JP2015533023A - フォトミキサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

従来の広帯域テラヘルツ分光システムの核心部品であるＰＣＡおよびフォトミキサの現存する制限的な要素を根本的に解決したフォトミキサおよびその製造方法を提示する。提示されたフォトミキサは、基板の上面に形成されるが、光が入射する領域に形成された活性層と、基板の上面に形成されるが、光が入射する領域を除いた残りの領域に形成された熱伝導層とを含む。活性層は、メサ型断面を有するように形成され、熱伝導層は、光が入射する領域を除いた領域にＭＯＣＶＤ法で再成長して平坦化された表面を有するようになる。

Description

本発明は、フォトミキサおよびその製造方法に関するものであって、より詳細には、連続周波数可変型テラヘルツ波発生の核心である広帯域フォトミキサおよびその製造方法に関するものである。
電磁波のスペクトル帯域で０．１〜１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ：１０１２Ｈｚ）領域をテラヘルツ波と定義している。特に、０．１〜３ＴＨｚ領域は、非常に多様な分子の回転共振周波数が存在する領域であって、これらの分子のテラヘルツ波帯域特性を活用して、分子検出などを非破壊、未開封、非接触法で取得することができる。このようなテラヘルツ波技術分野は、医療、医学、農業食品、環境計測、バイオ、通信、非破壊照射、先端材料評価などにおいて、これまでなかった新概念の未来核心技術の提供が可能で、関連する核心技術の開発に非常に激しい競争が行われている分野である。
テラヘルツ波技術は、テラヘルツ波帯域の光子のエネルギーが数ｍｅＶレベルと非常に低いので、人体に影響がほとんどなく、人間中心のユビキタス（ｕｂｉｑｕｉｔｏｕｓ）社会を実現する核心技術として認識され、需要が急激に増加することが予想される。しかし、リアルタイム、ポータブル、低価格、広帯域などを同時に満足する技術がまだ開発されていない。しかし、持続的な技術力の向上でテラヘルツ分光および映像分野の活用に関する多様な提示がなされている。高出力の波源および高感度アレイ型検出器の採用が必須であるテラヘルツ映像分野とは異なり、テラヘルツ分光では広帯域のテラヘルツ波源がシステムの核心技術として位置付けられている。
最近まで最も広範囲に使用されている広帯域テラヘルツシステムは、図１に示されるように、フェムト秒級の超短パルスレーザを、超高速応答速度を有する半導体に照射させてテラヘルツ波を発生させるＴＨｚ−ＴＤＳ（Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）である。フェムト秒級の高出力パルスレーザおよびＰＣＡ（Ｐｈｏｔｏｎｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ａｎｔｅｎｎａ）で構成される広帯域テラヘルツ分光システムは、高い信号対雑音比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ；ＳＮＲ）、広帯域特性の提供が比較的容易に実現可能で最も早く商用化されたシステムである。図１のＴＨｚ−ＴＤＳシステムは、ミラーＭ１によって反射した１台のフェムト秒レーザ（Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ）２２からのフェムト秒光パルス１０を、ビーム分割器（Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ；ＢＳ）で２つのフェムト秒光パルスに分ける。２つのフェムト秒光パルスのうち、１つのフェムト秒光パルスは、ミラーＭ２によって反射してＴＨｚエミッタ１２を励起させ、残りの１つのフェムト秒光パルスは、光遅延器ＤＬとミラーＭ３、Ｍ４を順次に経て、ＴＨｚ検出器１８に入力される。ＴＨｚエミッタ１２の後段の２つの非軸パラボリック（ｏｆｆ−ａｘｉｓ ｐａｒａｂｏｌｉｃ）ミラー１４は、ＴＨｚエミッタ１２からのＴＨｚビームを試料（ｓａｍｐｌｅ）１６に集束させ、２つの非軸パラボリック（ｏｆｆ−ａｘｉｓ ｐａｒａｂｏｌｉｃ）ミラー２０は、試料１６から透過したＴＨｚビームを集めてＴＨｚ検出器１８に集束させる。左右レーザビームの経路が正確に一致する地点でテラヘルツ信号の最大値を測定することができるが、テラヘルツ信号を測定する方法は、光遅延器ＤＬを用いて右側レーザビームの光路を少しずつ変化させることにより、光路差を利用したサンプリング方式で測定する。
しかし、上述したＴＨｚ−ＴＤＳシステムは、フェムト秒レーザ２２、光遅延器ＤＬなどを含む、精巧で複雑な光学系で構成され、非常に高価であり、システムのサイズが大きい。特に、図１のＴＨｚ−ＴＤＳシステムは、時間領域信号の測定時、光遅延の所要時間と測定された時間領域信号のＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）信号処理時間に応じたリアルタイムな計測に困難がある。これらの問題は、産業的活用の極大化のために解決すべき要素として認識されている。
最近、パルス型の広帯域テラヘルツ波発生法であるＴＨｚ−ＴＤＳシステムのほか、図２のような連続波発生のＴＨｚ−ＦＤＳ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）システムの開発に多くの努力が行われている。連続波方式による高い周波数分解能の提供が可能で、２台の独立した高出力半導体レーザを活用することにより、低価格、広帯域、超小型システムの開発が可能で、現場適用型としてテラヘルツ分光システムの開発が可能で、関連技術の開発を多くの機関で競争的に進めている。しかし、連続波方式の非常に劣悪な光電変換効率で、具体的で実質的なシステムの適用事例を示していない。
図１に提示されたパルス型広帯域テラヘルツ波発生システムのＴＨｚ−ＴＤＳシステムは、フェムト秒級の超短パルスレーザのチタンサファイア（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザが一般的に活用され、フェムト秒光励起によるテラヘルツ波発生器のＰＣＡ、すなわち、超高周波光電変換器（ｏｐｔｉｃａｌ−ｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で構成される。商用化されたチタンサファイア（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザの中心発振波長が８００ｎｍを吸収し、非常に短いキャリア寿命時間を有する低温成長ＧａＡｓをＰＣＡ活性物質として活用する。テラヘルツ分光システムの構成において、励起光源を効率的に吸収するか、広帯域特性に必須のフェムト秒水準のキャリア寿命時間を有する物質の採用は必須である。同じ方式であるが、図１のようなパルス型ＴＤＳシステムとは異なり、図２のような連続波発振方式のＦＤＳシステムが開発されて、ＴＤＳシステムと競争中にある。
図１と比較して、図２の違いは、励起光源が、フェムト秒レーザでない、非常に安定的な高出力の分布帰還型レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ；ＤＦＢ１、ＤＦＢ２）２４、２６の２つの波長（λ１、λ２）が作るビーティング（ｂｅａｔｉｎｇ）を活用するということである。光源以外のテラヘルツ波を発生させるための方式は、図１のＴＨｚ−ＴＤＳシステムと類似している。ＴＨｚ−ＴＤＳ用超高周波光電変換器のＰＣＡの場合、超短パルスレーザの高いピーク値によって数マイクロメートルサイズの四角形の光励起領域と非常に簡単なダイポールアンテナで容易に広帯域テラヘルツ波の発生が可能である。反面、図２のＴＨｚ−ＦＤＳ用は、２つの波長の差に相当する周波数を有するテラヘルツ波が発生するとして、ＰＣＡの代わりに、一般的にフォトミキサと呼ばれる。パルス型でない、連続波発生のためのフォトミキサ３０の開発には、非常に高いピーク値を有するフェムト秒レーザとは異なり、連続的に発進する数十ｍＷ水準の光源の活用として、図４のような指形状のＩＤＴ（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）パターンが活用される。ＩＤＴパターンの活用で容易に飽和し、入射光の偏光に依存的であるが、比較的低い入力光出力でも広帯域テラヘルツ波の発生が可能で、多く活用されている。
図３は、一般的なフォトミキサの概要図である。広帯域テラヘルツ波を発生させる装置のフォトミキサ３０は、反応速度がピコ（１０−１２）秒水準の非常に速い物質で構成され、光が照射された時、電流が流れる光伝度スイッチ（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｗｉｔｃｈ；ＰＣＳ）３２と、発生したテラヘルツ波の片方向への利得を確保するためのアンテナ３４とから構成される。一方、図４をみると、フォトミキサ３０の光伝度スイッチ３２を中央において両側にアンテナ３４が形成されたことが分かる。
大韓民国公開特許２０１１−００６９４５３号（フォトミキサモジュールおよびそのテラヘルツ波の発生方法）には、テラヘルツ波を発生するための励起光の強度を増加させ、フォトミキサの安定性を高めるための技術が開示された。
大韓民国公開特許２０１１−００６９４５３号に開示されたフォトミキサモジュールは、入射するレーザ光を増幅させる半導体光増幅器と、増幅されたレーザ光に励起して連続テラヘルツ波を生成するフォトミキサとを含むが、半導体光増幅器とフォトミキサは、単一のモジュールとして形成される。
本発明は、パルス型ＰＣＡとは異なり、連続波テラヘルツ波発生装置の広帯域フォトミキサにおいて、高出力の励起光源の注入による入力光の飽和および励起光の注入によるフォトミキサの活性層の急激な温度増加による特性の低下を根本的に克服可能な高効率フォトミキサの開発を実現することである。特に、すでによく開発されている光通信用部品の活用が容易で、長波長帯域での非常に低い広帯域テラヘルツ波発生効率の急激な向上が可能で、同時に、高効率、高信頼性の特性を有する広帯域フォトミキサ技術の開発を背景とする。
大韓民国公開特許２０１１−００６９４５３号公報
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであって、従来の広帯域テラヘルツ分光システムの核心部品であるＰＣＡおよびフォトミキサの現存する制限的な要素を根本的に解決したフォトミキサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
それぞれの分光システムは、光源の発振波長に合った低温成長ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどの多様な物質を活用しているが、半導体特有の特性によって産業化するにはまだその結果が弱い状態である。産業化が可能な水準のテラヘルツ波発生用光電変換器である広帯域フォトミキサの開発のための難題を、これまで提示できなかったＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学蒸着）再成長法による埋込型構図のフォトミキサの開発によって解消することが、本発明の具体的な目的である。
上記の目的を達成するために、本発明の好ましい実施態様に係るフォトミキサは、基板の上面に形成されるが、光が入射する領域に形成された活性層と、前記基板の上面に形成されるが、前記光が入射する領域を除いた残りの領域に形成された熱伝導層とを含む。
好ましくは、前記活性層は、メサ型断面を有するのが良い。
前記活性層は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多層薄膜構造のうちのいずれか１つで形成されてもよい。
前記熱伝導層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのうちのいずれか１つで構成されてもよい。
前記活性層と前記熱伝導層は、互いに密着するのが良い。
前記活性層の一面に接続され、前記熱伝導層とは離隔した電極パターンを追加的に含んでもよい。
前記光が入射する領域に無反射膜が追加的に形成されるが、前記無反射膜は、前記活性層および前記熱伝導層の上部で形成されてもよい。
一方、本発明の好ましい実施態様に係るフォトミキサの製造方法は、基板の上面に活性層を形成するが、光が入射する領域に前記活性層を形成するステップと、前記基板の上面に熱伝導層を形成するが、前記光が入射する領域を除いた残りの領域に前記熱伝導層を形成するステップとを含む。
好ましくは、前記活性層を形成するステップは、前記基板の上面にバッファ層を垂直および水平に成長させるステップと、前記バッファ層の上面に前記活性層を垂直および水平に成長させるステップと、前記成長した活性層において前記光が入射する領域を除いた残りの領域をエッチングするステップとを含むことができる。
前記活性層を垂直および水平に成長させるステップは、ＭＢＥ法で前記活性層を低温成長させることができる。
前記活性層は、メサ型断面を有するように形成されてもよい。
前記熱伝導層を形成するステップは、前記光が入射する領域を除いた領域に、前記熱伝導層をＭＯＣＶＤ法で再成長させて平坦化された表面を有するようにすることができる。
前記活性層の一面に接続され、前記熱伝導層とは離隔した電極パターンを形成するステップを追加的に含んでもよい。
前記光が入射する領域に無反射膜を形成するステップを追加的に含んでもよい。
このような構成の本発明によれば、熱処理過程を半導体結晶成長装備のＭＯＣＶＤ装備を活用することにより、低温成長半導体物質の熱処理過程と高品位の半導体結晶成長が同時に行われ、高い熱伝導特性および平坦型構造の開発が可能で、高い信頼性および高効率の広帯域フォトミキサの開発が可能である。
低温成長基板を活用したフォトミキサ素子の信頼性を確保すると同時に、高効率の放熱構造特性を有する高効率のフォトミキサの開発によって、実質的なテラヘルツ応用システムの開発が可能で、未来技術開発の波及効果が非常に大きくなる。
一般的なＴＨｚ−ＴＤＳ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）システムの概要を説明するための図である。 一般的なＴＨｚ−ＦＤＳ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）システムの概要を説明するための図である。 一般的なフォトミキサの構成図である。 図３に示された光伝度スイッチとアンテナとの設置形態を示す図である。 本発明の説明に採用されるテラヘルツ波発生用フォトミキサの等価回路を示す図である。 本発明の説明に採用されるテラヘルツ波発生用平板型フォトミキサの構造図である。 本発明の説明に採用されるアンテナが集積されたテラヘルツ波発生用フォトミキサを示す図である。 図７の変形例である。 本発明の好ましい実施形態に係るフォトミキサの構造図である。 本発明の好ましい実施形態に係るフォトミキサを製造する方法を説明するフローチャートである。
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係るフォトミキサおよびその製造方法について説明する。本発明の詳細な説明に先立ち、以下に説明される本明細書および請求の範囲に使用された用語や単語は、通常または辞書的な意味に限定して解釈されない。したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替可能な多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
パルス型広帯域テラヘルツ波発生システムや連続周波数可変型テラヘルツ波発生システムの主要特性は、励起光源の特性と、先に言及した光電変換器のＰＣＡおよびフォトミキサの効率で特性が決定される。パルス型とは異なり、連続波発生用フォトミキサの設計時、非常に高い入力光パワーによるフォトミキサの内部の熱上昇効果を必須として考慮しなければならない。主熱源としては、光の注入による物質の吸収とフォトミキサのバイアス印加による電流によるジュール（Ｊｏｕｌｅ）ヒーティングなどがある。フォトミキサの内部温度の増加による入射光の早期飽和および内部温度の増加による光電効率特性の低下が急激に進行するため、円滑な熱放出は高効率の確保に必須である。特に、連続波方式では何よりも重要な核心的なものである。様々な光電変換器のうち、最も劣悪な特性を示す長波長用フォトミキサの場合について考えてみよう。
連続周波数可変テラヘルツ波発生周波数（ｆ）は、励起光の２つの発振周波数（ｆ１＝ｃ／λ１、ｆ２＝ｃ／λ２）の間の差であるビーティング周波数（ｆ＝ｆ１−ｆ２）である。λ＝λ１、Δλ＝λ１−λ２≪λの場合、ｆ＝ｆ１−ｆ２＝ｃ／λ１−ｃ／λ２＝ｃΔλ／λ２として示すことができる。
この時発生した周波数可変型テラヘルツ波源の特性は、励起光源の特性に直接的な影響を受ける。励起光源の安定度、線幅、偏光、位相のいずれもが発生するテラヘルツ波に影響を与えることにより、安定的な励起光源の開発に多くの努力を傾ける。
フォトミキサによって発生したテラヘルツ波出力の解析のために、図５のような等価回路法が多く活用される。図５において、フォトミキサの特性に影響を及ぼす主変数としては、印加電圧ＶＢ、アンテナのインピーダンスＲＬ、フォトミキサのキャパシタンス（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）Ｃ、フォトミキサのフォトコンダクタンス（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）Ｇ０などがある。光が入射する領域Ａｐ、光透過度Ｔ、内部量子効率ηｉ、プランク（ｐｌａｎｃｋ）定数ｈ、電荷移動度μ、周波数ν、キャリア消滅時間τを考慮し、光が入射する領域に何ら金属パターンのない簡単なスクエア型フォトミキサを仮定した時、フォトコンダクタンスＧ０は、下記式（１）のように与えられる。下記式（１）において、ｅはキャリアの電荷量、Ｐ０はフォトミキサに入射した光出力である。
Figure 2015533023
 フォトコンダクタンスＧ０を有する、フォトミキサから出力されるテラヘルツ波の特性は、下記式（２）の通りである。ＲＡはアンテナの放射抵抗、Ｃおよびτはフォトミキサの静電容量およびキャリア消滅時間を示す。
Figure 2015533023
 式（２）において、ωはビーティング周波数ｆの角周波数である。ω＝２πｆ＝２π（ｆ１−ｆ２）＝２π（ｃ／λ１−ｃ／λ２）である。
高効率のテラヘルツ波発生のためには、高出力の光源とともに、フォトミキサの光電変換効率に直接的な影響を及ぼす変数を調整しなければならない。式（２）に示されるように、フォトミキサの高い応答速度、アンテナ抵抗、および入力光の強度などに影響を受ける。パルス型テラヘルツ波発生器のＰＣＡでは、励起光による特性の低下は、連続波に比べて比較的少ない影響を受ける。しかし、連続波発生用フォトミキサの場合、連続的な入力光の注入および吸収による活性層の温度増加およびバイアスの印加によるジュール（ｊｏｕｌｅ）ヒーティングなどによる空気と半導体の界面で形成されるジャンクション温度Ｔｊ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）は、入射光の最大値を決定することで、高効率フォトミキサの開発には必須として解決すべき要素である。
上記式（１）、式（２）に示されるように、広帯域フォトミキサの特性は、非常に短いキャリア消滅時間、フォトミキサの静電容量特性に多くの影響を受ける。このうち、テラヘルツ分光器において広帯域特性に直接的な影響を及ぼすキャリア消滅時間の確保は必須である。キャリア消滅時間の確保のために、半導体単結晶特性を保持したまま、非常に短いキャリア消滅時間を有する半導体物質を成長させるために、一般的にＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）装備を用いる。一般的な半導体のキャリア消滅時間は数ｎｓ（１０−９）秒水準であるが、１ＴＨｚに相当する時間は１ピコ（１０−１２）秒水準であるので、広帯域特性の確保のために、半導体結晶成長時、成長温度を急激に低下させると、物質内の３族元素の位置に５族元素の占有による不純物が生成され、フェムト秒級のキャリア消滅時間を確保することができる。
先に言及したが、ＴＨｚ−ＴＤＳシステムの光源であるチタンサファイア（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザの中心発振波長である８００ｎｍの光出力を吸収するために、ＧａＡｓ物質を活用するか、連続波発振に活用されている長波長ビーティング光源の吸収のために、ＩｎＧａＡｓ物質が主に使用されている。一般的に活用されているフォトミキサ作製法と、本発明で新たに提案している方法について比較することにより、本発明の差別化を説明する。
図３〜図５に示されるように、フォトミキサは、励起光に高速に反応する物質の光伝度スイッチ３２と、発生した波を任意の所望する方向に抽出するためのアンテナ３４とを含む。ここで、アンテナ３４は、用途に応じて、ボウタイ（ｂｏｗｔｉｅ）アンテナ、ダイポール（ｄｉｏｐｏｌｅ）アンテナなどが採用可能である。テラヘルツ分光システムのためには、広帯域アンテナの使用が必須であり、テラヘルツ映像システムのためには、高効率の共振型アンテナが活用されている。
キャリア消滅時間が確保された物質にバイアスの印加が可能な構造のアンテナだけが作製された最も簡単な形態のフォトミキサを、図６に示した。
図６のフォトミキサは、基板４０と、バッファ層４２と、活性層４４と、絶縁体薄膜４６と、電極パターン４８と、無反射膜５０とを含む。
基板４０は、テラヘルツ波が当該基板上に存在する電荷によって吸収される量を最小化するために、半絶縁（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）のＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓなどで構成されてもよい。ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ；分子ビームエピタキシ）装備を活用して、基板４０を所定の厚さに成長させることができる。
バッファ層４２は、基板４０の上面に形成される。バッファ層４２は、基板４０に正常な半導体薄膜成長のためのものである。バッファ層４２の成長のために、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどが活用可能である。ＭＢＥ装備を活用して、バッファ層４２を所定の厚さに成長させることができる。
活性層４４は、バッファ層４２の上面に垂直および水平に形成される。活性層４４は、キャリア寿命時間の確保のために、低温成長法で成長させる。活性層４４は、フォトミキサ作製の核心といえ、光伝度層（ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）と呼ぶこともある。活性層４４は、フォトコンダクティブスイッチングからテラヘルツ波を発生させることができる。活性層４４に活用される半導体薄膜としては、バルク型で８００ｎｍ帯域のＧａＡｓと、長波長領域用としてはバンドギャップが励起光源の波長と一致する物質であるＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどがあり得る。バルク型活性層のほか、長波長励起光源によって発生した電子、正孔の円滑な捕獲のために、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓなどのような多層薄膜構造を採用してもよい。
式（２）に示されるように、印加電圧の二乗に比例してテラヘルツ波の出力が決定され、光伝度スイッチにバイアス印加のためのアンテナを含む電極の形成は必須である。それによって、絶縁体薄膜４６および電極パターン４８が一連のリソグラフィー（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）過程を経て、活性層４４の上面に順次に形成される。ここで、電極パターン４８は、アンテナに接続されるとみても構わない。このように、基板４０上に、バッファ層４２、活性層４４、絶縁体薄膜４６、および金属の電極パターン４８を順次に形成させることにより、フォトミキサチップが完成すると考えられる。
無反射膜５０は、最終的に半導体による表面反射の低下を防止するためのものである。まず、電極パターン４８の上面全体に無反射膜層を形成させた後、リソグラフィー過程を経て、光が入射する領域にのみ無反射膜５０を形成させる。
図７は、アンテナが集積されたテラヘルツ波発生用フォトミキサを示す図である。図７では、広帯域アンテナのボウタイアンテナ３４が２つ集積された。２つのボウタイアンテナ３４のうちの１つはバイアス電圧が印加され、残りの１つは接地されてもよい。また、図７には、ボウタイアンテナ３４ごとに複数の電極パッド３６がパッケージングのために接続される。電極パッド３６は、バイアス用電極パッドと接地用電極パッドとを含むことができる。そして、フォトミキサの核心である光伝度スイッチ３２が点線の中（すなわち、２つのボウタイアンテナ３４の間）に形成される。
図７において、光伝度スイッチ３２は、先に説明した活性層４４における物質で構成されてもよいが、低温成長した物質のうち、バンドギャップが大きい物質のＧａＡｓの場合とは異なり、ＩｎＧａＡｓ物質は、バックグラウンド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）電荷によってｎ型半導体特性を有することが知られている。このようなｎ型電荷を相殺するために、低温成長したＩｎＧａＡｓにｐ型のベリリウム（Ｂｅ）をドーピングする。ホール（Ｈａｌｌ）測定の結果、熱処理温度が高いほど、ベリリウム（Ｂｅ）が活性化され、ｎ型不純物をよく相殺する。これは、熱処理温度を上昇させるほど、暗抵抗率（ｄａｒｋ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）の高い低温成長したＩｎＧａＡｓが得られることを意味する。
図６の場合、光が注入される領域以外においても低温成長した半導体領域が相変らず残っていて、バックグラウンド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）電荷濃度によって暗電流が発生する。一般的に、ＧａＡｓ ＰＣＡの場合、これを無視することができて、高いバイアス電圧の活用が可能な理由でもある。しかし、長波長フォトミキサの場合、特性低下の主要因としてバックグラウンド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）電荷濃度の低下が挙げられる。このような理由から、低温成長した半導体物質は、非常に低い移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）特性を有する。テラヘルツ波の出力に決定的な影響を及ぼす移動度向上のために、成長後、熱処理過程が必須として行われる。例えば、成長したままの状態（Ａｓ−ｇｒｏｗｎ）のＩｎＧａＡｓサンプルのホール（Ｈａｌｌ）の移動度の値が、ＩｎＧａＡｓの場合、６００ｃｍ２／Ｖｓｅｃ水準から、熱処理過程を経た後の値が１，４５０ｃｍ２／Ｖｓｅｃ水準へと大きい値に増加し、熱処理温度の増加による定常状態の物質に復元する特性を示し、適切な熱処理温度は高効率フォトミキサの作製に必須である。
それによって、フォトミキサの特性に直接的な影響を及ぼす暗電流を低下させるために、図８のような構造を考えることができる。図８において、フォトミキサの各層の役割は図６と同一であり、光が入射する領域のみを残したまま、残りの領域をエッチングで除去した構造である。図８では、活性層５２がメサ（ｍｅｓａ）型断面を有する。このように活性層５２がメサ型断面を有すると、光が注入される領域以外においては低温成長した半導体領域がないので、バックグラウンド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）電荷濃度による暗電流の発生がなくなる。図８において、説明していない符号５４は絶縁体薄膜である。
フォトミキサの特性向上のために、図６における光励起部分の活性層４４および図８における光励起部分の活性層５２の移動度確保のための熱処理過程は必須である。ここでの熱処理過程は、低温成長装備のＭＢＥ装備を活用して、成長が終わった直後、直ちにＭＢＥチャンバ内で実施されるインサイチューアニーリング（Ｉｎ−ｓｉｔｕ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、またはＲＴＡチャンバ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｃｈａｍｂｅｒ）内で進行するエックスサイチューアニーリング（Ｅｘ−ｓｉｔｕ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）をする。このようなインサイチュー（Ｉｎ−ｓｉｔｕ）熱処理、またはエックスサイチュー熱処理過程を経た試料の表面は粗くて、フォトミキサ工程および特性に大きな問題を引き起こすことを実験的に確認した。
一方、図８のフォトミキサは、活性層５２がメサ（ｍｅｓａ）状に形成されるため、活性層５２上の電極パターン４８もそれと類似の形状に形成される。それによって、図８における電極パターン４８は、図６の電極パターンとは異なって平坦でない。そのため、図８のフォトミキサは、活性層５２の高さとアンテナ面の不一致をもたらす。このような不一致によって工程の難しさが存在し、基板を除いた大部分が空気に露出している構造で、光励起時に発生した熱の高い放出効率を期待しにくい。
それによって、図９のような構造のフォトミキサを提示する。先に言及したように、広帯域特性確保のための低温成長過程で、移動度確保のための後続の熱処理過程は、広帯域フォトミキサの開発に必須である。
図９のフォトミキサは、基板６０と、バッファ層６２と、活性層６４と、熱伝導層６６と、絶縁体薄膜６８と、電極パターン７０と、無反射膜７２とを含む。ここで、基板６０とバッファ層６２および活性層６４は、図８の基板４０とバッファ層４２および活性層５２の役割と同一である。絶縁体薄膜６８と電極パターン７０および無反射膜７２は、図６の絶縁体薄膜４６と電極パターン４８および無反射膜５０の役割と同一である。
図９では、バッファ層６２の上面に、活性層６４と、熱伝導層６６とを形成させるが、光が入射する領域には活性層６４を形成させ、光が入射する領域以外の領域には熱伝導層６６を形成させた点が特異である。熱伝導層６６は、熱伝導（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）が非常に高い物質を使用する。熱放出のために、活性層６４と熱伝導層６６は、互いに密着することが好ましい。
図９の構造に示されるように、熱伝導度が非常に高い物質を、ＭＯＣＶＤ装備を活用して、光励起領域（すなわち、光が入射する領域が相当する）以外の領域に再成長して平坦化する熱処理過程および平坦化過程を同時に行う。これまで提示されなかった方法によって、熱処理による表面の問題、フォトミキサ特性低下の問題を同時に解決して、非常に改善された特性の向上を実験的に確認した。すなわち、本発明の実施形態では、半導体結晶成長装備のＭＯＣＶＤ装備を活用して、Ａｓ雰囲気で熱処理を進行させた。実験の結果は、ある臨界温度まではキャリア寿命時間の急激な変化が発生しないことを確認した。そして、何よりも従来の半導体結晶成長装備のＭＯＣＶＤ装備によってＡｓ雰囲気で熱処理を行った時、他の方法と比較すると、比較できないほどの優れた表面特性とキャリア寿命時間を確保できることを実験的に確認することができた。
熱伝導層６６に使用される再成長物質としては、多様な活性層との格子整合および再成長物質の熱伝導度などを考慮して、非常に多様な物質を考慮することができる。可能な物質名（熱伝導度）を次のように提示することができる。ＩｎＰ（０．６８Ｗｃｍ−１Ｋ−１）、ＧａＡＳ（０．４５Ｗｃｍ−１Ｋ−１）、Ｇｅ（０．５８Ｗｃｍ−１Ｋ−１）、Ｓｉ（１．３Ｗｃｍ−１Ｋ−１）、ＡｌＡｓ（０．９１Ｗｃｍ−１Ｋ−１）は、熱伝導度が非常に高い物質であって、光励起領域以外の領域を埋込むことにより、熱的に非常に安定的なフォトミキサの開発を可能にする。実際にこのような構造を活用すると、その特性が急激に改善されることを実験的に確認した。
図９において、活性層６４は、低温成長ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡＳ／ＩｎＡｌＡｓの多層薄膜など、光励起よるフォトミキサの活性層のすべてを対象とする。ＭＯＣＶＤ装備を活用して再成長した熱伝導層６６は、熱伝導度が非常に高いＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどのバルク型半導体を再成長することを原則とする。しかし、素子の構造上、ドーピングが異なるｐ型またはｎ型半導体を再成長することができ、また、ｐ型およびｎ型を交互に成長させたジャンクション構造を活用することができる。図９のような埋込型フォトミキサを活用した時、非常に安定的で高効率特性の提供が可能な光電変換器の開発が可能で、これまで提示できなかったテラヘルツ応用システムの拡大が期待される。
図９のフォトミキサの場合、アンテナに接続される電極パターン７０に印加されるバイアス電圧によって、活性層６４には電界（Ｅ）が形成される。このようなバイアス状態で励起光が入射すると、光吸収によって、活性層６４ではキャリア（電子−正孔対）が生成される。キャリアは、活性層６４に形成された電界（Ｅ）によって加速され、瞬間的に電極パターン７０を通してアンテナに移動する。キャリアの寿命（約数百フェムト秒）の間に流れる光電流によって、アンテナではテラヘルツ波を発生させる。そして、光励起時に発生する熱は、熱伝導層６６を通して迅速に外部に放出される。
図１０は、本発明の好ましい実施形態に係るフォトミキサを製造する方法を説明するフローチャートである。
まず、ＭＢＥ装備を活用して、所定の厚さに成長した基板６０を用意する（Ｓ１０）。
基板６０の上面にバッファ層６２を形成する（Ｓ１２）。ここで、バッファ層６２は、ＭＢＥ装備によって垂直および水平に所定の厚さに成長する。
バッファ層６２の上面に活性層６４を形成する（Ｓ１４）。活性層６４を形成させるにあたって、まず、バッファ層６２の上面に、活性層６４をＭＢＥ装備による低温成長法で垂直および水平に成長させる。あるいは、バッファ層６２の上面に、活性層６４をＭＯＣＶＤ法を用いて垂直および水平に成長させた後、その上に、例えば、Ｆe２＋などのようなイオンを用いてイオンインプランテーション（ｉｏｎ−ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）を行ってもよい。
このように、ＭＢＥ装備による低温成長法で垂直および水平に成長させるか、ＭＯＣＶＤ法で垂直および水平に成長させ、イオンインプランテーションを行って形成した活性層６４において光が入射する領域（すなわち、光励起領域）を除いた残りの領域をエッチングで除去する。それによって、活性層６４は、メサ（ｍｅｓａ）型断面を有する。
以後、光が入射する領域を除いた領域に、熱伝導層６６をＭＯＣＶＤ法で再成長させて平坦化された表面を有するようにする（Ｓ１６）。ここで、ＭＤＣＶＤ法による熱処理過程および平坦化過程が行われると、実質的に、熱伝導層６６だけでなく、活性層６４の表面も平坦になる。
リソグラフィー過程を経て、活性層６４および熱伝導層６６の上面に絶縁体薄膜６８を形成する（Ｓ１８）。
そして、活性層６４の一面に接続され、熱伝導層６６とは離隔した電極パターン７０を形成する（Ｓ２０）。
最終的に、電極パターン７０の上面全体に無反射膜層を形成させた後、リソグラフィー過程を経て、光が入射する領域にのみ無反射膜７２を形成させる（Ｓ２２）。
一方、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で修正および変形して実施することができ、そのような修正および変形が加えられた技術思想も以下の特許請求の範囲に属すると見なすべきである。

Claims (16)

  1. 基板の上面に形成されるが、光が入射する領域に形成された活性層と、
    前記基板の上面に形成されるが、前記光が入射する領域を除いた残りの領域に形成された熱伝導層とを含むことを特徴とする、フォトミキサ。
  2. 前記活性層は、メサ型断面を有することを特徴とする、請求項１に記載のフォトミキサ。
  3. 前記活性層は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの多層薄膜構造のうちのいずれか１つで形成されることを特徴とする、請求項１に記載のフォトミキサ。
  4. 前記熱伝導層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのうちのいずれか１つで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のフォトミキサ。
  5. 前記活性層と前記熱伝導層は、互いに密着していることを特徴とする、請求項１に記載のフォトミキサ。
  6. 前記活性層の一面に接続され、前記熱伝導層とは離隔した電極パターンを追加的に含むことを特徴とする、請求項１に記載のフォトミキサ。
  7. 前記光が入射する領域に無反射膜が追加的に形成されるが、前記無反射膜は、前記活性層の上部で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のフォトミキサ。
  8. 基板の上面に活性層を形成するが、光が入射する領域に前記活性層を形成するステップと、
    前記基板の上面に熱伝導層を形成するが、前記光が入射する領域を除いた残りの領域に前記熱伝導層を形成するステップとを含むことを特徴とする、フォトミキサの製造方法。
  9. 前記活性層を形成するステップは、
    前記基板の上面にバッファ層を垂直および水平に成長させるステップと、
    前記バッファ層の上面に前記活性層を垂直および水平に成長させるステップと、
    前記成長した活性層において前記光が入射する領域を除いた残りの領域をエッチングするステップとを含むことを特徴とする、請求項８に記載のフォトミキサの製造方法。
  10. 前記活性層を垂直および水平に成長させるステップは、ＭＢＥ法で前記活性層を低温成長させることを特徴とする、請求項９に記載のフォトミキサの製造方法。
  11. 前記活性層を垂直および水平に成長させるステップは、ＭＯＣＶＤ法で前記活性層を成長させ、その上にイオンインプランテーションを実施することを特徴とする、請求項９に記載のフォトミキサの製造方法。
  12. 前記活性層は、メサ型断面を有するように形成されることを特徴とする、請求項８に記載のフォトミキサの製造方法。
  13. 前記熱伝導層を形成するステップは、前記光が入射する領域を除いた領域に、前記熱伝導層をＭＯＣＶＤ法で再成長させて平坦化された表面を有するようにすることを特徴とする、請求項８に記載のフォトミキサの製造方法。
  14. 前記熱伝導層は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、Ｓｉ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのうちのいずれか１つで構成されることを特徴とする、請求項８に記載のフォトミキサの製造方法。
  15. 前記活性層の一面に接続され、前記熱伝導層とは離隔した電極パターンを形成するステップを追加的に含むことを特徴とする、請求項８に記載のフォトミキサの製造方法。
  16. 前記光が入射する領域に無反射膜を形成するステップを追加的に含むことを特徴とする、請求項８に記載のフォトミキサの製造方法。
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