JP5654760B2 - 光素子 - Google Patents
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Description
(実施形態1)
本発明の光素子の実施形態1を、その斜視図の図1(a)とA-A’断面図の図1(b)を用いて説明する。本実施形態では、基板1側から、所望の周波数特性を持つ電磁波結合構造体を含む複数の電極である電極兼アンテナ3と半導体層2との接合面に励起光6を照射できる構造となっている。このために、基板1は、半導体層2をエピタキシャル成長したときの基板ではなく、照射する励起光6に対して透明で波長分散の小さい材料の基板であり、ここに半導体層2が転写されている。つまり、半導体層2は、エピタキシャル層の成長基板を除去して別の基板1に転写されたところのエピタキシャル層である。ショットキー接合を構成する金属―半導体接触は、励起光6のフォトンエネルギーよりもバンドギャップが広い半導体層2の上に電極兼アンテナ3を形成することで実現している。ショットキー接合を形成する電極は、励起光6が照射される光照射面及びテラヘルツ波と結合する結合構造体を含み構成された電極兼アンテナ3となっている。この構成では、光照射面に達するまでの励起光6の透過領域は、半導体層2の領域及び励起光6の波長帯域において半導体層2よりも波長分散の小さい領域(基板1)のみを含むことになる。本実施形態では、電極兼アンテナ3の電磁波結合構造体は、発生したテラヘルツ波と結合して再放射するためのギャップ部を含む所望の周波数特性のアンテナであるが、電磁波結合構造体は、より一般的な結合構造体であってもよい。なお、図1(a)において、4は、電極兼アンテナ3にバイアス供給するための伝導線及びパッドである。
実施形態1に対応した実施例1について説明する。本実施例の構成は、基本的に実施形態1と同じである。本実施例では、図1に示す構成で、基板1は、照射レーザ光に対して透明で波長分散が小さい材料が望ましく、一般に石英やサファイヤ、樹脂などを用いることができる。光入射側の基板1の面には無反射コーティングなどを備えてもよい(不図示)。半導体層2としては、半絶縁性のInPを用い、電極兼アンテナ3はAu/Ti膜の蒸着などで形成することができる。この材料の組み合わせの場合、Auの仕事関数が約5.1eV、Tiの仕事関数が約4.3eV、InPの電子親和力が4.4eVである。InPのエネルギーバンドギャップは1.35eVであるため、半絶縁性の場合、そのフェルミ準位は伝導帯から1.35/2≒0.68eVだけ低いところとなり、Auのフェルミ準位とほぼ一致する。そのため、図2に示す様なフラットバンドを形成できると考えられる。実際には、Au/TiとInPのショットキー障壁高さはおよそ0.5eVという実測例があり、ショットキー接合部の伝導帯は湾曲する。ここでも、光照射面に達するまでの光6の透過領域は、半導体層2の領域及び光6の波長帯域において半導体層2よりも波長分散が小さい領域(石英などの基板1)のみを含む。
本発明の実施形態2を説明する。本実施形態では、図3(a)に示す様に、電極兼アンテナ22側が保持基板20に接着され、半導体膜21は、エピタキシャル成長時に使用した半導体を除去して保持基板20に転写されている。バイアスするための電極配線を基板20の表面に形成しておくことで、半導体層21表面の電極兼アンテナ22はこの電極配線に電気的にコンタクトする様に接着すればよいことになる。本構造では、保持基板20として、テラヘルツ波の透過性の良い高抵抗シリコンや石英、オレフィン・テフロン(登録商標)・ポリエチレンなどの樹脂が好適に用いられる。ここでは、励起レーザ光23は、電極22のない側から半導体膜21に入射され、実施形態1と同様の材料を半導体膜21に用いて、同じ原理でテラヘルツパルス24が発生し放射される。保持基板20は、テラヘルツ波放射の指向性を向上するために、レンズ形状にしたり或いはレンズを別途備えたりしてもよい。本実施形態では、光照射面に達するまでの励起レーザ光23の透過領域は、半導体層21の領域のみを含む。
本発明の実施形態3を説明する。本実施形態では、図3(b)に示す様に、保持基板30の一部に穴33を開けて、励起レーザ光34が半導体層31を介して電極兼アンテナ32と半導体層31とのショットキー接合部に直接入射できる様になっている。本素子では、基板は、穴付きの保持基板30であればよく、絶縁性基板であったり、或いは絶縁層を介して半導体膜31に接する基板であったりする。ここでは、基板30の材料は問わない。従って、半導体膜31をエピタキシャル成長したときの基板をそのまま用いてもよい。本実施形態でも、光照射面に達するまでの励起レーザ光34の透過領域は、半導体層31の領域のみを含む。
本発明の実施形態4を説明する。本実施形態では、図4に示す様に、電極である電極兼アンテナ42、43が半導体層である半導体膜41の上面と下面に形成され、電極のギャップ部が半導体膜41の膜厚で規定されている。保持基板40の表面に一方の電極ライン43が設けられ、ここに半導体膜41が実施形態1と同様に転写され、更にその表面に、アンテナを兼ねる他方の電極ライン42が形成されている。この場合、例えば、電極ライン43と並行して伸びる電極ライン42などがアンテナとして機能する様に設計される。
テラヘルツ時間領域分光システム(THz−TDS)に係る実施形態5を図5に沿って説明する。ここでは、本発明の光素子と光源と光学手段を含む光装置をテラヘルツパルス発生手段として用いて時間領域分光装置を構築した。この様な分光システム自体は、公知のものと基本的に同じである。この分光システムは、光源である短パルスレーザ830と、ハーフミラー910と、遅延部である光遅延系920と、電磁波発生素子800と、電磁波検出素子940とを主要な要素として備えている。ハーフミラー910で分割されたポンプ光931とプローブ光932は、それぞれ、光学手段であるレンズ990、980を介して電磁波発生素子800と電磁波検出素子940を照射する。ここで、800は本発明による光素子であり、レンズ990を介したポンプ光931がショットキー接合を持つ電極の光照射面に照射される様な電磁波発生素子を構成している。遅延部は、電磁波発生素子800におけるテラヘルツ波発生時と電磁波検出素子940におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整できれば、どの様なものでもよい。
実施形態5に対応した実施例2について説明する。本実施例では、本発明による電磁波発生素子800には20Vの電圧を印加し、ポンプ光931として、波長1.56μmのファイバーレーザ830からパルス幅30fsec、平均パワー20mWの超短パルス光を照射する。検出側では、パワー5mWのプローブ光932を照射して検出した電流を、107程度の増幅率と帯域10kHzを持つトランスインピーダンスアンプで電圧信号に変換し、必要に応じてフィルターを挿入する。これにより、典型的には、100mV前後のピークを持つテラヘルツパルスが観測される。プローブ光932の光路長を遅延ステージ920で変調することで、発生しているテラヘルツ波パルスの時間波形をサンプリングの原理により測定できる。得られた時間波形をフーリエ変換することで、5THzを越える帯域のスペクトルが得られる。これらの駆動条件は一例であり、電磁波発生素子800への印加電圧、照射光パワーは上記の値に限るものではない。また、電磁波発生素子800の印加電圧を10kHzで変調、或いは光チョッパーを用いて光強度を変調させ、ロックインアンプによる検波で信号検出してもよい。
これまで、本発明の光素子は主にテラヘルツ波発生素子として説明してきたが、検出素子として使用することも可能である。検出素子は、例えば、実施形態1の説明で用いた図1で示す構成と全く同じ構成を有し、テラヘルツ波7の伝搬方向が素子に向けられる構成になる。テラヘルツ波検出の原理は次の通りである。励起光6の照射によりエネルギーを得た電子が、入力するテラヘルツ波7の電界によって生じた障壁を越え、半導体層2中を走行する。これにより、電極間に電流が流れ、この電流を検出することによりテラヘルツ波の電界強度を検出できる。ここでは、テラヘルツ波7は電極兼アンテナ3に結合して効率良く取り込まれ、励起光6は効率良くエネルギーを電子に与える。
Claims (11)
- 光の照射によってテラヘルツ波を発生または検出する光素子であって、
前記光のフォトンエネルギーよりも大きいエネルギーバンドギャップを持つ半導体層と、前記半導体層と電気的に接触して形成された複数の電極と、を備え、
前記電極のうち少なくとも1つは、前記半導体層との間に前記光のフォトンエネルギー以下の障壁高さを持つショットキー接合を形成し、
前記ショットキー接合を形成する電極と前記半導体層との接合面の少なくとも一部は、前記電極の形成されていない半導体層の面を透過した前記光が照射される光照射面を含むことを特徴とする光素子。 - 前記ショットキー接合を形成する電極と前記半導体層との接合面の少なくとも一部は、前記光の照射により発生または検出するテラヘルツ波と結合する結合構造体の構成部分となっていることを特徴とする請求項1に記載の光素子。
- 前記光照射面に達するまでの前記光の透過領域は、前記半導体層の領域及び前記光の波長帯域において前記半導体層よりも波長分散の小さい領域のみを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の光素子。
- 前記光照射面に達するまでの前記光の透過領域は、前記半導体層の領域のみを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の光素子。
- 前記光照射面は、前記半導体層の端部にあり、前記接合面に沿って伸びる前記光の導波路の一部を成していることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光素子。
- 前記結合構造体は前記電極により構成したアンテナを含むことを特徴とする請求項2に記載の光素子。
- 前記半導体層は、エピタキシャル層の成長基板を除去して別の基板に転写された当該エピタキシャル層であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の光素子。
- テラヘルツ波を発生または検出する光装置であって、
請求項1から7のいずれか1項に記載の光素子と、前記光素子を励起するための光を出力する光源と、前記光素子の前記電極の形成されていない半導体層の面を透過して前記光照射面に前記光源の光を照射するための光学手段と、を有することを特徴とする光装置。 - テラヘルツ波を発生または検出する光装置であって、
レーザー光を発生するレーザー光源と、
前記レーザー光が照射されたときに前記テラヘルツ波を発生または検出する光素子と、
前記レーザー光源から前記光素子へ前記レーザー光を導く光学手段と、
を有し、
前記光素子は、半導体層と、前記半導体層と電気的に接触して形成されている複数の電極と、を有し、
前記複数の電極のうちの少なくとも1つは、該1つの電極と前記半導体層との間にショットキー接合を形成し、
前記レーザー光源は、前記ショットキー接合の障壁高さより大きく前記半導体層のエネルギーバンドギャップより小さいフォトンエネルギーを持つレーザー光を発生し、
前記光学手段は、前記複数の電極の形成されていない前記半導体層の面を透過した前記レーザー光で前記ショットキー接合の部分を照射する様に配置されていることを特徴とする光装置。 - 前記複数の電極は、前記テラヘルツ波と空間とを結合する様に形成されたアンテナを含むことを特徴とする請求項9に記載の光装置。
- テラヘルツ波を発生するための発生手段と、
前記発生手段から放射され検体を経て来たテラヘルツ波を検出するための検出手段と、
前記発生手段におけるテラヘルツ波発生時と前記検出手段におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
を備えたテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記発生手段と前記検出手段の少なくとも一方が、請求項8から10のいずれか1項に記載の光装置であることを特徴とする装置。
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