JP2012047595A

JP2012047595A - テラヘルツ波検出装置

Info

Publication number: JP2012047595A
Application number: JP2010189923A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kadoya; 豊角屋; Yasuhiro Takemura; 安弘竹村
Original assignee: Hiroshima University NUC; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Hiroshima University NUC; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】トリガー光の光子エネルギーが光伝導アンテナを構成している半導体基板のバンドギャップエネルギーよりも小さい場合でもテラヘルツ波の検出感度を向上させる。
【解決手段】テラヘルツ波検出装置は、トリガー光が照射されるとキャリアを発生させる基板と、前記基板上に所定のギャップを有するように形成された１対の金属パターンからなり、前記基板にテラヘルツ波が照射されることにより生じる前記キャリアに基づく電流を検出するアンテナと、を備え、前記基板のバンドギャップエネルギーは前記トリガー光の光子エネルギーよりも大きく、前記アンテナの所定のギャップが５μｍ未満であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波検出装置に関する。

テラヘルツ波（ミリ波・サブミリ波を含む周波数３０ＧＨｚ〜１２ＴＨｚの電磁波）の特徴として、高い空間分解能を有すること、赤外線や可視光に比べると波長が長いため空間伝搬時の塵や煙、炎などによる散乱が小さいこと、有害物質や有毒ガスなどの吸収スペクトルがサブミリ波帯にあるためこれらの物質を検知可能であること、などが挙げられる。テラヘルツ波は、これまで未開拓領域の電磁波と呼ばれてきたが、工業、医療、バイオ、セキュリティ等の様々な分野での応用が期待されており、テラヘルツ波の発生方法と検出方法について、活発な技術開発が行われている。

テラヘルツ波の発生技術については、バイアス電界を印加した光伝導アンテナに、フェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツ波を発生させる方式が広く用いられている。また、半導体表面や半導体微小共振器を用いた発生方法も確立されつつある。そのほかの方法として、非線形光学結晶による差周波発生を利用する方法や、最近ではカスケード型のサブミリ波レーザを用いる方法の報告もある。

一方、テラヘルツ波の検出技術については、ボロメータや焦電センサを用いる熱的な方法、光伝導アンテナを用いた方法、電気光学効果を用いた電気光学サンプリング方法などが挙げられるが、テラヘルツ波の発生技術に比べて開発は遅れている。

図１（Ａ）に、光伝導アンテナによるテラヘルツ波の検出方法を示す。光伝導アンテナは、半導体基板の一方の面上にダイポールアンテナを形成した構成である。ダイポールアンテナには、電流計が接続される。この光伝導アンテナに、基板のダイポールアンテナが形成された面、またはその反対の面側からテラヘルツ波のパルスを入射させる。また、基板のダイポールアンテナが形成された面側から、トリガーとなるフェムト秒の光パルスをダイポールアンテナのギャップに照射する。すると、半導体基板内には光パルスによってキャリアが生成され、このキャリアがテラヘルツ波の振動電場により加速されて、テラヘルツ波の振動電場に比例して瞬時電流が流れる。この瞬時電流を電流計で計測することによって、テラヘルツ波を検出することができる。半導体基板としては、光伝導アンテナが形成される面に２５０℃程度の低温で結晶成長させたＧａＡｓからなる光伝導膜を有するものが広く用いられている。

M. Tani, K. Lee, and X. C. Zhang, "Detection of terahertz radiation with low-temperature-grown GaAs-based photoconductive antenna using 1.55 um probe", Appl. Phys. Lett. 77, 1396 (2000)

テラヘルツ波の検出に用いるフェムト秒レーザとしては、従来、波長が約０．８μｍのモードロックチタンサファイヤレーザが一般的であったが、最近では通信用の１．５μｍ帯のフェムト秒レーザも開発されており、この１．５μｍ帯のフェムト秒レーザをテラヘルツ波検出に利用することが検討されている。しかしながら、例えば低温成長ＧａＡｓを光伝導膜として１．５μｍ帯のトリガー光を用いた場合は、テラヘルツ波の検出効率が、トリガー光の波長が０．８μｍの場合よりも一桁程度小さいことが報告されている（非特許文献１）。
また、半導体レーザやファイバレーザ等による１μｍ帯のフェムト秒レーザも開発されているが、テラヘルツ波の検出効率は、１．５μｍ帯と同様、トリガー光の波長が０．８μｍの場合よりも小さいことが知られている。
このように、トリガー光の波長が０．８μｍより長波長になるとテラヘルツ波の検出効率が低下するのは、トリガー光の光子エネルギーが光伝導アンテナを構成している半導体基板のバンドギャップエネルギーよりも小さくなることに起因するものである。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、トリガー光の光子エネルギーが光伝導アンテナを構成している半導体基板のバンドギャップエネルギーよりも小さい場合でもテラヘルツ波の検出感度を向上させることにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、トリガー光が照射されるとキャリアを発生させる基板と、前記基板上に所定のギャップを有するように形成された１対の金属パターンからなり、前記基板にテラヘルツ波が照射されることにより生じる前記キャリアに基づく電流を検出するアンテナと、を備え、前記基板のバンドギャップエネルギーは前記トリガー光の光子エネルギーよりも大きく、前記アンテナの所定のギャップが５μｍ未満であることを特徴とするテラヘルツ波検出装置である。

また、上記テラヘルツ波検出装置において、前記アンテナの所定のギャップが１μｍ以上であることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波検出装置において、前記トリガー光は、波長９６０ｎｍから１０８０ｎｍまたは波長１４９０ｎｍから１６４０ｎｍであることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波検出装置において、前記基板はガリウム砒素を含む基板であることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波検出装置において、前記テラヘルツ波の周波数は、３０ＧＨｚから１２ＴＨｚであることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波検出装置において、前記テラヘルツ波の周波数は、３００ＧＨｚから２ＴＨｚであることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波検出装置において、前記トリガー光を集光して前記基板に照射するインライン型の集光手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、トリガー光の光子エネルギーが光伝導アンテナを構成している半導体基板のバンドギャップエネルギーよりも小さい場合でもテラヘルツ波の検出感度を向上させることができる。
また、本発明によれば、十分な感度でテラヘルツ波を検出することができる。
また、本発明によれば、多光子吸収による非線形効果を用いることができるため、テラヘルツ波の検出を高効率で行うことができる。
また、本発明によれば、基板にガリウム砒素を用いることで、安価に高速応答性に優れた検出が可能である。
また、本発明によれば、広い周波数範囲のテラヘルツ波の検出が可能である。
また、本発明によれば、テラヘルツ分光等への応用が可能である。
また、本発明によれば、非常に微細な金属パターンであるダイポールアンテナへの異物の混入を防ぎ、短絡等の不具合を防止することができる。また、基板へ照射されるトリガー光の位置ずれを抑制することができ、より安定した検出が可能となる。

本発明の実施形態によるテラヘルツ波検出装置の構成を示す図である。波長１．５μｍのトリガー光を用いた場合のテラヘルツ波の検出感度を計測した実験結果の例を示す図である。波長１．５μｍのトリガー光を用いた場合のテラヘルツ波の検出感度を計測した実験結果の例を示す図である。ダイポールアンテナが形成された半導体基板中におけるテラヘルツ波の強度を計算した結果の例を示す図である。ダイポールアンテナの変形例を示す図である。光伝導アンテナにテラヘルツ波とトリガー光を照射するための構成例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波検出装置１の構成を示す図である。テラヘルツ波検出装置１は、光伝導アンテナ１０と電流計２０を有する。

光伝導アンテナ１０は、半導体（ＧａＡｓ等）基板１０１の一方の面Ｍ１上にダイポールアンテナ１０２を形成した構成である。ダイポールアンテナ１０２には、電流計２０が接続される。この光伝導アンテナ１０に、基板１０１のダイポールアンテナ１０２が形成された面Ｍ１と反対の面Ｍ２側からテラヘルツ波のパルスを入射させる。また、基板１０１のダイポールアンテナ１０２が形成された面Ｍ１側から、トリガーとなるフェムト秒の光パルスをダイポールアンテナ１０２のギャップＧに照射する。すると、半導体基板１０１内には光パルスによってキャリアが生成され、このキャリアがテラヘルツ波の振動電場により加速されて、テラヘルツ波の振動電場に比例して瞬時電流が流れる。この瞬時電流を電流計２０で計測することによって、テラヘルツ波を検出することができる。

半導体基板１０１には、温度３００℃程度以下で膜成長させたＧａＡｓを用いる。この低温成長ＧａＡｓ中には過剰のＡｓが含まれている。そのため、膜中にはＡｓＧａ（ＧａサイトへのＡｓ置換）等の欠陥が多数存在し、これらの欠陥がキャリアの捕獲または再結合中心となることにより、非常に短いキャリア寿命（＜０．５ｐｓ）を示す。これにより、高速な時間応答性を得ることができる。なお、半導体基板１０１は、ＧａＡｓ単体に限らず、光照射によってキャリアを発生させる光伝導性を有するものであればよく、例えば、ＧａＡｓ等の薄膜（光伝導膜）と他の半導体材料との多層構造で構成されたものであってもよい。

ダイポールアンテナ１０２は、図１に示されるように、ダイポール長Ｌｄ＝５０μｍ、電極間のギャップ間隔Ｌｇ＜５μｍである。ここで、ギャップ間隔Ｌｇは電極間の最短距離と定義する。

キャリアを生成するためのトリガー光は、１．５μｍ帯（１４９０ｎｍ〜１６４０ｎｍ）のフェムト秒パルスレーザ光を用いる。このトリガー光は、不図示のレンズ等の集光手段によって、そのスポットサイズがダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇより少し大きいサイズ（例えば、ギャップ間隔Ｌｇを１．５μｍとしたとき、トリガー光のスポットサイズは２．７μｍとする。）に集光されて、ダイポールアンテナ１０２のギャップへ照射される。なお、トリガー光として、１μｍ帯（９６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ）のフェムト秒パルスレーザ光を用いてもよい。

トリガー光を小さなスポットサイズに集光して半導体基板１０１に照射することにより、テラヘルツ波の検出感度を向上させることができる。すなわち、低温成長ＧａＡｓを基板に用いた光伝導アンテナにおいて、トリガー光の波長が１．５μｍ帯の場合には、テラヘルツ波の検出感度はトリガー光のパワーの約１．４乗に比例する。この非線形性は、ＧａＡｓの１．５μｍ帯の光に対する不純物準位や二光子吸収を介した吸収に起因すると考えられている。よって、トリガー光を小さなスポットサイズに集光して基板中の光パワー密度を高くすることで、テラヘルツ波の検出感度の向上が可能である。

ただし、トリガー光のスポットサイズがダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇよりも小さくなってしまうと、トリガー光によって生成されたキャリアがダイポールアンテナ１０２の電極付近に存在しないため、テラヘルツ波による電流の検出効率が低下してしまう。そこで、上記のように、トリガー光のスポットサイズはダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇより少し大きいサイズとし、トリガー光のスポットがダイポールアンテナ１０２の電極とオーバーラップするようにする。これにより、テラヘルツ波の検出感度を大幅に向上させることが可能である。

図２，図３に、波長１．５μｍのトリガー光を用いた場合のテラヘルツ波の検出感度を計測した実験結果の例を示す。トリガー光のパワーは図２，図３において９．５ｍＷで共通である。

図２において、横軸はテラヘルツ波の周波数であり、縦軸は計測されたテラヘルツ波の振幅（任意単位）である。図２から、ギャップ間隔Ｌｇを１．５μｍ、トリガー光のスポットサイズを２．７μｍとした場合は、ギャップ間隔Ｌｇを５μｍ、トリガー光のスポットサイズを５．４μｍとした場合に比べて、テラヘルツ波の検出感度は１０倍程度向上していることが分かる。

図３において、横軸はダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇであり、縦軸は計測されたテラヘルツ波の振幅である。また、図中の数値はトリガー光のスポットサイズ（単位はμｍ）を示している。図３から、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇを５μｍより小さくすることで、テラヘルツ波の振幅すなわちテラヘルツ波の検出感度が向上することが分かる。また、図３からは、トリガー光のスポットサイズはダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇよりもやや大きい方が、テラヘルツ波の検出感度は高いことも分かる。

図４に、半導体基板１０１の低温成長ＧａＡｓ膜中におけるテラヘルツ波の強度を計算した結果の例を示す。計算は、低温成長ＧａＡｓ膜の膜厚を２μｍ、ダイポールアンテナ１０２のダイポール長Ｌｄを５０μｍとし、ギャップ間隔Ｌｇ＝１μｍ，２μｍ，３μｍの場合それぞれについて、ダイポールアンテナ１０２のギャップ中央部（図中の点Ｐで示す箇所）のテラヘルツ波強度を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）で求めた。図の横軸はテラヘルツ波の周波数であり、縦軸はテラヘルツ波の強度をダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇが５μｍのときの強度で規格化した相対強度である。図４から、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇが２μｍの場合に、最大のテラヘルツ波強度が得られることが分かる。なお、図４においてテラヘルツ波強度の周波数依存性は、ダイポールアンテナ１０２の共振特性に起因するものである。

図２，図３の実験結果からは、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇが小さいほどテラヘルツ波の検出感度が高くなることが分かるが、図４の計算結果から、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇが２μｍより小さくなると低温成長ＧａＡｓ膜中のテラヘルツ波強度は低下してしまうことが理解される。したがって、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇを１μｍよりさらに小さくしても、テラヘルツ波の検出感度（図２，図３）を向上させることは困難である。また、トリガー光はフェムト秒パルスであり波長の広がりを持っているため、スポットサイズを１μｍより小さくすることは難しい。これらのことから、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇを１μｍ程度とした場合に、テラヘルツ波の検出感度を最大化することが可能である。

また、図４の計算結果によれば、テラヘルツ波の周波数が２ＴＨｚ以上の領域では、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇが１μｍの場合はギャップ間隔Ｌｇが５μｍの場合よりもテラヘルツ波強度が低下する。そのため、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇを１μｍとした構成では、テラヘルツ波の周波数が２ＴＨｚより低い領域において、テラヘルツ波の検出感度を従来（ギャップ間隔Ｌｇ＝５μｍ）より向上させることが可能である。また、図２によれば、テラヘルツ波のうちサブミリ波の周波数の下限である３００ＧＨｚ付近まで、検出感度の向上の効果が認められる。これらのことから、周波数範囲０．３〜２ＴＨｚのテラヘルツ波に対して、検出感度の向上が可能である。
なお、テラヘルツ波の周波数が２ＴＨｚ以上の領域においては、トリガー光のパルス幅やプロファイルを調整することにより半導体基板１０１内に生成されるキャリアの応答速度を高速化することができるため、原理的には周波数４０ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を検出することが可能である（例えば、S. Kono, M. Tani, P. Gu and K. Sakai: Appl. Phys. Lett. 77, 4104-4106 (2000).，S. Kono, M. Tani, and K. Sakai: Appl. Phys. Lett. 79, 898-900 (2001).，S. Kono , M. Tani and K. Sakai: IEE Proceedings - Optoelectronics, 149, 105 (2002).等を参照）。

図５（Ａ），（Ｂ）に、本実施形態によるテラヘルツ波検出装置１の光伝導アンテナ１０に適用可能なダイポールアンテナの変形例を示す。同図（Ａ）はボウタイ型、同図（Ｂ）はスパイラル型の構成である。なお、これらの構成において、ギャップ間隔Ｌｇは、トリガー光が照射される領域における電極間の最短距離と定義する。なお、光伝導アンテナ１０の形状はこの例に限定されず、トリガー光が照射される領域において電極間にギャップを有するものであればよい。例えば、図５（Ｃ）に示すような、高周波特性を重視したコプレーナストリップラインでもよい。

図６に、光伝導アンテナ１０にテラヘルツ波とトリガー光を照射するための構成例を示す。テラヘルツ波は、集束レンズを介して半導体基板１０１に照射される。トリガー光は、シングルモード光ファイバ、ＧＲＩＮコリメータレンズ、ＧＲＩＮコンデンサレンズを介して半導体基板１０１上のダイポールアンテナ１０２のギャップに照射される。
このように光ファイバ、レンズ、および基板を一体化した構成、すなわち空間系とは異なるインライン型の構成を用いてトリガー光を入射させることで、非常に微細な金属パターンであるダイポールアンテナへの異物の混入を防ぎ、短絡等の不具合を防止することができる。また、基板へ照射されるトリガー光は基板上のミクロンオーダーの微小部分に照射する必要があるため高精度で安定した光学系が要求されるが、本構成のように各部品が接着剤等で強固に固定されることで、基板へ照射されるトリガー光の位置ずれを抑制することができ、より安定した検出が可能となる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１…テラヘルツ波検出装置１０…光伝導アンテナ２０…電流計１０１…半導体基板１０２…ダイポールアンテナ

Claims

トリガー光が照射されるとキャリアを発生させる基板と、
前記基板上に所定のギャップを有するように形成された１対の金属パターンからなり、前記基板にテラヘルツ波が照射されることにより生じる前記キャリアに基づく電流を検出するアンテナと、を備え、
前記基板のバンドギャップエネルギーは前記トリガー光の光子エネルギーよりも大きく、
前記アンテナの所定のギャップが５μｍ未満である
ことを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
前記アンテナの所定のギャップが１μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記トリガー光は、波長９６０ｎｍから１０８０ｎｍまたは波長１４９０ｎｍから１６４０ｎｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記基板はガリウム砒素を含む基板であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記テラヘルツ波の周波数は、３０ＧＨｚから１２ＴＨｚであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記テラヘルツ波の周波数は、３００ＧＨｚから２ＴＨｚであることを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記トリガー光を集光して前記基板に照射するインライン型の集光手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出装置。