JP2016164974A - Photoconductive element, method for manufacturing the same, and measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光伝導素子、その製造方法、及びそれを用いた測定装置に関する。 The present invention relates to a photoconductive element, a manufacturing method thereof, and a measuring apparatus using the same.
テラヘルツ波は、周波数が30GHz以上30THz以下の電磁波である。テラヘルツ波の発生又は検出を行う素子として光伝導素子がある。光伝導素子は、移動度が比較的大きくて、キャリア寿命がピコ秒以下という特殊な半導体と、半導体上に設けられた電極を兼ねているアンテナ電極(導電部)とで構成されている。アンテナ電極に電圧を印加した状態でアンテナ電極間のギャップ部(間隙)に超短パルス光の照射を行うと、励起された光キャリアにより電流が瞬間的に電極間を流れることでテラヘルツ波を放射するしくみとなっている。 Terahertz waves are electromagnetic waves having a frequency of 30 GHz to 30 THz. There is a photoconductive element as an element for generating or detecting terahertz waves. The photoconductive element is composed of a special semiconductor having relatively high mobility and a carrier lifetime of picoseconds or less, and an antenna electrode (conductive portion) that also serves as an electrode provided on the semiconductor. When ultrashort pulse light is applied to the gap between the antenna electrodes with a voltage applied to the antenna electrodes, a current flows instantaneously between the electrodes by the excited optical carriers, and a terahertz wave is emitted. It is a mechanism to do.
光伝導素子の発生出力及び検出感度を向上させる手段として、アンテナ電極間のギャップ部の半導体表面において励起光の電界を増強して半導体における光吸収量を増加させることにより、光キャリアの発生効率を向上する方法がある。具体的には、アンテナ電極間にサブミクロンオーダーの周期で、負の誘電率を持つ材料によって回折格子を配置する。回折格子に超短パルス光を照射して表面プラズモン共鳴や回折を起こす。これにより回折格子と半導体との界面近傍の電界増強や回折による電界集中を利用して光キャリアの発生効率の向上を実現している。 As a means of improving the generation output and detection sensitivity of the photoconductive element, the generation efficiency of the optical carrier is increased by increasing the light absorption amount in the semiconductor by enhancing the electric field of the excitation light on the semiconductor surface in the gap portion between the antenna electrodes. There are ways to improve. Specifically, the diffraction grating is arranged between the antenna electrodes with a material having a negative dielectric constant at a period of submicron order. Irradiation of ultrashort pulse light onto the diffraction grating causes surface plasmon resonance and diffraction. As a result, the generation efficiency of optical carriers is improved by utilizing the electric field enhancement near the interface between the diffraction grating and the semiconductor and the electric field concentration by diffraction.
例えば特許文献1及び非特許文献1では、ボータイアンテナ間に表面プラズモン共鳴を発生させる回折格子を設けた光伝導素子が開示されている。回折格子がある場合とない場合とで、テラヘルツ波の発生能力及び検出能力の比較を行っており、回折格子を設けることにより発生出力や検出感度が向上することが記載されている。 For example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a photoconductive element provided with a diffraction grating that generates surface plasmon resonance between bowtie antennas. A comparison is made between the ability to generate terahertz waves and the ability to detect terahertz waves with and without the diffraction grating, and it is described that the generation output and detection sensitivity are improved by providing the diffraction grating.
光伝導素子を用いて測定を行う測定装置に、テラヘルツ波時間領域分光法(THz−TDS:THz Time−Domain Spectroscopy)によってテラヘルツ波パルスの時間波形を測定するTHz−TDS装置等がある。特許文献1に記載の光伝導素子を用いて、THz−TDS装置で測定を行う場合、テラヘルツ波パルスは、測定物の物性及び形状等の影響を受けて透過や反射するため、複数のパルス波となる。複数のパルスは、それぞれのパルスが伝搬した光路長に応じて異なる時間に検出されるため、得られた時間波形は複数のパルスを有する。これらの複数のパルスを時間波形上で分離し、それぞれ解析することにより測定物の情報を取得できる。そのため、テラヘルツ波パルスを測定物に介さずにそのまま検出した場合、テラヘルツ波パルスの時間波形は単一のパルスのみを有することが望ましい。換言すると、テラヘルツ波パルスをモノパルスにすることが望ましい。 As a measuring apparatus that performs measurement using a photoconductive element, there is a THz-TDS apparatus that measures a time waveform of a terahertz wave pulse by THz-Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS). When measuring with a THz-TDS apparatus using the photoconductive element described in Patent Document 1, a terahertz wave pulse is transmitted and reflected under the influence of the physical properties and shape of the measurement object. It becomes. Since the plurality of pulses are detected at different times according to the optical path length through which each pulse has propagated, the obtained time waveform has a plurality of pulses. By separating these plural pulses on the time waveform and analyzing each of them, information on the measurement object can be acquired. Therefore, when the terahertz wave pulse is detected as it is without passing through the measurement object, it is desirable that the time waveform of the terahertz wave pulse has only a single pulse. In other words, it is desirable to make the terahertz wave pulse a monopulse.
それに対し、例えば非特許文献1の光伝導素子が発生したテラヘルツ波は、複数のパルスを有する時間波形が得られる恐れがある。 On the other hand, for example, a terahertz wave generated by the photoconductive element of Non-Patent Document 1 may obtain a time waveform having a plurality of pulses.
本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to obtain a terahertz wave pulse closer to a monopulse than a conventional one in a photoconductive element using surface plasmon resonance.
本発明の一側面としての光伝導素子は、光伝導層と、前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、前記複数の導電部のそれぞれは、電極と、前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、前記アンテナ部と接触しており、周期的に配置されている複数の格子を含む回折格子部と、を有し、前記複数の導電部は、前記複数の導電部それぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、前記アンテナ部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±5%以下であることを特徴とする。 A photoconductive element according to an aspect of the present invention includes a photoconductive layer and a plurality of conductive portions disposed on the photoconductive layer, and each of the plurality of conductive portions includes an electrode, An antenna part that is electrically connected to the electrode; and a diffraction grating part that is in contact with the antenna part and includes a plurality of gratings that are periodically arranged. The plurality of conductive parts are arranged so as to face each other with a gap between the diffraction grating parts, and a current reflection coefficient at a contact part between the antenna part and the diffraction grating part is ± 5% or less. It is characterized by being.
また、本発明の別の一側面としての光伝導素子は、光伝導層と、前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、前記複数の導電部のそれぞれは、電極と、前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、周期的に配置されている複数の格子を有する回折格子部と、前記アンテナ部と前記回折格子部との間に配置されており、前記回折格子部と接触している接続部と、を有し、前記複数の導電部は、前記複数の導電部それぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、前記接続部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±5%以下であることを特徴とする。 In addition, a photoconductive element as another aspect of the present invention includes a photoconductive layer and a plurality of conductive portions disposed on the photoconductive layer, and each of the plurality of conductive portions includes: An electrode, an antenna part electrically connected to the electrode, a diffraction grating part having a plurality of periodically arranged gratings, and the antenna part and the diffraction grating part. A connecting portion in contact with the diffraction grating portion, and the plurality of conductive portions are arranged to face each other with a gap between the diffraction grating portions of the plurality of conductive portions. The current reflection coefficient at the contact portion between the connection portion and the diffraction grating portion is ± 5% or less.
本発明の一側面としての光伝導素子によれば、表面プラズモンを用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。 According to the photoconductive element as one aspect of the present invention, in the photoconductive element using surface plasmons, a terahertz wave pulse closer to a monopulse than before can be obtained.
(第1の実施形態)
第1の実施形態の光伝導素子100(以下、「素子100」と呼ぶ)について図1を参照して説明する。図1(a)は素子100の全体構成図であり、図1(b)は図1(a)のA−A断面図、図1(c)は図1(a)のB−B断面図である。素子100は、光伝導層110と、基板111と、複数の導電部(アンテナ電極)112と、を有する。
(First embodiment)
A photoconductive element 100 (hereinafter referred to as “
光伝導層110は、励起光としての超短パルス光が入射することによりキャリアを発生する半導体である。本明細書の「超短パルス光」は、パルス幅が数100fs以下の光で、特に、パルス幅が1fs以上100fs以下の超短パルス光をフェムト秒パルス光と呼ぶ。光伝導層110の材料としては、光伝導層110のバンドギャップエネルギーに相当する波長が励起光の波長よりも短い材料を選択して1光子吸収によるキャリアの励起を利用してもよい。また、バンドギャップエネルギーに相当する波長が励起光波長より長い材料であっても非線形光学効果の一つである多光子吸収によるキャリアの励起を利用できる。例えば、励起光の波長が0.8μm帯の場合には低温成長(Low Temperature grown、以後LTと称す)GaAsを用い、励起光の波長が1.5μm帯の場合には、LT−InGaAs又はLT−GaAsを用いることができる。
The
光伝導層110は、基板111上に配置されている。基板111上に光伝導層110をエピタキシャル成長する場合には、使用する光伝導層110と格子整合するものを基板111として選択すればよい。もちろん、光伝導層110をエピタキシャル成長させる方法に限らず、転写等によって光伝導層110と基板111とを貼り合わせる技術等を用いてもよい。
The
複数の導電部112は、各導電部112が有する回折格子部間(回折格子部101間)にギャップ部(間隙)を有するように、光伝導層上(光伝導層110上)に配置されている。複数の導電部112のそれぞれは、回折格子部101と、アンテナ部102と、複数の電極103とを有する。アンテナ部102は、回折格子部101と電極103とを電気的に接続している。各アンテナ部102は凸部を有しており、凸部は、任意の間隔を隔てて対向している。アンテナ部102は電極としての機能を有しており、アンテナ部102それぞれの凸部の間に電圧を印加できる。
The plurality of conductive portions 112 are arranged on the photoconductive layer (on the photoconductive layer 110) so as to have a gap portion (gap) between the diffraction grating portions (between the diffraction grating portions 101) included in each conductive portion 112. Yes. Each of the plurality of conductive portions 112 includes a diffraction grating
電極103は、アンテナ部102と電気的に接続されており、かつ不図示の信号線と接続されている。アンテナ部102及び電極103それぞれの材料には、電気伝導率が高く、酸化しにくい金属を用いることが望ましく、具体的には金(Au)等を用いる。アンテナ部102の形状は、発生又は検出するテラヘルツ波の周波数及び出力等を鑑みて決定される。本実施形態では、広帯域にわたってテラヘルツの発生、検出が可能なダイポールアンテナを例に取っている。
The
図1(b)に示す通り、素子100は、さらに2つのアンテナ部102それぞれの凸部の先端に回折格子部101を配置されている。回折格子部101は、表面プラズモン共鳴効果や回折効果によって、光伝導層110における励起光の光吸収効率を向上させる。回折格子部101は、電気伝導率が高い材料で構成された複数の格子150を有する。
As shown in FIG. 1B, the
複数の格子150のそれぞれは、直方体形状の格子である。隣り合う複数の格子150同士は、ある一定の間隔を隔てて、周期的に並んで配置されている。これを換言すると、回折格子部101は、光伝導層110上に配置されている導電性の部材が複数の溝を有しており、複数の溝が周期的に形成されている。
Each of the plurality of
各導電部112の回折格子部101同士のギャップ部の間隔は、光伝導層110の耐電圧を考慮して決定することが望ましい。例えば、光伝導層110がLT−GaAsであれば、回折格子部101間のギャップ部の間隔を約1.0μm以上数十μm以下にすればよい。例えば、耐電圧を100V程度確保するためには、ギャップ部の間隔を10μm程度設ければよい。
The gap between the
2つのアンテナ部102間に対向するように配置されている2つの回折格子部101それぞれの領域は、A−A方向、B−B方向共に照射する励起光の照射領域以上を確保すればよい。回折格子部101としても、アンテナ部102、電極103と同様に、導電性が高い材料を用いることが望ましく、具体的には、Au等を用いる。
The area of each of the two
ギャップ部の光伝導層110と回折格子部101とを含む領域に、励起光の反射を抑制する不図示の反射防止膜層を備えていてもよい。
An antireflection film layer (not shown) that suppresses reflection of excitation light may be provided in a region including the
ここからは、表面プラズモン共鳴が励起される条件について説明する。励起光の偏光方向が、アンテナ部102の長手方向(図1(a)のB−B直線方向)と平行である時に最も効率的に表面プラズモン共鳴を励起できる。表面プラズモン共鳴の条件は(1)式で表される。なお、光速度をc、励起光の波長をλ、励起光の角振動数をω、励起光の素子100に対する入射角をθとする。また、励起光の波長における回折格子部101の誘電率実部をεg、回折格子部101の周期をL、回折格子部101と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率の実部をεpとする。
From here, the conditions under which surface plasmon resonance is excited will be described. Surface plasmon resonance can be excited most efficiently when the polarization direction of the excitation light is parallel to the longitudinal direction of the antenna portion 102 (the BB linear direction in FIG. 1A). The condition for surface plasmon resonance is expressed by equation (1). It is assumed that the speed of light is c, the wavelength of the excitation light is λ, the angular frequency of the excitation light is ω, and the incident angle of the excitation light with respect to the
(1)式のmは、正の整数を取る。さらに簡略化のため、入射角が0°の場合を考えると(2)式が得られる。 In the formula (1), m is a positive integer. Further, for simplification, when the incident angle is 0 °, equation (2) is obtained.
表面プラズモン共鳴を励起するためには、回折格子部101の材料の誘電率実部が負の値を取り、かつその絶対値が回折格子部101と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率よりも高くてはならない。以上のことから、回折格子部101は、負の誘電率を持つ材料を含む。具体的には、回折格子部101は、材料として、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)等を含む。なお、回折格子部101の一部に正の誘電率を持つ材料が含まれていてもよく、回折格子部101全体としての誘電率実部が負であり、かつその絶対値が回折格子部101と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率より高ければよい。
In order to excite surface plasmon resonance, the real part of the dielectric constant of the material of the diffraction
また、表面プラズモン共鳴を可能とする回折格子部101の周期Lは、励起光の波長、回折格子部101の格子150の材料の誘電率実部、及び回折格子部101と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率により一義的に決定される。
In addition, the period L of the diffraction
例として励起光の素子100への入射角を0度(0°)とし、光伝導層110にLT−GaAsを、回折格子部101の材料にAuを選択した場合について述べる。このような構成では、励起光の波長が0.8μmの場合は表面プラズモン共鳴が励起される回折格子部101の周期Lは約200nmとなる。励起光の波長が1.55μmの場合は表面プラズモン共鳴が励起される回折格子部101の周期Lは約700nmとなる。なお、回折格子部101は、励起光に対して表面プラズモン共鳴が励起可能な一定周期の複数の格子150によって構成されている。よって回折格子部101の周期Lは、格子150を配列する周期に等しいことが望ましい。また、フェムト秒パルス光のように励起光の波長がブロードバンドである場合は、出力が最も高い波長に合わせて回折格子部101の周期を設定することが望ましい。
As an example, a case where the incident angle of the excitation light to the
回折格子部101の格子150それぞれの厚みは、励起光の波長の1/10程度がよいが、励起光の波長の少なくとも1/3以下であればよい。これ以上厚くなってしまうと回折格子部101における励起光の反射が大きくなり、効率的な表面プラズモン共鳴が困難となる。また、反射防止膜が具備される場合には、励起光の波長における反射防止膜の屈折率nを考慮して、格子150それぞれの厚みは、励起光の波長の1/3n以下であればよい。
The thickness of each grating 150 of the diffraction
アンテナ部102は図1に示したダイポールアンテナ以外にもその用途に応じて、ストリップライン、ボータイ、スパイラルアンテナ等を用いてもよい。
In addition to the dipole antenna shown in FIG. 1, the
発明者は、従来技術において、時間波形上のパルスが複数であることや、形状が歪む原因の一つが、回折格子部の格子の格子150とアンテナ部102との接触部(接続面)160における特性インピーダンスの不整合であることを見出した。接触部160において特性インピーダンスの不整合があると、回折格子部101から流れる光電流が反射して反射波が発生し、所望の周波数と異なる周波数のテラヘルツ波の共振や損失を誘発することがある。これにより、複数のピークを有するテラヘルツ波パルスが得られたり、パルス形状が歪んだりすることがある。本実施形態では、このような特性インピーダンスの不整合を低減して、接触部160における光電流の反射波を低減する。
The inventor has found that in the prior art, there are a plurality of pulses on the time waveform, and one of the causes of the distortion of the shape is in the contact portion (connection surface) 160 between the grating 150 of the diffraction grating portion and the
回折格子部101とアンテナ部102との間に特性インピーダンスが不整合な面が存在する場合の、特性インピーダンスの差異と光電流の反射波との関係について説明する。本実施形態では、回折格子部101とアンテナ部102とが接触して電気的に接続されているため、回折格子部101とアンテナ部102との接触部160における特性インピーダンスの差異と光電流の反射波の関係について述べる。
The relationship between the difference in characteristic impedance and the reflected wave of the photocurrent when a surface having mismatched characteristic impedance exists between the
回折格子部101の複数の格子150は、複数の平行かつ周期的に配列した伝送線路とみなすことができる。よって、複数の平行な伝送線路(格子150)を持つ回折格子部101が、アンテナ部102という単一の伝送線路と接触部160を形成して電気的に接続されているとみなせる。この場合、回折格子部101全体の特性インピーダンスをZ1、アンテナ部102の特性インピーダンスをZ2とすると、接触部160における電流反射係数Rは(3)式で表すことができる。なお、(3)式では、アンテナ部102から回折格子部101へ向かう方向を正としている。
The plurality of
本明細書の「電流反射係数」は、回折格子部101からアンテナ部102へ向かう入射波が、接触して電気的に接続される2つの部材の接触部で回折格子部101方向へ反射して反射波が発生する場合の、入射波の振幅に対する反射波の振幅の割合と定義する。この反射波は、2つの部材のそれぞれの特性インピーダンスが異なるために、接触部において発生する。
In this specification, the “current reflection coefficient” means that an incident wave directed from the diffraction
本明細書では、上述の2つの部材のうちアンテナ部102側のものを第1の部材、回折格子部101側のものを第2の部材とする。入射波の振幅に対する第1の部材と第2の部材との接触部で発生した反射波の振幅の割合を、第1の部材と第2の部材との接触部における電流反射係数と呼ぶ。また、単に第1の部材の電流反射係数と呼ぶこともあるが、これらは同義である。
In the present specification, of the two members described above, the member on the
本実施形態の場合、回折格子部101からアンテナ部102へ向かう入射波の振幅に対する、接触部160で回折格子部101に向かって反射する反射波の振幅の割合を「回折格子部101とアンテナ部102との接触部160における電流反射係数」という。「回折格子部101とアンテナ部102との接触部160における電流反射係数」は、「接触部160における電流反射係数」又は「接触部160における電流反射係数」ということもある。なお、本明細書では、接触部160は、回折格子部101全体とアンテナ部102との接触部を指し、回折格子部101が複数の格子150のそれぞれとアンテナ部102とが接している面を含む。
In the case of this embodiment, the ratio of the amplitude of the reflected wave reflected toward the diffraction
回折格子部101及びアンテナ部102を伝送線路と見なした場合、それぞれの特性インピーダンスは、主に入射波の周波数、回折格子部101及びアンテナ部102のそれぞれの幅、厚み、及び配置のされ方、及び光伝導層110の誘電率等により決定される。よって本実施形態では、回折格子部101中の格子150の幅及び厚み、アンテナ部102の幅及び厚みを調整することにより、接触部160における光電流の反射波を低減する。
When the
ここで、例としては、測定物で反射したテラヘルツ波パルス(反射パルス)の時間波形を測定し、その時間波形を用いて測定物の屈折率を取得する場合を想定する。この場合、回折格子部101とアンテナ部102との接触部における光電流の反射が、測定によって得られた屈折率にどの程度影響を与えるかを考える。測定物の屈折率は、反射率が約100%の金属鏡からの反射パルスの時間波形から得られる振幅スペクトルをリファレンスとして取得する。この振幅スペクトルと測定物からの反射パルスの時間波形から得られる振幅スペクトルとの比から反射率を取得すれば、その反射率から屈折率を求めることができる。
Here, as an example, it is assumed that a time waveform of a terahertz wave pulse (reflected pulse) reflected by a measurement object is measured and the refractive index of the measurement object is acquired using the time waveform. In this case, consider how much the reflection of the photocurrent at the contact portion between the diffraction
反射パルスを測定する反射型の測定系では、一般的に測定物からの反射パルスの測定値は、リファレンスとしての金属鏡からの反射パルスの測定値に比べて非常に小さい。したがって、金属鏡からの反射パルスの時間波形には光電流の反射波を確認できても、測定物からの反射パルスの時間波形では、光電流の反射波の信号がノイズ以下となって確認できない場合がある。 In a reflective measurement system that measures a reflected pulse, the measured value of a reflected pulse from a measurement object is generally very small compared to the measured value of a reflected pulse from a metal mirror as a reference. Therefore, even if the reflected wave of the photocurrent can be confirmed in the time waveform of the reflected pulse from the metal mirror, the reflected wave signal of the photocurrent cannot be confirmed in the time waveform of the reflected pulse from the measurement object because it is below the noise. There is a case.
光電流の反射波によってテラヘルツ波が損失することなく素子100から放射又は検出されるとすると、測定物の屈折率が1.5程度の場合において、電流反射係数が±5%だと屈折率の測定誤差は最大で0.03程度となる。同様に、電流反射係数Rが±1%の場合、屈折率の測定誤差は最大で0.01以下となる。
If the terahertz wave is radiated or detected from the
電流反射係数Rが小さいほど、すなわち回折格子部101の特性インピーダンスの値とアンテナ部102の特性インピーダンスの値とが近いほど、取得した反射パルスの時間波形に含まれる光電流の反射波が小さくなる。そのため、接触部160における電流反射係数Rをできるだけ小さくすることが望ましい。よって、素子100は、測定誤差を誤差0.03以下にするためには、接触部160における電流反射係数Rを±5%以下とすることが望ましく、より好ましくは、±1%以下となるように構成する。
The smaller the current reflection coefficient R, that is, the closer the characteristic impedance value of the
本実施形態では、回折格子部101およびアンテナ部102を伝送線路と見なした場合に、アンテナ部102の電流反射係数Rが±5%以下を満たす構成の一例を示す。本実施形態では、図1(b)のように回折格子部101とアンテナ部102の厚みが同一である場合を想定する。
In the present embodiment, an example of a configuration in which the current reflection coefficient R of the
本実施形態の回折格子部101及びアンテナ部102のそれぞれは、500μmの厚さのGaAs基板上に配置されているものとする。なお、GaAs基板は、裏面が接地されている。回折格子部101の周期Lは700nmで固定とし、30GHzにおける回折格子部101とアンテナ部102の特性インピーダンスを独立に計算し、それらからアンテナ部102の電流反射係数Rを計算した。なお、回折格子部101の特性インピーダンスはグラウンド付きコプレーナ線路モデルを適用し、アンテナ部102はグラウンド付きマイクロストリップラインモデルを適用した。
Each of the
格子150の幅を狭くする、換言すれば格子150同士の間隔が広がるほど特性インピーダンスは高くなる傾向がある。例えば格子150の幅が約350nmで、格子150同士の間隔も同様に約350nmである場合、回折格子部101の特性インピーダンスは60[Ω]程度である。それに対し、格子150の幅を約100nmまで細くすると、格子150同士の間隔が約600nmとなり、その特性インピーダンスは90[Ω]程度まで増加する。一方、アンテナ部102の幅が約50μmである場合、アンテナ部102の特性インピーダンスは90[Ω]程度であるのに対し、アンテナ部102の幅を180μmまで太くすると、その特性インピーダンスは60[Ω]程度まで低下する。
The characteristic impedance tends to increase as the width of the grating 150 is reduced, in other words, the distance between the
このことから、アンテナ部102の電流反射係数Rが±5%以下となる条件を満たすためには、格子150の幅が350nmである場合は、アンテナ部102の幅が170μm以上290μm以下の範囲にすればよいことが分かる。また、格子150の幅を100nmまで細くした場合は、アンテナ部の幅が30μm以上70μm以下の範囲にすれば、アンテナ部102の電流反射係数Rを±5%以下にすることができる。このように、回折格子部101の格子150の幅及びアンテナ部102の幅を調整することにより電流反射係数Rを調整し、アンテナ部102の電流反射係数Rを±5%以下とすることができる。
Therefore, in order to satisfy the condition that the current reflection coefficient R of the
このような構成にすることにより、素子100を含む測定装置を用いて反射パルスの時間波形をフーリエ変換して求めた振幅スペクトルに光電流の反射波に由来する成分が混入する割合を低減できると考えられる。
By adopting such a configuration, it is possible to reduce the proportion of components derived from the reflected wave of the photocurrent mixed in the amplitude spectrum obtained by Fourier transforming the time waveform of the reflected pulse using the measuring device including the
なお、特性インピーダンスが異なる接触部を複数有する場合も本発明に含まれる。これを換言すると、回折格子部101とアンテナ部102とが接触しておらず、回折格子部101又はアンテナ部102と特性インピーダンスが異なる別の構造を介して、回折格子部101とアンテナ部102とが電気的に接続されている構成も本発明に含まれる。別の構造とは、例えば、回折格子部101とアンテナ部102との間に配置され、回折格子部101とアンテナ部102とを電気的に接続する接続部である。接続部の具体例として、格子150の幅をアンテナ部102に向かって拡張するための拡張部等がある。
Note that the present invention includes a case where a plurality of contact portions having different characteristic impedances are included. In other words, the
この場合、回折格子部101とアンテナ部102との間に複数の接触部が存在するため、それぞれの接触部においてインピーダンス不整合が発生し、反射波が発生する。そのため、各接触部における電流反射係数Rが上述の範囲に収まるように構成することが望ましい。すなわち、各接触部における電流反射係数Rが上述の範囲に収まるように構成されていれば、回折格子部101とアンテナ部102との間に、特性インピーダンスの異なる接触部を有する構成も、本発明に含まれる。このような構成についての詳細は、第二の実施形態にて説明する。
In this case, since there are a plurality of contact portions between the diffraction
回折格子部101の特性インピーダンスは、計算によって見積もることができる。回折格子部101の特性インピーダンスを計算する方法として、回折格子部101を一様な抵抗体と見なして計算する方法について説明する。具体的には、例えば、回折格子部101及びアンテナ部102のそれぞれは、テラヘルツ波の波長に対して十分に小さい構造体であると見なす。以後、回折格子部101及びアンテナ部102のそれぞれを抵抗体と想定して計算する方法について図8を参照して述べる。
The characteristic impedance of the
ここでは、例として、図8に示したような光伝導素子800について考える。光伝導素子800は、回折格子部801と、アンテナ部102と、を有する。回折格子部801の材料等は回折格子部101と同様である。回折格子部801は、回折格子部101中の格子150それぞれを抵抗体とみなし、それらが並列に複数配置された集中定数回路と見なすこともできる。
Here, as an example, a
回折格子部801の格子150の幅と、格子150同士の間隔との比は1:1であり、周期Lは700nmとする。回折格子部801は格子150の長さを3μm、厚さを100nm、格子150が5本周期的に配列されているとする。格子150の材料はAuとする。この時、格子150の抵抗率が分かれば、格子150が並列かつ複数本ある抵抗体とみなせ、それらの抵抗値から回折格子部801全体としての抵抗、すなわち特性インピーダンスを見積もる事が出来る。Auが100〜300nm程度の薄膜である場合には、その抵抗率は0.03Ω・μm程度である。すなわち、格子150の抵抗は2.57Ωとなり、回折格子部全体の抵抗は0.5Ω程度になる。また、アンテナ部102の厚さを300nm、幅を10μm、アンテナ部102の凸部の長さを20μmとした場合、アンテナ部102の抵抗値は、0.2Ω程度となる。
The ratio of the width of the grating 150 of the diffraction
このような計算結果に基づいて、接触部160における電流反射係数Rが±5%以下となるように回折格子部801やアンテナ部102の構造を決定する。また、計算結果と、回折格子部801及びアンテナ部102の特性インピーダンスを実際に測定した測定結果とに基づいて、回折格子部801やアンテナ部102構造を決定する方法も有効である。すなわち、素子100の設計には、必ずしも前述の伝送線路を想定した特性インピーダンスの計算方法を用いなくてもよく、回折格子部101を集中定数回路と見なした計算方法、又は実際に測定した測定結果等を用いることができる。
Based on such a calculation result, the structures of the diffraction
複数の電極103は、アンテナ部102間に電圧を印加、又はアンテナ部102間に流れる電流を測定するために、不図示の信号線を介して外部機器との接続を担う。信号線との電気接続にはワイヤーボンディング等で電極103に対して信号線としても用いる金属ワイヤーを溶融して接合することが多い。図1(a)には電極103が4つある例を示しているがギャップ部に電圧を印加する又はギャップ部の電流を検出できるように2つの電極103と信号線とが接続されていればよい。
The plurality of
回折格子部101とアンテナ部102とが、同一材料で且つ同一の厚みで形成されていると想定する。この場合、金属ワイヤー材料と回折格子部101やアンテナ部102との融点や熱伝導率が違ったり、表面の酸化等の要因により接合の相性が悪かったり、もしくは接合に必要な電極103の厚みが不足したりすることがある。そのような場合は、図1(c)のようにアンテナ部102の材料上に、不図示の信号線と接合しやすい材料を用いて接合に必要な厚みの電極103を形成することが望ましい。アンテナ部102と電極103との厚みの差により、ギャップ部で発生した光電流が電極103まで流れて反射波が起こることがある。そのため、ギャップ部の中心から電極103に到達するまでの光電流の伝搬距離(伝送線路長)が1.5mm以上となるように構成することが好ましい。その理由について説明する。
It is assumed that the
光速をc、光電流が発生してから電極103で反射波が発生しギャップに戻るまでの時間をt、光伝導層110と導電部112の構造及びテラヘルツ波の周波数で決定される実効比誘電率をεrとすると、伝送線路長dは(4)式で表される。
The effective relative dielectric constant determined by the speed of light c, the time from when the photocurrent is generated until the reflected wave is generated at the
ここで、例えば光伝導層110にLT−GaAsを用いた場合は、アンテナ部102の幅、厚み等の構造やテラヘルツ領域の周波数に依存するが少なくとも実効比誘電率εrは約9以上の値を取る。したがって、伝送線路長dが1.5mm以上とすれば、テラヘルツ波が発生もしくは検出されてから、電極103で発生した光電流の反射波がギャップ部に戻り、反射波が発生するもしくは検出されるまでの時間差が30ps以上となる。
Here, for example, when LT-GaAs is used for the
時間差が30ps以上となれば、THz−TDS装置で測定物の形態や物性を評価する場合に、時間波形上で十分に長い遅延時間である。例えば、伝送線路長dを1.5mmとした場合、テラヘルツ波が発生もしくは検出されてから、電極103で発生した光電流の反射波がギャップ部に戻り、反射波が発生するもしくは検出されるまでの時間差が30ps程度となる。よって、反射波を含んだ時間波形をフーリエ変換し周波数スペクトルを得たとしても、その共振周波数は15GHz付近であり、30GHz程度の周波数分解能であれば測定結果及び解析結果に影響を与えないと考えられる。
If the time difference is 30 ps or more, it is a sufficiently long delay time on the time waveform when the form and physical properties of the measurement object are evaluated by the THz-TDS apparatus. For example, when the transmission line length d is 1.5 mm, the reflected wave of the photocurrent generated at the
以上のことから、光電流の反射波は、回折格子部101の特性インピーダンスとアンテナ部102の特性インピーダンスとを整合させ、さらに電極103と回折格子部101との間の伝送線路長を測定結果に影響を与えない程度に長くすることにより低減できる。
From the above, the reflected wave of the photocurrent matches the characteristic impedance of the diffraction
以上、本実施形態の素子100によれば、回折格子部101とアンテナ部102の接触部における光電流の反射波を低減できる。その結果、素子100で発生したテラヘルツ波又は素子100で検出したテラヘルツ波の時間波形において、接触部における反射波の影響を低減して、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
As described above, according to the
(第2の実施形態)
第2の実施形態の光伝導素子200(以下、「素子200」と呼ぶ)について図2を参照して説明する。図2は、素子200の構成を説明する模式図である。第1の実施形態の素子100は、図1(a)に示す通り回折格子部101とアンテナ部102とが接触して配置されており、直接電気的に接続されている。それに対し、本実施形態の素子200の導電部212は、回折格子部101とアンテナ部102との間に接続部104を有する。すなわち、回折格子部101は、アンテナ部102とは接して配置されていない。なお、第1の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、第1の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
(Second Embodiment)
A photoconductive element 200 (hereinafter referred to as “
第1の実施形態のように回折格子部101とアンテナ部102とを接触して接続する構成では、回折格子部101及びアンテナ部102の構造を調節して光電流の反射波を軽減することが容易でない場合がある。そのような場合には、本実施形態のように、回折格子部101とアンテナ部102との間に接続部104のような別の構成を設けて、特性インピーダンスの異なる接続点を増やす。このような構成にすることで、インピーダンス不整合点を分散させ、各々の接続点における光電流の反射波を軽減することができる。
In the configuration in which the
接続部104は、線路幅を格子150の幅からアンテナ部102に向かって拡張する拡張部である。接続部104は、回折格子部101とアンテナ部102との間に配置されており、格子150の幅より大きく、アンテナ部102の幅より小さい範囲内で、線路幅を格子150からアンテナ部102に向かって複数回に分けて拡張する。
The
具体的には、接続部104は、複数の拡張部を有し、図2に示す通り、隣り合う2つの格子150が、格子150より幅の広い第1の拡張部と接して接続されている。さらに、隣り合う2つの第1の拡張部が、第1の拡張部よりさらに幅の広い第2の拡張部と接して接続されている。隣り合う2つの第2の拡張部は、第2の拡張部よりさらに幅の広い第3の拡張部と接して接続されている。第3の拡張部は、アンテナ部102と接するように配置することにより、接続部104は、最終的にアンテナ部102に接続されている。
Specifically, the connecting
このように、素子200は、接続部104を介して格子150とアンテナ部102とを電気的に接続する。そして、本実施形態の接続部104は、回折格子部101のインピーダンスからアンテナ部102のインピーダンスに近づくように、線路幅を複数の段階に分けて拡張する。
As described above, the
素子200の接続部104は、回折格子部101と接触する第1の接触部170、接続部104内で異なる線路幅の線路が接触する第2の接触部171と第3の接触部172、及び接続部104とアンテナ部102とが接触する第4の接触部173と、を有する。接続部104によって、複数回にわけて各格子150の線路幅を各格子150の幅から拡張し、最終的にアンテナ部102と接続することで、線幅が拡張する部分での特性インピーダンス不整合による光電流の反射波を分散する。その結果、各々の接触部170〜173における特性インピーダンス不整合による光電流の反射波の大きさ、すなわち接触部における電流反射係数を低減できる。
The
なお、回折格子部101、アンテナ部102の構造、及び接続部104の加工限界の線幅等の各種制約等によるが、接続部104における拡張回数1回あたりの拡張幅は可能な限り少なくした方がよい。具体的には、各接触部170〜173のそれぞれにおける電流反射係数が、±5%以下、より好ましくは±1%以下となるように、接続部104を構成することが望ましい。
Depending on the structure of the diffraction
ここで、素子200の具体的な構成の一例について説明する。素子200は、複数の接触部170〜173のそれぞれにおける電流反射係数が±5%以下となるように構成されている。
Here, an example of a specific configuration of the
素子200は、第1の実施形態と同様に、回折格子部101の厚みとアンテナ部102の厚みとは同一である場合を想定する。また、回折格子部101及びアンテナ部102は、裏面が接地されている500μmの厚さのGaAs基板上に配置されているとする。回折格子部101の格子150の周期Lは700nmで、複数の格子150のそれぞれ幅は350nmで固定とした。
The
この場合、回折格子部101の特性インピーダンスは約56[Ω]であった。接続部104のうち、第1の接触部170と第2の接触部171との間の部分(第1の拡張部)は、1400nm周期で600nm程度の幅を持つ周期構造とすると、特性インピーダンスは61[Ω]程度となる。また、接続部104の第2の接触部171と第3の接触部172との間の部分(第2の拡張部)は、2800nm周期で1000nm程度の幅を持つ周期構造とすると、特性インピーダンスは67[Ω]程度となる。さらに、接続部104の第3の接触部172と第4の接触部173との間の部分(第3の拡張部)は、5600nm周期で1600nm程度の幅を持つ周期構造とすると、特性インピーダンスは73[Ω]程度となる。
In this case, the characteristic impedance of the diffraction
よって、複数の接触部170〜173のそれぞれにおける電流反射係数を、すべて±5%以下にすることができる。また、アンテナ部102の幅を80μm〜140μmの範囲内とすることにより、その特性インピーダンスは65〜80[Ω]の範囲内となるので、アンテナ部102と接続部104との第4の接触部173における電流反射係数も±5%以下とすることができる。
Therefore, all of the current reflection coefficients in each of the plurality of
上述の第1の実施形態では、回折格子部101の周期を700nmで、格子150の幅を350nmとした場合、電流反射係数が±5%以下となるアンテナ部の幅は170μm〜290μmの範囲内であった。これに対して第二の実施形態では接続部104を設けることにより電流反射係数が±5%以下となるアンテナ部102の幅を80μm〜140μmの範囲内に縮小することができた。すなわち接続部104を設ける事により、回折格子部101の格子150の幅や、アンテナ部102の幅、厚み等の構造の自由度を向上することができる。
In the first embodiment described above, when the period of the diffraction
このような構成にすれば、接触部170〜173のそれぞれにおける特性インピーダンスの不整合を軽減し、光電流の反射波を低減できる。
With such a configuration, it is possible to reduce the mismatch of characteristic impedance in each of the
以上、本実施形態の素子200によれば、回折格子部101とアンテナ部102との接触部における光電流の反射波を低減できる。また、素子200で発生したテラヘルツ波パルス及び素子200で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
As described above, according to the
また、回折格子部101とアンテナ部102との間に接続部104を設けることにより、光電流の反射波をテーパー部105の領域内で分散することによって、各々の接触部における反射波の大きさ、すなわち電流反射係数をより低減することができる。さらに、回折格子部101の格子150の幅や、アンテナ部102の幅、厚み等の構造の自由度を向上することができる。
Further, by providing the connecting
(第3の実施形態)
第3の実施形態の光伝導素子300(以下、「素子300」と呼ぶ)について図3を参照して説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図3(a)は素子300の構成を説明する図で、図3(b)は図3(a)のA−A断面図、図3(c)は図3(a)の回折格子部101付近の拡大図である。
(Third embodiment)
A photoconductive element 300 (hereinafter referred to as “
図3(b)及び図3(c)に示す通り、素子300の導電部312は、回折格子部101とアンテナ部102との間に、接続部としてのテーパー部105を更に有する。回折格子部101とアンテナ部102とは、テーパー部105を介して電気的に接続されている。その他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
As shown in FIGS. 3B and 3C, the conductive portion 312 of the
テーパー部105は、線路幅を格子150の幅からアンテナ部102に向かって拡張する拡張部である。テーパー部105は、回折格子部101からアンテナ部102に向けて、厚み及び幅が徐々に大きくなるように構成されたテーパー構造である。テーパー部105は、回折格子部101とアンテナ部102との間に配置されている。そのため、テーパー部105は、回折格子部101との接触部180と、アンテナ部102との接触部181とを有する。テーパー部105内における特性インピーダンスが連続的に変化する。
The
この場合、アンテナ部102の電流反射係数(アンテナ部102とテーパー部105との界面における電流反射係数)が±5%以下、より望ましくは±1%以下となるように構成する。また、テーパー部105の電流反射係数(テーパー部105と回折格子部101との界面における電流反射係数)が、±5%以下、より望ましくは±1%以下となるように構成する。
In this case, the current reflection coefficient of the antenna portion 102 (current reflection coefficient at the interface between the
テーパー部105における光電流の反射波は、上述の第1、第2の実施形態のように厚みや幅が階段状となっている場合よりも、インピーダンス不整合による光電流の反射波をテーパー部105全体に分散する事ができる。すなわち、テーパー部105はインピーダンスが異なる無数の伝送線路が電気的に接続されていると見なすことができる。よって回折格子部101からアンテナ部102までの間に発生する光電流の反射波をテーパー部105の領域内で分散することによって、各々の接続面における反射波の大きさ、すなわち電流反射係数をより低減することができる。なお、厚み方向および幅方向のテーパー部の傾斜は可能な限り緩くした方が良く、望ましくは1°〜45°の範囲内がよいがこの範囲に限られるものではない。
The reflected wave of the photocurrent in the
以上、素子300によれば、回折格子部101とアンテナ部102との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そして、素子300で発生したテラヘルツ波パルス及び素子300で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
As described above, according to the
また、テーパー構造を有するテーパー部を接続部として用いることにより、光電流の反射波をテーパー部105の領域内で分散することによって、各々の接触部における反射波の大きさ、すなわち電流反射係数をより低減することができる。さらに、第2の実施形態と同様に、回折格子部101の格子150の幅や、アンテナ部102の幅、厚み等の構造の自由度を向上することができる。
In addition, by using a tapered portion having a tapered structure as a connection portion, the reflected wave of the photocurrent is dispersed in the region of the tapered
(第4の実施形態)
第4の実施形態の光伝導素子400(以下、「素子400」と呼ぶ)について、図4を参照して説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図4は、素子400の構成を説明する図である。素子400の導電部412は、アンテナ部402の一部が円弧形状となっている円弧部106を有する。その他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
(Fourth embodiment)
A photoconductive element 400 (hereinafter referred to as “
電極103をアンテナ間ギャップ部の中心から1.5mm以上遠ざける場合、図1(a)や図3(a)のように、アンテナ部102及び電極103は長方形とするのが最も単純な構成である。この場合、長方形の長辺部分の長さが光伝導素子の小型化の妨げとなる恐れがある。また、アンテナ部102と電極103との間に直角等の角度がついた部分があるため、角度のついた部分において光電流の反射波が発生し、テラヘルツ波の共振や検出電流の損失等を誘発するおそれがある。素子400は、円弧部106を有することにより、角度がついた部分を有さないアンテナ部402を形成し、同時にアンテナ部402によって素子400の小型化を実現している。
When the
この場合でも、第1の実施形態と同様にアンテナ間ギャップ部から電極103までの光電流の伝搬長(伝送線路長)が1.5mm以上となることが好ましい。なお、円弧部106の曲率半径は、アンテナ部402の長辺部分における幅以上であれば良く、数μm〜数mm程度の範囲で形成可能である。また、円弧部106は一つの電極103から回折格子部101までの間に複数あってもよい。
Even in this case, similarly to the first embodiment, it is preferable that the propagation length (transmission line length) of the photocurrent from the gap portion between the antennas to the
以上、素子400によれば、回折格子部101とアンテナ部402との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そして、素子400で発生したテラヘルツ波パルス及び素子400で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。また、アンテナ部102の一部に円弧部106を形成することにより、素子400は、伝送線路長を1.5mm以上にしながら素子400を小型化できる。
As described above, according to the
(第5の実施形態)
第5の実施形態の光伝導素子500(以下、「素子500」と呼ぶ)について、図5を参照して説明する。図5は、素子500の構成を説明する断面図である。本実施形態の素子500は、第1の実施形態における基板111としてSi基板511を用いており、さらに格子整合層501を有する構成である。その他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
(Fifth embodiment)
A photoconductive element 500 (hereinafter referred to as “
第1の実施形態の素子100において、発生したテラヘルツ波を基板111側に放射、もしくは基板111側からテラヘルツ波を検出する場合、基板111におけるテラヘルツ波のフォノン吸収によって帯域が制限される。よって、本実施形態では、基板111として、テラヘルツ波の周波数領域にフォノン吸収がないSi基板511を用いる。
In the
光伝導層110は、まず光伝導層110と格子整合するような格子整合層501をSi基板511上に形成した後に、格子整合層501上に形成される。例えば光伝導層110にLT−GaAsを用いた場合、格子整合層501はAlGaAs又はAlAs、GaAs、Geを含む層で形成する。このような構成にすることにより、Si基板511と光伝導層110との格子不整合を吸収できる。なお、格子整合層501には、Si基板511よりも高抵抗な材料を用いることが望ましい。
The
以上、素子500によれば、回折格子部101とアンテナ部102との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そして、素子500で発生したテラヘルツ波パルス及び素子500で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。また、基板111と光伝導層110との間に格子整合層501を形成することにより、テラヘルツ波の周波数領域にフォノン吸収がないような基板111を適用できる。
As described above, according to the
(第6の実施形態)
第6の実施形態として、第1の実施形態の素子100の製造方法について、図6を参照して説明する。図6は、素子100の製造方法を示すフローチャートである。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施形態では、導電部112が有する回折格子部101、アンテナ部102、電極103を一括で露光して作製する方法を説明する。
(Sixth embodiment)
As a sixth embodiment, a method for manufacturing the
光伝導層110として第5の実施形態で示したようなSi基板上に形成したLT−GaAsを選択し、回折格子部101、アンテナ部102、電極103の材料としてAuを選択した。また反射防止膜としてSiO2を選択し、励起光波長は1.55μmとし、LT−GaAsにおけるキャリア励起方法は多光子吸収である。
LT-GaAs formed on the Si substrate as shown in the fifth embodiment was selected as the
非線形光学効果の一種である多光子吸収によるキャリア発生効率は、光伝導層110内に発生する電界の2乗に比例する。よって、表面プラズモン共鳴による電界増強効果や回折による電界集中効果によるキャリア発生効率向上の効果は、1光子吸収に比べて多光子吸収の場合により大きい。
Carrier generation efficiency due to multiphoton absorption, which is a kind of nonlinear optical effect, is proportional to the square of the electric field generated in the
励起光波長1.55μmにおいて、ドルーデモデルよりAuの誘電率は−135、LT−GaAsの誘電率は11.4となる。その場合、回折格子部101と接するLT−GaAs等の材料の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率の実部εpを計算すると6程度であった。さらに(2)式より回折格子部101の周期Lの計算を行うとm=1の時、約700nmであった。また、回折格子部101の厚さは反射防止膜SiO2の屈折率を考慮して約100nmとした。
At a pumping light wavelength of 1.55 μm, the dielectric constant of Au is −135 and the dielectric constant of LT-GaAs is 11.4 from the Drude model. In this case, the real part ε p of the effective complex dielectric constant determined by the area of the material such as LT-GaAs in contact with the diffraction
図6のフローチャートを元に、素子100の製造方法を説明する。まず始めに、光伝導層110としてのLT−GaAsと、回折格子部101、アンテナ部102及び電極103としてのAuと、の密着性を上げるために、LT−GaAs上にチタン(Ti)膜を5nm成膜する(S601)。Ti膜成膜後、Ti膜上にAuを含むAu層を100nm成膜した(S602)。成膜方法はEB蒸着やスパッタ法等がある。Ti膜は1.55μmにおいて正の誘電率を取るが、Au層に対して存在比は低い。したがって回折格子部101全体としては、負の誘電率でかつ、その絶対値は実効的複素誘電率の実部εpよりも高いので、表面プラズモン共鳴を励起できる。
A method for manufacturing the
さらに、Au層をエッチングする際にマスク材として用いるSiNを含むSiN層を、プラズマCVD法を用いてAu層上に成膜する(S603)。SiN層の他、SiO2又はNi、Cr等のメタルマスクを用いてもよい。その後、レジストを塗布し(S604)、露光する(S605)。露光は、電子線露光装置の他、i線ステッパーやKrFステッパー等、300nm程度の微細な線幅を露光可能であればよい。露光後、現像してレジストパターンを形成後(S606)、SiN層をドライエッチングする(S607)。この時、SiN層のエッチングガスはレジストやAuとの選択比が高いCF系のガスがよい。また、エッチングの異方性を上げるためにエッチング中の圧力は可能な範囲で下げることが望ましい。SiN層のエッチングが終了したら次はレジストをO2でアッシングして除去する(S608)。 Further, a SiN layer containing SiN used as a mask material when etching the Au layer is formed on the Au layer by using a plasma CVD method (S603). In addition to the SiN layer, a metal mask such as SiO 2, Ni, or Cr may be used. Thereafter, a resist is applied (S604) and exposed (S605). The exposure is not limited to an electron beam exposure apparatus, but may be an exposure of a fine line width of about 300 nm, such as an i-line stepper or a KrF stepper. After exposure, development is performed to form a resist pattern (S606), and then the SiN layer is dry-etched (S607). At this time, the etching gas for the SiN layer is preferably a CF-based gas having a high selectivity with respect to the resist or Au. In order to increase the anisotropy of etching, it is desirable to reduce the pressure during etching as much as possible. When the etching of the SiN layer is completed, the resist is removed by ashing with O 2 (S608).
次に、SiN層をマスクとしてAu層およびTi膜をエッチングする(S609)。エッチングガスはアルゴン(Ar)や、Arと塩素(Cl2)の混合ガスを用いる。その後、回折格子部101であるTi膜およびAu層のマスクとなっているSiN層をドライエッチングする(S610)。最後に、アンテナ間ギャップ部分にSiO2をスパッタし反射防止膜を形成する(S611)。
Next, the Au layer and the Ti film are etched using the SiN layer as a mask (S609). As an etching gas, argon (Ar) or a mixed gas of Ar and chlorine (Cl 2 ) is used. Thereafter, the Ti film which is the diffraction
このような製造方法にすることにより、素子100を製造することができる。さらには、製造コストを抑えるために、アンテナ部102と回折格子部101とが、同じ材料で同じ厚さに形成されていることが望ましい。そのためには、回折格子部101とアンテナ部102とをフォトリソグラフィ工程等を通して一括で作製するのが望ましい。また、第2、第3の実施形態のように回折格子部101とアンテナ部102の間に接続部104やテーパー部105等のような接続部を設けた素子200や素子300も一括で作製しても良い。本実施形態の製造方法によれば、回折格子部101、アンテナ部102及び電極103を一括で作製することができる。
By using such a manufacturing method, the
(第7の実施形態)
第7の実施形態では、上述の各実施形態に記載の光伝導素子のいずれかを用いた測定装置700(以下、「装置700」と呼ぶ)について、図7を参照して説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図7は、装置700の構成を説明するための模式図である。装置700は、THz−TDS法を用いてテラヘルツ波パルスの時間波形を取得するTHz−TDS装置である。THz−TDS装置自体は、従来から知られているものと基本的に同様なので、概要のみを説明する。
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, a measurement apparatus 700 (hereinafter referred to as “
装置700は、励起光としての超短パルス光を出力する光源701と、ビームスプリッタ702と、遅延部705と、レンズ706、707と、発生部710と、検出部711とを有している。光源701からの励起光は、ビームスプリッタ702でポンプ光703とプローブ光704とに分岐される。ポンプ光703は、レンズ706を介して発生部710に入射する。プローブ光704は、遅延部705とレンズ707とを介して検出部711に入射する。本実施形態においては、光源701として1.5μm帯のフェムト秒パルス光を出力するファイバ型レーザを用いた。
The
発生部710はポンプ光が入射することによりテラヘルツ波パルスを発生する。検出部711は、テラヘルツ波パルスとプローブ光とが入射することによりテラヘルツ波パルスを検出する。本実施形態では、発生部710及び検出部711の少なくとも一方に、第1〜第5の実施形態の光伝導素子のいずれかを用いる。ここでは、発生部710及び検出部711の両方に素子500を用いる場合を説明する。発生部710及び検出部711のそれぞれにおいて、光伝導層110はLT−GaAsを用いることができ、多光子吸収効果によりキャリアを発生させることができる。
The
発生部710から発生したテラヘルツ波パルスは、測定物708に導かれて測定物708で反射する。反射したテラヘルツ波パルスは、検出部711で検出される。測定物708で反射したテラヘルツ波パルスは、測定物708の吸収スペクトルなどの情報を含んでいる。遅延部705は、プローブ光704の光路長を変化させる光学遅延系で、遅延部705を動かすことによってポンプ光703とプローブ光704との光路長差を調整する。これによって、検出部711におけるテラヘルツ波パルスを検出するタイミングを制御できる。検出部711の検出結果を用いれば、テラヘルツ波パルスの時間波形を取得できる。
The terahertz wave pulse generated from the
なお、本実施形態では、測定物708で反射したテラヘルツ波パルスを検出しているが、測定物708を透過したテラヘルツ波パルスを検出部711で検出する構成としてもよい。
In the present embodiment, the terahertz wave pulse reflected by the
以上、装置700は、発生部710及び検出部711の少なくとも一方に、第1〜第5の実施形態の光伝導素子のいずれかを用いている。各実施形態の光伝導素子は、回折格子部とアンテナ部との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そのため、装置700は、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを用いて測定を行うことが可能となり、測定精度を向上できる。
As described above, the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
例えば、第2の実施形態と第3の実施形態に示した異なる接続部を組み合わせて使用することも可能である。その場合でも、特性インピーダンスが不整合な接触部における電流反射係数を±5%以下、より好ましくは±1%以下とすればよい。 For example, it is possible to use a combination of the different connecting portions shown in the second embodiment and the third embodiment. Even in such a case, the current reflection coefficient at the contact portion where the characteristic impedance is mismatched may be ± 5% or less, more preferably ± 1% or less.
100 光伝導素子
101 回折格子部
102 アンテナ部
103 電極
110 光伝導層
112 導電部
150 格子
160 接触部
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、
前記複数の導電部のそれぞれは、
電極と、
前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、
前記アンテナ部と接触しており、周期的に配置されている複数の格子を含む回折格子部と、を有し、
前記複数の導電部は、前記複数の導電部それぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、
前記アンテナ部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±5%以下である
ことを特徴とする光伝導素子。 A photoconductive layer;
A plurality of conductive portions disposed on the photoconductive layer,
Each of the plurality of conductive parts is
Electrodes,
An antenna portion electrically connected to the electrode;
A diffraction grating part that is in contact with the antenna part and includes a plurality of gratings periodically arranged;
The plurality of conductive portions are arranged to face each other with a gap between the diffraction grating portions of the plurality of conductive portions,
A photoconductive element, wherein a current reflection coefficient at a contact portion between the antenna portion and the diffraction grating portion is ± 5% or less.
ことを特徴とする請求項1に記載の光伝導素子。 2. The photoconductive element according to claim 1, wherein the current reflection coefficient at a contact portion between the antenna portion and the diffraction grating portion is ± 1% or less.
前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、
前記複数の導電部のそれぞれは、
電極と、
前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、
周期的に配置されている複数の格子を有する回折格子部と、
前記アンテナ部と前記回折格子部との間に配置されており、前記回折格子部と接触している接続部と、を有し、
前記複数の導電部は、前記複数の導電部のそれぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、
前記接続部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±5%以下である
ことを特徴とする光伝導素子。 A photoconductive layer;
A plurality of conductive portions disposed on the photoconductive layer,
Each of the plurality of conductive parts is
Electrodes,
An antenna portion electrically connected to the electrode;
A diffraction grating portion having a plurality of gratings arranged periodically;
A connecting portion disposed between the antenna portion and the diffraction grating portion, and in contact with the diffraction grating portion;
The plurality of conductive portions are arranged to face each other with a gap between the diffraction grating portions of the plurality of conductive portions,
The photoconductive element according to claim 1, wherein a current reflection coefficient at a contact portion between the connection portion and the diffraction grating portion is ± 5% or less.
ことを特徴とする請求項3に記載の光伝導素子。 The photoconductive element according to claim 3, wherein the current reflection coefficient at a contact portion between the connection portion and the diffraction grating portion is ± 1% or less.
前記第1の拡張部と接しており、前記第1の拡張部の幅よりも大きい幅を有する第2の拡張部と、を有し、
前記第2の拡張部と前記第1の拡張部との接触部での電流反射係数は、±5%以下である請求項3から6のいずれか一項に記載の光伝導素子。 The connecting portion is in contact with a part of the plurality of lattices, and has a first extension portion having a width larger than the width of each of the plurality of lattices;
A second extension part in contact with the first extension part and having a width larger than the width of the first extension part,
The photoconductive element according to claim 3, wherein a current reflection coefficient at a contact portion between the second extension portion and the first extension portion is ± 5% or less.
ことを特徴とする請求項3から6のいずれか一項に記載の光伝導素子。 The photoconductive element according to claim 3, wherein the connection portion has a tapered portion whose width increases from the diffraction grating portion toward the antenna portion.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光伝導素子。 3. The photoconductive element according to claim 1, wherein a propagation distance of a photocurrent propagating between the center of the gap and the electrode is 1.5 mm or more.
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の光伝導素子。 10. The photoconductive element according to claim 1, wherein a thickness of the diffraction grating portion is the same as a thickness of the antenna portion.
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の光伝導素子。 11. The photoconductive element according to claim 1, wherein a thickness of the diffraction grating portion is 1/3 or less of a wavelength of the light.
を満たす
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載の光伝導素子。 The period L in which the plurality of gratings are arranged is that the speed of light is c, the wavelength of light is λ, the angular frequency of light is ω, the incident angle of light is θ, and the dielectric of the diffraction grating portion at the wavelength of light. When the real part of the rate is ε g , the real part of the effective complex dielectric constant determined by the area of the substance in contact with the diffraction grating part and the complex dielectric constant is ε p , and an arbitrary integer is m,
The photoconductive element according to claim 1, wherein:
測定物を透過した又は前記測定物で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、を有し、
前記発生部と前記検出部との少なくとも一方は、請求項1から8のいずれか一項に記載の光伝導素子である
ことを特徴とする測定装置。 A generator that generates a terahertz wave pulse by the incidence of light;
Detecting a terahertz wave that has passed through the measurement object or reflected by the measurement object, and
At least one of the said generation | occurrence | production part and the said detection part is a photoconductive element as described in any one of Claim 1 to 8, The measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
光伝導層を形成する工程と、
前記光伝導層上に、第1の層と第2の層と第3の層とを形成する工程と、
前記第1の層をレジストとして前記第2の層をエッチングする工程と、
前記第1の層を除去するする工程と、
前記第2の層をレジストとして前記第3の層のエッチングを行うことにより、アンテナ部と回折格子部とを形成する工程と、を有する
ことを特徴とする製造方法。 A method for producing a photoconductive element, comprising:
Forming a photoconductive layer;
Forming a first layer, a second layer, and a third layer on the photoconductive layer;
Etching the second layer using the first layer as a resist;
Removing the first layer;
Forming the antenna portion and the diffraction grating portion by etching the third layer using the second layer as a resist.
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JP2019207207A (en) * | 2018-05-30 | 2019-12-05 | 国立大学法人東京工業大学 | Refractive index measuring device, nano antenna fitting board, refractive index measurement method, and program |
KR20210033698A (en) * | 2019-09-19 | 2021-03-29 | 한국전력공사 | Large caliber array type terahertz photoconductive antenna |
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2016
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JP2019207207A (en) * | 2018-05-30 | 2019-12-05 | 国立大学法人東京工業大学 | Refractive index measuring device, nano antenna fitting board, refractive index measurement method, and program |
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