JP3806742B2 - 光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、時系列変換パルス分光装置の放射部又は検出部において使用される光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
1980年代にパルス状の遠赤外領域の電磁波放射及び検出が可能となり、それを受けて、近年、このパルス状の遠赤外領域の電磁波を用いた時系列変換パルス分光法が開発された。
【０００３】
従来の分光法では光の強度（電磁波の電場の振幅の二乗）しか得られなかったが、時系列変換パルス分光法では、電磁波の電場の時間変化を直接測定することから、電磁波の電場の振幅だけでなく、その位相をも得ることができるというユニークな特徴を持っている。従って、試料がない場合と比較することによって、振幅スペクトルだけでなく位相シフトスペクトルを得ることができる。位相シフトは波数ベクトルと比例することから、この分光法を用いて試料中の分散関係を決定することができ、この分散関係からは例えば、誘電体材料の誘電率を知得することも可能となる（特開２００２−２７７３９４号公報参照）。従って、例えば、近年、携帯電話等に有効なメモリとして期待されている強誘電体メモリにおける強誘電体薄膜の誘電率の非破壊測定も可能となる。
【０００４】
図１に、時系列変換パルス分光装置の概要を示す。
【０００５】
符号１はフェムト秒レーザを放射する励起源である。励起源１から放射されたフェムト秒レーザ光は、ビームスプリッタ２で分割される。一方のフェムト秒レーザパルスは、パルス励起光（ポンプパルス光）Ｌ１としてパルス光放射素子５に照射される。このとき、パルス励起光Ｌ１は光チョッパ３により変調された後、対物レンズ４によって集光される。このパルス光放射素子５は例えば光伝導素子であり、パルス励起光Ｌ１が照射されたときに瞬間的に電流が流れ、遠赤外電磁波パルスＬ２を放射する。この遠赤外電磁波パルスＬ２は、放物面鏡６、７により集光され測定試料８に照射される。その試料８の透過ないし反射電磁波（ここでは透過電磁波）Ｌ３は、放物面鏡９、１０により集光され、検出器１２に導光される。
【０００６】
他方のフェムト秒レーザは、サンプリングパルス光（励起光）Ｌ４として検出器１２に導光される。この検出器１２も例えば光伝導素子であり、サンプリングパルス光Ｌ４で照射され、その瞬間だけ導電性となり、その瞬間の試料８からの透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の強度を電流として検出することができる。ビームスプリッタ２から検出器１２に到達するまでの時間を遅延手段１３、１４で変えることにより、試料を透過して来た透過遠赤外電磁波パルスＬ３の時間波形を得ることができる。
【０００７】
検出用の光伝導素子はサンプリングパルス光Ｌ４を照射している瞬間試料からの透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場振幅に対応する電流を検出する。すなわち、透過遠赤外電磁波パルスの電場振幅が光伝導素子の電極の微小アンテナ間においてバイアス電圧として働き、その電場振幅に比例する電流が流れ、この電流の大きさと符号とを検出する。サンプリングパルス光の時間幅は透過遠赤外電磁波パルスＬ３の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。すなわち、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較してサンプリングパルス光Ｌ４の照射時間は短い。そのため、サンプリングパルス光Ｌ４が照射している間の光伝導素子に流れる電流は透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場のごく短い照射時間部分に依存し、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場のうち遅延手段１３、１４による時間遅延によって決められた時間部分のみが電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことにより透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の他の部分も測定でき、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の時間波形を得ることができる。
【０００８】
試料８の透過遠赤外電磁波パルスの電場強度の各時間分解データは、信号処理手段によって処理される。すなわち、ロックインアンプ１６を介してコンピュータ１７に伝送され、順次、時系列データに記憶され、一連の時系列データを、該コンピュータ１７でフーリエ変換処理して振動数（周波数）空間に変換することにより、試料８の透過遠赤外電磁波パルスの振幅及び位相の分光スペクトルが得られる。すなわち、試料からの透過遠赤外電磁波パルスの電場の時間変化を、光伝導素子の微小アンテナ間の電流の大きさと向きとして時系列で記録し、それをフーリエ変換により、透過遠赤外電磁波パルスの振幅及び位相スペクトルを得る。
【０００９】
以上のように、新しい原理に基づいた時系列変換パルス分光装置において、従来の分光装置例えば、フーリエ変換赤外分光装置（ＦＴＩＲのような）と比較してそのユニークな特徴を担っているのが、遠赤外電磁波パルスの光源部（放射素子）と検出部（検出素子）である。そして、その代表的な素子が、例として挙げた光伝導素子であり、光伝導素子は放射及び検出のいずれにも使用できるものである。
【００１０】
図２に、遠赤外電磁波パルスの発生（放射）及び検出に用いる代表的な光伝導素子である、ダイポール型のアンテナの概略構成を示す。図３は、図２の１点破線ＡＡ’で示した断面図である。
【００１１】
この光伝導素子２０は、図のように半導体基板２１、例えば、ガリウム砒素（GaAs）基板上に光伝導膜２２を形成し、その上に、それぞれ中央部に微小なアンテナ部２３ａ、２４ａを有する一対の電極膜２３、２４を蒸着することによって作製する。電極膜のアンテナ部は互いに微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置され、各アンテナ部は一対の電極膜に直流のバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄに均一な電場を形成できるような形状に形成される。光伝導膜は、1ps以下の光キャリア寿命、高い光キャリア移動度、高い耐電圧を有することが必要であり、現在は低温成長させたガリウム砒素（LT−GaAs）膜が使用される場合が多い。
【００１２】
放射素子として光伝導素子を用いる場合は通常、直流のバイアス電圧を印加した状態で用いるが、光伝導膜のうち、アンテナ部の微小間隙部近傍の領域を時間幅が100フェムト秒程度のレーザーパルス光で励起すると、光キャリア（電子と正孔）が生成され、それらがバイアス電圧に応じて移動することによって瞬間電流が流れ、この電流の時間微分に比例した遠赤外電磁波パルスが発生（双極子放射）する。そのパルス幅は1ps以下（例えば、500fs程度）である。放射された遠赤外電磁波パルスは光伝導素子の基板側から強く放射される。
【００１３】
また、微小ダイポールアンテナから放射された遠赤外電磁波パルスは通常、光伝導素子の基板側に配置された高抵抗シリコンの超半球（もしくは半球）レンズ１８により光の拡がりを抑えつつ放物面鏡へ送られコリメートされた後、絞って試料に照射される。
【００１４】
一方、検出素子として光伝導素子を用いる場合、電極の微小アンテナ間を流れる検出電流が微弱なため、通常、低雑音電流アンプと共に使用される。すなわち、光伝導膜のうち、アンテナ部の微小間隙部近傍の領域がサンプリングパルス光によって励起されると光キャリアが生成され、この光キャリアは試料から反射又は透過してきた遠赤外電磁波パルスの電場強度をバイアス電圧として電極まで移動し、こうして流れた微弱な電流は低雑音電流アンプにより１０７倍程度増幅されて検出される。こうして、遠赤外電磁波パルスの符号を含めた電場強度がアンテナ間を流れる電流として検出される。
【００１５】
また、検出用の光伝導素子の基板（例えば、半絶縁性ガリウム砒素）側にも高抵抗シリコンの超半球（もしくは半球）レンズ１９が配置されている。この領域の電磁波に対する半絶縁性ガリウム砒素及び高抵抗シリコンの屈折率はそれぞれ、3.6及び3.42と近いため、光伝導膜の表面の位置が超半球（もしくは半球）シリコンレンズの中心からｒ／ｎ（ｒ：超半球レンズの半径、ｎ:屈折率、ただし、半球の場合は中心）の距離に光伝導膜が位置するような構成をとることによって、試料から反射又は透過された遠赤外電磁波パルスは超半球（もしくは半球）シリコンレンズにより光伝導膜の表面に焦点が形成されるようになっている。
【００１６】
ここで、放射素子として光伝導素子を用いる場合、光伝導素子から放射される遠赤外電磁波パルスは、電極のアンテナ間を流れる電流によって生成され、この電流の時間微分によって表される。従って、パルス時間幅の狭いシャープな遠赤外電磁波パルスを得るためには、各光キャリアの電極微小アンテナ間の移動が同じ挙動となる構成であるのが望ましい。また、光伝導素子からの遠赤外電磁波パルスを安定に放射させるためには、同じ条件で照射されたポンプパルス光に対して同数の光キャリアが生成される構成であるのが望ましい。
【００１７】
また、検出用の光伝導素子においては、試料から反射又は透過してきた遠赤外電磁波パルスの電場強度は電極のアンテナ間を流れる微弱電流（より微視的には、光キャリアの移動）として検出される。放射用光伝導素子の場合と同様に、電流は単位時間に流れる電荷量なので、高検出感度で安定に測定を行うためには、光伝導素子は、励起光により生成される各光キャリアの電極間の移動時間及び光キャリアの数は測定毎に変動しない構成となっていることが望ましい。
【００１８】
以上のように、光伝導素子は放射素子又は検出素子のいずれとして用いる場合にも、放射パルスの時間幅や検出感度等の性能は、光伝導膜のうち、微小アンテナ部の微小間隙部近傍の領域に生成される各光キャリアの電極の微小アンテナ間の移動時間及び光キャリアの数に依存する。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００３−１３１１３７号公報
【特許文献２】
特開２００３−１１５６２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３６８２５０号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５７６２９号公報
【特許文献５】
特開２００２−２２３０１７号公報
【特許文献６】
特開２００１−１４８５０２号公報
【特許文献７】
特開２０００−２７５１０５号公報
【特許文献８】
特開２０００−２７５１０３号公報
【特許文献９】
特開２０００−２４３６２１号公報
【特許文献１０】
特開２０００−２３５２０３号公報
【特許文献１１】
特開２０００−０４９４０２号公報
【非特許文献１】
Ｄ．Ｈ．オースチン（D.H.Auston）、Ｋ．Ｐ．チャン（K.P.Cheung）、Ｐ．Ｒ．スミス（P.R.Smith）著、アプライド・フィジクス・レターズ（Appl.Phys.Lett）45（1984）284
【非特許文献２】
Ｍ．タニ（M.Tani）、Ｓ．マツウラ（S.Matsuura）、Ｋ．サカイ（K.Sakai）、Ｓ．ナカムラ（S.Nakamura）著、アプライド・オプティクス（Appl.Opt.）36（1997）7853
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、励起用のパルスレーザー光はレンズによって集光されるため、光伝導膜の照射領域はアンテナ間の間隙程度の径を持つ円形となり、その領域内での空間強度分布が存在し、そのため、レーザー光の照射位置がわずかに変化した場合でも、放射される遠赤外電磁波パルスにおいて明確な違いとして現れる。遠赤外電磁波パルスの生成に関わる電流は光キャリアの数及び移動速度に比例するためである。特に、放射用の光伝導素子の発生においては、電極間に印加される電圧によって生じる微小アンテナ間隙近傍の電場は図４に示すようにアンテナ間隙とその周辺部ではその大きさ及びその方向の変化は異なっている。図中において、符号２６、２７はそれぞれ、微小アンテナ間隙内での電気力線及びその周辺部での電気力線の一例を示す。そのため、アンテナ間隙以外の領域では光キャリアはアンテナからアンテナまでの最短方向を動かない。この結果、放射される遠赤外電磁波パルスのパルスの時間幅が広がってしまうという問題がある。光キャリアの移動速度は受ける電場の大きさに比例するところ、アンテナ間隙以外の領域に生成された光キャリアはその移動速度も、アンテナ間隙領域に生成された光キャリアのそれとは異なり低いため、パルスレーザー光がアンテナ間隙以外の領域に照射されると遠赤外電磁波パルスの放射効率が低下してしまうという問題がある。
【００２１】
また、検出用の光伝導素子の場合も、サンプリングパルス光の照射位置がずれてアンテナ間隙以外の領域を照射すると、その領域からの光キャリアはアンテナ間の微小間隙部のものとは異なる角度でアンテナに向かう。この場合、例えば、ダイポールアンテナの場合、光キャリアについてアンテナの先端部に入射するものとアンテナの側面部に入射するものが存在するというようにことになる。すなわち、アンテナの先端部に入射する光キャリアとアンテナの先端部以外に入射する光キャリアとが検出電流に寄与することになる。従って、検出される遠赤外線パルスがアンテナ近傍で空間的に一様な電場を形成している場合でも、検出電流がその遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映せず、検出感度が低下又は変動してしまうという問題があった。
【００２２】
さらに、従来の方法では、アンテナの間隙が狭いにもかかわらず、その間隙に埃などが付着して電極間がショートして、突然、光伝導素子が使用できなくなるという問題もあった。
【００２３】
さらにまた、特に、光伝導膜のアンテナの間隙部分に空気中の水分等が吸着し、それがレーザー光の照射によって酸化するために劣化し易いという問題もあった。
【００２４】
従って、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、放射素子として使用する場合にはパルス時間幅が狭く安定に遠赤外電磁波パルスを放射することができ、検出素子として使用する場合にはテラヘルツパルス光を高い感度で検出することができる光伝導素子を提供することを目的とする。
【００２５】
また、本発明は、パルス時間幅が狭く安定に遠赤外電磁波パルスを放射することができる光伝導素子に超半球又は半球シリコンレンズを備えた赤外放射素子を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明は、遠赤外電磁波パルスを高い感度で検出することができる光伝導素子に超半球又は半球シリコンレンズを備えた検出素子を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下の構成を採用した。
請求項１に記載の光伝導素子は、互いのアンテナ部が微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜と光伝導膜とを基板上に備え、前記光伝導膜に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する光伝導素子において、前記基板の面は、有効光キャリア生成領域と、電極膜射影領域及び電極膜非射影領域から成る非有効光キャリア生成領域とから成り、前記有効光キャリア生成領域は、前記励起光の入射方向における前記微小間隙部の基板面への射影領域とされ、前記電極膜射影領域は、前記励起光の入射方向における前記電極膜の基板面への射影領域とされ、前記電極膜非射影領域は、前記電極膜射影領域以外の非有効光キャリア生成領域とされ、前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成されるように構成されたことを特徴とする。
【００２８】
請求項１に記載の「微小間隙部」における“微小”とは、電極膜のうちアンテナ部以外の部分の間隙に比して微小であることを意味する。
【００２９】
また、請求項１に記載の「有効光キャリア生成領域」とは、基板面上の仮想領域であって、光伝導素子において、光キャリアを生成する領域として最適であると考えられる領域である。
【００３０】
さらに、請求項１に記載の発明には、「電極膜射影領域」に、電極膜が直接形成される場合、光伝導膜がまず形成されその上に電極膜が形成される場合、及び、その一部に電極膜が直接形成されかつ他の一部には光伝導膜がまず形成されその上に電極膜が形成される場合も含まれる。
【００３１】
さらにまた、請求項１に記載の「有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成される」との記載は、光伝導膜を備える領域を有効光キャリア生成領域内に限定するものではなく、有効光キャリア生成領域内の他に、電極膜射影領域内あるいは電極膜非射影領域内のいずれか又はその両方にも備えてよいが、遠赤外電磁波パルスを発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜だけであるとの意である。従って、仮に、非有効光キャリア生成領域に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合は前記記載の「前記光キャリアが生成される」には含まれない。
【００３２】
請求項１に記載の光伝導素子では、光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域に備わる光伝導膜で生成されるため、遠回りせずにアンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。ここで、「アンテナ間の最短距離を移動」とは、光キャリアが、励起光の照射方向から見て、非有効光キャリア生成領域を通過せずに（アンテナ部の微小間隙部のものとは異なる角度で入射せず）有効光キャリア生成領域のみを通過してアンテナに向かうことを意味する。また、「遠回り」とは、光キャリアが例えば、図４の符号２７で示した電場に沿って移動する場合のように、励起光の照射方向から見て、非有効光キャリア生成領域を通過してアンテナに向かうことを意味する。
【００３３】
請求項１に記載の光伝導素子を遠赤外電磁波パルスの放射用として用いる場合、光伝導素子における電極膜のアンテナ部の形状は、一対の電極膜にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部に空間的に均一な電場を形成できる形状を有するのが好ましい。
【００３４】
この態様では、電極膜のアンテナ部間には空間的に均一な電場が形成されるので、すべての光キャリアが受ける電場が等しいため光キャリアの移動速度のばらつきが抑制される。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、パルス時間幅がより狭く安定な遠赤外電磁波パルスを放射することができる。また、光伝導素子を検出用として用いる場合、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をさらに正確に反映して検出感度がさらに向上する。
【００３５】
この光伝導膜の好適な材料としては、低温成長されたガリウム砒素がある。また、基板の好適な材料としては、半導体特に、半絶縁性ガリウム砒素（SI−GaAs）がある。
【００３６】
請求項１に記載の光伝導素子は、例えば、時系列変換パルス分光装置等の放射部又は検出部において用いることができるが、これに限定されない。また、光伝導素子のアンテナは、ダイポール型のものであるが、ボウタイ型等の他の型のアンテナであってもよい。
【００３７】
請求項２に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内にのみ備えられ、かつ、前記一対のアンテナ部の両方に対して前記光伝導膜の側面で電気的に接続して成ることを特徴とする。
【００３８】
この光伝導素子では、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内にしか存在しないので、遠回りしてアンテナに向かう光キャリアは存在せず、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をより正確に反映して検出感度が向上する。
【００３９】
尚、光伝導膜及び電極膜の形成は公知の膜作製技術を用いることができる。
【００４０】
請求項３に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部と、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部とに備えられ、前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜に電気的に接続し、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜に電気的に接続していることを特徴とする。
【００４１】
この光伝導素子では、光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域に備わる光伝導膜で生成されたものであるため、遠回りせずにアンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。
【００４２】
尚、請求項３に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜が、前記電極膜非射影領域の一部に備える場合を完全に排除するものではない。ただし、この場合、前記電極膜非射影領域の一部に備えた光伝導膜が、前記有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜には電気的に接続せずかつ前記一対の電極膜の両方には電気的に接続していない構成とする必要がある。これによって、遠赤外電磁波パルスの発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜だけとなり、仮に、非有効光キャリア生成領域に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合は瞬間電流を成す光キャリアに比べて無視することができる。
【００４３】
また、請求項３に記載の光伝導素子は、例えば、基板上の一部に光伝導膜を形成し、その後に、励起光の入射方向から見てこの光伝導膜を一対のアンテナ部で挟むような構成で電極膜を形成することにより作製が可能である。尚、光伝導膜及び電極膜の形成は公知の膜作製技術を用いることができる。
【００４４】
請求項４に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材を備え、該ピンホール部材は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように配置されていることを特徴とする。
【００４５】
この光伝導素子は、基板の表側（光伝導膜や電極膜が形成されている側）から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのはピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子では、ピンホールの径や形状、光伝導膜に対する相対位置を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００４６】
尚、請求項４に記載の光伝導素子は、このピンホール部材と前記光伝導膜及び前記電極膜を備えた基板との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール部材を金属で作製する場合には、ピンホール部材と電極膜の間を絶縁するための層を介在させた構成とする。
【００４７】
請求項５に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜を備え、前記ピンホール薄膜は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように配置されていること光又はサンプリングパルス光が透過しない光学的遮光材から成る薄膜であることを特徴とする。
【００４８】
この光伝導素子は、基板の表側（光伝導膜や電極膜が形成されている側）から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのはピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホールの径や層厚を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００４９】
尚、請求項５に記載の光伝導素子は、このピンホール薄膜と前記光伝導膜及び前記電極膜を備えた基板との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール薄膜を金属で作製する場合には、ピンホール薄膜と電極間の間を絶縁するための層を介在させた構成とする。
【００５０】
請求項６に記載の光伝導素子は、請求項１から５のいずれか一項に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたを特徴とする。
【００５１】
この光伝導素子では、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上する。
【００５２】
この透明保護膜の好適な材料としては、二酸化シリコン等がある。透明保護膜はＣＶＤ法等の通常の膜作製技術により作製可能である。
【００５３】
請求項７に記載の赤外放射素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５４】
請求項８に記載の赤外放射素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５５】
請求項７及び８に記載の赤外放射素子では、光伝導素子で発生したパルス時間幅の狭い遠赤外電磁波パルスが空間的に拡がるのを抑えて効率よく試料側へ送ることができる。
【００５６】
請求項９に記載の検出素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５７】
請求項１０に記載の検出素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５８】
請求項９及び１０に記載の検出素子では、基板内での多重反射（スペクトルにおける干渉の影響）を軽減することが可能となるので、検出感度が向上する。
【００５９】
尚、請求項７から１０に記載の超半球又は半球レンズの好適な例としては、シリコン、特に高抵抗のシリコンから成るものがあげられる。
【００６０】
請求項１１に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、前記基板がピンホールを備え、該ピンホールの前記励起光の入射方向における基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように前記基板が配置されていることを特徴とする。
【００６１】
この光伝導素子は、基板の裏側から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのは基板のピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホールの径を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００６２】
請求項１２に記載の光伝導素子は、請求項１１に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたことを特徴とする。
【００６３】
この光伝導素子では、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上する。二酸化シリコンが透明保護膜の好適な材料の例である。
【００６４】
尚、請求項１１又は１２のいずれかに記載の光伝導素子は、基板の表側に超半球レンズあるいは半球レンズを備えて赤外放射素子あるいは検出素子として用いることもできる。また、超半球又は半球レンズの好適な例としては、シリコン製のものがあげられる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子の実施形態に図を用いて説明する。尚、図面を通して同等な部材については同じ符号を用いている。また、図示された形状は例示であって、それらに限定するものではない。
【００６６】
図５に、本発明の光伝導素子の第１の実施形態の概略構成図を示す。図６は、光伝導素子のアンテナ部近傍の斜視図である。
【００６７】
この光伝導素子３０は、互いのアンテナ部２３ａ，２４ａが微小間隙部Ｄで離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜２３，２４と光伝導膜３２とを基板２１上に備えたものであり、光伝導膜３２に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する。
【００６８】
基板は例えば、半絶縁性ガリウム砒素（SI−GaAs）から成り、光伝導膜は例えば、低温成長ガリウム砒素（LT−GaAs）から成る。
【００６９】
ここで、基板２１の面は、図７に示すように、有効光キャリア生成領域Ｄ’と、電極膜射影領域２３’、２４’及び電極膜非射影領域２８’から成る非有効光キャリア生成領域とから成る。ここで、有効光キャリア生成領域Ｄ’は、励起光の入射方向における微小間隙部Ｄの基板面への射影領域であり、電極膜射影領域２３，２４は、励起光の入射方向における電極膜２３，２４の基板面への射影領域であり、電極膜非射影領域２８’は、電極膜射影領域２３’，２４’以外の非有効光キャリア生成領域である。
【００７０】
ここで、微小間隙部とは、励起光の入射方向から見て、一方のアンテナ部の最先端を成す最先端輪郭線とそのアンテナ部の側面を成す２本の側面輪郭線との２つの交点をａ，ｂ、他方のアンテナ部の最先端輪郭線とその２つの交点をｃ，ｄとしたときにアンテナ間の近接する交点同士を結んだ２つの線分ａｃ及びｂｄと、前記一方のアンテナ部の最先端を成す最先端輪郭線と、前記他方のアンテナ部の最先端輪郭線と、によって囲まれた領域をいう。
この実施形態では、電極膜２３、２４のアンテナ２３ａ、２４ａは、励起光の入射方向から見て矩形であって、アンテナの最先端輪郭線及び側面輪郭線はそれぞれほぼ直線である。従って、この場合の微小間隙部Ｄは、励起光の入射方向から見てａ，ｂ，ｃ，ｄを頂点とする平面視矩形形状である。また、アンテナ部間の向かい合った最先端輪郭線ａｂとｃｄとは互いに平行である。
【００７１】
光伝導膜３２は、基板２１面上の有効キャリア生成領域Ｄ’内にのみ備えられているため、光キャリアは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えられた光伝導膜３２においてのみ生成される。また、光伝導膜３２は、一対のアンテナ部２３ａ，２４ａの両方に対して光伝導膜３２の側面で電気的に接続しているので、アンテナ間にバイアス電圧が印加されると、生成された光キャリアはアンテナ部に向かって移動する。
【００７２】
この光伝導素子３０のアンテナは、ダイポール型のものであるが、ボウタイ型等の他の型のアンテナであってもよい。この光伝導素子３０では、各アンテナ部は平面視矩形形状であり、前記の一対の電極膜にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄに空間的に均一な電場を形成される。バイアス電圧は直流、交流のいずれでもよい。
【００７３】
このように電極のアンテナ部間の微小間隙部にだけ光伝導膜を形成する際、通常の半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術等、公知の膜作製技術を用いることができる。
【００７４】
この光伝導素子では、光キャリアが生成される光伝導膜３２は有効光キャリア生成領域Ｄ’内にしか存在しない。また、電極膜２３、２４のアンテナ２３ａ、２４ａは図５で示したような平面視矩形形状であるため、電極膜２３，２４にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄには空間的に均一な電場を形成される。従って、励起光により生成されたすべての光キャリアが受ける電場が等しくなるため、光キャリアの移動速度のばらつきが抑制される。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、従来の光伝導素子に比べてパルス時間幅がより狭く安定な遠赤外電磁波パルスを放射することができる。また、光伝導素子を検出用として用いる場合、従来の光伝導素子に比べて検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をより正確に反映して検出感度がさらに向上する。
【００７５】
図８に、本発明の光伝導素子の第２の実施形態の概略構成を示す。また、図９は、図８の１点破線ＣＣ’で示した断面図である。この光伝導素子４０は、光伝導膜４２が、前記基板２１面上の有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部（符号４２ｂで示した部分）と、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部（符号４２ａ、４２ｃで示した部分）とに備えられ、有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ｂは、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ａに電気的に接続し、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ａ、４２ｃは、電極膜２４ａ、２３ａに電気的に接続している。この例では、形成された光伝導膜は励起光の入射方向から見て円形であり、その直径がアンテナの幅より小さいために、光伝導膜４２ｂは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に収まっている。
【００７６】
この実施形態の光伝導素子は、例えば、半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術を利用して、基板上の一部に穿孔を有するマスクを介して光伝導膜を形成し、その後に、励起光の入射方向から見てこの光伝導膜を一対のアンテナ部で挟むような構成に電極膜を形成することにより作製が可能である。
【００７７】
尚、この実施形態の光伝導素子では、光伝導膜が有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部及び電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部以外に、さらに電極膜非射影領域２８’の一部にも備える場合を含む。この場合は、電極膜非射影領域２８’の一部に備えた光伝導膜４２は、有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えた光伝導膜４２ｂには電気的に接続せずかつ一対の電極膜２３，２４の両方には電気的に接続していない構成とするのが好ましい。この構成とすることにより、遠赤外電磁波パルスの発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えた光伝導膜４２ｂだけとなり、仮に、非有効光キャリア生成領域２８’に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合となるので、瞬間電流を成す光キャリアに比べて無視することができるからである。
【００７８】
この光伝導素子では、遠赤外電磁波パルスの放射を作る瞬間電流を成す光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域Ｄ’に備えられた光伝導膜で生成されたものであるため、アンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。
【００７９】
図１０に、本発明の光伝導素子の第３の実施形態の概略構成を示す。この光伝導素子５０は、基板２１上に順に光伝導膜２２と電極膜２３、２４とを備え、さらにその上にピンホール５５を有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材５１を備え、このピンホール部材５１は、励起光の入射方向におけるピンホール５５の基板２１面への射影が有効キャリア生成領域２３’内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。
【００８０】
このピンホール部材の材料としては、励起光源としてチタンサファイアレーザーを用いる場合は、例えば、ガリウム砒素やシリコン等が使用可能である。また、電極との間に励起光を透過する絶縁性の膜（例えば、二酸化シリコン）を形成することによって、金属を使用することも可能である。ピンホール５５の形状は矩形が好適であるが、円形、楕円形も使用可能である。
【００８１】
この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜２２を照射するのはピンホール５５を抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域２３’内に備えられた部分だけのものとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホール部材５１のピンホール５５の径や光伝導膜に対する相対位置を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００８２】
尚、この光伝導素子は、このピンホール部材５１と前記光伝導膜２２及び前記電極膜２３，２４を備えた基板２１との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール部材５１を金属で作製した場合には、ピンホール部材５１と電極膜２３，２４の間を絶縁するための層を介在させる。
【００８３】
図１１に、本発明の光伝導素子の第４の実施形態の概略構成を示す。図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は平面図であり、図１１（ｃ）は励起光透過絶縁膜６３を形成する前の平面図である。この光伝導素子６０は、超半球レンズ６６の上に順にベース膜２１’と光伝導膜２２と電極膜２３、２４とを備え、さらにその上にピンホール６５を有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜６１を備え、このピンホール薄膜６１は、励起光の入射方向におけるピンホール６５のベース膜２１’面への射影が有効キャリア生成領域２３’内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。また、この実施形態では、光伝導膜２２及び電極膜２３、２４の上に、さらに金属から成るピンホール薄膜６１と電極膜２３，２４の間の絶縁性を保証しかつ励起光が透過する励起光透過絶縁膜６３を備えていることも特徴としている。励起光透過絶縁膜６３は、図１１（ｂ）においては平面視円状に見えているが、楕円等の他の形状でもよい。さらにまた、図１１は、赤外放射素子又は検出素子の実施形態でもある。
【００８４】
ここで、ベース膜は、光伝導膜を超半球レンズの上に直接形成した場合には格子定数の差から良質の光伝導膜が形成できないという不都合をがあり、それを回避するために下地として設けるものである。これによって、光伝導素子の放射及び検出において最も重要な構成要素である光伝導膜の良好な膜質が保証される。例えば、光伝導膜が低温成長ガリウム砒素（LT-GaAs）である場合に、ベース膜２１として半絶縁性ガリウム砒素（SI-GaAs）から成るものを用いることができる。
【００８５】
金属から成るピンホール薄膜６１としては、例えば、Au/Cu/FeO膜が好適な例である。
【００８６】
この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜２２を照射するのはピンホール６５を抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域２３’内に備えられた部分だけのものとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホール薄膜６１のピンホール６５の径または形状を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。ピンホールの形状は矩形が好適であるが、円形、楕円形も使用可能である。さらに、励起光透過絶縁膜６３の層厚を変えることによっても、ピンホール薄膜６１と光伝導膜２２との距離、すなわち、ピンホール６５の光伝導膜２２に対する相対位置を変えることによっても、光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００８７】
このようなピンホール薄膜は、通常の半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術を利用して作製することができる。
【００８８】
また、この光伝導素子では、励起光透過絶縁膜６３は保護膜としても作用し、光伝導膜２２に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避される。励起光透明絶縁膜の好適な例としては、SiO2等がある。超半球又は半球レンズの好適な材料としては、シリコン、特に高抵抗シリコンがある。
【００８９】
このような励起光透過絶縁膜は、通常の物理的気相成長法を用いて作製することができる。
【００９０】
また、基板の面に超半球又は半球レンズを設置する方法としては従来技術の他に、シリコンレンズに直接ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓ、電極を蒸着することも可能である。
【００９１】
図１２は、図１１で示した実施形態において、さらに、ピンホール薄膜６１と励起光透過絶縁膜６３との間に誘電体反射防止膜６８を備えたものであって、超半球レンズに直接、ベース膜、光伝導膜等が形成された実施形態を示したものである。
【００９２】
図１３に示すように、図５で示した第１の実施形態の光伝導素子において、さらにその上に透明保護膜７３を備えた実施形態を示すしたものである。この透明保護膜７３によって光伝導膜２２に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避される。透明保護膜の好適な例としては、二酸化シリコン等がある。
【００９３】
図１４は、光伝導膜２２、電極膜２３，２４、励起光透過絶縁膜６３、誘電体反射防止膜６８、ピンホール薄膜６１に、透明保護膜７３を順に備えた基板２１の裏側に超半球レンズ６６を具備した実施形態を示すものである。また、励起光の集光に透明保護膜７３の上に超半球レンズを備えている。
【００９４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子によれば、以下のような効果を奏する。
【００９５】
請求項１に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。
【００９６】
請求項２に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。
【００９７】
請求項３に記載の光伝導素子によれば、光光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜及び電極膜の形成が比較的容易であるという効果を奏する。
【００９８】
請求項４に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【００９９】
請求項５に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【０１００】
請求項６に記載の光伝導素子によれば、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されているので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避できると共に耐久性が向上するという効果を奏する。
【０１０１】
請求項７及び８に記載の赤外放射素子によれば、光伝導素子で発生したパルス時間幅の狭い遠赤外電磁波パルスが拡がるのを抑えて効率よく試料側へ送ることができるという効果を奏する。
【０１０２】
請求項９及び１０に記載の検出素子によれば、基板内での多重散乱を軽減することが可能となるので、検出感度が向上するという効果を奏する。
【０１０３】
請求項１１に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上するいう効果を奏する。また、この光伝導素子ではピンホールの径を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【０１０４】
請求項１２に記載の光伝導素子によれば、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の時系列変換パルス分光装置の概略構成図である。
【図２】 従来の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図３】 図２で示した光伝導素子のＡＡ’線断面図である。
【図４】 電極膜のアンテナ間の電場の様子を示す電場の電気力線の模式図である。
【図５】 本発明に係る第１の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図６】 図５で示した光伝導素子の斜視図である。
【図７】 本発明で用いる基板の平面図である。
【図８】 本発明に係る第２の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図９】 図８で示した光伝導素子のＣＣ’線断面図である。
【図１０】 本発明に係る第３の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図１１】 本発明に係る第４の実施形態の光伝導素子の概略構成を示すものであって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は励起光透過絶縁膜を形成する前の平面図である。
【図１２】 図１１で示した実施形態において、さらに誘電体反射防止膜を備えたものを示す断面図である。
【図１３】 図５で示した実施形態において、さらに透明保護膜を備えたものを示す断面図である。
【図１４】 ピンホール薄膜の上に透明保護膜を備え、その上に励起光の集光に超半球レンズを備えた実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 励起源
２ ビームスプリッタ
３ 光チョッパ
４ 対物レンズ
５ パルス光放射素子
６，７，９，１０ 放物面鏡
８ 試料
１２ 検出手段（検出器）
１３，１４ 遅延手段
１５ 電流増幅器
１６ ロックインアンプ
１７ コンピュータ
１８、１９ 超半球シリコンレンズ
２０ 光伝導素子
２１ 基板
２２ 光伝導膜
２３、２４ 電極膜
２３’、２４’ 電極膜射影領域
２３ａ、２４ａ アンテナ部
２６、２７ 電気力線
２８’ 電極膜非射影領域
３０ 光伝導素子
３２ 光伝導膜
４０ 光伝導素子
４２ 光伝導膜
４２ａ 電極膜射影領域に形成された光伝導膜
４２ｂ 有効光キャリア生成領域に形成された光伝導膜
５０ 光伝導素子
５１ ピンホール部材
５５ ピンホール
６０ 光伝導素子
６１ ピンホール薄膜
６３ 励起光透過絶縁膜
６５ ピンホール
６６ 超半球レンズ
６８ 誘電体反射防止膜
７３ 透明保護膜
Ｄ 微小間隙部
Ｄ’ 有効光キャリア生成領域
Ｌ１ 励起パルス光（ポンプパルス光）
Ｌ２ 入射遠赤外電磁波パルス
Ｌ３ 透過遠赤外電磁波パルス
Ｌ４ サンプリングパルス光
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、時系列変換パルス分光装置の放射部又は検出部において使用される光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
1980年代にパルス状の遠赤外領域の電磁波放射及び検出が可能となり、それを受けて、近年、このパルス状の遠赤外領域の電磁波を用いた時系列変換パルス分光法が開発された。
【０００３】
従来の分光法では光の強度（電磁波の電場の振幅の二乗）しか得られなかったが、時系列変換パルス分光法では、電磁波の電場の時間変化を直接測定することから、電磁波の電場の振幅だけでなく、その位相をも得ることができるというユニークな特徴を持っている。従って、試料がない場合と比較することによって、振幅スペクトルだけでなく位相シフトスペクトルを得ることができる。位相シフトは波数ベクトルと比例することから、この分光法を用いて試料中の分散関係を決定することができ、この分散関係からは例えば、誘電体材料の誘電率を知得することも可能となる（特開２００２−２７７３９４号公報参照）。従って、例えば、近年、携帯電話等に有効なメモリとして期待されている強誘電体メモリにおける強誘電体薄膜の誘電率の非破壊測定も可能となる。
【０００４】
図１に、時系列変換パルス分光装置の概要を示す。
【０００５】
符号１はフェムト秒レーザを放射する励起源である。励起源１から放射されたフェムト秒レーザ光は、ビームスプリッタ２で分割される。一方のフェムト秒レーザパルスは、パルス励起光（ポンプパルス光）Ｌ１としてパルス光放射素子５に照射される。このとき、パルス励起光Ｌ１は光チョッパ３により変調された後、対物レンズ４によって集光される。このパルス光放射素子５は例えば光伝導素子であり、パルス励起光Ｌ１が照射されたときに瞬間的に電流が流れ、遠赤外電磁波パルスＬ２を放射する。この遠赤外電磁波パルスＬ２は、放物面鏡６、７により集光され測定試料８に照射される。その試料８の透過ないし反射電磁波（ここでは透過電磁波）Ｌ３は、放物面鏡９、１０により集光され、検出器１２に導光される。
【０００６】
他方のフェムト秒レーザは、サンプリングパルス光（励起光）Ｌ４として検出器１２に導光される。この検出器１２も例えば光伝導素子であり、サンプリングパルス光Ｌ４で照射され、その瞬間だけ導電性となり、その瞬間の試料８からの透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の強度を電流として検出することができる。ビームスプリッタ２から検出器１２に到達するまでの時間を遅延手段１３、１４で変えることにより、試料を透過して来た透過遠赤外電磁波パルスＬ３の時間波形を得ることができる。
【０００７】
検出用の光伝導素子はサンプリングパルス光Ｌ４を照射している瞬間試料からの透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場振幅に対応する電流を検出する。すなわち、透過遠赤外電磁波パルスの電場振幅が光伝導素子の電極の微小アンテナ間においてバイアス電圧として働き、その電場振幅に比例する電流が流れ、この電流の大きさと符号とを検出する。サンプリングパルス光の時間幅は透過遠赤外電磁波パルスＬ３の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。すなわち、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較してサンプリングパルス光Ｌ４の照射時間は短い。そのため、サンプリングパルス光Ｌ４が照射している間の光伝導素子に流れる電流は透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場のごく短い照射時間部分に依存し、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場のうち遅延手段１３、１４による時間遅延によって決められた時間部分のみが電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことにより透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の他の部分も測定でき、透過遠赤外電磁波パルスＬ３の電場の時間波形を得ることができる。
【０００８】
試料８の透過遠赤外電磁波パルスの電場強度の各時間分解データは、信号処理手段によって処理される。すなわち、ロックインアンプ１６を介してコンピュータ１７に伝送され、順次、時系列データに記憶され、一連の時系列データを、該コンピュータ１７でフーリエ変換処理して振動数（周波数）空間に変換することにより、試料８の透過遠赤外電磁波パルスの振幅及び位相の分光スペクトルが得られる。すなわち、試料からの透過遠赤外電磁波パルスの電場の時間変化を、光伝導素子の微小アンテナ間の電流の大きさと向きとして時系列で記録し、それをフーリエ変換により、透過遠赤外電磁波パルスの振幅及び位相スペクトルを得る。
【０００９】
以上のように、新しい原理に基づいた時系列変換パルス分光装置において、従来の分光装置例えば、フーリエ変換赤外分光装置（ＦＴＩＲのような）と比較してそのユニークな特徴を担っているのが、遠赤外電磁波パルスの光源部（放射素子）と検出部（検出素子）である。そして、その代表的な素子が、例として挙げた光伝導素子であり、光伝導素子は放射及び検出のいずれにも使用できるものである。
【００１０】
図２に、遠赤外電磁波パルスの発生（放射）及び検出に用いる代表的な光伝導素子である、ダイポール型のアンテナの概略構成を示す。図３は、図２の１点破線ＡＡ’で示した断面図である。
【００１１】
この光伝導素子２０は、図のように半導体基板２１、例えば、ガリウム砒素（GaAs）基板上に光伝導膜２２を形成し、その上に、それぞれ中央部に微小なアンテナ部２３ａ、２４ａを有する一対の電極膜２３、２４を蒸着することによって作製する。電極膜のアンテナ部は互いに微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置され、各アンテナ部は一対の電極膜に直流のバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄに均一な電場を形成できるような形状に形成される。光伝導膜は、1ps以下の光キャリア寿命、高い光キャリア移動度、高い耐電圧を有することが必要であり、現在は低温成長させたガリウム砒素（LT−GaAs）膜が使用される場合が多い。
【００１２】
放射素子として光伝導素子を用いる場合は通常、直流のバイアス電圧を印加した状態で用いるが、光伝導膜のうち、アンテナ部の微小間隙部近傍の領域を時間幅が100フェムト秒程度のレーザーパルス光で励起すると、光キャリア（電子と正孔）が生成され、それらがバイアス電圧に応じて移動することによって瞬間電流が流れ、この電流の時間微分に比例した遠赤外電磁波パルスが発生（双極子放射）する。そのパルス幅は1ps以下（例えば、500fs程度）である。放射された遠赤外電磁波パルスは光伝導素子の基板側から強く放射される。
【００１３】
また、微小ダイポールアンテナから放射された遠赤外電磁波パルスは通常、光伝導素子の基板側に配置された高抵抗シリコンの超半球（もしくは半球）レンズ１８により光の拡がりを抑えつつ放物面鏡へ送られコリメートされた後、絞って試料に照射される。
【００１４】
一方、検出素子として光伝導素子を用いる場合、電極の微小アンテナ間を流れる検出電流が微弱なため、通常、低雑音電流アンプと共に使用される。すなわち、光伝導膜のうち、アンテナ部の微小間隙部近傍の領域がサンプリングパルス光によって励起されると光キャリアが生成され、この光キャリアは試料から反射又は透過してきた遠赤外電磁波パルスの電場強度をバイアス電圧として電極まで移動し、こうして流れた微弱な電流は低雑音電流アンプにより１０７倍程度増幅されて検出される。こうして、遠赤外電磁波パルスの符号を含めた電場強度がアンテナ間を流れる電流として検出される。
【００１５】
また、検出用の光伝導素子の基板（例えば、半絶縁性ガリウム砒素）側にも高抵抗シリコンの超半球（もしくは半球）レンズ１９が配置されている。この領域の電磁波に対する半絶縁性ガリウム砒素及び高抵抗シリコンの屈折率はそれぞれ、3.6及び3.42と近いため、光伝導膜の表面の位置が超半球（もしくは半球）シリコンレンズの中心からｒ／ｎ（ｒ：超半球レンズの半径、ｎ:屈折率、ただし、半球の場合は中心）の距離に光伝導膜が位置するような構成をとることによって、試料から反射又は透過された遠赤外電磁波パルスは超半球（もしくは半球）シリコンレンズにより光伝導膜の表面に焦点が形成されるようになっている。
【００１６】
ここで、放射素子として光伝導素子を用いる場合、光伝導素子から放射される遠赤外電磁波パルスは、電極のアンテナ間を流れる電流によって生成され、この電流の時間微分によって表される。従って、パルス時間幅の狭いシャープな遠赤外電磁波パルスを得るためには、各光キャリアの電極微小アンテナ間の移動が同じ挙動となる構成であるのが望ましい。また、光伝導素子からの遠赤外電磁波パルスを安定に放射させるためには、同じ条件で照射されたポンプパルス光に対して同数の光キャリアが生成される構成であるのが望ましい。
【００１７】
また、検出用の光伝導素子においては、試料から反射又は透過してきた遠赤外電磁波パルスの電場強度は電極のアンテナ間を流れる微弱電流（より微視的には、光キャリアの移動）として検出される。放射用光伝導素子の場合と同様に、電流は単位時間に流れる電荷量なので、高検出感度で安定に測定を行うためには、光伝導素子は、励起光により生成される各光キャリアの電極間の移動時間及び光キャリアの数は測定毎に変動しない構成となっていることが望ましい。
【００１８】
以上のように、光伝導素子は放射素子又は検出素子のいずれとして用いる場合にも、放射パルスの時間幅や検出感度等の性能は、光伝導膜のうち、微小アンテナ部の微小間隙部近傍の領域に生成される各光キャリアの電極の微小アンテナ間の移動時間及び光キャリアの数に依存する。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００３−１３１１３７号公報
【特許文献２】
特開２００３−１１５６２５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３６８２５０号公報
【特許文献４】
特開２００２−２５７６２９号公報
【特許文献５】
特開２００２−２２３０１７号公報
【特許文献６】
特開２００１−１４８５０２号公報
【特許文献７】
特開２０００−２７５１０５号公報
【特許文献８】
特開２０００−２７５１０３号公報
【特許文献９】
特開２０００−２４３６２１号公報
【特許文献１０】
特開２０００−２３５２０３号公報
【特許文献１１】
特開２０００−０４９４０２号公報
【非特許文献１】
Ｄ．Ｈ．オースチン（D.H.Auston）、Ｋ．Ｐ．チャン（K.P.Cheung）、Ｐ．Ｒ．スミス（P.R.Smith）著、アプライド・フィジクス・レターズ（Appl.Phys.Lett）45（1984）284
【非特許文献２】
Ｍ．タニ（M.Tani）、Ｓ．マツウラ（S.Matsuura）、Ｋ．サカイ（K.Sakai）、Ｓ．ナカムラ（S.Nakamura）著、アプライド・オプティクス（Appl.Opt.）36（1997）7853
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、励起用のパルスレーザー光はレンズによって集光されるため、光伝導膜の照射領域はアンテナ間の間隙程度の径を持つ円形となり、その領域内での空間強度分布が存在し、そのため、レーザー光の照射位置がわずかに変化した場合でも、放射される遠赤外電磁波パルスにおいて明確な違いとして現れる。遠赤外電磁波パルスの生成に関わる電流は光キャリアの数及び移動速度に比例するためである。特に、放射用の光伝導素子の発生においては、電極間に印加される電圧によって生じる微小アンテナ間隙近傍の電場は図４に示すようにアンテナ間隙とその周辺部ではその大きさ及びその方向の変化は異なっている。図中において、符号２６、２７はそれぞれ、微小アンテナ間隙内での電気力線及びその周辺部での電気力線の一例を示す。そのため、アンテナ間隙以外の領域では光キャリアはアンテナからアンテナまでの最短方向を動かない。この結果、放射される遠赤外電磁波パルスのパルスの時間幅が広がってしまうという問題がある。光キャリアの移動速度は受ける電場の大きさに比例するところ、アンテナ間隙以外の領域に生成された光キャリアはその移動速度も、アンテナ間隙領域に生成された光キャリアのそれとは異なり低いため、パルスレーザー光がアンテナ間隙以外の領域に照射されると遠赤外電磁波パルスの放射効率が低下してしまうという問題がある。
【００２１】
また、検出用の光伝導素子の場合も、サンプリングパルス光の照射位置がずれてアンテナ間隙以外の領域を照射すると、その領域からの光キャリアはアンテナ間の微小間隙部のものとは異なる角度でアンテナに向かう。この場合、例えば、ダイポールアンテナの場合、光キャリアについてアンテナの先端部に入射するものとアンテナの側面部に入射するものが存在するというようにことになる。すなわち、アンテナの先端部に入射する光キャリアとアンテナの先端部以外に入射する光キャリアとが検出電流に寄与することになる。従って、検出される遠赤外線パルスがアンテナ近傍で空間的に一様な電場を形成している場合でも、検出電流がその遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映せず、検出感度が低下又は変動してしまうという問題があった。
【００２２】
さらに、従来の方法では、アンテナの間隙が狭いにもかかわらず、その間隙に埃などが付着して電極間がショートして、突然、光伝導素子が使用できなくなるという問題もあった。
【００２３】
さらにまた、特に、光伝導膜のアンテナの間隙部分に空気中の水分等が吸着し、それがレーザー光の照射によって酸化するために劣化し易いという問題もあった。
【００２４】
従って、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、放射素子として使用する場合にはパルス時間幅が狭く安定に遠赤外電磁波パルスを放射することができ、検出素子として使用する場合にはテラヘルツパルス光を高い感度で検出することができる光伝導素子を提供することを目的とする。
【００２５】
また、本発明は、パルス時間幅が狭く安定に遠赤外電磁波パルスを放射することができる光伝導素子に超半球又は半球シリコンレンズを備えた赤外放射素子を提供することを目的とする。
【００２６】
また、本発明は、遠赤外電磁波パルスを高い感度で検出することができる光伝導素子に超半球又は半球シリコンレンズを備えた検出素子を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、以下の構成を採用した。
請求項１に記載の光伝導素子は、互いのアンテナ部が微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜と光伝導膜とを基板上に備え、前記光伝導膜に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する光伝導素子において、前記基板の面は、有効光キャリア生成領域と、電極膜射影領域及び電極膜非射影領域から成る非有効光キャリア生成領域とから成り、前記有効光キャリア生成領域は、前記励起光の入射方向における前記微小間隙部の基板面への射影領域とされ、前記電極膜射影領域は、前記励起光の入射方向における前記電極膜の基板面への射影領域とされ、前記電極膜非射影領域は、前記電極膜射影領域以外の非有効光キャリア生成領域とされ、前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成されるように構成されたことを特徴とする。
【００２８】
請求項１に記載の「微小間隙部」における“微小”とは、電極膜のうちアンテナ部以外の部分の間隙に比して微小であることを意味する。
【００２９】
また、請求項１に記載の「有効光キャリア生成領域」とは、基板面上の仮想領域であって、光伝導素子において、光キャリアを生成する領域として最適であると考えられる領域である。
【００３０】
さらに、請求項１に記載の発明には、「電極膜射影領域」に、電極膜が直接形成される場合、光伝導膜がまず形成されその上に電極膜が形成される場合、及び、その一部に電極膜が直接形成されかつ他の一部には光伝導膜がまず形成されその上に電極膜が形成される場合も含まれる。
【００３１】
さらにまた、請求項１に記載の「有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成される」との記載は、光伝導膜を備える領域を有効光キャリア生成領域内に限定するものではなく、有効光キャリア生成領域内の他に、電極膜射影領域内あるいは電極膜非射影領域内のいずれか又はその両方にも備えてよいが、遠赤外電磁波パルスを発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜だけであるとの意である。従って、仮に、非有効光キャリア生成領域に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合は前記記載の「前記光キャリアが生成される」には含まれない。
【００３２】
請求項１に記載の光伝導素子では、光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域に備わる光伝導膜で生成されるため、遠回りせずにアンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。ここで、「アンテナ間の最短距離を移動」とは、光キャリアが、励起光の照射方向から見て、非有効光キャリア生成領域を通過せずに（アンテナ部の微小間隙部のものとは異なる角度で入射せず）有効光キャリア生成領域のみを通過してアンテナに向かうことを意味する。また、「遠回り」とは、光キャリアが例えば、図４の符号２７で示した電場に沿って移動する場合のように、励起光の照射方向から見て、非有効光キャリア生成領域を通過してアンテナに向かうことを意味する。
【００３３】
請求項１に記載の光伝導素子を遠赤外電磁波パルスの放射用として用いる場合、光伝導素子における電極膜のアンテナ部の形状は、一対の電極膜にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部に空間的に均一な電場を形成できる形状を有するのが好ましい。
【００３４】
この態様では、電極膜のアンテナ部間には空間的に均一な電場が形成されるので、すべての光キャリアが受ける電場が等しいため光キャリアの移動速度のばらつきが抑制される。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、パルス時間幅がより狭く安定な遠赤外電磁波パルスを放射することができる。また、光伝導素子を検出用として用いる場合、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をさらに正確に反映して検出感度がさらに向上する。
【００３５】
この光伝導膜の好適な材料としては、低温成長されたガリウム砒素がある。また、基板の好適な材料としては、半導体特に、半絶縁性ガリウム砒素（SI−GaAs）がある。
【００３６】
請求項１に記載の光伝導素子は、例えば、時系列変換パルス分光装置等の放射部又は検出部において用いることができるが、これに限定されない。また、光伝導素子のアンテナは、ダイポール型のものであるが、ボウタイ型等の他の型のアンテナであってもよい。
【００３７】
請求項２に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内にのみ備えられ、かつ、前記一対のアンテナ部の両方に対して前記光伝導膜の側面で電気的に接続して成ることを特徴とする。
【００３８】
この光伝導素子では、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内にしか存在しないので、遠回りしてアンテナに向かう光キャリアは存在せず、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をより正確に反映して検出感度が向上する。
【００３９】
尚、光伝導膜及び電極膜の形成は公知の膜作製技術を用いることができる。
【００４０】
請求項３に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部と、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部とに備えられ、前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜に電気的に接続し、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜に電気的に接続していることを特徴とする。
【００４１】
この光伝導素子では、光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域に備わる光伝導膜で生成されたものであるため、遠回りせずにアンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。
【００４２】
尚、請求項３に記載の光伝導素子において、前記光伝導膜が、前記電極膜非射影領域の一部に備える場合を完全に排除するものではない。ただし、この場合、前記電極膜非射影領域の一部に備えた光伝導膜が、前記有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜には電気的に接続せずかつ前記一対の電極膜の両方には電気的に接続していない構成とする必要がある。これによって、遠赤外電磁波パルスの発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域内に備えた光伝導膜だけとなり、仮に、非有効光キャリア生成領域に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合は瞬間電流を成す光キャリアに比べて無視することができる。
【００４３】
また、請求項３に記載の光伝導素子は、例えば、基板上の一部に光伝導膜を形成し、その後に、励起光の入射方向から見てこの光伝導膜を一対のアンテナ部で挟むような構成で電極膜を形成することにより作製が可能である。尚、光伝導膜及び電極膜の形成は公知の膜作製技術を用いることができる。
【００４４】
請求項４に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材を備え、該ピンホール部材は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように配置されていることを特徴とする。
【００４５】
この光伝導素子は、基板の表側（光伝導膜や電極膜が形成されている側）から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのはピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子では、ピンホールの径や形状、光伝導膜に対する相対位置を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００４６】
尚、請求項４に記載の光伝導素子は、このピンホール部材と前記光伝導膜及び前記電極膜を備えた基板との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール部材を金属で作製する場合には、ピンホール部材と電極膜の間を絶縁するための層を介在させた構成とする。
【００４７】
請求項５に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜を備え、前記ピンホール薄膜は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように配置されていること光又はサンプリングパルス光が透過しない光学的遮光材から成る薄膜であることを特徴とする。
【００４８】
この光伝導素子は、基板の表側（光伝導膜や電極膜が形成されている側）から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのはピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホールの径や層厚を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００４９】
尚、請求項５に記載の光伝導素子は、このピンホール薄膜と前記光伝導膜及び前記電極膜を備えた基板との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール薄膜を金属で作製する場合には、ピンホール薄膜と電極間の間を絶縁するための層を介在させた構成とする。
【００５０】
請求項６に記載の光伝導素子は、請求項１から５のいずれか一項に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたを特徴とする。
【００５１】
この光伝導素子では、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上する。
【００５２】
この透明保護膜の好適な材料としては、二酸化シリコン等がある。透明保護膜はＣＶＤ法等の通常の膜作製技術により作製可能である。
【００５３】
請求項７に記載の赤外放射素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５４】
請求項８に記載の赤外放射素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５５】
請求項７及び８に記載の赤外放射素子では、光伝導素子で発生したパルス時間幅の狭い遠赤外電磁波パルスが空間的に拡がるのを抑えて効率よく試料側へ送ることができる。
【００５６】
請求項９に記載の検出素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５７】
請求項１０に記載の検出素子は、請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする。
【００５８】
請求項９及び１０に記載の検出素子では、基板内での多重反射（スペクトルにおける干渉の影響）を軽減することが可能となるので、検出感度が向上する。
【００５９】
尚、請求項７から１０に記載の超半球又は半球レンズの好適な例としては、シリコン、特に高抵抗のシリコンから成るものがあげられる。
【００６０】
請求項１１に記載の光伝導素子は、請求項１に記載の光伝導素子において、前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、前記基板がピンホールを備え、該ピンホールの前記励起光の入射方向における基板面への射影が前記有効キャリア生成領域内に収まるように前記基板が配置されていることを特徴とする。
【００６１】
この光伝導素子は、基板の裏側から励起光を入射する態様で用いられる。この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜を照射するのは基板のピンホールを抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域内に備えられたものだけとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホールの径を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００６２】
請求項１２に記載の光伝導素子は、請求項１１に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたことを特徴とする。
【００６３】
この光伝導素子では、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上する。二酸化シリコンが透明保護膜の好適な材料の例である。
【００６４】
尚、請求項１１又は１２のいずれかに記載の光伝導素子は、基板の表側に超半球レンズあるいは半球レンズを備えて赤外放射素子あるいは検出素子として用いることもできる。また、超半球又は半球レンズの好適な例としては、シリコン製のものがあげられる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子の実施形態に図を用いて説明する。尚、図面を通して同等な部材については同じ符号を用いている。また、図示された形状は例示であって、それらに限定するものではない。
【００６６】
図５に、本発明の光伝導素子の第１の実施形態の概略構成図を示す。図６は、光伝導素子のアンテナ部近傍の斜視図である。
【００６７】
この光伝導素子３０は、互いのアンテナ部２３ａ，２４ａが微小間隙部Ｄで離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜２３，２４と光伝導膜３２とを基板２１上に備えたものであり、光伝導膜３２に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する。
【００６８】
基板は例えば、半絶縁性ガリウム砒素（SI−GaAs）から成り、光伝導膜は例えば、低温成長ガリウム砒素（LT−GaAs）から成る。
【００６９】
ここで、基板２１の面は、図７に示すように、有効光キャリア生成領域Ｄ’と、電極膜射影領域２３’、２４’及び電極膜非射影領域２８’から成る非有効光キャリア生成領域とから成る。ここで、有効光キャリア生成領域Ｄ’は、励起光の入射方向における微小間隙部Ｄの基板面への射影領域であり、電極膜射影領域２３，２４は、励起光の入射方向における電極膜２３，２４の基板面への射影領域であり、電極膜非射影領域２８’は、電極膜射影領域２３’，２４’以外の非有効光キャリア生成領域である。
【００７０】
ここで、微小間隙部とは、励起光の入射方向から見て、一方のアンテナ部の最先端を成す最先端輪郭線とそのアンテナ部の側面を成す２本の側面輪郭線との２つの交点をａ，ｂ、他方のアンテナ部の最先端輪郭線とその２つの交点をｃ，ｄとしたときにアンテナ間の近接する交点同士を結んだ２つの線分ａｃ及びｂｄと、前記一方のアンテナ部の最先端を成す最先端輪郭線と、前記他方のアンテナ部の最先端輪郭線と、によって囲まれた領域をいう。
この実施形態では、電極膜２３、２４のアンテナ２３ａ、２４ａは、励起光の入射方向から見て矩形であって、アンテナの最先端輪郭線及び側面輪郭線はそれぞれほぼ直線である。従って、この場合の微小間隙部Ｄは、励起光の入射方向から見てａ，ｂ，ｃ，ｄを頂点とする平面視矩形形状である。また、アンテナ部間の向かい合った最先端輪郭線ａｂとｃｄとは互いに平行である。
【００７１】
光伝導膜３２は、基板２１面上の有効キャリア生成領域Ｄ’内にのみ備えられているため、光キャリアは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えられた光伝導膜３２においてのみ生成される。また、光伝導膜３２は、一対のアンテナ部２３ａ，２４ａの両方に対して光伝導膜３２の側面で電気的に接続しているので、アンテナ間にバイアス電圧が印加されると、生成された光キャリアはアンテナ部に向かって移動する。
【００７２】
この光伝導素子３０のアンテナは、ダイポール型のものであるが、ボウタイ型等の他の型のアンテナであってもよい。この光伝導素子３０では、各アンテナ部は平面視矩形形状であり、前記の一対の電極膜にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄに空間的に均一な電場を形成される。バイアス電圧は直流、交流のいずれでもよい。
【００７３】
このように電極のアンテナ部間の微小間隙部にだけ光伝導膜を形成する際、通常の半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術等、公知の膜作製技術を用いることができる。
【００７４】
この光伝導素子では、光キャリアが生成される光伝導膜３２は有効光キャリア生成領域Ｄ’内にしか存在しない。また、電極膜２３、２４のアンテナ２３ａ、２４ａは図５で示したような平面視矩形形状であるため、電極膜２３，２４にバイアス電圧が印加されたときにアンテナ部間の微小間隙部Ｄには空間的に均一な電場を形成される。従って、励起光により生成されたすべての光キャリアが受ける電場が等しくなるため、光キャリアの移動速度のばらつきが抑制される。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、従来の光伝導素子に比べてパルス時間幅がより狭く安定な遠赤外電磁波パルスを放射することができる。また、光伝導素子を検出用として用いる場合、従来の光伝導素子に比べて検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度をより正確に反映して検出感度がさらに向上する。
【００７５】
図８に、本発明の光伝導素子の第２の実施形態の概略構成を示す。また、図９は、図８の１点破線ＣＣ’で示した断面図である。この光伝導素子４０は、光伝導膜４２が、前記基板２１面上の有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部（符号４２ｂで示した部分）と、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部（符号４２ａ、４２ｃで示した部分）とに備えられ、有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ｂは、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ａに電気的に接続し、電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部に備えた光伝導膜４２ａ、４２ｃは、電極膜２４ａ、２３ａに電気的に接続している。この例では、形成された光伝導膜は励起光の入射方向から見て円形であり、その直径がアンテナの幅より小さいために、光伝導膜４２ｂは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に収まっている。
【００７６】
この実施形態の光伝導素子は、例えば、半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術を利用して、基板上の一部に穿孔を有するマスクを介して光伝導膜を形成し、その後に、励起光の入射方向から見てこの光伝導膜を一対のアンテナ部で挟むような構成に電極膜を形成することにより作製が可能である。
【００７７】
尚、この実施形態の光伝導素子では、光伝導膜が有効キャリア生成領域Ｄ’内の少なくとも一部及び電極膜射影領域２３’、２４’内の少なくとも一部以外に、さらに電極膜非射影領域２８’の一部にも備える場合を含む。この場合は、電極膜非射影領域２８’の一部に備えた光伝導膜４２は、有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えた光伝導膜４２ｂには電気的に接続せずかつ一対の電極膜２３，２４の両方には電気的に接続していない構成とするのが好ましい。この構成とすることにより、遠赤外電磁波パルスの発生させる瞬間電流に実質的に寄与する光キャリアが生成されるのは有効光キャリア生成領域Ｄ’内に備えた光伝導膜４２ｂだけとなり、仮に、非有効光キャリア生成領域２８’に備えた光伝導膜に光キャリアが生成されたとしても、それがノイズと同程度以下の場合となるので、瞬間電流を成す光キャリアに比べて無視することができるからである。
【００７８】
この光伝導素子では、遠赤外電磁波パルスの放射を作る瞬間電流を成す光キャリアは全て、有効光キャリア生成領域Ｄ’に備えられた光伝導膜で生成されたものであるため、アンテナ間の最短距離を移動する。そのため、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。
【００７９】
図１０に、本発明の光伝導素子の第３の実施形態の概略構成を示す。この光伝導素子５０は、基板２１上に順に光伝導膜２２と電極膜２３、２４とを備え、さらにその上にピンホール５５を有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材５１を備え、このピンホール部材５１は、励起光の入射方向におけるピンホール５５の基板２１面への射影が有効キャリア生成領域２３’内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。
【００８０】
このピンホール部材の材料としては、励起光源としてチタンサファイアレーザーを用いる場合は、例えば、ガリウム砒素やシリコン等が使用可能である。また、電極との間に励起光を透過する絶縁性の膜（例えば、二酸化シリコン）を形成することによって、金属を使用することも可能である。ピンホール５５の形状は矩形が好適であるが、円形、楕円形も使用可能である。
【００８１】
この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜２２を照射するのはピンホール５５を抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域２３’内に備えられた部分だけのものとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホール部材５１のピンホール５５の径や光伝導膜に対する相対位置を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００８２】
尚、この光伝導素子は、このピンホール部材５１と前記光伝導膜２２及び前記電極膜２３，２４を備えた基板２１との間に他の層が介在する構成も含む。例えば、ピンホール部材５１を金属で作製した場合には、ピンホール部材５１と電極膜２３，２４の間を絶縁するための層を介在させる。
【００８３】
図１１に、本発明の光伝導素子の第４の実施形態の概略構成を示す。図１１（ａ）は断面図であり、図１１（ｂ）は平面図であり、図１１（ｃ）は励起光透過絶縁膜６３を形成する前の平面図である。この光伝導素子６０は、超半球レンズ６６の上に順にベース膜２１’と光伝導膜２２と電極膜２３、２４とを備え、さらにその上にピンホール６５を有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜６１を備え、このピンホール薄膜６１は、励起光の入射方向におけるピンホール６５のベース膜２１’面への射影が有効キャリア生成領域２３’内に収まるように配置されていることを特徴とするものである。また、この実施形態では、光伝導膜２２及び電極膜２３、２４の上に、さらに金属から成るピンホール薄膜６１と電極膜２３，２４の間の絶縁性を保証しかつ励起光が透過する励起光透過絶縁膜６３を備えていることも特徴としている。励起光透過絶縁膜６３は、図１１（ｂ）においては平面視円状に見えているが、楕円等の他の形状でもよい。さらにまた、図１１は、赤外放射素子又は検出素子の実施形態でもある。
【００８４】
ここで、ベース膜は、光伝導膜を超半球レンズの上に直接形成した場合には格子定数の差から良質の光伝導膜が形成できないという不都合をがあり、それを回避するために下地として設けるものである。これによって、光伝導素子の放射及び検出において最も重要な構成要素である光伝導膜の良好な膜質が保証される。例えば、光伝導膜が低温成長ガリウム砒素（LT-GaAs）である場合に、ベース膜２１として半絶縁性ガリウム砒素（SI-GaAs）から成るものを用いることができる。
【００８５】
金属から成るピンホール薄膜６１としては、例えば、Au/Cu/FeO膜が好適な例である。
【００８６】
この光伝導素子では、励起光のうち光伝導膜２２を照射するのはピンホール６５を抜けてくるものだけなので、光キャリアが生成される光伝導膜は有効光キャリア生成領域２３’内に備えられた部分だけのものとなり、光キャリアはすべてアンテナ間の最短距離を移動する。光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上する。また、この光伝導素子ではピンホール薄膜６１のピンホール６５の径または形状を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。ピンホールの形状は矩形が好適であるが、円形、楕円形も使用可能である。さらに、励起光透過絶縁膜６３の層厚を変えることによっても、ピンホール薄膜６１と光伝導膜２２との距離、すなわち、ピンホール６５の光伝導膜２２に対する相対位置を変えることによっても、光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができる。
【００８７】
このようなピンホール薄膜は、通常の半導体装置の製造の際に用いられるフォトリソグラフィ技術を利用して作製することができる。
【００８８】
また、この光伝導素子では、励起光透過絶縁膜６３は保護膜としても作用し、光伝導膜２２に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避される。励起光透明絶縁膜の好適な例としては、SiO2等がある。超半球又は半球レンズの好適な材料としては、シリコン、特に高抵抗シリコンがある。
【００８９】
このような励起光透過絶縁膜は、通常の物理的気相成長法を用いて作製することができる。
【００９０】
また、基板の面に超半球又は半球レンズを設置する方法としては従来技術の他に、シリコンレンズに直接ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓ、電極を蒸着することも可能である。
【００９１】
図１２は、図１１で示した実施形態において、さらに、ピンホール薄膜６１と励起光透過絶縁膜６３との間に誘電体反射防止膜６８を備えたものであって、超半球レンズに直接、ベース膜、光伝導膜等が形成された実施形態を示したものである。
【００９２】
図１３に示すように、図５で示した第１の実施形態の光伝導素子において、さらにその上に透明保護膜７３を備えた実施形態を示すしたものである。この透明保護膜７３によって光伝導膜２２に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避される。透明保護膜の好適な例としては、二酸化シリコン等がある。
【００９３】
図１４は、光伝導膜２２、電極膜２３，２４、励起光透過絶縁膜６３、誘電体反射防止膜６８、ピンホール薄膜６１に、透明保護膜７３を順に備えた基板２１の裏側に超半球レンズ６６を具備した実施形態を示すものである。また、励起光の集光に透明保護膜７３の上に超半球レンズを備えている。
【００９４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光伝導素子及びそれを用いた赤外放射素子並びにその検出素子によれば、以下のような効果を奏する。
【００９５】
請求項１に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。
【００９６】
請求項２に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。
【００９７】
請求項３に記載の光伝導素子によれば、光光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜及び電極膜の形成が比較的容易であるという効果を奏する。
【００９８】
請求項４に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【００９９】
請求項５に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、励起光の励起により生成される各光キャリアのアンテナ間の移動は同じ挙動を示すために、検出電流は遠赤外電磁波パルスの電場強度を従来の光伝導素子より精度良く反映するという効果を奏する。また、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【０１００】
請求項６に記載の光伝導素子によれば、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されているので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避できると共に耐久性が向上するという効果を奏する。
【０１０１】
請求項７及び８に記載の赤外放射素子によれば、光伝導素子で発生したパルス時間幅の狭い遠赤外電磁波パルスが拡がるのを抑えて効率よく試料側へ送ることができるという効果を奏する。
【０１０２】
請求項９及び１０に記載の検出素子によれば、基板内での多重散乱を軽減することが可能となるので、検出感度が向上するという効果を奏する。
【０１０３】
請求項１１に記載の光伝導素子によれば、光伝導素子を放射用として用いる場合は、放射される遠赤外線電磁波パルスの時間幅の拡がりが確実に抑制され、また、光伝導素子を検出用として用いる場合は、検出電流が反射又は透過遠赤外電磁波パルスの電場強度を正確に反映して検出感度が向上するいう効果を奏する。また、この光伝導素子ではピンホールの径を変えることによって、光伝導膜において光キャリアが生成する領域を容易に変更又は調整することができるという効果を奏する。
【０１０４】
請求項１２に記載の光伝導素子によれば、透明保護膜によって光伝導膜に埃等が付着すること及び水分等が吸着することが防止されるので、電極間がショートして光伝導素子が使用ができなくなるという不都合が回避でき、また、耐久性が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の時系列変換パルス分光装置の概略構成図である。
【図２】 従来の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図３】 図２で示した光伝導素子のＡＡ’線断面図である。
【図４】 電極膜のアンテナ間の電場の様子を示す電場の電気力線の模式図である。
【図５】 本発明に係る第１の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図６】 図５で示した光伝導素子の斜視図である。
【図７】 本発明で用いる基板の平面図である。
【図８】 本発明に係る第２の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図９】 図８で示した光伝導素子のＣＣ’線断面図である。
【図１０】 本発明に係る第３の実施形態の光伝導素子の概略構成を示す平面図である。
【図１１】 本発明に係る第４の実施形態の光伝導素子の概略構成を示すものであって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図であり、（ｃ）は励起光透過絶縁膜を形成する前の平面図である。
【図１２】 図１１で示した実施形態において、さらに誘電体反射防止膜を備えたものを示す断面図である。
【図１３】 図５で示した実施形態において、さらに透明保護膜を備えたものを示す断面図である。
【図１４】 ピンホール薄膜の上に透明保護膜を備え、その上に励起光の集光に超半球レンズを備えた実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 励起源
２ ビームスプリッタ
３ 光チョッパ
４ 対物レンズ
５ パルス光放射素子
６，７，９，１０ 放物面鏡
８ 試料
１２ 検出手段（検出器）
１３，１４ 遅延手段
１５ 電流増幅器
１６ ロックインアンプ
１７ コンピュータ
１８、１９ 超半球シリコンレンズ
２０ 光伝導素子
２１ 基板
２２ 光伝導膜
２３、２４ 電極膜
２３’、２４’ 電極膜射影領域
２３ａ、２４ａ アンテナ部
２６、２７ 電気力線
２８’ 電極膜非射影領域
３０ 光伝導素子
３２ 光伝導膜
４０ 光伝導素子
４２ 光伝導膜
４２ａ 電極膜射影領域に形成された光伝導膜
４２ｂ 有効光キャリア生成領域に形成された光伝導膜
５０ 光伝導素子
５１ ピンホール部材
５５ ピンホール
６０ 光伝導素子
６１ ピンホール薄膜
６３ 励起光透過絶縁膜
６５ ピンホール
６６ 超半球レンズ
６８ 誘電体反射防止膜
７３ 透明保護膜
Ｄ 微小間隙部
Ｄ’ 有効光キャリア生成領域
Ｌ１ 励起パルス光（ポンプパルス光）
Ｌ２ 入射遠赤外電磁波パルス
Ｌ３ 透過遠赤外電磁波パルス
Ｌ４ サンプリングパルス光
Claims (12)
- 互いのアンテナ部が微小間隙部で離隔してアンテナを成すように配置された一対の電極膜と光伝導膜とを基板上に備え、前記光伝導膜に励起光が照射されると光キャリアを生成してパルス光を放射する光伝導素子において、
前記基板の面は、有効光キャリア生成領域と、電極膜射影領域及び電極膜非射影領域から成る非有効光キャリア生成領域とから成り、
前記有効光キャリア生成領域は、前記励起光の入射方向における前記微小間隙部の基板面への射影領域とされ、
前記電極膜射影領域は、前記励起光の入射方向における前記電極膜の基板面への射影領域とされ、
前記電極膜非射影領域は、前記電極膜射影領域以外の非有効光キャリア生成領域とされ、
前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜においてのみ前記光キャリアが生成されるように構成されたことを特徴とする光伝導素子。 - 前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内にのみ備えられ、かつ、前記一対のアンテナ部の両方に対して前記光伝導膜の側面で電気的に接続して成ることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
- 前記光伝導膜は、前記基板面上の前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部と、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部とに備えられ、
前記有効光キャリア生成領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜に電気的に接続し、
前記電極膜射影領域内の少なくとも一部に備えた光伝導膜は、前記電極膜に電気的に接続していることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。 - 前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上方にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール部材を備え、該ピンホール部材は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効光キャリア生成領域内に収まるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
- 前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、さらにその上方にピンホールを有しかつ励起光が透過しない光学的遮光材から成るピンホール薄膜を備え、前記ピンホール薄膜は、前記励起光の入射方向における前記ピンホールの基板面への射影が前記有効光キャリア生成領域内に収まるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
- 請求項１から５のいずれか一項に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたことを特徴とする光伝導素子。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする赤外放射素子。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする赤外放射素子。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に超半球レンズを備えたことを特徴とする検出素子。
- 請求項１から６のいずれか一項に記載の光伝導素子における前記基板の光伝導膜を備えた面の反対側の面に半球レンズを備えたことを特徴とする検出素子。
- 前記基板上に順に前記光伝導膜と前記電極膜とを備え、前記基板がピンホールを備え、該ピンホールの前記励起光の入射方向における基板面への射影が前記有効光キャリア生成領域内に収まるように前記基板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
- 請求項１１に記載の光伝導素子の上に前記励起光が透過する透明保護膜を備えたことを特徴とする光伝導素子。
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