光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置
【課題】テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置を提供する。
【解決手段】基板３と、基板３上に積層された半導体積層群５と、を備え、半導体積層群５は、第１化合物半導体層５１と、第１化合物半導体層５１上に、第１化合物半導体層５１と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第２化合物半導体層５２と、を有している。
【解決手段】基板３と、基板３上に積層された半導体積層群５と、を備え、半導体積層群５は、第１化合物半導体層５１と、第１化合物半導体層５１上に、第１化合物半導体層５１と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第２化合物半導体層５２と、を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ電磁波の検出または発生等に用いることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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素子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、ノイズとなる残留キャリアにより、テラヘルツ電磁波の検出または発生のＳ／Ｎ比が低下することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０９５４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光伝導基板では、フェムト秒レーザパルス（励起光）の吸収（励起光の強度）を大きくすることで、テラヘルツ電磁波の検出または発生のＳ／Ｎ比が大きくなることは周知の事実である。
【０００５】
しかし、従来の光伝導基板では、単層のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に照射した励起光が表面反射するため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の内部に侵入（吸収）する励起光の強度が減少する。このため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われず、Ｓ／Ｎ比の向上が阻害されていた。
【０００６】
この場合、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上に、化合物半導体材料とは異なる材料からなる反射防止膜を追加して設けることで、照射した励起光の表面反射を防止することができる。しかし、このような反射防止膜は、光伝導基板の生成装置とは別の成膜装置により成膜しなければならず、光伝導基板の製造工程の増加やコストの増加という問題があった。
【０００７】
本発明は、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光伝導基板は、基板と、基板上に積層された半導体積層群と、を備え、半導体積層群は、第１化合物半導体層と、第１化合物半導体層上に、第１化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第２化合物半導体層と、を有していることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、半導体積層群が互いに屈折率の異なる複数の層（第１化合物半導体層および第２化合物半導体層）を有していると共に、励起光の入射面である第２化合物半導体層が、励起光の表面反射を低減できる層厚で形成されている。このため、半導体積層群上に照射された励起光は、表面における反射が抑えられ、半導体積層群に効率良く吸収される。これにより、より多くの光励起キャリアを発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、「励起光の表面反射を低減できる層厚」は、励起光の波長、第1化合物半導体層の屈折率および第２化合物半導体層の屈折率等から計算される。
【００１０】
この場合、半導体積層群は、第２化合物半導体層上に、第２化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第３化合物半導体層を、更に備え、第２化合物半導体層と第３化合物半導体層とが交互に少なくとも１組以上積層されていることが好ましい。
【００１１】
この場合、第３化合物半導体層は、第１化合物半導体層と同一の屈折率を有していることが好ましい。
【００１２】
これらの構成によれば、第１化合物半導体層上に、互いに屈折率の異なる第２化合物半導体層と第３化合物半導体層とが交互に１組以上積層されている。また、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、それぞれ励起光の表面反射を低減できる層厚で形成されている。これにより、半導体積層群の表面における励起光の反射を、さらに有効に低減させることができる。なお、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層の積層数（組数）を増加させることで、反射低減効果がより大きくなる。またなお、「励起光の表面反射を低減できる層厚」は、励起光の波長、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層の積層数、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層の屈折率等から計算される。
【００１３】
この場合、第１化合物半導体層および第２化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることが好ましい。
【００１４】
また、この場合、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることが好ましい。
【００１５】
これらの構成によれば、励起光の反射を低減させるための層と、励起光により光励起キャリアを発生させる層と、を同様のＩＩＩ−Ｖ族化合物を材料として形成することができる。このため、励起光の反射を低減させるための層（第２化合物半導体層および第３化合物半導体層）からも、光励起キャリアが発生する。これにより、光励起キャリアを更に効率良く発生させることができる。また、化合物半導体と異なる材料を用いて反射防止膜を追加して設ける必要がなく、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、同一の装置で形成することができ、各層の形成に要する工程を簡易化することができる。なお、各層は、例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用いて低温成長させたＬＴ−ＧａＡｓ層であることが好ましい。またなお、第１化合物半導体層および第２化合物半導体層は、例えば、ＭＢＥ装置を用いて成長させたＬＴ-ＧａＡｓ層およびＬＴ-ＡｌＧａＡｓ層であることが好ましい。これにより、ＬＴ−ＧａＡｓ層を積層した場合より、互いの層の屈折率の差が大きくなるので、励起光の表面反射低減効果がより大きくなる。したがって、積層数を減らすこともできる。
【００１６】
この場合、第１化合物半導体層および第２化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、第２化合物半導体層は、第１化合物半導体層と異なる温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００１７】
この場合、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、それぞれ異なる温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００１８】
また、この場合、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、第２化合物半導体層は、第１化合物半導体層と異なる温度でエピタキシャル成長させ、第３化合物半導体層は、第１化合物半導体層と同一の温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００１９】
エピタキシャル成長させたＧａＡｓ層（膜）は、成長時の温度によって、励起光の屈折率が異なるものとなる。したがって、これらの構成によれば、異なる温度でエピタキシャル成長させた、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、それぞれが互いに隣り合う層と異なる屈折率を有することとなる。これにより、材料の変更を行うことなく、簡易な工程で各層を成膜することができる。
【００２０】
本発明の電磁波発生検出装置は、上記のいずれかの光伝導基板と、半導体積層群上に形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の電磁波発生検出装置は、上記のいずれかの光伝導基板と、半導体積層群の側面に沿って形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
これらの構成によれば、半導体積層群は、励起光の表面反射を低減しつつ、励起光を効率良く吸収する。これにより、光励起キャリアを効率良く発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図である。
【図３】ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）の成長温度と屈折率の関係を示した図（グラフ）である。
【図４】電磁波発生検出装置を応用した時間領域分光装置を示した概略図である。
【図５】第２実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図である。
【図６】発生するテラヘルツ電磁波のＳ／Ｎ（強度／ノイズ）の比較を示した図（グラフ）である。
【図７】（ａ）は、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図であり、（ｂ）は、その変形例を模式的に示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る光伝導基板を用いた電磁波発生検出装置について説明する。
【００２５】
図１は、第１実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した斜視図である。図２は、第１実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。図１および図２に示すように、電磁波発生検出装置１は、光伝導材料の薄膜を積層した光伝導基板２と、光伝導基板２上に形成されたアンテナ６と、を備えている。
【００２６】
光伝導基板２は、基板３と、基板３上に形成されたバッファ層４と、バッファ層４上に形成された半導体積層群５と、を備えている。
【００２７】
基板３は、単結晶のＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。なお、基板３の材料としては、ＧａＡｓに限定されるものではなく、例えば、ＳｉやＩｎＰ等の任意の単結晶半導体を用いることができる。
【００２８】
バッファ層４は、半導体積層群５の結晶性を高くするために設けられる薄膜であり、ＧａＡｓにより構成されている。なお、バッファ層４の材料は、ＧａＡｓに限定されるものではなく、基板３および半導体積層群５の材料に応じて適切な材料が選択される。また、バッファ層４の層厚も、半導体積層群５の結晶性を考慮して任意に設定される。したがって、基板３と半導体積層群５との格子定数差が小さく、基板３上に適切に半導体積層群５を積層できるのであればバッファ層４を省略してもよい。
【００２９】
半導体積層群５は、基板３上にＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させた第１化合物半導体層５１と、第１化合物半導体層５１上にＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させた第２化合物半導体層５２と、を有している。
【００３０】
第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２は、それぞれ低温成長させたガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）により形成されている。励起光（フェムト秒パルスレーザ等）は、第２化合物半導体層５２の表面側から照射され、第２化合物半導体層５２を通過して第１化合物半導体層５１に入射する。これにより、第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２において光励起キャリアが発生する。
【００３１】
第２化合物半導体層５２は、第１化合物半導体層５１と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で、第１化合物半導体層５１上に積層されている。
【００３２】
詳細は後述するが、エピタキシャル成長させたＧａＡｓ層（膜）は、成長時の温度によって、入射した励起光の屈折率が異なるものとなる。そこで、本実施形態では、第２化合物半導体層５２を、第１化合物半導体層５１とは異なる温度で成長させることにより、第１化合物半導体層５１の屈折率とは異なる屈折率を有する第２化合物半導体層５２が形成される。したがって、半導体積層群５は、屈折率の異なる層が互いに隣り合って形成される。
【００３３】
励起光は、第２化合物半導体層５２の表面に対し垂直に入射する。入射した励起光は、第２化合物半導体層５２の表面における表面反射光と、第２化合物半導体層５２の底面（第１化合物半導体層５１と第２化合物半導体層５２との界面）における界面反射光と、に分かれる。この２つの反射光は、所定の条件（後述する。）を満たす場合に、互いに逆位相の関係となり、重なり合って打ち消し合う。これにより、第２化合物半導体層５２の表面における励起光の表面反射を低減することができる。
【００３４】
第２化合物半導体層５２の層厚は、励起光の波長や第２化合物半導体層５２の屈折率等から計算される。具体的には、第２化合物半導体層５２の屈折率（Ｎ１）、第２化合物半導体層５２の層厚（ｄ）および第１化合物半導体層５１の屈折率（Ｎ２）が、下記の式１および式２を満たす場合、波長λ（ｎｍ）の励起光の反射率が０％となる。なお、下記の式１および式２を完全に満たさない場合でも、反射低減効果を有する層厚の第２化合物半導体層５２を形成することは可能である。
【００３５】
Ｎ１２＝Ｎ２ ・・・（式１）
Ｎ１×ｄ＝λ／４ ・・・（式２）
【００３６】
このように、本実施形態の光伝導基板２には、反射低減のための構造が光伝導材料により形成されている。したがって、光励起キャリアを発生させるために設けられた第１化合物半導体層５１のみならず、励起光の反射を低減させるために設けられた第２化合物半導体層５２からも、光励起キャリアが発生する。これにより、光励起キャリアを効率良く発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われる。そして、結果としてＳ／Ｎ比が向上する。
【００３７】
なお、第１化合物半導体層５１の材料および第２化合物半導体層５２の材料は、ＬＴ−ＧａＡｓに限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ-ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ等の光伝導性を有する任意の化合物半導体を用いることができる。この場合、材料となる化合物半導体は、各層５１，５２の屈折率が異なるように選択すればよいため、各層５１，５２を同一の化合物半導体で構成してもよいし、異なる化合物半導体を組み合わせてもよい。一例として、第１化合物半導体層５１をＬＴ−ＧａＡｓ、第２化合物半導体層５２をＬＴ−ＡｌＧａＡｓにより形成することが考えられる。
【００３８】
また、基板３にＩｎＰを用いた場合、第１化合物半導体層５１の材料および第２化合物半導体層５２の材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ等の光伝導性を有する任意の半導体を用いることができる。さらにまた、その他の材料の基板３を用いた場合、第１化合物半導体層５１の材料および第２化合物半導体層５２の材料としては、ＩｎＡｓ（ＬＴ-ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等の光伝導性を有する任意の半導体を用いることができる。これらの場合も、材料となる化合物半導体の組み合わせは任意である。
【００３９】
アンテナ６は、第２化合物半導体層５２上に配設されている。アンテナ６は、一対の電極部６１と、一対のアンテナ本体６２と、からなるダイポールアンテナである。一対の電極部６１には、ケーブルを介して電源や電流増幅器等が接続される。一対のアンテナ本体６２は、所定の間隔（ギャップ部６３）を有して配置されている。なお、アンテナ６は、ダイポールアンテナに限らず、ボウタイ型アンテナ若しくはストリップライン型アンテナまたはスパイラル型アンテナ等を任意に選択し用いることができる。
【００４０】
一対のアンテナ本体６２に電圧を印加した状態で、ギャップ部６３にフェムト秒パルスレーザ等の励起光を照射すると、光励起キャリアが発生する。そして、一対のアンテナ本体６２の間（ギャップ部６３）にパルス状の電流が流れ、この電流によってテラヘルツ電磁波が発生する。また、この電磁波発生検出装置１は、テラヘルツ電磁波を受けたときに一対のアンテナ本体６２間に電流が発生するため、検出（受信）素子としても用いることができる。この場合、電流（テラヘルツ電磁波）を検出するための電流増幅器等を、一対の電極部６１に接続しておく。
【００４１】
電磁波発生検出装置１の製造工程について説明する。先ず、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置に基板３をセットし、基板３上にバッファ層４を形成する。具体的には、基板３の温度を５００〜６００℃、成長速度を約１μｍ／ｈ、Ｇａ分子線強度に対するＡｓ分子線強度の比（Ａｓ／Ｇａ供給比）を約５〜３０に設定して、バッファ層４を、０．１〜０．５μｍ程度の層厚（膜厚）にエピタキシャル成長させる。
【００４２】
次に、ＭＢＥ装置にセットした基板３の温度を４００℃以下（本実施形態では３００℃）まで降温させ、第１化合物半導体層５１を１〜２μｍ程度エピタキシャル成長（低温成長）させる。なお、成長速度はバッファ層４の成長条件と同様である。Ａｓ／Ｇａ供給比はバッファ層４の供給比率以上に設定している。
【００４３】
次に、ＭＢＥ装置にセットした基板３の温度を更に降温（本実施形態では２００℃）させ、第２化合物半導体層５２を１〜１００ｎｍ程度（本実施形態では５４ｎｍ）エピタキシャル成長（低温成長）させる。
【００４４】
図３は、ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）の成長温度と屈折率の関係を示したものである。図３に示すように、７８０ｎｍの励起光を入射した場合に、３００℃で成長させた第１化合物半導体層５１の屈折率は約３．６４であるのに対し、２００℃で成長させた第２化合物半導体層５２の屈折率は約３．６１である。このように、同一の製造装置で、同一の材料を用いて、成長条件（温度）を制御するだけの簡易な工程で、互いに屈折率の異なる第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２を成膜することができる。
【００４５】
なお、化合物半導体（材料）の種類を変更して、第１化合物半導体層５１の屈折率と異なる第２化合物半導体層５２を成長させる場合は、ＭＢＥ装置のソース（材料）の種類および成長条件を変更して、励起光の表面反射が低減可能な膜厚で成長させる。
【００４６】
このような工程を経て形成された光伝導基板２に、アンテナ６が形成されて、電磁波発生検出装置１が完成する。アンテナ６は、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む。）等の公知の技術を用いて、第２化合物半導体層５２の上に形成される。
【００４７】
なお、本実施形態とは逆に、第１化合物半導体層５１の成長温度を、第２化合物半導体層５２の成長温度より低くしてもよい。しかし、ＭＢＥ装置において基板３の温度が安定する時間を考慮すると、本実施形態のように、各層を積層して行くにしたがって成長温度を下げて行くことが好ましい。これにより、ＭＢＥ装置による光伝導基板２の製造を効率良く短時間で行うことができる。
【００４８】
以上の構成によれば、半導体積層群５が互いに屈折率の異なる第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２を有していると共に、第２化合物半導体層５２が、励起光の表面反射を低減できる層厚で形成されている。このため、励起光は、第２化合物半導体層５２の表面における反射が抑えられ、半導体積層群５に効率良く吸収される。これにより、光励起キャリアを効率良く発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００４９】
続いて、図４を参照して、電磁波発生検出装置１の応用例として時間領域分光装置７について簡単に説明する。図４は、電磁波発生検出装置１を応用した時間領域分光装置７を示した概略図である。時間領域分光装置７は、テラヘルツ電磁波が伝播する経路中に測定したい測定試料Ｓを置き、透過したテラヘルツ電磁波の時間波形と、測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ電磁波の振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの細かい物性測定を行うものである。
【００５０】
時間領域分光装置７は、フェムト秒レーザ（励起光）を発生するレーザ照射装置７１と、フェムト秒レーザを分離するビームスプリッター７２と、電磁波発生装置１ａおよび電磁波検出装置１ｂと、電磁波検出装置１ｂに入射するフェムト秒レーザを遅延させる遅延光学系７３と、フェムト秒レーザを反射・集光する各種光学系と、入力信号を処理する信号処理装置７４と、を備えている。また、その他、時間領域分光装置７として一般的な構成を有している。各種光学系には、電磁波発生装置１ａおよび電磁波検出装置１ｂに接して取り付けられ、テラヘルツ電磁波が効率良く取り出されるＳｉ等からなる第１レンズ７６および第２レンズ７７が含まれている。なお、電磁波検出装置１ｂおよび電磁波発生装置１ａは、上述した電磁波発生検出装置１と同一のものである。
【００５１】
まず、レーザ照射装置７１から発せられたフェムト秒レーザ（波長７８０ｎｍ）は、ビームスプリッター７２により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、振幅変調を掛けた状態で電磁波発生装置１ａに入射する。このとき一対のアンテナ本体６２間に電圧を印加しておくことで、電磁波発生装置１ａからテラヘルツ電磁波が発生する。このテラヘルツ電磁波は、第１レンズ７６を通過し第１放物面鏡７５で反射され、測定試料Ｓに照射される。測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波は、第２放物面鏡７８および第２レンズ７７を介して電磁波検出装置１ｂに入射する。
【００５２】
一方、ビームスプリッター７２により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡７９によって、遅延光学系７３に照射され、時間遅延を与えられて電磁波検出装置１ｂに入射する。電磁波検出装置１ｂで検出された信号は、信号処理装置７４に入力される。信号処理装置７４は、測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波の時間波形および測定試料Ｓが無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形を各々時系列データとして記憶し、これをフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Ｓからのテラヘルツ電磁波の強度振幅や位相の分光スペクトルを得ることで、測定試料Ｓの物性等を調べることができる。
【００５３】
以上の構成によれば、Ｓ／Ｎ比が向上したテラヘルツ電磁波を用いることにより、物質（測定試料Ｓ）の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より明確に行うことができる。
【００５４】
（第２実施形態）
図５および図６を参照して、第２実施形態に係る電磁波発生検出装置１について説明する。図５は、第２実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。図６は、発生するテラヘルツ電磁波のＳ／Ｎ（強度／ノイズ）の比較を示したグラフである。なお、第１実施形態に係るものと同様の説明は省略する。
【００５５】
第２実施形態に係る電磁波発生検出装置１は、光伝導基板２の半導体積層群５に第３化合物半導体層５３を、更に備えている。詳細には、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３とが交互に複数組（図５では３.５組のみ図示）積層されている。そして、最表層の第２化合物半導体層５２上にアンテナ６が形成されている。なお、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３との積層組数は３.５組に限定されるものではなく、各層５２，５３が、交互に少なくとも１組以上積層されていればよい。
【００５６】
第３化合物半導体層５３は、第２化合物半導体層５２と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で、第２化合物半導体層５２上に積層されている。第３化合物半導体層５３の屈折率を、第２化合物半導体層５２の屈折率と異なるものとするには、第１実施形態で説明したように、各層５１，５２，５３の成長温度を制御（変更）したり、各層５１，５２，５３の材料を適宜選択（組み合わせ）したりする。また、製造工程も、第１実施形態で説明したものと同様である。
【００５７】
ここで、照射された励起光の表面反射を低減するためには、隣接する層同士が互いに異なる屈折率を有していればよい。したがって、第１化合物半導体層５１、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３は、それぞれ屈折率が異なっていてもよいし、第１化合物半導体層５１および第３化合物半導体層５３の屈折率を同一（成長温度同一または材料同一）として、第２化合物半導体層５２だけを各層５１，５３と異なる屈折率としてもよい。
【００５８】
一例として、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３と（各層厚約５４ｎｍ）を３.５組積層した光伝導基板２（材料：ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ），第１化合物半導体層５１および第３化合物半導体層５３：成長温度３００℃，第２化合物半導体層５２：成長温度２００℃）について励起光の吸収率を計算した。上記の光伝導基板２は、半導体積層群５を第１化合物半導体層５１（成長温度３００℃）のみで構成した光伝導基板２と比較して、励起光の吸収率が約２％向上するという結果を得ることができた。
【００５９】
また、図６は、縦軸にＳ／Ｎ比をとり、半導体積層群５を第１化合物半導体層５１のみで構成する電磁波発生検出装置１のＳ／Ｎ比（２ＴＨｚ付近）を１とした場合に、上述した本実施形態に係る電磁波発生検出装置１のＳ／Ｎ比（２ＴＨｚ付近）を示している。この結果は、上述した時間領域分光装置７において測定試料Ｓない状態で測定したものである。なお、アンテナ６の形状は、一対の電極部６１間の距離が約２０μｍ、各アンテナ本体６２の幅は約１０μｍ、ギャップ部６３の間隔は約５μｍである。
【００６０】
図６に示すように、本実施形態に係る電磁波発生検出装置１は、単層の電磁波発生検出装置１に比べて、発生するテラヘルツ電磁波の強度が増加していることが確認することができた。これは、第２化合物半導体層５２とは屈折率の異なる第３化合物半導体層５３を設けることにより、励起光の表面反射が減少し、第１化合物半導体層５１、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３に吸収される励起光が増加したためであると考えられる。
【００６１】
なお、励起光の反射を防止し、半導体積層群５への吸収を効率良く行うためには、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３との屈折率の差を大きくすることが有効である。したがって、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３は、例えば、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）等の化合物半導体材料を適宜組み合わせて、互いの屈折率差を大きくすることが好ましい。
【００６２】
以上のように、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３を交互に複数組積層することによって、半導体積層群５の表面における励起光の反射を、更に有効に低減させることができる。
【００６３】
なお、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３の積層組数を増加させることで、反射低減効果がより大きくなると考えられる。しかし、光伝導基板２の製造工数（時間）が増加するため、積層組数はタクトタイムを考慮して適宜設計されると考えられる。また、本実施形態では、アンテナ６が形成される最表層が第２化合物半導体層５２となっているが、その第２化合物半導体層５２を省略して、第３化合物半導体層５３を最表層としてもよい。
【００６４】
（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置１について説明する。図７は、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。なお、第１実施形態に係るものと同様の説明は省略する。
【００６５】
図７（ａ）に示すように、電磁波発生検出装置１は、アンテナ６が、半導体積層群５の側面に沿って設けられている。詳細には、アンテナ６の一対のアンテナ本体６２が、半導体積層群５およびバッファ層４を挟み込むように両端面に沿って配設されている。また、アンテナ６の一対の電極部６１は、基板３上に配設されている。すなわち、一対のアンテナ本体６２に挟み込まれた半導体積層群５の上面全体がギャップ部６３となっている。したがって、半導体積層群５の表面から励起光を入射させることで一対のアンテナ本体６２の間にパルス状の電流が流れ、テラヘルツ電磁波が発生する。なお、本実施形態のアンテナ６は、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む。）等の公知の技術を用いて形成される。
【００６６】
なお、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置１の変形例として、図７（ｂ）に示すように、一対のアンテナ本体６２を、半導体積層群５の両端面に沿って配設し、一対の電極部６１を、バッファ層４上に配設してもよい。
【００６７】
以上の構成によれば、第１実施形態に係る電磁波発生検出装置１と同様に、半導体積層群５が励起光の表面反射を低減しつつ、励起光を効率良く吸収することができる。これにより、テラヘルツ電磁波の検出または発生に係るＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００６８】
なお、本発明は、上述した各実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００６９】
１：電磁波発生検出装置、２：光伝導基板、３：基板、４：バッファ層、５：半導体積層群、６：アンテナ、５１：第１化合物半導体層、５２：第２化合物半導体層、５３：第３化合物半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ電磁波の検出または発生等に用いることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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素子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、ノイズとなる残留キャリアにより、テラヘルツ電磁波の検出または発生のＳ／Ｎ比が低下することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０９５４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光伝導基板では、フェムト秒レーザパルス（励起光）の吸収（励起光の強度）を大きくすることで、テラヘルツ電磁波の検出または発生のＳ／Ｎ比が大きくなることは周知の事実である。
【０００５】
しかし、従来の光伝導基板では、単層のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に照射した励起光が表面反射するため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の内部に侵入（吸収）する励起光の強度が減少する。このため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われず、Ｓ／Ｎ比の向上が阻害されていた。
【０００６】
この場合、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上に、化合物半導体材料とは異なる材料からなる反射防止膜を追加して設けることで、照射した励起光の表面反射を防止することができる。しかし、このような反射防止膜は、光伝導基板の生成装置とは別の成膜装置により成膜しなければならず、光伝導基板の製造工程の増加やコストの増加という問題があった。
【０００７】
本発明は、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる光伝導基板およびこれを用いた電磁波発生検出装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光伝導基板は、基板と、基板上に積層された半導体積層群と、を備え、半導体積層群は、第１化合物半導体層と、第１化合物半導体層上に、第１化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第２化合物半導体層と、を有していることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、半導体積層群が互いに屈折率の異なる複数の層（第１化合物半導体層および第２化合物半導体層）を有していると共に、励起光の入射面である第２化合物半導体層が、励起光の表面反射を低減できる層厚で形成されている。このため、半導体積層群上に照射された励起光は、表面における反射が抑えられ、半導体積層群に効率良く吸収される。これにより、より多くの光励起キャリアを発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。なお、「励起光の表面反射を低減できる層厚」は、励起光の波長、第1化合物半導体層の屈折率および第２化合物半導体層の屈折率等から計算される。
【００１０】
この場合、半導体積層群は、第２化合物半導体層上に、第２化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第３化合物半導体層を、更に備え、第２化合物半導体層と第３化合物半導体層とが交互に少なくとも１組以上積層されていることが好ましい。
【００１１】
この場合、第３化合物半導体層は、第１化合物半導体層と同一の屈折率を有していることが好ましい。
【００１２】
これらの構成によれば、第１化合物半導体層上に、互いに屈折率の異なる第２化合物半導体層と第３化合物半導体層とが交互に１組以上積層されている。また、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、それぞれ励起光の表面反射を低減できる層厚で形成されている。これにより、半導体積層群の表面における励起光の反射を、さらに有効に低減させることができる。なお、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層の積層数（組数）を増加させることで、反射低減効果がより大きくなる。またなお、「励起光の表面反射を低減できる層厚」は、励起光の波長、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層の積層数、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層の屈折率等から計算される。
【００１３】
この場合、第１化合物半導体層および第２化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることが好ましい。
【００１４】
また、この場合、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることが好ましい。
【００１５】
これらの構成によれば、励起光の反射を低減させるための層と、励起光により光励起キャリアを発生させる層と、を同様のＩＩＩ−Ｖ族化合物を材料として形成することができる。このため、励起光の反射を低減させるための層（第２化合物半導体層および第３化合物半導体層）からも、光励起キャリアが発生する。これにより、光励起キャリアを更に効率良く発生させることができる。また、化合物半導体と異なる材料を用いて反射防止膜を追加して設ける必要がなく、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、同一の装置で形成することができ、各層の形成に要する工程を簡易化することができる。なお、各層は、例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用いて低温成長させたＬＴ−ＧａＡｓ層であることが好ましい。またなお、第１化合物半導体層および第２化合物半導体層は、例えば、ＭＢＥ装置を用いて成長させたＬＴ-ＧａＡｓ層およびＬＴ-ＡｌＧａＡｓ層であることが好ましい。これにより、ＬＴ−ＧａＡｓ層を積層した場合より、互いの層の屈折率の差が大きくなるので、励起光の表面反射低減効果がより大きくなる。したがって、積層数を減らすこともできる。
【００１６】
この場合、第１化合物半導体層および第２化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、第２化合物半導体層は、第１化合物半導体層と異なる温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００１７】
この場合、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、それぞれ異なる温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００１８】
また、この場合、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、第２化合物半導体層は、第１化合物半導体層と異なる温度でエピタキシャル成長させ、第３化合物半導体層は、第１化合物半導体層と同一の温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。
【００１９】
エピタキシャル成長させたＧａＡｓ層（膜）は、成長時の温度によって、励起光の屈折率が異なるものとなる。したがって、これらの構成によれば、異なる温度でエピタキシャル成長させた、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層および第３化合物半導体層は、それぞれが互いに隣り合う層と異なる屈折率を有することとなる。これにより、材料の変更を行うことなく、簡易な工程で各層を成膜することができる。
【００２０】
本発明の電磁波発生検出装置は、上記のいずれかの光伝導基板と、半導体積層群上に形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の電磁波発生検出装置は、上記のいずれかの光伝導基板と、半導体積層群の側面に沿って形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
これらの構成によれば、半導体積層群は、励起光の表面反射を低減しつつ、励起光を効率良く吸収する。これにより、光励起キャリアを効率良く発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図である。
【図３】ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）の成長温度と屈折率の関係を示した図（グラフ）である。
【図４】電磁波発生検出装置を応用した時間領域分光装置を示した概略図である。
【図５】第２実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図である。
【図６】発生するテラヘルツ電磁波のＳ／Ｎ（強度／ノイズ）の比較を示した図（グラフ）である。
【図７】（ａ）は、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置を模式的に示した側面図であり、（ｂ）は、その変形例を模式的に示した側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付の図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る光伝導基板を用いた電磁波発生検出装置について説明する。
【００２５】
図１は、第１実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した斜視図である。図２は、第１実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。図１および図２に示すように、電磁波発生検出装置１は、光伝導材料の薄膜を積層した光伝導基板２と、光伝導基板２上に形成されたアンテナ６と、を備えている。
【００２６】
光伝導基板２は、基板３と、基板３上に形成されたバッファ層４と、バッファ層４上に形成された半導体積層群５と、を備えている。
【００２７】
基板３は、単結晶のＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。なお、基板３の材料としては、ＧａＡｓに限定されるものではなく、例えば、ＳｉやＩｎＰ等の任意の単結晶半導体を用いることができる。
【００２８】
バッファ層４は、半導体積層群５の結晶性を高くするために設けられる薄膜であり、ＧａＡｓにより構成されている。なお、バッファ層４の材料は、ＧａＡｓに限定されるものではなく、基板３および半導体積層群５の材料に応じて適切な材料が選択される。また、バッファ層４の層厚も、半導体積層群５の結晶性を考慮して任意に設定される。したがって、基板３と半導体積層群５との格子定数差が小さく、基板３上に適切に半導体積層群５を積層できるのであればバッファ層４を省略してもよい。
【００２９】
半導体積層群５は、基板３上にＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させた第１化合物半導体層５１と、第１化合物半導体層５１上にＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させた第２化合物半導体層５２と、を有している。
【００３０】
第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２は、それぞれ低温成長させたガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）により形成されている。励起光（フェムト秒パルスレーザ等）は、第２化合物半導体層５２の表面側から照射され、第２化合物半導体層５２を通過して第１化合物半導体層５１に入射する。これにより、第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２において光励起キャリアが発生する。
【００３１】
第２化合物半導体層５２は、第１化合物半導体層５１と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で、第１化合物半導体層５１上に積層されている。
【００３２】
詳細は後述するが、エピタキシャル成長させたＧａＡｓ層（膜）は、成長時の温度によって、入射した励起光の屈折率が異なるものとなる。そこで、本実施形態では、第２化合物半導体層５２を、第１化合物半導体層５１とは異なる温度で成長させることにより、第１化合物半導体層５１の屈折率とは異なる屈折率を有する第２化合物半導体層５２が形成される。したがって、半導体積層群５は、屈折率の異なる層が互いに隣り合って形成される。
【００３３】
励起光は、第２化合物半導体層５２の表面に対し垂直に入射する。入射した励起光は、第２化合物半導体層５２の表面における表面反射光と、第２化合物半導体層５２の底面（第１化合物半導体層５１と第２化合物半導体層５２との界面）における界面反射光と、に分かれる。この２つの反射光は、所定の条件（後述する。）を満たす場合に、互いに逆位相の関係となり、重なり合って打ち消し合う。これにより、第２化合物半導体層５２の表面における励起光の表面反射を低減することができる。
【００３４】
第２化合物半導体層５２の層厚は、励起光の波長や第２化合物半導体層５２の屈折率等から計算される。具体的には、第２化合物半導体層５２の屈折率（Ｎ１）、第２化合物半導体層５２の層厚（ｄ）および第１化合物半導体層５１の屈折率（Ｎ２）が、下記の式１および式２を満たす場合、波長λ（ｎｍ）の励起光の反射率が０％となる。なお、下記の式１および式２を完全に満たさない場合でも、反射低減効果を有する層厚の第２化合物半導体層５２を形成することは可能である。
【００３５】
Ｎ１２＝Ｎ２ ・・・（式１）
Ｎ１×ｄ＝λ／４ ・・・（式２）
【００３６】
このように、本実施形態の光伝導基板２には、反射低減のための構造が光伝導材料により形成されている。したがって、光励起キャリアを発生させるために設けられた第１化合物半導体層５１のみならず、励起光の反射を低減させるために設けられた第２化合物半導体層５２からも、光励起キャリアが発生する。これにより、光励起キャリアを効率良く発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われる。そして、結果としてＳ／Ｎ比が向上する。
【００３７】
なお、第１化合物半導体層５１の材料および第２化合物半導体層５２の材料は、ＬＴ−ＧａＡｓに限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ-ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ等の光伝導性を有する任意の化合物半導体を用いることができる。この場合、材料となる化合物半導体は、各層５１，５２の屈折率が異なるように選択すればよいため、各層５１，５２を同一の化合物半導体で構成してもよいし、異なる化合物半導体を組み合わせてもよい。一例として、第１化合物半導体層５１をＬＴ−ＧａＡｓ、第２化合物半導体層５２をＬＴ−ＡｌＧａＡｓにより形成することが考えられる。
【００３８】
また、基板３にＩｎＰを用いた場合、第１化合物半導体層５１の材料および第２化合物半導体層５２の材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＳｂ等の光伝導性を有する任意の半導体を用いることができる。さらにまた、その他の材料の基板３を用いた場合、第１化合物半導体層５１の材料および第２化合物半導体層５２の材料としては、ＩｎＡｓ（ＬＴ-ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等の光伝導性を有する任意の半導体を用いることができる。これらの場合も、材料となる化合物半導体の組み合わせは任意である。
【００３９】
アンテナ６は、第２化合物半導体層５２上に配設されている。アンテナ６は、一対の電極部６１と、一対のアンテナ本体６２と、からなるダイポールアンテナである。一対の電極部６１には、ケーブルを介して電源や電流増幅器等が接続される。一対のアンテナ本体６２は、所定の間隔（ギャップ部６３）を有して配置されている。なお、アンテナ６は、ダイポールアンテナに限らず、ボウタイ型アンテナ若しくはストリップライン型アンテナまたはスパイラル型アンテナ等を任意に選択し用いることができる。
【００４０】
一対のアンテナ本体６２に電圧を印加した状態で、ギャップ部６３にフェムト秒パルスレーザ等の励起光を照射すると、光励起キャリアが発生する。そして、一対のアンテナ本体６２の間（ギャップ部６３）にパルス状の電流が流れ、この電流によってテラヘルツ電磁波が発生する。また、この電磁波発生検出装置１は、テラヘルツ電磁波を受けたときに一対のアンテナ本体６２間に電流が発生するため、検出（受信）素子としても用いることができる。この場合、電流（テラヘルツ電磁波）を検出するための電流増幅器等を、一対の電極部６１に接続しておく。
【００４１】
電磁波発生検出装置１の製造工程について説明する。先ず、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置に基板３をセットし、基板３上にバッファ層４を形成する。具体的には、基板３の温度を５００〜６００℃、成長速度を約１μｍ／ｈ、Ｇａ分子線強度に対するＡｓ分子線強度の比（Ａｓ／Ｇａ供給比）を約５〜３０に設定して、バッファ層４を、０．１〜０．５μｍ程度の層厚（膜厚）にエピタキシャル成長させる。
【００４２】
次に、ＭＢＥ装置にセットした基板３の温度を４００℃以下（本実施形態では３００℃）まで降温させ、第１化合物半導体層５１を１〜２μｍ程度エピタキシャル成長（低温成長）させる。なお、成長速度はバッファ層４の成長条件と同様である。Ａｓ／Ｇａ供給比はバッファ層４の供給比率以上に設定している。
【００４３】
次に、ＭＢＥ装置にセットした基板３の温度を更に降温（本実施形態では２００℃）させ、第２化合物半導体層５２を１〜１００ｎｍ程度（本実施形態では５４ｎｍ）エピタキシャル成長（低温成長）させる。
【００４４】
図３は、ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）の成長温度と屈折率の関係を示したものである。図３に示すように、７８０ｎｍの励起光を入射した場合に、３００℃で成長させた第１化合物半導体層５１の屈折率は約３．６４であるのに対し、２００℃で成長させた第２化合物半導体層５２の屈折率は約３．６１である。このように、同一の製造装置で、同一の材料を用いて、成長条件（温度）を制御するだけの簡易な工程で、互いに屈折率の異なる第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２を成膜することができる。
【００４５】
なお、化合物半導体（材料）の種類を変更して、第１化合物半導体層５１の屈折率と異なる第２化合物半導体層５２を成長させる場合は、ＭＢＥ装置のソース（材料）の種類および成長条件を変更して、励起光の表面反射が低減可能な膜厚で成長させる。
【００４６】
このような工程を経て形成された光伝導基板２に、アンテナ６が形成されて、電磁波発生検出装置１が完成する。アンテナ６は、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む。）等の公知の技術を用いて、第２化合物半導体層５２の上に形成される。
【００４７】
なお、本実施形態とは逆に、第１化合物半導体層５１の成長温度を、第２化合物半導体層５２の成長温度より低くしてもよい。しかし、ＭＢＥ装置において基板３の温度が安定する時間を考慮すると、本実施形態のように、各層を積層して行くにしたがって成長温度を下げて行くことが好ましい。これにより、ＭＢＥ装置による光伝導基板２の製造を効率良く短時間で行うことができる。
【００４８】
以上の構成によれば、半導体積層群５が互いに屈折率の異なる第１化合物半導体層５１および第２化合物半導体層５２を有していると共に、第２化合物半導体層５２が、励起光の表面反射を低減できる層厚で形成されている。このため、励起光は、第２化合物半導体層５２の表面における反射が抑えられ、半導体積層群５に効率良く吸収される。これにより、光励起キャリアを効率良く発生させることができるため、テラヘルツ電磁波の検出または発生が効率良く行われ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【００４９】
続いて、図４を参照して、電磁波発生検出装置１の応用例として時間領域分光装置７について簡単に説明する。図４は、電磁波発生検出装置１を応用した時間領域分光装置７を示した概略図である。時間領域分光装置７は、テラヘルツ電磁波が伝播する経路中に測定したい測定試料Ｓを置き、透過したテラヘルツ電磁波の時間波形と、測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ電磁波の振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの細かい物性測定を行うものである。
【００５０】
時間領域分光装置７は、フェムト秒レーザ（励起光）を発生するレーザ照射装置７１と、フェムト秒レーザを分離するビームスプリッター７２と、電磁波発生装置１ａおよび電磁波検出装置１ｂと、電磁波検出装置１ｂに入射するフェムト秒レーザを遅延させる遅延光学系７３と、フェムト秒レーザを反射・集光する各種光学系と、入力信号を処理する信号処理装置７４と、を備えている。また、その他、時間領域分光装置７として一般的な構成を有している。各種光学系には、電磁波発生装置１ａおよび電磁波検出装置１ｂに接して取り付けられ、テラヘルツ電磁波が効率良く取り出されるＳｉ等からなる第１レンズ７６および第２レンズ７７が含まれている。なお、電磁波検出装置１ｂおよび電磁波発生装置１ａは、上述した電磁波発生検出装置１と同一のものである。
【００５１】
まず、レーザ照射装置７１から発せられたフェムト秒レーザ（波長７８０ｎｍ）は、ビームスプリッター７２により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、振幅変調を掛けた状態で電磁波発生装置１ａに入射する。このとき一対のアンテナ本体６２間に電圧を印加しておくことで、電磁波発生装置１ａからテラヘルツ電磁波が発生する。このテラヘルツ電磁波は、第１レンズ７６を通過し第１放物面鏡７５で反射され、測定試料Ｓに照射される。測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波は、第２放物面鏡７８および第２レンズ７７を介して電磁波検出装置１ｂに入射する。
【００５２】
一方、ビームスプリッター７２により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡７９によって、遅延光学系７３に照射され、時間遅延を与えられて電磁波検出装置１ｂに入射する。電磁波検出装置１ｂで検出された信号は、信号処理装置７４に入力される。信号処理装置７４は、測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波の時間波形および測定試料Ｓが無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形を各々時系列データとして記憶し、これをフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Ｓからのテラヘルツ電磁波の強度振幅や位相の分光スペクトルを得ることで、測定試料Ｓの物性等を調べることができる。
【００５３】
以上の構成によれば、Ｓ／Ｎ比が向上したテラヘルツ電磁波を用いることにより、物質（測定試料Ｓ）の複素屈折率や複素誘電率などの細かな物質の物性測定等を、より明確に行うことができる。
【００５４】
（第２実施形態）
図５および図６を参照して、第２実施形態に係る電磁波発生検出装置１について説明する。図５は、第２実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。図６は、発生するテラヘルツ電磁波のＳ／Ｎ（強度／ノイズ）の比較を示したグラフである。なお、第１実施形態に係るものと同様の説明は省略する。
【００５５】
第２実施形態に係る電磁波発生検出装置１は、光伝導基板２の半導体積層群５に第３化合物半導体層５３を、更に備えている。詳細には、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３とが交互に複数組（図５では３.５組のみ図示）積層されている。そして、最表層の第２化合物半導体層５２上にアンテナ６が形成されている。なお、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３との積層組数は３.５組に限定されるものではなく、各層５２，５３が、交互に少なくとも１組以上積層されていればよい。
【００５６】
第３化合物半導体層５３は、第２化合物半導体層５２と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で、第２化合物半導体層５２上に積層されている。第３化合物半導体層５３の屈折率を、第２化合物半導体層５２の屈折率と異なるものとするには、第１実施形態で説明したように、各層５１，５２，５３の成長温度を制御（変更）したり、各層５１，５２，５３の材料を適宜選択（組み合わせ）したりする。また、製造工程も、第１実施形態で説明したものと同様である。
【００５７】
ここで、照射された励起光の表面反射を低減するためには、隣接する層同士が互いに異なる屈折率を有していればよい。したがって、第１化合物半導体層５１、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３は、それぞれ屈折率が異なっていてもよいし、第１化合物半導体層５１および第３化合物半導体層５３の屈折率を同一（成長温度同一または材料同一）として、第２化合物半導体層５２だけを各層５１，５３と異なる屈折率としてもよい。
【００５８】
一例として、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３と（各層厚約５４ｎｍ）を３.５組積層した光伝導基板２（材料：ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ），第１化合物半導体層５１および第３化合物半導体層５３：成長温度３００℃，第２化合物半導体層５２：成長温度２００℃）について励起光の吸収率を計算した。上記の光伝導基板２は、半導体積層群５を第１化合物半導体層５１（成長温度３００℃）のみで構成した光伝導基板２と比較して、励起光の吸収率が約２％向上するという結果を得ることができた。
【００５９】
また、図６は、縦軸にＳ／Ｎ比をとり、半導体積層群５を第１化合物半導体層５１のみで構成する電磁波発生検出装置１のＳ／Ｎ比（２ＴＨｚ付近）を１とした場合に、上述した本実施形態に係る電磁波発生検出装置１のＳ／Ｎ比（２ＴＨｚ付近）を示している。この結果は、上述した時間領域分光装置７において測定試料Ｓない状態で測定したものである。なお、アンテナ６の形状は、一対の電極部６１間の距離が約２０μｍ、各アンテナ本体６２の幅は約１０μｍ、ギャップ部６３の間隔は約５μｍである。
【００６０】
図６に示すように、本実施形態に係る電磁波発生検出装置１は、単層の電磁波発生検出装置１に比べて、発生するテラヘルツ電磁波の強度が増加していることが確認することができた。これは、第２化合物半導体層５２とは屈折率の異なる第３化合物半導体層５３を設けることにより、励起光の表面反射が減少し、第１化合物半導体層５１、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３に吸収される励起光が増加したためであると考えられる。
【００６１】
なお、励起光の反射を防止し、半導体積層群５への吸収を効率良く行うためには、第２化合物半導体層５２と第３化合物半導体層５３との屈折率の差を大きくすることが有効である。したがって、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３は、例えば、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）等の化合物半導体材料を適宜組み合わせて、互いの屈折率差を大きくすることが好ましい。
【００６２】
以上のように、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３を交互に複数組積層することによって、半導体積層群５の表面における励起光の反射を、更に有効に低減させることができる。
【００６３】
なお、第２化合物半導体層５２および第３化合物半導体層５３の積層組数を増加させることで、反射低減効果がより大きくなると考えられる。しかし、光伝導基板２の製造工数（時間）が増加するため、積層組数はタクトタイムを考慮して適宜設計されると考えられる。また、本実施形態では、アンテナ６が形成される最表層が第２化合物半導体層５２となっているが、その第２化合物半導体層５２を省略して、第３化合物半導体層５３を最表層としてもよい。
【００６４】
（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置１について説明する。図７は、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置１を模式的に示した側面図である。なお、第１実施形態に係るものと同様の説明は省略する。
【００６５】
図７（ａ）に示すように、電磁波発生検出装置１は、アンテナ６が、半導体積層群５の側面に沿って設けられている。詳細には、アンテナ６の一対のアンテナ本体６２が、半導体積層群５およびバッファ層４を挟み込むように両端面に沿って配設されている。また、アンテナ６の一対の電極部６１は、基板３上に配設されている。すなわち、一対のアンテナ本体６２に挟み込まれた半導体積層群５の上面全体がギャップ部６３となっている。したがって、半導体積層群５の表面から励起光を入射させることで一対のアンテナ本体６２の間にパルス状の電流が流れ、テラヘルツ電磁波が発生する。なお、本実施形態のアンテナ６は、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む。）等の公知の技術を用いて形成される。
【００６６】
なお、第３実施形態に係る電磁波発生検出装置１の変形例として、図７（ｂ）に示すように、一対のアンテナ本体６２を、半導体積層群５の両端面に沿って配設し、一対の電極部６１を、バッファ層４上に配設してもよい。
【００６７】
以上の構成によれば、第１実施形態に係る電磁波発生検出装置１と同様に、半導体積層群５が励起光の表面反射を低減しつつ、励起光を効率良く吸収することができる。これにより、テラヘルツ電磁波の検出または発生に係るＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００６８】
なお、本発明は、上述した各実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
【符号の説明】
【００６９】
１：電磁波発生検出装置、２：光伝導基板、３：基板、４：バッファ層、５：半導体積層群、６：アンテナ、５１：第１化合物半導体層、５２：第２化合物半導体層、５３：第３化合物半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層された半導体積層群と、を備え、
前記半導体積層群は、
第１化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層上に、前記第１化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第２化合物半導体層と、を有していることを特徴とする光伝導基板。
【請求項２】
前記半導体積層群は、
前記第２化合物半導体層上に、前記第２化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第３化合物半導体層を、更に備え、
前記第２化合物半導体層と前記第３化合物半導体層とが交互に少なくとも１組以上積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光伝導基板。
【請求項３】
前記第３化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と同一の屈折率を有していることを特徴とする請求項２に記載の光伝導基板。
【請求項４】
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることを特徴とする請求項１に記載の光伝導基板。
【請求項５】
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることを特徴とする請求項２に記載の光伝導基板。
【請求項６】
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、
前記第２化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と異なる温度で前記エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項４に記載の光伝導基板。
【請求項７】
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、それぞれ異なる温度で前記エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項５に記載の光伝導基板。
【請求項８】
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、
前記第２化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と異なる温度で前記エピタキシャル成長させ、
前記第３化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と同一の温度で前記エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項５に記載の光伝導基板。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の光伝導基板と、
前記半導体積層群上に形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする電磁波発生検出装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載の光伝導基板と、
前記半導体積層群の側面に沿って形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする電磁波発生検出装置。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層された半導体積層群と、を備え、
前記半導体積層群は、
第１化合物半導体層と、
前記第１化合物半導体層上に、前記第１化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第２化合物半導体層と、を有していることを特徴とする光伝導基板。
【請求項２】
前記半導体積層群は、
前記第２化合物半導体層上に、前記第２化合物半導体層と屈折率が異なると共に励起光の表面反射を低減できる層厚で成長させた第３化合物半導体層を、更に備え、
前記第２化合物半導体層と前記第３化合物半導体層とが交互に少なくとも１組以上積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光伝導基板。
【請求項３】
前記第３化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と同一の屈折率を有していることを特徴とする請求項２に記載の光伝導基板。
【請求項４】
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることを特徴とする請求項１に記載の光伝導基板。
【請求項５】
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物をエピタキシャル成長させてなることを特徴とする請求項２に記載の光伝導基板。
【請求項６】
前記第１化合物半導体層および前記第２化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、
前記第２化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と異なる温度で前記エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項４に記載の光伝導基板。
【請求項７】
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、それぞれ異なる温度で前記エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項５に記載の光伝導基板。
【請求項８】
前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層および前記第３化合物半導体層は、ＧａＡｓからなり、
前記第２化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と異なる温度で前記エピタキシャル成長させ、
前記第３化合物半導体層は、前記第１化合物半導体層と同一の温度で前記エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項５に記載の光伝導基板。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の光伝導基板と、
前記半導体積層群上に形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする電磁波発生検出装置。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載の光伝導基板と、
前記半導体積層群の側面に沿って形成されたアンテナと、を備えたことを特徴とする電磁波発生検出装置。
【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２０１３−２９９４（Ｐ２０１３−２９９４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５１３８（Ｐ２０１１−１３５１３８）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００５０１６）パイオニア株式会社 (3,620)
【Ｆターム（参考）】
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