JP5925294B2

JP5925294B2 - 電磁波発生装置

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Publication number: JP5925294B2
Application number: JP2014504463A
Authority: JP
Inventors: 喜彦加茂
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: JPWO2013136369A1; WO2013136369A1

Description

本発明は、テラヘルツ波の発生に好適な電磁波発生装置に関するものである。

従来、半導体単結晶基板と、半導体単結晶基板上にエピタキシャル成長させ、表面に向かうに従ってIII族原子の濃度に対するＶ族原子の濃度の割合を増加させ、表面近傍においてＶ族原子の濃度をIII族原子の濃度より高くしたIII−Ｖ族化合物半導体層と、を備えた光伝導基板が知られている（特許文献１参照）。
この光伝導基板では、表面近傍におけるＶ族原子クラスターが、光励起キャリアの捕捉に大きく寄与することを利用して、フェムト秒レーザパルスの照射によってIII−Ｖ族化合物半導体層内に発生する光励起キャリアのキャリア寿命を短寿命化している。これにより、残留キャリアによる、テラヘルツ波の検出および発生のＳ／Ｎ比が低下することを防止している。

特許第４０９５４８６号公報

ところで、光伝導基板に一対のアンテナを設けた光伝導アンテナ素子は、一対のアンテナ（電極）間に電圧を印加することで、テラヘルツ波発生装置として利用され、また一対のアンテナ（電極）間に流れる瞬時電流を検出することで、テラヘルツ波検出装置として利用される。
このため、上記従来の光伝導基板等においては、常にテラヘルツ波の発生および検出に好適な兼用（共用）基板を構成すべく、キャリア寿命を短寿命化（例えば、１ｐｓｅｃ以下）を図るようにしている。
この点において、本出願人は、発生専用の光伝導基板、或いは検出専用の光伝導基板の存在を肯定し、その開発過程で、発生専用の光伝導基板においては、キャリア寿命の短寿命化が、必ずしもＳ／Ｎ比またはダイナミックレンジの向上に相関しないことを見出した。

本発明は、上記の知見にかんがみて為されたものであり、発生する電磁波のＳ／Ｎ比またはダイナミックレンジを向上させることができる電磁波発生装置を提供することを課題としている。

本発明の電磁波発生装置は、テラヘルツ波を発生させるための、光伝導基板および光伝導基板上に形成された平行伝送線路を備え、光伝導基板は、基板と、基板上にエピタキシャル成長させたIII−Ｖ族化合物半導体から成る光伝導層と、を有し、光伝導層は、光電効果によって生ずるキャリア寿命が、１０ｐｓｅｃ以上、２０ｐｓｅｃ以下であることを特徴とする。

この構成によれば、発生させた電磁時間波形をフーリエ変換して得た電磁波スペクトルにおいて評価される、Ｓ／Ｎ比またはダイナミックレンジが、光伝導層におけるキャリア寿命がサブピコ秒のものに比して、全周波数帯域で向上することが確認された。電磁波の発生において、キャリア寿命が２ｐｓｅｃ以上のものであると、Ｓ／Ｎ比またはダイナミックレンジが向上するが、５０ｐｓｅｃを越えると、Ｖ族原子のクラスターが存在しなくなる。これにより、キァリアー（光励起キャリア）の捕捉ができなくなり、残留キャリアに起因するノイズが大きくなる。また、キャリア寿命が５０ｐｓｅｃを越えると、Ｖ族原子のクラスターが存在しなくなると共に結晶性の高い層となるため、アンテナ（電極）における絶縁破壊が生じ易くなる。したがって、キャリア寿命が２ｐｓｅｃ以上、５０ｐｓｅｃ以下となる光伝導層とすること、特に１０ｐｓｅｃ以上、２０ｐｓｅｃ以下とすることにより、高い結晶性とＶ族原子クラスターが存在する構成とし、キャリアの高い移動度（高い電磁波発生効率）を実現すると共に、ノイズの抑制と耐絶縁破壊性の向上を図った。
この１０ｐｓｅｃ〜２０ｐｓｅｃのキャリア寿命は、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を低温成長させた後、Ｖ族原子クラスターを析出させるべく、分子線を照射した状態で熱処理を行うことで実現される。なお、この場合の電磁波は、数十ＧＨｚ〜数百ＴＨｚの電磁波を対象とするものである。

この場合、光伝導層は、ＧａＡｓ化合物半導体層であることが好ましい。

この構成によれば、光伝導層の高い結晶性が維持されるため、電磁波の発生効率（キャリアの移動度）を高めることができる。

第１実施形態に係る光伝導アンテナ素子の斜視図である。光伝導層のキャリア寿命が１０ｐｓｅｃと１ｐｓｅｃ未満との場合における、テラヘルツ波スペクトルの図である。光伝導層のキャリア寿命を可変として測定した、キャリア寿命とダイナミックレンジと関係を表した図（ａ）、およびそのキャリア寿命を対数表示とした図（ｂ）である。光伝導層の成長温度を可変として測定した、成長温度とダイナミックレンジとの関係を表した図である。光伝導層の成長温度を可変として測定した、成長温度とキャリア寿命との関係を表した図である。第２実施形態に係る光伝導アンテナ素子の断面構成図である。第３実施形態に係る光伝導アンテナ素子の断面構成図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態の係る光伝導基板および電磁波発生装置を適用した光伝導アンテナ素子について説明する。この光伝導アンテナ素子は、これに電圧を印加することにより、テラヘルツ波を発生させる発生専用の素子として開発されたものである。また、ここで規定するテラヘルツ波とは、狭義のテラヘルツ波（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの電磁波）は元より、広義のテラヘルツ波（数十ＧＨｚ〜数百ＴＨｚの電磁波）も含む概念である。

図１は、光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図である。同図に示すように、光伝導アンテナ素子１は、主体を為す光伝導基板２と、光伝導基板２上に成膜され、電圧を印加するための平行伝送線路３と、により構成されている。
光伝導基板２は、基板１１と、基板１１上に形成されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成された光伝導層１３と、を備えている。また、平行伝送線路３は、一対のアンテナ２１，２１を備えている。なお、バッファ層１２は省略してもよい。

基板１１は、化合物半導体の単結晶基板であり、ＳＩ−ＧａＡｓ（半絶縁性ガリウム砒素）により構成されている。基板１１の材料としては、ＳＩ−ＧａＡｓの他、バッファ層１２や光伝導層１３の材料（の格子定数）に応じて、例えばＳｉ、Ｇｅ、ＩｎＰ等の単結晶半導体を用いることもできる。

バッファ層１２は、基板１１の格子定数以上、光伝導層１３の格子定数以下もしくは基板１１の格子定数以下、光伝導層１３の格子定数以上となる材料を用いて、基板１１上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、実施形態のものは、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。バッファ層１２は、この上に積層する光伝導層１３の結晶性を制御するために設けられている。このため、バッファ層１２を構成する半導体材料は、Ｓｉ、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等を、基板１１および光伝導層１３の材料（の格子定数）に応じて任意に選択して用いることができる。また、これらを複数層としてもよい。

光伝導層１３は、ＬＴ−ＧａＡｓ（低温成長ガリウム砒素）を、バッファ層１２を介して基板１１上にエピタキシャル成長させたものであり、表面（上面）に垂直に入射した励起光（フェムト秒パルスレーザ等）により、キャリア（電子）を発生させる（詳細は後述する）。この場合、光伝導層１３は、キャリアの応答速度（移動度）の高速化に鑑み、III−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓを材料として低温でエピタキシャル成長（ＬＴ−ＧａＡｓ）させて形成されている。

そして、光伝導層１３は、このエピタキシャル成長の過程で、光電効果によって生ずるキャリア寿命が、下限においてサブピコ秒を越え、上限においてＶ族原子のクラスターの存在が維持される時間範囲内となるように、構成されている。すなわち、ＬＴ−ＧａＡｓの光伝導層１３は、電圧の印加により発生するキャリア（光励起キャリア）のキャリア寿命が、２ｐｓｅｃ以上、５０ｐｓｅｃ以下となるように、より好ましくはキャリア寿命が、６ｐｓｅｃ以上、３５ｐｓｅｃ以下となるように、構成されている。

なお、光伝導層１３を構成するIII−Ｖ族化合物半導体は、上記のＬＴ−ＧａＡｓの他、基板１１がＧａＡｓやＧｅの場合には、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓであってもよいし、基板１１がＩｎＰの場合には、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰであってもよい。さらに、光伝導層１３が、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等であってもよい。

一方、平行伝送線路３は、光伝導層１３上に形成したダイポール型の一対のアンテナ２１，２１で構成されている。各アンテナ２１は、線状に延びるライン部２２と、ライン部２２の中央から内側に延設した電極部（電極）２３と、を有しており、ライン部２２の少なくとも一方の端部が電極パッド２４として機能する。一対のアンテナ２１，２１は、そのライン部２２，２２同士が平行に配置され、且つ相互の電極部２３，２３が所定のギャップを存して対向配置されている。

すなわち、相互の電極部２３，２３の対向端部間には、数μｍの幅（実施形態のものは、５μｍ程度）のギャップ部２５が構成されている。実施形態の各アンテナ２１は、Ａｕ（金）で構成されているが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金等の導電性材料であってもよい。なお、平行伝送線路（アンテナ２１）３の形式は、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型等であってもよい。

このように構成された光伝導アンテナ素子１を、テラヘルツ波発生素子として機能させるには、一対の電極パッド２４，２４を介して、相互の電極部２３，２３間に所定のバイアス電圧を印加しておいて、ギャップ部２５に、フェムト秒パルスレーザ等の励起光（パルス光）を照射する。すなわち、電極部２３，２３間に電界を発生させておいて、励起光によりギャップ部２５の光伝導層１３を励起する。これにより、光伝導層１３にキャリア（電子および正孔）が生成され、且つ電極部２３，２３間の電圧（電界）でキャリアが加速されて瞬時電流が流れる。このパルス状電流の時間変動（超高速電流変調）によりテラヘルツ波（厳密にはテラヘルツパルス波）が発生し、誘電率の大きい基板１１側に強く放射される。

ここで、キャリア寿命が２ｐｓｅｃ〜５０ｐｓｅｃの光伝導層１３を有する光伝導アンテナ素子１の製造方法について、簡単に説明する。この製造方法では、先ずＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置に基板１１をセットし、このＳＩ−ＧａＡｓの基板１１上に、０．１μｍ〜０．５μｍ厚程度のＧａＡｓのバッファ層１２をエピタキシャル成長させる（バッファ層成膜工程）。具体的には、基板１１の温度を５００℃〜６００℃、成長速度約１μｍ／ｈｏｕｒ、Ｇａ分子線強度に対するＡｓ分子線強度の比（Ｇａ／Ａｓ供給比）を約５〜３０に設定し、バッファ層１２を０．１μｍ〜０．５μｍ程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。

次に、バッファ層１２上に、１μｍ〜２μｍ厚程度のＬＴ−ＧａＡｓの光伝導層１３をエピタキシャル成長させる（光伝導層成膜工程）。具体的には、ＭＢＥ装置にセットした基板１１の温度を、４００℃以下（実施形態のものは、約３００±５０℃）に降温させ、成長速度をバッファ層１２と同様に約１μｍ／ｈとし、Ｇａ／Ａｓ供給比をバッファ層１２の供給比以上として、光伝導層１３を１μｍ〜２μｍ程度の膜厚にエピタキシャル成長させる。これにより、基板１１、バッファ層１２および光伝導層１３から成る光伝導基板２が形成される。

次に、この光伝導基板２に対し、熱処理を行う（アニール工程）。具体的には、ＭＢＥ装置内において、光伝導基板２に対しＡｓ分子線を照射した状態のまま、基板１１の温度を約６００℃とし（昇温）、約５分間の熱処理を行う。このアニール工程により、光伝導層１３のＡｓがＡｓクラスターとして、ＧａＡｓの結晶中に析出する。

このようにして、光伝導基板２が完成したら、光伝導基板２上に真空蒸着により一対のアンテナ２１，２１を成膜する（アンテナ成膜工程）。具体的には、光伝導基板２（光伝導層１３）上にレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により、平行伝送線路（一対のアンテナ２１，２１）３の形状のレジストパターンを形成し、アンテナ材料のＡｕを真空蒸着により成膜し、不要部分を剥離除去する。

次に、図２ないし図５を参照して、キャリア寿命が２ｐｓｅｃ〜５０ｐｓｅｃの光伝導層１３を有する光伝導アンテナ素子１の評価結果等について説明する。この評価は、いわゆる時間領域分光法やポンプ・プローブ法を用い、光伝導アンテナ素子１から発生したテラヘルツ波の波形を、フーリエ変換することにより得られた、テラヘルツ波スペクトルに基づいて、行っている。

図２は、光伝導層１３のキャリア寿命が１０ｐｓｅｃと１ｐｓｅｃ未満との場合における、テラヘルツ波スペクトルの図である。縦軸はテラヘルツ波の強度、横軸はテラヘルツ波の周波数を表している。同図に示すように、キャリア寿命が１ｐｓｅｃ未満（サブピコ秒）の光伝導アンテナ素子１に対し、キャリア寿命が１０ｐｓｅｃの光伝導アンテナ素子１は、全ての周波数帯域において、ダイナミックレンジの向上が確認された。

図３は、テラヘルツ波２．５ＴＨｚ付近において、光伝導層１３のキャリア寿命を可変として測定した、キャリア寿命とダイナミックレンジと関係を表した図（図３（ａ））、およびそのキャリア寿命を対数表示とした図（図３（ｂ））である。同図に示すように、規格化したダイナミックレンジ０．６以上を、従来のものに比して明らかに「効果あり」とした場合、キャリア寿命が２ｐｓｅｃ〜５０ｐｓｅｃであることが好ましいことが確認される。さらに、測定数や測定誤差等を考慮する（確実性担保）とキャリア寿命が６ｐｓｅｃ〜３５ｐｓｅｃであることが好ましく、製品的には、１０ｐｓｅｃ〜２０ｐｓｅｃであることが好ましい。

図４は、テラヘルツ波２．５ＴＨｚ付近において、光伝導層１３の成長温度を可変として測定した、成長温度とダイナミックレンジとの関係を表した図である。この場合の横軸は、ＬＴ−ＧａＡｓ（光伝導層１３）の低温成長で使用される、一般的な最低温度を基準温度「０度」としたときの相対温度である。この場合、製造方法で説明した「約３００±５０℃」の「約３００℃」は、横軸の相対温度では約１００度に相当する。同図に示すように、規格化したダイナミックレンジ０．６以上を、従来のものに比して明らかに「効果あり」とした場合、光伝導層１３の成長温度は、相対温度で７５度〜１３０度が好ましいことが分かる。より好ましくは、１００度前後である。すなわち、光伝導層１３を３００℃近辺の温度で低温成長させることが好ましい。

図５は、光伝導層１３の成長温度を可変として測定した、成長温度とキャリア寿命との関係を表した図である。すなわち、図５は、成長温度を図４のダイナミックレンジに代えて、キャリア寿命で評価したものである。同図に示すように、キャリア寿命２ｐｓｅｃ〜５０ｐｓｅｃを達成するためには、成長温度が相対温度で７０度〜１３０度であることが好ましい。この点においても、光伝導層１３を３００℃近辺の温度で低温成長させることが好ましいことが分かる。

以上のように、第１実施形態によれば、テラヘルツ波発生における光伝導層１３を、キャリア寿命２ｐｓｅｃ〜５０ｐｓｅｃのものとすることにより、テラヘルツ波の全ての周波数帯域において、ダイナミックレンジの向上を図ることができる。

次に、図６を参照して、第２実施形態に係る光伝導アンテナ素子１につき、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、光伝導基板２において、バッファ層１２と光伝導層１３との間に、キャリア移動阻止層１５を有している。この場合の基板１１は、そのバンドギャップが、光伝導層１３のバンドギャップよりも小さいＳｉで構成されている（Ｇｅでもよい）。また、キャリア移動阻止層１５は、そのバンドギャップが、基板１１のバンドギャップよりも大きく且つ光伝導層１３のバンドギャップよりも大きくなる半導体材料、例えばＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）で構成されている。

このような、第２実施形態の光伝導アンテナ素子１では、キャリア移動阻止層１５と光伝導層１３との界面の光伝導層１３側に、２次元電子ガスが発生する。この２次元電子ガスは、光伝導層１３で発生したキャリアを閉じ込め、キャリアの基板１１側への移動を阻止する。このため、発生したキャリアが基板１１に吸収されることがなく、キャリアをテラヘルツ波の発生に効率良く使用することができる。また、Ｓｉの基板１１は、安価で強度が高いだけでなく、発生したテラヘルツ波をほとんど吸収することがなく、この点でもテラヘルツ波の発生効率を高めることができる。

次に、図７を参照して、第３実施形態に係る光伝導アンテナ素子１につき、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、テラヘルツ応答が、一対のアンテナの電極部２３間における光伝導層１３で行われることに着目したものであり、ギャップ部２５にのみ光伝導層１３を形成している。具体的には、各電極部２３を、光伝導層１３およびバッファ層１２の厚みに相当する分、基板１１から立ち上げるように形成し、この立ち上げた一対の電極部２３間に、バッファ層１２および光伝導層１３を形成（成膜）している（同図（ａ）参照）。

同様に、図７（ｂ）の光伝導アンテナ素子１では、各電極部２３を、光伝導層１３の厚みに相当する分、バッファ層１２から立ち上げるように形成し、この立ち上げた一対の電極部２３間に、光伝導層１３を形成（成膜）している。

このような、第３実施形態の光伝導アンテナ素子１では、発生するテラヘルツ波のＳ／Ｎ比またはダイナミックレンジを向上させることができる。

１光伝導アンテナ素子、２光伝導基板、３平行伝送線路、１１基板、１２バッファ層、１３光伝導層

Claims

テラヘルツ波を発生させるための、光伝導基板および前記光伝導基板上に形成された平行伝送線路を備え、
前記光伝導基板は、
基板と、
前記基板上にエピタキシャル成長させたIII−Ｖ族化合物半導体から成る光伝導層と、を有し、
前記光伝導層は、光電効果によって生ずるキャリア寿命が、１０ｐｓｅｃ以上、２０ｐｓｅｃ以下であることを特徴とする電磁波発生装置。
前記光伝導層は、ＧａＡｓ化合物半導体層であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。