JP2010045157A - テラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招かずに電磁波の出力を向上し得るテラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法を提供する。
【解決手段】テラヘルツ電磁波放射素子は、空乏層４を有する半導体基板１と、半導体基板１と上部電極２と、半導体基板１と接触し、かつ上部電極２と分離して形成される下部電極３とを備えている。上部電極２と下部電極３との電位差により空乏層４内の電界を制御可能である。テラヘルツ電磁波６を発生させる際には、上部電極２と下部電極３との間に逆方向電圧を加えた状態で、空乏層４にパルス光５を照射する。
【選択図】図３

Description

本発明は、テラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法に関し、より特定的には、放射されるテラヘルツ電磁波の出力を向上しうるテラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法に関する。

テラヘルツ電磁波は、テラヘルツ帯の周波数（およそ１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）を有する電磁波である。テラヘルツ電磁波放射素子は、これまで未開拓であったテラヘルツ帯の新光源として注目されており、近年、このテラヘルツ波を用いた応用研究が盛んに行なわれている。

代表的なテラヘルツ電磁波放射素子としては、ＧａＡｓやＩｎＡｓなどよりなる半導体基板が知られている。フェムト秒（１０ｆｓ）程度のパルス幅を有するフェムト秒パルスレーザをこの半導体基板に照射すると、パルスレーザ光のエネルギによって半導体基板表面に存在するキャリアが励起されて電流が流れ、このパルス状の電流によってテラヘルツ電磁波が発生し、外部へ放射される。

また、テラヘルツ電磁波の出力を向上するために、上記半導体基板表面に微小な間隔で対向する電極を設けたテラヘルツ電磁波放射素子も提案されている。この素子においては、対向する電極同士の間に直流電圧を印加した状態で、フェムト秒パルスレーザが半導体基板に照射される。これにより、光励起されたキャリアが電極間に生じた電界によって加速され、高出力のテラヘルツ電磁波が発生する。また、上記半導体基板の代わりに超伝導体を用いた素子も提案されている。

さらに、テラヘルツ電磁波の出力を向上するために、上記半導体基板に磁場を印加する方法も提案されている。この方法においては、フェムト秒パルスレーザによって光励起されたキャリアが磁場によって加速され、過渡電流の方向が変化することで放射効率が増大して高出力のテラヘルツ電磁波が発生する。

なお、従来のテラヘルツ電磁波放射素子は、たとえば特開２００５−１０１４０１号公報（特許文献１）に開示されている。
特開２００５−１０１４０１号公報

近年、テラヘルツ波電磁波を用いた分析・測定装置の研究開発が進められており、これらの装置の適用範囲を広げるために、より高出力なテラヘルツ電磁波を放射可能な素子が望まれている。アンテナを用いた高強度テラヘルツ電磁波発生のために、電極を設けた大口径アンテナに高電界を印加し、高強度光パルスを照射する方法がある。テラヘルツ電磁波の出力を向上するには印加電圧の増大（第１の方法）およびアンテナの大口径化（第２の方法）が考えられる。第１の方法のうち、最も単純なものは大気を介した放電が発生してノイズ源となり、分析・測定装置に必要な精度が得られず適さない。また、櫛形電極を表面に作製した素子があるが、アンテナ素子構造が複雑となる。また、櫛形電極を持つ素子は、構造上、静電破壊が生じやすく取扱が容易でない。これらはさらなる高出力化のための第２の方法であるアンテナの大口径化に適さない。

したがって本発明の目的は、複雑な工程を必要とせずに高出力化が可能なテラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法を提供することである。

本発明のテラヘルツ電磁波放射素子は、空乏層を有する半導体層と、半導体層と接触する第１電極と、半層体層と接触し、かつ第１電極と分離して形成される第２電極とを備えている。第１電極と第２電極との電位差により空乏層内の電界を制御可能である。

本発明のテラヘルツ電磁波放射素子によれば、第１電極と第２電極との間の電圧が実質的に空乏層に加わるので、空乏層内を高電界にすることができる。その結果、空乏層内で光励起されたキャリアが大きく加速され、高出力のテラヘルツ電磁波を発生することができる。

本発明のテラヘルツ電磁波放射素子において好ましくは、第１電極と半導体層とはショットキー接触している。これにより、ショットキー接合部の空乏層においてキャリアが光励起される。また、半導体層の表面に空乏層が生じるので、パルス光が空乏層に到達しやすくなる。

本発明のテラヘルツ電磁波放射素子において好ましくは、第１電極はニクロム合金である。ニクロム合金は、電磁波の透過率が高いため、空乏層内で発生したテラヘルツ電磁波を外部に取り出しやすくなる。なお、「ニクロム合金」とは、ニッケルおよびクロムの含有量が５０質量％以上の合金を意味している。

本発明のテラヘルツ電磁波放射素子において好ましくは、半導体層は、第１導電型の不純物領域と、第１導電型の不純物領域と接触する第２導電型の不純物領域とを有している。空乏層は第１導電型の不純物領域と第２導電型の不純物領域との接合部に形成される。これにより、ｐｎ接合部の空乏層においてキャリアが光励起される。

本発明のテラヘルツ電磁波発生方法は、空乏層を有する半導体層を準備する工程と、空乏層内の電界が増加するように半導体層に電圧を加える工程と、電圧を加えた状態で、空乏層にパルス光を照射する工程とを備えている。

本発明のテラヘルツ電磁波発生方法によれば、半導体層に加えられた電圧が実質的に空乏層に加わるので、空乏層内を高電界にすることができる。その結果、空乏層内で光励起されたキャリアが大きく加速され、高出力のテラヘルツ電磁波を発生することができる。

本発明のテラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法によれば、複雑な工程を必要とせずに電磁波の出力を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ電磁波放射素子の構成を示す斜視図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０は、半導体基板１（半導体層）と、上部電極２（第１電極）と、下部電極３（第２電極）とを備えている。半導体基板１の一方の主面（上面）には上部電極２が形成されており、一方の主面と対向する半導体基板１の主面（下面）には、下部電極３が上部電極２と分離して形成されている。つまり、上部電極２と下部電極３とは半導体基板１を挟んで互いに対向するように形成されている。上部電極２と半導体基板１とはショットキー接触しており、下部電極３と半導体基板１とはオーミック接触している。

半導体基板１は、たとえばＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、またはＩｎＰなどよりなっている。半導体基板１にはｐ型不純物またはｎ型不純物が注入されていてもよい。上部電極２は、たとえばニクロムなどよりなっており、特にニッケルとクロムとよりなる合金が好ましい。下部電極３は、たとえば金などよりなっている。半導体基板１と上部電極２との組合せとしては、キャリア密度が２．５×１０¹⁵ｃｍ^-3となるようにＳｉをドープしたｎ型ＧａＡｓよりなる半導体基板１と、ＮｉＣｒ、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、または金よりなる上部電極２との組合せが特に好ましい。

なお、上部電極２および下部電極３の位置および形状については任意である。上部電極２および下部電極３は、少なくとも半導体基板１に接触しており、かつ上部電極２と下部電極３との電位差により空乏層４内の電界を制御可能であればよい。

半導体基板１は上部電極２との接合部付近に空乏層４を有している。空乏層４は上部電極２の材料の仕事関数と、半導体基板１の材料の仕事関数との差に起因して形成され、空乏層４の内部にはキャリアがほとんど存在していない。空乏層４は、半導体基板１の内部において、上部電極２と半導体基板１との接触部から下部電極３の方へ延在している。上部電極２および下部電極３に電圧を加えない状態における空乏層４の厚さは、上部電極２と半導体基板１との材料の組合せや、上部電極２と接触する部分における半導体基板１の不純物濃度などによって制御可能である。

テラヘルツ電磁波放射素子１０は、たとえば、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、またはスパッタリング法などを用いて半導体基板１の上面に上部電極２を形成し、半導体基板１の下面に下部電極３を形成することによって製造される。

続いて、本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０を用いたテラヘルツ電磁波発生方法について説明する。

図３は、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ電磁波の発生方法を説明するための図である。図４は図３のＡ部拡大図である。図３および図４を参照して、始めに、下部電極３よりも低い電位を上部電極２に与える。この状態は、上部電極２と下部電極３との間に逆方向電圧を加えた状態である。すると、空乏層４の厚さは増大して厚さＷ２となり、逆方向電圧は実質的に厚さＷ２の空乏層４の両側に加わる。その結果、空乏層４内に大きな電界が発生する。次に、上部電極２と下部電極３との間に逆方向電圧を加えた状態で、たとえばフェムト秒パルスレーザ装置などのレーザ装置９から空乏層４へパルス光５を照射する。このパルス光５のエネルギにより空乏層４内でキャリアが光励起され、光励起されたキャリアが空乏層４内の電界によって加速される。具体的には、図４に示すように、正孔７は上部電極２の方へ加速され、電子８は下部電極３の方へ加速される。その結果、半導体基板１内に大きな電流が流れ、高出力のテラヘルツ電磁波６が発生する。発生したテラヘルツ電磁波６の一部は、半導体基板１および上部電極２を透過して外部に放出される。

本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０およびテラヘルツ電磁波発生方法によれば、上部電極２と下部電極３との間に逆方向電圧を印加すると、この逆方向電圧は、厚さＷ２の空乏層４に実質的に印加される。このため、半導体基板１内に大きな電界を発生させることができる。その結果、光励起されたキャリアが加速され、高出力のテラヘルツ電磁波を発生することができる。

加えて、半導体基板１に電極を形成しただけの簡易な構成であるため、発光領域を容易に大面積化することができる。

また、上部電極２と半導体基板１とはショットキー接触しているので、ショットキー接合部の空乏層４においてキャリアが光励起される。また、半導体基板１の表面に空乏層４が生じるので、パルス光５が空乏層に到達しやすくなる。

さらに、上部電極２をニッケルとクロムとよりなる材料で形成した場合には、光の透過率が向上し、空乏層４内で発生したテラヘルツ電磁波を外部に取り出しやすくなる。

本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０によって発生された高出力のテラヘルツ電磁波を用いることによって、特に分析・測定装置の高性能化を図ることができる。すなわち、従来の分析・測定装置においては、テラヘルツ電磁波が透過しうる厚さに被測定物を加工する必要があったが、本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０を用いれば、テラヘルツ電磁波が被測定物を透過しやすくなるため、このような加工が不要になる。また、分析・測定装置における必要なＳＮ比（Signal to Noise Ratio）を確保することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ電磁波放射素子の構成を模式的に示す断面図である。図５を参照して、本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０ａは、半導体基板および上部電極の構成が実施の形態１におけるテラヘルツ電磁波放射素子と異なっている。具体的には、半導体基板１は、ｐ型不純物領域１ａとｎ型不純物領域１ｂとを有している。ｐ型不純物領域１ａはｎ型不純物領域１ｂ上に形成されており、ｐ型不純物領域１ａの上面は上部電極２ａとオーミック接触している。ｎ型不純物領域１ｂの下面は下部電極３とオーミック接触している。ｐ型不純物領域１ａとｎ型不純物領域１ｂとの接合部には空乏層４ａが形成されている。

なお、これ以外の構成およびテラヘルツ電磁波発生方法は、実施の形態１におけるテラヘルツ電磁波放射素子およびテラヘルツ電磁波発生方法と同様であるため、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

テラヘルツ電磁波放射素子１０ａにおいて、ｐ型不純物領域１ａおよびｎ型不純物領域１ｂの各々は、たとえば、上部電極２および下部電極３を形成する前に、半導体基板１の上面または下面から半導体基板１内に不純物イオンを注入することにより形成される。また、ｎ型（ｐ型）基板の主面にｐ型（ｎ型）半導体層をエピタキシャル成長することにより形成されてもよい。

本実施の形態におけるテラヘルツ電磁波放射素子１０ａによれば、実施の形態１のテラヘルツ電磁波放射素子とほぼ同様の効果を得ることができる。

加えて、半導体基板１は、ｐ型不純物領域１ａと、ｐ型不純物領域１ａと接触するｎ型不純物領域１ｂとを有しており、空乏層４ａはｐ型不純物領域１ａとｎ型不純物領域１ｂとの接合部に形成されている。これにより、逆方向電圧（下部電極３の電位よりも上部電極３の電位が低いような電圧）を加えた状態でｐｎ接合部の空乏層４ａにパルス光を照射することにより、空乏層４ａにおいてキャリアが光励起される。

なお、本発明において空乏層は、第１導電型の不純物領域と第２導電型の不純物領域との接合部に形成されればよく、第１導電型の不純物領域および第２導電型の不純物領域の位置および不純物濃度は任意である。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、電力用避雷器の内部を診断するための分析・測定装置に利用可能である。

本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ電磁波放射素子の構成を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ電磁波の発生方法を説明するための図である。 図３のＡ部拡大図である。 本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ電磁波放射素子の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板、１ａ ｐ型不純物領域、１ｂ ｎ型不純物領域、２，２ａ 上部電極、３ 下部電極、４，４ａ 空乏層、５ パルス光、６ テラヘルツ電磁波、７ 正孔、８ 電子、９ レーザ装置、１０，１０ａ テラヘルツ電磁波放射素子。

Claims (5)

1. 空乏層を有する半導体層と、
   前記半導体層と接触する第１電極と、
   前記半層体層と接触し、かつ前記第１電極と分離して形成される第２電極とを備え、
   前記第１電極と前記第２電極との電位差により前記空乏層内の電界を制御可能である、テラヘルツ電磁波放射素子。
2. 前記第１電極と前記半導体層とはショットキー接触している、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波放射素子。
3. 前記第１電極はニクロム合金よりなる、請求項１または２に記載のテラヘルツ電磁波放射素子。
4. 前記半導体層は、第１導電型の不純物領域と、前記第１導電型の不純物領域と接触する第２導電型の不純物領域とを有し、
   前記空乏層は前記第１導電型の不純物領域と前記第２導電型の不純物領域との接合部に形成される、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波放射素子。
5. 空乏層を有する半導体層を準備する工程と、
   前記空乏層内の電界が増加するように前記半導体層に電圧を加える工程と、
   前記電圧を加えた状態で、前記空乏層にパルス光を照射する工程とを備えた、テラヘルツ電磁波発生方法。

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