JP2014212301A - 光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子ドットを含有する光伝導層により、電磁波の発生・検出効率を向上させることができる光伝導基板等を提供する。【解決手段】基板１１と、基板１１上に形成され、量子ドット２２を含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る光伝導層１３と、を備えており、光伝導層１３は、ＩｎXＧａ1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体で構成され、量子ドット２２は、ＩｎＡｓで構成されると共に、光伝導層１３に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、テラヘルツ波等の電磁波の発生および検出に用いられる光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法に関するものである。

従来、この種の電磁波発生検出装置として、基板と光伝導膜から成る半導体基板と、半導体基板の表面に形成した光伝導アンテナと、光伝導アンテナに接続した電流計と、を備えたテラヘルツ波検出装置が知られている（特許文献１参照）。このテラヘルツ波検出装置では、半導体基板を構成する光伝導膜が、３００℃程度以下で膜成長させた低温成長ＧａＡｓで構成されている。半導体基板に裏面側からテラヘルツ波を入射させる一方、表面側から光伝導アンテナのギャップに励起光となるフェムト秒レーザー光（波長１．５μｍ帯）を照射する。これにより、半導体基板内に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、振動電場に比例して瞬時電流が流れる。そして、この瞬時電流を電流計で検出するようにしている。

また、この種の電磁波発生検出装置として、基板と、基板上に形成した半導体層と、半導体層上に形成した第１電極および第２電極と、から成る光スイッチが知られている（特許文献２参照）。この光スイッチでは、基板が結晶ＩｎＰで形成され、半導体層が低温成長させたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０．４５≦Ｘ≦１）、厳密にはＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓで形成されている。また、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ層は、下層の結晶層と、鉄イオンが注入された上層の鉄イオン注入層とで構成されている。第１電極と第２電極との間のギャップに、通信で用いられる波長１．５５μｍのパルス光を照射すると、パルス電流がギャップを流れ、テラヘルツ波が発生する。

特開２０１２−４７５９５号公報 特開２００６−８６２２７号公報

このように構成された特許文献１の技術では、光伝導層（光伝導膜）として、Ｉｎ比率０％のＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）を用いているため、破壊電圧（抵抗）が高く、ノイズ（暗電流）が小さいというメリットがある。しかし、励起光に対するＡｓクラスター等の不純物準位を介した光励起によるため、励起効率が悪く、テラヘルツ波の検出（発生）効率が低下するという問題があった。
一方、特許文献２の技術では、光伝導層（半導体層）として、Ｉｎ比率約５０％のＩｎＧａＡｓ（ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ）を用いているため、エネルギーギャップが小さく、テラヘルツ波の励起効率は高いというメリットがある。しかし、破壊電圧（抵抗）が低く、ノイズ（暗電流）が大きいため、結局、テラヘルツ波の発生・検出効率が低下するという問題があった。

本発明は、量子ドットを含有する光伝導層により、電磁波の発生・検出効率を向上させることができる光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法を提供することを課題としている。

本発明の光伝導基板は、基板と、基板上に形成され、量子ドットを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る光伝導層と、を備えたことを特徴とする。

この場合、光伝導層は、複数層の個別光伝導層と、複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の量子ドットと、を有していることが好ましい。

この場合、各層の量子ドットは、その下層に位置する各層の個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成されたものであることが好ましい。

そして、光伝導層は、ＧａＡｓ化合物半導体およびＩｎＧａＡｓ化合物半導体のいずれかであることが好ましい。

この場合、光伝導層は、Ｉｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体であることが好ましい。

上記の光伝導基板において、光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体であることが好ましい。

また、上記の光伝導基板において、光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体に、アニール処理を施したものであることが好ましい。

一方、量子ドットは、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂおよびＩｎＧａＳｂのいずれかであることが好ましい。

本発明の電磁波発生検出装置は、上記した光伝導基板と、光伝導基板上に形成された平行伝送線路と、を備えたことを特徴とする。

この場合、光伝導基板に照射する励起光の波長は、１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下であることが好ましい。

本発明の光伝導基板の製造方法は、上記した光伝導基板の製造方法であって、基板上に、個別光伝導層を形成する個別光伝導層形成工程と、個別光伝導層上に、量子ドットを形成する量子ドット形成工程と、を複数回繰り返すことで光伝導層を形成することを特徴とする。

この場合、複数回の個別光伝導層形成工程の一部または全部では、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体の前記個別光伝導層を形成することが好ましい。

また、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体の前記個別光伝導層に、アニール処理を施すアニール処理工程を、更に実行することが好ましい。

一方、量子ドット形成工程では、量子ドットを、下層に位置する個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成することが好ましい。

第１実施形態に係る光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図である。 第１実施形態に係る光伝導アンテナ素子を模式的に表した断面図である。 第１実施形態に係る光伝導アンテナ素子の製造方法を表した説明図である。 光伝導基板のテラヘルツ波特性に関する説明図である。 第２実施形態に係る光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。 第３実施形態に係る光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。 第４実施形態に係る光伝導アンテナ素子を模式的に表した断面図である。 第４実施形態に係る光伝導アンテナ素子の製造方法を表した説明図である。 光伝導層におけるＢｅ添加量と抵抗値との関係を表した図（グラフ）である。 第４実施形態に係る光伝導アンテナ素子の変形例を模式的に表した断面図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態の係る光伝導基板、電磁波発生検出装置および光伝導基板の製造方法を適用した光伝導アンテナ素子について説明する。この光伝導アンテナ素子は、これに電圧を印加することにより、テラヘルツ波を発生させる電磁波発生素子として機能する一方、電流計を接続することにより、テラヘルツ波を検出する電磁波検出素子として機能するものである。特に、実施形態の光伝導アンテナ素子は、テラヘルツ波スペクトルにおいてＳ／Ｎ比、或いはダイナミックレンジを向上させるものである。なお、ここで規定するテラヘルツ波とは、狭義のテラヘルツ波（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの電磁波）は元より、広義のテラヘルツ波（数十ＧＨｚ〜数百ＴＨｚの電磁波）も含む概念である。

図１は、光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図であり、図２は光伝導アンテナ素子を模式的に表した断面図である。両図に示すように、光伝導アンテナ素子１は、主体を為す光伝導基板２と、光伝導基板２上に成膜された平行伝送線路３と、により構成されている。

光伝導基板２は、基板１１と、基板１１上に形成されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成された光伝導層１３と、を備えている。そして、光伝導層１３は、複数層に亘って量子ドット２２を含有した複数層の個別光伝導層２１を有している。また、平行伝送線路３は、一対のアンテナ３１，３１を備えている。なお、バッファ層１２を省略することも可能である。

基板１１は、化合物半導体の単結晶基板であり、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。基板１１の材料としては、ＧａＡｓの他、バッファ層１２や光伝導層１３の材料（の格子定数）に応じて、例えばＳｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ等の単結晶半導体を用いることもできる。

バッファ層１２は、基板１１の格子定数以上、光伝導層１３の格子定数以下もしくは基板１１の格子定数以下、光伝導層１３の格子定数以上となる材料を用いて、基板１１上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、実施形態のものは、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。バッファ層１２は、この上に積層する光伝導層１３の結晶性を制御するために設けられている。このため、バッファ層１２を構成する半導体材料は、基板１１および光伝導層１３の材料（の格子定数）に応じて任意に選択して用いることができる。また、これらを複数層としてもよい。

光伝導層１３は、ＬＴ−ＧａＡｓ（低温成長ガリウム砒素）やＬＴ-ＩｎＧａＡｓ（低温成長インジウムガリウム砒素）を、バッファ層１２を介して基板１１上にエピタキシャル成長させたものである。すなわち、光伝導層１３は、キャリアの応答速度の高速化（短キャリア寿命）に鑑み、III−Ｖ族化合物半導体であるＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）を材料として低温でエピタキシャル成長させて形成されている。また、光伝導層１３は、複数層の個別光伝導層２１と、複数層の個別光伝導層２１の各層間に形成した複数層の量子ドット２２と、を有している。

個別光伝導層２１は、ＬＴ−ＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）を、バッファ層１２を介して基板１１上に成長させたものであり、量子ドット２２は、各個別光伝導層２１上にＩｎＡｓ（インジウム砒素）を成長させたものである。実施形態の量子ドット２２は、当該量子ドット２２を構成するＩｎＡｓと、その下層（または上層）のＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ）と、の間の格子定数のミスマッチを利用し、これにより生ずるひずみ力で島状構造（量子ドット２２）を実現するものである。詳細は後述するが、光伝導層１３内に量子ドット２２を封じ込めるように、個別光伝導層２１の形成と、量子ドット２２の形成とを交互に行うようにしている。

なお、光伝導層１３を構成するIII−Ｖ族化合物半導体は、基板１１がＧａＡｓやＧｅの場合には、ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓであることが好ましい。また、基板１１がＩｎＰの場合には、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓであることが好ましい。さらに、光伝導層１３が、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等であってもよい。

また、量子ドット２２は、光伝導層１３（個別光伝導層２１）との格子定数の相違を考慮し、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＩｎＧａＳｂ等であることが好ましい。また更に、量子ドット２２の形成方法として、微細マスクを用いた選択成長や界面活性剤を用いたもの等、結晶成長時に形成するものであってもよい。

平行伝送線路３は、光伝導層１３上に形成したダイポール型の一対のアンテナ３１，３１で構成されている。各アンテナ３１は、線状に延びるライン部３２と、ライン部３２の中央から内側に延設した電極部（電極）３３と、を有しており、ライン部３２の少なくとも一方の端部が電極パッド３４として機能する。一対のアンテナ３１，３１は、そのライン部３２，３２同士が平行に配置され、且つ相互の電極部３３，３３が所定のギャップを存して対向配置されている。すなわち、相互の電極部３３，３３の対向端部間には、数μｍの幅（実施形態のものは、５μｍ程度）のギャップ部３５が構成されている。

実施形態の各アンテナ３１は、Ａｕ（金）で構成されているが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金等の導電性材料であってもよい。なお、平行伝送線路３（アンテナ３１）の形式は、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型等であってもよい。また、ギャップ部３５（電極部３３）を複数形成する構成であってもよい。

このように構成された光伝導アンテナ素子１を、テラヘルツ波発生素子として機能させるには、一対の電極パッド３４，３４を介して、相互の電極部３３，３３間に所定のバイアス電圧を印加しておいて、ギャップ部３５に、フェムト秒パルスレーザ等の励起光（波長１．５５μｍのパルス光）を照射する。すなわち、電極部３３，３３間に電界を発生させておいて、励起光によりギャップ部３５の光伝導層１３を励起する。これにより、光伝導層１３にキャリア（電子および正孔）が生成され、且つ電極部３３，３３間の電圧（電界）でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。このパルス状電流の時間変動（超高速電流変調）によりテラヘルツ波（厳密にはテラヘルツパルス波）が発生し、誘電率の大きい基板１１側に強く放射される。なお、上記では、光伝導層１３（ギャップ部３５）に照射される励起光として、その波長が、１．５５μｍのものを例示したが、本光伝導アンテナ素子１では、当該励起光として、その波長が、１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下のものを用いることを想定している。

また、この光伝導アンテナ素子１は、テラヘルツ波を受けたときに一対の電極部３３，３３間に電流が流れるため、テラヘルツ波の検出素子として用いることもできる。この場合には、電流（テラヘルツ波）を検出するための電流計や電流増幅器等を、一対の電極パッド３４，３４に接続しておく。

次に、図３を参照して、光伝導層１３を有する光伝導アンテナ素子１の、製造方法について説明する。この製造方法では、先ずＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置に基板１１をセットし、Ａｓ分子線を照射した状態にする（同図（ａ）参照）。次に、基板１１の温度を６００℃程度に上昇させて、基板１１表面の酸化膜を除去する。次に、ＧａＡｓの基板１１上に、０．１μｍ〜０．５μｍ厚程度のＧａＡｓのバッファ層１２をエピタキシャル成長させる（同図（ｂ）参照）。具体的には、基板１１の温度を５００℃〜６００℃、成長速度約１μｍ／ｈｏｕｒ、Ｇａ分子線強度に対するＡｓ分子線強度の比（Ａｓ／Ｇａ供給比）を約５〜３０に設定し、バッファ層１２を０．１μｍ〜０．５μｍ程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。

次に、バッファ層１２上に、ＬＴ−ＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）の個別光伝導層２１をエピタキシャル成長させる（同図（ｃ）参照）。具体的には、ＭＢＥ装置にセットした基板１１の温度を、５００℃以下（実施形態のものは、約３００±５０℃）に降温させ、成長速度をバッファ層１２と同程度の約１μｍ／ｈとし、個別光伝導層２１を５ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。

最下層の個別光伝導層２１を成膜したら、上記と同様に５００℃以下の温度下で、ＩｎＡｓからなる量子ドット２２を自己成長させる（同図（ｄ）参照）。この場合、個別光伝導層２１と、量子ドット２２となるＩｎＡｓとの格子定数の相違からひずみが生じ、ＩｎＡｓは島状構造となる。これにより、励起子となるＩｎＡｓは、３次元の全方向で閉じ込められ、いわゆる量子ドット２２となる。

このように量子ドット２２を自己成長させたら、直ちに量子ドット２２を埋め込むように、第２層目の個別光伝導層２１を成膜（エピタキシャル成長）させる。そして、この個別光伝導層２１の形成および量子ドット２２の形成を、１０〜数１００回程度繰り返して、基板１１およびバッファ層１２上に厚さ１．５〜４μｍの光伝導層１３を形成する（同図（ｅ）〜（ｆ）参照）。

次に、この光伝導基板２に対し、熱処理（アニール処理）を行う（同図（ｇ）参照）。具体的には、ＭＢＥ装置内において、光伝導基板２に対しＡｓ分子線を照射した状態のまま、基板１１の温度を５００℃以上６００℃以下とし（昇温）、５〜１０分間の熱処理を行う。このアニールにより、光伝導層１３のＡｓがＡｓクラスターとして、ＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ）の結晶中に析出する。

このようにして、基板１１、バッファ層１２および光伝導層１３から成る光伝導基板２が完成したら、光伝導基板２上に真空蒸着により一対のアンテナ３１，３１を成膜する（同図（ｈ）参照）。具体的には、光伝導基板２（光伝導層１３）上にレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により、平行伝送線路３（一対のアンテナ３１，３１）の形状のレジストパターンを形成し、アンテナ材料のＡｕを真空蒸着により成膜し、不要部分を剥離除去する。

このようにして、製造された光伝導アンテナ素子１は、その光伝導層１３に量子ドット２２を含有する構造となる。そして、量子ドット２２は、発生したキャリアを適切に封じ込める（トラップする）よう機能する。

次に、図４を参照して、光伝導層１３のテラヘルツ波特性に関し、本実施形態と従来技術とを比較しながら説明する。同図は、光伝導層１３を構成するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓにおいて、引用文献１に代表されるＩｎ比率０％のもの（同図（ａ）参照）、本実施形態のＩｎ比率０〜５０％のもの（同図（ｂ）参照）、引用文献２に代表されるＩｎ比率５０％以上のもの（同図（ｃ）参照）、を比較したものである。また、励起光として、通信用の波長１．５μｍのフェムト秒パルスレーザ（０．８ｅＶ）を用いている。

図４（ａ）のＩｎ比率０％のＬＴ−ＧａＡｓ（光伝導層１３）では、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が１．４２ｅＶであり、破壊電圧（抵抗）は高く且つノイズ（暗電流）は小さいが、Ａｓクラスター等の不純物準位を介した光励起となるため、励起効率が悪く、テラヘルツ波の発生・検出効率が低下する。

また、図４（ｃ）のＩｎ比率５０％以上のＬＴ−ＩｎＧａＡｓ（光伝導層１３）では、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が約０．８ｅＶであり、励起効率は良いが、破壊電圧（抵抗）が低く、ノイズ（暗電流）が大きくなるため、結局、テラヘルツ波の発生・検出効率が低下する。

一方、図４（ｂ）のＩｎ比率０〜５０％のＬＴ−ＩｎＧａＡｓ（光伝導層１３）では、エネルギーギャップ（Ｅｇ）が０．８ｅＶ以上となり、破壊電圧（抵抗）を高くすることができると共に、ノイズ（暗電流）を低減することができる。また、量子ドット２２により、励起効率を向上させることができる。すなわち、量子ドット２２により、Ａｓクラスター等の不純物準位を介した光励起を増強することができる。

言い換えれば、ＩｎＧａＡｓの光伝導層１３において、Ｉｎ比率５０％以下であっても、量子ドット２２によりエネルギーギャップ（Ｅｇ）を約０．８ｅＶ（波長１．５μｍ）にすることができる。これにより、実施形態の光伝導アンテナ素子１では、テラヘルツ波スペクトルにおいてＳ／Ｎ比、或いはダイナミックレンジを向上させることができ、テラヘルツ波の発生・検出効率が向上させることができる。

次に、図５および図６を参照して、第２実施形態および第３実施形態に係る光伝導アンテナ素子１につき、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。これらの実施形態は、テラヘルツ応答が、一対のアンテナ３１，３１の電極部３３間における光伝導層１３で行われることに着目したものであり、ギャップ部３５にのみ光伝導層１３を形成している。

図５の第２実施形態に係る光伝導アンテナ素子１では、各電極部３３を、光伝導層１３およびバッファ層１２の厚みに相当する分、基板１１から立ち上げるように形成し、この立ち上げた一対の電極部３３間に、バッファ層１２および光伝導層１３を形成（成膜）している。

同様に、図６の第３実施形態に係る光伝導アンテナ素子１では、各電極部３３を、光伝導層１３の厚みに相当する分、バッファ層１２から立ち上げるように形成し、この立ち上げた一対の電極部３３間に、光伝導層１３を形成（成膜）している。

このような、第２・３実施形態の光伝導アンテナ素子１では、リーク電流やノイズを軽減することができ、発生もしくは検出するテラヘルツ波のＳ／Ｎ比またはダイナミックレンジを向上させることができる。

次に、図７および図８を参照して、第４実施形態に係る光伝導アンテナ素子１につき、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。第４実施形態にかかる光伝導アンテナ素子１では、光伝導層１３Ａとして、Ｂｅ（ベリリウム）が添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）に、熱処理を施したものを用いている。図７に示すように、第４実施形態の光伝導層１３Ａは、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）を、バッファ層１２を介して基板１１上に低温でエピタキシャル成長させ、且つ熱処理（アニール処理）を施したものである。

厳密に言えば、本光伝導層１３Ａは、第１実施形態と同様、複数層の個別光伝導層２１Ａと、複数層の量子ドット２２とを有している。そして、本光伝導層１３Ａにおける量子ドット２２は、第１実施形態と同様、ＩｎＡｓを成長させたものであるのに対し、本光伝導層１３Ａにおける個別光伝導層２１Ａは、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）を成長させ且つ熱処理を施して形成されている。なお、第１実施形態と同様、量子ドット２２は、ＩｎＡｓに限るものではない。

図８に示すように、第４実施形態に係る光伝導アンテナ素子１の製造方法では、バッファ層１２を形成させた後（同図（ｂ）参照）、バッファ層１２上に、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）の個別光伝導層２１Ａを低温でエピタキシャル成長させる（同図（ｃ）参照）。具体的には、ＭＢＥ装置にセットした基板１１の温度を、５００℃以下（実施形態のものは、約３００±５０℃）に降温させ、成長速度を約１μｍ／ｈとし、個別光伝導層２１Ａ（ＢｅがドーピングされたＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層）を５ｎｍ〜１００ｎｍ程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。

最下層の個別光伝導層２１Ａを成膜したら、５００℃以下の温度下で、ＩｎＡｓからなる量子ドット２２を自己成長させる（同図（ｄ）参照）。量子ドット２２を自己成長させたら、直ちに量子ドット２２を埋め込むように、第２層目の個別光伝導層２１Ａを成膜（エピタキシャル成長）させる。そして、この個別光伝導層２１Ａの形成および量子ドット２２の形成を、１０〜数１００回程度繰り返して、基板１１およびバッファ層１２上に厚さ１．５〜４μｍの光伝導層１３Ａを形成する（同図（ｅ）〜（ｆ）参照）。

光伝導層１３Ａを形成したら、第１実施形態と同様に、光伝導層１３Ａ（各個別光伝導層２１Ａおよび量子ドット２２）に対し、５００℃以上６００℃以下で熱処理（アニール処理）を行う（同図（ｇ）参照）。そして、第１実施形態と同様に、光伝導基板２上に真空蒸着により一対のアンテナ３１，３１を成膜する（同図（ｈ）参照）。

このようにして、製造された光伝導アンテナ素子１は、Ｂｅが所定の割合で添加され且つ熱処理が施されたＩｎＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）の光伝導層１３Ａに量子ドット２２を含有する構造となる。

次に、第４実施形態の有効性を示すべく、図９の実験結果を参照して、量子ドット２２を含有するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）の光伝導層１３，１３ＡにおけるＢｅ添加量（Ｂｅ添加割合）と抵抗値との関係について説明する。同図の実験では、成長後に熱処理が施された光伝導層１３，１３Ａを用いている。また、同図の実験では、光伝導層１３，１３Ａを構成するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓが、Ｉｎ比率３５％であるもの（Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ）を用いている。

同図の符号Ｐ１に示すように、Ｂｅ添加量が０（ゼロ）である場合（第１実施形態に相当）には、抵抗値が１×１０⁵Ω以下となっている。一方、同図の符号Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４に示すように、Ｂｅ添加量が、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である場合（第４実施形態に相当）、抵抗値が１×１０⁶Ω以上となっている。このように、熱処理が施される前提において、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合でＢｅを添加した場合、光伝導層１３、１３Ａの抵抗値が格段に大きくなる。

このように、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合でＢｅを添加し且つ熱処理を施すことで、量子ドット２２を含有するＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）の光伝導層１３，１３Ａにおいて、抵抗値を格段に大きくすることができる。すなわち、破壊電圧（抵抗）をより高くすることができると共に、ノイズ（暗電流）を低減することができる。この抵抗値の増大は、ドープされたアクセプタであるＢｅが、熱処理によって活性化し、低温成長中に発生した電子を補償することで生じたものである。第４実施形態の光伝導アンテナ素子１では、この光伝導層１３Ａを用いることで、テラヘルツ波スペクトルにおいてＳ／Ｎ比、或いはダイナミックレンジをより向上させることができ、テラヘルツ波の発生・検出効率がより向上させることができる。なお、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合でＢｅを添加する構成は、キャリア寿命の低減にも寄与している。

なお、上記第４実施形態においては、光伝導層１３Ａの全体（全部）に、Ｂｅに添加させて、光伝導層１３Ａの全体を高抵抗化したが、図１０に示すように、光伝導層１３Ａの上部（表面側の一部）のみにＢｅを添加させて、光伝導層１３Ａを部分的に高抵抗化する構成であってもよい。

具体的には、光伝導層１３Ａを成す複数層の個別光伝導層２１，２１Ａのうち、表面側（平行伝送線路３形成側）に位置する１以上の個別光伝導層２１Ａは、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）を成長させて形成され、それ以外の個別光伝導層２１（裏面側に位置する個別光伝導層２１）は、Ｂｅが添加されていないアンドープのＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）を成長させて形成される。これにより、光伝導層１３Ａに、Ｂｅドープ部とアンドープ部とが形成される。

かかる場合、図示省略するが、光伝導アンテナ素子１の製造方法では、Ｂｅの添加量を調整し、複数回の個別光伝導層２１，２１Ａ形成工程のうち一部の形成工程では、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）の個別光伝導層２１Ａを形成する。また、それ以外の形成工程では、アンドープのＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）の個別光伝導層２１を形成する。

このように、重要な「光伝導層１３Ａ（個別光伝導層２１Ａ）の平行伝送線路３付近の部分」のみにＢｅを添加し、部分的に高抵抗化することによって、Ｂｅの消費量（使用量）を抑えることができ、光伝導アンテナ素子１のコストダウンを図ることができる。なお、ここでは、光伝導層１３Ａの上部のみにＢｅを添加する構成としたが、「光伝導層１３Ａの平行伝送線路３付近の部分」のみに、Ｂｅを添加する構成であれば、光伝導層１３Ａの上部にＢｅを添加する構成に限るものではない。すなわち、光伝導層１３Ａの下側に平行伝送線路３を形成する構成の場合には、平行伝送線路３の配置に合わせて、光伝導層１３Ａの下部のみに、Ｂｅを添加する構成としてもよい。

また、光伝導層１３Ａにおける光電効果が生じる領域が、光伝導層１３Ａ全体ではなく、その一部である場合、当該光電効果が生じる領域の一部または全部に、Ｂｅを、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加する構成であってもよい。なお、「光電効果が生じる領域」とは、入射した励起光によって光励起キャリアが励起され、光励起キャリアが移動可能な領域を指す。

さらに、上記各実施形態において、基板１１は、ＳｉやＧｅ等の、テラヘルツ波を透過するものであっても良い。また、バッファ層１２は、ＳｉＯ₂やＧｅＯ₂等の、絶縁膜として機能するものであってもよい。

１ 光伝導アンテナ素子、２ 光伝導基板、３ 平行伝送線路、１１ 基板、１２ バッファ層、１３ 光伝導層、２１ 個別光伝導層、２２ 量子ドット、３１ アンテナ、３３ 電極部

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、量子ドットを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る光伝導層と、を備えたことを特徴とする光伝導基板。
2. 前記光伝導層は、複数層の個別光伝導層と、
   前記複数層の個別光伝導層の各層間に形成した複数層の前記量子ドットと、を有していることを特徴とする請求項１に記載の光伝導基板。
3. 前記各層の量子ドットは、その下層に位置する前記各層の個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光伝導基板。
4. 前記光伝導層は、ＧａＡｓ化合物半導体およびＩｎＧａＡｓ化合物半導体のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光伝導基板。
5. 前記光伝導層は、Ｉｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体であることを特徴とする請求項４に記載の光伝導基板。
6. 前記光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体であることを特徴とする請求項５に記載の光伝導基板。
7. 前記光伝導層の一部または全部は、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体に、アニール処理を施したものであることを特徴とする請求項５に記載の光伝導基板。
8. 前記量子ドットは、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂおよびＩｎＧａＳｂのいずれかであることを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の光伝導基板。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の光伝導基板と、
   前記光伝導基板上に形成された平行伝送線路と、を備えたことを特徴とする電磁波発生検出装置。
10. 前記光伝導基板に照射する励起光の波長は、１．４５μｍ以上１．６５μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の電磁波発生検出装置。
11. 請求項２に記載の光伝導基板の製造方法であって、
    前記基板上に、前記個別光伝導層を形成する個別光伝導層形成工程と、
    前記個別光伝導層上に、前記量子ドットを形成する量子ドット形成工程と、を複数回繰り返すことで前記光伝導層を形成することを特徴とする光伝導基板の製造方法。
12. 前記複数回の個別光伝導層形成工程の一部または全部では、Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体の前記個別光伝導層を形成することを特徴とする請求項１１に記載の光伝導基板の製造方法。
13. Ｂｅが１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の割合で添加されたＩｎ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦０．５３）化合物半導体の前記個別光伝導層に、アニール処理を施すアニール処理工程を、更に実行することを特徴とする請求項１２に記載の光伝導基板の製造方法。
14. 前記量子ドット形成工程では、前記量子ドットを、下層に位置する前記個別光伝導層に対する格子定数の相違により生ずるひずみに基いて形成することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載の光伝導基板の製造方法。

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