JP6299958B2 - 光伝導アンテナ、カメラ、イメージング装置、および計測装置 - Google Patents

光伝導アンテナ、カメラ、イメージング装置、および計測装置 Download PDF

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Description

本発明は、光伝導アンテナ、カメラ、イメージング装置、および計測装置に関する。
近年、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。
このテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置は、例えば、サブピコ秒（数百フェムト秒）程度のパルス幅をもつ光パルスを発生させる光パルス発生装置と、光パルス発生装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナ（Ｐｈｏｔｏ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ：ＰＣＡ）と、を有している。
例えば特許文献１には、半絶縁性ＧａＡｓ基板と、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法によって形成されたＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層と、ＬＴ−ＧａＡｓ層上に形成された一対の電極と、を備えた光伝導アンテナが記載されている。さらに、特許文献１には、ＬＴ−ＧａＡｓ層で励起された自由キャリアがバイアス電圧による電場で加速されて電流が流れ、この電流の変化によって、テラヘルツ波が発生することが記載されている。
上記のような光伝導アンテナにおいて発生するテラヘルツ波の強度は、大きいことが望ましく、これにより、例えば検出感度の高いカメラやイメージング装置、計測装置を実現することができる。
特開２００９−１２４４３７号公報
光伝導アンテナにおいて発生するテラヘルツ波の強度は、光伝導アンテナにおいてキャリアが移動する（走行する）層のキャリア移動度に依存することが知られている。すなわち、該層のキャリア移動度が大きいほど、光伝導アンテナにおいて発生するテラヘルツ波の強度は大きくなる。
特許文献１の光伝導アンテナでは、ＬＴ−ＧａＡｓ層のキャリア移動度（電子移動度）が１００ｃｍ２／Ｖｓ〜１５０ｃｍ２／Ｖｓと小さいため、光電流の時間変化が小さく、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができない場合がある。そのため、検出感度の高いカメラやイメージング装置、計測装置を実現することができない場合がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、従来よりも、キャリア移動度を高め、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる光伝導アンテナを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の光伝導アンテナを含むカメラ、イメージング装置、および計測装置を提供することにある。
本発明に係る光伝導アンテナは、
光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナであって、
前記光パルスが照射されてキャリアを形成する第１層と、
前記第１層上方に位置し、かつ、前記第１層のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有する第２層と、
前記第２層上方に位置し、かつ、前記第２層に電圧を印加する第１電極および第２電極と、
を含む。
このような光伝導アンテナでは、キャリアを形成する層と、印加電圧によってキャリアが移動する層と、を別々に設けている。そのため、このような光伝導アンテナでは、第１層において多数のキャリアを形成することができ、かつ、キャリア移動度の大きい第２層中をキャリアが移動することができる。したがって、このような光伝導アンテナでは、キャリアが移動する層のキャリア移動度を高めることができ、強度の大きなテラヘルツ波を発生する（放射する）ことができる。
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第１層は、半絶縁性基板によって構成されていてもよい。
このような光伝導アンテナでは、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第１層は、ＧａＡｓからなっていてもよい。
このような光伝導アンテナでは、第１層において、多数のキャリアを形成することができる。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第１層は、シリコンからなっていてもよい。
このような光伝導アンテナでは、例えば第１層がＧａＡｓからなる場合に比べて、基板を安価に形成することができ、かつ汎用的な半導体製造プロセスで形成されることができるため、低コスト化を図ることができる。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第２層は、炭素を主成分とする材料からなっていてもよい。
このような光伝導アンテナでは、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第２層は、グラフェンからなっていてもよい。
このような光伝導アンテナでは、キャリアが移動する層として、ＬＴ−ＧａＡｓ層や半絶縁性ＧａＡｓからなる層を用いる場合に比べて、キャリアが移動する層のキャリア移動度を高めることができる。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第２層は、カーボンナノチューブを含んでいてもよい。
このような光伝導アンテナでは、キャリアが移動する層として、ＬＴ−ＧａＡｓ層や半絶縁性ＧａＡｓからなる層を用いる場合に比べて、キャリアが移動する層のキャリア移動度を高めることができる。
本発明に係る光伝導アンテナにおいて、
前記第２層と前記第１電極との間、および前記第２層と前記第２電極との間に位置する絶縁層を含んでもよい。
このような光伝導アンテナでは、耐圧を高くすることができる。その結果、このような光伝導アンテナでは、高い信頼性を有することができる。
本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、
前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
を含む。
このようなテラヘルツ波発生装置にでは、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる。
本発明に係るカメラは、
前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を含む。
このようなカメラでは、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。
本発明に係るイメージング装置は、
前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
を含む。
このようなイメージング装置では、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。
本発明に係る計測装置は、
前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する本発明に係る光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
を含む。
このような計測装置では、本発明に係る光伝導アンテナを含むため、高い検出感度を有することができる。
本実施形態に係る光伝導アンテナを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光伝導アンテナを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る光伝導アンテナの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光伝導アンテナの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光伝導アンテナの製造工程を模式的に示す断面図。 本実施形態の第１変形例に係る光伝導アンテナを模式的に示す断面図。 本実施形態の第２変形例に係る光伝導アンテナを模式的に示す断面図。 本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図。 本実施形態に係るイメージング装置を示すブロック図。 本実施形態に係るイメージング装置のテラヘルツ波検出部を模式的に示す平面図。 対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフ。 対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図。 本実施形態に係る計測装置を示すブロック図。 本実施形態に係るカメラを示すブロック図。 本実施形態に係るカメラを模式的に示す斜視図。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 光伝導アンテナ
まず、本実施形態に係る光伝導アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線断面図である。
光伝導アンテナ１００は、図１および図２に示すように、第１層１０と、第２層２０と、第１電極３０と、第２電極３２と、を含む。光伝導アンテナ１００は、光パルスＰが照射されてテラヘルツ波Ｔを発生する。
なお、光パルスとは、短時間に急峻に強度が変化する光をいう。光パルスＰのパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は、特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。また、テラヘルツ波とは、周波数が、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に、３００ＧＨｚ以上３ＴＨｚ以下の電磁波をいう。
第１層１０は、例えば、半絶縁性基板によって構成されている。ここで、半絶縁性基板とは、化合物半導体によって構成される基板であって、高抵抗（例えば、比抵抗が１０７Ω・ｃｍ以上）な基板のことをいう。具体的には、第１層１０を構成する半絶縁性基板は、不純物を含まない（ドーピングされていない）ＧａＡｓ基板である。すなわち、具体的には第１層１０は、ＧａＡｓからなる。第１層１０を構成するＧａＡｓは、ストイキオメトリーな状態であってもよい。すなわち、第１層１０を構成するＧａとＡｓとは、１：１の割合で存在していてもよい。第１層１０が半絶縁性ＧａＡｓ基板からなる場合、第１層１０のキャリア移動度（電子移動度）は、例えば、３０００ｃｍ２／Ｖｓ以上８５００ｃｍ２／Ｖｓ以下である。第１層１０を構成する半絶縁性基板は、ＩｎＰ基板やＩｎＡｓ基板、ＩｎＳｂ基板であってもよい。
なお、キャリア移動度とは、キャリア（電子および正孔）が固体の物質中を移動するとき、単位電界強度の下で単位時間当たりに移動する距離のことであり、固体の物質中でのキャリアの移動のしやすさをいう。以下では、キャリア移動度とは、電子移動度のことを指す。
第１層１０は、シリコン（Ｓｉ）基板によって構成されていてもよい。すなわち、第１層１０は、シリコンからなっていてもよい。第１層１０を構成するシリコンは、単結晶シリコンであってもよいし、多結晶シリコンであってもよいし、アモルファスシリコンであってもよい。第１層１０が単結晶シリコン基板からなる場合、第１層１０のキャリア移動度は、例えば、１０００ｃｍ２／Ｖｓ以上２０００ｃｍ２／Ｖｓ以下である。
第１層１０は、光パルスＰが照射されてキャリアＣを形成する。具体的には、第１層１０は、複数の（多数の）キャリアＣを形成する。第１層１０は、テラヘルツ波Ｔの少なくとも一部を透過する。
第２層２０は、第１層１０上に位置している。第２層２０は、第１層１０のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有している。第２層２０は、炭素を主成分とする材料からなる。ここで、炭素を主成分とする材料とは、炭素のみからなる材料であってもよいし、炭素を主成分とし炭素以外の元素を副成分とする材料であってもよい。第２層２０を構成する材料は、結晶質であってもよい。なお、第２層２０は、第１層１０のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有していれば、炭素を主成分とする材料以外の材料によって構成されていてもよい。
第２層２０は、例えば、グラフェンからなる。ここで、グラフェンとは、炭素原子が六角形の格子状に並んだ、１原子の厚さの層のことをいう。第２層２０は、グラフェン単層で構成されていてもよいし、グラフェンが複数積層されて構成されていてもよい。第２層２０がグラフェンからなる場合、第２層２０のキャリア移動度は、例えば、２０００００ｃｍ２／Ｖ程度である。この場合、光伝導アンテナ１００において発生するテラヘルツ波の強度比Ｒは、例えば、１０００以上２０００以下である。ここで、強度比Ｒとは、光伝導アンテナ１００において発生するテラヘルツ波の強度Ｉ１００と、ＬＴ−ＧａＡｓ層においてキャリアが形成され該キャリアが印加電圧によってＬＴ−ＧａＡｓ層中を移動する光伝導アンテナにおいて発生するテラヘルツ波の強度Ｉ０と、の比（Ｉ１００／Ｉ０）である。
なお、グラフェンは、下地層（グラフェンが設けられている層）の影響を受ける場合がある。例えばＳｉＯ２層上にグラフェンが設けられている場合、グラフェンのキャリア移動度は、例えば、４００００程度であり、テラヘルツ波の強度比Ｒは、例えば、２００以上４００以下である。
第２層２０は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含んで構成されていてもよい。ここで、カーボンナノチューブとは、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層あるいは多層の同軸管状になった物質のことをいう。第２層２０がカーボンナノチューブを含んで構成されている場合、第２層２０のキャリア移動度は、例えば、３００００ｃｍ２／Ｖ程度であり、テラヘルツ波の強度比Ｒは、例えば、２００程度である。
第２層２０は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から構成されていてもよい。ここで、ダイヤモンドライクカーボンとは、主として炭化水素、あるいは、炭素の同素体からなるアモルファスの硬質膜のことをいい、ダイヤモンド結合（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）との両方の結合が混在している構造をとる。
第２層２０は、光パルスＰの少なくとも一部を透過させる。第２層２０の光パルスＰに対する透過率は、例えば、８０％以上である。光パルスＰの波長は、第１層１０において吸収される波長であり、例えば、８００ｎｍ程度である。第２層２０がグラフェンからなる場合、第２層２０の赤外光（波長７００ｎｍ〜９００ｎｍの光）に対する透過率は、例えば、７０％以上９５％以下である。第２層２０の厚さは、例えば、数百ｎｍ以下であり、具体的には、１原子層以上数十ｎｍ以下である。
なお、図示はしないが、第２層２０の光パルスＰに対する透過率が低い場合は、第２層２０に開口部を設け、該開口部に光パルスＰを通すことによって、第１層１０を照射してもよい。
第１電極３０および第２電極３２は、第２層２０上に位置している。電極３０，３２には、第２層２０に電圧を印加する電極である。電極３０，３２は、第２層２０に直流（ＤＣ）電圧を印加してもよいし、交流（ＡＣ）電圧を印加してもよい。電極３０，３２は、第２層２０とオーミックコンタクトしていてもよい。
第１電極３０および第２電極３２は、例えば、Ａｕ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ａｌ層、Ｃｕ層、Ｃｒ層、またはこれらの積層体である。例えば、電極３０，３２としてＡｕ層とＣｒ層との積層体を用いた場合、Ｃｒ層は、第２層２０とＡｕ層との密着性を向上させることができる。
第１電極３０は、図２に示すように、第１基部３０ａと、第１基部３０ａから第２電極３２側に突出している第１突出部３０ｂと、を有している。第２電極３２は、第２基部３２ａと、第２基部３２ａから第１電極３０側に突出している第２突出部３２ｂと、を有している。突出部３０ｂ，３２ｂ間の距離は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下であり、より具体的には、５μｍ程度である。図示の例では、突出部３０ｂ，３２ｂの平面形状（第１層１０と第２層２０との積層方向から見た形状）は、矩形である。すなわち、光伝導アンテナ１００は、ダイポール型のＰＣＡである。図示の例では、基部３０ａ，３２ａは、帯状の平面形状を有している。
なお、図示はしないが、第１突出部３０ｂは、第２電極３２側に向かうについて幅が狭くなる台形の平面形状を有していてもよい。同様に、第２突出部３２ｂは、第１電極３０側に向かうについて幅が狭くなる台形の平面形状を有していてもよい。すなわち、光伝導アンテナ１００は、ボウタイ型のＰＣＡであってもよい。
次に、光伝導アンテナ１００の動作について説明する。電極３０，３２により第２層２０に電圧を印加した状態で、平面視において（第１層１０と第２層２０との積層方向から見て）突出部３０ｂ，３２ｂ間の領域２に、光パルスＰを照射する。光パルスＰは、第２
層２０を透過して第１層１０を照射する。
光パルスＰの照射によって、第１層１０中にキャリア（例えば電子）Ｃが瞬時に生成する。第２層２０のキャリア移動度は、第１層１０のキャリア移動度よりも大きいため、キャリアＣは、第１層１０から第２層２０に移動する。第２層２０に移動したキャリアは、電極３０，３２により印加された電圧によって加速されて移動し（走行し）、第２層２０中に瞬間的に電流（光電流）が流れる。そして、光電流の時間変化に比例した強度を有するテラヘルツ波Ｔが発生する。光電流の時間変化は、第２層２０のキャリア移動度に比例する。したがって、光伝導アンテナ１００には、第２層２０のキャリア移動度に比例した強度を有するテラヘルツ波Ｔが発生する。
なお、図示の例では、キャリアＣは、第１電極３０側から第２電極３２側に向けて移動しているが、第２電極３２側から第１電極３０側に向けて移動していてもよい。また、光パルスＰが照射される位置や面積は、平面視において突出部３０ｂ，３２ｂ間の領域２であれば、特に限定されない。
また、図示はしないが、光パルスＰの照射により、第２層２０においてキャリアが生成してもよい。ただし、第２層２０において生成するキャリアの数（例えば単位体積において発生するキャリアの数）は、第１層１０において生成するキャリアの数よりも少ない。
光伝導アンテナ１００は、例えば、以下の特徴を有する。
光伝導アンテナ１００では、光パルスＰが照射されてキャリアを形成する第１層１０と、第１層１０上に位置し、かつ、第１層１０のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有する第２層２０と、を含む。このように、光伝導アンテナ１００では、キャリアを形成する層と、印加電圧によってキャリアが移動する層と、を別々に設けている。そのため、光伝導アンテナ１００では、第１層１０において多数のキャリアを形成することができ、かつ、キャリア移動度の大きい第２層２０中をキャリアが移動することができる。したがって、光伝導アンテナ１００では、キャリアが移動する層のキャリア移動度を高めることができ、強度の大きなテラヘルツ波Ｔを発生することができる。
光伝導アンテナ１００では、第１層１０は、半絶縁性基板によって構成され、具体的には、ＧａＡｓからなる。そのため、光伝導アンテナ１００では、第１層１０において、多数のキャリアを形成することができる。
光伝導アンテナ１００では、第１層１０は、例えば、シリコンからなる。そのため、光伝導アンテナ１００は、例えば第１層１０がＧａＡｓからなる場合に比べて、基板を安価に形成することができ、かつ汎用的な半導体製造プロセスで形成されることができるため、低コスト化を図ることができる。
光伝導アンテナ１００では、第２層２０は、炭素を主成分とする材料からなる。具体的には、第２層２０は、グラフェンからなる。または、第２層２０は、カーボンナノチューブを含んで構成される。または、第２層２０は、ダイヤモンドライクカーボンからなる。そのため、光伝導アンテナ１００では、キャリアが移動する層として、ＬＴ−ＧａＡｓ層や半絶縁性ＧａＡｓからなる層を用いる場合に比べて、キャリアが移動する層のキャリア移動度を高めることができる。
２． 光伝導アンテナの製造方法
次に、本実施形態に係る光伝導アンテナの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３〜図５は、本実施形態に係る光伝導アンテナ１００の製造工程を模式的に示す
断面図であって、図１に対応している。以下では、第２層２０としてグラフェンからなる層を用いる場合について説明する。
図３に示すように、第１層１０上にＳｉＣ層２２を形成する。ＳｉＣ層２２は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成される。第１層１０がシリコンからなる場合、例えば、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などによって、第１層１０上にＳｉＣ層２２をエピタキシャル成長させてもよい。
図４および図５に示すように、熱処理を行って、ＳｉＣ層２２を、グラフェンからなる第２層２０にする。例えば、図４に示すように、熱処理によってＳｉＣ層２２は上面側から第２層２０となり、その後、図５に示すように、ＳｉＣ層２２は全て第２層２０となる。具体的には、１０００℃程度の熱処理によって、ＳｉＣ層２２のＳｉが抜け、グラフェンからなる第２層２０が形成される。熱処理は、例えば、レーザーアニールやランプアニールによって行われる。
なお、図５に示すように、ＳｉＣ層２２を全て第２層２０とせずに、例えば図４に示すように、第１層１０と第２層２０との間にＳｉＣ層２２が位置している状態で、熱処理を止めてもよい。
図１に示すように、第２層２０上に、第１電極３０および第２電極３２を形成する。電極３０，３２は、例えば、真空蒸着法およびリフトオフ法の組合せなどにより形成される。
以上の工程により、光伝導アンテナ１００を製造することができる。
なお、第１層１０上に、例えば電子ビーム（ＥＢ）蒸着法により炭素からなる層（カーボン膜）を形成し、該カーボン膜を熱処理することによって、グラフェンからなる第２層２０を形成してもよい。
また、第２層２０としてカーボンナノチューブを用いる場合、第２層２０は、例えば、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法によって形成される。また、第２層２０としてダイヤモンドライクカーボンを用いる場合、第２層２０は、例えば、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法によって形成される。
３． 光伝導アンテナの変形例
３．１． 第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る光伝導アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態の第１変形例に係る光伝導アンテナ２００を模式的に示す断面図であって、図１に対応している。
以下、本実施形態の第１変形例に係る光伝導アンテナ２００において、上述した本実施形態に係る光伝導アンテナ１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。このことは、以下に示す本実施形態の第２変形例に係る光伝導アンテナについても同様である。
光伝導アンテナ２００では、図６に示すように、絶縁層４０を含む点において、上述した光伝導アンテナ１００と異なる。
絶縁層４０は、第２層２０と第１電極３０との間、および第２層２０と第２電極３２との間に位置している。具体的には、絶縁層４０は、第２層２０上に位置し、電極３０，３２は、絶縁層４０上に位置している。
絶縁層４０は、例えば、ＳｉＯ２層である。絶縁層４０の厚さは、電極３０，３２によって第２層２０に電圧を印加できる程度の厚さである。絶縁層４０は、光パルスの少なくとも一部を透過させる。絶縁層４０は、例えば、ＣＶＤ法によって形成される。
光伝導アンテナ２００では、絶縁層４０によって耐圧を高くすることができる。すなわち、絶縁層４０によって、電極３０，３２間に電流が流れることを抑制することができる。その結果、光伝導アンテナ２００では、高い信頼性を有することができ、低消費電力化も図ることができる。
３．２． 第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る光伝導アンテナについて、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態の第２変形例に係る光伝導アンテナ３００を模式的に示す断面図であって、図１に対応している。
光伝導アンテナ３００では、図７に示すように、第３層５０を含む点において、上述した光伝導アンテナ１００と異なる。
第３層５０は、第１層１０上に位置している。第３層５０は、第１層１０と第２層２０との間に位置している。第３層５０には、開口部５２が設けられている。図示の例では、開口部５２は、２つ設けられているが、その数は特に限定されない。開口部５２は、第２層２０によって充填されている。第１層１０において生成したキャリアＣは、例えば、開口部５２を通った後、第２層２０中を第１電極３０側から第２電極３２側に向けて移動する。
第３層５０は、例えば、ＳｉＣ層２２（図３および図４参照）をエピタキシャル成長により積層させることができる層である。すなわち、光伝導アンテナ３００の製造方法では、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によって、第３層５０上にＳｉＣ層２２をエピタキシャル成長させることができる。さらに、第３層５０に設けられた開口部５２を、エピタキシャル成長させたＳｉＣ層２２で充填することができる。具体的には、第３層５０は、ＳｉＯ２層である。
第３層５０は、例えば、ＣＶＤ法によって形成される。開口部５２は、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって第３層５０をパターニングすることにより形成される。
光伝導アンテナ３００では、上述のとおり、第３層５０によって、ＳｉＣ層２２をエピタキシャル成長させることができる。
なお、図示はしないが、光伝導アンテナ３００は、上述した光伝導アンテナ２００のように、第２層２０と第１電極３０との間、および第２層２０と第２電極３２との間に位置する絶縁層４０を含んでいてもよい。
４． テラヘルツ波発生装置
次に、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００の構成を示す図であ
る。
テラヘルツ波発生装置１０００は、図８に示すように、光パルス発生装置１０１０と、本発明に係る光伝導アンテナと、を含む。以下では、本発明に係る光伝導アンテナとして、光伝導アンテナ１００を用いた例について説明する。
光パルス発生装置１０１０は、励起光である光パルス（例えば図１に示す光パルスＰ）を発生させる。光パルス発生装置１０１０は、光伝導アンテナ１００を照射する。光パルス発生装置１０１０が発生させる光パルスの幅は、例えば、１ｆｓ以上８００ｆｓ以下である。光パルス発生装置１０１０としては、例えば、フェムト秒ファイバーレーザー、チタンサファイヤレーザーを用いる。
光伝導アンテナ１００は、上記のとおり、光パルスが照射されて、テラヘルツ波を発生することができる。
テラヘルツ波発生装置１０００は、光伝導アンテナ１００を含むため、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる。
５． イメージング装置
次に、本実施形態に係るイメージング装置１１００について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態に係るイメージング装置１１００を示すブロック図である。図１０は、本実施形態に係るイメージング装置１１００のテラヘルツ波検出部１１２０を模式的に示す平面図である。図１１は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図１２は、対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図である。
イメージング装置１１００は、図９に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から射出され、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏの画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部１１３０と、を含む。
テラヘルツ波発生部１１１０としては、本発明に係るテラヘルツ波発生装置を用いることができる。ここでは、本発明に係るテラヘルツ波発生装置として、テラヘルツ波発生装置１０００を用いた場合について説明する。
テラヘルツ波検出部１１２０としては、図１０に示すように、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルター８０と、フィルター８０を通過した前記目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部８４と、を備えたものを用いる。また、検出部８４としては、例えば、テラヘルツ波を熱に変換して検出するもの、すなわち、テラヘルツ波を熱に変換し、そのテラヘルツ波のエネルギー（強度）を検出し得るものを用いる。このような検出部としては、例えば、焦電センサー、ボロメーター等が挙げられる。なお、テラヘルツ波検出部１１２０の構成は、前記の構成に限定されない。
また、フィルター８０は、２次元的に配置された複数の画素（単位フィルター部）８２を有している。すなわち、各画素８２は、行列状に配置されている。
また、各画素８２は、互いに異なる波長のテラヘルツ波を通過させる複数の領域、すなわち、通過させるテラヘルツ波の波長（以下、「通過波長」とも言う）が互いに異なる複数の領域を有している。なお、図示の構成では、各画素８２は、第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４を有している。
また、検出部８４は、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４に対応してそれぞれ設けられた第１の単位検出部８４１、第２の単位検出部８４２、第３の単位検出部８４３、および第４の単位検出部８４４を有している。各第１の単位検出部８４１、各第２の単位検出部８４２、各第３の単位検出部８４３、および各第４の単位検出部８４４は、それぞれ、各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波を熱に変換して検出する。これにより、各画素８２のそれぞれにおいて、４つの目的の波長のテラヘルツ波をそれぞれ確実に検出することができる。
次に、イメージング装置１１００の使用例について説明する。
まず、分光イメージングの対象となる対象物Ｏが、３つの物質Ａ、ＢおよびＣで構成されているとする。イメージング装置１１００は、この対象物Ｏの分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部１１２０は、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出することとする。
また、テラヘルツ波検出部１１２０のフィルター８０の各画素８２においては、第１の領域８２１および第２の領域８２２を使用する。第１の領域８２１の通過波長をλ１、第２の領域８２２の通過波長をλ２とし、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度をα１、波長λ２の成分の強度をα２としたとき、その強度α２と強度α１との差分（α２−α１）が、物質Ａと物質Ｂと物質Ｃとで、互いに顕著に区別できるように、第１の領域８２１の通過波長λ１および第２の領域８２２の通過波長λ２が設定されている。
図１１に示すように、物質Ａにおいては、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と波長λ１の成分の強度α１との差分（α２−α１）は、正値となる。また、物質Ｂにおいては、強度α２と強度α１との差分（α２−α１）は、零となる。また、物質Ｃにおいては、強度α２と強度α１との差分（α２−α１）は、負値となる。
イメージング装置１１００により、対象物Ｏの分光イメージングを行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で、α１およびα２として検出する。この検出結果は、画像形成部１１３０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
画像形成部１１３０においては、前記検出結果に基づいて、フィルター８０の第２の領域８２２を通過したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と、第１の領域８２１を通過したテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度α１と、の差分（α２−α１）を求める。そして、対象物Ｏのうち、前記差分が正値となる部位を物質Ａ、前記差分が零となる部位を物質Ｂ、前記差分が負値となる部位を物質Ｃと判断し、特定する。
また、画像形成部１１３０では、図１２に示すように、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部１１３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物Ｏの物質Ａの分布する領域は黒色、物質Ｂの分布する領域は灰色、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置１１００では、以上のように、対象物Ｏを構成する各物質の同定と、その各部質の分布測定とを同時に行うことができる。
なお、イメージング装置１１００の用途は、前記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部１１３０において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。
イメージング装置１１００では、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる光伝導アンテナ１００を含む。そのため、イメージング装置１１００は、高い検出感度を有することができる。
６． 計測装置
次に、本実施形態に係る計測装置１２００について、図面を参照しながら説明する。図１３は、本実施形態に係る計測装置１２００を示すブロック図である。以下で説明する本実施形態に係る計測装置１２００において、上述したイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
計測装置１２００は、図１３に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から射出され、対象物Ｏを透過するテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏを計測する計測部１２１０と、を含む。
次に、計測装置１２００の使用例について説明する。計測装置１２００により、対象物Ｏの分光計測を行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で検出する。この検出結果は、計測部１２１０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
計測部１２１０においては、前記検出結果から、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物Ｏの成分およびその分布の分析等を行う。
計測装置１２００では、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる光伝導アンテナ１００を含む。そのため、計測装置１２００は、高い検出感度を有することができる。
７． カメラ
次に、本実施形態に係るカメラ１３００について、図面を参照しながら説明する。図１４は、本実施形態に係るカメラ１３００を示すブロック図である。図１５は、本実施形態に係るカメラ１３００を模式的に示す斜視図である。以下で説明する本実施形態に係るカメラ１３００において、上述したイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
カメラ１３００は、図１４および図１５に示すように、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から射出され、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波または対象物Ｏを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、記憶部１３０１と、を含む。そして、これらの各部１１１０，１１２０，
１３０１はカメラ１３００の筐体１３１０に収められている。また、カメラ１３００は、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像）させるレンズ（光学系）１３２０と、テラヘルツ波発生部１１１０で発生したテラヘルツ波を筐体１３１０の外部へ射出させるための窓部１３３０と、を備える。レンズ１３２０や窓部１３３０はテラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部１３３０は、スリットのように単に開口が設けられている構成としてもよい。
次に、カメラ１３００の使用例について説明する。カメラ１３００により、対象物Ｏを撮像する際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をレンズ１３２０によってテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像させて）検出する。この検出結果は、記憶部１３０１に送出され、記憶される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。
カメラ１３００では、強度の大きなテラヘルツ波を発生することができる光伝導アンテナ１００を含む。そのため、カメラ１３００は、高い検出感度を有することができる。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…領域、１０…第１層、２０…第２層、２２…ＳｉＣ層、３０…第１電極、３０ａ…第１基部、３０ｂ…第１突出部、３２…第２電極、３２ａ…第２基部、３２ｂ…第２突出部、４０…絶縁層、５０…第３層、５２…開口部、８０…フィルター、８２…画素、８４…検出部、１００，２００，３００…光伝導アンテナ、８２１…第１の領域、８２２…第２の領域、８２３…第３の領域、８２４…第４の領域、８４１…第１の単位検出部、８４２…第２の単位検出部、８４３…第３の単位検出部、８４４…第４の単位検出部、１０００…テラヘルツ波発生装置、１０１０…光パルス発生装置、１１００…イメージング装置、１１１０…テラヘルツ波発生部、１１２０…テラヘルツ波検出部、１１３０…画像形成部、１２００…計測装置、１２１０…計測部、１３００…カメラ、１３０１…記憶部、１３１０…筐体、１３２０…レンズ、１３３０…窓部

Claims (12)

  1. 光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナであって、
    前記光パルスが照射されてキャリアを形成する第１層と、
    前記第１層上方に位置し、かつ、前記第１層のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有する第２層と、
    前記第２層上方に位置し、かつ、前記第２層に電圧を印加する第１電極および第２電極と、
    を含み、
    前記第１層は、半絶縁性基板によって構成されている、ことを特徴とする光伝導アンテナ。
  2. 前記第１層は、ＧａＡｓからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の光伝導アンテナ。
  3. 光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナであって、
    前記光パルスが照射されてキャリアを形成する第１層と、
    前記第１層上方に位置し、かつ、前記第１層のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有する第２層と、
    前記第２層上方に位置し、かつ、前記第２層に電圧を印加する第１電極および第２電極と、
    を含み、
    前記第１層は、シリコンからなる、ことを特徴とする光伝導アンテナ。
  4. 前記第２層は、炭素を主成分とする材料からなる、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項光伝導アンテナ。
  5. 前記第２層は、グラフェンからなる、ことを特徴とする請求項４に記載の光伝導アンテナ。
  6. 前記第２層は、カーボンナノチューブを含む、ことを特徴とする請求項４に記載の光伝導アンテナ。
  7. 光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナであって、
    前記光パルスが照射されてキャリアを形成する第１層と、
    前記第１層上方に位置し、かつ、前記第１層のキャリア移動度よりも大きいキャリア移動度を有する第２層と、
    前記第２層上方に位置し、かつ、前記第２層に電圧を印加する第１電極および第２電極と、
    を含み、
    前記第２層は、炭素を主成分とする材料からなり、
    前記第２層は、グラフェンからなる、ことを特徴とする光伝導アンテナ。
  8. 前記第２層と前記第１電極との間、および前記第２層と前記第２電極との間に位置する絶縁層を含む、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
  9. 前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
    前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
    を含む、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
  10. 前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
    前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
    を含む、ことを特徴とするカメラ。
  11. 前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
    前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
    を含む、ことを特徴とするイメージング装置。
  12. 前記光パルスを発生する光パルス発生装置と、
    前記光パルスが照射されて前記テラヘルツ波を発生する請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光伝導アンテナと、
    前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
    前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
    を含む、ことを特徴とする計測装置。
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