JP4927381B2 - 深い準位を持つテラヘルツ波発生ダイオードおよびこれを用いたテラヘルツ波放射装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体のｐｎ接合ダイオードからテラヘルツ（ＴＨｚ）波を放射させるためテラヘルツ波発生ダイオードおよびこれを用いたテラヘルツ波放射装置に関するもので、極めて小型でインコヒーレントまたはコヒーレントなテラヘルツ波を発生させると共に、発生したテラヘルツ波の集中や発散などの加工用の光学系や伝送などの光学系を備えたテラヘルツ波発生用半導体ダイオードと、これを用いてテラヘルツ波のパルス発生、連続波の発生、レーザ発振させるときの安定化などの制御系を含む駆動回路を具備したテラヘルツ波の放射装置を提供するものである。

従来、テラヘルツ波の発生には、レーザ光源からの強力なフェムト秒程度のパルス励起光を非線形光学結晶に入力して、光整流作用などによってテラヘルツ波を発生させる方式、非線形光学材料に異なる二波長のレーザ光を同時に照射して結合させて、その差周波数がテラヘルツ波帯になるようにする方式、１波長のレーザ光を照射し、誘導ラマン散乱やポラリトンとの結合を利用する方式などの光ビームを光学結晶などに入射する光励起を利用する方法や、電子ビームが反射回折格子上を伝送されるときの電磁放射などの電子管を利用する方法などがあった。

しかし、従来の光励起を利用する方法は、テラヘルツ波の発生効率が低いので、大出力のレーザ光発生装置が必要で、更に非線形性固体中でのレーザ光の結合のための光学系が大型になり、パルスレーザ光照射では、高出力が得られやすいものの連続波が発生できない問題があり、また、電子管を利用する方法でも、やはり大型で、しかも高価であったので、小型、単純な構造で、しかも安価なテラヘルツ波発生装置が望まれていた。

また、従来、ポラリトンを形成しやすい半導体のｐｎ接合ダイオードに、不純物を添加し、その不純物準位の励起準位と基底準位間の遷移を利用した遠赤外電磁波発振器があった（特公６１−５８９９９号公報）。そこではＧａＰ半導体に深い準位として酸素Ｏを添加した例もあるが、これもその深い準位の励起準位と基底準位間の遷移が丁度、遠赤外線に相当することを利用した遠赤外電磁波発振であり、伝導帯または価電子帯という大きな状態密度からの遷移を利用したものでないので効率が悪いという問題があった。更にポラリトンを利用することからシリコンには応用できず、化合物半導体が必要であることなどから実用になることはできなかった。

本出願人は、先に、本願発明と同様な原理による「テラヘルツ波発生ダイオードおよびこれを用いたテラヘルツ波放射装置」（特願２００４-１３８５７２）を発明した。しかし、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）のように、間接遷移型半導体では、伝導帯の電子と価電子帯の正孔とが運動量空間でずれているので、光を放出して再結合する効率が悪く、実用が困難であることが判明した。本願発明は、これを改善するためになされたもので、深い準位を形成する金（Ａｕ）などの不純物の添加や欠陥の導入などにより深い準位を形成して、この深い準位を経由させることにより、伝導帯の電子と価電子帯の正孔とが運動量空間でずれている間接遷移型半導体でも、浅い不純物準位と深い不純物準位との両方を経由するので、伝導帯の電子と価電子帯の正孔と再結合を促進させることができること、更に、このとき、伝導帯または価電子帯と浅い準位との遷移が丁度、テラヘルツ波に相当することを利用した高効率のテラヘルツ波発生ダイオードを提供することを目的としている。
特開２００４−１０１７３４号公報 特開２００４−２２７６６号公報 特開２００３−１５１７５号公報 特開平９−７４２３９号公報 特表２００３−５００８６２号公報 特公６１−５８９９９号公報

本発明は、単純な構造で、超小型で、パルス波も連続波の発生やレーザ発振も可能であり、発生したテラヘルツ波の集中や発散などのテラヘルツ波放射ビームの加工用の光学系や伝送系も備えた安価なテラヘルツ波発生装置である高効率のテラヘルツ波発生ダイオードを提供すると共に、このテラヘルツ波発生ダイオードを用いて、テラヘルツ波のパルス発生、連続波の発生、レーザ発振させるときの安定化などの制御系などを含む駆動回路を備えたテラヘルツ波放射装置を提供すること目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板に、少なくとも１つのｐｎ接合と、このｐｎ接合を構成するｐ型またはｎ型の導電型のうちの少なくとも一方の導電型領域には活性領域を備え、この活性領域には、この導電型を形成するための浅い準位を形成する不純物Ａと、他方の導電型になる浅い準位を形成する不純物Ｂを前記不純物Ａよりも少なく添加してあり、前記ｐｎ接合に順方向バイアスを印加したときに、前記活性領域に注入された少数キャリアが伝導帯または価電子帯から不純物Ｂの準位を介して多数キャリアと再結合するときに放射する電磁波がテラヘルツ域になるようにしたテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、少なくとも前記活性領域に深い準位を形成してあり、この活性領域に注入された少数キャリアが前記深い準位をも経由して多数キャリアと再結合するようにしたもので、伝導帯の電子と価電子帯の正孔とが運動量空間上でずれている間接遷移型半導体においても再結合が促進されるので、高効率のテラヘルツ波発生ダイオード提供できる。

シリコン（Ｓｉ）単結晶基板を用いた場合は、一般に、ｐ型の導電型にするには、不純物として浅い準位（不純物準位）のアクセプタになるホウ素（Ｂ）を添加して用いる。また、一般に、ｎ型の導電型の不純物としては、浅い準位（不純物準位）のドナとなるリン（Ｐ）を用いる。不純物濃度を増加させてゆくと、浅いアクセプタのホウ素の不純物準位は、価電子帯から直ぐ上の４５ｍeＶ離れた単一の不純物準位から不純物バンドを形成するようになり、１０^１８ｃｍ^−３程度以上なると、遂にはシリコンの価電子帯と不純物バンドとがエネルギー的に重なるようになり、フェルミ準位は、価電子帯の中に入り込むようになる。一方、浅いドナのリンの不純物準位は、伝導帯から直ぐ下で４４ｍeＶ離れた単一の不純物準位から不純物濃度を増やすと、やはり不純物バンドを形成するようになり、１０^１８ｃｍ^−３程度以上なると、遂にはシリコンの伝導帯と不純物バンドとがエネルギー的に重なるようになり、フェルミ準位は、伝導帯の中に入り込むようになる。このように不純物が高濃度になり、半導体の伝導帯または価電子帯と不純物バンドとがエネルギー的に重なるようになった半導体を縮退した半導体と呼んでいる。

また、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）のような間接遷移型半導体では、伝導帯の下端と価電子帯の上端とは、運動量空間で異なるが、浅いアクセプタや浅いドナの準位は、それぞれ価電子帯と伝導帯の端と同一の運動量空間位置にあるので、これらのアクセプタとドナの準位は、それぞれ伝導帯と価電子帯との関係が直接遷移型のように働くので、容易に電磁波を放射して電子の遷移がしやすく、しかも、エネルギー差が不純物により異なるが、例えば、リンのドナ準位は、伝導帯下端から約４５ｍeＶ程度で極めて小さく、その電磁波はテラヘルツ波の周波数に相当する（４５ｍeＶは、波長約２７．６μｍに対応し、周波数では約１０．９ＴＨｚに対応する）と共に、可視光よりも波長が非常に長いので、自然放出割合に対して誘導放出割合が極めて大きくなり（一般に、誘導放出割合は波長の３乗に比例して大きくなる）、レーザ作用も起こしやすい。

しかし、このように間接遷移型半導体では、伝導帯の下端と価電子帯の上端とは、運動量空間で異なるので、伝導帯の電子と価電子帯の正孔とは、運動量をほとんど持たない光を放射して再結合をするには、効率が極めて悪い。このために、例えば、サイリスタなどでキャリア再結合を促進するために用いる深い準位となる不純物、例えば、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などを添加している。従って、キャリアの再結合がこの深い準位を介して行われると間接遷移型半導体でも再結合が促進されて、高効率のテラヘルツ波発生ダイオードが作成できる。深い準位は必ずしも不純物の添加によるばかりでなく、結晶に欠陥を導入することなどによっても形成できる。

シリコン（Ｓｉ）のｐｎ接合ダイオードを例に取り、本発明について説明すると次のようである。例えば、シリコンのｐｎ接合のうち、ｐ型の導電型の半導体領域は、縮退しない程度の濃度にした不純物Ａとして、ホウ素の濃度が１ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度で、そこにｎ型不純物である不純物Ｂとしてのリンの濃度を不純物Ａより少ない２ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度添加して活性領域を形成する。この活性領域では、ｐ型の不純物Ａの量（ホウ素の添加量）がｎ型の不純物Ｂの量（リンの添加量）より多量なので、ｎ型を形成するはずのドナの不純物準位を有するがｐ型半導体領域となっている。そして、この活性領域ではｎ型の不純物Ｂが存在しているので、伝導帯の下端に４５ｍｅＶ程度のギャップを有してリンの不純物Ｂの準位が形成されている。しかし、この領域はｐ型半導体であるので、リンの不純物準位は、電子がほとんどなく、空いた状態である。一方、ｐｎ接合のうち、ｎ型の導電型の半導体領域で、ｐｎ接合近傍では、やはり、２ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度の濃度のリンの不純物を添加してあり、ｎ型半導体となっている場合を考える。このような高濃度のホウ素やリンの不純物準位は、単なる準位から不純物バンドに発展しようとしているような濃度領域で、濃度が大きい方がテラヘルツの放射効率が良いが、更に大きくなるとかえって基板半導体であるシリコン（Ｓｉ）のエネルギーバンドが歪み、縮退するほど大きくなるとテラヘルツ波の放射が生じがたくなるので、最適な不純物濃度の領域が存在する。

このようなｐｎ接合に順方向バイアスを印加すると、そのｐ型領域の伝導帯にｎ型領域から少数キャリアである電子が多量に注入される。このｐ型領域に上述の活性領域が形成されているので、注入された電子は、その活性領域の伝導帯から直ぐ下の空になっているリン（浅い不純物Ｂ）の不純物準位（約４５ｍｅV）を経由し、更に、深い準位を経由して、価電子帯の正孔と再結合する。このとき、この活性領域の伝導帯下端とリンの浅い不純物準位とのエネルギー差（約４５ｍｅV）に相当する電磁波であるテラヘルツ波が放射する。このときのテラヘルツ波は、活性領域の伝導帯に注入された電子のエネルギーにも幅があり、この電子のエネルギーとリンの浅い不純物準位との間のエネルギー差により放出テラヘルツ波長が決定される。したがって、放出波長に幅があり、フィルタや共振器などの波長選択機構との組み合わせによりある程度の波長可変のテラヘルツ波発生ダイオードが達成できる。

なお、ｐ型領域中の活性領域に、ドナとしてのリン（P）の他に、他のドナ不純物である砒素（As）やアンチモン（Sb）なども一緒に添加しておくと、シリコン半導体に対して、砒素は約４９ｍｅV、アンチモンは約３９ｍｅVなので、これらの準位への遷移に基づくテラヘルツ波の放射も可能なので、可変波長範囲の幅が更に増やすことができる。

リンの不純物準位と再結合先の価電子帯のとのエネルギー差に相当する電磁波、リンの不純物準位と深い準位とのエネルギー差に相当する電磁波、深い準位と価電子帯とのエネルギー差に相当する電磁波、および伝導帯と価電子帯とのバンド間遷移に相当する電磁波も放射するが、これらの電磁波は、例えば、約０．３から約１ｅＶ程度のエネルギー差であるから赤外線から近赤外線領域となる。

上述では、活性領域をｐｎ接合のうちｐ型の導電型の半導体領域にのみ形成した場合の例を挙げたが、活性領域をｎ型の導電型の半導体領域に形成してもよく、さらに、ｐ型とｎ型の双方に形成しても良い。

ｎ型の導電型の半導体領域に活性領域（深い準位を有する）を形成した場合は、ｎ型の不純物であるリンが不純物Ａであり、このリンの不純物濃度を高濃度にしておき、ここにｐ型の不純物であるホウ素（ここでは不純物Ｂとなる）をｎ型の不純物Ａよりも少なくして、ｐ型の不純物Ｂが完全に補償されてこれを上回るｎ型の不純物Ａで決まるｎ型半導体領域になっている。

ｐｎ接合において、双方の導電領域に活性領域がある場合は、ｐｎ接合のｐ型の導電型側では、不純物Ａがｐ型不純物であるホウ素であり、不純物Ｂがｎ型不純物であるリンである。また、ｐｎ接合のｎ型の導電型側では、その逆で、不純物Ａがｎ型不純物であるリンであり、不純物Ｂがｐ型不純物であるホウ素となる。

このように、ｐｎ接合の双方の導電領域に活性領域があり、双方の不純物Ａが高濃度の場合のｎ型導電領域からｐ型導電領域に移る遷移領域では、ｎ型導電領域のリンの不純物を不純物拡散により形成したときには、表面付近でのｎ型導電領域は縮退するほど高濃度であり、そこではリンの不純物準位は不純物バンドを形成して伝導帯に重なり、伝導帯との間にエネルギーギャップを有しないが、ｐｎ接合を形成している表面から空間的に深い領域では、縮退が解けており、更にｐ型導電領域に移ってゆくに連れてリンの不純物濃度が更に少なくなり、リンの不純物準位と伝導帯との間にエネルギーギャップが形成されている。リンの不純物バンドと伝導帯との間のエネルギーギャップ、低濃度になったリンの不純物準位と伝導帯との間のエネルギーギャップ（エネルギー差）がテラヘルツ波の放射フォトンエネルギー、すなわちその波長を決定する。この遷移領域では連続的にこのエネルギーギャップの大きさがゼロからリンの不純物準位である伝導帯下端から４５ｍｅＶ程度まで変化しているので、テラヘルツ波帯の０．１ＴＨｚ程度の低周波から４５ｍｅＶ程度に対応する１０ＴＨｚ程度まで変化しているテラヘルツ波が放射される。

一般に、シリコンなどのホモ接合のｐｎ接合では、電子の移動度が正孔の移動度より大きいので、注入された少数キャリアはｐ型導電型への電子注入の方が遷移領域を超えてｐ型導電領域に空間的に深く入り込みエネルギー的に深い準位を介して再結合して発光し、ｎ型領域での発光よりもこのｐ型の遷移領域の方が発光面積が大きく発光の主体となる。このように発光領域である活性領域に、伝導帯下端から浅い不純物準位であるリンを積極的に添加しておけば、ここを経由して再結合し、注入されたｐ型領域の伝導帯からこの浅い不純物準位に遷移するときにテラヘルツ波を放射するものである。もちろん、ｎ型導電領域の活性領域にアクセプタのホウ素を積極的に添加しておくことにより、注入された少数キャリアである正孔の価電子帯からアクセプタへの遷移により（ｎ型導電領域の多数キャリアである電子がこのアクセプタ準位を経由して、注入された少数キャリアの正孔と再結合すると考えても良い）テラヘルツ波を放射する。なお、注入された正孔は、アクセプタを経由後、その活性層中のエネルギー的に深い準位を介してｎ型導電領域の伝導帯の多数キャリアである電子と再結合して消滅する。

上述では、シリコン半導体を例にして、ドナとしてリンを、アクセプタとしてホウ素を例にしたが、シリコン半導体を用いた場合でも、ドナとしてリンの変わりに砒素やアンチモンなどを使用することもできるし、アクセプタとしてホウ素の代わりに、アルミニウムやガリウムなどを使用しても良い。また、同様に、ゲルマニウム（Ge）やガリウムリン（GaP）などの半導体を使用して、浅い不純物の種類を変えても良い。このように不純物を変えるとそれらの不純物準位のエネルギーが変化するので、放射するテラヘルツ波の周波数も変化する。もちろん、上述したように、これらのドナまたはアクセプタ同士の幾つかの不純物を同時に添加することもできるし、可変波長のテラヘルツ波発生ダイオードの作成には、むしろ好都合である。

本発明の請求項２に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、深い準位を不純物添加により形成した場合であり、例えば、半導体としてシリコン（Ｓｉ）を利用した場合には、深い準位を形成する不純物として、金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）や銅（Ｃｕ）などがある。

本発明の請求項３に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板として単結晶シリコンをベースにした場合であり、更に、最も多く使用されている半導体で、絶縁膜として良質のＳｉＯ_２の熱酸化膜が作成できるので、ＩＣ化するのに好適であり、安価なテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。

また、シリコン（Ｓｉ）をベースに、シリコンとゲルマニウム（Ｇｅ）とのIV族混晶半導体にするとこれらの組成比により、禁止帯幅（Ｅｇ）を変化させることができると共に、不純物のエネルギー準位の値も変化させることができるので、放射するテラヘルツ波の波長も変化させることができる。

本発明の請求項４に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、ｐｎ接合にヘテロ接合を設けた場合であり、シングルへテロ接合やダブルへテロ接合構造にすることができる。例えば、ｐ型シリコンとｎ型シリコンとの間にシリコンよりも禁止帯幅（Ｅｇ）が小さいシリコンとゲルマニウムとのIV族混晶半導体であるｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘをテラヘルツ波発生領域である活性領域として形成した場合である。この活性領域には、ｎ型の不純物であるリンや砒素などの不純物Ｂをｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘのｐ型不純物であるホウ素（不純物Ａ）より少ない量を添加しており、このｐ型Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘは、シリコンより禁止帯幅（Ｅｇ）が小さいので、ｐｎ接合が順方向バイアスされたときに、注入された電子と正孔がヘテロ接合による電位障壁のために、この活性領域に閉じ込められると共に、活性領域の両側にあるシリコンよりも屈折率が高いので、放射するテラヘルツ波の電磁波が閉じ込められやすい。このことは、キャリアの閉じ込め効果と光の閉じ込め効果として表現されている。この様子は、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓとの組み合わせによる公知のシングルへテロ接合やダブルへテロ接合のレーザの場合と同様である。

活性領域にヘテロ接合構造を設けることもできる。従来の単一量子井戸型レーザや多重量子井戸型レーザと同様に、単一または周期的な幅の狭いヘテロ接合構造としてあり、そこでの単一またはそれぞれ井戸型ポテンシャル内にある伝導帯や価電子帯に形成されたサブバンドの準位（分離した準位）と浅い不純物準位との準位間の遷移に伴う電磁放射がテラヘルツ波領域になるので、高効率で波長純度の高いテラヘルツ波の放射が達成される。

ヘテロ接合におけるテラヘルツ波発生領域である活性領域の両側の設けた、禁止帯幅の大きいｐ型およびｎ型の領域（上述では、シリコン）は、縮退するほど高濃度の不純物を添加しておくと注入キャリアが大きく、高効率で高出力のテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。

上述では、ヘテロ接合構造においても、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）の組み合わせやこれらの混晶でも良く、もちろん、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮなどの半導体を用いても良い。これらの浅い不純物準位もＳｉやＧｅとは異なるので、発生するテラヘルツ波の周波数もＳｉやＧｅとは異なり、更に広範囲な周波数領域のテラヘルツ波の発生が可能となる。

また、上述では、シリコン（Ｓｉ）のｐ型の浅い準位を形成するアクセプタ不純物として、ホウ素（Ｂ）を例にしたが、ホウ素（Ｂ）のアクセプタ準位は、４５ｍeＶであるのに対して、アルミニウム（Ａｌ）では、５７ｍeＶ、ガリウム（Ｇａ）では、６５ｍeＶであるといわれている。したがって、テラヘルツ波を発生する活性領域をｎ型導電領域に形成しておけば、ホウ素（Ｂ）のときの発生するテラヘルツ波の周波数である１０ＴＨｚ程度から１４ＴＨｚ程度まで変化させることもできる。

本発明の請求項５に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、テラヘルツ波用の波長選択機構を備えた場合であり、ｐｎ接合面に沿って回折格子を設けて分布帰還フィルタを内蔵したり、ダイクロミックミラーやファブリ・ペロー共振器などの干渉フィルタを用いて波長選択が可能にした場合である。

テラヘルツ波用の波長選択機構を波長可変となるようにすることもできる。例えば、半導体チップにダイアフラムの反射鏡を設けて、例えば、ファブリ・ペロー共振器にし、このダイアフラムの変形で可変波長になるようにしたり、更には、半導体チップの外部にプリズムや回折格子を配置して、テラヘルツ波の波長選択ができる。テラヘルツ波は波長が長いので、可視光線の場合より共振器の反射鏡の調整が粗くとも良く、波長選択が容易である。

本発明の請求項６に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、共振器を備えてレーザ発振ができるようにした場合である。共振器は、半導体チップの対向する端面を反射面として利用したり、金属をこの端面に反射鏡として形成しても良い。また、単結晶の結晶面を利用すると、極めて平坦で平行度の良い反射鏡が達成できる。シリコンの半導体を使用したダイオードでは、反射鏡として利用する端面を熱酸化して薄い石英の熱酸化膜を形成した方が安定な絶縁膜で、かつ作成も容易であるから好都合である。もちろん、可変波長の共振器にすれば、可変波長レーザ発振としてのテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。

本発明の請求項７に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、テラヘルツ波が活性領域の厚み方向（ｐｎ接合面に垂直方向）の外部に放射するように構成した場合であり、従来の半導体レーザに対応させると、垂直共振器面発光レーザに相当するように構成した場合であり、更に、レーザでなくとも、発光面が大きくなるように面発光になるように構成した場合である。この場合は、狭いｐｎ接合の面に沿って放射された場合の楕円放射断面で大きな放射角度を有する場合とは異なり、放射テラヘルツ波はほぼ平行光線となるので、焦点を合わせたり、遠くを照射する場合など光学系が単純となり、コンパクトな装置が提供できる。

垂直共振器面発光のテラヘルツ波発生ダイオードの共振器には、テラヘルツ波に対する反射膜を形成しておくと良い。

本発明の請求項８に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板に、この基板の温度を検出する温度センサを搭載した場合であり、半導体のフェルミエネルギーＥｆ、禁止帯の幅（エネルギーギャップＥｇ）や不純物準位は、温度により異なり、したがって、発生するテラヘルツ波の周波数（もちろん、波長も）が温度により変化する。安定した周波数のテラヘルツ波の発生には、温度制御が大切で、特に、高出力のテラヘルツ波の発生では、半導体基板が極めて高温になってしまうという問題があった。このためには、先ずは、半導体基板の温度を検出する必要がある。

温度センサとして、ｐｎ接合ダイオードやトランジスタを形成して、これをサーミスタとして利用する、所謂、ダイオードサーミスタやトランジスタサーミスタを利用したり、ＩＣ温度センサを利用すると良い。

本発明の請求項９に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板に、テラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる周辺回路の少なくとも、その一部を集積した場合であり、半導体基板に搭載している温度センサを駆動させたり、そのセンサ出力を増幅させたり、更に、それらの出力を温度制御回路に入力して、半導体基板を一定温度に保持させたり、更には、テラヘルツ波発生ダイオードの駆動電流を制御させたりするための周辺回路を同一の半導体基板に集積するものである。半導体基板としてシリコン単結晶基板を用いると、従来の成熟したＣＭＯＳ工程が利用できるので、好都合である。

本発明の請求項１０に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、発生したテラヘルツ波を少なくとも集光、発散もしくは伝送に係わる光学系を備えた場合であり、凹面や凸面のレンズや反射鏡で発生したテラヘルツ波を集光させて焦点を合わせたり、平行光線にしたり、テラヘルツ波のビーム形状を円形、楕円や線状にしたり、更には、走査できるようにしたり、また、発散させてある面積に一様に照射できるようにしたり、また、テラヘルツ波の導波管や透過できる材料によるファイバを通して、テラヘルツ波を照射するまで伝送させるような光学系を備えたものである。

本発明の請求項１１に係わるテラヘルツ波放射装置は、請求項１から１０のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオードと、少なくとも、このテラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる駆動回路を備えた場合であり、テラヘルツ波発生ダイオードは電流駆動型であり、順方向電流の制御が重要であり、駆動回路としては、パルス動作、連続波動作、温度制御、出力強度調整、波長制御系駆動などのフィードバック系の組み合わせによる制御系も含むことができる。

テラヘルツ波放射装置には、更に、温度センサとペルチェ素子とを組み合わせた温度制御回路を備えることもできる。ペルチェ素子は極めて小型で、電流を流すことにより冷却も発熱も可能で、テラヘルツ波発生ダイオードが形成されている半導体基板の温度を一定温度に保持するなどの温度制御を行うことにより、テラヘルツ波の周波数安定化制御などが可能である。

テラヘルツ波放射装置には、更に、分光器を備えることもできる。テラヘルツ波発生ダイオードから放射されるテラヘルツ波の波長を選択して、更に外部に放射させる場合と、再びテラヘルツ波発生ダイオードに戻して、極めてシャープなレーザ発振作用をさせる場合などがある。テラヘルツ波発生ダイオード自体に波長選択機構を有していても、分光器を備えることにより更にシャープな波長選択ができるようにすることができる。

従来のレーザ光を照射して差周波数からテラヘルツ波を発生させたり、電子管を利用してテラヘルツ波を発生させたりする方法に比べ、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードによるテラヘルツ波の発生は、半導体ダイオードの順方向電流によるキャリア注入に基づく反転分布を利用する放射再結合を利用するので、極めて小型で単純な構造のテラヘルツ波発生装置が提供できるという利点がある。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、ｐｎ接合のそれぞれの導電領域をそれぞれの導電領域を形成する不純物を高濃度に添加できる。このことは、その分、活性層領域では、反対の導電型のエネルギー的に浅い不純物も高濃度に添加できること、更に、金（Ａｕ）などのエネンルギー的に深い準位の不純物もその分高濃度に添加できるので、結局、順方向電圧印加による多量の少数キャリアが、これらの不純物準位を経由して多数キャリアと再結合することになり、高効率で高出力のテラヘルツ波発生装置が提供できるという利点がある。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、ベースとなる半導体が、たとえ間接遷移型のシリコンやゲルマニウムであっても、テラヘルツ波を発生させるための不純物準位は、これらのこのベース半導体の伝導帯または価電子帯に近接した所謂、浅いエネルギーの不純物準位となるので、伝導帯または価電子帯とこれらの浅い不純物準位とは、言わば、直接遷移型のように振舞うことができる。従って、フォノンなどの支援なしに注入キャリアが直接的に浅い準位に遷移できるし、更に、深い不純物準位の導入により、浅い不純物準位から深い不純物準位への遷移、その後、この深い不純物準位から伝導帯または価電子帯への注入少数キャリアの多数キャリアとの再結合遷移が容易で、これに伴うテラヘルツ波が高効率で放射されるという利点がある。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、可視光線に比べて極めて波長が長いテラヘルツ波を発生させるので、注入少数キャリアのテラヘルツ波放射遷移に際し、自然放出割合よりも誘導放出割合が極めて大きくなり、誘導放出を利用するテラヘルツ波のレーザが達成しやすいという利点がある。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、活性領域における半導体の許容帯である伝導帯または価電子帯（こららは、バンドと呼ばれる）と、この活性領域に意図的に添加した不純物の不純物準位との間での注入少数キャリアの放射遷移に基づく、言わば、バンドと準位間遷移に基づくので、波長選択機構の具備により特定波長もしくは可変波長のテラヘルツ波発生装置が提供できるという利点がある。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、共振器を具備することにより、容易にテラヘルツ波のレーザ発振ができるという利点がある。もちろん、可変波長用の波長選択機構の具備により、超小型の可変波長レーザとしてのテラヘルツ波発生装置が提供できる。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、反射膜との組み合わせにより、面発光としてのテラヘルツ波レーザが達成できるので、外部に光学系を設けて平行光線にする必要が無く、テラヘルツ波発生ダイオードからのテラヘルツ波放射光（放射電磁波）がそのまま平行光線になるので、単純な構造の装置となる利点がある。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、温度センサや制御系などを含む駆動回路も同一の半導体基板に集積できるので、極めてコンパクトなテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。

本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、レンズなどの光学系やテラヘルツ波用導波管などの伝送路の光学系をコンパクトに組み合わせられるので、ハンディなテラヘルツ波放射装置が提供できる。特に、テラヘルツ波用導波管として、内径数百マイクロメートルの中空プラスチックパイプの内壁を金などの金属薄膜で反射コーテングしたものを用いるとフレキシブルな伝送路が達成できるという利点がある。

本発明のテラヘルツ波放射装置では、集積化した温度センサや温度制御回路などと半導体基板に熱的に接触したペルチェ素子との組み合わせで、容易に温度制御が可能であり、特に、半導体基板としてシリコン単結晶をベースにすると成熟したＣＭＯＳ技術などのＩＣ技術が使用できるので、コンパクトで高度な周波数安定化システムや駆動システムなどを同一基板に集積化でき、極めてコンパクトで、通信用やセンシング用、医療用など各種用途向けのテラヘルツ波放射装置が提供できるという利点がある。

比較的低濃度にアクセプタとしてのホウ素（Ｂ）を添加したｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板の表面付近に、縮退する程度に高濃度にホウ素（Ｂ）を添加したｐ型不純物拡散層を形成しておき、その上に、エピ成長により縮退しない程度の高濃度（例えば、１ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度）にアクセプタとしてのホウ素（Ｂ）（不純物Ａ）と縮退しない濃度（例えば、５ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度）のドナとしてのリン（Ｐ）（不純物Ｂ）及び深いエネルギー準位の不純物準位となる、例えば金（Ａｕ）を１ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度添加したｐ型のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘを５０μｍ程度の厚みに成長させる。また、この禁止帯幅がシリコン単結晶より狭いＳｉＧｅ層を活性領域とするダブルヘテロ接合構造とするために、さらにエピ成長により、縮退する程度の高濃度（例えば、１ｘ１０^２０ｃｍ^−３程度）にドナとしてのリン（Ｐ）を添加したｎ型シリコン（Ｓｉ）を１００μｍ程度の厚みに成長する。このように、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板と、１００μｍ程度厚の表面エピ層のｎ型シリコン（Ｓｉ）層とで、５０μｍ程度の厚みのｐ型ＳｉＧｅ層のテラヘルツ波の発生領域である活性領域をサンドイッチにした構造であるから、これらの合計厚みが、屈折率を考慮した光学長の厚みが所望のテラヘルツ波の発生波長（例えば、波長３０μｍ）の半波長（例えば、波長１５μｍ）の整数倍で、これらの厚み方向で共振器が形成されるように、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板の厚みを決定すると良い。そして、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板と表面エピ層のｎ型シリコン（Ｓｉ）層とにオーム性金属電極を形成することで、面発光（放射）の本発明のテラヘルツ波発生ダイオードが作成される。

また、基板の厚み方向に高効率に共振器を形成するために、ｐ型の裏面やｎ型エピ層の表面に反射鏡としての金薄膜またはアルミニウム薄膜を適当な厚みに形成しておくと良い。

また、テラヘルツ波発生ダイオードの順方向電流を空間的に制限して、テラヘルツ波放射（発光）領域を所望の大きさにするために、シリコン基板に形成したシリコンの酸化膜の窓を通して成長するようにエピ成長領域を制限しても良い。

また、ＴＯ−５などのパッケージにマウントしたテラヘルツ波発生ダイオードと、凸レンズ系を利用してフレキシブルな中空導波管伝送路に結合させて伝送し、任意の箇所に容易に照射できるようにすることができるという利点がある。特に、医療用などでは、この伝送路を通して、テラヘルツ波発生ダイオードの本体から離れている患者の任意の部位に照射しやすいという利点がある。

図１は、本発明テラヘルツ波発生ダイオードの半導体基板１のチップをステム２００にマウントした状態の一実施例の横断面概略図であって、例えば、不純物Ａとしてのホウ素を高濃度（５ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度）に添加したｐ型導電領域１０であるシリコン単結晶の（１１１）面の表面に、不純物Ｂとしてのリンを縮退しない程度の濃度（１ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度）に添加してあり、更に、深いエネルギーの不純物準位を形成する金（Ａｕ）を１ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度に長時間不純物拡散している活性領域３０を深さ３０μｍ程度まで形成し、更に、その上にｎ型導電領域２０をリンの不純物拡散によりｐｎ接合付近では濃度（２ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度）になるように形成した場合を示している。

活性領域３０では、不純物Ａとしての縮退しないほど高濃度のホウ素と不純物Ｂとしてのやはり縮退しない程度の濃度のリン及び深い不純物準位となる金が添加されており、不純物Ａのホウ素が不純物Ｂのリンよりも多くしてあること、また、金の不純物濃度がｐｎ接合のどちらの不純物濃度よりも少ないので、活性領域３０での最も多い方の不純物Ａで決まるｐ型導電領域１５となっている。実際には、活性領域３０は、ｎ型領域まで及んでいるが、極めて空間的に表面から浅い接合なので、ここでの議論では無視している。

テラヘルツ波発生ダイオード本体の半導体基板１の上下には、オーム性電極として上部電極１１０と下部電極１２０が形成されており、これらは発生したテラヘルツ波が反射して共振器１００が形成されるように、反射膜６０、６１としての役割もするようにしている。

下部電極１２０は、その下部にある金属製のステム２００にマウントして同通させてあり、このステム２００からの配線１５１と、上部電極１１０に同通させた配線１５０との間に、テラヘルツ波発生ダイオード本体の順方向電圧を印加して電流を流すと、テラヘルツ波と赤外線とが発生するが、このうちのテラヘルツ波を外部に取り出すようにする。

テラヘルツ波を外部に取り出すには、共振器１００を構成する反射膜６０、６１間隔を光学長にして、所望のテラヘルツ波の波長の二分の一の整数倍にするように（定在波が立つように）設計すること、更に、反射膜６０、６１の厚みを適当にするか、更には、発生赤外線を吸収するが、発生テラヘルツ波は吸収され難い材料薄膜を上部の反射膜６１の上にコーテングしておくと良い。

更に、上部の反射膜６１は設けず、上部電極１１０は、テラヘルツ波が放射する領域からずらして配置し、テラヘルツ波の放射の妨げのならないようにしても良い。

上述では、活性領域３０として３０μｍ程度の深さまで形成した例を示したが、必ずしもその必要は無く、例えば、はじめから不純物Ａとしての高濃度のホウ素と不純物Ｂとしてホウ素よりも低濃度のリン、更には、初めから金などの深い不純物準位を形成する不純物が添加されている半導体基板１を用いても良い。この場合、不純物拡散では、厚い活性領域３０を形成することが困難であるが、初めから添加してある半導体基板１を用いると容易に厚い活性領域３０を持つテラヘルツ波発生ダイオードが製作できるので、発光効率が良い。

図２は、本発明テラヘルツ波発生ダイオードの図１におけるｐ型導電領域１０（に形成された活性領域３０を持つｐｎ接合付近のエネルギーバンド図で、テラヘルツ波発生ダイオードに電圧を印加していない状態を示している。また、図３には、これに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図で、順方向電流が流れ、ｐ型導電領域１０に形成されたｐ型導電領域１５である活性領域３０に注入された電子が、不純物Ｂのドナ不純物（リンによる）の不純物準位と深い準位とを経由して、価電子帯の正孔と放射再結合するときの様子を示している。

ｐ型の活性領域３０に注入された電子は、ドナであるリンによる不純物準位に遷移するときに電磁波を放出する。このときの周波数は、平均してシリコンの伝導帯からのリンの不純物準位までのエネルギー差である約４５ｍeＶに対応し、波長にして約２８μｍであり、周波数で１０．９ＴＨｚに対応する。このように平均して、ｆ１＝１０．９ＴＨｚ程度の周波数のテラヘルツ波が発生するが、注入された電子の伝導帯でのエネルギーにも幅があり、更に、高濃度に拡散した基板表面付近の縮退したｎ型導電領域２０側、すなわち、ｐｎ接合界面から少し表面側にずれた付近では、ドナ不純物が不純物バンドを形成し、更に表面付近では更に縮退するほど高濃度なので伝導帯に重なっているから、伝導帯と不純物バンドとの間にはエネルギーギャップが存在していない。 従って縮退したｎ型導電領域側からｐ型の活性領域３０に電子が注入されるときには、テラヘルツ波の極めて長波長側から約４５ｍeＶに対応する約２８μｍの短波長側まで、連続的にテラヘルツ波が発生して、放射されることになる。この様子を図３では、テラヘルツ波ｆ１、ｆ２ように表示している。

また、高濃度のｎ型導電領域２０の中に存在するアクセプタによる浅い不純物準位を経由して、ｎ型導電領域２０の電子が、順方向バイアス印加で価電子帯に注入された正孔と再結合するときにも、そのエネルギー差（約４５ｍeＶ程度）に相当するテラヘルツ波が発生する。このときの波長も約２８μｍであり、周波数にしてｆ３＝１０．９ＴＨｚ程度である。なお、この場合は、ｎ型導電領域２０の中での場合であるから不純物Ａは、浅いドナ不純物であり、不純物Ｂが浅いアクセプタ不純物に対応する。また、この場合、ｎ型導電領域２０の価電子帯に注入された正孔が、不純物Ｂとしての浅いアクセプタ不純物に捕獲されて遷移するときにテラヘルツ波が発生し、深い不純物準位を経由して伝導帯の電子と再結合すると考えても良い。

また、不純物Ｂのドナ不純物（リンによる）の浅い不純物準位から更に価電子帯の正孔と再結合するときのエネルギー差は、室温では、ほぼシリコンの禁止帯幅Ｅｇ＝１．１eＶあり、波長にして、１．１μｍの近赤外線であり、また不純物Ｂの浅い不純物準位から金などの深い不純物準位への遷移に伴う放射、更にはこの深い不純物準位から価電子帯の正孔と再結合するときのエネルギー差に相当する遷移に伴う放射も赤外線である。これを図３では、赤外線ｆip（ｆip_１、ｆip_２、ｆip_３）と表示してある。また、なお、ｆipのｐの添字は、ｐ型導電領域での電磁放射を意味する。

実際には、伝導帯と価電子帯との間のバンド間遷移に基づく近赤外線発光が存在するが、ここでは省略している。

図４には、半導体基板１としてのＳＯＩ基板を用い、そのＳＯＩ層４０であるｐ型導電領域１０に、少なくとも深い不純物準位を持つ不純物と浅いドナ不純物準位を持つ不純物とが添加された活性領域３０が形成されており、その表面付近にｎ型導電領域２０が熱拡散などで形成され、ｐｎ接合が形成されている場合の本願発明のテラヘルツ波発生ダイオードの他の一実施例の断面概略図を示している。更に、ＳＯＩ基板の裏面に空洞１０５が異方性エッチングなどで形成されており、ＳＯＩ層４０の裏面にはテラヘルツ波の反射膜６０が形成されてあり、ＳＯＩ層４０の表面から垂直に放射するようにした、所謂、面発光のテラヘルツ波発生ダイオードになるように設計している場合である。ＳＯＩ層４０は、例えば、３０μｍ程度の厚みなので、ＳＯＩ基板の下地基板の６５０μｍ程度から比べると極めて薄いから、ＳＯＩ層４０でのテラヘルツ波の吸収が少なくて済む。

図５は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードをダブルへテロ接合構造にした場合の断面概略図である。製作方法は、例えば、次のようである。先ず、（１１１）面のｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１（濃度１ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度）の表面の熱酸化ＳｉＯ_２膜に５００μｍ角の窓を開け、この窓を通して、その表面付近に縮退する程度の高濃度（５ｘ１０^１９ｃｍ^−３程度）にｐ型不純物であるホウ素を添加してｐ型導電領域１１を形成する。次に、そこに選択エピ成長により、ｐ型不純物である不純物Ａとしてのホウ素を高濃度（１ｘ１０^１７ｃｍ^−３程度）とｎ型不純物である浅いドナ準位を持つ不純物Ｂとしてのリンをホウ素より少ないが高濃度（５ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度）に添加し、更に金などの深い不純物準位を有する不純物をこれらのどの不純物濃度よりも少ない１ｘ１０^１６ｃｍ^−３程度に添加して、活性領域３０としてのｐ型のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ（０＜ｘ＜０．３程度）を５０μｍ厚程度に成長させる。この活性領域３０であるＳｉＧｅの層は、従ってｐ型導電領域１５となっている。更に、その活性領域３０の上に、ｎ型不純物であるリンを縮退する程度の高濃度（例えば、２ｘ１０^２０ｃｍ^−３程度）に添加したｎ型シリコン単結晶薄膜であるｎ型導電領域２０を１００μｍ程度厚に選択エピ成長する。なお、ここでは、金などの深い不純物準位が拡散係数が大きいので、活性領域３０以外の領域にも拡散されて広がっている場合を示している。ここでの例では、所謂、禁止帯幅の狭いｐ型のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を、禁止帯幅が広く共に縮退するほどの高濃度のｐ型とｎ型層のシリコン（Ｓｉ）単結晶で挟んだダブルへテロ接合構造となっている。

選択エピ成長をすることにより、テラヘルツ波発生ダイオードの順方向電流の空間的広がりを制限して、効率よくテラヘルツ波が発生し、しかも、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１の裏面に形成した反射膜６０と上部のｎ型シリコン単結晶薄膜であるｎ型導電領域２０に形成した上部電極１１０兼反射膜６１でテラヘルツ波の共振器１００を形成してあるので、大きな順方向電流を流すとレーザ発振するようにしている。この構造は、ｐｎ接合面に平行に共振器１００の反射膜６０，６１が配置されており、ｐｎ接合面に垂直にレーザ発振したテラヘルツ波が放射されるので、面発光のテラヘルツ波半導体レーザとなる。なお、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１は表面を除き比較的低濃度にしているので、活性領域３０で発生したテラヘルツ波は、この半導体基板１での自由正孔などの吸収が少なく好都合であり、半導体基板１の厚みを調節して、所望の周波数の共振器１００が形成できるように設計するとよい。また、テラヘルツ波の波長が数十マイクロメートルと長いので、可視光線の短い波長の場合に比べ、反射膜６０，６１の平滑度はそれほど高くする必要が無く、作成しやすい。

本実施例では、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１の表面に上部電極１１０と下部電極１２０を形成して、配線１５０，１５１を引き出しているので、必要に応じて、ステム２００と半導体基板１との間にテラヘルツ波に対して透明で、シリコンに近い屈折率の材料のスペーサを設けて、反射膜６０はこのスペーサのステム２００側に形成して、実効的な反射膜６０，６１の間隔を広げた共振器１００を作成しても良い。一般に、共振器の反射鏡間隔が大きいほど、レーザ光の発振線幅が小さくなるので、共振器１００の反射膜６０，６１間隔を広げることにより、放射テラヘルツ波の波長純度を高めることができる。

図６は、図５に示した実施例のテラヘルツ波発生ダイオードに順方向印加電圧Ｖを加えたときのエネルギーバンド図で、禁止帯幅の狭い活性領域３０としてのｐ型導電領域１５のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層を、禁止帯幅が広く共に縮退するほど高濃度のｐ型とｎ型層シリコン（Ｓｉ）単結晶層で挟んだ構造のダブルへテロ接合付近におけるエネルギーバンド図を示してある。

ダブルへテロ接合構造なので、テラヘルツ波発生ダイオードに順方向の印加電圧Ｖの下で、禁止帯幅が狭く、しかもその層の厚み（５０μｍ程度）も狭い活性領域３０であるｐ型導電領域１５のＳｉ_１−ｘＧｅ_ｘ層（禁止帯幅：Ｅｇａ）に電子と正孔が注入されると、これらのキャリアはこの狭い禁止帯幅の活性領域３０内に閉じ込められ、効率よく浅い不純物Ｂのドナ不純物準位と深い不純物準位とを経由して互いに再結合する。このとき、伝導帯に注入された電子が不純物Ｂの浅いドナ不純物準位に遷移するときにテラヘルツ波ｆ１が放射する。更に、活性領域３０内の浅いアクセプタ不純物準位を経由して、電子が価電子帯の正孔と再結合するときには、やはり、浅いアクセプタ不純物準位と価電子帯とのエネルギー差に相当するテラヘルツ波ｆ３が放射される。この他に各不純物準位を経由するさまざまな赤外線ｆiの発光が存在するがそのメカニズムなどは、前記実施例と同様なのでここでは省略する。

図７は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波の波長選択機構３５０を備えた場合の一実施例を示す断面構造の概略図である。基本的には、実施例１の図１に示した構造のテラヘルツ波発生ダイオードに可変波長のファブリ・ペロー型干渉フィルタを形成して、共振器１００を構成したものである。また、波長選択機構３５０となる可変波長のファブリ・ペロー型干渉フィルタは、シリコン単結晶基板を利用したＭＥＭＳ技術で、シリコンチップ５の表面に形成したＳｉＯ_２薄膜からなる絶縁薄膜５１を裏面からシリコンチップ５の一部をエッチング除去して空洞１０５を形成し、絶縁薄膜５１をダイアフラム１０７として残し、更にダイアフラム１０７の表面に電極１３０（反射膜６１と兼用）を形成してあり、ｎ型導電領域２０に形成した上部電極１１０（図７では、ｎ型導電領域２０への形成が奥になっているので見えない）との間の静電駆動により、ダイアフラム１０７が変形して、反射膜６０，６１間の間隔が変化するので、波長選択ができるようにしている。なお。ファブリ・ペロー型干渉フィルタのダイアフラム１０７の中心位置は、丁度、テラヘルツ波が発生する活性領域３０の中心部の真上になるようにしてあり、シリコンチップ５は、半導体基板１に接着してある。このようにして、放射するテラヘルツ波の波長選択が可能になり、レーザ発振させると周波数可変のテラヘルツ波レーザダイオードにすることができる。

図８は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波の波長選択機構３５０として量子井戸７０を用いた多重量子井戸構造をｐ型導電領域１５である活性領域３０に設けた場合であり、多重量子井戸構造の活性領域３０付近を拡大した断面概略図である。なお、ここではマウントするステム２００や配線１５０なども省略してある。図９には、多重量子井戸構造の活性領域３０付近を拡大したエネルギーバンド図を示してあり、量子井戸７０内の伝導帯や価電子帯に形成されたサブバンド中の準位と浅い不純物準位との間の準位間遷移に基づくテラヘルツ波の放射（ｆ１とｆ３）を利用するから、放射するテラヘルツ波の波長純度が極めて良くなり、極めて狭い半値幅のテラヘルツ波となる。また、量子井戸７０内の準位は、量子井戸７０の厚みや深さに関係するので、これらの大きさを調整することにより所望の微細なテラヘルツ波の波長選択が可能となる。

このような多重量子井戸構造の活性領域３０は、基本的には前記実施例３の図５に示したように、ｐ型のＳｉＧｅ層のエピ成長技術を利用し、ｐ型のＳｉ層とｐ型のＳｉＧｅ層との交互多層膜エピ成長をそれぞれの厚み１０ｎｍ程度の周期構造とする。この活性領域３０におけるＳｉＧｅ層のｐ型導電領域１０の不純物Ａとして、浅いアクセプタであるホウ素を高濃度に添加し、更に、ドナである不純物Ｂとしてリンをホウ素より少なく添加してあり、更に深い不純物準位（深い準位）となる金（Ａｕ）をこれらのいずれの不純物より少なく添加してある。この多重量子井戸構造の活性領域３０を、ＳｉＧｅの禁止帯幅Ｅｇａよりも大きい禁止帯幅Ｅｇの縮退したｐ型及びｎ型のＳｉで挟んだ構造になっている。

図９に示すように、縮退したｐ型Ｓｉとｎ型Ｓｉとのフェルミ準位Ｅｆ間に印加された順方向電圧により多重量子井戸構造に注入された電子と正孔は、多重量子井戸構造の伝導帯のサブバンドに形成された準位、浅いドナ準位（不純物準位）、深い準位（例えば、不純物準位）、浅いアクセプタ準位（不純物準位）及び価電子帯のサブバンドに形成された準位を介して再結合する。このときのサブバンドに形成された準位と浅いドナ準位または浅いアクセプタ準位との遷移がテラヘルツ波の放射（それぞれ、ｆ１とｆ３）に寄与する。

図１０は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波の波長選択機構３５０として回折格子８０を用いた分布帰還型の場合で、しかも発生するテラヘルツ波用の共振器１００を構成する反射膜６０、６１は、ｐｎ接合面に垂直に半導体基板１の端面に形成している場合の一実施例の断面概略図である。回折格子８０は、ｎ型導電領域２０内で活性領域３０から少し間隔を置いて設けてあり、ｐｎ接合面に沿う活性領域３０内で反射膜６０、６１に向かいながら増幅されるテラヘルツ波を減衰させ難いように配慮している。

回折格子８０の周期構造が放射するテラヘルツ波の周波数を決定する。回折格子８０にはテラヘルツ波に対して屈折率変化が必要で、ｎ型導電領域２０のうち回折格子８０の上側と下側に濃度差を設けたり、回折格子８０の周期構造をエッチングによる凹凸により形成しても良い。

順方向電流を増大するに連れて、最初は、発光ダイオードとして四方八方にテラヘルツ波を放射しているが、次第に共振器１００の効果が働きレーザ発振するようになり、ｐｎ接合付近の活性領域３０の端面で反射率の低い側の反射膜６１（対向する反射膜６０は、ほぼ１００％反射にしたとき）から、その面に垂直方向にテラヘルツ波レーザ光が放射されるようになる。狭い活性領域３０から放出されるので、このときの放射光の断面形状は楕円形に近くなる。このとき共振器１００の反射膜６０，６１同士の間隔が半導体基板１の厚み方向の共振器１００に比較的大きく取れるので、放射テラヘルツ波のスペクトル幅が狭くなりやすい。

図１１は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波発生ダイオードを駆動に係わる周辺回路の少なくとも一部を半導体基板１に集積化した場合で、その一実施例の断面概略図である。信号増幅回路や演算・処理回路などの集積回路１６０を搭載した場合であり、特にシリコン単結晶の半導体基板１を用いると成熟したＩＣ技術がそのまま使用できるので、詳細は省略してある。

図１１において、集積回路１６０にバイポーラトランジスタやダイオードなどを設けて、温度センサとして使用することもできる。ここでは描いていないが、このようにすれば、半導体基板１を冷却するペルチェ素子などとの組み合わせで、テラヘルツ波発生ダイオードの微細な温度制御も可能となる。

図１２は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波発生ダイオードの温度制御ができるようにペルチェ素子４００をテラヘルツ波発生ダイオードの半導体基板１とステム２００との間に熱接触を良好にして設け、放射するテラヘルツ波を集光するためのレンズ３００と、更に、ＴＯ−５などパッケージのステム２００のキャップ２２０に、集光したテラヘルツ波を伝送するための導波管３１０を取り付けた場合の一実施例を示す断面概略図である。

ＭＥＭＳ技術を用いてシリコンチップ２の一部に空洞１０６を設けて、残ったダイアフラム部にレンズ３００を取り付けるようにすると、高精度でしかも陽極接合や接着剤などで容易に形成できる。レンズ３００は、凸レンズでも良いし、フレネルレンズなどでも良い。また、レンズ３００の代わりに、構造に工夫を必要とするが凹面鏡を利用することもできる。

導波管３１０として、金属パイプでも良いが、プラスチックの中空管の内壁に金などの金属反射膜をコ−テングしたものを用いると、フレキシブルになるので好適である。導波管３１０の内径は、導波するテラヘルツ波の波長の二分の一以上であればよく、内径を大きくするとその分、伝送するテラヘルツ波のパワーを大きくできるが、多重反射が大きくなるので、出力端での位相のずれが問題になり、信号の伝送では注意を要する。また、導波管３１０の代わりに、テラヘルツ波用の光ファイバを用いることもできる。

図１３は、本発明のテラヘルツ波放射装置における電気的系統構成の一実施例を示すブロック図である。テラヘルツ波発生ダイオード本体に、順方向電流を流し、その活性領域３０で発生したテラヘルツ波を外部に放射させて取り出すが、このときジュール熱や外気温などによりテラヘルツ波発生ダイオード本体の温度が変化する。テラヘルツ波発生ダイオード本体の温度変化は、活性領域３０の半導体の禁止帯幅や不純物準位のエネルギー値を変化させるので、発生するテラヘルツ波の周波数を直接変化させてしまい、例えば、特定の極めて狭いスペクトル波長のテラヘルツ波を利用して、励起・吸収させたりする場合や、通信における周波数分割や位相を問題にする場合など、高精度の周波数固定が必要な応用分野では問題になる。このためにはテラヘルツ波発生ダイオード本体の微細な温度制御が必要で、テラヘルツ波発生ダイオード本体に熱的に良好な接触をした温度センサとペルチェ素子とを用いて、制御する場合の例を図１３のブロック図に示している。

また、図１３では、テラヘルツ波発生ダイオード本体に所望のテラヘルツ波の発生のタイミングや出力強度、発生するテラヘルツ波の波長の制御など、演算・処理回路と駆動電源回路などの連携により制御する概略も示している。これらの演算・処理回路や増幅回路などの周辺回路は、テラヘルツ波発生ダイオード本体の半導体基板１に集積化しても良いし、外部に設けて混成回路にしても良い。

本発明の深い準位を持つテラヘルツ波発生ダイオードおよびこれを用いたテラヘルツ波放射装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。

従来の大出力パルスレーザや二波長レーザ照射などにおいては、テラヘルツ波の発生効率が悪いので、出力が１００ｍＷクラスのテラヘルツ波の発生でも１ｍ角程度の装置を必要としていた。これに対して本発明のテラヘルツ波発生ダイオード本体は、ＴＯ−５パッケージにマウントできる程度の超小型になり、携帯可能であると共に、導波路との組み合わせなどにより医療分野、創薬分野、バイオ分野、分析化学分野、センシング分野、非破壊検査分野、通信分野、種々の加工分野など、種々の用途に適用できる。

本発明テラヘルツ波発生ダイオードの半導体基板のチップをステム２００にマウントした状態の一実施例の横断面概略図である。（実施例１） 本発明テラヘルツ波発生ダイオードの図1におけるｐ型導電領域１０に活性領域３０を有するｐｎ接合付近のエネルギーバンド図である。（実施例１） 図２の本発明テラヘルツ波発生ダイオードに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図である。（実施例１） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードをＳＯＩ基板に形成した他の一実施例の断面概略図を示している。（実施例２） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードをダブルへテロ接合構造にした場合の断面概略図である。（実施例３） 図５に示したダブルへテロ接合のテラヘルツ波発生ダイオードに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図である。（実施例３） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、波長選択機構を可変波長ファブリ・ペロー型干渉フィルタとした場合の一実施例を示す断面構造の概略図である。（実施例４） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、波長選択機構を多重量子井戸構造とした場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例５） 図８の本発明のテラヘルツ波発生ダイオードに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図である。（実施例５） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、波長選択機構を回折格子８０とした場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例６） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて周辺回路の少なくとも一部を集積化した場合の一実施例の断面概略図である。（実施例７） 本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、ペルチェ素子とレンズと導波管とを取り付けた場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例８） 本発明のテラヘルツ波放射装置における電気的系統構成の一実施例を示すブロック図である。（実施例９）

符号の説明

１ 半導体基板
２ ダイオードチップ
５ シリコンチップ
１０，１１，１５ ｐ型導電領域
２０ ｎ型導電領域
３０ 活性領域
４０ ＳＯＩ層
５０、５１ 絶縁薄膜
６０、６１ 反射膜
７０ 量子井戸
８０ 回折格子
１００ 共振器
１０５，１０６ 空洞
１０７ ダイアフラム
１１０ 上部電極
１２０ 下部電極
１３０ 電極
１５０、１５１、１５２ 配線
１６０ 集積回路
２００ ステム
２１０ リード
２２０ キャップ
３００ レンズ
３１０ 導波管
３５０ 波長選択機構
４００ ペルチェ素子

Claims (11)

1. 半導体基板に、少なくとも１つのｐｎ接合と、このｐｎ接合を構成するｐ型またはｎ型の導電型のうちの少なくとも一方の導電型領域に活性領域を備え、この活性領域には、この導電型を形成するための浅い準位を形成する不純物Ａと、他方の導電型になる浅い準位を形成する不純物Ｂを前記不純物Ａよりも少なく添加してあり、前記ｐｎ接合に順方向バイアスを印加したときに、前記活性領域に注入された少数キャリアが伝導帯または価電子帯から不純物Ｂの準位を介して多数キャリアと再結合するときに放射する電磁波がテラヘルツ域になるようにしたテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、少なくとも前記活性領域に深い準位を形成してあり、この活性領域に注入された少数キャリアが前記深い準位をも経由して多数キャリアと再結合するようにしたことを特徴とするテラヘルツ波発生ダイオード。
2. 深い準位を不純物添加により形成した請求項１に記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
3. 半導体基板として単結晶シリコンをベースにした請求項１または２のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
4. ｐｎ接合にヘテロ接合を設けた請求項１から３のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
5. 波長選択機構を備えた請求項１から４のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
6. 共振器を備えてレーザ発振ができるようにした請求項１から５のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
7. テラヘルツ波が活性領域の厚み方向の外部に放射するように構成した請求項１から６のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
8. 半導体基板に、この基板の温度を検出する温度センサを搭載した請求項１から７のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
9. 半導体基板に、テラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる周辺回路の少なくとも一部を集積した請求項１から８のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
10. 発生したテラヘルツ波を少なくとも集光、発散もしくは伝送に係わる光学系を備えた請求項１から９のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオードと、少なくとも、このテラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる駆動回路を備えたテラヘルツ波放射装置。