JP3271589B2 - Ultra high frequency oscillator and ultra high frequency oscillator using the same - Google Patents

Ultra high frequency oscillator and ultra high frequency oscillator using the same

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JP3271589B2
JP3271589B2 JP21282498A JP21282498A JP3271589B2 JP 3271589 B2 JP3271589 B2 JP 3271589B2 JP 21282498 A JP21282498 A JP 21282498A JP 21282498 A JP21282498 A JP 21282498A JP 3271589 B2 JP3271589 B2 JP 3271589B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンド膜を
用いた超高周波発振素子およびそれを用いた装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultra-high frequency oscillator using a diamond film and an apparatus using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体材料や2次非線形光学材料からな
る超高周波発振素子に超短光パルスを照射することによ
り、光パルスの包落線成分のフーリエ成分に対応したTH
z電磁波が放出される。THz電磁波は分光分析、気体の分
析、イメージングなどに適用する事ができ、近年その周
波数帯の使用が注目されている。
2. Description of the Related Art By irradiating an ultrashort optical pulse to an ultrahigh-frequency oscillator made of a semiconductor material or a second-order nonlinear optical material, a TH corresponding to the Fourier component of the envelope component of the optical pulse is obtained.
z Electromagnetic waves are emitted. THz electromagnetic waves can be applied to spectroscopic analysis, gas analysis, imaging, and the like.

【0003】超高周波発振素子からのTHz電磁波の発生
は、光励起電流の時間変化により電極のダイポールが変
化することにより説明されている。つまりTHz波の発生
には光励起電流をすばやく発生させ、それをすばやく消
滅させる必要がある。このためキャリアを発生させるに
は、より短いパルス幅の励起光を照射した方が有利とな
る。なぜなら照射されている時間だけ、キャリアの発生
が継続するからである。また電磁波放射強度を上げるた
めには電極に印加する電界強度を上げる必要があり、材
料には高耐圧性が求められている。
The generation of a THz electromagnetic wave from an ultrahigh frequency oscillation element has been explained by the fact that the dipole of the electrode changes due to the time change of the photoexcitation current. That is, to generate a THz wave, it is necessary to quickly generate a photo-excitation current and quickly extinguish it. Therefore, in order to generate carriers, it is more advantageous to irradiate with excitation light having a shorter pulse width. This is because carrier generation continues for the irradiation time. Further, in order to increase the intensity of electromagnetic wave radiation, it is necessary to increase the intensity of the electric field applied to the electrodes, and the material is required to have high withstand voltage.

【0004】従来、この種のTHz素子は例えば「199
7年10月、アプライド・フィジックス・レター、第7
1巻、第16号(APPLIED PHYSICS LETTER, VOL.71, N
O.16,OCTOBER,1997)」 に示されるように、MgO上に超
伝導物質であるYBCOを成膜し、このYBCOをダイポール型
アンテナに成形後、チタンサファイアレーザーを照射し
ている。この方法では超伝導電流の高速な減少と回復を
利用してTHz波を放射している。
Conventionally, this type of THz element is described in, for example, "199
October 1995, Applied Physics Letter, No. 7
Volume 1, Issue 16 (APPLIED PHYSICS LETTER, VOL.71, N
O.16, OCTOBER, 1997) ”, a superconducting material, YBCO, was formed on MgO, and this YBCO was shaped into a dipole antenna, and then irradiated with a titanium sapphire laser. In this method, THz waves are radiated by utilizing fast reduction and recovery of superconducting current.

【0005】また「1997年3月、ジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第36
巻、第3B号(JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
VOL.36, NO.3B, MARCH,1997)」に示されるように
キャリアの走行距離を短くするために、トンネル顕微鏡
や原子間力顕微鏡を使いキャリアの発生する部分の間隔
を数10nmとする方法がとられている。この方法はGaAs基
板の上に電極となるTiを形成し、原子間力顕微鏡によっ
てTiを酸化し、光キャリアの発生する部分を形成してい
る。原子間力顕微鏡で作られるTi酸化物の幅は数10nmと
狭いため、光キャリアの走行距離を短くする事ができ、
これによりTHz波の放出が行われている。
[0005] Also, March 1997, Japanese Journal of Applied Physics, 36th edition.
Vol.3B (JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS
VOL.36, NO.3B, MARCH, 1997), in order to shorten the traveling distance of the carrier, use a tunnel microscope or an atomic force microscope and set the interval between the parts where the carrier is generated to several tens nm. Has been taken. In this method, Ti serving as an electrode is formed on a GaAs substrate, and the Ti is oxidized by an atomic force microscope to form a portion where photocarriers are generated. Since the width of Ti oxide made with an atomic force microscope is as narrow as several tens of nanometers, the traveling distance of photocarriers can be shortened.
As a result, THz waves are emitted.

【0006】また「1997年9月、応用物理、第66
巻、第9号」に示されるように、電場中にサンプルをお
きTHz波を放出させることにより、高輝度のTHz放出に成
功している。
Also, "September 1997, Applied Physics, No. 66
As shown in Vol. 9, No. 9, a sample is placed in an electric field to emit THz waves, thereby successfully emitting THz with high brightness.

【0007】近年、耐圧が最も大きいダイヤモンドを用
いた素子も開発されていて「1986年1月、アイ・イ
ー・イー・イー・ジャーナル・オブ・カンタム・エレク
トロニクス、第QE−10巻、第1号(IEEE JOURNAL OF
QUANTUM ELECTRONICS, VOL.QE-22, NO.1, JANUARY,198
6)」に示されるように、単結晶ダイヤモンドに超高周
波発振素子を作製し、励起光としてpsパルスが発生可能
なNd:YAGレーザーを用いて全半値幅約400psのパルス波
形を得ている。
In recent years, an element using a diamond having the highest withstand voltage has been developed. (IEEE JOURNAL OF
QUANTUM ELECTRONICS, VOL.QE-22, NO.1, JANUARY, 198
As shown in “6),” a super-high-frequency oscillation element was fabricated on single crystal diamond, and a pulse waveform with a full width at half maximum of about 400 ps was obtained using an Nd: YAG laser capable of generating a ps pulse as excitation light.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来技術は、以下のような問題点を有していた。
However, the above-mentioned prior art has the following problems.

【0009】超伝導物質を用いた超高周波発振素子は、
THz発生のためには素子のほかに特殊な装置が必要にな
ることが問題となる。この種の素子において高強度THz
波を発生するためには、超伝導物質を用いるためサンプ
ルを冷却したり、磁場印加の為のマグネットを設置する
必要があるからである。
[0009] An ultra-high frequency oscillation element using a superconducting material,
A problem is that a special device is required in addition to the element for generating THz. High strength THz in this type of element
This is because, in order to generate a wave, it is necessary to cool the sample to use a superconducting substance or to install a magnet for applying a magnetic field.

【0010】GaAs等の半導体材料を用いた超高周波
発振素子においては、素子を作製するために特殊な微細
加工技術を要することが問題となる。光キャリアの走行
距離を短くするために電極間の間隔を短くする必要があ
り、これには従来行われているようなリソグラフ技術で
はなく、原子間力顕微鏡やトンネル顕微鏡を使った加工
法が必要となる。この原子間力顕微鏡やトンネル顕微鏡
による加工は操作が複雑な上、同時に広い範囲の加工を
行うことが困難であり、この点で改善の余地を有してい
る。
In the case of an ultra-high frequency oscillation element using a semiconductor material such as GaAs, a problem arises in that a special fine processing technique is required to manufacture the element. It is necessary to shorten the distance between the electrodes in order to shorten the travel distance of the optical carrier, which requires a processing method using an atomic force microscope or a tunnel microscope instead of the conventional lithographic technology Becomes The processing by the atomic force microscope or the tunnel microscope is complicated in operation, and at the same time, it is difficult to perform a wide range of processing. In this respect, there is room for improvement.

【0011】また単結晶ダイヤモンドを用いた超高周波
発振素子においては、キャリア寿命が長く、高効率の素
子を得ることは困難であり、特に高周波数のTHz波を得
ることはきわめて困難であった。単結晶ダイヤモンド中
には再結合中心が充分に存在しないためである。また、
単結晶ダイヤモンドはバンドギャップが広いため使用す
るレーザーはこのバンドギャップのエネルギーより高い
エネルギーを持つ必要がある。フェムト秒レーザーのよ
うなパルス幅の狭いレーザーは波長が長く単結晶ダイヤ
モンドのバンドギャップエネルギーより小さいため使用
することができなかった。
In the case of an ultra-high frequency oscillator using single crystal diamond, the carrier lifetime is long and it is difficult to obtain an element with high efficiency, and in particular, it is extremely difficult to obtain a high frequency THz wave. This is because there are not enough recombination centers in single crystal diamond. Also,
Since single crystal diamond has a wide band gap, the laser used needs to have energy higher than the energy of this band gap. A laser with a narrow pulse width, such as a femtosecond laser, has a long wavelength and cannot be used because it is smaller than the band gap energy of single crystal diamond.

【0012】また、上述した従来の超高周波発振素子は
絶縁耐圧特性が充分でなく、電極間に高電圧を印加した
際、リーク電流の増加あるいは絶縁破壊のため素子が正
常に機能しなくなることがあった。したがって、充分に
高強度のTHz波を発生させることは困難であり、この点
で改善の余地を有していた。
Also, the above-mentioned conventional ultrahigh frequency oscillation element has insufficient withstand voltage characteristics, and when a high voltage is applied between the electrodes, the element may not function properly due to an increase in leakage current or dielectric breakdown. there were. Therefore, it is difficult to generate sufficiently high-intensity THz waves, and there is room for improvement in this respect.

【0013】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、高強度、かつ高周波数のTHz波を発生させること
のできる超高周波発振素子、および超高周波発振装置を
提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an ultrahigh frequency oscillation element and an ultrahigh frequency oscillation device capable of generating a high-intensity and high-frequency THz wave. .

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、基体
と、該基体の上に設けられたダイヤモンド膜と、該ダイ
ヤモンド膜上に離間して設けられた少なくとも一対の電
極とを有し、前記ダイヤモンド膜中の光照射箇所に励起
光を照射して電磁波を発生させる超高周波発振素子にお
いて、前記ダイヤモンド膜中の光照射箇所が、多結晶ダ
イヤモンドからなることを特徴とする超高周波発振素子
が提供される。
According to the present invention, there is provided a substrate, a diamond film provided on the substrate, and at least one pair of electrodes provided separately on the diamond film. An ultra-high frequency oscillation element that irradiates excitation light to a light irradiation location in the diamond film to generate an electromagnetic wave, wherein the light irradiation location in the diamond film is made of polycrystalline diamond. Provided.

【0015】また本発明によれば、励起光を発する光源
と、該励起光が照射される超高周波発振素子と、該超高
周波発振素子に備えられた電極に電圧を印加する手段と
を有する超高周波発振装置において、前記超高周波発振
素子を、上述の本発明の超高周波発振素子としたことを
特徴とする超高周波発振装置が提供される。
Further, according to the present invention, there is provided an ultra-high-frequency oscillator having a light source for emitting excitation light, an ultra-high frequency oscillation element irradiated with the excitation light, and a means for applying a voltage to an electrode provided on the ultra-high frequency oscillation element. In the high-frequency oscillator, there is provided an ultra-high-frequency oscillator, wherein the ultra-high-frequency oscillator is the above-described ultra-high-frequency oscillator of the present invention.

【0016】上記超高周波発振素子は、ダイヤモンド膜
上に一対の電極を離間して設け、この間に電圧を印加さ
せつつ、パルスレーザ等の励起光を照射することにより
電磁波を発生させるものである。ダイヤモンド膜中の光
照射箇所は、たとえば上記一対の電極の間に挟まれたギ
ャップ部分とするが、ダイヤモンド膜の全面を光照射箇
所としてもよい。本発明においては、このパルスレーザ
照射箇所を多結晶ダイヤモンドにより構成している。ダ
イヤモンド結晶は他の半導体材料と比較し絶縁耐圧が高
いため、電極間に高電圧を印加することができ、励起光
照射の際、高輝度の高周波電磁波を放射することができ
る。
The ultra-high frequency oscillation element is a device in which a pair of electrodes are provided on a diamond film at a distance, and an electromagnetic wave is generated by irradiating excitation light such as a pulse laser while applying a voltage between the electrodes. The light irradiation location in the diamond film is, for example, a gap portion sandwiched between the pair of electrodes, but the entire surface of the diamond film may be the light irradiation location. In the present invention, the irradiated portion of the pulse laser is made of polycrystalline diamond. Since a diamond crystal has a higher dielectric strength than other semiconductor materials, a high voltage can be applied between the electrodes, and a high-luminance high-frequency electromagnetic wave can be emitted when excitation light is irradiated.

【0017】また本発明の超高周波発振素子は、結晶粒
の密度を一定値以上としているため粒界の数が従来の素
子よりも増加している。このため再結合中心が増加し、
発生したキャリアをすばやく消滅させることができる。
Further, in the ultrahigh frequency oscillation element of the present invention, since the density of crystal grains is set to a certain value or more, the number of grain boundaries is increased as compared with the conventional element. This increases the recombination centers,
Generated carriers can be quickly eliminated.

【0018】さらに本発明の超高周波発振素子は、素子
を構成する多結晶ダイヤモンドの結晶粒の密度を一定値
以上とし、禁制帯内に意図的に粒界の影響による準位を
形成している。この準位を利用することにより、波長が
比較的長い励起光を用いることが可能となる。たとえば
従来技術では波長が長すぎて使うことのできなかったフ
ェムト秒レーザを、本発明の超高周波発振素子の励起光
として使用することができる。
Further, in the ultrahigh frequency oscillation element of the present invention, the density of the crystal grains of the polycrystalline diamond constituting the element is set to a certain value or more, and a level due to the influence of the grain boundary is intentionally formed in the forbidden band. . By utilizing this level, it is possible to use excitation light having a relatively long wavelength. For example, a femtosecond laser whose wavelength was too long to be used in the prior art can be used as excitation light for the ultrahigh frequency oscillation device of the present invention.

【0019】以下、本発明の超高周波発振素子の構成お
よび作用について、さらに詳細に説明する。
Hereinafter, the configuration and operation of the ultrahigh frequency oscillation device of the present invention will be described in more detail.

【0020】超高周波発振素子を高速動作させるために
は励起光によって発生した光キャリアを再結合中心によ
ってすばやく消滅させる必要がある。このため再結合中
心を多く導入し、電極間の距離を極力短くする必要があ
る。また高出力動作させるためには電極間にできるだけ
高い電圧を印加する必要があり、このため素子の構成材
料には高い絶縁性が求められる。もしこの絶縁性が低い
と高電圧を印加した際、リーク電流が多くなり信号のS/
Nが悪化したり、絶縁破壊を起こし素子としては動作し
なくなってしまう。つまり高速・高出力を実現するため
には材料の絶縁耐圧性が高く光キャリアの再結合中心が
多く存在することが重要である。
In order to operate the ultrahigh frequency oscillator at a high speed, it is necessary to quickly extinguish the optical carriers generated by the excitation light by the recombination center. For this reason, it is necessary to introduce a large number of recombination centers and minimize the distance between the electrodes. In addition, in order to perform a high output operation, it is necessary to apply a voltage as high as possible between the electrodes, and therefore, a high insulating property is required for a constituent material of the element. If this insulation property is low, when a high voltage is applied, the leakage current increases and the S /
N deteriorates or dielectric breakdown occurs, and the element does not operate. In other words, in order to realize high speed and high output, it is important that the material has high withstand voltage and that there are many recombination centers of optical carriers.

【0021】一方、ダイヤモンドを使用した従来の超高
周波発振素子では、その禁制帯幅が5.5eVであるため励
起光としては225nmより波長の短いレーザーが使われて
いた。しかしながらこの波長付近のレーザーはパルス半
値幅がps(ピコセカンド)台である。したがって励起光
としてこの種のレーザーを用いた場合、発生する光キャ
リアの寿命はps(ピコセカンド)以上となる。チタンサ
ファイアレーザーをはじめとするフェムト秒のパルス半
値幅をもつレーザーも開発されているが、たとえばチタ
ンサファイアレーザはその波長が760nmと長く、第2次
高調波を用いてもダイヤモンドの価電子帯に存在する電
子を直接伝導帯まで励起することはできない。このため
炭素のみで構成された単結晶ダイヤモンドで構成された
超高周波発振素子に、上記フェムトレーザーをそのまま
使用することはできない。
On the other hand, in a conventional ultrahigh-frequency oscillation element using diamond, a laser having a wavelength shorter than 225 nm has been used as excitation light because its forbidden band width is 5.5 eV. However, lasers near this wavelength have a pulse half-width of the order of ps (picoseconds). Therefore, when this type of laser is used as the excitation light, the lifetime of the generated optical carrier is ps (picoseconds) or more. Titanium sapphire lasers and other lasers with femtosecond pulse half-widths have also been developed.For example, titanium sapphire lasers have a long wavelength of 760 nm, and even when using the second harmonic, the valence band of diamond is reduced. Existing electrons cannot be directly excited to the conduction band. For this reason, the femto laser cannot be used as it is for an ultra-high frequency oscillation element composed of single crystal diamond composed only of carbon.

【0022】本発明では超高周波発振素子の材料に多結
晶ダイヤモンドを使用している。多結晶ダイヤモンドの
粒界は結晶構造の不連続性による欠陥が生じているだけ
でなく、不純物や成長時のストレスに起因する欠陥が存
在するため、価電子帯より浅い準位を形成する。よって
結晶粒の密度を上げれば価電子帯より浅い準位を有する
部分が多くなる。この浅い準位は結果的に再結合中心と
なる。これにより波長の長いフェムト秒レーザーを使用
しても、価電子帯からではなく、準位からの励起でキャ
リアの発生が可能となる。すなわち、従来のダイヤモン
ドの超高周波発振素子では使用することのできなかった
フェムト秒レーザーを適用できるようになり、高速電気
パルスの発生が可能となる。
In the present invention, polycrystalline diamond is used as the material of the ultrahigh frequency oscillation element. The grain boundary of the polycrystalline diamond forms a level shallower than the valence band because not only defects due to discontinuity of the crystal structure but also defects due to impurities and stress during growth are present. Therefore, if the density of crystal grains is increased, the number of portions having a level shallower than the valence band increases. This shallow level results in a recombination center. Thus, even if a femtosecond laser having a long wavelength is used, carriers can be generated by excitation from a level, not from a valence band. That is, a femtosecond laser, which cannot be used in a conventional ultra-high frequency oscillation device of diamond, can be applied, and high-speed electric pulses can be generated.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】本発明において、多結晶ダイヤモ
ンドの結晶粒子密度は106/cm2以上であることが好
ましい。このようにすることにより、生成したキャリア
の消滅速度を高め、発生するTHz電磁波の周波数を上げ
ることができる。なお、結晶粒子密度の上限値は特に存
在しないが、たとえば109/cm2程度あれば充分高周
波のTHz電磁波を得ることができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, the crystal grain density of polycrystalline diamond is preferably 10 6 / cm 2 or more. By doing so, the elimination speed of the generated carriers can be increased, and the frequency of the generated THz electromagnetic wave can be increased. Although there is no particular upper limit for the crystal grain density, a sufficiently high frequency THz electromagnetic wave can be obtained, for example, at about 10 9 / cm 2 .

【0024】本発明において、一対の電極に挟まれた領
域と、一対の電極の少なくとも一部とが、多結晶ダイヤ
モンドからなるオーバーコート膜で覆われた構成として
もよい。これによりさらに耐圧特性を向上させることが
できる。この場合、オーバーコート膜を構成する多結晶
ダイヤモンドは、結晶粒子密度を106/cm2以上とす
ることが好ましい。これにより、オーバーコート膜中に
生成したキャリアの消滅速度を高め、発生するTHz電磁
波の周波数を上げることができる。なお、結晶粒子密度
の上限値は特に存在しないが、たとえば109/cm2
度あれば充分高周波のTHz電磁波を得ることができる。
In the present invention, the region between the pair of electrodes and at least a part of the pair of electrodes may be covered with an overcoat film made of polycrystalline diamond. Thereby, the withstand voltage characteristics can be further improved. In this case, the polycrystalline diamond constituting the overcoat film preferably has a crystal particle density of 10 6 / cm 2 or more. As a result, the rate of disappearance of carriers generated in the overcoat film can be increased, and the frequency of the generated THz electromagnetic wave can be increased. Although there is no particular upper limit for the crystal grain density, a sufficiently high frequency THz electromagnetic wave can be obtained, for example, at about 10 9 / cm 2 .

【0025】また本発明においては、多結晶ダイヤモン
ドの結晶粒の密度を一定値以上とし、禁制帯内に意図的
に粒界の影響による準位を形成している。この準位を利
用することにより、励起光のエネルギーを、多結晶ダイ
ヤモンド膜のバンドギャップエネルギーより小さくする
ことができ、レーザ選択の幅が大きく広がる。たとえ
ば、従来のダイヤモンド使用の超高周波発振素子では波
長が長すぎて使うことのできなかったフェムト秒レーザ
(パルス半値幅が1.0ps未満のレーザ)を、本発明
の超高周波発振素子の励起光として使用することができ
る。
In the present invention, the density of the crystal grains of the polycrystalline diamond is set to a certain value or more, and a level is intentionally formed in the forbidden band due to the influence of the grain boundary. By utilizing this level, the energy of the excitation light can be made smaller than the band gap energy of the polycrystalline diamond film, and the range of laser selection can be greatly expanded. For example, a femtosecond laser (laser having a pulse half-width of less than 1.0 ps), which had a wavelength too long to be used in a conventional ultra-high-frequency oscillator using diamond, was changed to a pump light of the ultra-high-frequency oscillator of the present invention. Can be used as

【0026】[0026]

【実施例】以下、実施例により本発明をさらに詳細に説
明する。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

【0027】(第1の実施例)図1は本発明の第1の実
施例を示す超高周波発振素子の概略図である。基板1は
多結晶ダイヤモンド膜2を成長させる際の基体となる。
この基板はCVD法によりダイヤモンドが成膜できるもの
であればよく、シリコン、モリブデン、白金、銅、Si
C、セラミック基板などを用いることができる。多結晶
ダイヤモンド膜2は励起光5によって光キャリアが発生
する部分であり、CVD法により作製される。
(First Embodiment) FIG. 1 is a schematic view of an ultra-high frequency oscillator according to a first embodiment of the present invention. The substrate 1 serves as a base when the polycrystalline diamond film 2 is grown.
This substrate may be any one that can form a diamond film by the CVD method, such as silicon, molybdenum, platinum, copper, and Si.
C, a ceramic substrate, or the like can be used. The polycrystalline diamond film 2 is a portion where photocarriers are generated by the excitation light 5 and is produced by a CVD method.

【0028】電極3には電圧が印加されており、励起光
5により多結晶ダイヤモンド膜2内に発生したキャリア
がこの電極を流れる際、高周波電磁波を空間に放出す
る。オーバーコートダイヤモンド層4は多結晶ダイヤモ
ンドからなり、電極3に高電圧を印加した際、電極間に
放電が発生するのを防止する役割を有し、通常、CVD法
によって電極上に形成される。励起光5は多結晶ダイヤ
モンド膜2及びオーバーコートダイヤモンド層4に照射さ
れ、多結晶ダイヤモンド膜2及びオーバーコートダイヤ
モンド層4中に光キャリアを発生させる。THz電磁波11は
励起光5の照射により発生する。
A voltage is applied to the electrode 3, and when carriers generated in the polycrystalline diamond film 2 by the excitation light 5 flow through this electrode, high-frequency electromagnetic waves are emitted into space. The overcoat diamond layer 4 is made of polycrystalline diamond and has a role of preventing a discharge from occurring between the electrodes when a high voltage is applied to the electrodes 3, and is usually formed on the electrodes by a CVD method. The excitation light 5 is applied to the polycrystalline diamond film 2 and the overcoat diamond layer 4 to generate photo carriers in the polycrystalline diamond film 2 and the overcoat diamond layer 4. The THz electromagnetic wave 11 is generated by irradiation of the excitation light 5.

【0029】図1に示す超高周波発振素子は次のような
手順で作製を行った。まずシリコン基板1上に水素ガス
とメタンガスを用いCVD法により多結晶ダイヤモンド膜2
を成長させた。このとき、成長温度・水素ガスとメタン
ガスの濃度比・成膜圧力を制御すると、多結晶ダイヤモ
ンド膜2を構成する多結晶ダイヤモンドの粒径を調整す
ることができる。つまりこれらの条件の最適化を行えば
多結晶ダイヤモンド膜2を構成する結晶粒子密度を制御
することができる。この現象を利用しシリコン基板上に
結晶粒子密度が106/cm2になるようにダイヤモンド
膜4を10μm厚として作製した。CVD条件は、たとえば基
板温度600〜800℃、成膜圧力1〜200torr、ガ
ス流量比を、(CH4)/(H2+CH4)=0.005〜0.03と
する。
The ultrahigh frequency oscillation device shown in FIG. 1 was manufactured in the following procedure. First, a polycrystalline diamond film 2 is formed on a silicon substrate 1 by a CVD method using hydrogen gas and methane gas.
Grew. At this time, by controlling the growth temperature, the concentration ratio of hydrogen gas and methane gas, and the film forming pressure, the particle diameter of the polycrystalline diamond constituting the polycrystalline diamond film 2 can be adjusted. That is, by optimizing these conditions, the density of the crystal grains constituting the polycrystalline diamond film 2 can be controlled. Utilizing this phenomenon, a diamond film 4 having a thickness of 10 μm was formed on a silicon substrate so that the crystal grain density became 10 6 / cm 2 . The CVD conditions are, for example, a substrate temperature of 600 to 800 ° C., a film forming pressure of 1 to 200 torr, and a gas flow ratio of (CH4) / (H2 + CH4) = 0.005 to 0.03.

【0030】次にスパッタリング法により、多結晶ダイ
ヤモンド膜2上に電極3を構成する金属膜を成膜した。電
極3は1対または2対以上形成する。本実施例では電極
3に白金を用いているが、多結晶ダイヤモンド膜2とオ
ーミック接触が得られる金属であれば他の金属を使用し
ても問題はない。また金属を成膜する前に多結晶ダイヤ
モンド膜2の表面を研磨してもよい。白金を成膜後、リ
ソグラフィーによりパターン形成を行い、所望の電極形
状を作製した。一対の電極の間に挟まれた電極ギャップ
の長さは6μmとした。電極間ギャップを大きくしすぎ
ると、高い印加電界強度を得る際、電源の容量も大きく
する必要が生じるという欠点がある。このため電極間の
ギャップは1mm以下にすることが好ましい。
Next, a metal film constituting the electrode 3 was formed on the polycrystalline diamond film 2 by a sputtering method. One or two or more pairs of electrodes 3 are formed. In this embodiment, platinum is used for the electrode 3. However, other metals can be used as long as they can make ohmic contact with the polycrystalline diamond film 2. Further, the surface of the polycrystalline diamond film 2 may be polished before forming the metal. After the formation of platinum, a pattern was formed by lithography to produce a desired electrode shape. The length of the electrode gap sandwiched between the pair of electrodes was 6 μm. If the gap between the electrodes is too large, there is a disadvantage that the capacity of the power supply needs to be increased when obtaining a high applied electric field strength. Therefore, the gap between the electrodes is preferably set to 1 mm or less.

【0031】電極形成後、電極間ギャップと電極3の向
かい合った部分に、CVD法により絶縁破壊防止用のオー
バーコートダイヤモンド層4を作製した(図1
(b))。本実施例では、オーバーコートダイヤモンド
層4を形成する際に電極間ギャップとギャップ付近の電
極3をあらかじめダイヤモンド粉末で研磨している。オ
ーバーコートダイヤモンド層4は多結晶ダイヤモンド膜
2から成長した結晶と、新たに核発生した微結晶が混在
する。
After the electrodes were formed, an overcoat diamond layer 4 for preventing dielectric breakdown was formed by a CVD method in a portion where the gap between the electrodes and the electrode 3 were opposed to each other.
(B)). In this embodiment, when forming the overcoat diamond layer 4, the gap between the electrodes and the electrode 3 near the gap are polished in advance with diamond powder. Overcoat diamond layer 4 is a polycrystalline diamond film
Crystals grown from 2 and microcrystals with newly generated nuclei are mixed.

【0032】以上のようにして作製した超高周波発振素
子について結晶粒子密度を測定した。結晶粒子密度の測
定は、表面のSEM写真を撮影し、その写真の結晶粒子
を計測することにより測定した。本実施例の超高周波発
振素子の結晶粒子密度(数密度)は、約106/cm2
あった。
The crystal grain density of the ultrahigh frequency oscillation device manufactured as described above was measured. The crystal particle density was measured by taking an SEM photograph of the surface and measuring the crystal particles in the photograph. The crystal grain density (number density) of the ultrahigh frequency oscillation device of this example was about 10 6 / cm 2 .

【0033】図2に本実施例の超高周波発振素子を用い
た高周波電磁波発生システムを示す。レーザー6は、超
高周波発振素子10内にキャリアを発生させる励起光5
を発生する。励起光5は超高周波発振素子10内に照射
され、超高周波発振素子10中にキャリアを発生させ
る。ディレー7は、レーザー6と超高周波発振素子10
から発生する電気パルスを測定する装置(図示しない)
と同期する装置である。超高周波発振素子10は図1に
示すものと同じものであり励起光5によって光キャリア
が発生する。ミラー8はレーザーの進行方向を変えるも
のである。電源9は電極間に電圧を印加し、キャリアに
移動エネルギーを与える。
FIG. 2 shows a high-frequency electromagnetic wave generation system using the ultrahigh-frequency oscillation element of this embodiment. The laser 6 emits pump light 5 for generating carriers in the ultrahigh frequency oscillation device 10.
Occurs. The excitation light 5 is irradiated into the ultra-high frequency oscillation element 10 to generate carriers in the ultra-high frequency oscillation element 10. The delay 7 is composed of the laser 6 and the
Device (not shown) for measuring electric pulses generated from
A device that synchronizes with The ultrahigh frequency oscillation element 10 is the same as that shown in FIG. 1, and an optical carrier is generated by the excitation light 5. The mirror 8 changes the traveling direction of the laser. The power supply 9 applies a voltage between the electrodes, and gives the carrier transfer energy.

【0034】次に、本実施例のダイヤモンド超高周波発
振素子の動作について、図1を参照して詳細に説明す
る。超高周波発振素子を動作させるためにはまず光キャ
リアを発生させる必要がある。そこで励起光5を多結晶
ダイヤモンド膜2及びオーバーコートダイヤモンド層4
に照射する。本実施例ではパルス半値幅2psのKrFレーザ
ーを励起光として用いた。励起光5をダイヤモンド膜4に
照射を行うと、光キャリアとして電子と正孔が発生す
る。この光キャリアは多結晶ダイヤモンド膜2あるいは
オーバーコートダイヤモンド層4内を移動するが、キャ
リアの発生量と、高周波電磁波を放出する電極3に到達
するキャリア数が多いほど、発生する高周波電磁波10の
強度は強くなる。また高周波電磁波は光励起電流の変化
によって発生するため、発生した光キャリアは直ちに消
滅した方が好ましい。
Next, the operation of the diamond ultra-high frequency oscillator of this embodiment will be described in detail with reference to FIG. In order to operate the ultrahigh frequency oscillator, it is necessary to first generate optical carriers. Then, the excitation light 5 is applied to the polycrystalline diamond film 2 and the overcoated diamond layer 4.
Irradiation. In the present embodiment, a KrF laser having a pulse half width of 2 ps was used as the excitation light. When the diamond film 4 is irradiated with the excitation light 5, electrons and holes are generated as photocarriers. This optical carrier moves in the polycrystalline diamond film 2 or the overcoat diamond layer 4. The more the amount of generated carriers and the number of carriers reaching the electrode 3 emitting high frequency electromagnetic waves, the greater the intensity of the generated high frequency electromagnetic waves 10. Becomes stronger. In addition, since high-frequency electromagnetic waves are generated due to a change in the photoexcitation current, it is preferable that the generated optical carriers disappear immediately.

【0035】図3に電極に印加した電界強度と発生した
高周波電磁波の相対強度の関係を示す。この結果から、
本実施例で示したダイヤモンド超高周波発振素子に対し
ては1MV/cm以上の高電界を印加することができ、か
つ、このような高電界を印加することにより充分な強度
のTHz電磁波が発生することがわかる。また、特に高強
度のTHz電磁波を得るためには、電極に印加する電界強
度を上げればよいことがわかる。
FIG. 3 shows the relationship between the intensity of the electric field applied to the electrodes and the relative intensity of the generated high-frequency electromagnetic waves. from this result,
A high electric field of 1 MV / cm or more can be applied to the diamond ultra-high frequency oscillation element shown in this embodiment, and a THz electromagnetic wave of sufficient intensity is generated by applying such a high electric field. You can see that. In addition, it can be seen that particularly high intensity THz electromagnetic waves can be obtained by increasing the electric field intensity applied to the electrodes.

【0036】(第2の実施例)次に、本発明の他の実施
例について図面を参照して詳細に説明する。図4は本発
明の第2の実施例を示す超高周波発振素子の断面図であ
る。この超高周波発振素子は第1の実施例と同様の製造
方法により作製される。構造上、第1の実施例の超高周
波発振素子と異なる点は、第1の実施例においては多結
晶ダイヤモンド膜4全体にわたって結晶粒子密度が10
6/cm2以上となっているのに対し、第2の実施例にお
いては多結晶ダイヤモンド膜4中の電極間に挟まれたギ
ャップ部分のみが結晶粒子密度106/cm2以上となっ
ている点である。このギャップ部分がレーザ照射箇所と
なる。
(Second Embodiment) Next, another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 4 is a cross-sectional view of an ultra-high frequency oscillator according to a second embodiment of the present invention. This ultra-high frequency oscillator is manufactured by the same manufacturing method as in the first embodiment. The structure differs from the ultrahigh frequency oscillation device of the first embodiment in that the crystal grain density is 10% over the entire polycrystalline diamond film 4 in the first embodiment.
Whereas it has a 6 / cm 2 or more, only the gap portion sandwiched between the electrodes of the polycrystalline diamond film 4 is in the crystalline particle density 10 6 / cm 2 or more in the second embodiment Is a point. This gap portion becomes a laser irradiation location.

【0037】次に、図4の超高周波発振素子の動作につ
いて図を用いて詳細に説明する。
Next, the operation of the ultrahigh frequency oscillation device shown in FIG. 4 will be described in detail with reference to the drawings.

【0038】超高周波発振素子を動作させるためにはま
ず光キャリアを発生させる必要がある。そこで励起光5
を多結晶ダイヤモンド膜2aに照射する。本実施例ではパ
ルス半値幅2psのKrFレーザーを励起光として用いた。励
起光5を多結晶ダイヤモンド膜2aに照射を行うと、光キ
ャリアとして電子と正孔が発生する。発生した電子と正
孔はそれぞれバイアスの印加された電極方向(電子は+
側、正孔は−側)へ移動をはじめる。この時電子と正孔
は多結晶ダイヤモンドを移動することになり、電極3に
達するまでにダイヤモンドの結晶粒界を通過することに
なる。この結晶粒界は再結合中心として作用するため、
光キャリアがここを通過する際消滅してしまうことにな
る。つまりダイヤモンドの結晶粒子密度を多くすれば、
発生した光キャリアが結晶粒界に達するまでの距離が短
くなる為、光キャリアが発生後すばやく消滅し、その結
果高速動作することになる。図5は結晶粒子密度が高い
ほどキャリア消滅箇所が多いことを説明するための図で
ある。ダイヤモンド結晶21の結晶粒界は再結合中心2
0として作用する。この結晶粒界は結晶粒子密度が高い
ほど多くなるので、結局、結晶粒子密度が高いほどキャ
リア消滅箇所が多くなることとなる。
In order to operate the ultrahigh frequency oscillator, it is necessary to first generate optical carriers. Then the excitation light 5
Is applied to the polycrystalline diamond film 2a. In the present embodiment, a KrF laser having a pulse half width of 2 ps was used as the excitation light. When the polycrystalline diamond film 2a is irradiated with the excitation light 5, electrons and holes are generated as photocarriers. The generated electrons and holes are directed in the direction of the biased electrode (electrons are +
Side, holes start to move to-side). At this time, electrons and holes move through the polycrystalline diamond, and pass through the crystal grain boundaries of the diamond before reaching the electrode 3. Since these grain boundaries act as recombination centers,
The optical carrier will disappear when passing through it. In other words, if the crystal grain density of diamond is increased,
Since the distance until the generated photocarrier reaches the crystal grain boundary is shortened, the photocarrier disappears quickly after generation, resulting in high-speed operation. FIG. 5 is a diagram for explaining that the higher the crystal grain density, the more the carrier disappearance points. The grain boundary of the diamond crystal 21 is the recombination center 2
Acts as zero. Since the crystal grain boundaries increase as the crystal grain density increases, the higher the crystal grain density, the greater the number of places where the carrier disappears.

【0039】表1に結晶密度の異なるダイヤモンド超高
周波発振素子に照射したとき発生する放射電磁波強度
(相対値)と、電気パルスの半値幅を示す。この結果結
晶粒子密度を106ヶ/cm2以上とするとパルス半値幅
が20ps以下になること判明した。また電気パルス強度は
106ヶ/cm2の時を1とし相対値で示しているが、こ
の時ピークの強度はバックグランドの100倍以上あり、
測定を行うS/N比としては十分であった。
Table 1 shows the intensity (relative value) of the radiated electromagnetic wave generated when the diamond ultra-high frequency oscillators having different crystal densities are irradiated and the half width of the electric pulse. As a result, it was found that when the crystal grain density was 10 6 / cm 2 or more, the pulse half width was 20 ps or less. In addition, the electric pulse intensity is shown as a relative value with 1 at the time of 10 6 / cm 2. At this time, the intensity of the peak is 100 times or more of the background,
The S / N ratio for the measurement was sufficient.

【0040】[0040]

【表1】 [Table 1]

【0041】以上のように、ダイヤモンド膜中の結晶粒
子密度を106/cm2以上にすることで、発生するTHz
電磁波の周波数を上げることができる。
As described above, when the crystal grain density in the diamond film is set to 10 6 / cm 2 or more, the generated THz
The frequency of the electromagnetic wave can be increased.

【0042】なお、本実施例では多結晶ダイヤモンド膜
中の電極間に挟まれたギャップ部分のみを結晶粒子密度
106/cm2以上としているが、多結晶ダイヤモンド膜
全体にわたって結晶粒子密度106/cm2以上として
も、表1と同様の結果が得られた。
[0042] Although this embodiment has only the electrode gap portion sandwiched between in the polycrystalline diamond film and the crystal particle density 10 6 / cm 2 or more, the crystal grain density of 10 throughout the polycrystalline diamond film 6 / Even with cm 2 or more, the same results as in Table 1 were obtained.

【0043】(第3の実施例)次に本発明の第3の実施
例について図面を参照して詳細に説明する。図6は本発
明の第3の実施例の超高周波発振素子を示す図である。
基板1aはダイヤモンドを成長させる際の基体となる部分
である。多結晶ダイヤモンド膜2aは励起光5aによって
光キャリアが発生する部分であり、CVD法により作製さ
れる。励起光5a多結晶ダイヤモンド膜2aとオーバーコー
トダイヤモンド層4b内にキャリアを発生させる。電極3a
は電界が印加される部分であり、かつ発生する電磁波を
放出するものである。この電極3aは16対のマルチアレ
イ構造からなり、電極線幅40μm、電極間ギャップ1mm、
電極で囲まれた部分の面積を7cm2とした。このマル
チアレイ構造は電極の加工、印加電圧、THz放射強度等
を考慮した場合、1対以上からなり電極線幅1μm以上、
電極間ギャップ1mm以下、電極で囲まれた面積が0.1cm
2以上であることが望ましい。オーバーコートダイヤモ
ンド層4bは電極間の放電を防ぐ役割を果たし、かつ励起
光によりキャリアを発生する部分となっている。THz波1
1は励起光5aの照射によって発生した電磁波である。図7
は本発明の第3の実施例の高周波電磁波発生システムを
示す。チタンサファイアレーザー23はフェムト秒のパル
スを発生させることができ、超高周波発振素子10aにキ
ャリアを発生させる励起光5aを発生させる。2次高調波
発生器22はチタンサファイアレーザー23の基本波から第
2高調波を発生させる装置である。励起光である第2高調
波は超高周波発振素子10aに照射され、超高周波発振素
子10a中にキャリアを発生させる。ディレー7はチタン
サファイアレーザー23と超高周波発振素子から発生する
電気パルスを測定する装置(図示しない)と同期する装
置である。超高周波発振素子10aはThz波を放射する素子
で図6に示すものを使用した。ミラー8はレーザーの進行
方向を変える装置である。電源9は電極間に電圧を印加
し、キャリアを信号として伝播させる役割を有する。
(Third Embodiment) Next, a third embodiment of the present invention will be described.
Examples will be described in detail with reference to the drawings. Figure 6
It is a figure which shows the super-high frequency oscillation element of the 3rd Example of light.
Substrate 1a is the part that becomes the base when growing diamond
It is. The polycrystalline diamond film 2a is excited by the excitation light 5a.
This is where photocarriers are generated.
It is. Excitation light 5a Polycrystalline diamond film 2a and overcoat
Carriers are generated in the diamond layer 4b. Electrode 3a
Is the part to which the electric field is applied, and the generated electromagnetic wave
Release. This electrode 3a has 16 pairs of multi-array
A, electrode wire width 40μm, electrode gap 1mm,
The area of the part surrounded by the electrode is 7cmTwoAnd This circle
H-array structure: electrode processing, applied voltage, THz radiation intensity, etc.
In consideration of the above, the electrode line width is 1 μm or more consisting of one or more pairs,
The gap between the electrodes is 1mm or less, and the area surrounded by the electrodes is 0.1cm
TwoIt is desirable that this is the case. Overcoat diamo
The conductive layer 4b serves to prevent discharge between the electrodes and excites
It is a portion that generates carriers by light. THz wave 1
Reference numeral 1 denotes an electromagnetic wave generated by irradiation with the excitation light 5a. Fig. 7
Is a high-frequency electromagnetic wave generation system according to a third embodiment of the present invention.
Show. Titanium sapphire laser 23 is femtosecond pal
Can be generated and the key
The excitation light 5a for generating carriers is generated. 2nd harmonic
The generator 22 is based on the fundamental wave of the titanium sapphire laser 23
This device generates two harmonics. Second harmonic that is the excitation light
The wave is applied to the ultra-high frequency oscillator 10a,
A carrier is generated in the child 10a. Delay 7 is titanium
Generated from sapphire laser 23 and super-high frequency oscillator
A device synchronized with a device (not shown) that measures electric pulses
It is a place. Ultra high frequency oscillator 10a emits Thz wave
The one shown in FIG. 6 was used. Mirror 8 is laser advance
It is a device that changes the direction. Power supply 9 applies voltage between electrodes
And has a role to propagate the carrier as a signal.

【0044】次に、図6の超高周波発振素子の動作につ
いて図面を参照して詳細に説明する。
Next, the operation of the super-high frequency oscillator of FIG. 6 will be described in detail with reference to the drawings.

【0045】超高周波発振素子を動作させるためにはま
ず光キャリアを発生させる必要がある。そこで励起光5
aをダイヤモンド膜に照射する。本実施例ではパルス半
値幅100fsのチタンサファイアレーザーの第2高調波を
励起光として用いた。第2高調波は図7に示す2次高調波
発生器22でつくられる。励起光5を多結晶ダイヤモンド
膜2a及びオーバーコートダイヤモンド層4bに照射を行う
と、光キャリアとして電子と正孔が発生する。チタンサ
ファイアレーザーの第2高調波の波長は約380nmであり、
ダイヤモンドの価電子帯から伝導体まで電子を励起する
にはエネルギーが足りない。よってバルク内部から発生
する光キャリアはほとんどなく、バンドギャップ内に準
位をつくる結晶粒界で光キャリアが発生する。そのため
膜の結晶密度が高いほど粒界の存在が多くなり、光キャ
リアの発生が多くなる。これにより電気パルスの強度が
上がり、S/N比を向上させることができる。
In order to operate the ultrahigh frequency oscillator, it is necessary to first generate optical carriers. Then the excitation light 5
Irradiate a on the diamond film. In this embodiment, the second harmonic of a titanium sapphire laser having a pulse half width of 100 fs was used as the excitation light. The second harmonic is generated by the second harmonic generator 22 shown in FIG. When the excitation light 5 is applied to the polycrystalline diamond film 2a and the overcoat diamond layer 4b, electrons and holes are generated as photocarriers. The wavelength of the second harmonic of the titanium sapphire laser is about 380 nm,
There is not enough energy to excite electrons from the valence band of diamond to the conductor. Therefore, almost no photocarriers are generated from the inside of the bulk, and photocarriers are generated at crystal grain boundaries that create levels in the band gap. Therefore, as the crystal density of the film increases, the existence of grain boundaries increases, and the generation of photocarriers increases. Thereby, the intensity of the electric pulse is increased, and the S / N ratio can be improved.

【0046】発生した電子と正孔はそれぞれバイアスの
印加された電極方向(電子は+側、正孔は−側)へ移動
をはじめる。この時電子と正孔は多結晶ダイヤモンドを
移動することになり、電極3aに達するまでにダイヤモ
ンドの結晶粒界を通過することになる。この結晶粒界は
再結合中心として作用するため、光キャリアがここを通
過する際消滅してしまうことになる。つまりダイヤモン
ドの結晶密度を高くすれば、発生した光キャリアが結晶
粒界に達するまでの距離が短くなる為、光キャリアが発
生後すばやく消滅し、その結果高速動作しより速い電磁
波を放射できるようになる。またTHz電磁波の放射強度
は、励起光の照射面積の二乗に比例するため、電極構造
をマルチアレイ構造としたことにより高輝度のTHzを得
ることが出来る。
The generated electrons and holes begin to move toward the biased electrode (electrons are on the + side and holes are on the-side). At this time, electrons and holes move through the polycrystalline diamond, and pass through the diamond crystal grain boundaries before reaching the electrode 3a. Since these crystal grain boundaries act as recombination centers, the photocarriers disappear when passing through them. In other words, if the crystal density of diamond is increased, the distance before the generated photocarriers reach the crystal grain boundary is shortened, so that the photocarriers disappear quickly after generation, and as a result, they can operate at high speed and emit faster electromagnetic waves. Become. Since the radiation intensity of the THz electromagnetic wave is proportional to the square of the irradiation area of the excitation light, high luminance THz can be obtained by using a multi-array electrode structure.

【0047】本実施例では結晶粒子密度を高めることに
より粒界を増加させているが、この粒界は、上述したよ
うに、フェムト秒レーザーを使用した際のキャリア発生
箇所であると同時に光キャリアの再結合中心となる。す
なわち、本実施例では結晶粒子密度を増大させること
で、フェムト秒レーザーによるキャリア発生箇所、およ
び再結合中心を増加させ、超高周波発振素子の高速高出
力化を図っている。
In this embodiment, the grain boundaries are increased by increasing the crystal grain density. As described above, these grain boundaries are the locations where carriers are generated when a femtosecond laser is used, and at the same time, photocarriers are generated. Is the recombination center of That is, in this embodiment, by increasing the crystal particle density, the number of places where carriers are generated by the femtosecond laser and the number of recombination centers are increased, and the ultrahigh frequency oscillation element is designed to have high speed and high output.

【0048】表2にはパルス半値幅100fsのチタンサファ
イアレーザーを結晶密度の異なるダイヤモンド超高周波
発振素子に照射したとき発生する放射電磁波強度と、電
気パルスの全半値幅を示す。この結果結晶粒子密度が1
6ヶ/cm2以上のときパルス半値幅が1ps以下になる
ことが判明した。また電気パルス強度は106ヶ/cm 2
の時を1とし相対値で示しているが、この時ピークの強
度はバックグランドの100倍以上あり、測定を行うS/N比
としては十分であった。
Table 2 shows a titanium safa having a pulse half width of 100 fs.
Ultra-high frequency diamonds with different crystal densities
The intensity of the radiated electromagnetic wave generated when the oscillator
Shows the full width at half maximum of the air pulse. As a result, the crystal grain density was 1
06Months / cmTwoAbove this, the pulse half width becomes 1ps or less
It has been found. The electric pulse intensity is 106Months / cm Two
The time is shown as a relative value with 1 as the value.
The degree is more than 100 times the background, and the S / N ratio for performing the measurement
Was enough.

【0049】[0049]

【表2】 [Table 2]

【0050】[0050]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ダイヤモ
ンド膜中の光照射箇所を多結晶ダイヤモンドにより構成
している。このため多結晶ダイヤモンドの粒界がキャリ
アの再結合中心として作用し、キャリア寿命を短縮化で
きるので、高強度かつ高周波数のTHz電磁波を放出する
超高周波発振素子を得ることができる。特に多結晶ダイ
ヤモンドの結晶粒子密度が106/cm2以上とすれば、
生成したキャリアの消滅速度をより一層高め、さらに高
強度かつ高周波数のTHz電磁波を放出する超高周波発振
素子を得ることができる。
As described above, according to the present invention, the light-irradiated portion in the diamond film is made of polycrystalline diamond. For this reason, the grain boundary of the polycrystalline diamond acts as a carrier recombination center, and the carrier life can be shortened, so that an ultra-high frequency oscillation element that emits a high-intensity and high-frequency THz electromagnetic wave can be obtained. In particular, if the crystal grain density of polycrystalline diamond is 10 6 / cm 2 or more,
It is possible to obtain an ultrahigh-frequency oscillation element that further increases the annihilation rate of generated carriers and emits THz electromagnetic waves with higher intensity and higher frequency.

【0051】また、多結晶ダイヤモンドの粒界は価電子
帯よりも浅いエネルギー準位を形成するため、比較的長
波長のレーザー光を励起光として用いることが可能とな
る。これによりフェムトレーザーの使用が可能となり、
従来よりも高周波数のTHz電磁波を放出する超高周波発
振素子を得ることができる。
Further, since the grain boundary of polycrystalline diamond forms an energy level shallower than the valence band, laser light having a relatively long wavelength can be used as excitation light. This allows the use of femto lasers,
It is possible to obtain an ultra-high frequency oscillation element that emits a THz electromagnetic wave having a higher frequency than before.

【0052】また、一対の電極に挟まれた領域と、前記
一対の電極の少なくとも一部とを、多結晶ダイヤモンド
からなるオーバーコート膜で覆うことにより、超高周波
発振素子の耐圧特性を向上させることができ、電極間に
たとえば1MV/cm以上の高電界を印加することが可能と
なる。このような高電界を印加することで、より高強度
のTHz電磁波を発生させることができる。
Further, by covering an area between the pair of electrodes and at least a part of the pair of electrodes with an overcoat film made of polycrystalline diamond, the withstand voltage characteristic of the ultrahigh frequency oscillation element is improved. This makes it possible to apply a high electric field of, for example, 1 MV / cm or more between the electrodes. By applying such a high electric field, a higher intensity THz electromagnetic wave can be generated.

【0053】[0053]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の超高周波発振素子の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of an ultrahigh frequency oscillation device according to the present invention.

【図2】本発明の超高周波発振装置の概略構造を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic structure of an ultrahigh frequency oscillation device of the present invention.

【図3】本発明の超高周波発振素子を用いた場合の電界
強度と放出電磁波強度の関係を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an electric field intensity and an emitted electromagnetic wave intensity when the ultrahigh frequency oscillation device of the present invention is used.

【図4】本発明の超高周波発振素子の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the ultrahigh frequency oscillation device of the present invention.

【図5】結晶粒子密度が高いほどキャリア消滅箇所が多
いことを説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining that as the crystal particle density is higher, the number of locations where the carrier disappears is larger.

【図6】本発明の超高周波発振素子の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the ultrahigh frequency oscillation device of the present invention.

【図7】本発明の超高周波発振装置の概略構造を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic structure of an ultrahigh frequency oscillation device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、1a 基板 2、2a ダイヤモンド膜 3 電極 4、4a、4b オーバーコートダイヤモンド膜 5 励起光 6 レーザー 7 ディレー 8 ミラー 9 電源 10、10a、10b 超高周波発振素子 11 THz波 20 再結合中心 21 ダイヤモンド結晶 22 2次高調波発生器 23 チタンサファイアレーザー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1a Substrate 2, 2a Diamond film 3 Electrode 4, 4a, 4b Overcoat diamond film 5 Excitation light 6 Laser 7 Delay 8 Mirror 9 Power supply 10, 10a, 10b Ultrahigh frequency oscillation element 11 THz wave 20 Recombination center 21 Diamond crystal 22 Second harmonic generator 23 Titanium sapphire laser

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−350120(JP,A) M.Tani et al,”Ems sion characteristi cs of photoconduct ive antennas based on low−temperatur e−grown GaAs and s emi−in,APPLIED OPT ICS,Vol.36,No.3,pp. 7853−7859. 馬場和宏他,「ダイヤモンド薄膜によ る光速光伝導スイッチ」,化学と工業, 日本,日本化学会,第49巻、第8号,p p.1042−1044. P.GONON et al,”Ph otoconductivity as sociated with deep levels in poly cr ystalline diamond films”,PHILOSOPHIC AL MAGAZINE LETTER S,Vol.72,No.4,pp.257 −261. (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 1/02,3/00,5/00 H01L 31/00 - 31/119 G01T 1/00 - 3/08 G01J 1/00 - 1/60 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-6-350120 (JP, A) Tani et al, "Esm. "Light-speed photoconductive switch using diamond thin film", Chemistry and Industry, Japan, The Chemical Society of Japan, Vol. 1042-1044. GONON et al, "Photoconductivity as associated with depth levels in polycrystalline diamond films", PHILOSOPIC AL MAGAZINE VETTERS. 72, No. 4, pp. 257 −261. (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 1 / 02,3 / 00,5 / 00 H01L 31/00-31/119 G01T 1/00-3/08 G01J 1 / 00-1/60

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 超短光パルスの照射による光励起電流を
利用する超高周波発振素子であって、 基体と、該基体の上に設けられたダイヤモンド膜と、該
ダイヤモンド膜上に離間して設けられた少なくとも一対
の電極とを有し、 前記ダイヤモンド膜中の光照射箇所は、結晶粒子密度が
106/cm2以上の多結晶ダイヤモンドからなり、 前記電極間に少なくとも1MV/cm以上の高電界を印加し
た状態で、前記光照射箇所に照射して電磁波を発生させ
る、前記超短光パルスの励起光のエネルギーが前記多結
晶ダイヤモンド膜のバンドギャップエネルギーより小さ
いことを特徴とする超高周波発振素子。
1. An ultra-high frequency oscillation element utilizing a photoexcitation current by irradiation of an ultrashort light pulse, comprising: a base, a diamond film provided on the base, and a separation film provided on the diamond film. A light irradiation site in the diamond film is made of polycrystalline diamond having a crystal grain density of 10 6 / cm 2 or more, and a high electric field of at least 1 MV / cm is applied between the electrodes. An ultrahigh frequency oscillation element, wherein the energy of the excitation light of the ultrashort light pulse is smaller than the bandgap energy of the polycrystalline diamond film, and the energy of the excitation light of the ultrashort light pulse is generated by irradiating the light irradiation location with the applied voltage.
【請求項2】 前記一対の電極に挟まれた領域と、前記
一対の電極の少なくとも一部とが、多結晶ダイヤモンド
からなるオーバーコート膜で覆われていることを特徴と
する請求項1に記載の超高周波発振素子。
2. The device according to claim 1, wherein a region between the pair of electrodes and at least a part of the pair of electrodes are covered with an overcoat film made of polycrystalline diamond. Ultra high frequency oscillation element.
【請求項3】 前記オーバーコート膜を構成する多結晶
ダイヤモンドは、結晶粒子密度が106/cm2以上であ
ることを特徴とする請求項2に記載の超高周波発振素
子。
3. The ultra-high frequency oscillation device according to claim 2, wherein the polycrystalline diamond forming the overcoat film has a crystal grain density of 10 6 / cm 2 or more.
【請求項4】 前記超短光パルスの励起光は、パルス半
値幅が1.0ピコセカンド未満のレーザ光であることを
特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の超高周波発
振素子。
4. The ultrahigh frequency oscillation device according to claim 1, wherein the excitation light of the ultrashort light pulse is a laser beam having a pulse half width of less than 1.0 picosecond.
【請求項5】 励起光を発する光源と、該励起光が照射
される超高周波発振素子と、該超高周波発振素子に備え
られた電極に電圧を印加する手段とを有する超高周波発
振装置において、 前記超高周波発振素子は、請求項1乃至4いずれかに記
載の超高周波発振素子であることを特徴とする超高周波
発振装置。
5. An ultra-high frequency oscillation device comprising: a light source for emitting excitation light; an ultra-high frequency oscillation element irradiated with the excitation light; and means for applying a voltage to an electrode provided on the ultra-high frequency oscillation element. The ultrahigh frequency oscillation device according to claim 1, wherein the ultrahigh frequency oscillation device is the ultrahigh frequency oscillation device according to claim 1.
【請求項6】 前記光源が発する励起光のエネルギー
が、前記多結晶ダイヤモンド膜のバンドギャップエネル
ギーより小さいことを特徴とする請求項5に記載の超高
周波発振装置。
6. The ultrahigh frequency oscillation device according to claim 5, wherein the energy of the excitation light emitted from the light source is smaller than the band gap energy of the polycrystalline diamond film.
【請求項7】 前記光源は、パルス半値幅が1.0ピコ
セカンド未満のレーザであることを特徴とする請求項5
または6に記載の超高周波発振装置。
7. The light source according to claim 5, wherein the laser has a pulse half width of less than 1.0 picosecond.
Or the ultrahigh frequency oscillator according to 6.
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