JP2013128049A - 電磁波発生素子、電磁波発生装置および電磁波発生方法 - Google Patents

電磁波発生素子、電磁波発生装置および電磁波発生方法 Download PDF

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Abstract

【課題】安価でかつ広範囲にわたって電磁波を平面状に発生させる技術を提供する。
【解決手段】電磁波発生装置１００は、平面状に電磁波パルスＬＴ１を発生させる装置である。電磁波発生装置１００は、電磁波発生素子１０と、光照射部２００と、逆バイアス電圧印加回路１１とを備える。電磁波発生素子１０は、ｐ型シリコン層１４とｎ型シリコン層１５とが平面状に積層されることによって形成される空乏層形成体９０と、空乏層形成体９０の一方の面に形成されており、空乏層形成体９０から発生する電磁波パルスＬＴ１の波長に対応した形成間隔Ｐ１で等間隔に並列された複数の並行電極部１２１を含む受光面電極１２と、空乏層形成体９０の他方の面に形成されている受光面電極１２とを備える。逆バイアス電圧印加回路１１は、受光面電極１２と裏面電極１３とを介して、空乏層形成体９０に形成された空乏層を逆バイアス状態とする電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

この発明は、受光した光に応じて電磁波を発生させる技術に関し、特に、平面状に電磁波を発生させる技術に関する。
最近、テラヘルツ領域の電磁波（以下、単にテラヘルツ波とも称する。）を用いて、検査対象の持つ物性情報を画像化する、いわゆるイメージングの研究がなされている。テラヘルツ波は、電波と光の両方の性質を備えており、その透過性の高さや安全性の面で産業応用が期待されている（非特許文献１）。すでに、セキュリティ分野では、空港などに設置されるボディスキャナにおいて、安全な透視方法としてテラヘルツ波（主にサブテラヘルツ波）を利用するものが実用化されている。
テラヘルツ波を利用したイメージングを行う場合、一般的には、電磁波発生素子から出射されるテラヘルツ波に対して検査対象物を二次元に移動させるか、もしくは、検査対象物に対して光学的手法を用いて電磁波を二次元に走査させる。このように電磁波を照射する場合、電磁波を相対的に走査させるため、装置構成が複雑になっていた。そのため、テラヘルツ波を、二次元平面状に発生させる技術がこれまでにも提案されている（非特許文献２）。
非特許文献２では、非線形光学結晶であるＤＡＳＴ結晶にフェムト秒レーザを照射して、テラヘルツ波を発生させる。このとき、ガルバノミラーを用いてパルス光をＤＡＳＴ結晶上で走査させることにより、テラヘルツ波を二次元平面状に発生させる。
斗内政吉、「テラヘルツ波技術の現状と展望」、応用物理、第７５巻、第２号（２００６）、ｐ．１６０ 芦田、斗内、他、電子情報通信学会技術研究報告、ｖｏｌ．１１０、ｎｏ．６６、ＬＱＥ２０１０−３、ｐｐ．９−１３、２０１０年５月
しかしながら、電磁波発生素子としてＤＡＳＴ結晶は非常に高価である。また、数ｍｍ以上の大きさを持つ大サイズのＤＡＳＴ結晶を製造することは、技術的に不可能ではないものの、容易に得ることが困難という問題もある。したがって、ＤＡＳＴ結晶を用いて広範囲にわたって電磁波を平面状に発生させことは、事実上困難となっている。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、安価でかつ広範囲にわたって電磁波を平面状に発生させることのできる技術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、第１の態様は、パルス光の照射に応じて、電磁波パルスを発生させる電磁波発生素子であって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが平面状に積層されることによって空乏層を形成する空乏層形成体と、前記空乏層形成体の一方の面に形成されており、前記空乏層形成体から発生する前記電磁波の波長に対応した形成間隔で等間隔に並列された複数の並行電極部を含む受光面電極と、前記空乏層形成体の他方の面に形成されている裏面電極とを備える。
また、第２の態様は、第１の態様に係る電磁波発生素子において、前記受光面電極および前記裏面電極を介して、前記空乏層を逆バイアス状態とする電圧を印加する逆バイアス電圧印加回路、をさらに備える。
また、第３の態様は、第１または第２の態様に係る電磁波発生素子において、前記受光面電極は、前記並行電極部に交差するとともに、前記形成間隔に一致する間隔で等間隔に並列された複数の交差電極部、をさらに含む。
また、第４の態様は、第１から第３の態様までのいずれか１態様に係る電磁波発生素子において、前記裏面電極が、前記並行電極部と対向するとともに、相互に間隔をあけて形成される複数の対向電極部を含む。
また、第５の態様は、第１から第４の態様までのいずれか１態様に係る電磁波発生素子において、前記形成間隔が、０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
また、第６の態様は、第１から第４の態様までのいずれか１態様に係る電磁波発生素子において、前記形成間隔が、０．６ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
また、第７の態様は、平面状に電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが平面状に積層されることによって空乏層を形成する空乏層形成体と、前記空乏層形成体の一方の面に形成されており、前記空乏層形成体から発生する前記電磁波の波長に対応した形成間隔で等間隔に並列された複数の並行電極部を含む受光面電極と、前記空乏層形成体の他方の面に形成されている裏面電極とを有する電磁波発生素子と、前記電磁波発生素子に向けてパルス光を照射する光照射部と、前記受光面電極と前記裏面電極とを介して、前記空乏層形成体に形成された空乏層を逆バイアス状態とするための電圧を印加する逆バイアス電圧印加回路とを備える。
また、第８の態様は、第７の態様に係る電磁波発生装置において、前記光照射部は、前記パルス光を前記電磁波発生素子に対して走査させる走査部、を備える。
また、第９の態様は、第８の態様に係る電磁波発生装置において、前記走査部は、複数の前記並行電極部のそれぞれに沿う位置に前記パルス光を照射するとともに、前記形成間隔と一致する間隔毎に、所要時間の間、前記パルス光を照射する。
また、第１０の態様は、平面状に電磁波を発生させる電磁波発生方法であって、(a)パルス光を出射するステップと、(b)前記光を、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが平面状に積層されることによって空乏層を形成する空乏層形成体と、前記空乏層形成体の一方の面に形成されている受光面電極と、他方の面に形成されている裏面電極とを備える電磁波発生素子に対して照射して、前記電磁波発生素子から電磁波を平面状に発生させるステップとを含み、前記(b)ステップは、(b-1)前記受光面電極と前記裏面電極とを介して、前記空乏層形成体に形成された空乏層を逆バイアス状態とするための電圧を印加するステップ、を含む。
また、第１１の態様は、第１０の態様に係る電磁波発生方法において、前記(b)ステップは、(b-2)前記電磁波発生素子に対して、前記パルス光を走査させるステップ、を含む。
また、第１２の態様は、第１１の態様に係る電磁波発生方法において、前記(b-2)ステップは、複数の前記並行電極部のそれぞれに沿う位置に前記パルス光を照射するとともに、前記形成間隔と一致する間隔毎に、所要時間の間、前記パルス光を照射するステップである。
第１の態様に係る電磁波発生素子によると、平面状に広がる空乏層に対して、パルス光を照射することにより、電磁波を平面状に発生させることができる。また、電磁波発生素子を比較的安価な材料で構成することができ、かつ、容易に大サイズ化することができる。
また、空乏層形成体を挟む受光面電極と裏面電極に所要の電圧を印加することによって、空乏層に逆バイアスをかけることができる。これにより、電極近辺の空乏層から受光に応じて発生する電磁波の強度を高めることができる。また、複数の並行電極部は、発生する電磁波の波長、すなわち、電磁波の分解能に合わせて、等間隔に設けられている。このため、電磁波固有の分解能に適合し、かつ、高強度で均一な平面状の電磁波を発生させることができる。
第２の態様に係る電磁波発生素子によると、空乏層を逆バイアス状態とすることができるため、発生する電磁波の強度を高めることができる。
第３の態様に係る電磁波発生素子によると、交差電極部を設けることによって、電極に近接する領域を拡大することができる。したがって、パルス光を照射する位置設定の自由度を高めることができる。
第４の態様に係る電磁波発生素子によると、空乏層形成体内の空乏層で発生した電磁波を、受光面とは反対側にある対向電極部の隙間から出射させやすくなる。
第５の態様に係る電磁波発生素子によると、波長が約０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下の電磁波（すなわち、周波数が０．０１ＴＨｚ〜１ＴＨｚの電磁波）固有の分解能にあわせて、平面状の電磁波を高強度で発生させることができる。
第６の態様の態様に係る電磁波発生素子によると、波長が０．６ｍｍ以上３ｍｍ以下の電磁波（すなわち、周波数が０．１ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの電磁波）固有の分解能にあわせて、平面状の電磁波を高強度で発生させることができる。
第７の態様に係る電磁波発生装置によると、電磁波発生素子が持つ平面状に広がる空乏層に対して、光を照射することにより、電磁波を平面状に発生させることができる。また、電磁波発生素子を比較的安価な材料で構成することができ、かつ、容易に大サイズ化することができる。
第８の態様に係る電磁波装置によると、走査部によってパルス光を走査させることで、電磁波発生素子から平面上に電磁波を発生させることができる。
第９の態様に係る電磁波発生装置によると、電磁波の分解能に適合するように、平面状の電磁波を発生させることができる。
第１０の態様に係る電磁波発生方法によると、電磁波発生素子が持つ平面状に広がる空乏層に対して、パルス光を照射することにより、電磁波を平面状に発生させることができる。また、電磁波発生素子を比較的安価な材料で構成することができ、かつ、容易に大サイズ化することができる。
第１１の態様に係る電磁波発生方法によると、パルス光を走査させることで、電磁波発生素子から平面上に電磁波を効率的に発生させることができる。
第１２の態様に係る電磁波発生装置によると、電磁波の分解能に適合するように、平面状の電磁波を発生させることができる。
電磁波発生装置および検出装置を示すブロック図である。 電磁波発生素子の受光面を示す平面図である。 電磁波発生素子の裏面を示す平面図である。 電磁波発生素子の概略断面図である。 受光面電極の一部である複数の並行電極部を示す部分平面図である。 電磁波発生素子の受光面を示す平面図である。 電磁波発生装置において、電磁波パルスを発生させる流れ図である。 第２実施形態に係る電磁波発生素子の受光面示す部分平面図である。 第３実施形態に係る電磁波発生素子の概略を示す部分側面図である。
以下、添付の図面を参照しながら、実施形態について説明する。以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であり、本発明の技術的範囲を限定する事例ではない。
＜１． 第１実施形態＞
＜電磁波発生装置１００＞
図１は、電磁波発生装置１００および検出装置４０を示すブロック図である。電磁波発生装置１００は、受光した光に応じて電磁波を発生させる電磁波発生素子１０、パルス光を出射するフェムト秒レーザ２０、パルス光を二次元走査させる二次元走査部３０、および、電磁波発生装置１００の全体の動作を制御する制御部８０を備えている。
電磁波発生装置１００は、主にテラヘルツ領域の電磁波パルス（具体的には、周波数帯域が０．０１〜１ＴＨｚのサブテラヘルツ領域の電磁波パルス）を、二次元平面に広がる電磁波発生素子１０から面単位で発生させる。検出装置４０は、電磁波発生装置１００にて発生した電磁波パルスの強度を検出する。具体的に、検出装置４０においては、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）またはショットキーバリアダイオードなどを利用して電磁波強度の検出が行われる。この検出装置４０には、従来と同様の構成またはこれに類似する構成を利用することができる。
フェムト秒レーザ２０は、例えば、ファイバレーザなどで構成されており、中心波長が１〜１．５μｍ（マイクロメートル）付近、周期が数ｋＨｚ（キロヘルツ）〜数百ＭＨｚ（メガヘルツ）、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ（フェムト秒）程度の直線偏光のパルス光ＬＰ１を出射する。なお、フェムト秒レーザ２０としては、波長が４００ｎｍ（ナノメートル）以上１．５μｍ（マイクロメートル）以下の可視光領域または近赤外領域のパルス光を出射するものを利用できる。また、フェムト秒レーザ２０から波長が８００ｎｍのパルスレーザを出射させる場合には、チタンサファイヤレーザが好適である。
二次元走査部３０は、フェムト秒レーザ２０から出射されたパルス光ＬＰ１を電磁波発生素子１０に対して二次元走査させる装置である。二次元走査部３０は、例えば、ガルバミラー、ポリゴンミラー、音響光学変調素子、または、これらを組み合わせたもので構成されている。この二次元走査部３０による二次元的な走査によって、電磁波発生素子１０から、平面状に電磁波パルスが発生する。本実施形態では、フェムト秒レーザ２０および二次元走査部３０によって、電磁波発生素子１０に向けてパルス光ＬＰ１を照射する光照射部２００が構成されている。
＜電磁波発生素子１０＞
図２は、電磁波発生素子１０の受光面１０Ａを示す平面図である。また、図３は、電磁波発生素子１０の裏面１０Ｂを示す平面図である。また、図４は、電磁波発生素子１０の概略断面図である。
電磁波発生素子１０は、平板矩形状に形成された素子であり、パルス光ＬＰ１を受光する受光面１０Ａと、その反対側の面である裏面１０Ｂとを有している。なお、電磁波発生素子１０の形状は、例えば、円形状（楕円形状を含む。）に形成されることも考えられる。また、電磁波発生素子１０は、平面状ではなく、曲面状に形成されることも考えられる。
受光面１０Ａ側には、受光面電極１２が形成されており（図２参照）、裏面１０Ｂには、薄膜状の裏面電極１３が形成されている（図３参照）。受光面電極１２、裏面電極１３は、例えば、アルミニウム電極、または、透明電極（ＩＴＯ（Indium-tin-oxide）またはＳｎＯ2（酸化スズ(IV)））などで構成されている。
図２に示したように、受光面電極１２は、短冊状に並行する複数の並行電極部１２１を有している。並行電極部１２１は、電磁波発生素子１０における、パルス光ＬＰ１が照射される領域（すなわち、電磁波を発生させる領域（電磁波発生領域））を横断するように設けられる直線状の部材である。並行電極部１２１の幅は、例えば０．２ｍｍ程度とされるが、これは適宜変更可能である。また、各並行電極部１２１は、隣どうしの間隔が、形成間隔Ｐ１となるように、等間隔に形成されている。この形成間隔Ｐ１については、後に詳述する。また、全ての並行電極部１２１は、並行電極部１２１の延在方向に直交する方向に延びる電極部によって、電気的に接続されている。
裏面電極１３は、電磁波発生素子１０の裏面１０Ｂの全面にわたって設けられており、少なくとも、並行電極部１２１と対向する部分を占有している。なお、以降の説明において、並行電極部１２１が延びる方向を「水平方向」と称し、「水平方向」に直交する方向（ここでは、並行電極部１２１が並列されている方向）を「垂直方向」と称する場合がある。
また、図４に示したように、電磁波発生素子１０は、裏面１０Ｂ側から順に、裏面電極１３と、ｐ型シリコン層１４と、ｎ型シリコン層１５と、反射防止膜１６とが平面状に積層された積層構造を有している。ここで、ｐ型シリコン層１４は、ｐ型半導体の一例であり、ｎ型シリコン層１５は、ｎ型半導体の一例である。ｐ型シリコン層１４およびｎ型シリコン層１５は、例えば太陽電池で一般に利用されている、単結晶シリコン、多結晶シリコン、または、アモルファスシリコンなどが好適である。反射防止膜１６は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化チタンなどが好適である。
ｐ型シリコン層１４とｎ型シリコン層１５との接合部分は、二次元平面状に広がる空乏層が形成されるｐｎ接合部１７となっている。ｐｎ接合部１７においては、電子と正孔とが互いに拡散して結びつく拡散電流が生じる。このため、ｐｎ接合部１７付近には、電子と正孔とが少ない空乏層が形成される。つまり、ｐ型シリコン層１４およびｎ型シリコン層１５との積層体によって、空乏層形成体９０が形成されている。なお、ｐ型シリコン層１４とｎ型シリコン層１５との間に、真性（intrinsic）半導体層を挟み込んだ、いわゆるｐｉｎ接合が形成されたものを空乏層形成体としてもよい。
空乏層においては、電子と正孔をそれぞれｎ型、ｐ型領域に引き戻す力が生じており、電界（内部電界）が生じている。このｐｎ接合部に禁制帯幅を超えるエネルギーを持つ光が照射されると、内部電界によって光電子がｎ型半導体側に移動し、取り残された正孔がｐ型半導体へ移動する。例えば、太陽電池などのフォトデバイスでは、光電子の移動がｎ型半導体およびｐ型半導体のそれぞれに取り付けた電極を介して、外部に取り出される。このように、フォトデバイスにおいては、ｐｎ接合部の空乏層に光が照射されたときに生じる自由電子と自由正孔の移動が直流電力として利用される。
ここで、光励起キャリア発生領域である空乏層に対して、パルス光ＬＰ１が照射された場合、光励起キャリアが内部電界により加速されて移動する。これにより、パルス状の電流が発生することとなる。電流に時間変化が生じた場合、Ｍａｘｗｅｌｌの方程式にしたがって、電磁波が発生する。つまり、電磁波発生素子１０にパルス光ＬＰ１が照射されると、空乏層におけるパルス光を受光した部分から電磁波パルスが発生することとなる。例えば、可視光（４００ｎｍ）から近赤外（１．５μｍ）付近のパルス光を電磁波発生素子１０に照射した場合、主に０．０１ＴＨｚ〜１ＴＨｚの周波数域を含む電磁波パルス（以下、電磁波パルスＬＴ１とも称する。）が発生する。
電磁波発生素子１０の受光面１０Ａは、光の反射損失を抑えるために、所要のテクスチャー構造を有している。具体的には、図４に示したように、異方性エッチングなどにより形成される数μｍ〜数十μｍの凹凸、または、機械的方法によるＶ字状の溝などが形成されている。このように、電磁波発生素子１０の受光面１０Ａは、効率良く採光できるように構成されている。したがって、所定波長のパルス光ＬＰ１が照射されたときに、該パルス光ＬＰ１はｐｎ接合部１７に到達しやすくなっている。例えば、波長が４００ｎｍ〜１μｍの可視光などであれば、ｐｎ接合部１７に容易に到達する。
二次元走査部３０は、パルス光ＬＰ１の光軸が、電磁波発生素子１０の受光面１０Ａに対して、斜めに入射するようにパルス光ＬＰ１を照射する。本実施形態では、入射角度が４５度となるように照射角度が設定されている。ただし、入射角度はこのような角度に限定されるものではなく、０度から９０度の範囲で適宜変更することができる。なお、電磁波発生素子１０から発生する電磁波パルスＬＴ１の多くは、裏面電極１３にＳｎＯ2またはＩＴＯなどの透明電極を適用することで、裏面電極１３にて反射させることができる。この場合、受光面１０Ａに対して垂直にパルス光ＬＰ１を照射させることで、裏面電極１３にて反射した電磁波パルスＬＴ１を受光面１０Ａ側に反射させることができる。
制御部８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの一般的なコンピュータとしての構成を備えており、記憶部（ハードディスクなどのストレージや、可搬性のあるメディア（ＣＤ−ＲＯＭなど）の他、ＲＡＭなどの一時的に情報を記憶するものも含む。）に格納されたプログラムをＲＡＭ上に展開して実行することにより、電磁波発生装置１００の構成要素（フェムト秒レーザ２０、二次元走査部３０または逆バイアス電圧印加回路１１など）の動作を制御する。ただし、電磁波発生装置１００の構成要素の一部は、手動で制御されるようにしてもよい。
図１に示したように、電磁波発生素子１０には、逆バイアス電圧印加回路１１が接続されている。逆バイアス電圧印加回路１１は、ＤＣ電源（図示せず）を備えており、受光面電極１２および裏面電極１３を介して、空乏層を逆バイアス状態とする電圧を印加する。好適には、逆バイアス電圧印加回路１１は、５〜１０Ｖの電圧を印加する。
空乏層が逆バイアス状態とされると、空乏層の電界が大きくなり、パルス光ＬＰ１が照射されたときに、より多くの光励起キャリアを移動させることができる。このため、発生する電磁波パルスの電界強度を、相対的に大きくすることができる。なお、空乏層のうちの並行電極部１２１に近い部分ほど、電界が大きくなるため、発生する電磁波パルスの強度も大きくなる。このように空乏層を逆バイアス状態とすることで、従来のテラヘルツ波発生素子（例えば光伝導スイッチ）と同程度の強度の電磁波を、電磁波発生素子１０から発生させることができる。
図５は、受光面電極１２の一部である複数の並行電極部１２１を示す部分平面図である。また、図６は、電磁波発生素子１０の受光面１０Ａを示す平面図である。なお、図６では、パルス光ＬＰ１が照射される位置を図示している。上述したように、隣どうしにある並行電極部１２１が所要の形成間隔Ｐ１をあけるようにして、複数の並行電極部１２１が等間隔に形成されている。この形成間隔Ｐ１は、パルス光ＬＰ１の照射に応じて電磁波発生素子１０から発生する電磁波パルスＬＴ１の波長に対応する大きさとされる。ここで、「発生する電磁波パルスの波長に対応する間隔」とは、電磁波発生素子１０の空乏層で発生する電磁波の波長領域のうちの、特定波長の長さに一致する間隔をいう。
例えば、本実施形態の電磁波発生素子１０の場合、上述したように、主に０．０１〜１ＴＨｚの電磁波パルスが発生する。この場合の波長領域は、主に約０．３ｍｍ〜約３０ｍｍとなるので、形成間隔Ｐ１の値は、この範囲内から選択される。なお、本実施形態の電磁波発生素子１０から発生する電磁波パルスの周波数領域のうち、最も強度が高い部分は、０．１ＴＨｚ（波長約３ｍｍ）付近である。したがって、この周波数の電磁波パルスが主に利用される場合には、形成間隔Ｐ１が３ｍｍに設定されていることが望ましい。また、０．１ＴＨｚ〜３０ＴＨｚのテラヘルツ帯の電磁波は、光波の直進性と電波の透過性を兼ね備えているが、より好適な周波数帯は、０．１ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚ（波長約０．６ｍｍ〜３ｍｍ）である。したがって、このような周波数帯の電磁波パルスが利用される場合には、形成間隔Ｐ１は、０．６ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲に設定されていることが望ましい。
ここで、並行電極部１２１の形成間隔Ｐ１を電磁波パルスＬＴ１の波長に対応させる理由について説明する。本実施形態では、平面状に電磁波パルスＬＴ１を発生させるが、各電磁波パルスの分解能は、各電磁波パルスＬＴ１の波長に依存する。このため、波長よりも小さい間隔で電磁波パルスＬＴ１を発生させたとしても、検出装置４０においては、分解能の面でほとんど有意ではない。一方で、本実施形態では、図５に示したように、並行電極部１２１に近接した位置にパルス光ＬＰ１をスポット状（レーザスポットＳＰ）に照射することで、逆バイアス状態の空乏層から高強度の電磁波パルスＬＴ１を発生させる。したがって、発生する電磁波パルスＬＴ１の波長よりも短い形成間隔で並行電極部１２１を設けた場合、材料費などのコストが必要以上にかかってしまい、また、パルス光ＬＰ１の照射できる位置も狭められてしまう。
そこで、電磁波パルスＬＴ１の波長に適合する形成間隔Ｐ１で各並行電極部１２１を設けることによって、平面から発生する電磁波パルスＬＴ１の分解能に適合させつつ、並行電極部１２１の形成に必要なコストを抑制できる。また、パルス光ＬＰ１の照射位置も広く確保することができるため、パルス光ＬＰ１の照射制御が容易となる。
なお、二次元走査部３０は、図５に示したように、電磁波発生素子１０上の１つの照射位置（レーザスポットＳＰに対応する位置）に対して、一定時間の間、パルス光ＬＰ１を照射する。これが完了すると、二次元走査部３０は、水平方向に形成間隔Ｐ１と一致する長さ分ずらして、次のレーザスポットＳＰにてパルス光ＬＰ１を照射する。これを繰り返し行うことで、１つの並行電極部１２１に沿って、パルス光ＬＰ１を水平走査させる。これにより、１つの並行電極部１２１に沿った位置に、パルス光ＬＰ１が照射されることとなる。
また、１つの並行電極部１２１に沿ったパルス光ＬＰ１の照射が完了すると、二次元走査部３０は、垂直方向に形成間隔Ｐ１と一致する長さ分偏向して、隣にある並行電極部１２１に沿って、パルス光ＬＰ１を水平走査させる。このようにして、パルス光ＬＰ１お水平走査と、垂直方向への偏向とが交互に繰り返して行われることによって、図６に示したように、全ての並行電極部１２１のそれぞれに沿った位置に、パルス光ＬＰ１が照射される。これにより、垂直方向および水平方向のそれぞれに関して、形成間隔Ｐ１をあけた格子点状に、電磁波パルスＬＴ１が発生する。このようにして、電磁波発生素子１０から電磁波パルスＬＴ１が平面状に出射される。
なお、ｐ型シリコン層１４またはｎ型シリコン層１５が単結晶シリコンで構成した場合には、結晶構造が均一であるため、電磁波発生素子１０の各位置で発生する電磁波パルスＬＴ１の強度のバラツキを小さくすることができる。これに対して、ｐ型シリコン層１４、ｎ型シリコン層１５が多結晶シリコンで構成されている場合、結晶の状態に応じて、発生する電磁波パルスＬＴ１の強度が僅かに変化する虞がある。そのため、二次元走査部３０にＧＬＶ（Grating Light Valve）素子などの光学変調素子を設けてもよい。この光学変調素子によって、電磁波発生素子１０上の位置毎に、パルス光ＬＰ１の強度を調整することで、電磁波発生素子１０の位置毎に発生する電磁波パルスＬＴ１の強度を均一化することができる。
＜電磁波パルス発生の流れ＞
次に、図７を参照しつつ、電磁波パルス発生の流れについて説明する。なお、以下に説明する電磁波パルス発生の流れは、一例であり、適宜変更可能である。
図７は、電磁波発生装置１００において、電磁波パルスＬＴ１を発生させる流れ図である。あらかじめ、電磁波発生装置１００には、電磁波発生素子１０が設置される。このとき、逆バイアス電圧印加回路１１によって、電磁波発生素子１０に所要の電圧が印加されることによって、空乏層が逆バイアス状態とされる。このような状態で、電磁波発生素子１０に対するパルス光ＬＰ１の照射が開始される（ステップＳ１）。
ステップＳ１においては、複数ある並行電極部１２１の近傍である任意の位置に、パルス光ＬＰ１が照射される。そして、検出装置４０によって、電磁波発生装置１００から出射された電磁波パルスＬＴ１の強度が検出される（ステップＳ２）。このステップＳ２では、所望の強度を超える電磁波パルスＬＴ１が出射されているかどうかを確認するために行われる。電磁波パルスＬＴ１の強度が十分でない場合は、逆バイアス電圧印加回路１１が印加する電圧の調整、または、パルス光ＬＰ１の強度を強める調整などが適宜行われる。
次に、二次元走査部３０は、パルス光ＬＰ１を、電磁波発生素子１０上で走査させる。具体的には、図５において説明したように、１つの並行電極部１２１に沿って、並行電極部１２１の一方の端部から出発して、形成間隔Ｐ１毎にパルス光ＬＰ１を水平方向に偏向していくことで、他方の端部までパルス光ＬＰ１を水平走査させる（ステップＳ３）。
水平走査が並行電極部１２１の他方の端部まで到達すると、二次元走査部３０は、パルス光ＬＰ１を垂直方向に、形成間隔Ｐ１と一致する分だけ偏向させる（ステップＳ４）。これにより、パルス光ＬＰ１の照射位置が、垂直方向に関して隣にある並行電極部１２１の近傍に変更される。そして、水平走査がさらに必要かどうか、判定される（ステップＳ５）。このステップＳ５では、二次元走査部３０を制御する制御部８０によって判定される。
水平走査が必要な場合は（ステップＳ５においてＮＯ）、ステップＳ３に戻り、二次元走査部３０によって、水平走査が行われる。水平走査が不要な場合は（ステップＳ５においてＹＥＳ）、二次元走査部３０は、動作を終了する。以上のように、二次元走査部３０がステップＳ３〜Ｓ５を繰り返し行うことによって、電磁波発生素子１０から電磁波パルスＬＴ１を面単位で発生させることができる。
以上のように、電磁波発生素子１０は、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との積層により形成される空乏層から、電磁波を発生させるものであり、従来の太陽電池などのフォトデバイスの製造技術を利用することができる。したがって、製造コストは比較的安価であり、かつ、電磁波発生素子１０を大きなサイズで形成することが容易である。したがって、電磁波発生装置１００によると、安価でかつ広範囲にわたって電磁波を平面状に発生させることができるようになる。
＜２． 第２実施形態＞
図８は、第２実施形態に係る電磁波発生素子１０ａの受光面１０ａＡ示す部分平面図である。なお、以下の説明において、第１実施形態の場合と同様の機能を有する要素については同一符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る電磁波発生素子１０ａの受光面１０ａＡには、垂直方向に形成間隔Ｐ１をあけて等間隔に並列された複数の並行電極部１２１と、並行電極部１２１の延在方向に交差する方向（ここでは、垂直方向）に延びる複数の交差電極部１２３とを有する受光面電極１２ａが形成されている。各交差電極部１２３は、並行電極部１２１の形成間隔Ｐ１と一致する間隔で等間隔に形成されている。
このような交差電極部１２３を設けた場合、受光面１０ａＡ上において、電極に近接する領域を拡大することができる。したがって、図８に示したように、高強度の電磁波パルスＬＴ１を得るために照射するパルス光ＬＰ１の照射位置（レーザスポットＳＰの位置）の設定自由度を高めることができる。
なお、隣どうしにある交差電極１２３の間隔は、必ずしも形成間隔Ｐ１に一致していなくてもよい。しかしながら、均一な強度の電磁波パルスＬＴ１を平面状に発生させるためには、パルス光ＬＰ１を照射する間隔（ここでは、形成間隔Ｐ１）に合わせて交差電極部１２３が等間隔に形成されていることが望ましい。
＜３． 第３実施形態＞
図９は、第３実施形態に係る電磁波発生素子１０ｂの概略を示す部分側面図である。本実施形態では、裏面電極１３ｂが、複数の対向電極部１３１を有している。各対向電極部１３１は、並行電極部１２１と対向する位置に設けられており、相互に間隔をあけて形成されている。なお、図示を省略するが、各々の対向電極部１３１は、他の位置にある電極部分によって電気的に接続されている。
各対向電極部１３１は、隣どうしにあるものの間隔が、並行電極部１２１の形成間隔Ｐ１と一致するように形成されている。したがって、図９に示した様に、並行電極部１２１の近傍に向けて、パルス光ＬＰ１を垂直に入射させた場合、反対側の裏面１０Ｂｂにおいて、隣どうしの対向電極部１３１の隙間を通じて、電磁波パルスＬＴ１を出射させることができる。なお、隣どうしにある対向電極部１３１の間隔は、必ずしも形成間隔Ｐ１と一致していなくてもよく、適宜変更可能である。
＜４． 変形例＞
以上、実施形態について説明してきたが、本発明は上記のようなものに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、二次元走査部３０は、各並行電極部１２１が延在する方向に沿って順番にパルス光ＬＰ１照射するようにしている。しかしながら、各並行電極部１２１の並ぶ方向に沿って順番にパルス光ＬＰ１を照射するようにしてもよい。
また、上記実施形態に係る電磁波発生素子１０は、並行電極部１２１が形成されている受光面１０Ａ側からパルス光ＬＰ１を照射し、同じ受光面１０Ａ側に出射される電磁波パルスＬＴ１を利用する反射型の電磁波発生素子としている。しかしながら、電磁波発生素子１０を透過型の電磁波発生素子としてもよい。この場合、裏面１０Ｂから、並行電極部１２１の形成されている部分にパルス光ＬＰ１が照射される。パルス光ＬＰ１は、シリコンの透過率の高い波長１〜１．５μｍであることが好ましいが、波長８００ｎｍであってもよい。また、この場合、裏面電極１３には、透明電極が適用される。
さらに上記実施形態および変形例にて説明した各構成は、互いに矛盾の生じない限り、適宜組み合わせたり、または省略したりすることができる。
１０，１０ａ，１０ｂ 電磁波発生素子
１００ 電磁波発生装置
１０Ａ，１０ａＡ 受光面
１０Ｂ，１０Ｂｂ 裏面
１１ 逆バイアス電圧印加回路
１２，１２ａ 受光面電極
１２１ 並行電極部
１２３ 交差電極部
１３ 裏面電極
１３１ 対向電極部
１４ ｐ型シリコン層
１５ ｎ型シリコン層
１６ 反射防止膜
１７ ｐｎ接合部
２００ 光照射部
２０ フェムト秒レーザ
３０ 二次元走査部
４０ 検出装置
８０ 制御部
９０ 空乏層形成体
ＬＰ１ パルス光
ＬＴ１ 電磁波パルス
Ｐ１ 形成間隔

Claims (12)

  1. パルス光の照射に応じて、電磁波パルスを発生させる電磁波発生素子であって、
    ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが平面状に積層されることによって空乏層を形成する空乏層形成体と、
    前記空乏層形成体の一方の面に形成されており、前記空乏層形成体から発生する前記電磁波の波長に対応した形成間隔で等間隔に並列された複数の並行電極部を含む受光面電極と、
    前記空乏層形成体の他方の面に形成されている裏面電極と、
    を備える電磁波発生素子。
  2. 請求項１に記載の電磁波発生素子において、
    前記受光面電極および前記裏面電極を介して、前記空乏層を逆バイアス状態とする電圧を印加する逆バイアス電圧印加回路、
    をさらに備える電磁波発生素子。
  3. 請求項１または２に記載の電磁波発生素子において、
    前記受光面電極は、前記並行電極部に交差するとともに、前記形成間隔に一致する間隔で等間隔に並列された複数の交差電極部、をさらに含む電磁波発生素子。
  4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の電磁波発生素子において、
    前記裏面電極が、前記並行電極部と対向するとともに、相互に間隔をあけて形成される複数の対向電極部を含む電磁波発生素子。
  5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の電磁波発生素子において、
    前記形成間隔が、０．３ｍｍ以上３０ｍｍ以下である電磁波発生素子。
  6. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の電磁波発生素子において、
    前記形成間隔が、０．６ｍｍ以上３ｍｍ以下である電磁波発生素子。
  7. 平面状に電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
    ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが平面状に積層されることによって空乏層を形成する空乏層形成体と、前記空乏層形成体の一方の面に形成されており、前記空乏層形成体から発生する前記電磁波の波長に対応した形成間隔で等間隔に並列された複数の並行電極部を含む受光面電極と、前記空乏層形成体の他方の面に形成されている裏面電極と、を有する電磁波発生素子と、
    前記電磁波発生素子に向けてパルス光を照射する光照射部と、
    前記受光面電極と前記裏面電極とを介して、前記空乏層形成体に形成された空乏層を逆バイアス状態とするための電圧を印加する逆バイアス電圧印加回路と、
    を備える電磁波発生装置。
  8. 請求項７に記載の電磁波発生装置において、
    前記光照射部は、前記パルス光を前記電磁波発生素子に対して走査させる走査部、を備える電磁波発生装置。
  9. 請求項８に記載の電磁波発生装置において、
    前記走査部は、複数の前記並行電極部のそれぞれに沿う位置に前記パルス光を照射するとともに、前記形成間隔と一致する間隔毎に、所要時間の間、前記パルス光を照射する電磁波発生装置。
  10. 平面状に電磁波を発生させる電磁波発生方法であって、
    (a) パルス光を出射するステップと、
    (b) 前記光を、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とが平面状に積層されることによって空乏層を形成する空乏層形成体と、前記空乏層形成体の一方の面に形成されている受光面電極と、他方の面に形成されている裏面電極と、を備える電磁波発生素子に対して照射して、前記電磁波発生素子から電磁波を平面状に発生させるステップと、
    を含み、
    前記(b)ステップは、
    (b-1) 前記受光面電極と前記裏面電極とを介して、前記空乏層形成体に形成された空乏層を逆バイアス状態とするための電圧を印加するステップ、を含む電磁波発生方法。
  11. 請求項１０に記載の電磁波発生方法において、
    前記(b)ステップは、
    (b-2) 前記電磁波発生素子に対して、前記パルス光を走査させるステップ、を含む電磁波発生方法。
  12. 請求項１１に記載の電磁波発生方法において、
    前記(b-2)ステップは、複数の前記並行電極部のそれぞれに沿う位置に前記パルス光を照射するとともに、前記形成間隔と一致する間隔毎に、所要時間の間、前記パルス光を照射するステップである電磁波発生方法。
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