テラヘルツ波素子
【課題】励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大して、テラヘルツ波の発生効率またはテラヘルツ波の検出のＳＮを向上することができるテラヘルツ波素子を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波発生層２と、テラヘルツ波発生層２に接して配置された電極３を備え、励起光４の照射と電極３への電圧印加によりテラヘルツ波５を発生する。テラヘルツ波発生層２の少なくとも一部は、励起光４が入射してくる側とその反対側とのテラヘルツ波発生層２の面と交わる面において電極３とショットキー接合部を形成し、ショットキー接合部に励起光４が照射される。
【解決手段】テラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波発生層２と、テラヘルツ波発生層２に接して配置された電極３を備え、励起光４の照射と電極３への電圧印加によりテラヘルツ波５を発生する。テラヘルツ波発生層２の少なくとも一部は、励起光４が入射してくる側とその反対側とのテラヘルツ波発生層２の面と交わる面において電極３とショットキー接合部を形成し、ショットキー接合部に励起光４が照射される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数領域の成分を含むテラヘルツ波を発生または検出する発生素子または検出素子であるテラヘルツ波素子、それを用いた装置に関する。さらに詳細には、光パルス照射により前記周波数帯のフーリエ成分を含む電磁波パルスの発生または検出を行う素子、それを用いたテラヘルツ時間領域分光装置（THz-TDS）等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術、物質の吸収スペクトルや複素誘電率を調べる分光技術などが開発されている。これらの技術を実用化するためには、テラヘルツ波の発生技術の進歩が重要な要素の一つとなっている。従来、このようなテラヘルツ波の発生技術として、１．５μｍ帯ファイバレーザの励起光に対して、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）などを使用する例がある（特許文献１参照）。
【０００３】
また、より高強度なテラヘルツ波を発生するために、インジウムリン（ＩｎＰ）を用いた素子に関する提案がある（非特許文献１参照）。この文献に記載の素子は、励起用の超短パルスレーザとして、小型化、低コスト化のために通信波長帯のファイバレーザを用いている。この素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板上にチタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）電極を成膜して作製されている。チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）電極は１０μｍの間隙を持つダイポールアンテナ形状を有しており、電極間には２０Ｖ程度の電圧が印加される。この電極の間隙に、ＩｎＰ基板の上側（電極が形成されている側）から励起光（波長１.５μｍ帯のフェムト秒レーザ）が照射される。ＩｎＰ基板はテラヘルツ波発生層を兼ねており、励起光によってショットキー障壁を越えるエネルギーを得たキャリアが電極から半導体に移動して瞬間的に電流が流れることで、テラヘルツ波を得る。
【０００４】
非特許文献１で使用している半絶縁性ＩｎＰは、特許文献１で使用しているＩｎＧａＡｓよりも一般に高抵抗とできるので、電極間に、より高電圧を印加することができる。そのため、このような素子によって、１.５μｍ帯の励起光で高強度なテラヘルツ波を発生できる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-086227号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】2008 Conference on Quantum Electronics and Laser Science Conferenceon Lasers and Electro-Optics, CLEO/QELS 2008, Article number 4551244
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載された素子では、光キャリア励起を行う電極‐半導体界面（ショットキー接合部）にレーザ光を効率良く照射することが容易ではない。これは、上述の様にテラヘルツ波発生層の上面（基板側と反対の面）に電極があるため、励起光が照射されるショットキー接合部のサイズが小さくなり易いことによる。このような事情により、テラヘルツ波の発生効率に課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明のテラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波発生層と、テラヘルツ波発生層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射と電極への電圧印加によってテラヘルツ波を発生する素子であって、次の特徴を有する。即ち、テラヘルツ波発生層の少なくとも一部は、励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波発生層の面と交わる面において電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、ショットキー接合部の少なくとも一部に励起光が照射される。また、本発明のテラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波検出層と、テラヘルツ波検出層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射状態において入射するテラヘルツ波を検出する素子であって、次の特徴を有する。即ち、テラヘルツ波検出層の少なくとも一部は、励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波検出層の面と交わる面において電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、ショットキー接合部の少なくとも一部に励起光が照射される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のテラヘルツ波発生素子によれば、テラヘルツ波発生層の少なくとも一部は、前記交わる面において電極とショットキー接合部を形成しており、このショットキー接合部の少なくとも一部に励起光が照射される。この構成により、励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大できるので、テラヘルツ波の発生効率が向上するという効果を奏する。また、テラヘルツ波検出素子においては、励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大できるので、テラヘルツ波の検出のＳＮが向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。
【図２】実施形態１のテラヘルツ波発生素子への励起光の入射方向を説明する図。
【図３】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。
【図４】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。
【図５】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。
【図６】実施形態２のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。
【図７】実施形態３のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。
【図８】実施形態４の分光装置の構成例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のテラヘルツ波素子（発生素子または検出素子）において重要なことは、次の点である。テラヘルツ波発生層または検出層の、励起光が入射してくる側とその反対側との当該層の面と交わる面に電極とのショットキー接合部を設けて、その接合部を励起光の照射箇所とすることで、励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大することである。この考え方に基づき、本発明のテラヘルツ波発生素子または検出素子は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。前記交わる面は、例えば、テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の側面、テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の面のうちで該層に接する基板の上面に平行な面を除く面などである。前記相互作用の領域をより拡大するために、電極の少なくとも一部は、励起光が入射してくる側から見て、櫛型形状（図７の形態参照）と階段形状（図４の形態参照）と傾斜形状（図３の形態参照）との少なくとも１つを持つように形成することができる。これらの形状は必要に応じて自由に組み合わせることができ、例えば、櫛型形状の側面を傾斜形状とすることができる。
【００１２】
上記テラヘルツ波発生素子または検出素子と、このテラヘルツ波発生素子または検出素子に励起光を照射するための励起光発生部を含む照射手段と、を備えて、テラヘルツ波発生装置または検出装置を構成することができる。また、これらのテラヘルツ波発生装置とテラヘルツ波検出装置との少なくとも一方を用いてテラヘルツ時間領域分光装置を構成することができる。
【００１３】
以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
図１を用いて実施形態１を説明する。図１では、構成を分かり易く描くために縮尺をデフォルメしている部分がある。このことは、以下の図面でも同様である。図１（ａ）は、本実施形態のテラヘルツ波発生素子の概略構成を示した上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ'断面図である。図１（ｃ）は、本実施形態のテラヘルツ波発生素子の全体図である。
【００１４】
本実施形態において、テラヘルツ波発生層２は基板１の上に形成される。テラヘルツ波発生層２は、基板１の上面全体を覆う必要は必ずしも無く、少なくとも励起光４を照射する領域と重なりを持てばよい。電極３は、テラヘルツ波発生層２に接して形成される。電極３は、少なくとも２つ（一対）で形成され、図１の例では、電極３aと電極３ｂが形成されている。電極３の少なくとも一部（電極３aと電極３ｂのいずれか片方でよい）はテラヘルツ波発生層２の側面に接して形成される。本実施形態で、テラヘルツ波発生層２の側面とは、テラヘルツ波発生層２の面のうちで、発生層２に接する基板１の上面に平行な面を除く面を指す。基板１に開口部が形成されて発生層２が基板１に接しない場合を含む一般的な構成で言えば、側面とは、励起光４が入射してくる側とその反対側とのテラヘルツ波発生層２の上下面を除く面を指す。電極３は、テラヘルツ波発生層２への電圧印加のために少なくとも２つの組からなり（典型的には電極対）、それぞれの電極３は間隙を挟んで配置される。また、電極３は、外部から電圧を印加するための電極パッド６を有する。
【００１５】
テラヘルツ波発生層２の側面は、少なくとも一部において電極３との間でショットキー接合部を形成しており、そこに、光励起キャリアを発生するための励起光４が照射される。電極３のうち、光励起キャリアを生じてテラヘルツ波５を発生する側でない電極は、図５に示す様にテラヘルツ波発生層２の上面に形成されていても構わない。図５（ａ）はこの場合のテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤＤ'断面図である。
【００１６】
構成要素の材料について説明する。基板１は絶縁性の高い材料からなることが望ましい。基板１の材料としては、半絶縁性ガリウムヒ素（ＳＩ-ＧａＡｓ）や半絶縁性インジウムリン（ＳＩ-ＩｎＰ）などが適用できる。また、テラヘルツ波領域において吸収の少ないシリコン（Ｓｉ）やシクロオレフィンなどの材料を用いてもよい。テラヘルツ波発生層２には、インジウムリン（ＩｎＰ）やインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）などの半導体を用いることができる。励起光４の波長に対してバンドギャップが大きく透明となる物質を用いてもよい。例えば波長１．５μｍの励起光４に対しては、ＩｎＰを使用できる。テラヘルツ波発生層２は、基板１の上にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて作製することができる。また、基板１とテラヘルツ波発生層２は同一の材料からなっていてもよく、一体となっていてもよい。テラヘルツ波発生層２のバンドギャップが、励起光４の波長に対応するエネルギーよりも大きい場合、テラヘルツ波発生層２において吸収される励起光４を低減できる。よって、テラヘルツ波発生層２を通過してショットキー接合部に到達する励起光４を増大することができ、テラヘルツ波発生効率がさらに向上するという効果を奏する。
【００１７】
電極３は、励起光４によって光励起キャリアを発生させるための界面において、ショットキー接合を形成するような材料が用いられる。例えば、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）などを用いることができる。電極３はリフトオフ法などにより作製することができる。その他の光励起キャリアの発生に寄与しない界面に関しては、電極３とテラヘルツ波発生層２はショットキー接合でもオーミック接合でもよい。電極３をオーミック接合にしたい場合には、電極領域に不純物拡散させる、金‐ゲルマニウム／ニッケル／金（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）電極でアロイする、ｎ‐ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層を選択的に電極下部に設けるなどの方法がある。テラヘルツ波発生層２の側面に電極３の一部が接するようにするには、テラヘルツ波発生層２の一部をドライエッチング法で除去した後、電極３を形成するとよい。ここで、テラヘルツ波発生層２の側面に電極３を形成するためには、リフトオフ法における真空蒸着時に、金属原子の飛来方向にテラヘルツ波発生層２の側面が向くように角度を調整するとよい。電極３には、図１のようなダイポールアンテナやボウタイアンテナといった形状を持たせてもよい。
【００１８】
上記構造の各部のサイズは、例えば次の様に設定することができる。図１の例では、テラヘルツ波発生層２の厚さを２μｍ、電極３のアンテナ（突起箇所）の横幅を５μｍ、アンテナの電極間のギャップを１０μｍ、アンテナ以外での電極間のギャップを２０μｍとできる。また、テラヘルツ波発生素子に入射する箇所で励起光４のサイズを直径８μｍとできる。
【００１９】
次に、テラヘルツ波の発生機構について説明する。
上述した様に、テラヘルツ波発生層２と電極３との界面の少なくとも一部には、ショットキー接合部が形成されている。一般に知られる様に、ショットキー接合部はテラヘルツ波発生層２と電極３との組合せに応じたエネルギー障壁（ショットキー障壁）を有する。例えば、テラヘルツ波発生層２として半絶縁性ＩｎＰを、電極３としてＴｉ／Ａｕを用いると、その界面には障壁高さ０．５ｅＶ程度のショットキー障壁が形成される。ただし実際は、界面の状態によって異なる値を持ちうることが一般に知られている。図１では、この様に電極３とテラヘルツ波発生層２の界面はショットキー接合部となっている。ここに、波長１．５μｍの励起光４を照射すると、電極３にあるキャリアが光励起され、その一部はショットキー障壁を飛び越えてテラヘルツ波発生層２に入る。テラヘルツ波発生層２には、電極３によって電圧が印加されている。この電圧によって、テラヘルツ波発生層２には電界が与えられる。テラヘルツ波発生層２に入ったキャリアはこの電界により加速され、電流が生じる。電流が生じると、下記式１に従って、電流の時間変化の大きさに応じた電界強度を持つテラヘルツ波５が発生する。
ＥＴＨｚ∝ｄＪ／ｄｔ （式１）
ここで、ＥＴＨｚ：テラヘルツ波５の電界強度、Ｊ：電流、ｔ：時間である。
【００２０】
発生したテラヘルツ波５は、ストリップラインなどの導波構造によって基板１に沿って伝搬させても良いし、電極３の一部を前述したアンテナ形状にすることで基板１の外部へ取り出しても良い。電極３によってテラヘルツ波発生層２内部に印加される電界が大きいほど電流変化が急峻となり、テラヘルツ波５の電界強度が向上する。そのため、電極３の組の間隙が最も小さい部分、つまりテラヘルツ波発生層２内部の電界が最も大きくなると見積もられる部分に励起光４を照射することが一般的である。以上から分かる様に、テラヘルツ波５の電界強度を向上するには、電流の時間変化を大きく、すなわち励起光４によって光励起キャリアを短時間で多く生成することが重要である。
【００２１】
光励起キャリアを短時間で生成するためには、励起光４のパルス幅を狭くすることが有効である。一般には、励起光４としてフェムト秒レーザが多く用いられる。波長１．５μｍ帯のパルス光を使用する場合、エルビウム（Ｅｒ）ファイバレーザ光源が好適に用いられる。このパルス光のパルス幅は典型的には１００ｆｓである。また、パルスの繰り返し周波数は５０ＭＨｚとすることができる。
【００２２】
一方で、光励起キャリアを多く生成するために、図１では、テラヘルツ波発生層２と電極３との界面の一部に、基板１の上面とほぼ垂直な部分を形成し、ショットキー接合部において励起光４が照射される領域を増大する構成とした。前述の非特許文献１の素子では、励起光の大部分が電極によって遮蔽されていた。励起光からすると、ショットキー接合の線状の領域に照射することになっていた。それに対して本実施形態では、励起光４が照射されるショットキー接合部のサイズが大きくなっている。前述した各構造のサイズによると、図１において励起光４が直接照射されて光励起キャリアの発生に関与する領域の大きさは、１０μｍ２（＝（アンテナの横幅５μｍ）×（テラヘルツ波発生層２の厚さ２μｍ））となる。これにより、励起光４による光励起キャリアの発生量を増大することができ、その結果、テラヘルツ波５の発生効率を向上することができる。
【００２３】
ここで、テラヘルツ波発生層２の厚さについて、より詳しく説明する。
非特許文献１の素子では、電極とテラヘルツ波発生層の間のショットキー接合部に励起光が照射されるサイズは、電極の端から０.５μｍ程度と見込まれる（半導体中での波長程度）。従って、本実施形態の素子においては、励起光４の照射される面積をより大きくするという点から、テラヘルツ波発生層２の厚さが０.５μｍ以上であることが望ましい。また、電極４の厚さが厚いと電流が基板１の面に垂直に近い方向にも流れるため、テラヘルツ波５がアンテナに結合する効率が下がる。この効果を抑えるために、電極４の厚さはテラヘルツ波発生層２内部におけるテラヘルツ波５の波長以下、例えば５０μｍ程度以下に抑えることが望ましい。
【００２４】
また、テラヘルツ波発生層２の材料のバンドギャップの大きさが励起光４のエネルギーより小さい場合、励起光４がショットキー接合部に届く前にテラヘルツ波発生層２が励起光４を吸収してしまう。そのため、テラヘルツ波発生層２の厚さは励起光４の吸収長程度以下であることが望ましい。例えば、ＩｎＧａＡｓからなるテラヘルツ波発生層２に波長１．５μｍの励起光４を照射する場合、典型的には２μｍ程度に抑えることが望ましい。本実施形態では、励起光４の入射方向も重要である。例えば図２（ａ）に示す様に、励起光４がショットキー接合部に直接入射する構成とすることが望ましい。図２（ｂ）に示す様に、励起光４がショットキー接合部に直接は入射しない構成であると、励起光４が光励起キャリアを発生する効率が減少することになる。ただし、直接入射しなくても、散乱、反射、回折などによって、ショットキー接合部に励起光４の一部が入射することはあり得る。また、励起光４は一般に光軸に垂直な面内でエネルギーの分布を持つので、エネルギーの大きい箇所を、光励起キャリアが発生する界面に入射させる構成とすることが望ましい。このような構成によって、光励起キャリアを効率良く発生することができる。
【００２５】
テラヘルツ波発生層２の厚さであるが、テラヘルツ波発生素子の抵抗を増大するには薄い方が良い。特に、基板１の抵抗率がテラヘルツ波発生層２の抵抗率より高い場合、そうである。一方、励起光４の吸収量を大きくするためには厚い方が良い。より直接には、テラヘルツ波発生層２と電極３のショットキー接合界面のサイズが関わる。例えば、テラヘルツ波発生層２の厚さは２μｍといった値を典型的に用いることができる。以上に示した様に、本実施形態のテラヘルツ波発生素子により、ショットキー接合部において励起光照射領域を増大することができる。従って、テラヘルツ波発生効率が向上する。
【００２６】
これまで、図１の様に、光励起キャリアを発生するショットキー接合部が基板１の面に垂直な例を説明してきたが、図３や図４に示す様に必ずしも垂直でなくてもよい。図３（ａ）はテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢＢ'断面図である。この例では、光励起キャリアを発生するショットキー接合部が、基板１の上面に対して垂直でなく傾斜して形成されている。また、図４（ａ）はテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣＣ'断面図である。この例では、光励起キャリアを発生するショットキー接合部が、階段状に形成されている。これらの例では、光励起キャリアを生ずるショットキー接合部を励起光の照射方向に対してより対向的に向けることで、より多くの励起光４をショットキー接合部に照射することができる。従って、テラヘルツ波発生効率をさらに向上することができる。
【００２７】
（実施形態２）
本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態２は、上述したテラヘルツ波発生素子の変形例に関する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図６（ａ）は本実施形態のテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥＥ'断面図である。実施形態１のテラヘルツ波発生素子と異なる点は、テラヘルツ波が伝搬する範囲にある電極３の一部の厚さである。
【００２８】
電極３はテラヘルツ波発生層２の側面に接する様に形成されているが、必ずしもその厚さはテラヘルツ波発生層２の厚さ程度でなくてもよい。本実施形態の思想は、電極３の厚さを薄くして、電極３によるテラヘルツ波５の損失を抑えることである。電極３のうち、テラヘルツ波発生層２の側面に接する領域は、光励起キャリアの発生に関わるのでテラヘルツ波発生層２の厚さ程度でよい。一方、それ以外の領域においては電極３の厚さをテラヘルツ波発生層２の厚さよりも薄く設定するとよい。
【００２９】
例えば、テラヘルツ波発生層２の厚さを２μｍ、電極３の上記それ以外の領域の厚さを０．２μｍとすることができる。本実施形態のようなテラヘルツ波発生素子によって、電極３によるテラヘルツ波５の損失を低減することができる。従って、テラヘルツ波発生効率がより向上するという効果を奏することができる。なお、図６の構成では、ショットキー接合部を形成しない電極（図６の右側の電極）についても厚さを薄くした領域を設けていて、テラヘルツ波５の損失低減の観点からはこの構成は好ましいが、必ずしもこの様にする必要はない。
【００３０】
（実施形態３）
本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態３は、上述したテラヘルツ波発生素子の変形例に関する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７（ａ）は本実施形態のテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＦＦ'断面図である。実施形態１のテラヘルツ波発生素子と異なる点は、素子の上面から見てテラヘルツ波発生層２と電極３の界面が櫛型形状となっている点である。櫛型形状は、凹部と凸部がそれぞれ複数あってもよく（勿論、単数であってもよい）、電極３の対のうち光励起キャリアを生じない側の電極（図７の右側の電極）は櫛型形状でなくてもよい。
【００３１】
この様に電極３を櫛型に形成すると、実施形態１のような構成と比べて電極３とテラヘルツ波発生層２のショットキー接合部（側面）のサイズをより大きくすることができる。上記構造の各部のサイズであるが、図７の例では、電極３の櫛型電極の突起箇所と凹部箇所の横幅を５μｍとできる。このとき、テラヘルツ波発生素子に入射する箇所での励起光４のサイズを直径２０μｍとすると、櫛型電極の全体に励起光４が照射される。本実施形態のようなテラヘルツ波発生素子によって、櫛型電極のそれぞれの側面においてショットキー接合部を形成できるので、励起光４の照射領域におけるショットキー接合領域の大きさを増大することができる。従って、励起光４による光励起キャリアの発生量をさらに増大することができ、テラヘルツ波発生効率がさらに向上するという効果を奏する。
【００３２】
（実施形態４）
実施形態４は、本発明のテラヘルツ波発生素子を用いた時間領域分光装置に関する。
図８は、本実施形態に係るテラヘルツ時間領域分光システムを示している。このよう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様なので、概要のみを説明する。この分光システムは、短パルスレーザである励起光４と、励起光遅延系１３と、テラヘルツ波発生素子８と、テラヘルツ波検出素子１２とを主要な要素として備えている。励起光４は、ハーフミラーによって分割されて、それぞれテラヘルツ波発生素子８とテラヘルツ波検出素子１２に照射される。ここで、８は本発明によるテラヘルツ波発生素子であり、レンズなどの光学素子を介して励起光４が電極３のショットキー接合部に照射されるように構成されている。テラヘルツ波発生素子８の電極３には電圧源９によって電圧が印加されている。発生したテラヘルツ波５は、レンズや放物面鏡などの光学素子によって検体１１に導かれる。検体１１を透過または反射して、吸収スペクトルなどの情報を含むテラヘルツ波５は、光学素子によってテラヘルツ波検出素子１２の電極の間隙に導かれて検出される。このとき、テラヘルツ波検出素子１２は従来型の低温成長ＧａＡｓによる光伝導素子を用いており、電極間に生じる電流の値はテラヘルツ波５の振幅に比例する。時間分解を行うには、テラヘルツ波検出素子１２に照射する励起光４の光路長を変化させる励起光遅延系１３を動かすなどして照射タイミングを制御すればよい。検出したテラヘルツ波５の電界強度と励起光４の光路長変化量は、処理部１４においてテラヘルツ波５の時間波形などに変換され、表示部１５で表示される。
【００３３】
本実施形態においては、励起光発生部１０として１．５μｍ帯ファイバ型フェムト秒レーザを用い、テラヘルツ波発生素子８は、半絶縁性ＩｎＰとＡｕ／Ｔｉによるショットキー接合を用いる実施形態１の素子などで実現する。ＳＮ比を向上させるために部品点数は増えるが、検出側は、第二次高調波発生器１６（ＳＨＧ結晶）を挿入し、テラヘルツ波検出素子１２として低温成長ＧａＡｓによる光伝導素子を用いる構成が望ましい。この様に本発明によるテラヘルツ波発生素子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。
【００３４】
本実施形態の励起光発生部１０を含むテラヘルツ波発生装置によれば、振幅を増大したテラヘルツ波を発生することができる。よって、上記分光装置によれば、テラヘルツ波の検出のＳＮを増大して分析精度を向上することができる。また、テラヘルツ波検出素子１２を含むテラヘルツ波検出装置を、テラヘルツ波の検出のＳＮを向上することができる本発明のテラヘルツ波検出装置とすることができる。こうすれば、テラヘルツ波の検出のＳＮをさらに増大して分析精度をさらに向上した分光装置を実現できる。
【００３５】
（実施形態５）
これまでの実施形態では、主に、本発明による素子を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。検出素子では、例えば実施形態１を説明した図１と全く同じ構成においてテラヘルツ波５の伝搬方向が素子に向けられる構成になる。励起光が照射された照射状態のタイミングでは光励起キャリアが発生しており、そこにテラヘルツ波５が照射されると、テラヘルツ波５による電界に応じて電極３に光電流が生じる。その光電流を検出することでテラヘルツ波５の電界強度を検出できる。本発明による検出素子を使用すれば、励起光４とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大できるので、テラヘルツ波の検出のＳＮを向上したテラヘルツ波検出を実現できる。
【符号の説明】
【００３６】
２・・テラヘルツ波発生層（テラヘルツ波検出層）、３・・電極、４・・励起光、５・・テラヘルツ波、８・・テラヘルツ波発生素子、９・・電圧源、１０・・励起光発生部、１２・・テラヘルツ波検出素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数領域の成分を含むテラヘルツ波を発生または検出する発生素子または検出素子であるテラヘルツ波素子、それを用いた装置に関する。さらに詳細には、光パルス照射により前記周波数帯のフーリエ成分を含む電磁波パルスの発生または検出を行う素子、それを用いたテラヘルツ時間領域分光装置（THz-TDS）等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置を構成してイメージングを行う技術、物質の吸収スペクトルや複素誘電率を調べる分光技術などが開発されている。これらの技術を実用化するためには、テラヘルツ波の発生技術の進歩が重要な要素の一つとなっている。従来、このようなテラヘルツ波の発生技術として、１．５μｍ帯ファイバレーザの励起光に対して、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）などを使用する例がある（特許文献１参照）。
【０００３】
また、より高強度なテラヘルツ波を発生するために、インジウムリン（ＩｎＰ）を用いた素子に関する提案がある（非特許文献１参照）。この文献に記載の素子は、励起用の超短パルスレーザとして、小型化、低コスト化のために通信波長帯のファイバレーザを用いている。この素子は、半絶縁性ＩｎＰ基板上にチタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）電極を成膜して作製されている。チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）電極は１０μｍの間隙を持つダイポールアンテナ形状を有しており、電極間には２０Ｖ程度の電圧が印加される。この電極の間隙に、ＩｎＰ基板の上側（電極が形成されている側）から励起光（波長１.５μｍ帯のフェムト秒レーザ）が照射される。ＩｎＰ基板はテラヘルツ波発生層を兼ねており、励起光によってショットキー障壁を越えるエネルギーを得たキャリアが電極から半導体に移動して瞬間的に電流が流れることで、テラヘルツ波を得る。
【０００４】
非特許文献１で使用している半絶縁性ＩｎＰは、特許文献１で使用しているＩｎＧａＡｓよりも一般に高抵抗とできるので、電極間に、より高電圧を印加することができる。そのため、このような素子によって、１.５μｍ帯の励起光で高強度なテラヘルツ波を発生できる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-086227号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】2008 Conference on Quantum Electronics and Laser Science Conferenceon Lasers and Electro-Optics, CLEO/QELS 2008, Article number 4551244
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載された素子では、光キャリア励起を行う電極‐半導体界面（ショットキー接合部）にレーザ光を効率良く照射することが容易ではない。これは、上述の様にテラヘルツ波発生層の上面（基板側と反対の面）に電極があるため、励起光が照射されるショットキー接合部のサイズが小さくなり易いことによる。このような事情により、テラヘルツ波の発生効率に課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明のテラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波発生層と、テラヘルツ波発生層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射と電極への電圧印加によってテラヘルツ波を発生する素子であって、次の特徴を有する。即ち、テラヘルツ波発生層の少なくとも一部は、励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波発生層の面と交わる面において電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、ショットキー接合部の少なくとも一部に励起光が照射される。また、本発明のテラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波検出層と、テラヘルツ波検出層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射状態において入射するテラヘルツ波を検出する素子であって、次の特徴を有する。即ち、テラヘルツ波検出層の少なくとも一部は、励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波検出層の面と交わる面において電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、ショットキー接合部の少なくとも一部に励起光が照射される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のテラヘルツ波発生素子によれば、テラヘルツ波発生層の少なくとも一部は、前記交わる面において電極とショットキー接合部を形成しており、このショットキー接合部の少なくとも一部に励起光が照射される。この構成により、励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大できるので、テラヘルツ波の発生効率が向上するという効果を奏する。また、テラヘルツ波検出素子においては、励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大できるので、テラヘルツ波の検出のＳＮが向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。
【図２】実施形態１のテラヘルツ波発生素子への励起光の入射方向を説明する図。
【図３】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。
【図４】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。
【図５】実施形態１のテラヘルツ波発生素子の変形例を説明する図。
【図６】実施形態２のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。
【図７】実施形態３のテラヘルツ波発生素子の構成例を説明する図。
【図８】実施形態４の分光装置の構成例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のテラヘルツ波素子（発生素子または検出素子）において重要なことは、次の点である。テラヘルツ波発生層または検出層の、励起光が入射してくる側とその反対側との当該層の面と交わる面に電極とのショットキー接合部を設けて、その接合部を励起光の照射箇所とすることで、励起光とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大することである。この考え方に基づき、本発明のテラヘルツ波発生素子または検出素子は、上記課題を解決するための手段のところで述べた様な基本的な構成を有する。前記交わる面は、例えば、テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の側面、テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の面のうちで該層に接する基板の上面に平行な面を除く面などである。前記相互作用の領域をより拡大するために、電極の少なくとも一部は、励起光が入射してくる側から見て、櫛型形状（図７の形態参照）と階段形状（図４の形態参照）と傾斜形状（図３の形態参照）との少なくとも１つを持つように形成することができる。これらの形状は必要に応じて自由に組み合わせることができ、例えば、櫛型形状の側面を傾斜形状とすることができる。
【００１２】
上記テラヘルツ波発生素子または検出素子と、このテラヘルツ波発生素子または検出素子に励起光を照射するための励起光発生部を含む照射手段と、を備えて、テラヘルツ波発生装置または検出装置を構成することができる。また、これらのテラヘルツ波発生装置とテラヘルツ波検出装置との少なくとも一方を用いてテラヘルツ時間領域分光装置を構成することができる。
【００１３】
以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
図１を用いて実施形態１を説明する。図１では、構成を分かり易く描くために縮尺をデフォルメしている部分がある。このことは、以下の図面でも同様である。図１（ａ）は、本実施形態のテラヘルツ波発生素子の概略構成を示した上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡＡ'断面図である。図１（ｃ）は、本実施形態のテラヘルツ波発生素子の全体図である。
【００１４】
本実施形態において、テラヘルツ波発生層２は基板１の上に形成される。テラヘルツ波発生層２は、基板１の上面全体を覆う必要は必ずしも無く、少なくとも励起光４を照射する領域と重なりを持てばよい。電極３は、テラヘルツ波発生層２に接して形成される。電極３は、少なくとも２つ（一対）で形成され、図１の例では、電極３aと電極３ｂが形成されている。電極３の少なくとも一部（電極３aと電極３ｂのいずれか片方でよい）はテラヘルツ波発生層２の側面に接して形成される。本実施形態で、テラヘルツ波発生層２の側面とは、テラヘルツ波発生層２の面のうちで、発生層２に接する基板１の上面に平行な面を除く面を指す。基板１に開口部が形成されて発生層２が基板１に接しない場合を含む一般的な構成で言えば、側面とは、励起光４が入射してくる側とその反対側とのテラヘルツ波発生層２の上下面を除く面を指す。電極３は、テラヘルツ波発生層２への電圧印加のために少なくとも２つの組からなり（典型的には電極対）、それぞれの電極３は間隙を挟んで配置される。また、電極３は、外部から電圧を印加するための電極パッド６を有する。
【００１５】
テラヘルツ波発生層２の側面は、少なくとも一部において電極３との間でショットキー接合部を形成しており、そこに、光励起キャリアを発生するための励起光４が照射される。電極３のうち、光励起キャリアを生じてテラヘルツ波５を発生する側でない電極は、図５に示す様にテラヘルツ波発生層２の上面に形成されていても構わない。図５（ａ）はこの場合のテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤＤ'断面図である。
【００１６】
構成要素の材料について説明する。基板１は絶縁性の高い材料からなることが望ましい。基板１の材料としては、半絶縁性ガリウムヒ素（ＳＩ-ＧａＡｓ）や半絶縁性インジウムリン（ＳＩ-ＩｎＰ）などが適用できる。また、テラヘルツ波領域において吸収の少ないシリコン（Ｓｉ）やシクロオレフィンなどの材料を用いてもよい。テラヘルツ波発生層２には、インジウムリン（ＩｎＰ）やインジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）などの半導体を用いることができる。励起光４の波長に対してバンドギャップが大きく透明となる物質を用いてもよい。例えば波長１．５μｍの励起光４に対しては、ＩｎＰを使用できる。テラヘルツ波発生層２は、基板１の上にＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて作製することができる。また、基板１とテラヘルツ波発生層２は同一の材料からなっていてもよく、一体となっていてもよい。テラヘルツ波発生層２のバンドギャップが、励起光４の波長に対応するエネルギーよりも大きい場合、テラヘルツ波発生層２において吸収される励起光４を低減できる。よって、テラヘルツ波発生層２を通過してショットキー接合部に到達する励起光４を増大することができ、テラヘルツ波発生効率がさらに向上するという効果を奏する。
【００１７】
電極３は、励起光４によって光励起キャリアを発生させるための界面において、ショットキー接合を形成するような材料が用いられる。例えば、チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）などを用いることができる。電極３はリフトオフ法などにより作製することができる。その他の光励起キャリアの発生に寄与しない界面に関しては、電極３とテラヘルツ波発生層２はショットキー接合でもオーミック接合でもよい。電極３をオーミック接合にしたい場合には、電極領域に不純物拡散させる、金‐ゲルマニウム／ニッケル／金（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）電極でアロイする、ｎ‐ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層を選択的に電極下部に設けるなどの方法がある。テラヘルツ波発生層２の側面に電極３の一部が接するようにするには、テラヘルツ波発生層２の一部をドライエッチング法で除去した後、電極３を形成するとよい。ここで、テラヘルツ波発生層２の側面に電極３を形成するためには、リフトオフ法における真空蒸着時に、金属原子の飛来方向にテラヘルツ波発生層２の側面が向くように角度を調整するとよい。電極３には、図１のようなダイポールアンテナやボウタイアンテナといった形状を持たせてもよい。
【００１８】
上記構造の各部のサイズは、例えば次の様に設定することができる。図１の例では、テラヘルツ波発生層２の厚さを２μｍ、電極３のアンテナ（突起箇所）の横幅を５μｍ、アンテナの電極間のギャップを１０μｍ、アンテナ以外での電極間のギャップを２０μｍとできる。また、テラヘルツ波発生素子に入射する箇所で励起光４のサイズを直径８μｍとできる。
【００１９】
次に、テラヘルツ波の発生機構について説明する。
上述した様に、テラヘルツ波発生層２と電極３との界面の少なくとも一部には、ショットキー接合部が形成されている。一般に知られる様に、ショットキー接合部はテラヘルツ波発生層２と電極３との組合せに応じたエネルギー障壁（ショットキー障壁）を有する。例えば、テラヘルツ波発生層２として半絶縁性ＩｎＰを、電極３としてＴｉ／Ａｕを用いると、その界面には障壁高さ０．５ｅＶ程度のショットキー障壁が形成される。ただし実際は、界面の状態によって異なる値を持ちうることが一般に知られている。図１では、この様に電極３とテラヘルツ波発生層２の界面はショットキー接合部となっている。ここに、波長１．５μｍの励起光４を照射すると、電極３にあるキャリアが光励起され、その一部はショットキー障壁を飛び越えてテラヘルツ波発生層２に入る。テラヘルツ波発生層２には、電極３によって電圧が印加されている。この電圧によって、テラヘルツ波発生層２には電界が与えられる。テラヘルツ波発生層２に入ったキャリアはこの電界により加速され、電流が生じる。電流が生じると、下記式１に従って、電流の時間変化の大きさに応じた電界強度を持つテラヘルツ波５が発生する。
ＥＴＨｚ∝ｄＪ／ｄｔ （式１）
ここで、ＥＴＨｚ：テラヘルツ波５の電界強度、Ｊ：電流、ｔ：時間である。
【００２０】
発生したテラヘルツ波５は、ストリップラインなどの導波構造によって基板１に沿って伝搬させても良いし、電極３の一部を前述したアンテナ形状にすることで基板１の外部へ取り出しても良い。電極３によってテラヘルツ波発生層２内部に印加される電界が大きいほど電流変化が急峻となり、テラヘルツ波５の電界強度が向上する。そのため、電極３の組の間隙が最も小さい部分、つまりテラヘルツ波発生層２内部の電界が最も大きくなると見積もられる部分に励起光４を照射することが一般的である。以上から分かる様に、テラヘルツ波５の電界強度を向上するには、電流の時間変化を大きく、すなわち励起光４によって光励起キャリアを短時間で多く生成することが重要である。
【００２１】
光励起キャリアを短時間で生成するためには、励起光４のパルス幅を狭くすることが有効である。一般には、励起光４としてフェムト秒レーザが多く用いられる。波長１．５μｍ帯のパルス光を使用する場合、エルビウム（Ｅｒ）ファイバレーザ光源が好適に用いられる。このパルス光のパルス幅は典型的には１００ｆｓである。また、パルスの繰り返し周波数は５０ＭＨｚとすることができる。
【００２２】
一方で、光励起キャリアを多く生成するために、図１では、テラヘルツ波発生層２と電極３との界面の一部に、基板１の上面とほぼ垂直な部分を形成し、ショットキー接合部において励起光４が照射される領域を増大する構成とした。前述の非特許文献１の素子では、励起光の大部分が電極によって遮蔽されていた。励起光からすると、ショットキー接合の線状の領域に照射することになっていた。それに対して本実施形態では、励起光４が照射されるショットキー接合部のサイズが大きくなっている。前述した各構造のサイズによると、図１において励起光４が直接照射されて光励起キャリアの発生に関与する領域の大きさは、１０μｍ２（＝（アンテナの横幅５μｍ）×（テラヘルツ波発生層２の厚さ２μｍ））となる。これにより、励起光４による光励起キャリアの発生量を増大することができ、その結果、テラヘルツ波５の発生効率を向上することができる。
【００２３】
ここで、テラヘルツ波発生層２の厚さについて、より詳しく説明する。
非特許文献１の素子では、電極とテラヘルツ波発生層の間のショットキー接合部に励起光が照射されるサイズは、電極の端から０.５μｍ程度と見込まれる（半導体中での波長程度）。従って、本実施形態の素子においては、励起光４の照射される面積をより大きくするという点から、テラヘルツ波発生層２の厚さが０.５μｍ以上であることが望ましい。また、電極４の厚さが厚いと電流が基板１の面に垂直に近い方向にも流れるため、テラヘルツ波５がアンテナに結合する効率が下がる。この効果を抑えるために、電極４の厚さはテラヘルツ波発生層２内部におけるテラヘルツ波５の波長以下、例えば５０μｍ程度以下に抑えることが望ましい。
【００２４】
また、テラヘルツ波発生層２の材料のバンドギャップの大きさが励起光４のエネルギーより小さい場合、励起光４がショットキー接合部に届く前にテラヘルツ波発生層２が励起光４を吸収してしまう。そのため、テラヘルツ波発生層２の厚さは励起光４の吸収長程度以下であることが望ましい。例えば、ＩｎＧａＡｓからなるテラヘルツ波発生層２に波長１．５μｍの励起光４を照射する場合、典型的には２μｍ程度に抑えることが望ましい。本実施形態では、励起光４の入射方向も重要である。例えば図２（ａ）に示す様に、励起光４がショットキー接合部に直接入射する構成とすることが望ましい。図２（ｂ）に示す様に、励起光４がショットキー接合部に直接は入射しない構成であると、励起光４が光励起キャリアを発生する効率が減少することになる。ただし、直接入射しなくても、散乱、反射、回折などによって、ショットキー接合部に励起光４の一部が入射することはあり得る。また、励起光４は一般に光軸に垂直な面内でエネルギーの分布を持つので、エネルギーの大きい箇所を、光励起キャリアが発生する界面に入射させる構成とすることが望ましい。このような構成によって、光励起キャリアを効率良く発生することができる。
【００２５】
テラヘルツ波発生層２の厚さであるが、テラヘルツ波発生素子の抵抗を増大するには薄い方が良い。特に、基板１の抵抗率がテラヘルツ波発生層２の抵抗率より高い場合、そうである。一方、励起光４の吸収量を大きくするためには厚い方が良い。より直接には、テラヘルツ波発生層２と電極３のショットキー接合界面のサイズが関わる。例えば、テラヘルツ波発生層２の厚さは２μｍといった値を典型的に用いることができる。以上に示した様に、本実施形態のテラヘルツ波発生素子により、ショットキー接合部において励起光照射領域を増大することができる。従って、テラヘルツ波発生効率が向上する。
【００２６】
これまで、図１の様に、光励起キャリアを発生するショットキー接合部が基板１の面に垂直な例を説明してきたが、図３や図４に示す様に必ずしも垂直でなくてもよい。図３（ａ）はテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢＢ'断面図である。この例では、光励起キャリアを発生するショットキー接合部が、基板１の上面に対して垂直でなく傾斜して形成されている。また、図４（ａ）はテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣＣ'断面図である。この例では、光励起キャリアを発生するショットキー接合部が、階段状に形成されている。これらの例では、光励起キャリアを生ずるショットキー接合部を励起光の照射方向に対してより対向的に向けることで、より多くの励起光４をショットキー接合部に照射することができる。従って、テラヘルツ波発生効率をさらに向上することができる。
【００２７】
（実施形態２）
本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態２は、上述したテラヘルツ波発生素子の変形例に関する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図６（ａ）は本実施形態のテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＥＥ'断面図である。実施形態１のテラヘルツ波発生素子と異なる点は、テラヘルツ波が伝搬する範囲にある電極３の一部の厚さである。
【００２８】
電極３はテラヘルツ波発生層２の側面に接する様に形成されているが、必ずしもその厚さはテラヘルツ波発生層２の厚さ程度でなくてもよい。本実施形態の思想は、電極３の厚さを薄くして、電極３によるテラヘルツ波５の損失を抑えることである。電極３のうち、テラヘルツ波発生層２の側面に接する領域は、光励起キャリアの発生に関わるのでテラヘルツ波発生層２の厚さ程度でよい。一方、それ以外の領域においては電極３の厚さをテラヘルツ波発生層２の厚さよりも薄く設定するとよい。
【００２９】
例えば、テラヘルツ波発生層２の厚さを２μｍ、電極３の上記それ以外の領域の厚さを０．２μｍとすることができる。本実施形態のようなテラヘルツ波発生素子によって、電極３によるテラヘルツ波５の損失を低減することができる。従って、テラヘルツ波発生効率がより向上するという効果を奏することができる。なお、図６の構成では、ショットキー接合部を形成しない電極（図６の右側の電極）についても厚さを薄くした領域を設けていて、テラヘルツ波５の損失低減の観点からはこの構成は好ましいが、必ずしもこの様にする必要はない。
【００３０】
（実施形態３）
本発明のテラヘルツ波発生素子に係る実施形態３は、上述したテラヘルツ波発生素子の変形例に関する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７（ａ）は本実施形態のテラヘルツ波発生素子の上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＦＦ'断面図である。実施形態１のテラヘルツ波発生素子と異なる点は、素子の上面から見てテラヘルツ波発生層２と電極３の界面が櫛型形状となっている点である。櫛型形状は、凹部と凸部がそれぞれ複数あってもよく（勿論、単数であってもよい）、電極３の対のうち光励起キャリアを生じない側の電極（図７の右側の電極）は櫛型形状でなくてもよい。
【００３１】
この様に電極３を櫛型に形成すると、実施形態１のような構成と比べて電極３とテラヘルツ波発生層２のショットキー接合部（側面）のサイズをより大きくすることができる。上記構造の各部のサイズであるが、図７の例では、電極３の櫛型電極の突起箇所と凹部箇所の横幅を５μｍとできる。このとき、テラヘルツ波発生素子に入射する箇所での励起光４のサイズを直径２０μｍとすると、櫛型電極の全体に励起光４が照射される。本実施形態のようなテラヘルツ波発生素子によって、櫛型電極のそれぞれの側面においてショットキー接合部を形成できるので、励起光４の照射領域におけるショットキー接合領域の大きさを増大することができる。従って、励起光４による光励起キャリアの発生量をさらに増大することができ、テラヘルツ波発生効率がさらに向上するという効果を奏する。
【００３２】
（実施形態４）
実施形態４は、本発明のテラヘルツ波発生素子を用いた時間領域分光装置に関する。
図８は、本実施形態に係るテラヘルツ時間領域分光システムを示している。このよう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様なので、概要のみを説明する。この分光システムは、短パルスレーザである励起光４と、励起光遅延系１３と、テラヘルツ波発生素子８と、テラヘルツ波検出素子１２とを主要な要素として備えている。励起光４は、ハーフミラーによって分割されて、それぞれテラヘルツ波発生素子８とテラヘルツ波検出素子１２に照射される。ここで、８は本発明によるテラヘルツ波発生素子であり、レンズなどの光学素子を介して励起光４が電極３のショットキー接合部に照射されるように構成されている。テラヘルツ波発生素子８の電極３には電圧源９によって電圧が印加されている。発生したテラヘルツ波５は、レンズや放物面鏡などの光学素子によって検体１１に導かれる。検体１１を透過または反射して、吸収スペクトルなどの情報を含むテラヘルツ波５は、光学素子によってテラヘルツ波検出素子１２の電極の間隙に導かれて検出される。このとき、テラヘルツ波検出素子１２は従来型の低温成長ＧａＡｓによる光伝導素子を用いており、電極間に生じる電流の値はテラヘルツ波５の振幅に比例する。時間分解を行うには、テラヘルツ波検出素子１２に照射する励起光４の光路長を変化させる励起光遅延系１３を動かすなどして照射タイミングを制御すればよい。検出したテラヘルツ波５の電界強度と励起光４の光路長変化量は、処理部１４においてテラヘルツ波５の時間波形などに変換され、表示部１５で表示される。
【００３３】
本実施形態においては、励起光発生部１０として１．５μｍ帯ファイバ型フェムト秒レーザを用い、テラヘルツ波発生素子８は、半絶縁性ＩｎＰとＡｕ／Ｔｉによるショットキー接合を用いる実施形態１の素子などで実現する。ＳＮ比を向上させるために部品点数は増えるが、検出側は、第二次高調波発生器１６（ＳＨＧ結晶）を挿入し、テラヘルツ波検出素子１２として低温成長ＧａＡｓによる光伝導素子を用いる構成が望ましい。この様に本発明によるテラヘルツ波発生素子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。
【００３４】
本実施形態の励起光発生部１０を含むテラヘルツ波発生装置によれば、振幅を増大したテラヘルツ波を発生することができる。よって、上記分光装置によれば、テラヘルツ波の検出のＳＮを増大して分析精度を向上することができる。また、テラヘルツ波検出素子１２を含むテラヘルツ波検出装置を、テラヘルツ波の検出のＳＮを向上することができる本発明のテラヘルツ波検出装置とすることができる。こうすれば、テラヘルツ波の検出のＳＮをさらに増大して分析精度をさらに向上した分光装置を実現できる。
【００３５】
（実施形態５）
これまでの実施形態では、主に、本発明による素子を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。検出素子では、例えば実施形態１を説明した図１と全く同じ構成においてテラヘルツ波５の伝搬方向が素子に向けられる構成になる。励起光が照射された照射状態のタイミングでは光励起キャリアが発生しており、そこにテラヘルツ波５が照射されると、テラヘルツ波５による電界に応じて電極３に光電流が生じる。その光電流を検出することでテラヘルツ波５の電界強度を検出できる。本発明による検出素子を使用すれば、励起光４とショットキー接合部との相互作用の領域を拡大できるので、テラヘルツ波の検出のＳＮを向上したテラヘルツ波検出を実現できる。
【符号の説明】
【００３６】
２・・テラヘルツ波発生層（テラヘルツ波検出層）、３・・電極、４・・励起光、５・・テラヘルツ波、８・・テラヘルツ波発生素子、９・・電圧源、１０・・励起光発生部、１２・・テラヘルツ波検出素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波発生層と、前記テラヘルツ波発生層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射と前記電極への電圧印加によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波素子であって、
前記テラヘルツ波発生層の少なくとも一部は、前記励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波発生層の面と交わる面において前記電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、前記ショットキー接合部の少なくとも一部に前記励起光が照射されることを特徴とするテラヘルツ波素子。
【請求項２】
テラヘルツ波検出層と、前記テラヘルツ波検出層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射状態において入射するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波素子であって、
前記テラヘルツ波検出層の少なくとも一部は、前記励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波検出層の面と交わる面において前記電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、前記ショットキー接合部の少なくとも一部に前記励起光が照射されることを特徴とするテラヘルツ波素子。
【請求項３】
前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層は基板の上に配置され、
前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の少なくとも一部は、前記基板と当該テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の界面と交わる面において前記電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項４】
前記テラヘルツ波が伝搬する範囲にある前記電極の少なくとも一部の厚さは、前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の厚さより薄いことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項５】
前記電極の少なくとも一部は、前記励起光が入射してくる側から見て、櫛型形状と階段形状と傾斜形状との少なくとも１つを持つことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項６】
前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層は、前記励起光の波長に対応するエネルギーよりもバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項７】
請求項１、及び３から６の何れか１項に記載の、テラヘルツ波発生素子として構成されたテラヘルツ波素子と、前記テラヘルツ波発生素子に前記励起光を照射するための励起光発生部を含む照射手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
請求項２から６の何れか１項に記載の、テラヘルツ波検出素子として構成されたテラヘルツ波素子と、前記テラヘルツ波検出素子に前記励起光を照射するための励起光発生部を含む照射手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
【請求項９】
テラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置からのテラヘルツ波を受けて検出するテラヘルツ波検出装置と、を有するテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記テラヘルツ波発生装置と前記テラヘルツ波検出装置との少なくとも一方として、請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置または請求項８に記載のテラヘルツ波検出装置を用いたことを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置。
【請求項１】
テラヘルツ波発生層と、前記テラヘルツ波発生層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射と前記電極への電圧印加によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波素子であって、
前記テラヘルツ波発生層の少なくとも一部は、前記励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波発生層の面と交わる面において前記電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、前記ショットキー接合部の少なくとも一部に前記励起光が照射されることを特徴とするテラヘルツ波素子。
【請求項２】
テラヘルツ波検出層と、前記テラヘルツ波検出層に接して配置された少なくとも２つの電極と、を備え、励起光の照射状態において入射するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波素子であって、
前記テラヘルツ波検出層の少なくとも一部は、前記励起光が入射してくる側とその反対側との当該テラヘルツ波検出層の面と交わる面において前記電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成し、前記ショットキー接合部の少なくとも一部に前記励起光が照射されることを特徴とするテラヘルツ波素子。
【請求項３】
前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層は基板の上に配置され、
前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の少なくとも一部は、前記基板と当該テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の界面と交わる面において前記電極の少なくとも１つとショットキー接合部を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項４】
前記テラヘルツ波が伝搬する範囲にある前記電極の少なくとも一部の厚さは、前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層の厚さより薄いことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項５】
前記電極の少なくとも一部は、前記励起光が入射してくる側から見て、櫛型形状と階段形状と傾斜形状との少なくとも１つを持つことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項６】
前記テラヘルツ波発生層またはテラヘルツ波検出層は、前記励起光の波長に対応するエネルギーよりもバンドギャップが大きいことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項７】
請求項１、及び３から６の何れか１項に記載の、テラヘルツ波発生素子として構成されたテラヘルツ波素子と、前記テラヘルツ波発生素子に前記励起光を照射するための励起光発生部を含む照射手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
請求項２から６の何れか１項に記載の、テラヘルツ波検出素子として構成されたテラヘルツ波素子と、前記テラヘルツ波検出素子に前記励起光を照射するための励起光発生部を含む照射手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
【請求項９】
テラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置からのテラヘルツ波を受けて検出するテラヘルツ波検出装置と、を有するテラヘルツ時間領域分光装置であって、
前記テラヘルツ波発生装置と前記テラヘルツ波検出装置との少なくとも一方として、請求項７に記載のテラヘルツ波発生装置または請求項８に記載のテラヘルツ波検出装置を用いたことを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４６７５８（Ｐ２０１２−１４６７５８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８５（Ｐ２０１１−２５８５）
【出願日】平成２３年１月８日（２０１１．１．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月８日（２０１１．１．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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