JP2009531841A - テラヘルツアンテナアレー、テラヘルツアンテナアレーシステムおよびテラヘルツアンテナアレーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が単純化され、製造が容易なテラヘルツアンテナアレーを提供する。
【解決手段】複数のテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）を備え、各テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）は光導電領域（２２、３２、４２）と、光導電領域（２２、３２、４２）の少なくとも一部にまたがって横方向に延びるスペーサ領域（２４、３４、４４）を介して相互に隔離されて配置される第１電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）および第２電極（２１Ｂ、３１Ｂ）とを有する。アレー（２０、３０、４０）の隣接するＴＨｚアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の横方向領域（２５、３５、４５）は光導電性ではなく、特に光導電材料を含まない。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のＴＨｚアンテナ（テラヘルツアンテナ）を備えるＴＨｚアンテナアレーに関する。ＴＨｚアンテナは、光導電領域と、前記光導電領域の少なくとも一部の上側を横方向（水平方向）に延びるスペーサ領域により相互に隔離されて配置された第１電極および第２電極とを有する。本発明はさらに、複数のＴＨｚアンテナを備えるＴＨｚアンテナアレーを製造する方法に関する。ここでも、ＴＨｚアンテナは、光導電領域と、前記光導電領域の少なくとも一部の上を横方向に延びるスペーサ領域により相互に隔離されて配置された第１電極および第２電極とを有する。

ＴＨｚアンテナは異なる方法で構成および製造することができ、これらＴＨｚアンテナは特に受信機および／または送信機として使用することが可能である。

ＴＨｚアンテナの第１の基本的な形態は、ミクロ的微細構造体（１００μｍ未満）から肉眼で見えるミリメートル構造体（＞１ｍｍ）までの範囲を対象に設計されるセミラージ（ミドルサイズ）の単一アンテナ構造体を提供する。このようなＴＨｚアンテナは、Stoneらの論文"Electrical and Radiation Characteristics of Semilarge Photoconductive Terahertz Emitters"，IEEE会報、マイクロ波理論／技術編、第52巻第10号、2004年10月、に記載されている。

米国特許第5,401,953号は、ミリメートル未満の領域の放射線を発生する集積モジュールを開示する。このモジュールは、共通電源によってバイアスされたＮ個の光導電スイッチのアレーを備え、共通の光パルスの光路差が、各スイッチによって異なる光遅延の繰返し速度となる。Ｎ個のスイッチは、Ｎ個のスイッチのアレー全体に沿って、点放射源としてミリメートル未満の放射線を全方向へ球状に放射する単一アンテナまで移動するパルスによってトリガされる。

これに対して、複数のＴＨｚアンテナまたはＴＨｚアンテナ構造体で構成される冒頭で定義されたタイプのＴＨｚアンテナアレーは、出力を増大させたり調節可能にさせたりするのみでなく、指向特性が改良されている。ＴＨｚアンテナまたはＴＨｚアンテナ構造体は基本的に、介在する光導電材料、即ち通常電荷キャリアが光学的に生成可能な半導体材料の領域によって隔離された２つの電極を備える。個々のＴＨｚアンテナまたはＴＨｚアンテナ構造体は通常ミクロ的大きさである。これによる問題点は、一般に、ＴＨｚ遠方電磁界の破壊的干渉を防止するために、個々のＴＨｚアンテナをアレーの素子として非干渉化することである。例えばフィンガ構造では、アレーの隣接する素子、例えば介在する光導電材料を有する２つのフィンガは、逆極性でバイアスされる。このため、これまでのところ、アレーの個々の素子を非干渉化するための様々な可能性が提供されている。

Saeedkiaらの論文”Analyses and Design of a Continuous-Wafer Terahertz Photoconductive Photomixer Array Source”IEEE会報、アンテナ／伝搬編、第53巻第12号、2005年12月には、２つのレーザの周波数混合による光励起の位置依存変調の可能性について記載されている。周波数混合によって達成される光強度変調は、電荷キャリアが同一方向の電界に曝されるアレーの素子のようなアンテナ構造体またはアンテナにおいてのみ、ＴＨｚ放射線を放射する電荷キャリアを生成する。これは、ＴＨｚ遠方電磁界における構造上の干渉を発生する。しかし、これは、光励起変調がＴＨｚアンテナアレー内のＴＨｚアンテナの配置に可能な限り正確に適応されることを前提とする。このため、この方法はあまり柔軟性がなく、高価でエラーも発生しやすいことが実証されている。さらに、周波数混合のための追加構成要素も必要である。これは、励起変調にバイナリ格子の発生を使用する方法の場合も同様である。

Dreyhauptらの論文”High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor”応用物理学論文集86、121114（2005年）では、ＴＨｚアンテナアレーにおけるＴＨｚアンテナ間の特定の領域における光励起が光吸収材料によって抑止されるという点において、この欠点が解消されている。この事例では、ＴＨｚ放射電荷キャリアは、ＴＨｚアンテナアレーのうちの、同一方向の電界に曝される領域内でのみ光学的に生成されることが可能である。一般に全ての隣接する電極間に存在する光導電材料（通常は基板である）は、その上に置かれる光吸収材料によって覆われる。この場合の欠点は、特にＴＨｚアンテナアレーの適切な領域を光学的に遮蔽するための追加の２層材料が蒸着されなければならない（これは少なくとも隣接するＴＨｚアンテナの電極を絶縁するための電気絶縁層を含み、かつこの上に、通常は金属層である非透過性の層が蒸着される）ことから、このような構造体の製造は比較的高価であることである。図１は、このようなＴＨｚアンテナアレーを示す断面図である。この断面図に示される追加の光遮蔽層は、一般にアンテナ構成の性能に悪影響を与える場合がある。ＴＨｚアンテナアレーの光遮蔽領域では、一般に全体の５０％を超える暗電流が発生することから、暗電流が比較的大きいことが分かっている。この結果、ＴＨｚエミッタの場合はＴＨｚアンテナアレーによるエネルギー消費量が高まり、ＴＨｚ検出器の場合は感度が低下する。さらに、このようなアレーの製造は比較的高価であることが立証されている。

冒頭で定義されたタイプのＴＨｚアンテナアレーの単純化された構造および単純化された製造が望ましい。

上述の点が本発明の導入される理由であり、本発明の目的は、改良された特性を有し、かつ具体的には既知のアンテナアレーおよび製造方法よりも単純化されている、ＴＨｚアンテナアレーおよびその製造方法を特定することにある。

ＴＨｚアンテナアレーに関する上述の課題は、本発明により、冒頭で定義されたタイプのＴＨｚアンテナアレーによって解決される。本発明によれば、ＴＨｚアンテナアレーにおいて、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域は、事実上非光導電性であるように、すなわち、ＴＨｚアンテナのある領域内におけるような光導電性は発生し得ないか、無視できるほど小さいように構成される。この目的を達成するために、具体的には、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域には事実上光導電性物質がないことが条件となる。言い換えると、アレー内の隣接するＴＨｚ作用素子、即ちＴＨｚアンテナまたはＴＨｚ構造体は、本質的に光導電性に関して相互に絶縁される。これは、冒頭で説明された、隣接するＴＨｚ作用素子間の領域も光導電性であるタイプの従来の構造体とは異なる。

製造方法に関する課題は、本発明により、冒頭で定義されたタイプの製造方法によって解決される。本発明による製造方法では、
−光導電領域を有する出発材料が準備され、
−前記光導電領域に電極が形成され、
−アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域（水平方向領域）が、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域における前記光導電領域の一部を除去することによって非光導電性となるように構成され、
−このようにして得られるＴＨｚアンテナアレーの構造体が前記出発材料からリフトオフ剥離され、基板上に転写される。

したがって、本発明の概念は、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域をそれに従って事実上非光導電構造にする、アレー内のＴＨｚ作用素子、すなわちＴＨｚアンテナまたはＴＨｚアンテナ構造体の直接的な非干渉性を条件とする。これの実現において、本発明では、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間における横方向領域の光導電性電荷キャリアの光生成が本質的に不可能であるか無視できるほど少ないことの必要性を認識しており、したがって、これらの領域では、破壊的遠方電磁界干渉に寄与する可能性のあるＴＨｚ放射線の放射は本質的に発生し得ない。これにより、アンテナ非干渉化のための追加的方策（例えば、光励起の位置依存変調など）がバイナリ格子によって実施されるか否かにかかわらず、隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域の周波数混合または光遮蔽は不必要となる。

この考察をさらに進めると、本発明は、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間における横方向領域の光導電領域の一部は除去され、具体的には完全に除去されることを可能にする。完全に除去される場合、対応するＴＨｚアンテナアレーは、詳細には、実質的にスペーサ領域の水平部（横方向部分）を超えて突き出ない、またはスペーサ領域の水平部（横方向部分）および電極を超えては突き出ない水平部（横方向部分）に限定される光導電領域を提供する。

本発明の発想および対応する製造方法に従って実現されるＴＨｚアンテナアレーは、比較的薄い光導電膜を使用するエピタキシャルリフトオフ法の原理を独創的に利用する。したがって、本発明の概念によるアンテナアレーの素子を形成するＴＨｚ放射を放射または検出する構造体は、全表面光励起を有する多様な光学システムに、特に柔軟にかつ低コストで追加の構成要素を必要とせずに適応される。放射電力または検出感度は、これまでの既知のＴＨｚアンテナアレーに比べて最適化されることが立証されている。本発明の概念によるＴＨｚアンテナアレーは通常、少なくとも５０％低減された暗電流を示し、これが検出器の消費または感度を追加的に高めることも証明されている。さらに、冒頭で定義された最新技術における欠点は大幅に回避される。さらに、特殊な用途の枠組みの中で光励起の追加的な位置依存変調を有することが要求される場合、本発明は、周波数混合光励起またはバイナリ格子を精密に調整するための公差範囲を拡大する利点を提供する。材料の追加的な光遮断層は、一般に必要でなくなる。本発明の概念によるＴＨｚアンテナアレーの製造は、特に効率的かつ低コストで実行可能である。

本発明の有利な改良点は、従属クレームから特定することができ、また設定された課題の枠組み内で先に説明された概念を実現するための並びにさらなる利点に関連する、改良点の有利な可能性を詳細に特定する。

出発材料からＴＨｚアンテナアレーの処理される構造体をリフトオフする製造プロセスにおいて採用されるのが望ましいエピタキシャルリフトオフ法に起因して、支持基板に関して半導体材料は原理的に不可欠なものでないことが証明されている。改良の枠組内で、支持基板は、適切な用途に最適化された特性を有するものを採用することができる。具体的には、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域は、ＴＨｚ周波数領域内の吸収および／または散乱が比較的小さいのが有利であることが立証されている。さらに、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域は光透過性および／または非光導電性を有するように構成されてもよい。電気的損失または散乱効果は、有利には、ＴＨｚ周波数領域および光領域の双方において大幅に回避することができる。この状況においては、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域が基板によって、具体的にはサファイアまたは石英ガラス基板によって形成されるのが特に有利であることが立証されている。また、基板が必ずしも光透過性である必要のない範囲では、例えば非ドープシリコンも、ＴＨｚ領域における吸収および／または散乱が比較的小さい理由により適する。

好ましくは、隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域には、特に光導電領域および／または電極の蒸着レベルにおいて、物質が存在しない。すなわち、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域は、製造プロセス中に事実上完全に除去される。

本発明の概念による、具体的には前記改良によるＴＨｚアンテナアレーは、好ましくは光導電性材料に応じて、０．９ｅＶを超えるエネルギーでの光導電領域における集光されたパルスによる光励起に対して最適化されるように有利に設計される。光励起は、好ましくは、この後にフェムト秒レーザパルスによって、具体的には、６５０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長範囲、好ましくは７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲のレーザパルスによって発生する。具体的には、ＴＨｚアンテナは金属−半導体−金属構造体（ＭＳＭ構造体）によって形成され、この構造体では、電極は金属で製造され、光導電領域が半導体で製造される。光導電領域は、特に有利にはＬＴ−ＧａＡｓから製造される。これにより、光導電領域におけるＴＨｚ放射線の放射または検出に適する伝導キャリアの特性は、特に有利に調節可能になる。

さらに、本発明の概念の枠組み内で、前記ＴＨｚアンテナアレーにおけるＴＨｚアンテナの異なる有利な形状が見出された。

特に好ましい第１の変形形態では、光導電領域は電極の下側に配置された少なくとも１つの光導電層、具体的には、スペーサ領域の水平部および電極に延びる層を有する。

さらに、または代替として、特に好ましい第２の変形形態では、光導電領域は、おそらくは電極間にのみ配置される少なくとも１つの光導電層、具体的には、必要に応じてスペーサ領域の水平部の上側にのみ延びる層を有する。

さらに、光導電領域の厚みは、有利には、１０μｍ、好ましくは５μｍ、好ましくは２μｍ、好ましくは１μｍに限定されることが立証されている。具体的には、光導電領域は、有利には少なくとも０．５μｍの厚みを有することが立証されている。

本発明の概念の枠組み内では、フィンガ構造である電極によって構成されるＴＨｚアンテナが特に効果的であることが分かっている。本発明の特に有利な改良においては、フィンガ構造の１つのフィンガがＴＨｚ共振器の形成に寄与する形状を有することができる。このようにして、所定のＴＨｚ周波数領域内に共振ピークを得ることができる。特に有利には、フィンガ構造のこのフィンガはさらに、その水平部に光導電領域から離れる方向を向くＴ字形の形状を有する。

本発明の特に好ましい別の改良においては、第１の複数のＴＨｚアンテナは第２の複数のＴＨｚアンテナとは異なる電位にある。これは、ＴＨｚアンテナの電位を制御することによって放射変調の追加の可能性をもたらす。この特に好ましい改良では、さらに、本発明は結果的に、少なくとも第１の複数のＴＨｚアンテナアレーが第２の複数のＴＨｚアンテナアレーとは異なる電位に存在する先に述べたタイプの複数のＴＨｚアンテナアレーで構成されるシステムを実現する。

ＴＨｚアンテナアレーの他の有利な改良は他の従属クレームから特定されてもよく、主として効率を高めるのに役立つ。これは、アレー設計および／またはアンテナ設計における単独の異なる方策または組み合わせ方策で達成可能であって、ＴＨｚアンテナアレーおよび／またはＴＨｚアンテナの層および／または表面の光励起および機能化を改善する。好ましくは、ＴＨｚアンテナの間隔は比較的大きく、具体的にはλ／２に選定される。光励起を集中させおよび方向づけるために、マイクロレンズまたはマイクロレンズアレーが設けられてもよい。高誘電率のナノ粒子の機能化配列は、電界を増幅する作用をしてもよい。

製造方法に関しては、本発明の有利な改良点は、従属クレームから特定されてもよく、設定された目的の枠組み内で説明された概念を実現するための、利点に関連する効果的な可能性を詳細に特定する。

本発明の第１の好ましい改良においては、電極の形成中に、金属層を蒸着により堆積させることができ、望まれない電極領域をリフトオフできる。第２の代替的または追加の改良においては、電極の形成は、望まれない電極領域の化学エッチングによってなされてもよい。

好ましくは、光導電領域は、実質的にスペーサ領域の水平部を超えて突き出ない、またはスペーサ領域の水平部および電極を超えては突き出ない水平部に限定される。

光導電領域の前記水平部の除去は、好ましくは、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域の化学エッチングの後になされる。

出発材料からこのようにして製造されるＴＨｚアンテナアレー構造体のリフトオフ（剥離）は、有利には、光導電領域よりも下側の犠牲領域の化学エッチングによって行われる。

他の好ましい製造工程は、従属クレームから特定されてもよく、有利には効率を上げるのに役立つ。

次に、図面を参照して、および同様に部分的に図示される最新技術に関連して本発明の例示的な実施形態について説明する。これは、例示的な実施形態の実質的な詳細を提示することを意図するものではなく、図面は、説明を目的として概略的に、および／または僅かに変形した形で表されている。図面から直接識別できる教示内容の補足に関しては、関連する最新技術を参照する。

同時に、実施形態の形態および詳細に関しては、本発明の一般概念を逸脱することなく多くの修正および変更を実行できることに留意すべきである。これまでの説明、図面およびクレームにおいて開示されている本発明の特徴は、単独および任意の組み合わせの双方において本発明の改良にとって不可欠である場合がある。本発明の一般概念は、以下に示され、または説明される実施形態の正確な形態または詳細に限定されるものではなく、またクレームにおいて請求される主題に関連して制限される主題に限定されない。寸法範囲が特定される場合、その限界内に存在する値は限界値としても開示され、どのような方法でも使用可能であり、特許請求可能である。

次に、本発明をより詳細に理解するために、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。

図１は、冒頭で定義されているDreyhauptらの論文による既知のＴＨｚエミッタを示す概略断面図である。互いにかみ合う２つのフィンガ電極１１は、半導体ＧａＡｓウェーハ１２の表面上で光リソグラフィによって処理されている。フィンガ電極１１のフィンガ間のスペース領域は５μｍである。フィンガ電極１１の金属化は、５ｎｍのクロムと２００ｎｍの金とから成る。別の不透明金属化層は光不透過性の金属層１４であり、クロム−金で構成されている。この金属層１４は、第２のフィンガ電極のスペース領域をそれぞれ覆っている。この第２の金属層１４は、厚さ約２μｍのポリイミド層または厚さ５６０ｎｍの酸化珪素層の絶縁層１３によってフィンガ電極１１の第１の金属層から絶縁されている。ＧａＡｓウェーハ１２の基板は、約５００μｍの厚みを有する。フィンガ電極がバイアスされると、フィンガ電極１１の隣り合うフィンガ間の電界方向が逆となる。各フィンガ電極１１上の第２の不透明な光不透過金属層１４に起因して、光励起は、同じ電界方向を表す、光導電基板１２の基本的に完全な光導電性の領域においてのみ発生する。したがって、光励起の後、ある領域でのみ生成された光導電キャリアは完全に光導電性である基板の光励起領域全体で一方向に加速され、これにより光導電基板１２によって放射されるＴＨｚ放射が遠方電磁界において干渉して強め合う。

図１においてコーティング１３、１４が追加的に必要とされるのを回避するために、具体的には、ＴＨｚアンテナアレーのより単純な準備および対応する単純化された製造方法を達成するために、本発明の概念は、隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域が事実上非光導電性の構造である、即ちＴＨｚアンテナの一領域におけるような光導電は発生し得ない、または無視できるほど小さいＴＨｚアンテナアレー２０、３０、４０を提供する。図１〜図８に示されるとおり、これは、隣接するＴＨｚアンテナ間の横方向領域に光導電性材料が存在しないことで達成される。

この概念による第１の好ましい実施形態を、図２に示す。図２は、複数のＴＨｚアンテナ２９を有するＴＨｚアンテナアレー２０の断面図であり、ＴＨｚアンテナ２９は光導電領域２２と、第１電極２１Ａと、第２電極２１Ｂとを備える。電極２１Ａ、２１Ｂは、光導電領域２２の少なくとも一部分の上を横方向（水平方向）に延びるスペース領域２４によって間隔を空けて配置される。本発明の概念によれば、アレー２０において隣接するＴＨｚアンテナ２９間の横方向領域２５は非光導電性構造である。本実施形態は、領域２５に光導電性材料を設けない。この場合、光導電領域２２は、スペース領域２４と電極２１Ａ、２１Ｂの横方向を超えない横方向の伸展部（水平部）に限定される。光導電領域は、ＴＨｚ放射に有利な短い電荷キャリア寿命を有するＬＴ−ＧａＡｓから形成される。これは、一般に光導電材料に使用されるＧａＡｓ基板（ＬＴ−ＧａＡｓに比べて比較的長い電荷キャリア寿命を有しかつ比較的不利な散乱および減衰特性を有する）に勝る利点を有する。電極２１Ａ、２１Ｂの厚みは、約２００ｎｍである。光導電領域の厚みは約１，０００ｎｍであり、したがって、一般に使用される光導電層より明らかに薄い。基板の厚みは、５００μｍの範囲内である。図２に示される実施形態では、基板は、光透過性、光非導電性の基板としてサファイア基板２３で形成されている。これは、ＴＨｚおよび光周波数領域の両方において特に小さい散乱および減衰を示す。

図３は、同じく複数のＴＨｚアンテナを有するＴＨｚアンテナアレー３０の特に好ましい別の実施形態を示し、ＴＨｚアンテナ３９は、光導電領域３２と、光導電領域３２の少なくとも一部分を覆って横方向に延びるスペース領域３４によって間隔を空けて配置された第１電極３１Ａおよび第２電極３１Ｂとを備える。ＴＨｚアンテナ３９は、非ドープシリコン基板３３上に形成されている。層の厚みは、図２における層と同様に生成される。

図３に示される実施形態では、電極３１Ａ、３１Ｂは「埋込み式」である。図２に示される実施形態とは異なり、光導電領域３２は、図２におけるように電極３１Ａ、３１Ｂの下側に配置されかつスペーサ領域３４の横方向の伸展部および電極３１Ａ、３１Ｂに延びる層３２Ａに加えて、別の光導電層３２Ｂを有する。この光導電領域はまた、電極３１Ａ、３１Ｂ間に配置され、この場合はスペース領域３４の横方向の伸展部（水平部）のみに延びる層３２Ｂを有する。

図４は、図２および図３の断面図に示される実施形態の平面図であり、同じ参照符号が相応して使用されている。この図では、電極２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂのフィンガ構造が明らかである。

図５は、図２に示される実施形態によるＴＨｚアンテナアレーの構造を示す、即ち出発材料からのエピタキシャルリフトオフよりも前のＴＨｚアンテナアレーを示す適切な倍率の顕微鏡写真である。

本製造方法では、出発材料は、図８（ａ）に概略的に示されているように準備される。この場合、１００ｎｍのＧａＡｓ（図示せず）、犠牲層としての１００ｎｍのＡｌＡｓ５２および厚みが５００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲のＬＴ−ＧａＡｓ層５３で構成されるエピタキシャル付着（epitaxially applied）されたヘテロ構造層を有するＧａＡｓ基板５１である。

図８（ｂ）のフィンガ構造体５４の形体の電極の形成は、一方の手順では、感光性コーティング上でのスピニングおよびこれに続くリソグラフィによって実行できる。これに続いて、電極物質の金属蒸着が行われ、次に、アセトン内での感光性コーティングの溶解による不要な金属表面のリフトオフが実行される。他方の手順では、まず金属蒸着を行ない、次に感光性コーティング上のスピニング、続いてリソグラフィを実施することができる。これに続いて、不要な金属電極部位の湿式化学エッチングが実行される。

図５に示される方法の段階では、感光性コーティングのスピニングが追加実行され、次にリソグラフィが実行される。この後、図８（ｃ）のように、アレー内の隣接するＴＨｚアンテナ間のＬＴ−ＧａＡｓ横方向領域が、湿式化学手段または乾式化学手段によってエッチングされ除去される。

図８（ｄ）のとおり、例えばフッ化水素酸におけるＡｌＡｓ犠牲層の湿式化学エッチングの結果として、図５に示すアンテナアレー構造体５２全体のエピタキシャルリフトオフ（剥離）が発生する。

図６は、詳細には示されていない図８（ｅ）に示す支持基板５５上への転写を行った後の図５におけるＴＨｚアンテナアレーを示す。基板５５は、ＴＨｚ領域において比較的少ない吸収および散乱を示す非ドープシリコンであってもよく、また任意選択として、および追加的に、サファイアまたは石英ガラス等の光透過基板であってもよい。図８（ｆ）は、本製造プロセスの終わりにおける最終的なＴＨｚアンテナアレーを示す。

図５および図６に示される顕微鏡写真は詳細なものである。ＧａＡｓ出発基板５１上では多数のアンテナアレーが並行処理されるため、製造においては比較的多量の個体数が得られる。

図７は、本発明によるＴＨｚアンテナアレー４０の特に好ましい別の実施形態を示す、図４に類似する概略平面図であり、同様に、電極４１Ａ、４１Ｂのフィンガ構造がスペース領域４４の介在を伴って示されている。このスペース領域４４は、光導電領域４２の少なくとも一部分を覆って横方向に延びる。アレー４０内のＴＨｚアンテナ４９は、図５および図６を参照して説明された製造方法に従って非ドープシリコン基板４３上に形成される。フィンガ構造体のフィンガ状電極４１Ａ、４１Ｂは、ＴＨｚ共振器の形成に寄与する光導電領域（電極４１Ａ、４１Ｂ間の方形状領域４８）から離れた方向を向くＴ字形状体４６を、横方向の伸展部において有する。

さらに、より詳しくは示されていないが、第１の複数のＴＨｚアンテナ４９’は、第２の複数のＴＨｚアンテナ４９’’とは異なる電位に設定できる。その結果、特に、前記共振器４６を別々に制御することができ、および／またはアレー全体の放射特性を有利に変調することができる。

上述のＴＨｚアンテナアレー２０、３０、４０の製造に関するこれまでに述べたマイクロ技術手法は、さらに、ナノテクノロジー、光通信学およびマイクロシステム方法を利用することによって、達成可能なＴＨｚ出力信号パワーを好ましくは少なくとも１０倍は向上することができる。これら方法を利用することによって、製造コストが増大してしまうことはほとんどない。このため、図９は上述のＴＨｚアンテナアレー２０、３０、４０の概略図を示している。この場合、詳細には、斜線で示される光励起において、具体的には光導電領域２２、３２、４２におい同一のＴＨｚアンテナ２９、３９、４９、４９’、４９’’を示している。この光励起は、第１電極２１Ａ、３１Ａ、４１Ａと第２電極２１Ｂ、３１Ｂ、４１Ｂとの間の改良によって既に集光されており、詳細には示されていないＴＨｚ透過基板を通してＴＨｚ放射５３が取り出される。すなわち、光は透過方向の励起側から出ていく。光励起が集中されるこの改良された概念は、ここでは詳細に示されていない、ＴＨｚアンテナに対する励起側のマイクロレンズの配列によって達成可能である。図９には詳細に示されていない隣接する２つのＴＨｚアンテナ間の間隔を、例えば、本図のように金属−半導体−金属配列（ＭＳＭアンテナ）でＴＨｚ波長のλ／２の長さまで拡大することにより、ＴＨｚアンテナアレーの利得は大幅に向上される。

図１０および図１１は、これらの、および他の改良を示し、これらは、第１に構成要素設計に関連し、第２に光励起に関連し、第３に金属ナノ粒子による半導体表面の機能化による効率向上に関連する。本事例の場合、これらはＴＨｚアンテナアレー５０の別の好ましい実施形態において実現され、アンテナアレーの古典的場の理論の電位を改良した形で利用する。この場合、個々のＭＳＭアンテナ素子５９の、例えば図９または先行する各図に示されている間隔ＤをＴＨｚ放射の波長の例えばλ／２０からλ／２の長さまで拡大することにより、ＴＨｚアンテナアレーの配列の利得を大幅に向上させることができ、その結果、周囲の全体システムにおける光学的損失は著しく低減される。この利得は、個々のアンテナ５９の電磁結合にも依存するが、これも同様に、屈折率の適合化などの有利な方策によって改善することが可能である。個々のＭＳＭアンテナ素子５９の間隔Ｄを拡大する上述の方策によって、必要に応じて、前記利得は１０倍またはそれ以上まで増加することができる。

アンテナの間隔Ｄの拡大は、中間の不活性表面の拡大、即ち先の図面に示されているスペース領域２４、３４、４４の拡大を意味する可能性がある。図１０に示されるＴＨｚアンテナアレー５０の実施形態において、図９で説明されたマイクロレンズを用いる収束の概念を進展させて、マイクロレンズアレー５５が、ＴＨｚアンテナアレー５０におけるＴＨｚアンテナ５９よりも上方の励起側に組み込まれる。マイクロレンズアレー５５は本装置の構成要素である。マイクロレンズアレー５５は、光励起ビームとなる光励起５１をＴＨｚアンテナアレーにおいて反復して配置されたアンテナ５９上に集光させる。この方法では、図１０に示されるとおり、活性領域のみを、即ち先の図面に示されるスペース領域２４、３４、４４を照射することが可能であり、およびこの方法では、光励起エネルギーをより効率的に利用できる。このため、特にＴＨｚアンテナアレー５０上に設けられるマイクロレンズアレーは、要求されるアンテナ間隔Ｄに適合するように設計可能である。さらに、光励起５１を一方の電極２１Ａ、３１Ａ、４１Ａと他方の電極２１Ｂ、３１Ｂ、４１Ｂとの間のスペース領域２４、３４、４４上に集光させる場合、集光に必要な実際の面積をスペース領域２４、３４、４４の伸展部よりも小さくなるように設計できることも立証されている。また、結局は、スペース領域の伸展部よりも下側にこのタイプの光励起５１が集光することから、スペース領域２４、３４、４４に生成される電荷キャリアはその利用できる容積が大きく、これによりスクリーニング効果は低減される。その結果、効率が向上することも判明している。また、光学的集中（集光）を中心よりも陽極に近づけて生成する、または、陰極に近づけて集中させることは、これにより同じくスクリーニング効果が比較的低く維持され、これによりＴＨｚ放射の効率を高めることができることから有利である場合がある。

ＴＨｚ信号発生における別の改良は、本事例の場合のように、例えば、相互に分離される金のナノ粒子から成る蒸着層である半導体表面の改質過程において達成できる。本事例では、高い誘電定数を有する、数ナノメートルの範囲の直径を有する粒子形状の金属および他の材料が、センサ表面を大きくするためだけでなく、光励起によって生成される電荷キャリアの場の力学に影響を与えるためにも使用される。具体的には、励起によって表面プラズモン共鳴が達成され、また粒子サイズおよび密度の関数として、様々な吸収特性を生成することができる。このような金属ナノ粒子のすぐ近くにプラズモン励起の場合に高強度の場が発生するが、これを、例えば本ＴＨｚアンテナアレーの感度を向上させるために利用することもできる。本事例では、この改良において、層６１における金属ナノ粒子の光プラズモン共鳴特性を変換効率の上昇に利用できることが認識されている。本事例では、これは、エミッタとして設計されるＴＨｚアレー５０の光導電効率を高める作用をし、または光導電検出器の感度を高める作用もする。図１１は、図１０におけるＴＨｚアンテナアレー５０を三次元的に示したものである。マイクロレンズアレー５５は、上述のとおり、ＴＨｚアンテナアレー５０と統合されてＴＨｚ放射成分を形成することができる。本事例の場合、図１１にはフィンガ構造であるＴＨｚアンテナ配列が概略的に示され、その上に、機能化されたナノスケール表面６１が推定位置で示されている。

本事例の場合、このような表面６１は低コストのプロセスとして、例えばＳｉＯ₂表面上に金のナノ粒子を蒸着する過程で得ることができる。図１２は、このような例を示す。電子ビーム気化プロセスを用いて、高さ２ナノメートルおよび直径３〜６ナノメートルを有する金粒子が約２０ナノメートルの平均間隔で製造される。これに関連して、図１２のＡＦＭ写真はＡｕ粒子の明確な分離を示している。これは、例えば図９または図１０に示すようなエミッタにおけるＴＨｚ変換の効率向上効果を得る上で特に適する。図１〜図８に示されているＴＨｚアンテナアレーは、このために使用できる。

冒頭で定義されているDreyhauptらの論文に記載されているＴＨｚアンテナアレーの断面図である。 本発明の概念によるＴＨｚアンテナアレーの第１実施形態を示す断面図である。 本発明の概念によるＴＨｚアンテナアレーの第２実施形態を示す断面図である。 図２および図３による実施形態の平面図である。 半導体出発材料からのエピタキシャルリフトオフよりに前の本発明の概念によるＴＨｚアンテナアレーの構造を示す顕微鏡写真である。 図５のＴＨｚアンテナアレーの光透過性基板への転写後を示す顕微鏡写真である。 共振器要素を構成するＴＨｚアンテナアレーの別の実施形態の平面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、好ましい実施形態の製造方法を示す略図である。 好ましい実施形態の励起および放射プロセスを示す概略図である。 好ましい別の実施形態の励起および放射プロセスを示す概略図である。 他の好ましい実施形態の三次元の半透明略図である。 ナノ粒子を使用するＴＨｚアンテナアレーの機能化表面の典型的バージョンを示すＡＦＭ写真である。

符号の説明

２１Ａ，２１Ｂ 電極
２２ 光導電領域
２４ スペース領域
２５ 横方向領域
２９ テラヘルツアンテナ

Claims (31)

1. 複数のテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）を有するテラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）であって、
   前記テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）は、光導電領域（２２、３２、４２）、第１電極（２１Ａ、３１Ａ、４１Ａ）、および第２電極（２１Ｂ、３１Ｂ、４１Ｂ）を備え、
   前記電極は、前記光導電領域（２２、３２、４２）の少なくとも一部分上を水平方向に延びるスペース領域（２４、３４、４４）によって間隔を空けて配置され、
   隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の横方向領域（２５、３５、４５）は非光導電性である、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
2. 請求項１において、前記隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の前記横方向領域（２５、３５、４５）には光導電性材料が存在しない、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
3. 請求項１または２において、前記光導電領域（２２、３２、４２）は、前記スペース領域（２４、３４、４４）および前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）を超えて突き出ない横方向の部分に限定されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記アレー（２０、３０、４０）における隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の前記横方向領域（２５、３５、４５）は、テラヘルツ周波数範囲内の吸収および／または散乱が他の周波数範囲よりも小さい、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記アレー（２０、３０、４０）における隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の前記横方向領域（２５、３５、４５）は、光学的に透明および／または非導電性である、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
6. 請求項１から５のいずれか一項において、前記隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の前記横方向領域（２５、３５、４５）は、基板（１２）、具体的には、サファイアまたは石英ガラス基板（２３、３３、４３）によって形成されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
7. 請求項１から６のいずれか一項において、前記隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の前記横方向領域（２５、３５、４５）には、前記光導電領域（２２、３２、４２）および／または前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）の蒸着材料が存在しない、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
8. 請求項１から７のいずれか一項において、前記テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）は、前記光導電領域（２２、３２、４２）における、具体的には０．９ｅＶを超えるエネルギーの、具体的には６５０ｎｍ〜１２００ｎｍまでの波長範囲、好ましくは７５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長範囲の集光されたパルスの光励起に適するように設計されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
9. 請求項１から８のいずれか一項において、前記テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）は金属−半導体−金属構造体によって形成されており、前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）は金属材料によって形成され、前記光導電領域（２２、３２、４２）は半導体材料によって形成されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
10. 請求項１から９のいずれか一項において、前記光導電領域（２２、３２、４２）はＬＴ−ＧａＡｓによって形成されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項において、前記光導電領域（２２、３２、４２）は前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）の下側に配置された少なくとも１つの層（３２Ａ）、具体的には前記スペース領域（２４、３４、４４）および前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）の前記横方向の部分に延びる層（３２Ａ）、を備えている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
12. 請求項１から１０のいずれか一項において、前記光導電領域（２２、３２、４２）は前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）間に配置された少なくとも１つの層（３２Ｂ）、具体的には前記スペース領域（２４、３４、４４）の前記横方向の部分に延びる層（３２Ｂ）、を備えている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
13. 請求項１から１２のいずれか一項において、前記光導電領域（２２、３２、４２）の厚みは１０μｍ、好ましくは５μｍ、好ましくは２μｍ、好ましくは１μｍに以下であり、具体的には少なくとも０．５μｍの厚さを有する、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
14. 請求項１から１３のいずれか一項において、前記テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）はフィンガ構造の電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）によって形成されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
15. 請求項１から１４のいずれか一項において、前記フィンガ構造のフィンガ（４１Ａ、４１Ｂ）はテラヘルツ共振器を構成する形状である、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
16. 請求項１から１５のいずれか一項において、前記フィンガ構造のフィンガ（４１Ａ、４１Ｂ）は、フィンガの横方向の部分に、前記光導電領域（２２、３２、４２）から離れる方向に向くＴ字形状部（４６）を有する、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
17. 請求項１から１６のいずれか一項において、少なくとも第１の複数のテラヘルツアンテナ（４９’）が第２の複数のテラヘルツアンテナ（４９’’）とは異なる電位にある、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
18. 請求項１から１７のいずれか一項において、前記隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）の間隔、具体的にはテラヘルツアンテナの中心間の距離は、λ／４０〜λ／１．５の範囲、好ましくはλ／２０、具体的にはλ／４０〜λ／１０の範囲、好ましくはλ／２、具体的にはλ／４〜λ／１．５の範囲、好ましくはλ／１０よりも大きい、具体的にはλ／８よりも大きい、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
19. 請求項１から１８のいずれか一項において、励起側に、好ましくはテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）よりも上方に、マイクロレンズが配置され、好ましくは、前記テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０）の少なくとも一部、好ましくは全部の上方において、テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）の励起側にマイクロレンズアレー（５５）が配列されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
20. 請求項１から１９のいずれか一項において、前記テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）が、電界増幅手段を、具体的には前記励起側に、好ましくは前記光導電領域（２２、３２、４２）内および／または前記光導電領域（２２、３２、４２）上に、具体的には前記スペース領域（２４、３４、４４）内に備える、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
21. 請求項１から２０のいずれか一項において、前記電界増幅手段が、高い誘電定数のナノスケール材料の形態で、具体的には金属材料の形態で、好ましくは金属ナノ粒子の機能層として、形成されている、テラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）。
22. 請求項１から２１のいずれかに記載の複数のテラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）で構成されたシステムであって、
    少なくとも第１の複数のテラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）は第２の複数のテラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）とは異なる電位にある、システム。
23. 複数のテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）を有するテラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）を製造する方法であって、
    ＴＨｚアンテナ（２２、３９、４９’、４９’’）は、光導電領域（２２、３２、４２）、第１電極（２１Ａ、３１Ａ、４１Ａ）、および第２電極（２１Ｂ、３１Ｂ、４１Ｂ）を備え、前記電極は、前記光導電領域（２２、３２、４２）の少なくとも一部分上を横方向に延びるスペース領域（２４、３４、４４）によって間隔を空けて配置されており、
    −光導電領域（２２、３２、４２）を有する出発材料（５１）を準備し、
    −前記光導電領域（２２、３２、４２）上に前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）を形成し、
    −前記アレー（２０、３０、４０、５０）内の隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の横方向領域（２５、３５、４５）における前記光導電領域（２２、３２、４２）の一部を除去し、前記アレー（２０、３０、４０、５０）にいおける隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の横方向領域（２５、３５、４５）は非光導電構造とし、
    −得られたテラヘルツアンテナアレー（２０、３０、４０、５０）の構造体を前記出発材料からリフトオフして非光導電基板に転写する、テラヘルツアレーの製造方法。
24. 請求項２３において、前記光導電領域（２２、３２、４２）は、前記スペース領域（２４、３４、４４）の横方向部分を越えて突き出ない、または前記スペース領域（２４、３４、４４）および前記電極（２１Ａ、２１Ｂ、３１Ａ、３１Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ）の横方向部分を超えて突き出ない横方向部分に限定されている、テラヘルツアレーの製造方法。
25. 請求項２３または２４において、前記電極は、気化による金属層の蒸着および／または必要でない電極部位のリフトオフによって形成される、テラヘルツアレーの製造方法。
26. 請求項２３から２５のいずれか一項において、前記電極は、必要でない部位の化学エッチングによって形成される、テラヘルツアレーの製造方法。
27. 請求項２３から２６のいずれか一項において、前記光導電領域（２２、３２、４２）の一部の除去は、前記アレー（２０、３０、４０）における隣接するテラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）間の横方向領域（２５、３５、４５）の化学エッチングによって実現される、テラヘルツアレーの製造方法。
28. 請求項２３から２７のいずれか一項において、前記出発材料からのリフトオフは、前記光導電領域（２２、３２、４２）の下側の犠牲領域の化学エッチングによって実現される、テラヘルツアレーの製造方法。
29. 請求項２３から２８のいずれか一項において、前記テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）は、λ／４０〜λ／１．５の範囲、好ましくはλ／２０、好ましくはλ／２の間隔で配列されている、テラヘルツアレーの製造方法。
30. 請求項２３から２９のいずれか一項において、テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）の励起側にマイクロレンズ、好ましくはマイクロレンズアレーが配列されている、テラヘルツアレーの製造方法。
31. 請求項２３から３０のいずれか一項において、テラヘルツアンテナ（２９、３９、４９、４９’、４９’’）には電界増幅手段が設けられ、具体的には前記電界増幅手段が高誘電定数のナノスケール材料である、テラヘルツアレーの製造方法。

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