JP5582822B2 - 電磁波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、励起光の照射によって電磁波を発生する電磁波発生装置に関する。

ミリ波帯からテラヘルツ波帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）の周波数帯域内にある成分を含む電磁波（本明細書では、単にテラヘルツ波とも呼ぶ）は、以下の様な特徴を持つ。第一に、Ｘ線の様に非金属物質を透過する。第二に、生体分子や医薬品などに固有の吸収スペクトルがこの周波数帯に多数存在する。第三に、多くのイメージング用途に必要な空間分解能を有する。以上の特徴から、テラヘルツ波の応用分野として、物質内部の分光分析技術、Ｘ線に代わる安全な透視イメージング装置、生体分子や医薬品の解析技術などが開発されている。テラヘルツ波の発生方法として、広く用いられている方法は、光伝導素子を用いる方法である。光伝導素子は、移動度が比較的大きくてキャリア寿命がピコ秒以下という特殊な半導体と、その上に設けられた二つの電極とで構成される。電極間に電圧を印加した状態で電極間のギャップに光照射を行うと、ピコ秒オーダーの電流が電極間を流れ、テラヘルツ波が放射される。

テラヘルツ波の出力を増大する為には、電極間の電界強度が大きい方が好ましく、これを解決する為の発生装置が特許文献１に開示されている。この発生装置は、上記光伝導素子を用いるものではない。図１０に示すこの発生装置は、基板１１と、真空部分１５と、電極１２、１３とで構成される。電極１３の表面部は、光が照射された場合に真空部分１５に電子１６を放出する光電面１４を備える。光電面１４には、Ｓｂ、Ｋ、Ｎａ、Ｃｓなどの材料を用いる。真空部分１５が介在する陽極１２と陰極１３との間には、電源２０で比較的高い電圧Ｖを印加できる。光伝導素子とは異なり、光電面１４から放出された電流が流れる時間τは、陽極１２と陰極１３とのギャップの間隔ｄ及び電圧Ｖで決定される。例えば、電極間の電圧Ｖ＝１００Ｖ、このギャップｄ＝２μｍの場合、τ＝０．６７ｐｓｅｃになると見積もられる。従って、光電面１４にレーザ装置３０から幅がフェムト秒の短いパルス光３１（波長約７８０ｎｍ）を照射すると、時間τの間だけアンテナ（電極間１２、１３）に誘導電流が流れ、アンテナからテラヘルツ波が放射される。特許文献１は、この様にして、光伝導素子を用いる方法より電界強度を大きくし、テラヘルツ波の出力を向上している。

特開２００６−０７４０２１号公報

しかし、上記電磁波発生装置の放出電流特性については、以下の点が指摘される。第一に、真空管素子の放出電流特性は、陰極・陽極間の電界の関数となっている為、陰極・陽極間の距離について電極幅に亘って均一性が高い精度で求められるが、加工上の精度から、これは容易ではない。第二に、真空管素子の放出電流特性は、陰極材料の仕事関数に依存しているので、その表面に吸着物などが付着すると仕事関数が変化し、放出電流が変動し易い。上記電磁波発生装置は、この様な真空管素子の特徴をそのまま有し、放出電流特性の安定化が課題となっていた。

上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生装置は、第一電極を含むエミッタ部と、第二電極を含むコレクタ部と、エミッタ部とコレクタ部に挟まれたキャリア走行部と、第一電極より第二電極の電位が高くなる様に電圧を印加する電圧印加手段と、を備える。 前記キャリア走行部は、電子であるキャリアが走行する方向に沿って伸びた第一の半導体で構成される。前記エミッタ部は、前記第一の半導体に接して形成されてポテンシャル障壁をなす第二の半導体を含み、光照射手段から光が照射されたときにのみ前記ポテンシャル障壁を乗り越えて前記キャリアが前記キャリア走行部に放出される様に構成される。

本発明によれば、上記先行技術における真空は、固体である半導体（典型的には、平均自由工程より薄い実質的に真性な半導体）に置き換えられて、真空に準じる電子（或いは正孔）の弾道飛行が可能となる。固体である半導体を用いるので、半導体を挟むエミッタ・コレクタ間距離を高い精度で制御できる固体素子の製法を選択することができて、放出電流特性の安定化された電磁波発生装置を実現できる。

実施形態１に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施形態２に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施形態３に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施形態４に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施形態５に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施例１に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施例２に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 実施例３に係る電磁波発生装置の構成を示す模式図。 電磁波発生装置を用いたテラヘルツ時間領域分光システムの構成を示す模式図。 従来の電磁波発生装置を説明する模式図。

本発明の電磁波発生装置では、光の照射により、第一電極を含むエミッタ部のキャリアが励起され、キャリア走行部をなす第一の半導体に接して形成された第二の半導体によるポテンシャル障壁を超えることで、キャリア走行部でキャリアが加速される。エミッタ部のポテンシャル障壁をなす第二の半導体を第一の半導体に接して設けることで、キャリアの走行距離を安定させることができ、また表面に吸着物などが付着することを防止できる。こうした考え方に基づき、本発明の電磁波発生装置の基本的な構成は、上記の如き構成を有する。典型的には、前記照射光は、時間変調された光であるが、連続光を用いることもできる。連続光では、例えば、周波数差がテラヘルツ領域となる２種類の周波数の光を照射光として用いる。また、電子（或いは正孔）の弾道飛行距離をより精度良く設定するために、好適には、前記キャリア走行部は、前記キャリアが走行する方向に沿った平均自由工程以下の長さの第一の半導体で構成するとよい。また、真性ないし実質的に真性な第一の半導体で構成するとよい。

以下、図を用いて本発明の実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態１）
実施形態１に係る電磁波発生装置について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の電磁波発生装置を表す断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態の電磁波発生装置の断面に沿ったバンドプロファイルを示す。図１において、１０１は、エミッタ部に電子を供給する為の第一電極である。１０２は、電子（或いは正孔）のトンネルすることのできない程度の厚さの半導体（第二の半導体）で構成されたポテンシャル障壁である。本実施形態では、電極１０１と半導体ポテンシャル障壁１０２とがエミッタ部を構成する為、電極１０１のフェルミエネルギーを基準として、ポテンシャル障壁の高さは後述の励起光１３１のフォトンエネルギーより少しだけ小さくなる様に設計する。１０３は、厚さが平均自由工程より薄い真性ないし実質的に真性な半導体（第一の半導体）で構成されたキャリア走行部である。室温において、典型的には十ｎｍ〜百ｎｍオーダーである。実質的に真性とは、完全に真性でなくてもよいことを指し、電界が印加できる程度に電子（或いは正孔）濃度が少なければよい。典型的には１０^１６ｃｍ^−３以下であればよい。走行部１０３はポテンシャル障壁１０２と接しており、その界面は周囲の雰囲気に暴露されずに済む構成となっている。よって、その表面に吸着物などが付着するということはない。１１１は、コレクタ部から電子を抜き取る為の第二電極である。本実施形態では、電極１１１のみがコレクタ部を構成する。

１２０は、電極１０１、１１１間に電圧１２１を印加する為の電圧印加手段である電圧源である。電圧源１２０は、第一電極１０１を基準に第二電極１１１の電位が高くなる様に電圧１２１を印加する。１３０は、光照射手段である光レーザ装置である。本実施形態では、幅がフェムト秒の短いパルス光１３１がレーザ装置１３０から照射され、半導体ポテンシャル障壁１０２の直上の電極１０１に照射される。ここで、パルス光１３１のフォトンエネルギーは半導体ポテンシャル障壁１０２の高さよりも大きい為、光励起された電子は電位の高い第二電極１１１に向かって放出される。勿論、それより小さなエネルギーによる電子の励起では、半導体ポテンシャル障壁１０２の高さを乗り越えられない為、電子が放出されることはない。こうした小さなエネルギーとしては、熱エネルギー（例えば、数十ミリ電子ボルト）による熱励起などが考えられる。

放出された電流が流れる時間τは、第一の半導体で構成されたキャリア走行部１０３の材料と厚さｄで主に決定される。材料に依存するのは、材料中の飽和電子速度が関係するからである。この飽和速度ｖ_ｓは、典型的には１０^７ｃｍ／ｓｅｃのオーダーである。材料の飽和速度ｖ_ｓが１０^７ｃｍ／ｓｅｃと仮定し、電子の走行速度ｖ_ｄもこれに達すると仮定すると、キャリア走行部１０３の厚さｄ＝５０ｎｍの場合、τ＝０．５ｐｓｅｃになると見積もられる。この見積もりでは、τ＝ｄ／ｖ_ｄを用いた。この式は、近似式である。短パルス光１３１による電子の励起時間、コレクタ部における電子の緩和時間を考慮して上記厚さ等を調整することにより、精度を高めることができる。電界依存性に関しては、電界強度が強ければτが小さくなるといった関係があるが、これには半導体材料による制限がある。典型的には１０ｋＶ／ｃｍオーダーの電界強度で電子速度が飽和することを考えると、それ以上の電界強度はτを小さくしない。従って、この様なナノ構造では、大きな電圧は必要としない。電極１０１、１１１間の電圧Ｖ１２１は１Ｖ程度で十分である。このとき、フェムト秒パルス光１３１を照射すると、時間τの間だけ電極１０１、１１１間に誘導電流が流れる。電極１０１、１１１をアンテナの形にしておくと、このアンテナからテラヘルツ波が放射される。放射パターンはアンテナに従う。放射されるテラヘルツ波のバンド幅は、単純に１／τで見積もると、２ＴＨｚとなる。

本実施形態によれば、半導体を挟むエミッタ・コレクタ間距離を高い精度で制御できて、キャリアの走行距離を精度良く設定でき、放出電流特性を安定化できる。また、上記従来技術の真空管素子の放出電流特性は、真空準位が曲げられて生じるポテンシャル障壁における電子のトンネルに依存している。従って、熱エネルギーなどで与えられる僅かな電子のエネルギーの変化によっても、対応するポテンシャル障壁の厚さが変化し、放出電流が変動し易い。これに対して、本実施形態では、真空準位によるポテンシャル障壁は、エミッタに接続された別の半導体における伝導帯の底（或いは価電子帯の頂上）に置き換えられる。その為、数電子ボルトといった金属の仕事関数（Ｃｓでは約２ｅＶ、これは金属の中では比較的低い）と比較して障壁の高さが小さく、キャリアのトンネルに依存しない様なポテンシャル障壁を提供できる。つまりは、従来の真空を用いた電磁波発生装置をこの様に固体素子化して、放出電流特性を安定化することができる。尚、上記構成において、ポテンシャル障壁を形成する半導体１０２と半導体１０３を同じにすることができる。この場合、ポテンシャル障壁は、半導体と電極とのショットキー接合による障壁になって、制御し難くなるが、適切な界面処理や材料の選択を行えば、こうした構造を用いることもできる。また、上記構成において正孔をキャリアとして用いることもできる。この場合は、電圧１２０の極性を入れ替え、バンドプロファイルの上下を反転させた上記構成を用いればよい。

（実施形態２）
実施形態２に係る電磁波発生装置について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施形態の電磁波発生装置を表す断面図である。図２（ｂ）は、本実施形態の電磁波発生装置の断面に沿ったバンドプロファイルを示す。本実施形態において、第一電極２０１、ポテンシャル障壁２０２、キャリア走行部２０３、第二電極２１１、電圧印加手段２２０、光照射手段２３０は、実施形態１と同様であるが、エミッタ部の構成が異なる。２０４は、第一電極２０１と第二の半導体のポテンシャル障壁２０２に挟まれてポテンシャル障壁と接する半導体である。その導電性は、走行部２０３のキャリアの導電型と等しいｎ型かｐ型が選ばれる。本実施形態では、電極２０１、導電性の半導体２０４、半導体ポテンシャル障壁２０２がエミッタ部を構成する為、導電性の半導体２０４のフェルミエネルギーを基準として、ポテンシャル障壁の高さを設計する。例えば、導電性の半導体２０４のキャリア濃度は１０^１８〜１０^１９ｃｍ^−３程度に調整する。この場合、フェルミエネルギーはキャリアの伝導帯底付近に位置する。すると、第一電極２０１のフェルミエネルギーすなわち半導体２０４のフェルミエネルギーを基準として、ポテンシャル障壁の高さは、半導体２０４と第二の半導体のポテンシャル障壁２０２のバンドオフセットによって設計することができる。例えば、半導体における典型的なバンドオフセットは、０．５ｅＶなどと設計できる為、この場合、対応する励起光２３１の波長（フォトンエネルギー）は、２．４μｍ以下（０．５ｅＶ以上）であればよい。

本実施形態の動作方法を説明する。実施形態１と同様に、電圧印加手段２２０は、電極２０１、２１１間に電圧２２１を印加する。本実施形態では、光照射手段２３０からの短いパルス光２３１は、半導体ポテンシャル障壁２０２の直上の導電性半導体２０４に照射される。ただし、図２の様な配置の場合、電極２０１が光２３１の透過を妨げる為、斜め上方向か横方向に配置した光照射手段２３０からの照射も考えられる。勿論、電極２０１を薄くしたり、電極２０１の材料にＩＴＯやＺｎＯなどの透明導電膜を用いたりすれば、透過率を向上することはできる。

この様に、励起光の波長として、比較的長波長側に対応することができるのが本実施形態の特徴である。故に、適切なバンドオフセットを選択して、光照射手段として、比較的低価格な１．５μｍ帯のファイバーレーザ装置などを利用することもできる。その他の点は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
実施形態３に係る電磁波発生装置について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は、本実施形態の電磁波発生装置を表す断面図である。図３（ｂ）は、本実施形態の電磁波発生装置の断面に沿ったバンドプロファイルを示す。同図は、一例として、キャリアとして電子を選んだ場合を表している。本実施形態において、第一電極３０１、導電性の半導体３０４、ポテンシャル障壁３０２、キャリア走行部３０３、第二電極３１１、電圧印加手段３２０、光照射手段３３０は、実施形態２と同様であるが、コレクタ部の構成が異なっている。

３１２は、サブコレクタと呼ばれる導電型の半導体であって、第二電極３１１の位置に自由度を与え、基板３１上に実施形態２の構成を配置する為に設けている。従って、本実施形態では、電極３１１とサブコレクタ３１２とがコレクタ部を構成する。この為、例えば、基板３１として半導体基板を選んだとすると、基板３１上に半導体層３１２、３０３、３０２、３０４を順に結晶成長し、絶縁体３０５を用いるなど、よく知られた半導体プロセス技術で本実施形態を作製できる。すなわち、本実施形態は、コレクタ部、キャリア走行部、エミッタ部をこの順に積層することで作製できる。その手順は、例えば、よく知られたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の製造方法に準じる。サブコレクタ３１２の導電型は、走行部３０３のキャリアの導電型と等しいｎ型或いはｐ型を選択し、できる限りキャリアが高濃度になる様に調整する。

本実施形態の動作方法は、実施形態２と同様である。だたし、半導体３１２におけるキャリアの緩和時間を考慮する必要がある。また、励起光３３１による光キャリア生成で著しく電気伝導度が変わらない様に、サブコレクタ３１２の半導体の材料は、エネルギーギャップが励起光３３１のフォトンエネルギーより大きくなる様に選択することが好ましい。

（実施形態４）
実施形態４に係る電磁波発生装置について、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、本実施形態の電磁波発生装置を表す断面図である。図４（ｂ）は、本実施形態の電磁波発生装置の断面に沿ったバンドプロファイルを示す。同図は、キャリアとして電子を選んだ場合を表している。本実施形態において、第一電極４０１、導電性の半導体４０４、ポテンシャル障壁４０２、キャリア走行部４０３、第二電極４１１、電圧印加手段４２０、光照射手段４３０は、実施形態３と同様である。しかし、実施形態３とは、導電性の半導体３１２は除去されており、基板４１の位置が図の上下方向に反転している点が異なる。この為、上述の半導体３１２におけるキャリアの緩和時間を考えなくてよい構成となる。というのも、通常、半導体におけるキャリアの緩和機構は、室温では主に縦光学フォノン散乱による数ピコ秒以内での緩和が支配的である。従って、放出された電流が流れる時間τがピコ秒と同じオーダーやそれ以下となる様な設計の場合、この緩和時間を考慮しなければならないからである。この様な意味では、本実施形態は、直接、電極内で緩和が起こる実施形態１、２と同様の単純なキャリア伝導機構を有する。

本実施形態は、基板４１上に半導体層４０４、４０２、４０３を順に結晶成長し、絶縁体４０５を用いて、半導体プロセス技術で作製できる。すなわち、本実施形態は、エミッタ部、キャリア走行部、コレクタ部をこの順に積層することで作製できる。

本実施形態の動作方法は、実施形態３と同様である。すなわち、本実施形態において、光照射手段４３０から照射される短いパルス光４３１は、半導体ポテンシャル障壁４０２の直下の導電性半導体４０４に照射する。ただし、基板４１の位置の反転に伴って、フェムト秒パルス光４３１は、基板４１を通過しなくてはならない構成となっている。従って、基板４１は、励起光４３１に対して、透明で低分散な材料を使用する。例えば、基板４１として半導体基板を選んだ場合、少なくとも、半導体４１のバンドギャップは励起光４３１のフォトンエネルギーより大きくする必要がある。或いは、基板４１の一部に、裏面側から半導体ポテンシャル障壁４０２の直下の導電性半導体４０４まで光導入ができる様に穴を開けてもよい。

（実施形態５）
実施形態５に係る電磁波発生装置について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、本実施形態の電磁波発生装置を表す断面図である。図５（ｂ）は、本実施形態の電磁波発生装置を表す上面図である。本実施形態において、第一電極５０１、第二電極５１１、電圧印加手段５２０、光照射手段５３０は実施形態３と同様であり、導電性の半導体５０４、ポテンシャル障壁５０２、キャリア走行部５０３、導電性の半導体５１２は、横に並んだ配置となっている。本実施形態では、第一電極５０１と導電性の半導体５０４とポテンシャル障壁５０２がエミッタ部を、第二電極５１１と導電性の半導体５１２がコレクタ部を構成する。これは、これまでの実施形態が縦型であったことに対して、本発明が横型でも構成できる一例を示すものである。例えば、基板５１として真性ないし実質的に真性な半導体基板を選んだとすれば、基板５１上において、ｐ型半導体領域５０２、ｎ型半導体領域５０４、５１２を順にイオン注入するなど、よく知られた半導体プロセス技術によって作製可能である。更に精度の高い傾斜基板を利用したヘテロ接合を用いて作製してもよい。本実施形態では、ポテンシャル障壁５０２として、走行部５０３を飛行する電子とは反対の導電型となるｐ型を用いる。障壁の高さはキャリア濃度によって制御することができる。

本実施形態の動作方法は、実施形態３と同様である。すなわち、本実施形態において、光照射手段５３０から照射される励起光５３１は、半導体ポテンシャル障壁５０２の隣の導電性の半導体５０４に照射する。半導体５０４（特に半導体５０２との界面付近が好ましい）にフェムト秒パルス光５３１を直接照射することができるので、これまでの縦型よりも光効率は良い。

本実施形態では、キャリア走行部５０３には、電極５０１、５１１間に生じる電気力線に沿った横方向の電界が掛かる。従って、放出された電流が流れる時間τは、キャリア走行部５０３の材料と横方向の長さｄで主に決定される。つまり、本実施形態では、τの決定には、キャリアの走行方向に沿った半導体の長さが関わっている。その他、τの導出に関しては、実施形態１で説明した内容と同じである。従って、フェムト秒パルス光５３１を照射すると、時間τの間だけ電極５０１、５１１間に誘導電流が流れる。本実施形態では、電極５０１、５１１がダイポールアンテナの形になっている。アンテナ形状としては、ダイポールアンテナ、ボウタイアンテナなどがよく知られている。放射パターンは、基板５１にアンテナが貼り付いている形となっている為、誘電率の高い方に、つまりは、基板５１側に偏る。

更に具体的な電磁波発生装置について、以下の実施例で説明する。
（実施例１）
実施例１に係る電磁波発生装置について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施例の電磁波発生装置を表す断面図である。図６（ｂ）は、本実施例の電磁波発生装置の断面に沿った半導体部分のバンドプロファイルを示す。図６（ｃ）は、本実施例の電磁波発生装置を表す上面図である。本実施例は、実施形態１と実施形態３とを組み合わせた形態を有する。

図６（ａ）、（ｃ）において、６１はＧａＡｓ基板である。本実施例は、ＧａＡｓ基板６１上に構成される。６０１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極（第一電極）である。６０２は、厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＡｓ（Ａｌの組成３０％）で構成されたポテンシャル障壁である。本実施例では、電極６０１とＡｌＧａＡｓポテンシャル障壁６０２がエミッタ部を構成する為、ポテンシャル障壁の高さはＴｉとＡｌＧａＡｓのショットキー障壁高さと一致し、約０．７ｅＶである。６０３は、厚さ３０ｎｍのアンドープＧａＡｓで構成された走行部である。ここの電子濃度は、周囲と比較して十分に希薄であればよい為、アンドープでも問題はない。更に、６１２は、厚さ１００ｎｍ、電子濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ−ＧａＡｓであり、バンドギャップは約１．４ｅＶである。６１１は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極（第二電極）である。本実施例では、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極６１１とサブコレクタ６１２がコレクタ部を構成する。

図６（ｂ）は、本実施例の半導体部分のバンドプロファイルを、ポワソンソルバを使用して計算したもので示す。ここで、走行部６０３のドナー濃度として１×１０^１６ｃｍ^−３を与えて計算しても、実質的にバンドプロファイルの変化はない。こうした構造は、ＧａＡｓ基板６１上に半導体層６１２、６０３、６０２を順にＭＢＥ法或いはＭＯＶＰＥ法を用いて結晶成長し、メサ状へのエッチング、ＳｉＯ_２６０５などによるパッシベーションなど、よく知られた半導体プロセス技術で作製する。メサは、ＲＣ時定数をできるだけ小さくする為に小面積が好ましく、また、光照射の投影面積より少し大きな程度がよい。本実施例では、１０μｍ×１０μｍを用いる。

本実施例の動作にあたり、電極６０１、６１１間には、電圧源６２０から電圧を印加し、走行部６０３における電界強度を５０Ｖ／ｃｍ程度に調整する。本実施例では、レーザ装置６３０として、幅が数十フェムト秒の短パルス光を発振する１．５μｍ帯ファイバーレーザ装置を用いる。フェムト秒パルス光６３１は、ＡｌＧａＡｓポテンシャル障壁６０２の直上のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極６０１に照射する。波長１．５μｍはフォトンエネルギー０．８ｅＶに相当する為、約０．７ｅＶのＡｌＧａＡｓポテンシャル障壁６０２を超える様な電子の光励起が可能である。また、サブコレクタ６１２のバンドギャップは約１．４ｅＶであり、励起光６３１の照射によりサブコレクタ６１２の電気伝導度が著しく変わらない様に設計されている。

図６（ｃ）において、６０６は、第一電極６０１を櫛歯状に形成した部分を示している。本実施例では、光６３１の透過を妨げない様に電極６０１に櫛歯状電極部６０６を設けている為、幾分か光効率が良い。放出された電流が流れる時間τは、ＧａＡｓ走行部６０３の材料に依存する。ＧａＡｓの室温における２０〜２００ｋＶ／ｃｍの電界印加時の電子の走行速度ｖ_ｄは、概ね０．８×１０^７ｃｍ／ｓｅｃである。これについては、ＧａＡｓにおける材料特性を調べたＪ． Ｓ． Ｂｌａｋｅｍｏｒｅ， Ｊｏｕｒ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．５３， Ｒ１２３（１９８２）を参照した。故に、τ＝ｄ／ｖ_ｄより、τ＝０．３８ｐｓｅｃと見積もられる。放射パターンは、誘電率の高いＧａＡｓ基板６１側に放射される為、テラヘルツ波の損失の小さい半絶縁性基板６１を用いるとよい。

（実施例２）
実施例２に係る電磁波発生装置について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は、本実施例の電磁波発生装置を表す断面図である。図７（ｂ）は、本実施例の電磁波発生装置の断面に沿った半導体部分のバンドプロファイルを示す。図７（ｃ）は、本実施例の電磁波発生装置を表す上面図である。本実施例は、実施形態２と実施形態３とを組み合わせた形態を有する。

図７（ａ）において、７１はＩｎＰ基板である。本実施例は、ＩｎＰ基板７１上に構成される。７０１は、パッシベーション７０５上のＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極（第一電極）である。７０２は、フェルミエネルギー付近のトンネル確率が０．１％以下となる厚さ８ｎｍのＩｎＡｌＡｓで構成されたポテンシャル障壁である。７０４は、厚さ１００ｎｍ、電子濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＧａＡｓであり、フェルミエネルギーは伝導帯底付近にある。本実施例では、電極７０１、ｎ−ＩｎＧａＡｓ７０４、ＩｎＡｌＡｓポテンシャル障壁７０２がエミッタ部を構成する為、ポテンシャル障壁の高さはＩｎＧａＡｓとＩｎＡｌＡｓのバンドオフセットと一致し、約０．５ｅＶとなる。７０３は、厚さ６０ｎｍのｉ−ＩｎＧａＡｓで構成された走行部である。更に、７１２は、厚さ１００ｎｍ、電子濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＰであり、バンドギャップは約１．３ｅＶある。７１１は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極（第二電極）である。本実施例では、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極７１１とサブコレクタ７１２がコレクタ部を構成する。いずれの半導体層も、ＩｎＰ基板７１に格子整合する組成を用いる。図７（ｂ）は、本実施例の半導体部分のバンドプロファイルを、ポワソンソルバを使用して計算したもので示す。ＩｎＡｌＡｓポテンシャル障壁７０２は、臨界膜厚以下であれば、Ａｌ組成が大きくなる側に歪みを与えてポテンシャル障壁の高さを大きく、或いはＡｌ組成が小さくなる側に歪みを与えてポテンシャル障壁の高さを低く設計することもできる。

本実施例の動作にあたり、電極７０１、７１１間には、電圧源７２０から電圧１Ｖを印加する。その他は、実施例１と同様である。レーザ装置７３０は、実施例１と同様のレーザ装置を用いる。フェムト秒パルス光７３１は、ポテンシャル障壁７０２の直上のｎ−ＩｎＧａＡｓ７０４に照射する。図７（ｃ）において、７０６は、第一電極７０１をリング状に形成した部分を示している。本実施例では、光７３１の透過を妨げない様に電極７０１にリング状電極部７０６を設け、ｎ−ＩｎＧａＡｓ７０４の一部が露出している為、光効率が良い。放出された電流が流れる時間τは、ＩｎＧａＡｓ走行部７０３の材料に依存する。ＩｎＧａＡｓの電子の走行速度ｖ_ｄは概ね９×１０^７ｃｍ／ｓｅｃ（電子の弾道飛行を利用したＶＦＥＴ構造を提案する、Ｋ． Ｆｕｒｕｙａ ｅｔ ａｌ， Ｊ． Ｐｈｙｓ．： Ｃｏｎｆ． Ｓｅｒ． Ｖｏｌ．３８， ２０８ （２００６）を参照）である。その為、τ＝ｄ／ｖ_ｄより、τ＝６７ｆｓｅｃと見積もられる。放射パターンは、誘電率の高いＩｎＰ基板７１の側に放射される為、テラヘルツ波の損失の小さい半絶縁性基板７１を用いるとよい。

（実施例３）
実施例３に係る電磁波発生装置について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、本実施例の電磁波発生装置を表す断面図である。図８（ｂ）は、本実施例の電磁波発生装置の断面に沿った半導体部分のバンドプロファイルを示す。図８（ａ）において、８１はＩｎＰ基板である。本実施例は、実施例２の変形例であり、ｎ−ＩｎＰ７１２は除去され、ＩｎＰ基板８１の位置が図の上下方向に反転している。従って、本実施例では、パッシベーション８０５上のＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極（第二電極）８１１のみがコレクタ部を構成する。ＴｉとＩｎＧａＡｓの界面の性質により、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極８１１はショットキーコレクタとして動作する。その他は、実施例２と同様である。すなわち、８０１はＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極（第一電極）、８０２は厚さ８ｎｍのＩｎＡｌＡｓポテンシャル障壁、８０４は、厚さ１００ｎｍの電子濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＧａＡｓ、８０３は、厚さ６０ｎｍのｉ−ＩｎＧａＡｓである。本実施例の半導体部分のバンドプロファイルを、ポワソンソルバを使用して計算したもので示す図８（ｂ）では、ｉ−ＩｎＧａＡｓ走行部８０３を飛行する電子は左側に向かう。

本実施例の動作方法は、実施例２と同様であり、電極８０１、８１１間には、電圧源８２０から電圧が印加される。ただし、レーザ装置８３０からのフェムト秒パルス光８３１は、基板８１を通過する為、１．５μｍ帯の励起光８３１にとって損失や分散が比較的小さい半絶縁性ＩｎＰ基板８１を用いる。本実施例において、放射パターンは、アンテナ８０１、８１１とその上に載せた誘電体レンズ８４０によって制御する。本実施例ではＳｉレンズを用いる為、テラヘルツ波は上方向にも放射する。

（実施例４）
図９は、実施例４に係る電磁波発生装置を用いたテラヘルツ時間領域分光システム（ＴＨｚ−ＴＤＳ）を示す。この様な分光システム自体は、従来から知られているものと基本的に同じである。この分光システムは、短パルスレーザ８３０と、ハーフミラー９１０と、光遅延系９２０と、電磁波発生素子（電磁波発生装置）８００と、電磁波検出素子（電磁波検出装置）９４０とを主要な要素として備える。ポンプ光９３１、プローブ光９３２は、それぞれ電磁波発生素子８００と電磁波検出素子９４０を照射する。電圧源８２０で電圧が印加されている電磁波発生素子８００から発生したテラヘルツ波は、テラヘルツガイド９３３、９３５によって検体９５０に導かれる。検体９５０の吸収スペクトルなどの情報を含むテラヘルツ波は、テラヘルツガイド９３４、９３６によって導かれて電磁波検出素子９４０で検出される。このとき、電流計９６０の検出電流の値は、テラヘルツ波の振幅に比例する。時間分解を行う（つまり電磁波の時間波形を取得する）には、プローブ光９３２側の光路長を変化させる光遅延系９２０を動かすなど、ポンプ光とプローブ光との照射タイミングを制御すればよい。すなわち、電磁波発生素子８００における電磁波発生時と電磁波検出素子９６０における電磁波検出時との間の遅延時間を調整する。

本実施例において、電磁波検出素子９４０は１．５μｍ帯に対応した低温成長ＩｎＧａＡｓによる光伝導素子を用いる。部品点数は増えるが、プローブ光９３２側に第二次高調波発生器（ＳＨＧ結晶）を挿入し、電磁波検出素子９４０として低温成長ＧａＡｓによる光伝導素子を用いると、信号雑音比が向上する為に好ましい。この様に、本発明による電磁波発生装置を用いてテラヘルツ時間領域分光システムを構成することが可能である。

１０１・・・第一電極、１０２・・・第二の半導体（ポテンシャル障壁）、１０３・・・第一の半導体（キャリア走行部）、１１１・・・第二電極、１２０・・・電圧印加手段（電圧源）、１３０・・・光照射手段、１３１・・・光（時間変調された光）

Claims (10)

1. 第一電極を含むエミッタ部と、
   第二電極を含むコレクタ部と、
   前記エミッタ部とコレクタ部に挟まれたキャリア走行部と、
   前記第一電極より前記第二電極の電位が高くなる様に電圧を印加する電圧印加手段と、
   光を照射する光照射手段と、
   を備え、
   前記キャリア走行部は、電子であるキャリアが走行する方向に沿って伸びた第一の半導体で構成され、
   前記エミッタ部は、前記第一の半導体に接して形成されてポテンシャル障壁をなす第二の半導体を含み、前記光によりキャリアが前記ポテンシャル障壁以上のエネルギレベルに励起されるときにのみ前記ポテンシャル障壁を乗り越えて前記キャリアが前記キャリア走行部に放出されるように構成されることを特徴とする電磁波発生装置。
2. 第一電極を含むエミッタ部と、
   第二電極を含むコレクタ部と、
   前記エミッタ部とコレクタ部に挟まれたキャリア走行部と、
   前記第一電極より前記第二電極の電位が低くなる様に電圧を印加する電圧印加手段と、
   光を照射する光照射手段と、
   を備え、
   前記キャリア走行部は、正孔であるキャリアが走行する方向に沿って伸びた第一の半導体で構成され、
   前記エミッタ部は、前記第一の半導体に接して形成されてポテンシャル障壁をなす第二の半導体を含み、前記光によりキャリアが前記ポテンシャル障壁以上のエネルギレベルに励起されるときにのみ前記ポテンシャル障壁を乗り越えて前記キャリアが前記キャリア走行部に放出されるように構成されることを特徴とする電磁波発生装置。
3. 前記キャリア走行部は、前記キャリアが走行する方向に沿った平均自由工程以下の長さの第一の半導体で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波発生装置。
4. 前記キャリア走行部は、真性、ないし電界が印加できる程度に電子或いは正孔の濃度が少ない第一の半導体で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
5. 前記エミッタ部は、前記第一電極と前記第二の半導体に挟まれて前記第二の半導体と接し前記キャリアと等しい導電型の半導体を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
6. 前記コレクタ部は、前記光のフォトンエネルギーよりエネルギーギャップが大きく前記キャリアと等しい導電型の半導体を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
7. 基板の上に、前記コレクタ部、前記キャリア走行部、前記エミッタ部がこの順に、或いは前記エミッタ部、前記キャリア走行部、前記コレクタ部がこの順に、積層されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
8. 前記第一の半導体と前記第二の半導体は同じ半導体であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
9. 第二の半導体は、キャリアがトンネルすることのできない程度の厚さを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電磁波発生装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の電磁波発生装置と、
    前記電磁波発生装置から発生された電磁波を検出するための電磁波検出装置と、
    前記電磁波発生装置における電磁波発生時と前記電磁波検出装置における電磁波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延系と、
    を備え、
    前記遅延系により遅延時間を変化させることによって電磁波の時間波形を取得することを特徴とする時間領域分光装置。

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