JP2015015363A - 複合基板、電磁波発生方法および電磁波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コヒーレントＬＯフォノンから発生するテラヘルツ光の強度を大きくし、制御できる技術を提供する。【解決手段】ベース基板上に、励起光の照射によって位相の揃ったコヒーレントＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生半導体層を有し、前記電磁波発生半導体層が、前記励起光の照射の前または照射とともにバイアス電圧が印加されるものであり、前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する複合基板を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、複合基板、電磁波発生方法および電磁波発生装置に関する。

多くの分子やフォノンの固有振動数がテラヘルツ帯にあることから、周波数がテラヘルツ帯にある電磁波（以下「テラヘルツ光」と称する場合がある。）は、分子振動を利用した分光、センシングまたはイメージング用の光源として有用である。分子振動を利用した分光、センシングまたはイメージングの技術は、環境科学、生物工学、医療分野等での研究を促進すると期待される。また、テラヘルツ光は、情報通信用の搬送波としても有用である。

非特許文献１は、コヒーレント縦光学（ＬＯ）フォノンから発生するテラヘルツ光の発生メカニズムを開示する。すなわち、非特許文献１は、半導体表面に表面電場が形成され、当該表面電場によりＬＯフォノンに静的分極が生じている場合に、当該ＬＯフォノンの振動周期より短いパルス幅のパルスレーザー光が照射されると、当該パルスレーザー光による生成された光生成キャリアにより瞬時に表面電界がスクリーニングされ、当該スクリーニングがトリガーとなってＬＯフォノンにコヒーレントな分極振動が生じ、当該分極振動によってテラヘルツ光が発生することを開示する。

なお、半導体内部の電界については、電場変調反射（Electroreflectance）スペクトルで観測されるFranz-Keldysh振動の測定から実効電界強度を見積もる方法が、非特許文献２に開示されている。

T. Pfeifer, T. Dekorsy, W. Kiitt, and H. Kurz: Appl. Phys. A55, 482-488 (1992) D. E. Aspnes, Phys. Rev. B 10 (1974) 4228-4238.

コヒーレントＬＯフォノンから発生するテラヘルツ光を分子分光等の光源として利用する場合、テラヘルツ光の強度はより大きいことが好ましく、また、制御できることが好ましい。本発明の目的は、コヒーレントＬＯフォノンから発生するテラヘルツ光の強度を大きくし、制御できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ベース基板上に、励起光の照射によって位相の揃ったコヒーレントＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生半導体層を有し、前記電磁波発生半導体層が、前記励起光の照射の前または照射とともにバイアス電圧が印加されるものであり、前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する複合基板を提供する。

本発明の第２の態様においては、電磁波発生半導体層に励起光を照射することで、ＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生方法であって、前記励起光の照射の前または照射とともに、前記電磁波発生半導体層にバイアス電圧を印加することで、前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する電磁波発生方法を提供する。

本発明の第３の態様においては、励起光の照射によってＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生半導体層と、バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、を有し、前記電磁波発生半導体層が、前記励起光の照射の前または照射とともに、前記バイアス電圧印加手段により前記バイアス電圧が印加されるものであり、前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する電磁波発生装置を提供する。

前記内部電界Ｅは、Ｐ＝χ^（１）Ｅ＋χ^（２）Ｅ^２（数１）に示す二次関数でモデル化された関係に基づき前記初期分極Ｐを制御してもよい。ただし、χ^（１）およびχ^（２）は電気感受率を示し、χ^（１）はＥの一次項係数である一次の電気感受率、χ^（２）はＥの二次項係数である二次の電気感受率を示す。前記内部電界Ｅが、χ^（２）Ｅ＞χ^（１）（数２）の条件を満足するよう前記電磁波発生半導体層に前記バイアス電圧を印加してもよい。

前記ベース基板上に、第１電気伝導層と、第２電気伝導層と、をさらに有してもよく、この場合、前記ベース基板、前記第１電気伝導層、前記第２電気伝導層および前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板、前記第１電気伝導層、前記電磁波発生半導体層、前記第２電気伝導層の順に位置し、前記第１電気伝導層と前記第２電気伝導層との間に、前記バイアス電圧を印加してもよい。前記第１電気伝導層として、ｐ型またはｎ型の第１半導体層を挙げることができ、前記第２電気伝導層として、前記第１半導体層とは電気伝導型が逆の第２半導体層を挙げることができ、この場合、前記第１半導体層、前記電磁波発生半導体層および前記第２半導体層が、前記第１半導体層と前記電磁波発生半導体層との間、および、前記電磁波発生半導体層と前記第２半導体層との間でキャリアが相互拡散できる程度に近接して配置されていてもよい。前記第２半導体層がｐ型半導体層であってもよく、この場合、前記ｐ型半導体層に含まれるドーパントが炭素であることが好ましい。前記第２半導体層の中性領域の厚さは、０．２８ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。

前記ベース基板が導電性であり、前記ベース基板上に、第２電気伝導層をさらに有してもよく、この場合、前記ベース基板、前記第２電気伝導層および前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板、前記電磁波発生半導体層、前記第２電気伝導層の順に位置し、前記ベース基板と前記第２電気伝導層との間に、前記バイアス電圧を印加してもよい。

前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板に近い側に位置する第１界面と、前記ベース基板から遠い側に位置する第２界面と、前記第１界面および前記第２界面の何れの界面とも平行でない第１側面および第２側面とを有してもよく、この場合、前記第１側面および前記第２側面が、前記ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第１共振器を構成してもよい。前記電磁波発生半導体層が、前記第１界面、前記第２界面、前記第１側面および前記第２側面の何れの面とも平行でない第３側面および第４側面を有してもよく、この場合、前記第３側面および前記第４側面が、前記第１共振器とは別の、前記ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第２共振器を構成してもよい。

前記ベース基板上に、第１スペーサ層および第２スペーサ層をさらに有してもよく、この場合、前記ベース基板、前記第１スペーサ層、前記第２スペーサ層および前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板、前記第１スペーサ層、前記電磁波発生半導体層、前記第２スペーサ層の順に位置し、前記第１スペーサ層の前記ベース基板に近い側の第３界面、および、前記第２スペーサ層の前記ベース基板から遠い側の第４界面が、前記ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第３共振器を構成してもよい。

複合基板１００を示した断面図である。 複合基板２００を示した斜視図である。 複合基板３００を示した断面図である。 テラヘルツ光の測定システム４００の概要を示した図である。 励起強度が３０ｍＷの場合のタイムドメインにおけるテラヘルツ光の信号強度を示した図である。 励起強度が８０ｍＷの場合のタイムドメインにおけるテラヘルツ光の信号強度を示した図である。 図５のタイムドメイン信号をフーリエ変換したテラヘルツ光のスペクトルを示した図である。 図６のタイムドメイン信号をフーリエ変換したテラヘルツ光のスペクトルを示した図である。 励起強度が３０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の逆バイアス電圧依存性を示したグラフである。 励起強度が８０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の逆バイアス電圧依存性を示したグラフである。 励起強度が３０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性を示したグラフである。 励起強度が５０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性を示したグラフである。 励起強度が８０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性を示したグラフである。 励起強度が３０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性をフィッティング曲線とともに示したグラフである。 励起強度が５０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性をフィッティング曲線とともに示したグラフである。 励起強度が８０ｍＷの場合のコヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性をフィッティング曲線とともに示したグラフである。

（実施形態１）
図１は、複合基板１００を示した断面図である。複合基板１００は、ベース基板１０２と、第１半導体層１０４と、電磁波発生半導体層１０６と、第２半導体層１０８とを有する。

電磁波発生半導体層１０６は、ベース基板１０２上に形成され、励起光１３０の照射によって位相の揃ったコヒーレントＬＯフォノンに起因する電磁波１４０（テラヘルツ光）を発生する。励起光１３０は、ＬＯフォノンの振動周期よりも短いパルス幅を有するレーザー光である。また、電磁波発生半導体層１０６は、励起光１３０の照射の前または照射とともにバイアス電圧が印加され、当該バイアス電圧により、電磁波発生半導体層１０６の内部電界Ｅが制御され、内部電界Ｅにより、ＬＯフォノンの初期分極Ｐが制御される。ＬＯフォノンの初期分極の大きさにより、テラヘルツ光の強度が変化するので、バイアス電圧によりテラヘルツ光の強度が制御できることになる。なお、バイアス電圧は、第２半導体層１０８に接する表面電極１１０とベース基板１０２に接する裏面電極１１２との間に印加できる。

内部電界Ｅは、数１に示す二次関数でモデル化された関係に基づき初期分極Ｐを制御する。
（数１） Ｐ＝χ^（１）Ｅ＋χ^（２）Ｅ^２（ただし、χ^（１）およびχ^（２）は電気感受率を示し、χ^（１）はＥの一次項係数である一次の電気感受率、χ^（２）はＥの二次項係数である二次の電気感受率を示す。）

また、内部電界Ｅは、数２の条件を満足するよう電磁波発生半導体層１０６にバイアス電圧を印加する。
（数２） χ^（２）Ｅ＞χ^（１）

以上のような、バイアス電圧による内部電界Ｅの制御、内部電界ＥによるＬＯフォノンの初期分極Ｐの制御が可能なことは、本発明者らの実験検討により明らかとなったものであり、本発明はそれら実験検討により得られた知見に基づく。

電磁波発生半導体層１０６として、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、およびＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ-Ｖ族化合物族半導体を挙げることができる。また、電磁波発生半導体層１０６として、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳなどのカルコパイライト化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ（ダイヤモンド）、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどのＩＶ族半導体を例示することもできる。

ベース基板１０２は、例えば、ＧａＡｓ単結晶基板である。また、ベース基板１０２は、ＩｎＰ単結晶基板、Ｓｉ単結晶基板、ＧａＮ単結晶基板、ＳｉＣ単結晶基板、およびサファイア基板などであってもよい。

第１半導体層１０４は、ｐ型またはｎ型の半導体層であり、第２半導体層１０８は、第１半導体層１０４とは電気伝導型が逆の半導体層である。そして、第１半導体層１０４、電磁波発生半導体層１０６および第２半導体層１０８が、第１半導体層１０４と電磁波発生半導体層１０６との間、および、電磁波発生半導体層１０６と第２半導体層１０８との間でキャリアが相互拡散できる程度に近接して配置されている。表面電極１１０および裏面電極１１２は、たとえば金属で構成でき、それぞれ、第２半導体層１０８およびベース基板１０２とオーミック接続されるものとすることができる。

電磁波発生半導体層１０６が第１半導体層１０４と第２半導体層１０８に挟まれて位置し、第１半導体層１０４および第２半導体層１０８との間でキャリアが相互拡散できる程度に近接するため、電磁波発生半導体層１０６に内部には空乏領域が形成され、当該空乏領域には、内部ポテンシャルあるいは外部からの電圧印加により、内部電界が存在する。この内部電界はＬＯフォノンの初期分極を生じ、初期分極がある状態で、ＬＯフォノンの振動周期より短いパルス幅のパルスレーザー光（励起光１３０）が入射すると、当該レーザー光の入射がトリガーになって、位相の揃ったＬＯフォノンの振動が発生する。この結果、コヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ光が発生する。

第２半導体層１０８がｐ型半導体層である場合、ｐ型半導体層に含まれるドーパントが炭素であることが好ましい。ドーパントが炭素原子である場合、ドーパントが拡散し難く、ドーパントの拡散による電磁波発生半導体層１０６への悪影響を小さくすることができる。なお、ドーパントが拡散しやすい原子である場合（たとえばＺｎ原子）、第２半導体層１０８（または第１半導体層１０４）と電磁波発生半導体層１０６との間に拡散防止層を形成してもよい。

また、第２半導体層１０８の中性領域の厚さは、０．２８ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。第２半導体層１０８の中性領域が薄すぎると、第２半導体層１０８の横方向の導電性が確保できず、第２半導体層１０８の中性領域が厚すぎると、励起光１３０が吸収され、好ましくない。また、、第２半導体層１０８の中性領域が厚すぎると、発生したテラヘルツ光が外部に取り出されるまでに吸収され、好ましくない。

上記のように電磁波発生半導体層１０６には空乏領域が発生すれば良いので、電磁波発生半導体層１０６を挟む層は第１半導体層１０４および第２半導体層１０８である必要はなく、たとえば、電磁波発生半導体層１０６とショットキ接続される金属層、すなわち、第１電気伝導層および第２電気伝導層であってもよい。この場合、複合基板１００の構成は、ベース基板１０２上に、第１電気伝導層と、第２電気伝導層と、をさらに有し、ベース基板１０２、第１電気伝導層、第２電気伝導層および電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２、第１電気伝導層、電磁波発生半導体層１０６、第２電気伝導層の順に位置し、第１電気伝導層と第２電気伝導層との間に、バイアス電圧を印加するものとなる。

また、第１半導体層１０４の機能をベース基板１０２が有してもよい。この場合、第１半導体層１０４は必要でない。すなわち、複合基板１００は、ベース基板１０２が導電性であり、ベース基板１０２上に、第２電気伝導層（第２半導体層１０８）をさらに有し、ベース基板１０２、第２電気伝導層および電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２、電磁波発生半導体層１０６、第２電気伝導層の順に位置し、ベース基板１０２と第２電気伝導層との間に、バイアス電圧を印加するものであってもよい。

上記した複合基板１００によれば、バイアス電圧を印加してＬＯフォノンの初期分極を大きくすることができ、コヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ光（電磁波１４０）の強度を大きくすることができる。

（実施形態２）
図２は、複合基板２００を示した斜視図である。複合基板２００における電磁波発生半導体層１０６は、ベース基板１０２に近い側に位置する第１界面１０６ａと、ベース基板１０２から遠い側に位置する第２界面１０６ｂと、第１界面１０６ａおよび第２界面１０６ｂの何れの界面とも平行でない第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄとを有し、第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄが、ＬＯフォノンに起因する電磁波１４０に対する第１共振器を構成する。

第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄが電磁波１４０（テラヘルツ光）に対する第１共振器を構成するため、電磁波１４０（テラヘルツ光）をレーザ発振と同様にコヒーレント光として、第１共振器（第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄ）と垂直な方向に取り出すことができる。

また、複合基板２００における電磁波発生半導体層１０６は、第１界面１０６ａ、第２界面１０６ｂ、第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄの何れの面とも平行でない第３側面１０６ｅおよび第４側面１０６ｆを有し、第３側面１０６ｅおよび第４側面１０６ｆが、第１共振器とは別の、ＬＯフォノンに起因する電磁波１４０に対する第２共振器を構成することも可能である。

第３側面１０６ｅおよび第４側面１０６ｆが、第１共振器とは別の第２共振器を構成するため、電磁波１４０（テラヘルツ光）をコヒーレント光として、第２共振器（第３側面１０６ｅおよび第４側面１０６ｆ）と垂直な方向にも取り出すことができる。

（実施形態３）
図３は、複合基板３００を示した断面図である。複合基板３００は、ベース基板１０２上に、第１スペーサ層３０２および第２スペーサ層３０４をさらに有し、ベース基板１０２、第１スペーサ層３０２、第２スペーサ層３０４および電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２、第１スペーサ層３０２、電磁波発生半導体層１０６、第２スペーサ層３０４の順に位置し、第１スペーサ層３０２のベース基板１０２に近い側の第３界面３０６、および、第２スペーサ層３０４のベース基板１０２から遠い側の第４界面３０８が、ＬＯフォノンに起因する電磁波１４０に対する第３共振器を構成する。

複合基板３００によれば、第３界面３０６および第４界面３０８が第３共振器を構成するため、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）と同様に、厚さ方向（ベース基板１０２の表面と垂直な方向）に電磁波１４０（テラヘルツ光）を取り出すことができる。

（実施例）
ベース基板１０２として面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓ基板を用いた。ｎ型ＧａＡｓ基板の上に、第１半導体層１０４としてｎ型ＧａＡａ層を３０００ｎｍの厚さで形成し、ｎ型ＧａＡａ層の上に、電磁波発生半導体層１０６としてｉ型ＧａＡａ層を５００ｎｍの厚さで形成し、さらにｉ型ＧａＡａ層の上に、第２半導体層１０８としてｐ型ＧａＡａ層を５０ｎｍの厚さで形成した。ｎ型ＧａＡａ層、ｉ型ＧａＡａ層およびｐ型ＧａＡａ層は、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて形成した。ｎ型ＧａＡａ層へのドーピング濃度は、３×１０^１８ｃｍ^−３とし、ｐ型ＧａＡａ層へのドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３とした。また、ｐ型ドーパントとして炭素原子を用いた。このようにして実施例の複合基板１００を作製した。

また、複合基板１００のｎ型ＧａＡｓ基板（ベース基板１０２）の裏面およびｐ型ＧａＡａ層（第２半導体層１０８）の表面のそれぞれに、裏面電極および表面電極を形成し、ｉ型ＧａＡａ層（電磁波発生半導体層１０６）にバイアス電圧が印加できるようにした。裏面電極として、蒸着法を用いてＡｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅ層を形成し、表面電極として、蒸着法を用いてＡｕ／ＡｕＺｎ層を形成した後、オーミックコンタクトとなるよう加熱処理を施した。表面電極は、励起光が入射するようリング形状とした。

図４は、テラヘルツ光の測定システム４００の概要を示した図である。測定システム４００は、ビームスプリッター４０２、ミラー４０４、ミラー４０６、ミラー４０８、パラボラミラー４１０、パラボラミラー４１２、測定部４１４、ミラー４１６、ミラー４１８、およびミラー４２０を備える。励起光源４３０でパルスレーザー光を生成し、当該パルスレーザー光を複合基板１００に入射して、コヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ光を発生させた。励起光源４３０として、フェムト秒パルスモード同期方式のチタンサファイアレーザ（パルス幅：７０ｆｓ、中心波長７９０ｎｍ）を用いた。また、バイアス電源４４０で生成したバイアス電圧を裏面電極および表面電極の間に印加した。

測定部４１４は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により結晶成長させた低温ＧａＡｓエピタキシャル層上に形成したダイポールアンテナ（光伝導アンテナ）を有する。測定部４１４は、励起光源４３０が出力するパルスレーザー光に応じて複合基板１００が出力するテラヘルツ光を光ゲート方式光伝導ダイポールアンテナで受信する。測定部４１４は、受信したテラヘルツ光の振動に応じて流れる電流を増幅して、電流波形を記録する。

励起光源４３０が出力するパルスレーザー光は、ビームスプリッター４０２、ミラー４０４、ミラー４０６、およびミラー４０８を経由して、複合基板１００に印加される。複合基板１００が発生したテラヘルツ光は、パラボラミラー４１０およびパラボラミラー４１２を経由して、測定部４１４に入力される。

励起光源４３０が出力したパルスレーザー光の一部は、ビームスプリッター４０２によって反射されて、ミラー４１６、ミラー４１８、およびミラー４２０を経由して、ゲート光として測定部４１４に入力される。測定部４１４は、ゲート光が入力されたタイミングで、受信したテラヘルツ光に応じて流れる電流値を測定する。

測定システム４００は、ミラー４１６およびミラー４１８を順次移動させることによってゲート光の遅延時間を変化する。測定システム４００は、ゲート光の遅延時間を順次変化させることにより、遅延時間に応じて変化する電流値を測定する。ゲート光を用いて測定の遅延時間を規定する光ゲーティング法を用いることにより、励起光の入射タイミングを基準として規定された遅延時間におけるテラヘルツ光を検出することができるので、暗ノイズが影響しない高精度の測定が可能になる。

図５および図６は、タイムドメインにおけるテラヘルツ光の信号強度を示した図である。図５は励起強度が３０ｍＷの場合を、図６は励起強度が８０ｍＷの場合を示す。図５および図６において、バイアス電圧を０〜−８Ｖの範囲で変化させた場合の各バイアス電圧におけるデータを重ねて表示している。

何れの励起強度においても、バイアス電圧の値が負に大きく（逆バイアス電圧が大きく）なるに従い、１ｐｓ以降の信号振幅が大きくなっていることがわかる。ここで、励起光（パルスレーザー光）を照射した直後の０〜１ｐｓ程度までの信号は、パルスレーザー光により発生したキャリアのドリフト電流に起因する信号であり、１ｐｓ以降の信号はコヒーレントＬＯフォノンに起因する信号である。

図７は、図５のタイムドメイン信号をフーリエ変換したテラヘルツ光スペクトルを示した図であり、図８は、図６のタイムドメイン信号をフーリエ変換したテラヘルツ光スペクトルを示した図である。図７および図８において、バイアス電圧を０〜−８Ｖの範囲で変化させた場合の各バイアス電圧におけるデータを重ねて表示している。

図７および図８において、−１Ｖ以上の逆バイアスをかけた場合に、約８．７ＴＨｚのテラヘルツバンドが発生している。約８．７ＴＨｚがＧａＡｓ結晶のＬＯフォノン振動数に一致することから、当該テラヘルツバンドは、ＬＯフォノンがコヒーレントに（位相が揃った状態で）振動することに起因して発生しているといえる。図７および図８において、何れの励起強度においても、バイアス電圧の値が負に大きく（逆バイアス電圧が大きく）なるに従い、約８．７ＴＨｚのテラヘルツ光、すなわちコヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ光の強度が増加していることがわかる。

図９および図１０は、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の逆バイアス電圧依存性を示したグラフである。図９は励起強度が３０ｍＷの場合を、図１０は励起強度が８０ｍＷの場合を示す。何れの励起強度においても、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンドの積分強度は、逆バイアス電圧の小さい領域で逆バイアス電圧にほぼ比例し、逆バイアス電圧の大きい領域で逆バイアス電圧の２．６〜２．７乗に比例する。コヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ光の発生が、逆バイアス電圧の大きい領域と小さい領域で異なった態様になっていると推察できる。そこで、内部電界の実効強度を、電場変調反射（Electroreflectance）スペクトルで観測されるFranz-Keldysh振動の測定から見積り、コヒーレントＬＯフォノンからのテラヘルツ光積分強度の内部電界依存性を調べた。

図１１〜図１３は、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性を示したグラフである。図１１は励起強度が３０ｍＷの場合を、図１２は励起強度が５０ｍＷの場合を、図１３は励起強度が８０ｍＷの場合を示す。内部電界の実効強度は、電場変調反射スペクトルの測定から見積もった。表１は、バイアス電圧に対する実効内部電界強度の値を示している。

図１１〜図１３から、何れの励起強度においても、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンドの積分強度は、５０ｋＶ／ｃｍ付近の内部電界において変極点を有し、５０ｋＶ／ｃｍ以下では内部電界Ｅの約２乗に比例し、５０ｋＶ／ｃｍ以上では内部電界Ｅの約４乗に比例することがわかった。コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンドの積分強度Ｉ_ＬＯは初期分極Ｐの２乗に比例すると考えられるので、内部電界が５０ｋＶ／ｃｍ以下の小さい領域では、コヒーレントＬＯフォノンからのテラヘルツ光（Ｉ_ＬＯ）は初期分極Ｐ（内部電界Ｅの２乗）に比例し、内部電界が５０ｋＶ／ｃｍを超える大きな領域では、非線形分極における２次の非線形感受率が効くようになり、コヒーレントＬＯフォノンからのテラヘルツ光（Ｉ_ＬＯ）は初期分極Ｐの２乗（内部電界Ｅの４乗）に比例するようになると考えられる。

χ^（１）を内部電界Ｅの一次の電気感受率とし、χ^（２）を内部電界Ｅの二次の電気感受率とすると、初期分極Ｐは、Ｐ＝χ^（１）Ｅ＋χ^（２）Ｅ^２（数１）と表すことができ、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンドの積分強度Ｉ_ＬＯは、Ｉ_ＬＯ＝ＡＥ^２＋ＢＥ^３＋ＣＥ^４、の式でモデル化することが可能である。Ａ、Ｂ、Ｃをフィッティングパラメータとし、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンドの積分強度を内部電界Ｅの関数としてフィッティングした結果を図１４〜図１６に示す。図１４〜図１６は、コヒーレントＬＯフォノンのテラヘルツバンド強度の内部電界依存性をフィッティング曲線とともに示したグラフである。図１４は励起強度が３０ｍＷの場合を、図１５は励起強度が５０ｍＷの場合を、図１６は励起強度が８０ｍＷの場合を示す。

フィッティング曲線は実測値と良く一致している。表２に、フィッティングパラメータＡ、Ｃを示す。なお、フィッティングパラメータＢは、概ね、Ｂ＝２×（Ａ×Ｃ）^１／２の関係を満たしていた。

上記した実施例によれば、χ^（２）Ｅ＞χ^（１）（数２）の条件を満足するように電磁波発生半導体層１０６にバイアス電圧を印加することで、無バイアスの場合と比較して大きな強度のテラヘルツ光を得ることができる。すなわち、χ^（２）Ｅがχ^（１）を大きく超えるバイアス（たとえば内部電界Ｅが１４０ｋＶ／ｃｍ程度、逆バイアス電圧が８Ｖ程度のバイアス）を印加した場合には、無バイアスの場合と比較して２００倍の強度のテラヘルツ光を得ることができる。χ^（２）Ｅがχ^（１）を僅かに超える程度のバイアス（内部電界Ｅが５０ｋＶ／ｃｍ程度、逆バイアス電圧が２Ｖ程度）を印加した場合であっても、無バイアスの場合より数倍以上の強度のテラヘルツ光を得ることができる。

以上、本発明を主に複合基板として説明したが、本発明は、電磁波発生方法、あるいは電磁波発生装置としても把握することが可能である。すなわち、電磁波発生半導体層１０６に励起光１３０を照射することで、ＬＯフォノンに起因する電磁波１４０を発生する電磁波１４０発生方法であって、励起光１３０の照射の前または照射とともに、電磁波発生半導体層１０６にバイアス電圧を印加することで、バイアス電圧により、電磁波発生半導体層１０６の内部電界Ｅを制御し、内部電界Ｅにより、ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する電磁波発生方法として把握できる。また、励起光１３０の照射によってＬＯフォノンに起因する電磁波１４０を発生する電磁波発生半導体層１０６と、バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、を有し、電磁波発生半導体層１０６が、励起光１３０の照射の前または照射とともに、バイアス電圧印加手段によりバイアス電圧が印加されるものであり、バイアス電圧により、電磁波発生半導体層１０６の内部電界Ｅを制御し、内部電界Ｅにより、ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する電磁波発生装置として把握することができる。

これら電磁波発生方法あるいは電磁波発生装置の場合であっても、内部電界Ｅは、Ｐ＝χ^（１）Ｅ＋χ^（２）Ｅ^２（数１）に示す二次関数でモデル化された関係に基づき初期分極Ｐを制御してもよい。ただし、χ^（１）およびχ^（２）は電気感受率を示し、χ^（１）はＥの一次項係数である一次の電気感受率、χ^（２）はＥの二次項係数である二次の電気感受率を示す。内部電界Ｅが、χ^（２）Ｅ＞χ^（１）（数２）の条件を満足するよう電磁波発生半導体層１０６にバイアス電圧を印加してもよい。

これら電磁波発生方法あるいは電磁波発生装置の場合であっても、ベース基板１０２上に、第１電気伝導層と、第２電気伝導層と、をさらに有してもよく、この場合、ベース基板１０２、第１電気伝導層、第２電気伝導層および電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２、第１電気伝導層、電磁波発生半導体層１０６、第２電気伝導層の順に位置し、第１電気伝導層と第２電気伝導層との間に、バイアス電圧を印加してもよい。第１電気伝導層として、ｐ型またはｎ型の第１半導体層１０４を挙げることができ、第２電気伝導層として、第１半導体層とは電気伝導型が逆の第２半導体層１０８を挙げることができ、この場合、第１半導体層１０４、電磁波発生半導体層１０６および第２半導体層１０８が、第１半導体層１０４と電磁波発生半導体層１０６との間、および、電磁波発生半導体層１０６と第２半導体層１０８との間でキャリアが相互拡散できる程度に近接して配置されていてもよい。第２半導体層１０８がｐ型半導体層であってもよく、この場合、ｐ型半導体層に含まれるドーパントが炭素であることが好ましい。第２半導体層１０８の中性領域の厚さは、０．２８ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。

ベース基板１０２が導電性であり、ベース基板１０２上に、第２電気伝導層をさらに有してもよく、この場合、ベース基板１０２、第２電気伝導層および電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２、電磁波発生半導体層１０６、第２電気伝導層の順に位置し、ベース基板１０２と第２電気伝導層との間に、バイアス電圧を印加してもよい。

電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２に近い側に位置する第１界面１０６ａと、ベース基板１０２から遠い側に位置する第２界面１０６ｂと、第１界面１０６ａおよび第２界面１０６ｂの何れの界面とも平行でない第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄとを有してもよく、この場合、第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄが、ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第１共振器を構成してもよい。電磁波発生半導体層１０６が、第１界面１０６ａ、第２界面１０６ｂ、第１側面１０６ｃおよび第２側面１０６ｄの何れの面とも平行でない第３側面１０６ｅおよび第４側面１０６ｆを有してもよく、この場合、第３側面１０６ｅおよび第４側面１０６ｆが、第１共振器とは別の、ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第２共振器を構成してもよい。

ベース基板１０２上に、第１スペーサ層３０２および第２スペーサ層３０４をさらに有してもよく、この場合、ベース基板１０２、第１スペーサ層３０２、第２スペーサ層３０４および電磁波発生半導体層１０６が、ベース基板１０２、第１スペーサ層３０２、電磁波発生半導体層１０６、第２スペーサ層３０４の順に位置し、第１スペーサ層３０２のベース基板に近い側の第３界面３０６、および、第２スペーサ層３０４のベース基板から遠い側の第４界面３０８が、ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第３共振器を構成してもよい。

１００…複合基板、１０２…ベース基板、１０４…第１半導体層、１０６…電磁波発生半導体層、１０６ａ…第１界面、１０６ｂ…第２界面、１０６ｃ…第１側面、１０６ｄ…第２側面、１０６ｅ…第３側面、１０６ｆ…第４側面、１０８…第２半導体層、１１０…表面電極、１１２…裏面電極、１３０…励起光、１４０…電磁波、２００…複合基板、３００…複合基板、３０２…第１スペーサ層、３０４…第２スペーサ層、３０６…第３界面、３０８…第４界面、４００…測定システム、４０２…ビームスプリッター、４０４…ミラー、４０６…ミラー、４０８…ミラー、４１０…パラボラミラー、４１２…パラボラミラー、４１４…測定部、４１６…ミラー、４１８…ミラー、４２０…ミラー、４３０…励起光源、４４０…バイアス電源。

Claims (13)

1. ベース基板上に、励起光の照射によって位相の揃ったコヒーレントＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生半導体層を有し、
   前記電磁波発生半導体層が、前記励起光の照射の前または照射とともにバイアス電圧が印加されるものであり、
   前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する
   複合基板。
2. 前記内部電界Ｅは、数１に示す二次関数でモデル化された関係に基づき前記初期分極Ｐを制御する
   請求項１に記載の複合基板。
   （数１）
   Ｐ＝χ^（１）Ｅ＋χ^（２）Ｅ^２
   （ただし、χ^（１）およびχ^（２）は電気感受率を示し、χ^（１）はＥの一次項係数である一次の電気感受率、χ^（２）はＥの二次項係数である二次の電気感受率を示す。）
3. 前記内部電界Ｅが数２の条件を満足するよう前記電磁波発生半導体層に前記バイアス電圧を印加する
   請求項２に記載の複合基板。
   （数２）
   χ^（２）Ｅ＞χ^（１）
4. 前記ベース基板上に、第１電気伝導層と、第２電気伝導層と、をさらに有し、
   前記ベース基板、前記第１電気伝導層、前記第２電気伝導層および前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板、前記第１電気伝導層、前記電磁波発生半導体層、前記第２電気伝導層の順に位置し、
   前記第１電気伝導層と前記第２電気伝導層との間に、前記バイアス電圧を印加する
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の複合基板。
5. 前記第１電気伝導層が、ｐ型またはｎ型の第１半導体層であり、
   前記第２電気伝導層が、前記第１半導体層とは電気伝導型が逆の第２半導体層であり、
   前記第１半導体層、前記電磁波発生半導体層および前記第２半導体層が、前記第１半導体層と前記電磁波発生半導体層との間、および、前記電磁波発生半導体層と前記第２半導体層との間でキャリアが相互拡散できる程度に近接して配置されている
   請求項４に記載の複合基板。
6. 前記第２半導体層がｐ型半導体層であり、前記ｐ型半導体層に含まれるドーパントが炭素である
   請求項５に記載の複合基板。
7. 前記第２半導体層の中性領域の厚さが、０．２８ｎｍ以上５０ｎｍ以下である
   請求項５または請求項６に記載の複合基板。
8. 前記ベース基板が導電性であり、
   前記ベース基板上に、第２電気伝導層をさらに有し、
   前記ベース基板、前記第２電気伝導層および前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板、前記電磁波発生半導体層、前記第２電気伝導層の順に位置し、
   前記ベース基板と前記第２電気伝導層との間に、前記バイアス電圧を印加する
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の複合基板。
9. 前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板に近い側に位置する第１界面と、前記ベース基板から遠い側に位置する第２界面と、前記第１界面および前記第２界面の何れの界面とも平行でない第１側面および第２側面とを有し、
   前記第１側面および前記第２側面が、前記ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第１共振器を構成する
   請求項４から請求項８の何れか一項に記載の複合基板。
10. 前記電磁波発生半導体層が、前記第１界面、前記第２界面、前記第１側面および前記第２側面の何れの面とも平行でない第３側面および第４側面を有し、
    前記第３側面および前記第４側面が、前記第１共振器とは別の、前記ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第２共振器を構成する
    請求項９に記載の複合基板。
11. 前記ベース基板上に、第１スペーサ層および第２スペーサ層をさらに有し、
    前記ベース基板、前記第１スペーサ層、前記第２スペーサ層および前記電磁波発生半導体層が、前記ベース基板、前記第１スペーサ層、前記電磁波発生半導体層、前記第２スペーサ層の順に位置し、
    前記第１スペーサ層の前記ベース基板に近い側の第３界面、および、前記第２スペーサ層の前記ベース基板から遠い側の第４界面が、前記ＬＯフォノンに起因する電磁波に対する第３共振器を構成する
    請求項４から請求項８の何れか一項に記載の複合基板。
12. 電磁波発生半導体層に励起光を照射することで、ＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生方法であって、
    前記励起光の照射の前または照射とともに、前記電磁波発生半導体層にバイアス電圧を印加することで、前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する
    電磁波発生方法。
13. 励起光の照射によってＬＯフォノンに起因する電磁波を発生する電磁波発生半導体層と、バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、を有し、
    前記電磁波発生半導体層が、前記励起光の照射の前または照射とともに、前記バイアス電圧印加手段により前記バイアス電圧が印加されるものであり、
    前記バイアス電圧により、前記電磁波発生半導体層の内部電界Ｅを制御し、前記内部電界Ｅにより、前記ＬＯフォノンの初期分極Ｐを制御する
    電磁波発生装置。

Images