだテラヘルツ波エミッタ装置の断面構成図である。同図におけるテラヘルツ波エミッタ装置は、フェムト秒レーザビーム２１と、光スイッチアレイチップ２１０と、実装基板３０１と、金ワイヤ３０５と、光学レンズ３１１と、テラヘルツ波３１２とを備える。光スイッチアレイチップ２１０は、同図（ａ）のように実装基板３０１の凹部３０２に完全にはめ込まれ、または、同図（ｂ）のように、一部凹部３０２にはめ込まれる。本構造では、テラヘルツ波は実装基板３０１を介し透過モードで放射される。

なお、光学レンズ３１１は、各実施の形態で説明したそれぞれの光スイッチの配置に応じたマイクロレンズアレイを使用してもよいし、また、単体レンズを使用してもよい。

マイクロレンズアレイとしては、例えば、前述した回折型マイクロレンズアレイ５１や凸型マイクロレンズアレイ５２である。

図１６は、本発明の実施の形態６におけるテラヘルツ波エミッタ装置を構成する光スイッチアレイチップ２１０の作製プロセスおよび実装基板３０１への実装プロセスを示す図である。ここでは、光スイッチアレイチップ２１０の材料として、前述したＬＴ−ＧａＡｓテンプレートを、また実装基板３０１の材料として半絶縁性のＳｉウェハを使用した場合を例に挙げる。

まず、ＳＩ−ＧａＡｓ基板２０１上にＬＴ−ＧａＡｓテンプレート２０２を低温成長させる（Ｓ２１）。

次にフォトレジストをＬＴ−ＧａＡｓテンプレート２０２上に塗布し、フォトリソグラフィー法により所望のアンテナパターンを反映したフォトレジスト層２０３にパターニングする（Ｓ２２）。

次に、パターニングされたフォトレジスト層２０３上に、膜厚が３００ｎｍ未満であるＮｉ、Ｃｒ、Ａｌを主成分とする金属膜を成膜し、リフトオフプロセスにより、金属膜のアンテナパターン２０４が形成される（Ｓ２３）。

次に、ＬＴ−ＧａＡｓテンプレート２０２を含んだ光スイッチアレイチップ２１０をＳＩ−ＧａＡｓ基板２０１から分離し、半絶縁性のＳｉウェハ表面の凹部に光スイッチアレイチップ２１０を接着する。

最後に、接着された光スイッチアレイチップ２１０とバイアス電圧供給用の電極との導通をとるため、熱圧着方式、または金線のワイヤボンディング、またはそれらの両用により電気的に結合させる。

以上のように、本発明の実施の形態６によるテラヘルツ波エミッタ装置によれば、光スイッチアレイチップである半導体基板と、その他のバイアス電圧印加電極などで構成された周辺部との材料を分離し、周辺部を別の安価な半導体基板で構成することにより、低コストのテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。さらに、周辺部の半導体に凹部を設けることにより、レーザビームと光スイッチアレイの被照射部との位置合わせが自動的になされ、損失のない高効率なレーザ照射が実現される。

なお、本実施の形態では、半絶縁性のＳｉまたはＳｉＣウェハから作製される実装基板に凹部を設けることとしたが、実装基板に凹部を設けず、実装基板上に光スイッチアレイチップを実装してもよい。この場合、実装基板の位置合わせを人為的に実施する必要が生じることになるが、前もって半絶縁性のＳｉまたはＳｉＣウェハに凹部を加工する必要がない。よって、上記凹部を設けた場合と同様、低コスト化が実現される。

以上、本発明のテラヘルツ波エミッタ装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、実施の形態３、実施の形態５、および実施の形態６を組み合わせることにより、隣り合う光スイッチ同士のスクリーニング効果を最大限抑制し、発生したテラヘルツ波に集光レンズで集光したような効果をもたせることができるので、低コスト化、高指向性を備えた高出力のテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。

また、例えば、実施の形態１における第３の変形例、実施の形態４、および実施の形態６を組み合わせることにより、隣り合う光スイッチ同士のスクリーニング効果を最大限抑制し、光スイッチの高密度な配置がなされるので、小型化、低コスト化、および広帯域化を備えた高出力のテラヘルツ波エミッタ装置が実現される。

また、これらの実施の形態では、ダイポールアンテナの形状として、ギャップ付近の先端部が、ギャップに向かって漸次幅狭となっているものを示したが、ダイポールアンテナの形状としては図１７に示されるようなボウタイ型の形状をとってもよい。つまり、アンテナ電極１７１と伝送線路４１との接続部からギャップ１７２へ向かって直線的に幅狭となっている形状であってもよい。これにより、スクリーニング効果の抑制については、同様の効果を奏し、また、ボウタイ型アンテナの特徴である広帯域化が図られる。

なお、実施の形態４、実施の形態５、実施の形態６において２本の伝送線路の間隔が一定（すなわちＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３が一定）であってもよい。この２本の伝送線路の間隔が一定である領域は、少なくとも第１のアンテナ電極および第２のアンテナ電極が配置されている領域であればよい。

本発明のテラヘルツ波エミッタ装置は、センシング分野やイメージング分野における検出装置や、バイオメディカル分野における非破壊検査用光源等に利用することができる。

本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。 本発明の実施の形態１における光スイッチアレイチップの作製プロセスを示す図である。 本発明の実施の形態１における第１の変形例を示す光スイッチアレイチップの平面図である。 本発明の実施の形態１における第２の変形例を示す光スイッチアレイチップの平面図である。 マイクロレンズアレイの平面図および断面図である。 本発明の実施の形態１における第３の変形例を示す光スイッチアレイチップの平面図である。 本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。 本発明の実施の形態３におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。 光スイッチアレイチップにフェムト秒レーザビームが照射された場合のギャップ付近の拡大図である。 本発明の実施の形態４におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。 本発明の実施の形態５におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す外観図である。 高い指向性をもつテラヘルツ波の出力ビームを説明する図である。 本発明の実施の形態６におけるテラヘルツ波エミッタ装置の構成を示す平面図である。 本発明におけるテラヘルツ波エミッタ装置の光スイッチアレイチップと実装基板との実装関係を説明する構成図である。 光スイッチアレイチップおよび実装基板とを含んだテラヘルツ波エミッタ装置の断面構成図である。 本発明の実施の形態６における光スイッチアレイチップの作製プロセスおよび実装基板への実装プロセスを示す図である。 本発明の実施の形態におけるボウタイアンテナの平面図である。 従来のテラヘルツ波の発生原理を概略説明した図である。 小型のフェムト秒レーザおよび光スイッチを用いた従来のテラヘルツ波発生装置の構成図である。 スクリーニング効果を検証したときの測定システムの構成図である。 フェムト秒レーザのビーム径を変えたときのテラヘルツ波出力の比較波形図である。

符号の説明

１、４、５、６、７、８、９、１０、２１０ 光スイッチアレイチップ
２、２１、２２、２２１ フェムト秒レーザビーム
３ バイアス電圧
１１、４１、６１ 伝送線路
１２、４２、７２、８２、９２、１０２、１７１ アンテナ電極
１３、４３、７３、８３、９３、１０３、１７２ ギャップ
１４、４４ 半導体テンプレート
４５、３０３ バイアス電圧印加正電極
４６、３０４ バイアス電圧印加負電極
５１ 回折型マイクロレンズアレイ
５２ 凸型マイクロレンズアレイ
２０１ ＳＩ−ＧａＡｓ基板
２０２ ＬＴ−ＧａＡｓテンプレート
２０３ フォトレジスト層
２０４ アンテナパターン
３００ Ｓｉウェハ
３０１ 実装基板
３０２ 凹部
３０５ 金ワイヤ
３１１ 光学レンズ
３１２、５０３ テラヘルツ波
４０１ 光スイッチ列
４４１ 光励起されたキャリア
５０１ フェムト秒レーザ
５０２ 結晶基板
５０４ 半絶縁性ＧａＡｓウェハ
５０５ 低温成長ＧａＡｓテンプレート
５０６、５０７ 電極
５０８ ギャップ部
５０９ 半球状Ｓｉレンズ
５１０ ＤＣバイアス電圧
５１１ オプティカルチョッパ
５１２ 単一の光スイッチを備えたテラヘルツ波発生器
５１３ 球面ミラー
５１４ レーザフィルタ用Ｓｉウェハ
５１５ ボロメータ
５１６ ロックインアンプ
５１７ オシロスコープ
５２１、５３１ テラヘルツ波の出力
５４１ チョッパ周波数信号
８２１、８２２、８２３、１０２１、１０２２、１０２３、１０２４、１０２５ 光スイッチ

Claims (24)

1. 光伝導効果によりテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波エミッタ装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成されたアンテナパターンとを備え、
   前記アンテナパターンは、
   ダイポールアンテナを構成する第１のアンテナ電極と第２のアンテナ電極とからなる光スイッチが複数並べられた光スイッチアレイと、
   前記複数の光スイッチの第１のアンテナ電極同士を接続する第１の伝送線路と、
   前記複数の光スイッチの第２のアンテナ電極同士を接続する第２の伝送線路とを有し、
   前記複数の光スイッチのそれぞれでは、
   前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部とがギャップを介して対向し、
   前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部とは、それぞれ、前記ギャップに向けて漸次幅狭に形成されている
   ことを特徴とするテラヘルツ波エミッタ装置。
2. 前記第１のアンテナ電極の先端部および前記第２のアンテナ電極の先端部が共に先鋭形状を有している
   ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
3. 前記複数の光スイッチのそれぞれでは、
   前記第１のアンテナ電極の長さと、前記第２のアンテナ電極の長さとが等しく、
   前記光スイッチアレイでは、
   すべての前記第１のアンテナ電極の長さが等しく、
   かつ、すべての前記第２のアンテナ電極の長さが等しく、
   かつ、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がすべて等しい
   ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
4. 前記複数の光スイッチのそれぞれでは、
   前記第１のアンテナ電極の長さと、前記第２のアンテナ電極の長さとが異なり、
   前記光スイッチアレイでは、
   すべての前記第１のアンテナ電極の長さが等しく、
   かつ、すべての前記第２のアンテナ電極の長さが等しく、
   かつ、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がすべて等しい
   ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
5. 前記光スイッチアレイでは、
   隣り合う光スイッチ同士は、前記第１のアンテナ電極の長さが異なり、
   かつ隣り合う光スイッチ同士は、前記第２のアンテナ電極の長さが異なり、
   前記第１のアンテナ電極の長さおよび前記第２のアンテナ電極の長さの変化パターンが段階的であり、前記光スイッチアレイにわたり前記変化パターンが周期的に繰り返され、
   かつ、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がすべて等しい
   ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
6. 前記光スイッチアレイでは、
   前記第１のアンテナ電極の長さ、前記第２のアンテナ電極の長さ、及び、前記第１のアンテナ電極の先端部と前記第２のアンテナ電極の先端部との距離であるギャップ長がランダムに異なって配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
7. 前記第１の伝送線路と前記第２の伝送線路との間隔は、少なくとも前記第１のアンテナ電極および前記第２のアンテナ電極が接続されている領域において、一定である
   ことを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
8. 前記光スイッチアレイでは、
   隣り合う光スイッチどうしの間隔が、すべての光スイッチにわたり段階的に変化する
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
9. 前記光スイッチアレイでは、
   隣り合う光スイッチ同士の間隔がすべて等しく、
   前記間隔はＮλ／４ｎであり、
   前記Ｎは整数であり、前記λは発生するテラヘルツ波の波長であり、前記ｎは前記半導体基板の屈折率である
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
10. 前記光スイッチのそれぞれでは、
    前記光スイッチのアンテナ形状が中央部にギャップを有するボウタイ型である
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
11. 前記光スイッチアレイでは、
    前記複数の光スイッチが２列以上並べられている
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
12. 列方向隣接する前記光スイッチの方向が、前記光スイッチのピッチの間隔の半分だけ列方向にずれている
    ことを特徴とする請求項１１記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
13. 前記半導体基板は、
    ＧａＡｓにより形成された結晶の基板、
    または、ＧａＡｓにより形成された結晶の基板の表面に低温成長した低温成長ＧａＡｓテンプレートを備える基板である
    ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
14. 前記半導体基板は、
    サファイアにより形成された結晶の基板の表面に成長したＧａＮテンプレート、
    または、ＳｉＣにより形成された結晶の基板の表面に成長したＧａＮテンプレート、
    または、Ｓｉにより形成された結晶の基板の表面に成長したＧａＮテンプレートを備える
    ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
15. 前記半導体基板は、
    ＳｉＣにより形成された結晶の基板、
    または、サファイアにより形成された結晶の基板の表面に成長したＳｉＣテンプレート、
    または、ＳｉＣにより形成された結晶の基板の表面に成長したＳｉＣテンプレート、
    または、Ｓｉにより形成された結晶の基板の表面に成長したＳｉＣテンプレートを備える
    ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
16. 前記ＳｉＣテンプレートの膜厚は０．１〜５μｍである
    ことを特徴とする請求項１５記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
17. 前記半導体基板は、別の半導体基板上に設けられている
    ことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
18. 前記半導体基板は、別の半導体基板の表面に設けられた凹部に実装されている
    ことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
19. 前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記複数のギャップのそれぞれに対してレーザビームを分配して照射するためのレンズアレイを備える
    ことを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
20. 前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記複数のギャップのそれぞれに対してレーザビームを分配して照射するためのレンズアレイを備え、
    前記レンズアレイは、
    外周部を接して一列に配置されたレンズの列が複数列配置され、隣接する前記レンズ列どうしは、一個のレンズの半径分だけずれて接している凸型マイクロレンズアレイである
    ことを特徴とする請求項１２記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
21. 前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記複数のギャップのそれぞれに対してレーザビームを分配して照射するためのレンズアレイを備え、
    前記レンズアレイは、
    六角形状でかつ中心に向かってステップ状に厚みを増していく凸型形状である個々のレンズが、互いに外周部を接して密に配置されたレンズ群である回折型マイクロレンズアレイである
    ことを特徴とする請求項１２記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
22. 前記テラヘルツ波エミッタ装置は、前記すべてのギャップに対してレーザビームを集束して照射するための単体のレンズを備える
    ことを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置。
23. 請求項１ないし２２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波エミッタ装置を製造する方法であって、
    ＧａＡｓにより形成された結晶の基板の表面に低温成長ＧａＡｓテンプレートを低温成長させ、もしくは、サファイアにより形成された結晶の基板の表面にＧａＮテンプレートを成長させ、もしくは、ＳｉＣにより形成された結晶の基板の表面にＳｉＣテンプレートを成長させる薄膜形成ステップと、
    前記薄膜形成ステップにて形成されたテンプレート上に、所望の電極パターンを形成するため、フォトレジストを塗布し、露光し、露光されたフォトレジストを前記電極パターン形状にパターニングするフォトレジスト形成ステップと、
    前記フォトレジスト形成ステップの後、パターニングされた前記フォトレジストを有する前記テンプレートの上に、膜厚３００ｎｍ以上のＮｉ、Ｃｒ、Ａｕを有する導電性薄膜を形成し、リフトオフプロセスにより前記電極パターンを形成する電極形成ステップとを含む
    ことを特徴とするテラヘルツ波エミッタ装置を製造する方法。
24. 請求項１７または１８に記載のテラヘルツ波エミッタ装置を製造する方法であって、
    ＧａＡｓにより形成された結晶の基板の表面に低温成長ＧａＡｓテンプレートを低温成長させ、もしくは、サファイアにより形成された結晶の基板の表面にＧａＮテンプレートを成長させ、もしくは、ＳｉＣにより形成された結晶の基板の表面にＳｉＣテンプレートを成長させる薄膜形成ステップと、
    前記薄膜形成ステップにて形成されたテンプレート上に、所望の電極パターンを形成するため、フォトレジストを塗布し、露光し、露光された前記フォトレジストを前記電極パターン形状にパターニングするフォトレジスト形成ステップと、
    前記フォトレジスト形成ステップの後、パターニングされた前記フォトレジストを有する前記テンプレートの上に、膜厚３００ｎｍ以上のＮｉ、Ｃｒ、Ａｕを有する導電性薄膜を形成し、リフトオフプロセスにより前記電極パターンを形成する電極形成ステップと、
    前記電極形成ステップの後、表面に電極形成された前記低温成長ＧａＡｓテンプレート、もしくは、前記ＧａＮテンプレート、もしくは、前記ＳｉＣテンプレートを、それぞれ、前記ＧａＡｓにより形成された結晶の基板、もしくは、前記サファイアにより形成された結晶の基板、もしくは、前記ＳｉＣにより形成された結晶の基板から分離し、Ｓｉにより形成された結晶の基板上に、前記低温成長ＧａＡｓテンプレート、もしくは、前記ＧａＮテンプレート、もしくは、前記ＳｉＣテンプレートを接着する接着ステップと、
    前記接着ステップにて接着されたテンプレートは、熱圧着方式、または金線のワイヤボンディング方式、または前記２つの方式の併用により実装される実装ステップとを含む
    ことを特徴とするテラヘルツ波エミッタ装置を製造する方法。

Images