テラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置
【課題】低コストで、かつ、簡単に大量生産が可能なテラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置を提供する。
【解決手段】 本発明のテラヘルツ光伝導基板１０は、第１の半導体層１１と、第１の半導体層１２の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層１２とを備え、第２の半導体層１２は、希土類元素を含有する。これにより、光伝導材料に必要な（１）非常に短いキャリア寿命、（２）高い絶縁性、（３）比較的高い移動度という３つの特性を有する光伝導材料を実現可能である。
【解決手段】 本発明のテラヘルツ光伝導基板１０は、第１の半導体層１１と、第１の半導体層１２の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層１２とを備え、第２の半導体層１２は、希土類元素を含有する。これにより、光伝導材料に必要な（１）非常に短いキャリア寿命、（２）高い絶縁性、（３）比較的高い移動度という３つの特性を有する光伝導材料を実現可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ光検出装置や発生装置に用いられるテラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波は、光と電波の境界領域にある未開拓電磁波として長年研究されてきたが、近年の科学技術革新により、テラヘルツ波帯利用への道が開かれつつあり、次世代の産業に大きな役割を果たすことが期待されている。
【０００３】
このようなテラヘルツ電磁波の検出あるいは発生方法としては様々なものが提案されているが、その一翼を担っているのがテラヘルツ光伝導基板である（たとえば特許文献１参照）。現在、広く利用されているテラヘルツ光伝導基板は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む半絶縁性層上に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により低温で結晶成長させたガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）を光伝導膜として用いたものである。このＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板が光伝導材料として使用されてきた理由は、（１）非常に短いキャリア寿命、（２）高い絶縁性、（３）比較的高い移動度という光伝導材料に必要な３つの特性を都合よく満たしているからである。
【特許文献１】特開２００７−７９５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のテラヘルツ光伝導基板は、上述したとおり、光伝導材料に必要な３つの特性を有するが、これらの特性は、半絶縁性ＧａＡｓ層上にＧａＡｓ膜を低温成長させることによって結晶中に導入される格子欠陥が原因となって生じるものであり、上記３つの特性を精密に制御することは難しく、結晶中に多量の格子欠陥が導入されることによる結晶性の悪化は免れない。
【０００５】
また、上記従来のテラヘルツ光伝導基板は、ＬＴ−ＧａＡｓ膜を低温成長させた後に熱処理を行う工程が必要である。しかし、この熱処理は手作業であり、さらに熟練した技術者の経験と勘に頼っているため、再現性に乏しく、実用的ではない。
【０００６】
また、上記従来のテラヘルツ光伝導基板の製造方法には、ＭＢＥ法が利用されているが、このＭＢＥ法は、真空中で蒸発させた分子状材料から結晶成長させる方法であるため、真空状態にするための特殊な装置を必要とする。そのため、大学等の研究用途には向いているが、大量生産することができず、コストが高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、低コストで、かつ、簡単に大量生産が可能なテラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のテラヘルツ光伝導基板は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層とを含むテラヘルツ光伝導基板であって、前記第２の半導体層は、希土類元素を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明のテラヘルツ光検出装置は、上記テラヘルツ光伝導基板を用いたことを特徴とする。
【００１０】
本発明のテラヘルツ光発生装置は、上記テラヘルツ光伝導基板を用いたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のテラヘルツ光測定装置は、上記テラヘルツ光検出装置および上記テラヘルツ光発生装置を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のテラヘルツ光伝導基板によれば、第１の半導体層と、前記第１の半導体層の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層とを含むテラヘルツ光伝導基板であって、前記第２の半導体層は、希土類元素を含むことにより、光伝導材料に必要な（１）非常に短いキャリア寿命、（２）高い絶縁性、（３）比較的高い移動度という３つの特性を有することが可能である。また、第２の半導体層の希土類元素の含有濃度を制御することにより、光伝導材料に必要な３つの特性を緻密に変化させることができる。また、製造工程において、従来のＬＴ−ＧａＡｓ膜のように低温成長や熱処理を行う工程を必要としないため、テラヘルツ光伝導基板を簡単に製造できるだけでなく、結晶中に導入される欠陥を低減させて結晶性に優れたテラヘルツ光伝導基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、従来のＬＴ−ＧａＡｓ膜に代わる新規な光伝導膜を備えた、テラヘルツ光伝導基板の一例について説明する。図１に、本実施の形態１によるテラヘルツ光伝導基板１０の構造の断面図を示した。
【００１５】
本実施の形態１のテラヘルツ光伝導基板１０は、第１の半導体層１１と、第１の半導体層１１の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層１２とを備え、第２の半導体層１２は希土類元素を含む。
【００１６】
上記第２の半導体層１２に含まれる希土類元素としては、スカンジウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を用いることができる。また、上記第２の半導体層１２は、上記希土類元素を１種類のみ含むものであっても良いが、複数種類の希土類元素、あるいは、希土類元素と他の元素、たとえば、酸素元素（Ｏ）を含むものであっても良い。上記第２の半導体層が希土類元素と酸素元素とを含む場合には、結晶格子内における希土類元素の位置を固定することが可能である。これにより、結晶構造の安定化が図れる。
【００１７】
また、上記希土類元素の含有濃度は、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3であることが好ましい。なお、単位“ｃｍ-3”は、１ｃｍ3あたりの希土類元素の個数を表している。上記範囲内で、上記第２の半導体層１２の上記希土類元素の含有濃度を調整することで、光伝導材料としての特性を緻密に変化させることができる。
【００１８】
また、上記第２の半導体層１２が酸素元素を含む場合、その酸素元素の含有濃度は、上記希土類元素の含有濃度の２倍程度にすることが、希土類元素の周辺局所構造を単一化させる観点から好ましい。
【００１９】
上記第１の半導体層１１の厚さは、３００〜５００μｍの範囲であればよい。また、上記第２の半導体層１２の厚さは、０．０１〜５μｍの範囲であればよい。
【００２０】
上記第２の半導体層１２としては、ＩＶ族半導体、化合物半導体、有機半導体のいずれかを用いることができる。具体的には、Ｓｉ、ＧｅなどからなるＩＶ族半導体、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＶ族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどから２つ以上の元素が選択されたＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮなどからなるＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＺｎＳｅなどからなるＩＩ−ＶＩ族半導体のように、光伝導性を有する半導体であれば良い。
【００２１】
また、上記テラヘルツ光伝導基板１０は、第１の半導体層１１の一方の主面上に第２の半導体層１２を結晶成長させることにより得られるが、第２の半導体層１２の結晶成長方法としては、ＭＢＥ法や有機金属気相エピタキシャル法（ＯＭＶＰＥ法）を用いることができる。より好ましくは、ＯＭＶＰＥ法を用いる方が良い。これは、ＯＭＶＰＥ法は、ＭＢＥ法のように真空状態にするための特殊な装置を必要とせず、研究用途から産業用途まで広く利用可能であるからである。
【００２２】
ここで、第１の半導体層１１としてＧａＡｓ膜を用い、このＧａＡｓ膜上に、第２の半導体層１２としてＥｒ（含有濃度は１×１０17ｃｍ-3）とＯ（含有濃度は０．５〜２×１０17ｃｍ-3程度）とを含むＧａＡｓ膜をＯＭＶＰＥ法を用いて結晶成長させ、得られたテラヘルツ光伝導基板１０の表面粗さＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。このとき、ＡＦＭの設定モードはコンタクトモードとし、スキャンエリアは５×５μｍとした。そして、ＡＦＭによる画像解析の結果からＲＭＳ値を算出したところ、０．４ｎｍ未満であった。このことから、ＯＭＶＰＥ法で作製したテラヘルツ光伝導基板１０の表面は、その平坦性を優れたものとすることができることがわかった。一方、ＭＢＥ法で作製した従来のＬＴ−ＧａＡｓ膜は、低温で、かつ過剰のＡｓ雰囲気中で結晶成長させるため、その表面の平坦性を優れたものとすることは難しい。
【００２３】
次に、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０の特性について説明する。
【００２４】
ここでは、第１の半導体層１１としてＧａＡｓ膜を用い、第２の半導体層１２としてＥｒとＯを含むＧａＡｓ膜を用い、Ｅｒ含有濃度の異なる複数のテラヘルツ光伝導基板１０を試作した。なお、第２の半導体層１２のＥｒ含有濃度は、０ｃｍ-3、１．０×１０17ｃｍ-3、８．３×１０17ｃｍ-3、５．８×１０18ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3とした。また、第２の半導体層１２のＯ含有濃度は、すべてＥｒ含有濃度の０．５〜２倍程度とした。
【００２５】
第２の半導体層１２の結晶成長方法にはＯＭＶＰＥ法を用い、成長温度は、Ｅｒ含有濃度が０ｃｍ-3、１．０×１０17ｃｍ-3の場合は５５０℃とし、Ｅｒ含有濃度が８．３×１０17ｃｍ-3、５．８×１０18ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3の場合は５４０℃とした。また、第１の半導体層１１の厚みは、６００μｍとし、第２の半導体層１２の厚みは、１μｍとした。
【００２６】
なお、以下の説明において、第２の半導体層１２のＥｒ含有濃度が０ｃｍ-3、すなわち、Ｅｒが添加されていないテラヘルツ光伝導基板を、無添加ＧａＡｓと呼び、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3、８．３×１０17ｃｍ-3、５．８×１０18ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3、すなわち、Ｅｒが添加されたテラヘルツ光伝導基板を、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓと呼ぶことにする。
【００２７】
このようにして試作したテラヘルツ光伝導基板１０の特性およびテラヘルツ光伝導基板１０の利用可能性について、以下に詳細に説明する。
【００２８】
（１）特性について
（ａ）キャリア寿命について
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０のキャリア寿命については以下のようにして調べた。
【００２９】
まず、無添加ＧａＡｓと、Ｅｒ含有濃度が８．３×１０17ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3の場合のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの表面におけるポンプ−プローブ反射率をポンプ−プローブ法により測定した。このとき、波長８４０ｎｍ、出力パワー３０ｍＷのポンプ光、および波長８４０ｎｍ、出力パワー１ｍＷのプローブ光を用いた。また、上記測定は、室温で行った。なお、上記ポンプ−プローブ法の参考文献として、Physica B, 376-377, (2006) 556.が挙げられる。図２に、ポンプ−プローブ法による正規化反射率と時間との関係を示す。
【００３０】
そして、図２の測定結果からキャリア寿命を算出した。このキャリア寿命の算出は、反射率の緩和初期を指数関数でフィッティングすることにより行った。その結果、無添加ＧａＡｓのキャリア寿命は０．８４ｐｓ、Ｅｒ含有濃度が８．３×１０17ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓのキャリア寿命は０．５６ｐｓ、Ｅｒ含有濃度が８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓのキャリア寿命は０．３７ｐｓであった。
【００３１】
また、比較のため、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜（浜松ホトニクス社製ＬＴ−ＧａＡｓダイポール型光伝導型アンテナ、膜厚は１．２μｍ）を用いたテラヘルツ光伝導基板についても、同様にして測定したところ、キャリア寿命は０．３ｐｓであった。なお、上記テラヘルツ光伝導基板は、上記市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を、５００μｍのＧａＡｓ基板上に形成することにより作製したものである。
【００３２】
以上のことから、第２の半導体層１２のＥｒ含有濃度が高くなるに伴い、キャリア寿命が短くなることが分かった。また、Ｅｒ含有濃度が８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの場合には、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板とほぼ同程度のキャリア寿命を実現可能であることが分かった。
【００３３】
（ｂ）抵抗値および移動度について
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０の抵抗値および移動度については以下のようにして調べた。
【００３４】
Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓのＶａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を、ホール係数測定システムを用いて行った。このとき、上記測定は、室温で行った。また、測定条件は、磁場３１００Ｇ、電流１０ｎＡとした。ここでは、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓを用いた。また、比較のため、上記市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板についても同様にして測定した。
【００３５】
測定の結果、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板の移動度は、１５０〜２００ｃｍ2／Ｖｓであり、抵抗値は、１０6Ωｃｍであった。一方、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの移動度は１０００ｃｍ2／Ｖｓであり、抵抗値は、１０4Ωｃｍであった。
【００３６】
このように、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓは、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板に比べて抵抗値は下がるものの、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘル光伝導基板よりも高い移動度を示した。
【００３７】
（２）応用性について
（ａ）テラヘルツ光の発生
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を発生可能であるかどうかについて以下のようにして調べた。
【００３８】
まず、テラヘルツ光伝導基板１０の表面に、５ｍｍ角の導電膜を形成した。ここでは、上記テラヘルツ光伝導基板１０として、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓを用いた。
【００３９】
そして、上記基板１０の表面に対し、波長が８００ｎｍで出力パワーが８０ｍＷのポンプパルス光を照射し、該基板表面から放射されるテラヘルツ光の検出を行った。検出には、市販のＬＴ−ＧａＡｓダイポール型光伝導アンテナを用いたテラヘルツ光検出装置を用いた。このとき、波長が８００ｎｍ、出力パワーが１０ｍＷのゲートパルス光を用いた。なお、測定方法は一般的なテラヘルツ（ＴＨｚ）表面放射の測定方法と同じである。図３に、テラヘルツ光伝導基板表面から放射されたテラヘルツ光の時間波形を示す。
【００４０】
図３に示すように、Ｅｒの含有濃度の増加とともに、テラヘルツ光強度の低下がみられ、Ｅｒ含有濃度が８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの表面から放射されたテラヘルツ光の強度は、無添加ＧａＡｓの上面から放射されたテラヘルツ光の強度に比べて約１／５であった。
【００４１】
しかし、この図３に示す結果は、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓが、テラヘルツ周波数領域において十分に動作し、高い移動度を持っていることを示唆している。これにより、本発明のテラヘルツ光伝導基板は、テラヘルツ光発生装置に利用可能であると考えられる。
【００４２】
（ｂ）テラヘルツ光の検出
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を検出可能であるかどうかを以下にようにして調べた。
【００４３】
まず、テラヘルツ光伝導基板１０の第２の半導体層１２上に、ボウタイ型アンテナである一対のＡｕ電極を形成した。このとき、Ａｕ電極の間隙部の幅は０．５μｍとした。また、テラヘルツ光伝導基板１０としては、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓを用いた。
【００４４】
そして、テラヘルツ光伝導基板１０の表面に形成されたＡｕ電極の間隙部に、波長８００ｎｍ、出力パワー１０ｍＷのゲートパルス光を照射してキャリアを生成させた。この状態で、テラヘルツ光伝導基板１０の裏面からテラヘルツ光を照射すると、テラヘルツ光の電場によりキャリアが加速するので、このときの電流値を測定した。また、比較のため、前述の市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板についても同様に測定した。図４に、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０および市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板を用いて検出された各テラヘルツ光の時間波形を示した。なお、上記測定には、波長が８００ｎｍ、出力パワーが１０ｍＷのゲートパルス光と、波長が８００ｎｍ、出力パワーが７０ｍＷのポンプパルス光を用いた。
【００４５】
図４から、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板に比べて検出精度は良くないものの、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓはテラヘルツ光を検出可能であることを確認した。これにより、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０が、テラヘルツ光検出装置に利用可能であると考えられる。
【００４６】
また、図４の測定結果から半値幅を算出したところ、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板の半値幅は、０．８４ｐｓであったが、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの半値幅は、０．７２ｐｓであった。これは、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの方が、ＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合よりも応答速度が早いことを示している。
【００４７】
以上のことから、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０は、光伝導材料に必要な３つの特徴を有する光伝導材料であり、ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板に代わる新規な光伝導材料として利用可能であることが分かった。また、本発明における第２の半導体層１２は、ＬＴ−ＧａＡｓ膜のように低温成長や熱処理を行う工程を必要としないため、低温成長によって結晶中に導入される欠陥を防ぎ、結晶性に優れたものとすることができることがわかった。
【００４８】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光検出装置について説明する。図５に、本実施の形態２によるテラヘルツ光検出装置２０の構成例を示す。図５において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４９】
本実施の形態２のテラヘルツ光検出装置２０は、テラヘルツ光伝導基板１０と、テラヘルツ光伝導基板１０の第２の半導体層１２上にパターニング形成された、間隙部Ｇを有する一対の導電膜１３と、外部から受光したテラヘルツ光を導電膜１３の間隙部Ｇに集光するシリコン半球レンズ１４と、導電膜１３の間隙部Ｇにおける電流値を電圧に変換して出力するＩＶ変換回路１５とを備える。
【００５０】
テラヘルツ光伝導基板１０は、シリコン半球レンズ１４の平坦部に対し、第２の半導体層１２が形成された主面とは反対の主面が接するようにマウントされている。
【００５１】
第２の半導体層１２は、少なくとも１種類の希土類元素を含む。さらに、酸素元素を含んでいてもよい。たとえば、第２の半導体層１２として、ＥｒおよびＯを含むＧａＡｓ膜を用いることができる。また、第１の半導体層１１として、ＧａＡｓ膜を用いることができる。
【００５２】
図示した導電膜１３はダイポール型であるが、ボウタイ型、スロット型、スパイラル型等様々な形状とすることができ、光伝導アンテナとして利用可能である。
【００５３】
次に、テラヘルツ光検出装置２０の動作を説明する。
【００５４】
テラヘルツ光Ｔ１を、テラヘルツ光検出装置２０の裏面、つまり、シリコン半球レンズ１４に入射すると、シリコン半球レンズ１４の屈折作用により導電膜１３の間隙部Ｇにテラヘルツ光が集光する。一方、プローブパルス光Ｌ１を導電膜１３の間隙部Ｇに照射すると、テラヘルツ光Ｔ１の電場強度に応じた光電流が生じる。この電場強度に応じた光電流をＩＶ変換回路１５によって電圧に変換して検出することにより、テラヘルツ光Ｔ１の電場振幅を測定することができる。
【００５５】
このように、本実施の形態２のテラヘルツ光検出装置２０は、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を検出することができるため、通信用の電磁波受信アンテナや、センシングシステム分野における検出装置などに利用可能である。
【００５６】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光発生装置について説明する。図６に、本実施の形態３によるテラヘルツ光発生装置３０の構成例を示す。
【００５７】
本実施の形態３のテラヘルツ光発生装置３０は、テラヘルツ光伝導基板１０と、テラヘルツ光伝導基板１０の第２の半導体層１２上にパターニング形成された、間隙部Ｇを有する一対の導電膜１３と、導電膜１３の間隙部Ｇで発生したテラヘルツ光Ｔ２を外部へ出射するシリコン半球レンズ１４と、導電膜１３にバイアス電圧を印加する電圧印加回路１６とを備える。図６において、図５と同一構成要素については同一符号を用い、その説明を省略する。
【００５８】
図６に示した導電膜１３はダイポール型形状の導電膜１３を示したが、上記実施の形態２でも説明した通り、導電膜１３の形状はボウタイ型、スロット型、スパイラル型等様々な形状とすることができる。また、導電膜１３の形状に応じて、光強度や周波数帯域が異なるテラヘルツ光を発生させることが可能である。
【００５９】
次に、テラヘルツ光発生装置３０の動作について説明する。
【００６０】
ダイポール型の導電膜１３の間隙部Ｇに、電圧印加手段１６からバイアス電圧が印加される。そして、バイアス電圧を印加した状態で、ポンプパルス光Ｌ２が導電膜１３の間隙部Ｇに照射されると、テラヘルツ光Ｔ２が発生する。このテラヘルツ光Ｔ２は、ポンプパルス光Ｌ２の照射により励起された光励起キャリアがバイアス電圧の印加によって加速されることにより発生する。そして、発生したテラヘルツ光Ｔ２は、シリコン半球レンズ１４を透過して外部に放射される。
【００６１】
このように、本実施の形態３のテラヘルツ光発生装置３０は、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を発生させることができるため、人体に危険なＸ線に代わる安全な光源として利用可能である。
【００６２】
（実施の形態４）
本実施の形態４では、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光測定装置について説明する。図７に、本実施の形態４によるテラヘルツ光測定装置１００の概略構成の一例を示す。
【００６３】
本実施の形態４のテラヘルツ光測定装置１００は、レーザ光源１０１、ビームスプリッタ１０２、チョッパー１０３、レンズ１０４、テラヘルツ光発生装置１０５、第１放物面鏡１０６、第２放物面鏡１０８、テラヘルツ光検出装置１０９、ミラー１１０、光学遅延ステージ１１２、測定回路１１３、制御・演算処理部１１４、表示部１１５を備える。
【００６４】
レーザ光源１０１としては、たとえば、フェムト秒パルスレーザが用いられ、数１０フェムト秒のパルス幅を有する近赤外波長領域のレーザパルス光を出射する。
【００６５】
テラヘルツ光発生装置１０５としては、たとえば、図６に示すテラヘルツ光発生装置３０を用いる。なお、テラヘルツ光発生装置３０については上記実施の形態３において説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６６】
テラヘルツ光検出装置１０９としては、たとえば、図５に示すテラヘルツ光検出装置２０を用いる。なお、テラヘルツ光検出装置２０ついては上記実施の形態２において説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６７】
次に、テラヘルツ光測定装置１００の動作について図５、図６および図７を用いて説明する。
【００６８】
レーザ光源１０１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０２でポンプパルス光（反射光）Ｌ２とプローブパルス光（透過光）Ｌ１に分割される。
【００６９】
ビームスプリッタ１０２で反射されたポンプパルス光Ｌ２は、チョッパー１０３により周期的に光がチョッピングされ、周波数に応じて光量が変化する。そして、レンズ１０４を介してテラヘルツ光発生装置１０５の表面に照射され、テラヘルツ光Ｔ２が発生する。
【００７０】
ここで、テラヘルツ光発生装置１０５におけるテラヘルツ光の発生について図６を用いてさらに詳細に説明する。上記ポンプパルス光Ｌ２は、上記テラヘルツ光発生装置１０５の表面に形成された、バイアス電圧が印加された状態のテラヘルツ光伝導基板１０に照射され、これにより、テラヘルツ光伝導基板１０が励起され、テラヘルツ光Ｔ２が発生する。そして、発生したテラヘルツ光Ｔ２は、シリコン半球レンズ１４を透過して外部へ出力される。
【００７１】
このようにしてテラヘルツ光発生装置１０５で発生したテラヘルツ光Ｌ２は、第１放物面鏡１０６によって平行化され、試料１０７に照射される。試料１０７を透過する際に、テラヘルツ光Ｔ２は、試料１０７に吸収あるいは試料１０７で反射され、特性の空間分布に応じて変調される。
【００７２】
そして、変調されたテラヘルツ光、つまり、試料を透過したテラヘルツ光Ｔ１は、第２放物面鏡１０８によってテラヘルツ光検出装置１０９の裏面に照射される。一方、ビームスプリッタ１０２を透過したプローブパルス光Ｌ１は、光学遅延ステージ１１２内の折り返しミラー１１２ａで反射され、さらにミラー１１１で反射された後、レンズ１１０により光束が絞られてテラヘルツ光検出装置１０９の表面に入射される。
【００７３】
ここで、テラヘルツ光検出装置１０９におけるテラヘルツ光の検出について図５を用いて詳細に説明する。テラヘルツ光Ｔ１を、テラヘルツ光検出装置１０９の裏面に位置するシリコン半球レンズ１４を介して導電膜１３の間隙部Ｇに集光するとともに、プローブパルス光Ｌ１も、導電膜１３の間隙部Ｇに照射すると、導電膜１３の間隙部Ｇでは、テラヘルツ光Ｔ１の電場強度に応じた光電流が流れる。この光電流をＩＶ変換回路１５によって電圧に変換したものを測定回路１１３で測定する。
【００７４】
ところで、光学遅延ステージ１１２は、制御・演算処理部１１４からの制御信号に基づいて折り返しミラー１１２ａを移動させることにより、折り返しミラー１１２ａの移動量に応じてプローブパルス光Ｌ１の光路長を変化させることができる。その結果、プローブパルス光Ｌ１がテラヘルツ光検出装置１０９へ到達する時間が遅延することになる。このように遅延時間を変更しながら、各遅延時間の時点における電場強度に応じた光電流値を測定することで、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
【００７５】
そして、測定回路１１３の測定結果から、制御・演算処理部１１４で所定の演算処理を行うことにより、試料の電気的特性や成分濃度等が得られる。また、演算結果は必要に応じて表示部１１５に表示してもよい。
【００７６】
このように、本実施の形態４のテラヘルツ光測定装置１００は、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光発生装置１０９によってテラヘルツ光Ｔ２を発生させて試料１０７に照射し、試料１０７を透過したテラヘルツ光Ｔ２を、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光検出装置１０９によって検出することにより、試料に接触したり試料を破壊したりすることなく、試料の電気的特性や成分濃度などを、簡便に測定することができる。よって、本発明のテラヘルツ光測定装置１００は、Ｘ線や赤外線イメージングに並ぶ新たなイメージング装置として、様々な分野で利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のテラヘルツ光伝導基板は、テラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置に利用可能であり、様々な物質の物性分析を行うことが可能である。また、テラヘルツ光測定装置に利用した場合には、観察対象の内部を非破壊で観察することができるため、Ｘ線、赤外線イメージングに並ぶ新たなイメージング技術として、材料分野、セキュリティ分野、バイオテクノロジー分野、医療分野といった多岐にわたる分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明のテラヘルツ光伝導基板の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、ポンプ−プローブ法による正規化反射率と時間との関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明のテラヘルツ光伝導基板表面から放射されたテラヘルツ光の時間波形を示す図である。
【図４】図４は、本発明のテラヘルツ光伝導基板を用いて検出されたテラヘルツ光の時間波形を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２によるテラヘルツ光検出装置の一構成例を示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３によるテラヘルツ光発生装置の一構成例を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４によるテラヘルツ測定装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０ テラヘルツ光伝導基板
１１ 第１の半導体層
１２ 第２の半導体層
１３ 導電膜
１４ シリコン半球レンズ
１５ ＩＶ変換回路
１６ 電圧印加回路
２０ テラヘルツ光検出装置
３０ テラヘルツ光発生装置
１００ テラヘルツ光測定装置
１０１ レーザ光源
１０２ ビームスプリッタ
１０３ チョッパー
１０４ ミラー
１０５ テラヘルツ光発生装置
１０６ 第１放物面鏡
１０７ 試料
１０８ 第２放物面鏡
１０９ テラヘルツ光検出装置
１１０ レンズ
１１１ ミラー
１１２ 光学遅延ステージ
１１２ａ 折り返しミラー
１１３ 測定回路
１１４ 制御・演算処理部
１１５ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ光検出装置や発生装置に用いられるテラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波は、光と電波の境界領域にある未開拓電磁波として長年研究されてきたが、近年の科学技術革新により、テラヘルツ波帯利用への道が開かれつつあり、次世代の産業に大きな役割を果たすことが期待されている。
【０００３】
このようなテラヘルツ電磁波の検出あるいは発生方法としては様々なものが提案されているが、その一翼を担っているのがテラヘルツ光伝導基板である（たとえば特許文献１参照）。現在、広く利用されているテラヘルツ光伝導基板は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む半絶縁性層上に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）により低温で結晶成長させたガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）を光伝導膜として用いたものである。このＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板が光伝導材料として使用されてきた理由は、（１）非常に短いキャリア寿命、（２）高い絶縁性、（３）比較的高い移動度という光伝導材料に必要な３つの特性を都合よく満たしているからである。
【特許文献１】特開２００７−７９５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のテラヘルツ光伝導基板は、上述したとおり、光伝導材料に必要な３つの特性を有するが、これらの特性は、半絶縁性ＧａＡｓ層上にＧａＡｓ膜を低温成長させることによって結晶中に導入される格子欠陥が原因となって生じるものであり、上記３つの特性を精密に制御することは難しく、結晶中に多量の格子欠陥が導入されることによる結晶性の悪化は免れない。
【０００５】
また、上記従来のテラヘルツ光伝導基板は、ＬＴ−ＧａＡｓ膜を低温成長させた後に熱処理を行う工程が必要である。しかし、この熱処理は手作業であり、さらに熟練した技術者の経験と勘に頼っているため、再現性に乏しく、実用的ではない。
【０００６】
また、上記従来のテラヘルツ光伝導基板の製造方法には、ＭＢＥ法が利用されているが、このＭＢＥ法は、真空中で蒸発させた分子状材料から結晶成長させる方法であるため、真空状態にするための特殊な装置を必要とする。そのため、大学等の研究用途には向いているが、大量生産することができず、コストが高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消するためになされたものであり、低コストで、かつ、簡単に大量生産が可能なテラヘルツ光伝導基板、並びに、それを用いたテラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のテラヘルツ光伝導基板は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層とを含むテラヘルツ光伝導基板であって、前記第２の半導体層は、希土類元素を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明のテラヘルツ光検出装置は、上記テラヘルツ光伝導基板を用いたことを特徴とする。
【００１０】
本発明のテラヘルツ光発生装置は、上記テラヘルツ光伝導基板を用いたことを特徴とする。
【００１１】
本発明のテラヘルツ光測定装置は、上記テラヘルツ光検出装置および上記テラヘルツ光発生装置を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のテラヘルツ光伝導基板によれば、第１の半導体層と、前記第１の半導体層の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層とを含むテラヘルツ光伝導基板であって、前記第２の半導体層は、希土類元素を含むことにより、光伝導材料に必要な（１）非常に短いキャリア寿命、（２）高い絶縁性、（３）比較的高い移動度という３つの特性を有することが可能である。また、第２の半導体層の希土類元素の含有濃度を制御することにより、光伝導材料に必要な３つの特性を緻密に変化させることができる。また、製造工程において、従来のＬＴ−ＧａＡｓ膜のように低温成長や熱処理を行う工程を必要としないため、テラヘルツ光伝導基板を簡単に製造できるだけでなく、結晶中に導入される欠陥を低減させて結晶性に優れたテラヘルツ光伝導基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
本実施の形態１では、従来のＬＴ−ＧａＡｓ膜に代わる新規な光伝導膜を備えた、テラヘルツ光伝導基板の一例について説明する。図１に、本実施の形態１によるテラヘルツ光伝導基板１０の構造の断面図を示した。
【００１５】
本実施の形態１のテラヘルツ光伝導基板１０は、第１の半導体層１１と、第１の半導体層１１の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層１２とを備え、第２の半導体層１２は希土類元素を含む。
【００１６】
上記第２の半導体層１２に含まれる希土類元素としては、スカンジウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を用いることができる。また、上記第２の半導体層１２は、上記希土類元素を１種類のみ含むものであっても良いが、複数種類の希土類元素、あるいは、希土類元素と他の元素、たとえば、酸素元素（Ｏ）を含むものであっても良い。上記第２の半導体層が希土類元素と酸素元素とを含む場合には、結晶格子内における希土類元素の位置を固定することが可能である。これにより、結晶構造の安定化が図れる。
【００１７】
また、上記希土類元素の含有濃度は、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3であることが好ましい。なお、単位“ｃｍ-3”は、１ｃｍ3あたりの希土類元素の個数を表している。上記範囲内で、上記第２の半導体層１２の上記希土類元素の含有濃度を調整することで、光伝導材料としての特性を緻密に変化させることができる。
【００１８】
また、上記第２の半導体層１２が酸素元素を含む場合、その酸素元素の含有濃度は、上記希土類元素の含有濃度の２倍程度にすることが、希土類元素の周辺局所構造を単一化させる観点から好ましい。
【００１９】
上記第１の半導体層１１の厚さは、３００〜５００μｍの範囲であればよい。また、上記第２の半導体層１２の厚さは、０．０１〜５μｍの範囲であればよい。
【００２０】
上記第２の半導体層１２としては、ＩＶ族半導体、化合物半導体、有機半導体のいずれかを用いることができる。具体的には、Ｓｉ、ＧｅなどからなるＩＶ族半導体、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＶ族元素としてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなどから２つ以上の元素が選択されたＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮなどからなるＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＺｎＳｅなどからなるＩＩ−ＶＩ族半導体のように、光伝導性を有する半導体であれば良い。
【００２１】
また、上記テラヘルツ光伝導基板１０は、第１の半導体層１１の一方の主面上に第２の半導体層１２を結晶成長させることにより得られるが、第２の半導体層１２の結晶成長方法としては、ＭＢＥ法や有機金属気相エピタキシャル法（ＯＭＶＰＥ法）を用いることができる。より好ましくは、ＯＭＶＰＥ法を用いる方が良い。これは、ＯＭＶＰＥ法は、ＭＢＥ法のように真空状態にするための特殊な装置を必要とせず、研究用途から産業用途まで広く利用可能であるからである。
【００２２】
ここで、第１の半導体層１１としてＧａＡｓ膜を用い、このＧａＡｓ膜上に、第２の半導体層１２としてＥｒ（含有濃度は１×１０17ｃｍ-3）とＯ（含有濃度は０．５〜２×１０17ｃｍ-3程度）とを含むＧａＡｓ膜をＯＭＶＰＥ法を用いて結晶成長させ、得られたテラヘルツ光伝導基板１０の表面粗さＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。このとき、ＡＦＭの設定モードはコンタクトモードとし、スキャンエリアは５×５μｍとした。そして、ＡＦＭによる画像解析の結果からＲＭＳ値を算出したところ、０．４ｎｍ未満であった。このことから、ＯＭＶＰＥ法で作製したテラヘルツ光伝導基板１０の表面は、その平坦性を優れたものとすることができることがわかった。一方、ＭＢＥ法で作製した従来のＬＴ−ＧａＡｓ膜は、低温で、かつ過剰のＡｓ雰囲気中で結晶成長させるため、その表面の平坦性を優れたものとすることは難しい。
【００２３】
次に、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０の特性について説明する。
【００２４】
ここでは、第１の半導体層１１としてＧａＡｓ膜を用い、第２の半導体層１２としてＥｒとＯを含むＧａＡｓ膜を用い、Ｅｒ含有濃度の異なる複数のテラヘルツ光伝導基板１０を試作した。なお、第２の半導体層１２のＥｒ含有濃度は、０ｃｍ-3、１．０×１０17ｃｍ-3、８．３×１０17ｃｍ-3、５．８×１０18ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3とした。また、第２の半導体層１２のＯ含有濃度は、すべてＥｒ含有濃度の０．５〜２倍程度とした。
【００２５】
第２の半導体層１２の結晶成長方法にはＯＭＶＰＥ法を用い、成長温度は、Ｅｒ含有濃度が０ｃｍ-3、１．０×１０17ｃｍ-3の場合は５５０℃とし、Ｅｒ含有濃度が８．３×１０17ｃｍ-3、５．８×１０18ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3の場合は５４０℃とした。また、第１の半導体層１１の厚みは、６００μｍとし、第２の半導体層１２の厚みは、１μｍとした。
【００２６】
なお、以下の説明において、第２の半導体層１２のＥｒ含有濃度が０ｃｍ-3、すなわち、Ｅｒが添加されていないテラヘルツ光伝導基板を、無添加ＧａＡｓと呼び、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3、８．３×１０17ｃｍ-3、５．８×１０18ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3、すなわち、Ｅｒが添加されたテラヘルツ光伝導基板を、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓと呼ぶことにする。
【００２７】
このようにして試作したテラヘルツ光伝導基板１０の特性およびテラヘルツ光伝導基板１０の利用可能性について、以下に詳細に説明する。
【００２８】
（１）特性について
（ａ）キャリア寿命について
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０のキャリア寿命については以下のようにして調べた。
【００２９】
まず、無添加ＧａＡｓと、Ｅｒ含有濃度が８．３×１０17ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3の場合のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの表面におけるポンプ−プローブ反射率をポンプ−プローブ法により測定した。このとき、波長８４０ｎｍ、出力パワー３０ｍＷのポンプ光、および波長８４０ｎｍ、出力パワー１ｍＷのプローブ光を用いた。また、上記測定は、室温で行った。なお、上記ポンプ−プローブ法の参考文献として、Physica B, 376-377, (2006) 556.が挙げられる。図２に、ポンプ−プローブ法による正規化反射率と時間との関係を示す。
【００３０】
そして、図２の測定結果からキャリア寿命を算出した。このキャリア寿命の算出は、反射率の緩和初期を指数関数でフィッティングすることにより行った。その結果、無添加ＧａＡｓのキャリア寿命は０．８４ｐｓ、Ｅｒ含有濃度が８．３×１０17ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓのキャリア寿命は０．５６ｐｓ、Ｅｒ含有濃度が８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓのキャリア寿命は０．３７ｐｓであった。
【００３１】
また、比較のため、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜（浜松ホトニクス社製ＬＴ−ＧａＡｓダイポール型光伝導型アンテナ、膜厚は１．２μｍ）を用いたテラヘルツ光伝導基板についても、同様にして測定したところ、キャリア寿命は０．３ｐｓであった。なお、上記テラヘルツ光伝導基板は、上記市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を、５００μｍのＧａＡｓ基板上に形成することにより作製したものである。
【００３２】
以上のことから、第２の半導体層１２のＥｒ含有濃度が高くなるに伴い、キャリア寿命が短くなることが分かった。また、Ｅｒ含有濃度が８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの場合には、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板とほぼ同程度のキャリア寿命を実現可能であることが分かった。
【００３３】
（ｂ）抵抗値および移動度について
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０の抵抗値および移動度については以下のようにして調べた。
【００３４】
Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓのＶａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を、ホール係数測定システムを用いて行った。このとき、上記測定は、室温で行った。また、測定条件は、磁場３１００Ｇ、電流１０ｎＡとした。ここでは、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓを用いた。また、比較のため、上記市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板についても同様にして測定した。
【００３５】
測定の結果、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板の移動度は、１５０〜２００ｃｍ2／Ｖｓであり、抵抗値は、１０6Ωｃｍであった。一方、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの移動度は１０００ｃｍ2／Ｖｓであり、抵抗値は、１０4Ωｃｍであった。
【００３６】
このように、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓは、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板に比べて抵抗値は下がるものの、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘル光伝導基板よりも高い移動度を示した。
【００３７】
（２）応用性について
（ａ）テラヘルツ光の発生
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を発生可能であるかどうかについて以下のようにして調べた。
【００３８】
まず、テラヘルツ光伝導基板１０の表面に、５ｍｍ角の導電膜を形成した。ここでは、上記テラヘルツ光伝導基板１０として、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3、８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓを用いた。
【００３９】
そして、上記基板１０の表面に対し、波長が８００ｎｍで出力パワーが８０ｍＷのポンプパルス光を照射し、該基板表面から放射されるテラヘルツ光の検出を行った。検出には、市販のＬＴ−ＧａＡｓダイポール型光伝導アンテナを用いたテラヘルツ光検出装置を用いた。このとき、波長が８００ｎｍ、出力パワーが１０ｍＷのゲートパルス光を用いた。なお、測定方法は一般的なテラヘルツ（ＴＨｚ）表面放射の測定方法と同じである。図３に、テラヘルツ光伝導基板表面から放射されたテラヘルツ光の時間波形を示す。
【００４０】
図３に示すように、Ｅｒの含有濃度の増加とともに、テラヘルツ光強度の低下がみられ、Ｅｒ含有濃度が８．７×１０18ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの表面から放射されたテラヘルツ光の強度は、無添加ＧａＡｓの上面から放射されたテラヘルツ光の強度に比べて約１／５であった。
【００４１】
しかし、この図３に示す結果は、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓが、テラヘルツ周波数領域において十分に動作し、高い移動度を持っていることを示唆している。これにより、本発明のテラヘルツ光伝導基板は、テラヘルツ光発生装置に利用可能であると考えられる。
【００４２】
（ｂ）テラヘルツ光の検出
本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を検出可能であるかどうかを以下にようにして調べた。
【００４３】
まず、テラヘルツ光伝導基板１０の第２の半導体層１２上に、ボウタイ型アンテナである一対のＡｕ電極を形成した。このとき、Ａｕ電極の間隙部の幅は０．５μｍとした。また、テラヘルツ光伝導基板１０としては、Ｅｒ含有濃度が１．０×１０17ｃｍ-3のＥｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓを用いた。
【００４４】
そして、テラヘルツ光伝導基板１０の表面に形成されたＡｕ電極の間隙部に、波長８００ｎｍ、出力パワー１０ｍＷのゲートパルス光を照射してキャリアを生成させた。この状態で、テラヘルツ光伝導基板１０の裏面からテラヘルツ光を照射すると、テラヘルツ光の電場によりキャリアが加速するので、このときの電流値を測定した。また、比較のため、前述の市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板についても同様に測定した。図４に、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０および市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板を用いて検出された各テラヘルツ光の時間波形を示した。なお、上記測定には、波長が８００ｎｍ、出力パワーが１０ｍＷのゲートパルス光と、波長が８００ｎｍ、出力パワーが７０ｍＷのポンプパルス光を用いた。
【００４５】
図４から、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板に比べて検出精度は良くないものの、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓはテラヘルツ光を検出可能であることを確認した。これにより、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０が、テラヘルツ光検出装置に利用可能であると考えられる。
【００４６】
また、図４の測定結果から半値幅を算出したところ、市販ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板の半値幅は、０．８４ｐｓであったが、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの半値幅は、０．７２ｐｓであった。これは、Ｅｒ−Ｏ共添加ＧａＡｓの方が、ＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合よりも応答速度が早いことを示している。
【００４７】
以上のことから、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０は、光伝導材料に必要な３つの特徴を有する光伝導材料であり、ＬＴ−ＧａＡｓ膜を用いたテラヘルツ光伝導基板に代わる新規な光伝導材料として利用可能であることが分かった。また、本発明における第２の半導体層１２は、ＬＴ−ＧａＡｓ膜のように低温成長や熱処理を行う工程を必要としないため、低温成長によって結晶中に導入される欠陥を防ぎ、結晶性に優れたものとすることができることがわかった。
【００４８】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光検出装置について説明する。図５に、本実施の形態２によるテラヘルツ光検出装置２０の構成例を示す。図５において、図１と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４９】
本実施の形態２のテラヘルツ光検出装置２０は、テラヘルツ光伝導基板１０と、テラヘルツ光伝導基板１０の第２の半導体層１２上にパターニング形成された、間隙部Ｇを有する一対の導電膜１３と、外部から受光したテラヘルツ光を導電膜１３の間隙部Ｇに集光するシリコン半球レンズ１４と、導電膜１３の間隙部Ｇにおける電流値を電圧に変換して出力するＩＶ変換回路１５とを備える。
【００５０】
テラヘルツ光伝導基板１０は、シリコン半球レンズ１４の平坦部に対し、第２の半導体層１２が形成された主面とは反対の主面が接するようにマウントされている。
【００５１】
第２の半導体層１２は、少なくとも１種類の希土類元素を含む。さらに、酸素元素を含んでいてもよい。たとえば、第２の半導体層１２として、ＥｒおよびＯを含むＧａＡｓ膜を用いることができる。また、第１の半導体層１１として、ＧａＡｓ膜を用いることができる。
【００５２】
図示した導電膜１３はダイポール型であるが、ボウタイ型、スロット型、スパイラル型等様々な形状とすることができ、光伝導アンテナとして利用可能である。
【００５３】
次に、テラヘルツ光検出装置２０の動作を説明する。
【００５４】
テラヘルツ光Ｔ１を、テラヘルツ光検出装置２０の裏面、つまり、シリコン半球レンズ１４に入射すると、シリコン半球レンズ１４の屈折作用により導電膜１３の間隙部Ｇにテラヘルツ光が集光する。一方、プローブパルス光Ｌ１を導電膜１３の間隙部Ｇに照射すると、テラヘルツ光Ｔ１の電場強度に応じた光電流が生じる。この電場強度に応じた光電流をＩＶ変換回路１５によって電圧に変換して検出することにより、テラヘルツ光Ｔ１の電場振幅を測定することができる。
【００５５】
このように、本実施の形態２のテラヘルツ光検出装置２０は、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を検出することができるため、通信用の電磁波受信アンテナや、センシングシステム分野における検出装置などに利用可能である。
【００５６】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光発生装置について説明する。図６に、本実施の形態３によるテラヘルツ光発生装置３０の構成例を示す。
【００５７】
本実施の形態３のテラヘルツ光発生装置３０は、テラヘルツ光伝導基板１０と、テラヘルツ光伝導基板１０の第２の半導体層１２上にパターニング形成された、間隙部Ｇを有する一対の導電膜１３と、導電膜１３の間隙部Ｇで発生したテラヘルツ光Ｔ２を外部へ出射するシリコン半球レンズ１４と、導電膜１３にバイアス電圧を印加する電圧印加回路１６とを備える。図６において、図５と同一構成要素については同一符号を用い、その説明を省略する。
【００５８】
図６に示した導電膜１３はダイポール型形状の導電膜１３を示したが、上記実施の形態２でも説明した通り、導電膜１３の形状はボウタイ型、スロット型、スパイラル型等様々な形状とすることができる。また、導電膜１３の形状に応じて、光強度や周波数帯域が異なるテラヘルツ光を発生させることが可能である。
【００５９】
次に、テラヘルツ光発生装置３０の動作について説明する。
【００６０】
ダイポール型の導電膜１３の間隙部Ｇに、電圧印加手段１６からバイアス電圧が印加される。そして、バイアス電圧を印加した状態で、ポンプパルス光Ｌ２が導電膜１３の間隙部Ｇに照射されると、テラヘルツ光Ｔ２が発生する。このテラヘルツ光Ｔ２は、ポンプパルス光Ｌ２の照射により励起された光励起キャリアがバイアス電圧の印加によって加速されることにより発生する。そして、発生したテラヘルツ光Ｔ２は、シリコン半球レンズ１４を透過して外部に放射される。
【００６１】
このように、本実施の形態３のテラヘルツ光発生装置３０は、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いてテラヘルツ光を発生させることができるため、人体に危険なＸ線に代わる安全な光源として利用可能である。
【００６２】
（実施の形態４）
本実施の形態４では、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光測定装置について説明する。図７に、本実施の形態４によるテラヘルツ光測定装置１００の概略構成の一例を示す。
【００６３】
本実施の形態４のテラヘルツ光測定装置１００は、レーザ光源１０１、ビームスプリッタ１０２、チョッパー１０３、レンズ１０４、テラヘルツ光発生装置１０５、第１放物面鏡１０６、第２放物面鏡１０８、テラヘルツ光検出装置１０９、ミラー１１０、光学遅延ステージ１１２、測定回路１１３、制御・演算処理部１１４、表示部１１５を備える。
【００６４】
レーザ光源１０１としては、たとえば、フェムト秒パルスレーザが用いられ、数１０フェムト秒のパルス幅を有する近赤外波長領域のレーザパルス光を出射する。
【００６５】
テラヘルツ光発生装置１０５としては、たとえば、図６に示すテラヘルツ光発生装置３０を用いる。なお、テラヘルツ光発生装置３０については上記実施の形態３において説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６６】
テラヘルツ光検出装置１０９としては、たとえば、図５に示すテラヘルツ光検出装置２０を用いる。なお、テラヘルツ光検出装置２０ついては上記実施の形態２において説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００６７】
次に、テラヘルツ光測定装置１００の動作について図５、図６および図７を用いて説明する。
【００６８】
レーザ光源１０１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０２でポンプパルス光（反射光）Ｌ２とプローブパルス光（透過光）Ｌ１に分割される。
【００６９】
ビームスプリッタ１０２で反射されたポンプパルス光Ｌ２は、チョッパー１０３により周期的に光がチョッピングされ、周波数に応じて光量が変化する。そして、レンズ１０４を介してテラヘルツ光発生装置１０５の表面に照射され、テラヘルツ光Ｔ２が発生する。
【００７０】
ここで、テラヘルツ光発生装置１０５におけるテラヘルツ光の発生について図６を用いてさらに詳細に説明する。上記ポンプパルス光Ｌ２は、上記テラヘルツ光発生装置１０５の表面に形成された、バイアス電圧が印加された状態のテラヘルツ光伝導基板１０に照射され、これにより、テラヘルツ光伝導基板１０が励起され、テラヘルツ光Ｔ２が発生する。そして、発生したテラヘルツ光Ｔ２は、シリコン半球レンズ１４を透過して外部へ出力される。
【００７１】
このようにしてテラヘルツ光発生装置１０５で発生したテラヘルツ光Ｌ２は、第１放物面鏡１０６によって平行化され、試料１０７に照射される。試料１０７を透過する際に、テラヘルツ光Ｔ２は、試料１０７に吸収あるいは試料１０７で反射され、特性の空間分布に応じて変調される。
【００７２】
そして、変調されたテラヘルツ光、つまり、試料を透過したテラヘルツ光Ｔ１は、第２放物面鏡１０８によってテラヘルツ光検出装置１０９の裏面に照射される。一方、ビームスプリッタ１０２を透過したプローブパルス光Ｌ１は、光学遅延ステージ１１２内の折り返しミラー１１２ａで反射され、さらにミラー１１１で反射された後、レンズ１１０により光束が絞られてテラヘルツ光検出装置１０９の表面に入射される。
【００７３】
ここで、テラヘルツ光検出装置１０９におけるテラヘルツ光の検出について図５を用いて詳細に説明する。テラヘルツ光Ｔ１を、テラヘルツ光検出装置１０９の裏面に位置するシリコン半球レンズ１４を介して導電膜１３の間隙部Ｇに集光するとともに、プローブパルス光Ｌ１も、導電膜１３の間隙部Ｇに照射すると、導電膜１３の間隙部Ｇでは、テラヘルツ光Ｔ１の電場強度に応じた光電流が流れる。この光電流をＩＶ変換回路１５によって電圧に変換したものを測定回路１１３で測定する。
【００７４】
ところで、光学遅延ステージ１１２は、制御・演算処理部１１４からの制御信号に基づいて折り返しミラー１１２ａを移動させることにより、折り返しミラー１１２ａの移動量に応じてプローブパルス光Ｌ１の光路長を変化させることができる。その結果、プローブパルス光Ｌ１がテラヘルツ光検出装置１０９へ到達する時間が遅延することになる。このように遅延時間を変更しながら、各遅延時間の時点における電場強度に応じた光電流値を測定することで、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
【００７５】
そして、測定回路１１３の測定結果から、制御・演算処理部１１４で所定の演算処理を行うことにより、試料の電気的特性や成分濃度等が得られる。また、演算結果は必要に応じて表示部１１５に表示してもよい。
【００７６】
このように、本実施の形態４のテラヘルツ光測定装置１００は、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光発生装置１０９によってテラヘルツ光Ｔ２を発生させて試料１０７に照射し、試料１０７を透過したテラヘルツ光Ｔ２を、本発明のテラヘルツ光伝導基板１０を用いたテラヘルツ光検出装置１０９によって検出することにより、試料に接触したり試料を破壊したりすることなく、試料の電気的特性や成分濃度などを、簡便に測定することができる。よって、本発明のテラヘルツ光測定装置１００は、Ｘ線や赤外線イメージングに並ぶ新たなイメージング装置として、様々な分野で利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明のテラヘルツ光伝導基板は、テラヘルツ光検出装置、テラヘルツ光発生装置、およびテラヘルツ光測定装置に利用可能であり、様々な物質の物性分析を行うことが可能である。また、テラヘルツ光測定装置に利用した場合には、観察対象の内部を非破壊で観察することができるため、Ｘ線、赤外線イメージングに並ぶ新たなイメージング技術として、材料分野、セキュリティ分野、バイオテクノロジー分野、医療分野といった多岐にわたる分野で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、本発明のテラヘルツ光伝導基板の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、ポンプ−プローブ法による正規化反射率と時間との関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明のテラヘルツ光伝導基板表面から放射されたテラヘルツ光の時間波形を示す図である。
【図４】図４は、本発明のテラヘルツ光伝導基板を用いて検出されたテラヘルツ光の時間波形を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２によるテラヘルツ光検出装置の一構成例を示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３によるテラヘルツ光発生装置の一構成例を示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４によるテラヘルツ測定装置の一構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０ テラヘルツ光伝導基板
１１ 第１の半導体層
１２ 第２の半導体層
１３ 導電膜
１４ シリコン半球レンズ
１５ ＩＶ変換回路
１６ 電圧印加回路
２０ テラヘルツ光検出装置
３０ テラヘルツ光発生装置
１００ テラヘルツ光測定装置
１０１ レーザ光源
１０２ ビームスプリッタ
１０３ チョッパー
１０４ ミラー
１０５ テラヘルツ光発生装置
１０６ 第１放物面鏡
１０７ 試料
１０８ 第２放物面鏡
１０９ テラヘルツ光検出装置
１１０ レンズ
１１１ ミラー
１１２ 光学遅延ステージ
１１２ａ 折り返しミラー
１１３ 測定回路
１１４ 制御・演算処理部
１１５ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、前記第１の半導体層の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層とを含むテラヘルツ光伝導基板であって、
前記第２の半導体層は、希土類元素を含むことを特徴とするテラヘルツ光伝導基板。
【請求項２】
前記希土類元素が、スカンジウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素である請求項１に記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項３】
前記第２の半導体層は、酸素元素をさらに含む請求項１または２に記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項４】
前記第２の半導体層の前記希土類元素の含有濃度は、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3である請求項１ないし３のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項５】
前記第１の半導体層の厚みは、３００〜５００μｍの範囲であり、前記第２の半導体層の厚みは、０．０１〜５μｍの範囲である請求項１ないし４のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項６】
前記第２の半導体層は、ＩＶ族半導体、化合物半導体、有機半導体のいずれかである請求項１ないし５のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項７】
前記第２の半導体層は、有機金属気相エピタキシャル法により前記第１の半導体層上に形成された請求項１ないし６のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板を用いたテラヘルツ光検出装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板を用いたテラヘルツ光発生装置。
【請求項１０】
請求項８に記載のテラヘルツ光検出措置と、請求項９に記載のテラヘルツ光発生装置とを含むテラヘルツ光測定装置。
【請求項１】
第１の半導体層と、前記第１の半導体層の一方の主面上に形成された、光照射により伝導性を示す第２の半導体層とを含むテラヘルツ光伝導基板であって、
前記第２の半導体層は、希土類元素を含むことを特徴とするテラヘルツ光伝導基板。
【請求項２】
前記希土類元素が、スカンジウム（Ｓｒ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、およびルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選ばれる少なくとも１種の元素である請求項１に記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項３】
前記第２の半導体層は、酸素元素をさらに含む請求項１または２に記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項４】
前記第２の半導体層の前記希土類元素の含有濃度は、１×１０17〜１×１０21ｃｍ-3である請求項１ないし３のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項５】
前記第１の半導体層の厚みは、３００〜５００μｍの範囲であり、前記第２の半導体層の厚みは、０．０１〜５μｍの範囲である請求項１ないし４のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項６】
前記第２の半導体層は、ＩＶ族半導体、化合物半導体、有機半導体のいずれかである請求項１ないし５のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項７】
前記第２の半導体層は、有機金属気相エピタキシャル法により前記第１の半導体層上に形成された請求項１ないし６のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板を用いたテラヘルツ光検出装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載のテラヘルツ光伝導基板を用いたテラヘルツ光発生装置。
【請求項１０】
請求項８に記載のテラヘルツ光検出措置と、請求項９に記載のテラヘルツ光発生装置とを含むテラヘルツ光測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−２３８９１１（Ｐ２００９−２３８９１１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８１１５８（Ｐ２００８−８１１５８）
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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