半導体基板、半導体基板の製造方法、および電磁波発生装置
【課題】複数の異なる周波数を出力する半導体基板を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体と、第１の不純物半導体に接する複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを備え、複数の空乏領域のそれぞれは、第１の不純物半導体との第１界面と、第１界面と対向する表面とを有し、複数の空乏領域のそれぞれは、第１界面に垂直な方向における第１界面と表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板を提供する。
【解決手段】ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体と、第１の不純物半導体に接する複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを備え、複数の空乏領域のそれぞれは、第１の不純物半導体との第１界面と、第１界面と対向する表面とを有し、複数の空乏領域のそれぞれは、第１界面に垂直な方向における第１界面と表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体基板の製造方法、および電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊透視検査および高速情報通信にテラヘルツ帯（例えば１００ＧＨｚから１０ＴＨｚ）電磁波を利用することが検討されている。テラヘルツ電磁波の発生方法として、半導体の表面にフェムト秒オーダーのパルス幅のレーザー光を照射する方法が知られている（例えば、非特許文献１）。
（非特許文献１）
Ｘ．Ｃ．ジャン（X.-C. Zhang）、Ｄ．Ｈ．オーストン（D.H. Auston）著 「フェムト秒光による半導体表面および界面の光電子測定（Optoelectronic measurement of semiconductor surfaces and interfaces with femtosecond optics）」、応用物理ジャーナル（Journal of Applied Physics）、米国応用物理学会（American Institute of Physics）、１９９２年１月１日、第７１巻第１号、p.326-338
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体の表面にレーザー光を照射すると、コヒーレント縦光学フォノン（ＬＯフォノン）が発生する。コヒーレント縦光学フォノンが発生すると、半導体内の格子がコヒーレントに振動することにより、電磁波が発生する。ところが、コヒーレント縦光学フォノンは、半導体の組成によって固有の周波数で振動する。また、半導体表面へのレーザーパルスの印加により生じるキャリアの移動によって電磁波が発生することも知られている。この場合には、キャリアの移動速度に応じた周波数のテラヘルツ電磁波が発生する。
【０００４】
非破壊透視検査および高速情報通信などにおいては、透視検査の対象物の特性、または要求される通信速度等に応じて、電磁波の周波数を変化させることが必要とされる。そこで、周波数を変化させることができるテラヘルツ電磁波を発生することが要求されている。しかしながら、上述の半導体は固定周波数のテラヘルツ電磁波しか発生しないので、非破壊透視検査および高速情報通信などに用いる電磁波発生源として利用することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体と、第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを備え、複数の空乏領域のそれぞれは、第１の不純物半導体との第１界面と、第１界面と対向する表面とを有し、複数の空乏領域のそれぞれは、第１界面に垂直な方向における第１界面と表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板を提供する。半導体基板は、第１の不純物半導体が空乏化半導体に接する第１界面と異なる第２界面において空乏化半導体に接し、第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をさらに備えてもよい。
【０００６】
複数の空乏領域は、照射された光を受けて、それぞれ周波数が異なる電磁波を出力する。空乏化半導体の平均距離は、例えば２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。第１の不純物半導体は、例えば直接遷移型３−５族化合物半導体である。
【０００７】
空乏化半導体が組成の異なる複数の空乏領域を有する場合に、複数の空乏領域は、それぞれ組成比が異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含んでもよい。複数の空乏領域は、それぞれ異なる量の有効不純物を有してもよい。半導体基板が半導体を結晶成長させるベース基板をさらに備え、第１の不純物半導体および空乏化半導体が、同一のベース基板上にモノリシックに形成されていてもよい。半導体基板は、半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、第１の不純物半導体は、ベース基板上に複数に分離して設けられており、分離して設けられた第１の不純物半導体のそれぞれに、複数の空乏領域のうち少なくとも一つが設けられていてもよい。
【０００８】
本発明の第２の態様においては、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体を準備する段階と、第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階とを備え、複数の空乏領域のそれぞれは、第１の不純物半導体との第１界面と、第１界面と対向する表面とを有し、複数の空乏領域のそれぞれは、第１界面に垂直な方向における第１界面と表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板の製造方法を提供する。
【０００９】
エピタキシャル成長させる段階においては、空乏化半導体を１回のエピタキシャル成長によりモノリシックに形成してもよい。エピタキシャル成長させる段階は、空乏化半導体の前駆体の結晶成長を阻害する阻害層を、第１の不純物半導体上に設ける段階と、第１の不純物半導体にまで貫通する開口を阻害層に形成する開口形成段階と、開口内に空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階とを有してもよい。
【００１０】
開口形成段階においては、複数の異なる大きさの開口を形成してもよい。エピタキシャル成長させる段階の後に、複数の空乏領域のそれぞれにおける平均距離を異ならせるべくエッチングする段階をさらに備えてもよい。第１の不純物半導体が空乏化半導体に接する第１界面と異なる第２界面において空乏化半導体に接し、第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をエピタキシャル成長させる段階をさらに備えてもよい。
【００１１】
本発明の第３の態様においては、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板における複数の空乏領域にパルスレーザー光を照射する光照射部と、複数の空乏領域のいずれの領域にパルスレーザー光を照射するかを選択する選択部とを備える電磁波発生装置を提供する。半導体基板は、不純物半導体として、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体および第２の不純物半導体を有し、空乏化半導体として、第１の不純物半導体に接する空乏領域を有する第１の空乏化半導体と、第２の不純物半導体に接する空乏領域を有する第２の空乏化半導体とを有してもよい。
【００１２】
複数の空乏領域のそれぞれは、空乏化半導体が不純物半導体に接する界面に垂直な方向における界面と空乏化半導体の表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なり、選択部は、光照射部がパルスレーザー光を照射する領域として、発生すべき電磁波の周波数に応じた領域を複数の空乏領域から選択してもよい。
【００１３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】半導体基板１００の断面を示す。
【図１Ｂ】半導体基板１００の上面を示す。
【図１Ｃ】他の実施形態における半導体基板１００の断面を示す。
【図２Ａ】不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図２Ｂ】不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図３Ａ】膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する半導体基板１００の断面を示す。
【図３Ｂ】図３Ａに示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図３Ｃ】膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する他の実施形態の半導体基板１００の断面を示す。
【図４】他の実施形態における半導体基板１００の断面を示す。
【図５】空乏化半導体１２８を有する半導体基板１００の断面を示す。
【図６】空乏化半導体１２０が、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合の半導体基板１００の断面を示す。
【図７】半導体基板の水平方向に隣接する不純物半導体１１２および不純物半導体１１４を有する半導体基板１００の断面を示す。
【図８】図７に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図９】印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の断面を示す。
【図１０】図９に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図１１】印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の他の実施形態に係る断面を示す。
【図１２】図１１に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図１３】図３に示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。
【図１４】半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。
【図１５】図５に示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。
【図１６Ａ】半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。
【図１６Ｂ】図１５に示した半導体基板１００の上面の一例を示す。
【図１７】電磁波発生装置１５００の構成を示す。
【図１８】他の実施形態に係る電磁波発生装置１５００の構成を示す。
【図１９】実験に用いた測定システム２０００の構成の概要を示す。
【図２０Ａ】ｉ−ＧａＡｓ、および、不純物がドープされていないＧａＡｓのバルク結晶のそれぞれにレーザー光を照射した場合に発生する電流の変化を示す。
【図２０Ｂ】図２０Ａに示す電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２１Ａ】２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２１Ｂ】図２１Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２２Ａ】５００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２２Ｂ】図２２Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２３Ａ】８００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２３Ｂ】図２３Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２４Ａ】１２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２４Ｂ】図２４Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２５Ａ】２０００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２５Ｂ】図２５Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２６】ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２７】ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波のフーリエ変換スペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１６】
図１Ａは、半導体基板１００の断面を示す。図１Ｂは、半導体基板１００の上面を示す。半導体基板１００は、不純物半導体１１０および空乏化半導体１２０を備える。空乏化半導体１２０は、例えばエピタキシャル成長により不純物半導体１１０上に積層される。空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０の一部の領域を空乏化することにより形成されてもよい。空乏化半導体１２０は、パルスレーザー光などの光の照射を受けてキャリアが励起されると、電磁波を出力する。
【００１７】
不純物半導体１１０は、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む。例えば、不純物半導体１１０は、不純物がドープされることにより、ドナー濃度とアクセプター濃度との差に相当する有効不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上となっている。不純物半導体１１０の有効不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、３×１０１８ｃｍ−３以上であることがさらに好ましい。
【００１８】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０に接する空乏化した複数の空乏領域１２２および空乏領域１２４を有する。空乏領域１２２および空乏領域１２４は、隣接して設けられてよく、離れて設けられてもよい。半導体基板１００は、空乏領域１２２および空乏領域１２４の間に、絶縁体を有してもよい。空乏領域１２２は、不純物半導体１１０との界面１７２と、界面１７２と対向する表面１６２とを有する。空乏領域１２４は、不純物半導体１１０との界面１７４と、界面１７４と対向する表面１６４とを有する。
【００１９】
空乏領域１２２および空乏領域１２４のそれぞれは、界面１７２および界面１７４に垂直な方向における、界面１７２および界面１７４と表面１６２および表面１６４との平均距離、ならびに組成の少なくとも一つが異なる。例えば、界面１７２と表面１６２との平均距離ｄ１と、界面１７４と表面１６４との平均距離ｄ２とが異なる。ここで、「平均距離」とは、領域内における界面上の任意の位置における点から界面に垂直な方向の表面までの距離を平均した値である。空乏化半導体１２０が不純物半導体１１０上でエピタキシャル成長して形成されている場合には、空乏化半導体１２０の空乏領域１２２および空乏領域１２４における膜厚が、それぞれ空乏領域１２２および空乏領域１２４における平均距離に等しい。
【００２０】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０よりも有効不純物濃度が低い。例えば、空乏化半導体１２０は、不純物が導入されていない真性半導体である。空乏化半導体１２０がｉ−ＧａＡｓ（ｉ型ＧａＡｓ）である場合には、空乏化半導体１２０は、ＧａＡｓの禁制帯幅に対応して熱励起により存在する真性キャリア密度以上の自由電子または自由正孔を有しない。
【００２１】
具体的には、空乏化半導体１２０の有効不純物濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３未満である。空乏化半導体１２０の有効不純物濃度は、より好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下であり、さらに好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下である。空乏化半導体１２０の有効不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３よりも大きいと、空乏化半導体１２０の膜厚が約１００ｎｍに制限される。膜厚が小さいと、光の照射を受けて励起するキャリアの発生量が少ないので、十分な強度の電磁波が出力されない場合があるからである。
【００２２】
また、空乏化半導体１２０の膜厚は例えば１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、より好ましくは、２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。空乏化半導体１２０の膜厚が２００ｎｍよりも小さい場合には、光の照射を受けて励起するキャリアの発生量が少ないので、十分な強度の電磁波が出力されない場合がある。従って、空乏化半導体１２０の膜厚は、２００ｎｍ以上であることが好ましい。また、空乏化半導体１２０の膜厚が１２００ｎｍより大きい場合には発生する電磁波の強度が小さくなるので、膜厚が１２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
不純物半導体１１０は、単結晶基板上に結晶成長することができるとともに、ｎ型半導体またはｐ型半導体を構成することができる半導体であれば、任意の組成の半導体でよい。例えば、不純物半導体１１０は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、およびＩｎＧａＡｓＰなどの３−５族化合物半導体である。不純物半導体１１０は、直接遷移型３−５族化合物半導体であることが好ましい。不純物半導体１１０は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯなどの２−６族化合物半導体、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳなどのカルコパイライト化合物半導体、またはＳｉ、Ｇｅ、Ｃ（ダイヤモンド）、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどの４族半導体であってもよい。
【００２４】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０に格子整合または擬格子整合することができるとともに、ｉ型半導体を構成することができる半導体であれば、任意の組成の半導体でよい。空乏化半導体１２０は、例えば直接遷移型半導体である。具体的には、空乏化半導体１２０は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、およびＩｎＧａＡｓＰなどの３−５族化合物半導体であってよく、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯなどの２−６族化合物半導体、またはＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳなどのカルコパイライト化合物半導体などであってもよい。
【００２５】
空乏化半導体１２０は、空乏領域１２２または空乏領域１２４に照射されるパルスレーザー光の波長に対する吸収係数が十分高く、吸収長が空乏領域１２２または空乏領域１２４内に入っていれば、ＧａＰなどの３−５族化合物半導体、またはＳｉ、Ｇｅ、Ｃ（ダイヤモンド）、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどの４族半導体であってもよい。ここで、「擬格子整合」とは、完全な格子整合ではないが、互いに接する２つの半導体の格子定数の差が小さく、格子不整合による欠陥の発生が顕著でない範囲で、互いに接する２つの半導体を積層できる状態をいう。
【００２６】
空乏領域１２２および空乏領域１２４には、異なる強度の電界が生じる。例えば、空乏領域１２２および空乏領域１２４の膜厚または組成が異なることにより、空乏領域１２２および空乏領域１２４の電界強度に差が生じる。
【００２７】
空乏領域１２２および空乏領域１２４が、それぞれ異なる電界強度を有する場合には、空乏領域１２２および空乏領域１２４が光の照射を受けることで励起されるキャリアのドリフト速度がそれぞれ異なり、電界強度の変化速度もそれぞれ異なる。その結果、空乏領域１２２および空乏領域１２４は、照射された光を受けて、それぞれ周波数が異なる電磁波を出力する。例えば、空乏領域１２２および空乏領域１２４の表面に、数十フェムト秒程度の幅のパルスレーザー光１０を照射すると、空乏領域１２２および空乏領域１２４は、それぞれ異なる周波数のテラヘルツ電磁波を放射する。
【００２８】
以上の説明においては、空乏領域１２２および空乏領域１２４が単一の不純物半導体１１０上に設けられている場合について説明した。しかし、半導体基板１００は、半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、第１の不純物半導体１１０が、当該ベース基板上に複数に分離して設けられていてもよい。分離して設けられた第１の不純物半導体１１０のそれぞれに、空乏領域１２２または空乏領域１２４が設けられていてもよい。
【００２９】
図１Ｃは、他の実施形態に係る不純物半導体１１０の断面を示す。同図における不純物半導体１１０は、ベース基板１１１、不純物半導体１１０（１１０−１、１１０−２）、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０を備える。不純物半導体１１０、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０は、ベース基板１１１上でエピタキシャル成長することにより形成されている。不純物半導体１１０は、例えばＮ型の不純物半導体である。不純物半導体１１６は、例えば不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するＰ型の不純物半導体である。
【００３０】
ベース基板１１１は、例えば、ＧａＡｓ単結晶基板である。また、ベース基板１１１は、ＩｎＰ単結晶基板、Ｓｉ単結晶基板、ＧａＮ単結晶基板、ＳｉＣ単結晶基板、およびサファイア基板などであってもよい。
【００３１】
空乏化半導体１２０が不純物半導体１１０に接する界面は、図１Ａに示す不純物半導体１１０の長手方向の界面１７２および界面１７４に限定されない。図１Ｃに示すように、不純物半導体１１０、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０を、単結晶のベース基板１１１上にエピタキシャル成長させることにより、不純物半導体１１０の短手方向の界面において、不純物半導体１１０および空乏化半導体１２０を接続することができる。
【００３２】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０−１および不純物半導体１１６に接する空乏領域１２２、ならびに、不純物半導体１１０−２および不純物半導体１１６に接する空乏領域１２４を有する。空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０の短手方向の界面で接する場合においても、不純物半導体１１０との界面に垂直な方向における界面と表面との平均距離が異なる空乏領域１２２および空乏領域１２４を有することにより、パルスレーザー光の照射を受けて、それぞれ異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００３３】
不純物半導体１１０、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０は、１回のエピタキシャル成長工程でベース基板１１１上に結晶成長させることができる。ベース基板１１１上にエピタキシャル成長させたｉ型半導体に不純物イオンを注入することにより、不純物半導体１１０および不純物半導体１１６を形成してもよい。不純物イオンが注入されていない空乏領域１２２および空乏領域１２４には、両端に接する不純物半導体１１０および不純物半導体１１６との間でＰＩＮ接合が形成されるので、強い横方向電界が発生する。
【００３４】
図１Ｃにおいては、空乏領域１２２が不純物半導体１１０−１と接する界面と、空乏領域１２２が不純物半導体１１６と接する界面との距離（「空乏領域１２２の幅」と称する）は、空乏領域１２４が不純物半導体１１０−２と接する界面と、空乏領域１２４が不純物半導体１１６と接する界面との距離（「空乏領域１２４の幅」と称する）よりも小さい。空乏領域１２２の幅が空乏領域１２４の幅よりも小さいので、空乏領域１２４よりも強い横方向電界が生じる。従って、空乏領域１２２および空乏領域１２４に光が照射されると、それぞれの内部におけるドリフト電流速度に差が生じる。その結果、空乏領域１２２においては、空乏領域１２４におけるよりも高い周波数のテラヘルツ電磁波を発生することができる。
【００３５】
図２Ａは、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。図２Ａは、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合の、空乏領域１２２が設けられている領域におけるエネルギーバンドを示している。以下、図２Ａを参照して、空乏領域１２２が光の照射を受けて電磁波を発生する原理を説明する。
【００３６】
空乏領域１２２の表面のフェルミ準位は、空乏領域１２２の半導体材料の種類、組成、および表面処理方法によって定まる表面準位にピニングされる。これに対して、不純物半導体１１０は空乏領域１２２よりも有効不純物濃度が高いので、キャリア濃度が高い。従って、不純物半導体１１０のフェルミ準位は、伝導帯と禁制帯とのエネルギー境界付近または価電子帯と禁制帯とのエネルギー境界付近のいずれかに位置する。具体的には、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合には、不純物半導体１１０のフェルミ準位は伝導帯に近い。不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合には、不純物半導体１１０のフェルミ準位は価電子帯に近い。
【００３７】
空乏領域１２２の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルと、不純物半導体１１０の伝導帯および価電子帯のポテンシャルとの間に差があるので、空乏領域１２２には電界が生じる。空乏領域１２２においてはキャリア濃度が低く、自由に移動する電子または正孔の数が少ない。定常状態における空乏領域１２２の内部に生じる積層方向の電界強度は、空乏領域１２２内に含まれるイオン化ドナー不純物の密度およびイオン化アクセプター不純物の密度で決まる固定空間電荷密度分布で決まる。従って、ドナー不純物分布およびアクセプター不純物分布が一様である場合、空乏領域１２２内部の電界強度は、略一定である。
【００３８】
空乏領域１２２に、空乏領域１２２のバンドギャップ以上に相当するエネルギーの光が照射されると、空乏領域１２２内部に注入されたフォトンのエネルギーにより光励起キャリアが生成される。光励起キャリアは、空乏領域１２２内部に対生成する電子と正孔である。図２Ａにおける白丸が光励起キャリアの正孔を示し、黒丸が電子を示す。
【００３９】
ここで、空乏領域１２２の内部には、上記のように一定強度の電界が生じているので、伝導帯および価電子帯のポテンシャルが、空乏領域１２２の表面から空乏領域１２２と不純物半導体１１０との界面に向かって、略直線状に低下する。空乏領域１２２の内部で伝導帯および価電子帯のポテンシャルに勾配があるので、光の照射によって励起された電子は、不純物半導体１１０に向かってドリフト運動をする。また、光の照射によって励起された正孔は、空乏領域１２２の表面に向かってドリフト運動をする。このように電子および正孔が各々異なる方向にドリフト運動をすることによって、空乏領域１２２内の空間電荷分布は、急激に変動し、電界強度も過渡的に変動する。
【００４０】
過渡的な電界強度変動によって、電磁波が発生する。発生した電磁波は、空乏領域１２２の表面から半導体基板１００の外部に放射される。空乏領域１２２の自由キャリア濃度が低いので、発生した電磁波は、自由キャリアによる吸収および散乱によって減衰することなく半導体基板１００から外部に放射される。
【００４１】
ドリフト電流によって発生する電磁波の電界強度は、ドリフト電流の時間微分値に比例する。具体的には、
【数１】
により示される。ここで、Ｊは電荷密度、ｚは表面からの距離、αは吸収係数、Ｅｄは表面電界の空間分布、ｗは空乏化半導体の積層方向の膜厚を示す。μは光励起キャリアの移動度に対応する応答関数、Ｉｏｐ（ｔ）は照射される光パルスの波形、τ０は光励起キャリアの緩和時間、ｔ'は光パルスが照射された時刻を示す。ｔ、ｔ''は時間を示す。
【００４２】
図２Ｂは、不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合には、不純物半導体１１０のフェルミ準位は価電子帯の近傍にある。その結果、空乏領域１２２における伝導帯および価電子帯のポテンシャルは、不純物半導体１１０との界面から空乏領域１２２の表面に向かって、略直線状に低下する。
【００４３】
その結果、光の照射によって空乏領域１２２内で励起された電子は、空乏領域１２２の表面に向かってドリフト運動をする。同様に、空乏領域１２２内で励起された正孔は、不純物半導体１１０との界面に向かってドリフト運動をする。当該ドリフト運動によって過渡的な電界強度変動が発生するので、不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合にも、半導体基板１００は電磁波を発生する。
【００４４】
電子および正孔のドリフト運動によって生じる電流の過渡応答速度は、電子および正孔のドリフト速度に応じて変化する。電子および正孔のドリフト速度が大きければ大きいほど、電流の過渡応答速度が速くなるので、発生する電磁波の周波数が高くなる。逆に、電子および正孔のドリフト速度が小さければ小さいほど、発生する電磁波の周波数が低くなる。従って、空乏領域１２２内部の電子および正孔のドリフト速度を変化させることによって、空乏領域１２２において発生する電磁波の周波数を変化させることができる。
【００４５】
空乏領域１２２内部の電子および正孔のドリフト速度は、空乏領域１２２内部における伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配に応じて変化する。空乏領域１２２のポテンシャルの勾配は、例えば、空乏領域１２２の膜厚または組成を変化させることによって変化する。その結果、空乏領域１２２が発生する電磁波の周波数が変化する。
【００４６】
従って、空乏化半導体１２０が、それぞれ膜厚および組成の少なくとも一つが異なる空乏領域１２２および空乏領域１２４を有する場合には、空乏化半導体１２０は、それぞれの領域から異なる周波数の電磁波を出力する。
【００４７】
なお、半導体基板１００に光を照射した場合には、光の照射に起因するコヒーレントＬＯフォノンの固有振動数に対応した電磁波も発生する。具体的には、半導体基板１００の表面においては結晶の原子配列が並進対称になっていないので、照射された光のエネルギーによって分極した原子がコヒーレントに振動することによって電磁波が発生する。コヒーレントＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数は、光の照射を受ける半導体に固有の周波数である。
【００４８】
図３Ａは、膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する半導体基板１００の断面を示す。同図において、半導体基板１００は、異なる膜厚を有する複数の領域として、空乏領域１２２および空乏領域１２６を有する。空乏領域１２２の膜厚はｄ１であり、空乏領域１２６の膜厚は、ｄ２（ｄ２＞ｄ１）である。
【００４９】
図３Ｂは、図３Ａに示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。点線は空乏領域１２２の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示し、実線は空乏領域１２６の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。空乏領域１２２の表面１６２および空乏領域１２６の表面１６６における伝導帯のポテンシャルは、共にＥｓにピニングされる。
【００５０】
ここで、空乏領域１２２と不純物半導体１１０との界面１７２および空乏領域１２６と不純物半導体１１０との界面１７６のポテンシャルをＥｂとすると、空乏領域１２２内部におけるポテンシャルの勾配はＤ１＝（Ｅｓ−Ｅｂ）／ｄ１で表される。空乏領域１２６内部におけるポテンシャルの勾配はＤ２＝（Ｅｓ−Ｅｂ）／ｄ２で表される。ｄ２＞ｄ１なので、Ｄ１＞Ｄ２である。従って、空乏領域１２６における電子および正孔のドリフト速度は、空乏領域１２２における電子および正孔のドリフト速度よりも小さくなる。その結果、光の照射を受けて空乏領域１２６が発生する電磁波の周波数は、光の照射を受けて空乏領域１２２が発生する電磁波の周波数よりも低い。
【００５１】
なお、不純物半導体１１０における空乏領域１２２および空乏領域１２６に近接する領域には空乏層が生じる。界面１７２および界面１７６は、例えば、空乏領域１２６と不純物半導体１１０に生じた空乏層とが接する面である。不純物半導体１１０に生じた空乏層が、不純物半導体１１０の空乏層以外の領域と接する面を界面１７２および界面１７６としてもよい。
【００５２】
図３Ｃは、膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する他の実施形態の半導体基板１００の断面を示す。同図における空乏領域１２６の表面１６６は、空乏領域１２２の表面１６２と同一平面上にある。また、不純物半導体１１０は、空乏領域１２２に接する領域および空乏領域１２６に接する領域のそれぞれにおいて、異なる膜厚を有する。
【００５３】
例えば、図３Ｃに示す半導体基板１００は、ｉ型半導体の複数の領域のそれぞれが、異なる深さ方向の分布を有するように不純物イオンを注入することによって製造される。具体的には、不純物半導体１１０をｎ型半導体にする場合には、空乏領域１２６において、空乏領域１２２よりも深くまで補償アクセプターイオンを注入する。注入イオン密度を調整することにより、注入領域における有効不純物濃度を下げ、実質的にｉ型半導体を形成することができる。また、注入エネルギーを調整することにより、空乏領域の深さを制御することもできる。その結果、空乏領域１２６における空乏化半導体１２０の膜厚を空乏領域１２２における空乏化半導体１２０の膜厚よりも大きくすることができる。
【００５４】
以上のように、半導体基板１００が膜厚の異なる空乏領域１２２および空乏領域１２６を有する空乏化半導体１２０を備えることにより、照射された光を受けて、空乏領域１２２および空乏領域１２６がそれぞれ異なる周波数の電磁波を出力する。以上の説明においては、空乏化半導体１２０は、膜厚が異なる２つの領域を有していたが、空乏化半導体１２０は、膜厚が異なる３以上の領域を有してもよい。
【００５５】
図４は、他の実施形態における半導体基板１００の断面を示す。同図において、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、不純物半導体１１６をさらに備える。不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するｐ型半導体またはｎ型半導体である。不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合には、不純物半導体１１６はｎ型半導体である。不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合には、不純物半導体１１６はｐ型半導体である。
【００５６】
不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０が空乏領域１２２と接する界面１７２と異なる界面１８２において、空乏領域１２２と接する。また、不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０が空乏領域１２４と接する界面１７４と異なる界面１８４において、空乏領域１２４と接する。
【００５７】
不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０よりも面積が小さいことが好ましい。不純物半導体１１６が、空乏領域１２２の表面１６２および空乏領域１２４の表面１６４のそれぞれの少なくとも一部を露出させることにより、空乏化半導体１２０は空乏領域１２２および空乏領域１２４のそれぞれにおいて光の照射を直接受けることができる。
【００５８】
不純物半導体１１６の積層方向の膜厚が、照射された光を透過する程度に小さい場合、不純物半導体１１６が間接遷移型半導体である場合、または、不純物半導体１１６が、照射される光の光子エネルギーよりも大きな禁制帯幅を持ち、照射される光に対する吸収係数が小さく実質的に透明である場合には、不純物半導体１１６が空乏化半導体１２０の空乏領域１２２および空乏領域１２４の全面を覆ってもよい。不純物半導体１１６が空乏領域１２２および空乏領域１２４の全面を覆った場合には、照射される光により空乏化半導体１２０から生じる電磁波の再吸収を極力小さくするように、不純物半導体１１６の膜厚が十分に薄いこと、不純物半導体１１６中の自由キャリア濃度が十分に低いこと、または不純物半導体１１６自体が空乏化していることが好ましい。
【００５９】
不純物半導体１１０が空乏化半導体１２０と接する界面１７２および界面１７４の近傍には、空乏層が生じる。また、不純物半導体１１６が空乏化半導体１２０と接する界面１８２および界面１８４の近傍にも、空乏層が生じる。空乏領域１２２および空乏領域１２４は、これらの領域を含んでもよい。
【００６０】
図５は、空乏化半導体１２０に代えて、空乏化半導体１２８を有する半導体基板１００の断面を示す。空乏化半導体１２８は、水平面上の中央近傍の領域の膜厚が、空乏化半導体１２８の外周近傍の領域の膜厚よりも小さい。空乏化半導体１２８は、水平方向において変化する膜厚を有する。
【００６１】
空乏化半導体１２８は、膜厚が水平方向において連続的に変化するので、内部のポテンシャルの勾配も水平方向において連続的に変化する。従って、空乏化半導体１２８は、空乏化半導体１２８に照射される光の水平方向の照射位置に応じて、異なる周波数の電磁波を発生する。具体的には、図６に示す例においては、空乏化半導体１２８の外周近傍の領域に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数は、空乏化半導体１２８の中央近傍の領域に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数よりも低い。
【００６２】
図６は、空乏化半導体１２０が、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合の半導体基板１００の断面を示す。半導体基板１００は、図１Ａに示した空乏領域１２４に代えて、空乏領域１２２と組成が異なる空乏領域１３０を備える。
【００６３】
例えば、空乏領域１３０の組成は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）である。空乏領域１３０は、空乏領域１２２と組成が異なるので、空乏領域１２２と異なる禁制帯幅を有する。例えば、空乏領域１２２がＧａＡｓである場合には、空乏領域１２２の禁制帯幅は約１．４２ｅＶである。これに対して、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）の場合、直接遷移型であるＡｌ組成ｘ＝０〜０．４３の範囲においては、ｘに応じて禁制帯幅は１．４２ｅＶ〜１．９７ｅＶであり、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）の禁制帯幅はＩｎ組成ｙ＝０〜１の範囲において約１．４２ｅＶ〜０．３６ｅＶである。
【００６４】
不純物半導体１１０がｎ型半導体であって、かつ、空乏領域１３０がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．４３）である場合には、空乏領域１３０の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルが、ＧａＡｓの空乏領域１２２の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルよりも大きい。従って、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも、伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配が大きい。その結果、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも高い周波数の電磁波を出力する。
【００６５】
空乏領域１３０がＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）である場合には、表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルが、ＧａＡｓの空乏領域１２２の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルよりも小さい。従って、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも、伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配が小さい。その結果、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも低い周波数の電磁波を出力する。
【００６６】
ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．４３）およびＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）のバンドギャップは、ｘおよびｙの値に応じて変化する。具体的には、ｘが大きくなるとＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのバンドギャップが大きくなり、ｙが大きくなるとＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）のバンドギャップは小さくなる。従って、空乏領域１３０がより多くのＡｌを含む場合には、空乏領域１３０はより高い周波数の電磁波を出力する。また、空乏領域１３０がより多くのＩｎを含む場合には、空乏領域１３０はより低い周波数の電磁波を出力する。
【００６７】
なお、空乏領域１３０の組成がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）である場合には、ＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数も、ＧａＡｓである空乏領域１２２が出力する周波数と異なる。具体的には、Ａｌの組成比が大きいと、ＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数が高くなり、Ｉｎの組成比が大きいと、ＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数が低くなる。従って、空乏化半導体１２０は、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合には、異なる周波数のキャリアのドリフト運動に起因する電磁波、および、ＬＯフォノンに起因する電磁波を出力することができる。
【００６８】
空乏領域１２２および空乏領域１３０は、それぞれ異なる量の有効不純物を有してもよい。有効不純物濃度が異なると、伝導帯のポテンシャルの勾配が異なるので、空乏領域１２２および空乏領域１３０が、それぞれ異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００６９】
図７は、不純物半導体１１０の代わりに、水平方向に隣接する不純物半導体１１２および不純物半導体１１４を有する半導体基板１００の断面を示す。不純物半導体１１２および不純物半導体１１４は、それぞれ異なるキャリア濃度を有するｎ型半導体またはｐ型半導体である。例えば、空乏領域１２２は不純物半導体１１２上に設けられ、空乏領域１２４は不純物半導体１１４上に設けられる。
【００７０】
図８は、図７に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。本実施形態においては、不純物半導体１１２および不純物半導体１１４は、ｎ型半導体である。また、不純物半導体１１２のキャリア濃度は、不純物半導体１１４よりも大きい。点線は、不純物半導体１１２および空乏領域１２２が積層された領域における伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。実線は、不純物半導体１１４および空乏領域１２４が積層された領域における伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。
【００７１】
それぞれの領域における伝導帯のポテンシャルを比較すると、不純物半導体１１２のキャリア濃度が不純物半導体１１４のキャリア濃度よりも大きいので、不純物半導体１１２の伝導帯のポテンシャルは不純物半導体１１４の伝導帯のポテンシャルよりもフェルミ準位に近い。つまり、不純物半導体１１２と空乏領域１２２との界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ１は、不純物半導体１１４と空乏領域１２４との界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ２よりも小さい。
【００７２】
従って、空乏領域１２２の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓと、不純物半導体１１２および空乏領域１２２の界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ１との差は、空乏領域１２４の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓと、不純物半導体１１４および空乏領域１２４の界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ２との差よりも大きい。つまり、空乏領域１２２内部における伝導帯のポテンシャルの勾配は、空乏領域１２４内部における伝導帯のポテンシャルの勾配よりも大きい。
【００７３】
その結果、空乏領域１２２に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数は、空乏領域１２４に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数よりも高い。以上のように、空乏化半導体１２０が積層される不純物半導体１１０が異なるキャリア濃度を有する複数の領域を有する場合にも、半導体基板１００は照射された光を受けて、複数の異なる周波数の電磁波を発生することができる。
【００７４】
図９は、印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の断面を示す。同図において、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、電圧印加部１４２、および電圧印加部１４６をさらに備える。電圧印加部１４２は、空乏領域１２２に接続される。電圧印加部１４６は、不純物半導体１１０に接続される。
【００７５】
電圧印加部１４２および電圧印加部１４６は、空乏化半導体１２０に電圧を印加する。その結果、空乏領域１２２の電界強度は電圧印加部１４２および電圧印加部１４６との間に印加される電圧により変化する。
【００７６】
電圧印加部１４２、および電圧印加部１４６は、外部から電圧を受ける導電性の電極を有してもよい。当該電極は、例えばショットキー電極またはオーミック電極を用いることができる。電圧印加部１４２は、例えば、空乏領域１２２の光照射部以外の場所に電極を形成してよい。また空乏領域１２２の光照射部を含む全面を覆う、薄い透明電極を有してもよい。電圧印加部１４２は、空乏領域１２２の全面を覆う櫛型形状をした櫛型電極を有し、励起光は、前記櫛形電極の隙間から空乏領域１２２に照射されてもよい。電圧印加部１４２、電圧印加部１４６は、例えば、空乏化半導体１２０を結晶成長させた後で、スパッタリング法あるいは蒸着法で電極材料を形成し、必要に応じて熱処理等を加えることで設けることができる。
【００７７】
図１０は、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合における、図９に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。点線は空乏領域１２２の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。半導体基板１００は、不純物半導体１１０側に電圧印加部１４６として形成されたオーミック電極、および電圧印加部１４２として形成されたショットキー電極を有し、逆方向電圧が空乏領域１２２に印加される。実線は、逆方向電圧を印加したときの空乏領域１２４の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。ここで、「逆方向電圧を印加する」とは、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合に、不純物半導体１１０の電圧印加部１４６に印加される電圧よりも低い電圧を空乏領域１２２の電圧印加部１４２に印加することである。
【００７８】
図１０において、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓ'は、逆方向電圧を印加されていない空乏領域１２２の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓよりも大きい。その結果、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２内部における伝導帯のポテンシャルの勾配は、逆方向電圧を印加されていない場合の空乏領域１２２内部における伝導帯のポテンシャルの勾配よりも大きい。
【００７９】
上記の勾配の差により、空乏領域１２２内部で励起された電子のドリフト速度に差が生じる。具体的には、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２内部の電子のドリフト速度は、逆方向電圧を印加されていない空乏領域１２２内部の電子のドリフト速度よりも大きい。従って、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２は、逆方向電圧を印加されていない１２２が出力する電磁波よりも高い周波数の電磁波を出力する。
【００８０】
電圧印加部１４２および電圧印加部１４６への印加電圧を変化させることによって、空乏領域１２２の電界強度を変化させることができるので、半導体基板１００は、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数を変化させることができる。なお、電圧印加部１４２が空乏領域１２２表面に部分的に形成された場合には、電圧印加部１４２に電圧が印加されると、露出されている空乏領域１２２の水平方向の距離に応じて、空乏領域１２２内部の電界強度は変化する。従って、電圧印加部１４２を設ける位置、あるいは電圧印加部に対する光照射部の位置に応じて、半導体基板１００は異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００８１】
図１１は、印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の他の実施形態に係る断面を示す。同図において、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、不純物半導体１１６、電圧印加部１４２、および電圧印加部１４６をさらに備える。不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するｐ型半導体またはｎ型半導体である。
【００８２】
電圧印加部１４２および電圧印加部１４６は、外部から電圧を受けて、不純物半導体１１０と不純物半導体１１６との間に電圧を発生させる。電圧印加部１４２および電圧印加部１４６は、導電性の電極を有する。当該電極は、例えばオーミック電極である。
【００８３】
不純物半導体１１６は、積層方向の膜厚が不純物半導体１１０よりも小さいことが好ましい。不純物半導体１１６の膜厚が小さいと、照射される光をより多く空乏領域１２２および空乏領域１２４に透過する。その結果、空乏領域１２２および空乏領域１２４において励起されるキャリアの量が多くなり、また不純物半導体１１６内に存在する自由キャリアによる、空乏領域１２２および１２４から発生する電磁波の吸収も小さくできるので、空乏領域１２２および空乏領域１２４から出力される電磁波の強度が大きくなる。
【００８４】
不純物半導体１１６は、例えば間接遷移型半導体である。不純物半導体１１６は、照射される光の光子エネルギーよりも大きな禁制帯幅を持ち、照射される光に対する吸収係数が小さく、実質的に透明である材料を用いてもよい。なお、照射される光の吸収を極力抑制するべく、また、照射される光により空乏化半導体１２０から生じる電磁波の再吸収を極力小さくするべく、電圧印加部１４２以外の不純物半導体１１６は、膜厚が十分薄いか、自由キャリア濃度が十分に低いか、または空乏化していることが好ましい。
【００８５】
図１２は、不純物半導体１１０がｎ型半導体であり、かつ不純物半導体１１６がｐ型半導体である場合における、図１１に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。点線は、電圧印加部１４２および電圧印加部１４６が、不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に電圧を印加しない場合における、伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。実線は、電圧印加部１４２および電圧印加部１４６が、不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に逆方向電圧を印加した場合における、伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。
【００８６】
不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に逆方向電圧が印加されると、空乏領域１２２における伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配が大きくなる。その結果、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数が大きくなる。同様に、空乏領域１２４における伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配も大きくなるので、空乏領域１２４が出力する電磁波の周波数も大きくなる。
【００８７】
電圧印加部１４６が出力する電圧に対して電圧印加部１４２が出力する電圧を高くすることによって、不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に順方向電圧が印加されると、空乏領域１２２内部のポテンシャルの勾配が小さくなる。従って、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数が小さくなる。以上のように、電圧印加部１４２および電圧印加部１４６が出力する電圧の極性および大きさを変化させることにより、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数を変化させることができる。
【００８８】
なお、電圧印加部１４２が不純物半導体１１６の一部に形成され、電圧印加部１４２以外の不純物半導体１１６が除去されているか、もしくは十分薄く、空乏化している場合には、電圧印加部１４２からの水平方向の距離に応じて、空乏領域１２２内部の電界強度が変化する。従って、電圧印加部１４２を設ける位置または電圧印加部１４２に対する光照射位置に応じて、半導体基板１００は異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００８９】
以上説明した半導体基板１００は、不純物半導体を準備した上で、当該不純物半導体上に、異なる電界強度が生じる複数の領域を有する空乏化半導体を結晶成長させることによって製造することができる。例えば、空乏化半導体を結晶成長させる段階において、膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体を成長させることにより、半導体基板１００を製造することができる。また、空乏化半導体を結晶成長させる段階において、組成が異なる複数の領域を有する空乏化半導体を成長させることによっても、半導体基板１００を製造することができる。異なる電界強度を有する空乏化半導体を有する複数の半導体基板１００を並列に並べて使用することもできる。
【００９０】
図１３は、図３Ａに示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。図１４は、半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。空乏領域１２６における空乏化半導体１２０は、空乏領域１２６−１において空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させた後に、空乏領域１２６−２において空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させることにより形成される。以下、図１３に沿って、図３Ａに示した半導体基板１００の製造方法を説明する。
【００９１】
まず、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体１１０を準備する（Ｓ１０２）。続いて、不純物半導体１１０上に、空乏化半導体１２０の前駆体の結晶成長を阻害する阻害層１５２を設ける（Ｓ１０４）。阻害層１５２は、例えば、酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層、窒化タンタル層もしくは窒化チタン層、またはこれらを積層した層である。阻害層１５２の膜厚は、例えば０．０５〜５μｍである。阻害層１５２は、例えば、ＣＶＤ法またはスパッタ法により形成できる。阻害層１５２は、不純物半導体１１０を熱酸化することにより生成してもよい。
【００９２】
次に、不純物半導体１１０の表面の一部に空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させ、空乏領域１２６−１を形成する（Ｓ１０６）。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて空乏化半導体１２０の前駆体をエピタキシャル成長させることにより、不純物半導体１１０の面上の阻害層１５２が設けられていない領域に空乏化半導体１２０の前駆体が結晶成長する。続いて、エッチング等の方法を用いて、阻害層１５２を削除する（Ｓ１０８）。
【００９３】
最後に、空乏領域１２６−１上の空乏領域１２６−２において空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させる。また、不純物半導体１１０上の阻害層１５２が除去された空乏領域１２２においても空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させる（Ｓ１１０）。以上の手順により、空乏領域１２２および空乏領域１２６においてそれぞれ異なる膜厚を有する空乏化半導体１２０を備える半導体基板１００を製造することができる。
【００９４】
図１５は、図５に示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。図１６Ａは、半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。図１６Ｂは、図１５に示した半導体基板１００の上面の一例を示す。
【００９５】
まず、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体としての不純物半導体１１０を準備する（Ｓ２０２）。続いて、不純物半導体１１０上に、空乏化半導体１２８の結晶成長を阻害する阻害層１５４を設ける（Ｓ２０４）。阻害層１５４は、図１３において説明した阻害層１５２と同等の材料および製法により形成することができる。
【００９６】
次に、不純物半導体１１０の表面が露出するまで阻害層１５４を貫通する開口１５６を阻害層１５２に形成する（Ｓ２０６）。開口１５６は、例えば、エッチング等のフォトリソグラフィ法により形成される。開口１５６は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下の辺を有する四辺形である。開口１５６は、四辺形以外の円および楕円などの任意の形状であってもよい。
【００９７】
続いて、開口１５６の内部に空乏化半導体１２８を結晶成長させる（Ｓ２０８）。空乏化半導体１２８を結晶成長させる段階においては、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて空乏化半導体１２８の前駆体を開口１５６の内部でエピタキシャル成長させる。開口１５６近傍の阻害層１５４上に供給された前駆体は、開口１５６の周辺部に導入されて結晶成長する。従って、開口１５６の周辺部における膜厚が開口１５６の中央付近における膜厚よりも大きい空乏化半導体１２８を結晶成長させることができる。
【００９８】
阻害層１５４の面積と開口１５６の面積との比率に応じて、開口１５６内部で結晶成長する空乏化半導体１２８の膜厚を制御してもよい。阻害層１５４上に供給された空乏化半導体１２８の前駆体の一部は、開口１５６に導入される。従って、阻害層１５４の面積が開口１５６の面積に対して大きいと、より多くの前駆体が開口１５６の内部で結晶成長する。
【００９９】
膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８を備える半導体基板１００を製造する方法は、上記の方法に限定されない。例えば、Ｓ２０６において、阻害層１５４に、大きさまたは形状が異なる複数の開口１５６を形成することにより、膜厚が異なる複数の空乏化半導体１２８を設けてもよい。複数の開口１５６を設けることによって、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数の範囲を大きくすることができる。
【０１００】
また、不純物半導体１１０上に空乏化半導体１２０をモノリシックにエピタキシャル成長させた後に、空乏化半導体１２０の一部の領域をエッチングにより除去することによっても、膜厚が異なる複数の領域を有する半導体基板１００を製造することができる。例えば、ドライエッチングの場合には、エッチャントの分布を制御することにより、エッチング量を異ならせることで、異なる膜厚を有する領域を形成することができる。膜厚を大きくしたい領域にレジスト等を塗布した上でエッチングすることにより、異なる膜厚を有する領域を形成してもよい。また、ウェットエッチングの場合には、半導体基板１００の領域ごとにエッチャントに浸漬する時間を変化させることにより、異なる膜厚を有する領域を形成してもよい。
【０１０１】
なお、空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８の前駆体を結晶成長させた後に、空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８上に、不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するｐ型半導体またはｎ型半導体をエピタキシャル成長させてもよい。例えば、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合には、空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８上にｐ型半導体を結晶成長させる。
【０１０２】
図１７は、電磁波発生装置１５００の構成を示す。励起光源１０００は、光照射部１０１０および選択部１０２０を備える。光照射部１０１０は、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、不純物半導体に接する複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板１００における複数の空乏領域にパルスレーザー光を照射する。光照射部１０１０は、例えばレーザー光源を有する。
【０１０３】
半導体基板１００は、不純物半導体として、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体および第２の不純物半導体を有し、空乏化半導体として、第１の不純物半導体に接する空乏領域を有する第１の空乏化半導体と、第２の不純物半導体に接する空乏領域を有する第２の空乏化半導体とを有していてもよい。つまり、電磁波発生装置１５００は、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、当該不純物半導体に接する空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板を複数備えていてもよい。光照射部１０１０は、それぞれの半導体基板上の空乏領域にパルスレーザー光を照射する。
【０１０４】
選択部１０２０は、複数の空乏領域のいずれの領域にパルスレーザー光を照射するかを選択する。例えば、選択部１０２０は、発生すべき電磁波の周波数を示す周波数情報を取得し、取得した周波数情報に応じて、複数の空乏領域のうち、いずれかの領域を選択する。光照射部１０１０は、選択部１０２０が選択した結果に応じて、レーザー光源と光を照射する対象となる半導体基板１００との相対位置を変化させることによって、選択部１０２０が選択した領域に光を照射する。
【０１０５】
励起光源１０００は、光を照射すべき半導体基板１００を内蔵してもよい。この場合には、励起光源１０００は、選択部１０２０が選択した領域に応じて、光を照射すべき半導体基板の位置を変化させてもよい。
【０１０６】
半導体基板１００において、複数の空乏領域のそれぞれは、例えば、空乏化半導体が前記不純物半導体に接する界面に垂直な方向における界面と空乏化半導体の表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる。選択部１０２０は、光照射部１０１０がパルスレーザー光を照射する領域として、発生すべき電磁波の周波数に応じた領域を複数の空乏領域から選択する。
【０１０７】
例えば、半導体基板１００が、膜厚が異なる複数の領域を有する場合には、選択部１０２０は、発生すべき周波数に応じて光を照射する領域を選択する。具体的には、選択部１０２０は、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合に、膜厚がより小さい領域を複数の領域から選択する。より具体的には、光照射部１０１０が、図３Ａに示した半導体基板１００に光を照射する場合において、電磁波発生装置１５００が、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合には、選択部１０２０は空乏領域１２２を選択する。電磁波発生装置１５００が、より低い周波数の電磁波を発生すべき場合には、選択部１０２０は空乏領域１２６を選択する。
【０１０８】
半導体基板１００が、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合には、選択部１０２０は、発生すべき周波数に応じて領域を選択する。例えば、半導体基板１００が、組成比が異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を有する複数の領域を有する場合には、選択部１０２０はＡｌまたはＩｎ、またはＡｓ，Ｐの組成比に応じて領域を選択する。具体的には、選択部１０２０は、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合に、Ａｌの組成比がより大きいＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）を含む領域、またはＩｎもしくはＡｓの組成比がより小さいＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含む領域複数の領域から選択する。
【０１０９】
図１８は、他の実施形態に係る電磁波発生装置１５００の構成を示す。同図における励起光源１０００は、電圧発生部１０３０をさらに備える。電圧発生部１０３０は、空乏化半導体に印加する電圧を発生する。選択部１０２０は、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合に、空乏化半導体の表面と、空乏化半導体および不純物半導体の界面との間の電圧差をより大きくする電圧を、電圧発生部１０３０に発生させる。
【０１１０】
具体的には、励起光源１０００が、図９に示した半導体基板１００または図１１に示した半導体基板１００に光を照射することによって電磁波を発生させる場合に、電圧発生部１０３０は発生すべき周波数に応じて異なる電圧を半導体基板１００または半導体基板１００に印加する。より具体的には、不純物半導体１１０がｎ型半導体であり不純物半導体１１６がｐ型半導体である場合には、電圧発生部１０３０は、電圧印加部１４６に印加する電圧に対して電圧印加部１４２に印加する電圧をより小さくして逆方向電圧を大きくすることにより、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数をより高くすることができる。
【０１１１】
逆に、電圧発生部１０３０は、逆方向電圧を小さくすることにより、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数を低くすることができる。電圧発生部１０３０は、電圧印加部１４２に印加する電圧を電圧印加部１４６に印加する電圧よりも大きくして順方向電圧を印加することによっても、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数を低くすることができる。
【０１１２】
選択部１０２０は、電圧発生部１０３０を制御するとともに、光照射部１０１０を制御してもよい。例えば、選択部１０２０は、発生すべき電磁波の周波数範囲に応じて光照射部１０１０が光を照射する領域を選択した上で、電圧発生部１０３０が出力する電圧を制御することによって、当該周波数範囲内で周波数を選択することができる。
【０１１３】
（実施例１）
ｎ型ＧａＡｓ上にｉ−ＧａＡｓを積層した半導体基板１００に光を照射することによって、半導体表面における瞬間的過渡電流およびコヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ周波数帯の電磁波を発生させた。励起光源１０００として、フェムト秒パルスモード同期方式のチタンサファイアレーザ（パルス幅：７０ｆｓ、中心波長７９０ｎｍ）を用いた。
【０１１４】
図１９に、実験に用いた測定システム２０００の構成の概要を示す。測定システム２０００は、ハーフミラー２０１０、ミラー２０２０、ミラー２０３０、ミラー２０４０、パラボラミラー２０５０、パラボラミラー２０６０、測定部２０７０、ミラー２０８０、ミラー２０９０、およびミラー２１００を備える。
【０１１５】
測定部２０７０は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により結晶成長させた低温ＧａＡｓエピタキシャル層上に形成したダイポールアンテナ（光伝導アンテナ）を有する。測定部２０７０は、励起光源１０００が出力するパルスレーザー光に応じて半導体基板１００が出力する電磁波をダイポールアンテナで受信する。測定部２０７０は、受信した電磁波の振動に応じて流れる電流を増幅して、電流波形を記録する。
【０１１６】
励起光源１０００が出力するパルスレーザー光は、ハーフミラー２０１０、ミラー２０２０、ミラー２０３０、およびミラー２０４０を経由して、半導体基板１００に印加される。半導体基板１００が発生した電磁波は、パラボラミラー２０５０およびパラボラミラー２０６０を経由して、測定部２０７０に入力される。
【０１１７】
励起光源１０００が出力したパルスレーザー光の一部は、ハーフミラー２０１０によって反射されて、ミラー２０８０、ミラー２０９０、およびミラー２１００を経由して、ゲート信号として測定部２０７０に入力される。測定部２０７０は、ゲート信号が入力されたタイミングで、受信した電磁波に応じて流れる電流値を測定する。
【０１１８】
測定システム２０００は、ミラー２０８０およびミラー２０９０を順次移動させることによってゲート信号の遅延時間を変化する。測定システム２０００は、ゲート信号の遅延時間を順次変化させることにより、遅延時間に応じて変化する電流値を測定する。ゲート信号を用いて測定期間を規定する光ゲーティング法を用いることにより、励起光のタイミングに応じて定められた期間だけ電磁波を検出することができるので、測定結果から暗ノイズが除去された高精度の測定が可能になる。
【０１１９】
ＧａＡｓ（１００）面基板上にｎ−ＧａＡｓ（キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、膜厚３μｍ）、ｉ−ＧａＡｓ（膜厚２００ｎｍ）をこの順に成長し、ｉ−ＧａＡｓの表面にフェムト秒パルスレーザーを照射した。図２０Ａは、当該ｉ−ＧａＡｓ、および、不純物がドープされていないＧａＡｓのバルク結晶のそれぞれにパルスレーザー光を照射した場合に発生する電磁波の波形を示す。横軸は、パルスレーザー光を照射してからの遅延時間を示す。縦軸は、測定部２０７０において受信した電磁波に応じて計測された電流を示す。
【０１２０】
パルスレーザー光が照射されてから約２ｐｓの経過後に、不純物半導体１１０に向かう電流が流れている（図２０Ａ内のａに示すパルス）。つまり、パルスレーザー光により励起された電子が空乏化半導体１２０の表面に向かって移動している。この現象は、パルスレーザー光によって励起された正孔が拡散する前に、励起された電子が空乏化半導体１２０の表面に拡散したことにより生じたと考えられる。
【０１２１】
その後、空乏化半導体１２０の伝導帯のポテンシャルの勾配により、電子が不純物半導体１１０の向きにドリフト運動をすることにより、空乏化半導体１２０の表面に向かう電流が流れている（図２０Ａ内のｂに示すパルス）。この急峻な電流の変化により、テラヘルツ電磁波が発生したと考えられる。また、その後のｃに示す期間に観測される微細振動電流は、コヒーレントＬＯフォノンに起因して発生していると考えられる。
【０１２２】
図２０Ｂは、図２０Ａに示す電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。空乏化半導体１２０の膜厚が２００ｎｍである場合には、バルク結晶に比べて約１００倍の強度のテラヘルツ電磁波が出力された。空乏化半導体１２０の膜厚が２００ｎｍである場合には表面電界が生じているので、ＬＯフォノンの分極が強まり、バルク結晶に比べて強度が大きい電磁波が発生したと考えられる。
【０１２３】
図２０Ｂにおける４ＴＨｚ周辺の広帯域の電磁波は、空乏化半導体１２０内部におけるキャリアのドリフト運動に起因して発生していると考えられる。キャリアのドリフト速度は、キャリアによってばらつきがあるので、発生する電磁波の周波数が広い範囲に分布していると考えられる。また、約８．７ＴＨｚの電磁波は、ＧａＡｓ結晶のＬＯフォノン振動数と一致することから、コヒーレントＬＯフォノンに起因して発生していると考えられる。
【０１２４】
（実施例２）
空乏化半導体１２０の膜厚を変化させて、それぞれの膜厚において発生する電磁波に応じた電流波形および周波数スペクトルを測定した。図２１Ａは、２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。図２１Ｂは、図２１Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、４ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。
【０１２５】
ｉ−ＧａＡｓ内部のポテンシャルの勾配と相関を有するｉ−ＧａＡｓ表面電界を算出するために、ｉ−ＧａＡｓの光変調反射（ＰＲ）スペクトルを測定した。その結果、膜厚が２００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、２８．４ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２６】
図２２Ａは、５００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２２Ｂは、図２２Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、３．５ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が５００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、１２．２ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２７】
図２３Ａは、８００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２３Ｂは、図２３Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、２．５ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が８００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、７．０ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２８】
図２４Ａは、１２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２４Ｂは、図２４Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、２．０ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が１２００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、５．２ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２９】
図２５Ａは、２０００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２５Ｂは、図２５Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、１．５ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が２０００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、５．３ｋＶ／ｃｍであった。
【０１３０】
以上の実験から、ｉ−ＧａＡｓの膜厚を変化させることによって、半導体基板が出力するテラヘルツ電磁波の周波数が変化することを確認できた。また、膜厚と表面電界強度との間に相関があることも確認できた。
【０１３１】
なお、膜厚に応じて、発生する電磁波の強度も変化している。２００ｎｍ、５００ｎｍ、８００ｎｍ、１２００ｎｍ、２０００ｎｍの中では、膜厚が８００ｎｍの場合に、キャリア運動により発生した電磁波の強度が最も大きいことが判明した。膜厚が２００ｎｍまたは５００ｎｍの場合の表面電界強度の方が、膜厚が８００ｎｍの場合の表面電界強度よりも大きいにもかかわらず、膜厚が８００ｎｍの場合に最も強い電磁波が発生する理由は、膜厚が小さい場合に励起されるキャリアの量が、膜厚が大きい場合に励起されるキャリアの量に比べて少ないためであると考えられる。
【０１３２】
（実施例３）
ＩｎＰ上にｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓを積層した半導体基板１００に光を照射することによって、テラヘルツ周波数帯の電磁波を発生させた。励起光源１０００として、フェムト秒パルスモード同期方式のチタンサファイアレーザ（パルス幅：６０ｆｓ、中心波長７９５ｎｍ、励起強度６０ｍＷ）を用いた。ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度を変化させて、それぞれのドーピング濃度において照射される電磁波の強度及び周波数を光ゲーティング法により測定した。光ゲーティング法においては、低温成長ＧａＡｓ上に作製されたダイポールアンテナを使用した。
【０１３３】
図２６は、ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。図２７は、ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波のフーリエ変換スペクトルを示す。ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度は、４．９×１０１６ｃｍ−３、１．４×１０１７ｃｍ−３、２．５×１０１７ｃｍ−３の３種類とした。
【０１３４】
図２７に示されるように、レーザーパルス光の照射を受けた半導体基板１００からは、３種類のテラヘルツ周波数帯の電磁波が発生している。図２７における最も低い周波数の電磁波（領域Ａ）は、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓに接する空乏領域において生じる瞬間的過渡電流に起因する電磁波である。
【０１３５】
図２７における中間の周波数の電磁波（領域Ｂ）は、ＬＯフォノン−プラズモン結合モードによる電磁波である。ＬＯフォノン−プラズモン結合モードによる電磁波は、ドーピング濃度が高くなるにつれて、周波数が高くなっている。この現象は、図８を用いて説明したように、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度が高いほど空乏領域内部におけるポテンシャルの勾配が大きくなることに起因すると考えられる。
【０１３６】
図２７における最も高い周波数の電磁波（領域Ｃ）は、ＬＯフォノンによる電磁波である。ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度が大きいほどＬＯフォノンによる電磁波は大きい。この現象は、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度が高くなるにしたがって空乏領域の電場強度が強くなり、ＬＯフォノン分極が大きくなっていることを反映していると考えられる。
【０１３７】
以上のとおり、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度を変化させることによって、発生する電磁波の周波数及び強度が変化することを確認できた。当該挙動は、ｉ−ＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ構造において、ｉ−ＧａＡｓの層厚を変化させることによって、発生する電磁波の周波数及び強度が変化するという実施例２で説明した挙動と類似する。
【０１３８】
実施例２及び実施例３から、不純物半導体のドーピング濃度及び空乏領域の層厚に応じて、発生する電磁波の周波数及び強度が変化することが判明した。したがって、不純物半導体におけるドーピング濃度と空乏領域の層厚とを変化させることによって、発生するテラヘルツ電磁波の周波数及び強度が異なるさまざまな半導体基板を製造できることが明らかになった。
【０１３９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１４０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１４１】
１００ 半導体基板、１１０ 不純物半導体、１１１ ベース基板、１１２ 不純物半導体、１１４ 不純物半導体、１１６ 不純物半導体、１２０ 空乏化半導体、１２２ 空乏領域、１２４ 空乏領域、１２６ 空乏領域、１２８ 空乏化半導体、１３０ 空乏領域、１４２ 電圧印加部、１４６ 電圧印加部、１５２ 阻害層、１５４ 阻害層、１５６ 開口、１６２ 表面、１６４ 表面、１６６ 表面、１７２ 界面、１７４ 界面、１７６ 界面、１８２ 界面、１８４ 界面、１０００ 励起光源、１０１０ 光照射部、１０２０ 選択部、１０３０ 電圧発生部、１５００ 電磁波発生装置、２０００ 測定システム、２０１０ ハーフミラー、２０２０ ミラー、２０３０ ミラー、２０４０ ミラー、２０５０ パラボラミラー、２０６０ パラボラミラー、２０７０ 測定部、２０８０ ミラー、２０９０ ミラー、２１００ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板、半導体基板の製造方法、および電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非破壊透視検査および高速情報通信にテラヘルツ帯（例えば１００ＧＨｚから１０ＴＨｚ）電磁波を利用することが検討されている。テラヘルツ電磁波の発生方法として、半導体の表面にフェムト秒オーダーのパルス幅のレーザー光を照射する方法が知られている（例えば、非特許文献１）。
（非特許文献１）
Ｘ．Ｃ．ジャン（X.-C. Zhang）、Ｄ．Ｈ．オーストン（D.H. Auston）著 「フェムト秒光による半導体表面および界面の光電子測定（Optoelectronic measurement of semiconductor surfaces and interfaces with femtosecond optics）」、応用物理ジャーナル（Journal of Applied Physics）、米国応用物理学会（American Institute of Physics）、１９９２年１月１日、第７１巻第１号、p.326-338
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体の表面にレーザー光を照射すると、コヒーレント縦光学フォノン（ＬＯフォノン）が発生する。コヒーレント縦光学フォノンが発生すると、半導体内の格子がコヒーレントに振動することにより、電磁波が発生する。ところが、コヒーレント縦光学フォノンは、半導体の組成によって固有の周波数で振動する。また、半導体表面へのレーザーパルスの印加により生じるキャリアの移動によって電磁波が発生することも知られている。この場合には、キャリアの移動速度に応じた周波数のテラヘルツ電磁波が発生する。
【０００４】
非破壊透視検査および高速情報通信などにおいては、透視検査の対象物の特性、または要求される通信速度等に応じて、電磁波の周波数を変化させることが必要とされる。そこで、周波数を変化させることができるテラヘルツ電磁波を発生することが要求されている。しかしながら、上述の半導体は固定周波数のテラヘルツ電磁波しか発生しないので、非破壊透視検査および高速情報通信などに用いる電磁波発生源として利用することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体と、第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを備え、複数の空乏領域のそれぞれは、第１の不純物半導体との第１界面と、第１界面と対向する表面とを有し、複数の空乏領域のそれぞれは、第１界面に垂直な方向における第１界面と表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板を提供する。半導体基板は、第１の不純物半導体が空乏化半導体に接する第１界面と異なる第２界面において空乏化半導体に接し、第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をさらに備えてもよい。
【０００６】
複数の空乏領域は、照射された光を受けて、それぞれ周波数が異なる電磁波を出力する。空乏化半導体の平均距離は、例えば２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。第１の不純物半導体は、例えば直接遷移型３−５族化合物半導体である。
【０００７】
空乏化半導体が組成の異なる複数の空乏領域を有する場合に、複数の空乏領域は、それぞれ組成比が異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含んでもよい。複数の空乏領域は、それぞれ異なる量の有効不純物を有してもよい。半導体基板が半導体を結晶成長させるベース基板をさらに備え、第１の不純物半導体および空乏化半導体が、同一のベース基板上にモノリシックに形成されていてもよい。半導体基板は、半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、第１の不純物半導体は、ベース基板上に複数に分離して設けられており、分離して設けられた第１の不純物半導体のそれぞれに、複数の空乏領域のうち少なくとも一つが設けられていてもよい。
【０００８】
本発明の第２の態様においては、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体を準備する段階と、第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階とを備え、複数の空乏領域のそれぞれは、第１の不純物半導体との第１界面と、第１界面と対向する表面とを有し、複数の空乏領域のそれぞれは、第１界面に垂直な方向における第１界面と表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板の製造方法を提供する。
【０００９】
エピタキシャル成長させる段階においては、空乏化半導体を１回のエピタキシャル成長によりモノリシックに形成してもよい。エピタキシャル成長させる段階は、空乏化半導体の前駆体の結晶成長を阻害する阻害層を、第１の不純物半導体上に設ける段階と、第１の不純物半導体にまで貫通する開口を阻害層に形成する開口形成段階と、開口内に空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階とを有してもよい。
【００１０】
開口形成段階においては、複数の異なる大きさの開口を形成してもよい。エピタキシャル成長させる段階の後に、複数の空乏領域のそれぞれにおける平均距離を異ならせるべくエッチングする段階をさらに備えてもよい。第１の不純物半導体が空乏化半導体に接する第１界面と異なる第２界面において空乏化半導体に接し、第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をエピタキシャル成長させる段階をさらに備えてもよい。
【００１１】
本発明の第３の態様においては、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板における複数の空乏領域にパルスレーザー光を照射する光照射部と、複数の空乏領域のいずれの領域にパルスレーザー光を照射するかを選択する選択部とを備える電磁波発生装置を提供する。半導体基板は、不純物半導体として、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体および第２の不純物半導体を有し、空乏化半導体として、第１の不純物半導体に接する空乏領域を有する第１の空乏化半導体と、第２の不純物半導体に接する空乏領域を有する第２の空乏化半導体とを有してもよい。
【００１２】
複数の空乏領域のそれぞれは、空乏化半導体が不純物半導体に接する界面に垂直な方向における界面と空乏化半導体の表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なり、選択部は、光照射部がパルスレーザー光を照射する領域として、発生すべき電磁波の周波数に応じた領域を複数の空乏領域から選択してもよい。
【００１３】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】半導体基板１００の断面を示す。
【図１Ｂ】半導体基板１００の上面を示す。
【図１Ｃ】他の実施形態における半導体基板１００の断面を示す。
【図２Ａ】不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図２Ｂ】不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図３Ａ】膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する半導体基板１００の断面を示す。
【図３Ｂ】図３Ａに示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図３Ｃ】膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する他の実施形態の半導体基板１００の断面を示す。
【図４】他の実施形態における半導体基板１００の断面を示す。
【図５】空乏化半導体１２８を有する半導体基板１００の断面を示す。
【図６】空乏化半導体１２０が、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合の半導体基板１００の断面を示す。
【図７】半導体基板の水平方向に隣接する不純物半導体１１２および不純物半導体１１４を有する半導体基板１００の断面を示す。
【図８】図７に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図９】印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の断面を示す。
【図１０】図９に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図１１】印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の他の実施形態に係る断面を示す。
【図１２】図１１に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。
【図１３】図３に示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。
【図１４】半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。
【図１５】図５に示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。
【図１６Ａ】半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。
【図１６Ｂ】図１５に示した半導体基板１００の上面の一例を示す。
【図１７】電磁波発生装置１５００の構成を示す。
【図１８】他の実施形態に係る電磁波発生装置１５００の構成を示す。
【図１９】実験に用いた測定システム２０００の構成の概要を示す。
【図２０Ａ】ｉ−ＧａＡｓ、および、不純物がドープされていないＧａＡｓのバルク結晶のそれぞれにレーザー光を照射した場合に発生する電流の変化を示す。
【図２０Ｂ】図２０Ａに示す電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２１Ａ】２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２１Ｂ】図２１Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２２Ａ】５００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２２Ｂ】図２２Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２３Ａ】８００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２３Ｂ】図２３Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２４Ａ】１２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２４Ｂ】図２４Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２５Ａ】２０００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２５Ｂ】図２５Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。
【図２６】ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。
【図２７】ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波のフーリエ変換スペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１６】
図１Ａは、半導体基板１００の断面を示す。図１Ｂは、半導体基板１００の上面を示す。半導体基板１００は、不純物半導体１１０および空乏化半導体１２０を備える。空乏化半導体１２０は、例えばエピタキシャル成長により不純物半導体１１０上に積層される。空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０の一部の領域を空乏化することにより形成されてもよい。空乏化半導体１２０は、パルスレーザー光などの光の照射を受けてキャリアが励起されると、電磁波を出力する。
【００１７】
不純物半導体１１０は、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む。例えば、不純物半導体１１０は、不純物がドープされることにより、ドナー濃度とアクセプター濃度との差に相当する有効不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上となっている。不純物半導体１１０の有効不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましく、３×１０１８ｃｍ−３以上であることがさらに好ましい。
【００１８】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０に接する空乏化した複数の空乏領域１２２および空乏領域１２４を有する。空乏領域１２２および空乏領域１２４は、隣接して設けられてよく、離れて設けられてもよい。半導体基板１００は、空乏領域１２２および空乏領域１２４の間に、絶縁体を有してもよい。空乏領域１２２は、不純物半導体１１０との界面１７２と、界面１７２と対向する表面１６２とを有する。空乏領域１２４は、不純物半導体１１０との界面１７４と、界面１７４と対向する表面１６４とを有する。
【００１９】
空乏領域１２２および空乏領域１２４のそれぞれは、界面１７２および界面１７４に垂直な方向における、界面１７２および界面１７４と表面１６２および表面１６４との平均距離、ならびに組成の少なくとも一つが異なる。例えば、界面１７２と表面１６２との平均距離ｄ１と、界面１７４と表面１６４との平均距離ｄ２とが異なる。ここで、「平均距離」とは、領域内における界面上の任意の位置における点から界面に垂直な方向の表面までの距離を平均した値である。空乏化半導体１２０が不純物半導体１１０上でエピタキシャル成長して形成されている場合には、空乏化半導体１２０の空乏領域１２２および空乏領域１２４における膜厚が、それぞれ空乏領域１２２および空乏領域１２４における平均距離に等しい。
【００２０】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０よりも有効不純物濃度が低い。例えば、空乏化半導体１２０は、不純物が導入されていない真性半導体である。空乏化半導体１２０がｉ−ＧａＡｓ（ｉ型ＧａＡｓ）である場合には、空乏化半導体１２０は、ＧａＡｓの禁制帯幅に対応して熱励起により存在する真性キャリア密度以上の自由電子または自由正孔を有しない。
【００２１】
具体的には、空乏化半導体１２０の有効不純物濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３未満である。空乏化半導体１２０の有効不純物濃度は、より好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下であり、さらに好ましくは１×１０１５ｃｍ−３以下である。空乏化半導体１２０の有効不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３よりも大きいと、空乏化半導体１２０の膜厚が約１００ｎｍに制限される。膜厚が小さいと、光の照射を受けて励起するキャリアの発生量が少ないので、十分な強度の電磁波が出力されない場合があるからである。
【００２２】
また、空乏化半導体１２０の膜厚は例えば１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であり、より好ましくは、２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である。空乏化半導体１２０の膜厚が２００ｎｍよりも小さい場合には、光の照射を受けて励起するキャリアの発生量が少ないので、十分な強度の電磁波が出力されない場合がある。従って、空乏化半導体１２０の膜厚は、２００ｎｍ以上であることが好ましい。また、空乏化半導体１２０の膜厚が１２００ｎｍより大きい場合には発生する電磁波の強度が小さくなるので、膜厚が１２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
不純物半導体１１０は、単結晶基板上に結晶成長することができるとともに、ｎ型半導体またはｐ型半導体を構成することができる半導体であれば、任意の組成の半導体でよい。例えば、不純物半導体１１０は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、およびＩｎＧａＡｓＰなどの３−５族化合物半導体である。不純物半導体１１０は、直接遷移型３−５族化合物半導体であることが好ましい。不純物半導体１１０は、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯなどの２−６族化合物半導体、ＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳなどのカルコパイライト化合物半導体、またはＳｉ、Ｇｅ、Ｃ（ダイヤモンド）、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどの４族半導体であってもよい。
【００２４】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０に格子整合または擬格子整合することができるとともに、ｉ型半導体を構成することができる半導体であれば、任意の組成の半導体でよい。空乏化半導体１２０は、例えば直接遷移型半導体である。具体的には、空乏化半導体１２０は、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＰ、およびＩｎＧａＡｓＰなどの３−５族化合物半導体であってよく、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＯなどの２−６族化合物半導体、またはＣｕＩｎＧａＳｅ、ＣｕＩｎＧａＳなどのカルコパイライト化合物半導体などであってもよい。
【００２５】
空乏化半導体１２０は、空乏領域１２２または空乏領域１２４に照射されるパルスレーザー光の波長に対する吸収係数が十分高く、吸収長が空乏領域１２２または空乏領域１２４内に入っていれば、ＧａＰなどの３−５族化合物半導体、またはＳｉ、Ｇｅ、Ｃ（ダイヤモンド）、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなどの４族半導体であってもよい。ここで、「擬格子整合」とは、完全な格子整合ではないが、互いに接する２つの半導体の格子定数の差が小さく、格子不整合による欠陥の発生が顕著でない範囲で、互いに接する２つの半導体を積層できる状態をいう。
【００２６】
空乏領域１２２および空乏領域１２４には、異なる強度の電界が生じる。例えば、空乏領域１２２および空乏領域１２４の膜厚または組成が異なることにより、空乏領域１２２および空乏領域１２４の電界強度に差が生じる。
【００２７】
空乏領域１２２および空乏領域１２４が、それぞれ異なる電界強度を有する場合には、空乏領域１２２および空乏領域１２４が光の照射を受けることで励起されるキャリアのドリフト速度がそれぞれ異なり、電界強度の変化速度もそれぞれ異なる。その結果、空乏領域１２２および空乏領域１２４は、照射された光を受けて、それぞれ周波数が異なる電磁波を出力する。例えば、空乏領域１２２および空乏領域１２４の表面に、数十フェムト秒程度の幅のパルスレーザー光１０を照射すると、空乏領域１２２および空乏領域１２４は、それぞれ異なる周波数のテラヘルツ電磁波を放射する。
【００２８】
以上の説明においては、空乏領域１２２および空乏領域１２４が単一の不純物半導体１１０上に設けられている場合について説明した。しかし、半導体基板１００は、半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、第１の不純物半導体１１０が、当該ベース基板上に複数に分離して設けられていてもよい。分離して設けられた第１の不純物半導体１１０のそれぞれに、空乏領域１２２または空乏領域１２４が設けられていてもよい。
【００２９】
図１Ｃは、他の実施形態に係る不純物半導体１１０の断面を示す。同図における不純物半導体１１０は、ベース基板１１１、不純物半導体１１０（１１０−１、１１０−２）、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０を備える。不純物半導体１１０、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０は、ベース基板１１１上でエピタキシャル成長することにより形成されている。不純物半導体１１０は、例えばＮ型の不純物半導体である。不純物半導体１１６は、例えば不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するＰ型の不純物半導体である。
【００３０】
ベース基板１１１は、例えば、ＧａＡｓ単結晶基板である。また、ベース基板１１１は、ＩｎＰ単結晶基板、Ｓｉ単結晶基板、ＧａＮ単結晶基板、ＳｉＣ単結晶基板、およびサファイア基板などであってもよい。
【００３１】
空乏化半導体１２０が不純物半導体１１０に接する界面は、図１Ａに示す不純物半導体１１０の長手方向の界面１７２および界面１７４に限定されない。図１Ｃに示すように、不純物半導体１１０、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０を、単結晶のベース基板１１１上にエピタキシャル成長させることにより、不純物半導体１１０の短手方向の界面において、不純物半導体１１０および空乏化半導体１２０を接続することができる。
【００３２】
空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０−１および不純物半導体１１６に接する空乏領域１２２、ならびに、不純物半導体１１０−２および不純物半導体１１６に接する空乏領域１２４を有する。空乏化半導体１２０は、不純物半導体１１０の短手方向の界面で接する場合においても、不純物半導体１１０との界面に垂直な方向における界面と表面との平均距離が異なる空乏領域１２２および空乏領域１２４を有することにより、パルスレーザー光の照射を受けて、それぞれ異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００３３】
不純物半導体１１０、不純物半導体１１６、および空乏化半導体１２０は、１回のエピタキシャル成長工程でベース基板１１１上に結晶成長させることができる。ベース基板１１１上にエピタキシャル成長させたｉ型半導体に不純物イオンを注入することにより、不純物半導体１１０および不純物半導体１１６を形成してもよい。不純物イオンが注入されていない空乏領域１２２および空乏領域１２４には、両端に接する不純物半導体１１０および不純物半導体１１６との間でＰＩＮ接合が形成されるので、強い横方向電界が発生する。
【００３４】
図１Ｃにおいては、空乏領域１２２が不純物半導体１１０−１と接する界面と、空乏領域１２２が不純物半導体１１６と接する界面との距離（「空乏領域１２２の幅」と称する）は、空乏領域１２４が不純物半導体１１０−２と接する界面と、空乏領域１２４が不純物半導体１１６と接する界面との距離（「空乏領域１２４の幅」と称する）よりも小さい。空乏領域１２２の幅が空乏領域１２４の幅よりも小さいので、空乏領域１２４よりも強い横方向電界が生じる。従って、空乏領域１２２および空乏領域１２４に光が照射されると、それぞれの内部におけるドリフト電流速度に差が生じる。その結果、空乏領域１２２においては、空乏領域１２４におけるよりも高い周波数のテラヘルツ電磁波を発生することができる。
【００３５】
図２Ａは、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。図２Ａは、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合の、空乏領域１２２が設けられている領域におけるエネルギーバンドを示している。以下、図２Ａを参照して、空乏領域１２２が光の照射を受けて電磁波を発生する原理を説明する。
【００３６】
空乏領域１２２の表面のフェルミ準位は、空乏領域１２２の半導体材料の種類、組成、および表面処理方法によって定まる表面準位にピニングされる。これに対して、不純物半導体１１０は空乏領域１２２よりも有効不純物濃度が高いので、キャリア濃度が高い。従って、不純物半導体１１０のフェルミ準位は、伝導帯と禁制帯とのエネルギー境界付近または価電子帯と禁制帯とのエネルギー境界付近のいずれかに位置する。具体的には、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合には、不純物半導体１１０のフェルミ準位は伝導帯に近い。不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合には、不純物半導体１１０のフェルミ準位は価電子帯に近い。
【００３７】
空乏領域１２２の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルと、不純物半導体１１０の伝導帯および価電子帯のポテンシャルとの間に差があるので、空乏領域１２２には電界が生じる。空乏領域１２２においてはキャリア濃度が低く、自由に移動する電子または正孔の数が少ない。定常状態における空乏領域１２２の内部に生じる積層方向の電界強度は、空乏領域１２２内に含まれるイオン化ドナー不純物の密度およびイオン化アクセプター不純物の密度で決まる固定空間電荷密度分布で決まる。従って、ドナー不純物分布およびアクセプター不純物分布が一様である場合、空乏領域１２２内部の電界強度は、略一定である。
【００３８】
空乏領域１２２に、空乏領域１２２のバンドギャップ以上に相当するエネルギーの光が照射されると、空乏領域１２２内部に注入されたフォトンのエネルギーにより光励起キャリアが生成される。光励起キャリアは、空乏領域１２２内部に対生成する電子と正孔である。図２Ａにおける白丸が光励起キャリアの正孔を示し、黒丸が電子を示す。
【００３９】
ここで、空乏領域１２２の内部には、上記のように一定強度の電界が生じているので、伝導帯および価電子帯のポテンシャルが、空乏領域１２２の表面から空乏領域１２２と不純物半導体１１０との界面に向かって、略直線状に低下する。空乏領域１２２の内部で伝導帯および価電子帯のポテンシャルに勾配があるので、光の照射によって励起された電子は、不純物半導体１１０に向かってドリフト運動をする。また、光の照射によって励起された正孔は、空乏領域１２２の表面に向かってドリフト運動をする。このように電子および正孔が各々異なる方向にドリフト運動をすることによって、空乏領域１２２内の空間電荷分布は、急激に変動し、電界強度も過渡的に変動する。
【００４０】
過渡的な電界強度変動によって、電磁波が発生する。発生した電磁波は、空乏領域１２２の表面から半導体基板１００の外部に放射される。空乏領域１２２の自由キャリア濃度が低いので、発生した電磁波は、自由キャリアによる吸収および散乱によって減衰することなく半導体基板１００から外部に放射される。
【００４１】
ドリフト電流によって発生する電磁波の電界強度は、ドリフト電流の時間微分値に比例する。具体的には、
【数１】
により示される。ここで、Ｊは電荷密度、ｚは表面からの距離、αは吸収係数、Ｅｄは表面電界の空間分布、ｗは空乏化半導体の積層方向の膜厚を示す。μは光励起キャリアの移動度に対応する応答関数、Ｉｏｐ（ｔ）は照射される光パルスの波形、τ０は光励起キャリアの緩和時間、ｔ'は光パルスが照射された時刻を示す。ｔ、ｔ''は時間を示す。
【００４２】
図２Ｂは、不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合の半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合には、不純物半導体１１０のフェルミ準位は価電子帯の近傍にある。その結果、空乏領域１２２における伝導帯および価電子帯のポテンシャルは、不純物半導体１１０との界面から空乏領域１２２の表面に向かって、略直線状に低下する。
【００４３】
その結果、光の照射によって空乏領域１２２内で励起された電子は、空乏領域１２２の表面に向かってドリフト運動をする。同様に、空乏領域１２２内で励起された正孔は、不純物半導体１１０との界面に向かってドリフト運動をする。当該ドリフト運動によって過渡的な電界強度変動が発生するので、不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合にも、半導体基板１００は電磁波を発生する。
【００４４】
電子および正孔のドリフト運動によって生じる電流の過渡応答速度は、電子および正孔のドリフト速度に応じて変化する。電子および正孔のドリフト速度が大きければ大きいほど、電流の過渡応答速度が速くなるので、発生する電磁波の周波数が高くなる。逆に、電子および正孔のドリフト速度が小さければ小さいほど、発生する電磁波の周波数が低くなる。従って、空乏領域１２２内部の電子および正孔のドリフト速度を変化させることによって、空乏領域１２２において発生する電磁波の周波数を変化させることができる。
【００４５】
空乏領域１２２内部の電子および正孔のドリフト速度は、空乏領域１２２内部における伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配に応じて変化する。空乏領域１２２のポテンシャルの勾配は、例えば、空乏領域１２２の膜厚または組成を変化させることによって変化する。その結果、空乏領域１２２が発生する電磁波の周波数が変化する。
【００４６】
従って、空乏化半導体１２０が、それぞれ膜厚および組成の少なくとも一つが異なる空乏領域１２２および空乏領域１２４を有する場合には、空乏化半導体１２０は、それぞれの領域から異なる周波数の電磁波を出力する。
【００４７】
なお、半導体基板１００に光を照射した場合には、光の照射に起因するコヒーレントＬＯフォノンの固有振動数に対応した電磁波も発生する。具体的には、半導体基板１００の表面においては結晶の原子配列が並進対称になっていないので、照射された光のエネルギーによって分極した原子がコヒーレントに振動することによって電磁波が発生する。コヒーレントＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数は、光の照射を受ける半導体に固有の周波数である。
【００４８】
図３Ａは、膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する半導体基板１００の断面を示す。同図において、半導体基板１００は、異なる膜厚を有する複数の領域として、空乏領域１２２および空乏領域１２６を有する。空乏領域１２２の膜厚はｄ１であり、空乏領域１２６の膜厚は、ｄ２（ｄ２＞ｄ１）である。
【００４９】
図３Ｂは、図３Ａに示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。点線は空乏領域１２２の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示し、実線は空乏領域１２６の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。空乏領域１２２の表面１６２および空乏領域１２６の表面１６６における伝導帯のポテンシャルは、共にＥｓにピニングされる。
【００５０】
ここで、空乏領域１２２と不純物半導体１１０との界面１７２および空乏領域１２６と不純物半導体１１０との界面１７６のポテンシャルをＥｂとすると、空乏領域１２２内部におけるポテンシャルの勾配はＤ１＝（Ｅｓ−Ｅｂ）／ｄ１で表される。空乏領域１２６内部におけるポテンシャルの勾配はＤ２＝（Ｅｓ−Ｅｂ）／ｄ２で表される。ｄ２＞ｄ１なので、Ｄ１＞Ｄ２である。従って、空乏領域１２６における電子および正孔のドリフト速度は、空乏領域１２２における電子および正孔のドリフト速度よりも小さくなる。その結果、光の照射を受けて空乏領域１２６が発生する電磁波の周波数は、光の照射を受けて空乏領域１２２が発生する電磁波の周波数よりも低い。
【００５１】
なお、不純物半導体１１０における空乏領域１２２および空乏領域１２６に近接する領域には空乏層が生じる。界面１７２および界面１７６は、例えば、空乏領域１２６と不純物半導体１１０に生じた空乏層とが接する面である。不純物半導体１１０に生じた空乏層が、不純物半導体１１０の空乏層以外の領域と接する面を界面１７２および界面１７６としてもよい。
【００５２】
図３Ｃは、膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０を有する他の実施形態の半導体基板１００の断面を示す。同図における空乏領域１２６の表面１６６は、空乏領域１２２の表面１６２と同一平面上にある。また、不純物半導体１１０は、空乏領域１２２に接する領域および空乏領域１２６に接する領域のそれぞれにおいて、異なる膜厚を有する。
【００５３】
例えば、図３Ｃに示す半導体基板１００は、ｉ型半導体の複数の領域のそれぞれが、異なる深さ方向の分布を有するように不純物イオンを注入することによって製造される。具体的には、不純物半導体１１０をｎ型半導体にする場合には、空乏領域１２６において、空乏領域１２２よりも深くまで補償アクセプターイオンを注入する。注入イオン密度を調整することにより、注入領域における有効不純物濃度を下げ、実質的にｉ型半導体を形成することができる。また、注入エネルギーを調整することにより、空乏領域の深さを制御することもできる。その結果、空乏領域１２６における空乏化半導体１２０の膜厚を空乏領域１２２における空乏化半導体１２０の膜厚よりも大きくすることができる。
【００５４】
以上のように、半導体基板１００が膜厚の異なる空乏領域１２２および空乏領域１２６を有する空乏化半導体１２０を備えることにより、照射された光を受けて、空乏領域１２２および空乏領域１２６がそれぞれ異なる周波数の電磁波を出力する。以上の説明においては、空乏化半導体１２０は、膜厚が異なる２つの領域を有していたが、空乏化半導体１２０は、膜厚が異なる３以上の領域を有してもよい。
【００５５】
図４は、他の実施形態における半導体基板１００の断面を示す。同図において、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、不純物半導体１１６をさらに備える。不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するｐ型半導体またはｎ型半導体である。不純物半導体１１０がｐ型半導体である場合には、不純物半導体１１６はｎ型半導体である。不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合には、不純物半導体１１６はｐ型半導体である。
【００５６】
不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０が空乏領域１２２と接する界面１７２と異なる界面１８２において、空乏領域１２２と接する。また、不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０が空乏領域１２４と接する界面１７４と異なる界面１８４において、空乏領域１２４と接する。
【００５７】
不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０よりも面積が小さいことが好ましい。不純物半導体１１６が、空乏領域１２２の表面１６２および空乏領域１２４の表面１６４のそれぞれの少なくとも一部を露出させることにより、空乏化半導体１２０は空乏領域１２２および空乏領域１２４のそれぞれにおいて光の照射を直接受けることができる。
【００５８】
不純物半導体１１６の積層方向の膜厚が、照射された光を透過する程度に小さい場合、不純物半導体１１６が間接遷移型半導体である場合、または、不純物半導体１１６が、照射される光の光子エネルギーよりも大きな禁制帯幅を持ち、照射される光に対する吸収係数が小さく実質的に透明である場合には、不純物半導体１１６が空乏化半導体１２０の空乏領域１２２および空乏領域１２４の全面を覆ってもよい。不純物半導体１１６が空乏領域１２２および空乏領域１２４の全面を覆った場合には、照射される光により空乏化半導体１２０から生じる電磁波の再吸収を極力小さくするように、不純物半導体１１６の膜厚が十分に薄いこと、不純物半導体１１６中の自由キャリア濃度が十分に低いこと、または不純物半導体１１６自体が空乏化していることが好ましい。
【００５９】
不純物半導体１１０が空乏化半導体１２０と接する界面１７２および界面１７４の近傍には、空乏層が生じる。また、不純物半導体１１６が空乏化半導体１２０と接する界面１８２および界面１８４の近傍にも、空乏層が生じる。空乏領域１２２および空乏領域１２４は、これらの領域を含んでもよい。
【００６０】
図５は、空乏化半導体１２０に代えて、空乏化半導体１２８を有する半導体基板１００の断面を示す。空乏化半導体１２８は、水平面上の中央近傍の領域の膜厚が、空乏化半導体１２８の外周近傍の領域の膜厚よりも小さい。空乏化半導体１２８は、水平方向において変化する膜厚を有する。
【００６１】
空乏化半導体１２８は、膜厚が水平方向において連続的に変化するので、内部のポテンシャルの勾配も水平方向において連続的に変化する。従って、空乏化半導体１２８は、空乏化半導体１２８に照射される光の水平方向の照射位置に応じて、異なる周波数の電磁波を発生する。具体的には、図６に示す例においては、空乏化半導体１２８の外周近傍の領域に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数は、空乏化半導体１２８の中央近傍の領域に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数よりも低い。
【００６２】
図６は、空乏化半導体１２０が、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合の半導体基板１００の断面を示す。半導体基板１００は、図１Ａに示した空乏領域１２４に代えて、空乏領域１２２と組成が異なる空乏領域１３０を備える。
【００６３】
例えば、空乏領域１３０の組成は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）である。空乏領域１３０は、空乏領域１２２と組成が異なるので、空乏領域１２２と異なる禁制帯幅を有する。例えば、空乏領域１２２がＧａＡｓである場合には、空乏領域１２２の禁制帯幅は約１．４２ｅＶである。これに対して、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）の場合、直接遷移型であるＡｌ組成ｘ＝０〜０．４３の範囲においては、ｘに応じて禁制帯幅は１．４２ｅＶ〜１．９７ｅＶであり、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）の禁制帯幅はＩｎ組成ｙ＝０〜１の範囲において約１．４２ｅＶ〜０．３６ｅＶである。
【００６４】
不純物半導体１１０がｎ型半導体であって、かつ、空乏領域１３０がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．４３）である場合には、空乏領域１３０の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルが、ＧａＡｓの空乏領域１２２の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルよりも大きい。従って、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも、伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配が大きい。その結果、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも高い周波数の電磁波を出力する。
【００６５】
空乏領域１３０がＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）である場合には、表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルが、ＧａＡｓの空乏領域１２２の表面における伝導帯および価電子帯のポテンシャルよりも小さい。従って、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも、伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配が小さい。その結果、空乏領域１３０は、空乏領域１２２よりも低い周波数の電磁波を出力する。
【００６６】
ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．４３）およびＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）のバンドギャップは、ｘおよびｙの値に応じて変化する。具体的には、ｘが大きくなるとＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのバンドギャップが大きくなり、ｙが大きくなるとＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）のバンドギャップは小さくなる。従って、空乏領域１３０がより多くのＡｌを含む場合には、空乏領域１３０はより高い周波数の電磁波を出力する。また、空乏領域１３０がより多くのＩｎを含む場合には、空乏領域１３０はより低い周波数の電磁波を出力する。
【００６７】
なお、空乏領域１３０の組成がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）である場合には、ＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数も、ＧａＡｓである空乏領域１２２が出力する周波数と異なる。具体的には、Ａｌの組成比が大きいと、ＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数が高くなり、Ｉｎの組成比が大きいと、ＬＯフォノンに起因して発生する電磁波の周波数が低くなる。従って、空乏化半導体１２０は、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合には、異なる周波数のキャリアのドリフト運動に起因する電磁波、および、ＬＯフォノンに起因する電磁波を出力することができる。
【００６８】
空乏領域１２２および空乏領域１３０は、それぞれ異なる量の有効不純物を有してもよい。有効不純物濃度が異なると、伝導帯のポテンシャルの勾配が異なるので、空乏領域１２２および空乏領域１３０が、それぞれ異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００６９】
図７は、不純物半導体１１０の代わりに、水平方向に隣接する不純物半導体１１２および不純物半導体１１４を有する半導体基板１００の断面を示す。不純物半導体１１２および不純物半導体１１４は、それぞれ異なるキャリア濃度を有するｎ型半導体またはｐ型半導体である。例えば、空乏領域１２２は不純物半導体１１２上に設けられ、空乏領域１２４は不純物半導体１１４上に設けられる。
【００７０】
図８は、図７に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。本実施形態においては、不純物半導体１１２および不純物半導体１１４は、ｎ型半導体である。また、不純物半導体１１２のキャリア濃度は、不純物半導体１１４よりも大きい。点線は、不純物半導体１１２および空乏領域１２２が積層された領域における伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。実線は、不純物半導体１１４および空乏領域１２４が積層された領域における伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。
【００７１】
それぞれの領域における伝導帯のポテンシャルを比較すると、不純物半導体１１２のキャリア濃度が不純物半導体１１４のキャリア濃度よりも大きいので、不純物半導体１１２の伝導帯のポテンシャルは不純物半導体１１４の伝導帯のポテンシャルよりもフェルミ準位に近い。つまり、不純物半導体１１２と空乏領域１２２との界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ１は、不純物半導体１１４と空乏領域１２４との界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ２よりも小さい。
【００７２】
従って、空乏領域１２２の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓと、不純物半導体１１２および空乏領域１２２の界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ１との差は、空乏領域１２４の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓと、不純物半導体１１４および空乏領域１２４の界面における伝導帯のポテンシャルＥｂ２との差よりも大きい。つまり、空乏領域１２２内部における伝導帯のポテンシャルの勾配は、空乏領域１２４内部における伝導帯のポテンシャルの勾配よりも大きい。
【００７３】
その結果、空乏領域１２２に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数は、空乏領域１２４に光が照射された場合に発生する電磁波の周波数よりも高い。以上のように、空乏化半導体１２０が積層される不純物半導体１１０が異なるキャリア濃度を有する複数の領域を有する場合にも、半導体基板１００は照射された光を受けて、複数の異なる周波数の電磁波を発生することができる。
【００７４】
図９は、印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の断面を示す。同図において、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、電圧印加部１４２、および電圧印加部１４６をさらに備える。電圧印加部１４２は、空乏領域１２２に接続される。電圧印加部１４６は、不純物半導体１１０に接続される。
【００７５】
電圧印加部１４２および電圧印加部１４６は、空乏化半導体１２０に電圧を印加する。その結果、空乏領域１２２の電界強度は電圧印加部１４２および電圧印加部１４６との間に印加される電圧により変化する。
【００７６】
電圧印加部１４２、および電圧印加部１４６は、外部から電圧を受ける導電性の電極を有してもよい。当該電極は、例えばショットキー電極またはオーミック電極を用いることができる。電圧印加部１４２は、例えば、空乏領域１２２の光照射部以外の場所に電極を形成してよい。また空乏領域１２２の光照射部を含む全面を覆う、薄い透明電極を有してもよい。電圧印加部１４２は、空乏領域１２２の全面を覆う櫛型形状をした櫛型電極を有し、励起光は、前記櫛形電極の隙間から空乏領域１２２に照射されてもよい。電圧印加部１４２、電圧印加部１４６は、例えば、空乏化半導体１２０を結晶成長させた後で、スパッタリング法あるいは蒸着法で電極材料を形成し、必要に応じて熱処理等を加えることで設けることができる。
【００７７】
図１０は、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合における、図９に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。点線は空乏領域１２２の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。半導体基板１００は、不純物半導体１１０側に電圧印加部１４６として形成されたオーミック電極、および電圧印加部１４２として形成されたショットキー電極を有し、逆方向電圧が空乏領域１２２に印加される。実線は、逆方向電圧を印加したときの空乏領域１２４の伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。ここで、「逆方向電圧を印加する」とは、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合に、不純物半導体１１０の電圧印加部１４６に印加される電圧よりも低い電圧を空乏領域１２２の電圧印加部１４２に印加することである。
【００７８】
図１０において、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓ'は、逆方向電圧を印加されていない空乏領域１２２の表面における伝導帯のポテンシャルＥｓよりも大きい。その結果、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２内部における伝導帯のポテンシャルの勾配は、逆方向電圧を印加されていない場合の空乏領域１２２内部における伝導帯のポテンシャルの勾配よりも大きい。
【００７９】
上記の勾配の差により、空乏領域１２２内部で励起された電子のドリフト速度に差が生じる。具体的には、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２内部の電子のドリフト速度は、逆方向電圧を印加されていない空乏領域１２２内部の電子のドリフト速度よりも大きい。従って、逆方向電圧を印加された空乏領域１２２は、逆方向電圧を印加されていない１２２が出力する電磁波よりも高い周波数の電磁波を出力する。
【００８０】
電圧印加部１４２および電圧印加部１４６への印加電圧を変化させることによって、空乏領域１２２の電界強度を変化させることができるので、半導体基板１００は、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数を変化させることができる。なお、電圧印加部１４２が空乏領域１２２表面に部分的に形成された場合には、電圧印加部１４２に電圧が印加されると、露出されている空乏領域１２２の水平方向の距離に応じて、空乏領域１２２内部の電界強度は変化する。従って、電圧印加部１４２を設ける位置、あるいは電圧印加部に対する光照射部の位置に応じて、半導体基板１００は異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００８１】
図１１は、印加電圧を変化させることができる半導体基板１００の他の実施形態に係る断面を示す。同図において、半導体基板１００は、図１Ａに示した半導体基板１００に対して、不純物半導体１１６、電圧印加部１４２、および電圧印加部１４６をさらに備える。不純物半導体１１６は、不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するｐ型半導体またはｎ型半導体である。
【００８２】
電圧印加部１４２および電圧印加部１４６は、外部から電圧を受けて、不純物半導体１１０と不純物半導体１１６との間に電圧を発生させる。電圧印加部１４２および電圧印加部１４６は、導電性の電極を有する。当該電極は、例えばオーミック電極である。
【００８３】
不純物半導体１１６は、積層方向の膜厚が不純物半導体１１０よりも小さいことが好ましい。不純物半導体１１６の膜厚が小さいと、照射される光をより多く空乏領域１２２および空乏領域１２４に透過する。その結果、空乏領域１２２および空乏領域１２４において励起されるキャリアの量が多くなり、また不純物半導体１１６内に存在する自由キャリアによる、空乏領域１２２および１２４から発生する電磁波の吸収も小さくできるので、空乏領域１２２および空乏領域１２４から出力される電磁波の強度が大きくなる。
【００８４】
不純物半導体１１６は、例えば間接遷移型半導体である。不純物半導体１１６は、照射される光の光子エネルギーよりも大きな禁制帯幅を持ち、照射される光に対する吸収係数が小さく、実質的に透明である材料を用いてもよい。なお、照射される光の吸収を極力抑制するべく、また、照射される光により空乏化半導体１２０から生じる電磁波の再吸収を極力小さくするべく、電圧印加部１４２以外の不純物半導体１１６は、膜厚が十分薄いか、自由キャリア濃度が十分に低いか、または空乏化していることが好ましい。
【００８５】
図１２は、不純物半導体１１０がｎ型半導体であり、かつ不純物半導体１１６がｐ型半導体である場合における、図１１に示した半導体基板１００のエネルギーバンドを示す。点線は、電圧印加部１４２および電圧印加部１４６が、不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に電圧を印加しない場合における、伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。実線は、電圧印加部１４２および電圧印加部１４６が、不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に逆方向電圧を印加した場合における、伝導帯および価電子帯のポテンシャルを示す。
【００８６】
不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に逆方向電圧が印加されると、空乏領域１２２における伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配が大きくなる。その結果、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数が大きくなる。同様に、空乏領域１２４における伝導帯および価電子帯のポテンシャルの勾配も大きくなるので、空乏領域１２４が出力する電磁波の周波数も大きくなる。
【００８７】
電圧印加部１４６が出力する電圧に対して電圧印加部１４２が出力する電圧を高くすることによって、不純物半導体１１６と不純物半導体１１０との間に順方向電圧が印加されると、空乏領域１２２内部のポテンシャルの勾配が小さくなる。従って、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数が小さくなる。以上のように、電圧印加部１４２および電圧印加部１４６が出力する電圧の極性および大きさを変化させることにより、空乏領域１２２が出力する電磁波の周波数を変化させることができる。
【００８８】
なお、電圧印加部１４２が不純物半導体１１６の一部に形成され、電圧印加部１４２以外の不純物半導体１１６が除去されているか、もしくは十分薄く、空乏化している場合には、電圧印加部１４２からの水平方向の距離に応じて、空乏領域１２２内部の電界強度が変化する。従って、電圧印加部１４２を設ける位置または電圧印加部１４２に対する光照射位置に応じて、半導体基板１００は異なる周波数の電磁波を出力することができる。
【００８９】
以上説明した半導体基板１００は、不純物半導体を準備した上で、当該不純物半導体上に、異なる電界強度が生じる複数の領域を有する空乏化半導体を結晶成長させることによって製造することができる。例えば、空乏化半導体を結晶成長させる段階において、膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体を成長させることにより、半導体基板１００を製造することができる。また、空乏化半導体を結晶成長させる段階において、組成が異なる複数の領域を有する空乏化半導体を成長させることによっても、半導体基板１００を製造することができる。異なる電界強度を有する空乏化半導体を有する複数の半導体基板１００を並列に並べて使用することもできる。
【００９０】
図１３は、図３Ａに示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。図１４は、半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。空乏領域１２６における空乏化半導体１２０は、空乏領域１２６−１において空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させた後に、空乏領域１２６−２において空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させることにより形成される。以下、図１３に沿って、図３Ａに示した半導体基板１００の製造方法を説明する。
【００９１】
まず、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体１１０を準備する（Ｓ１０２）。続いて、不純物半導体１１０上に、空乏化半導体１２０の前駆体の結晶成長を阻害する阻害層１５２を設ける（Ｓ１０４）。阻害層１５２は、例えば、酸化シリコン層、酸化アルミニウム層、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層、窒化タンタル層もしくは窒化チタン層、またはこれらを積層した層である。阻害層１５２の膜厚は、例えば０．０５〜５μｍである。阻害層１５２は、例えば、ＣＶＤ法またはスパッタ法により形成できる。阻害層１５２は、不純物半導体１１０を熱酸化することにより生成してもよい。
【００９２】
次に、不純物半導体１１０の表面の一部に空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させ、空乏領域１２６−１を形成する（Ｓ１０６）。例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて空乏化半導体１２０の前駆体をエピタキシャル成長させることにより、不純物半導体１１０の面上の阻害層１５２が設けられていない領域に空乏化半導体１２０の前駆体が結晶成長する。続いて、エッチング等の方法を用いて、阻害層１５２を削除する（Ｓ１０８）。
【００９３】
最後に、空乏領域１２６−１上の空乏領域１２６−２において空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させる。また、不純物半導体１１０上の阻害層１５２が除去された空乏領域１２２においても空乏化半導体１２０の前駆体を結晶成長させる（Ｓ１１０）。以上の手順により、空乏領域１２２および空乏領域１２６においてそれぞれ異なる膜厚を有する空乏化半導体１２０を備える半導体基板１００を製造することができる。
【００９４】
図１５は、図５に示した半導体基板１００の製造方法のフローを示す。図１６Ａは、半導体基板１００の製造段階における半導体基板１００の断面の一例を示す。図１６Ｂは、図１５に示した半導体基板１００の上面の一例を示す。
【００９５】
まず、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体としての不純物半導体１１０を準備する（Ｓ２０２）。続いて、不純物半導体１１０上に、空乏化半導体１２８の結晶成長を阻害する阻害層１５４を設ける（Ｓ２０４）。阻害層１５４は、図１３において説明した阻害層１５２と同等の材料および製法により形成することができる。
【００９６】
次に、不純物半導体１１０の表面が露出するまで阻害層１５４を貫通する開口１５６を阻害層１５２に形成する（Ｓ２０６）。開口１５６は、例えば、エッチング等のフォトリソグラフィ法により形成される。開口１５６は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下の辺を有する四辺形である。開口１５６は、四辺形以外の円および楕円などの任意の形状であってもよい。
【００９７】
続いて、開口１５６の内部に空乏化半導体１２８を結晶成長させる（Ｓ２０８）。空乏化半導体１２８を結晶成長させる段階においては、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて空乏化半導体１２８の前駆体を開口１５６の内部でエピタキシャル成長させる。開口１５６近傍の阻害層１５４上に供給された前駆体は、開口１５６の周辺部に導入されて結晶成長する。従って、開口１５６の周辺部における膜厚が開口１５６の中央付近における膜厚よりも大きい空乏化半導体１２８を結晶成長させることができる。
【００９８】
阻害層１５４の面積と開口１５６の面積との比率に応じて、開口１５６内部で結晶成長する空乏化半導体１２８の膜厚を制御してもよい。阻害層１５４上に供給された空乏化半導体１２８の前駆体の一部は、開口１５６に導入される。従って、阻害層１５４の面積が開口１５６の面積に対して大きいと、より多くの前駆体が開口１５６の内部で結晶成長する。
【００９９】
膜厚が異なる複数の領域を有する空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８を備える半導体基板１００を製造する方法は、上記の方法に限定されない。例えば、Ｓ２０６において、阻害層１５４に、大きさまたは形状が異なる複数の開口１５６を形成することにより、膜厚が異なる複数の空乏化半導体１２８を設けてもよい。複数の開口１５６を設けることによって、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数の範囲を大きくすることができる。
【０１００】
また、不純物半導体１１０上に空乏化半導体１２０をモノリシックにエピタキシャル成長させた後に、空乏化半導体１２０の一部の領域をエッチングにより除去することによっても、膜厚が異なる複数の領域を有する半導体基板１００を製造することができる。例えば、ドライエッチングの場合には、エッチャントの分布を制御することにより、エッチング量を異ならせることで、異なる膜厚を有する領域を形成することができる。膜厚を大きくしたい領域にレジスト等を塗布した上でエッチングすることにより、異なる膜厚を有する領域を形成してもよい。また、ウェットエッチングの場合には、半導体基板１００の領域ごとにエッチャントに浸漬する時間を変化させることにより、異なる膜厚を有する領域を形成してもよい。
【０１０１】
なお、空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８の前駆体を結晶成長させた後に、空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８上に、不純物半導体１１０と逆極性の導電型を有するｐ型半導体またはｎ型半導体をエピタキシャル成長させてもよい。例えば、不純物半導体１１０がｎ型半導体である場合には、空乏化半導体１２０または空乏化半導体１２８上にｐ型半導体を結晶成長させる。
【０１０２】
図１７は、電磁波発生装置１５００の構成を示す。励起光源１０００は、光照射部１０１０および選択部１０２０を備える。光照射部１０１０は、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、不純物半導体に接する複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板１００における複数の空乏領域にパルスレーザー光を照射する。光照射部１０１０は、例えばレーザー光源を有する。
【０１０３】
半導体基板１００は、不純物半導体として、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体および第２の不純物半導体を有し、空乏化半導体として、第１の不純物半導体に接する空乏領域を有する第１の空乏化半導体と、第２の不純物半導体に接する空乏領域を有する第２の空乏化半導体とを有していてもよい。つまり、電磁波発生装置１５００は、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、当該不純物半導体に接する空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板を複数備えていてもよい。光照射部１０１０は、それぞれの半導体基板上の空乏領域にパルスレーザー光を照射する。
【０１０４】
選択部１０２０は、複数の空乏領域のいずれの領域にパルスレーザー光を照射するかを選択する。例えば、選択部１０２０は、発生すべき電磁波の周波数を示す周波数情報を取得し、取得した周波数情報に応じて、複数の空乏領域のうち、いずれかの領域を選択する。光照射部１０１０は、選択部１０２０が選択した結果に応じて、レーザー光源と光を照射する対象となる半導体基板１００との相対位置を変化させることによって、選択部１０２０が選択した領域に光を照射する。
【０１０５】
励起光源１０００は、光を照射すべき半導体基板１００を内蔵してもよい。この場合には、励起光源１０００は、選択部１０２０が選択した領域に応じて、光を照射すべき半導体基板の位置を変化させてもよい。
【０１０６】
半導体基板１００において、複数の空乏領域のそれぞれは、例えば、空乏化半導体が前記不純物半導体に接する界面に垂直な方向における界面と空乏化半導体の表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる。選択部１０２０は、光照射部１０１０がパルスレーザー光を照射する領域として、発生すべき電磁波の周波数に応じた領域を複数の空乏領域から選択する。
【０１０７】
例えば、半導体基板１００が、膜厚が異なる複数の領域を有する場合には、選択部１０２０は、発生すべき周波数に応じて光を照射する領域を選択する。具体的には、選択部１０２０は、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合に、膜厚がより小さい領域を複数の領域から選択する。より具体的には、光照射部１０１０が、図３Ａに示した半導体基板１００に光を照射する場合において、電磁波発生装置１５００が、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合には、選択部１０２０は空乏領域１２２を選択する。電磁波発生装置１５００が、より低い周波数の電磁波を発生すべき場合には、選択部１０２０は空乏領域１２６を選択する。
【０１０８】
半導体基板１００が、組成がそれぞれ異なる複数の領域を有する場合には、選択部１０２０は、発生すべき周波数に応じて領域を選択する。例えば、半導体基板１００が、組成比が異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を有する複数の領域を有する場合には、選択部１０２０はＡｌまたはＩｎ、またはＡｓ，Ｐの組成比に応じて領域を選択する。具体的には、選択部１０２０は、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合に、Ａｌの組成比がより大きいＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）を含む領域、またはＩｎもしくはＡｓの組成比がより小さいＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含む領域複数の領域から選択する。
【０１０９】
図１８は、他の実施形態に係る電磁波発生装置１５００の構成を示す。同図における励起光源１０００は、電圧発生部１０３０をさらに備える。電圧発生部１０３０は、空乏化半導体に印加する電圧を発生する。選択部１０２０は、より高い周波数の電磁波を発生すべき場合に、空乏化半導体の表面と、空乏化半導体および不純物半導体の界面との間の電圧差をより大きくする電圧を、電圧発生部１０３０に発生させる。
【０１１０】
具体的には、励起光源１０００が、図９に示した半導体基板１００または図１１に示した半導体基板１００に光を照射することによって電磁波を発生させる場合に、電圧発生部１０３０は発生すべき周波数に応じて異なる電圧を半導体基板１００または半導体基板１００に印加する。より具体的には、不純物半導体１１０がｎ型半導体であり不純物半導体１１６がｐ型半導体である場合には、電圧発生部１０３０は、電圧印加部１４６に印加する電圧に対して電圧印加部１４２に印加する電圧をより小さくして逆方向電圧を大きくすることにより、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数をより高くすることができる。
【０１１１】
逆に、電圧発生部１０３０は、逆方向電圧を小さくすることにより、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数を低くすることができる。電圧発生部１０３０は、電圧印加部１４２に印加する電圧を電圧印加部１４６に印加する電圧よりも大きくして順方向電圧を印加することによっても、半導体基板１００が発生する電磁波の周波数を低くすることができる。
【０１１２】
選択部１０２０は、電圧発生部１０３０を制御するとともに、光照射部１０１０を制御してもよい。例えば、選択部１０２０は、発生すべき電磁波の周波数範囲に応じて光照射部１０１０が光を照射する領域を選択した上で、電圧発生部１０３０が出力する電圧を制御することによって、当該周波数範囲内で周波数を選択することができる。
【０１１３】
（実施例１）
ｎ型ＧａＡｓ上にｉ−ＧａＡｓを積層した半導体基板１００に光を照射することによって、半導体表面における瞬間的過渡電流およびコヒーレントＬＯフォノンに起因するテラヘルツ周波数帯の電磁波を発生させた。励起光源１０００として、フェムト秒パルスモード同期方式のチタンサファイアレーザ（パルス幅：７０ｆｓ、中心波長７９０ｎｍ）を用いた。
【０１１４】
図１９に、実験に用いた測定システム２０００の構成の概要を示す。測定システム２０００は、ハーフミラー２０１０、ミラー２０２０、ミラー２０３０、ミラー２０４０、パラボラミラー２０５０、パラボラミラー２０６０、測定部２０７０、ミラー２０８０、ミラー２０９０、およびミラー２１００を備える。
【０１１５】
測定部２０７０は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により結晶成長させた低温ＧａＡｓエピタキシャル層上に形成したダイポールアンテナ（光伝導アンテナ）を有する。測定部２０７０は、励起光源１０００が出力するパルスレーザー光に応じて半導体基板１００が出力する電磁波をダイポールアンテナで受信する。測定部２０７０は、受信した電磁波の振動に応じて流れる電流を増幅して、電流波形を記録する。
【０１１６】
励起光源１０００が出力するパルスレーザー光は、ハーフミラー２０１０、ミラー２０２０、ミラー２０３０、およびミラー２０４０を経由して、半導体基板１００に印加される。半導体基板１００が発生した電磁波は、パラボラミラー２０５０およびパラボラミラー２０６０を経由して、測定部２０７０に入力される。
【０１１７】
励起光源１０００が出力したパルスレーザー光の一部は、ハーフミラー２０１０によって反射されて、ミラー２０８０、ミラー２０９０、およびミラー２１００を経由して、ゲート信号として測定部２０７０に入力される。測定部２０７０は、ゲート信号が入力されたタイミングで、受信した電磁波に応じて流れる電流値を測定する。
【０１１８】
測定システム２０００は、ミラー２０８０およびミラー２０９０を順次移動させることによってゲート信号の遅延時間を変化する。測定システム２０００は、ゲート信号の遅延時間を順次変化させることにより、遅延時間に応じて変化する電流値を測定する。ゲート信号を用いて測定期間を規定する光ゲーティング法を用いることにより、励起光のタイミングに応じて定められた期間だけ電磁波を検出することができるので、測定結果から暗ノイズが除去された高精度の測定が可能になる。
【０１１９】
ＧａＡｓ（１００）面基板上にｎ−ＧａＡｓ（キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３、膜厚３μｍ）、ｉ−ＧａＡｓ（膜厚２００ｎｍ）をこの順に成長し、ｉ−ＧａＡｓの表面にフェムト秒パルスレーザーを照射した。図２０Ａは、当該ｉ−ＧａＡｓ、および、不純物がドープされていないＧａＡｓのバルク結晶のそれぞれにパルスレーザー光を照射した場合に発生する電磁波の波形を示す。横軸は、パルスレーザー光を照射してからの遅延時間を示す。縦軸は、測定部２０７０において受信した電磁波に応じて計測された電流を示す。
【０１２０】
パルスレーザー光が照射されてから約２ｐｓの経過後に、不純物半導体１１０に向かう電流が流れている（図２０Ａ内のａに示すパルス）。つまり、パルスレーザー光により励起された電子が空乏化半導体１２０の表面に向かって移動している。この現象は、パルスレーザー光によって励起された正孔が拡散する前に、励起された電子が空乏化半導体１２０の表面に拡散したことにより生じたと考えられる。
【０１２１】
その後、空乏化半導体１２０の伝導帯のポテンシャルの勾配により、電子が不純物半導体１１０の向きにドリフト運動をすることにより、空乏化半導体１２０の表面に向かう電流が流れている（図２０Ａ内のｂに示すパルス）。この急峻な電流の変化により、テラヘルツ電磁波が発生したと考えられる。また、その後のｃに示す期間に観測される微細振動電流は、コヒーレントＬＯフォノンに起因して発生していると考えられる。
【０１２２】
図２０Ｂは、図２０Ａに示す電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。空乏化半導体１２０の膜厚が２００ｎｍである場合には、バルク結晶に比べて約１００倍の強度のテラヘルツ電磁波が出力された。空乏化半導体１２０の膜厚が２００ｎｍである場合には表面電界が生じているので、ＬＯフォノンの分極が強まり、バルク結晶に比べて強度が大きい電磁波が発生したと考えられる。
【０１２３】
図２０Ｂにおける４ＴＨｚ周辺の広帯域の電磁波は、空乏化半導体１２０内部におけるキャリアのドリフト運動に起因して発生していると考えられる。キャリアのドリフト速度は、キャリアによってばらつきがあるので、発生する電磁波の周波数が広い範囲に分布していると考えられる。また、約８．７ＴＨｚの電磁波は、ＧａＡｓ結晶のＬＯフォノン振動数と一致することから、コヒーレントＬＯフォノンに起因して発生していると考えられる。
【０１２４】
（実施例２）
空乏化半導体１２０の膜厚を変化させて、それぞれの膜厚において発生する電磁波に応じた電流波形および周波数スペクトルを測定した。図２１Ａは、２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。図２１Ｂは、図２１Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、４ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。
【０１２５】
ｉ−ＧａＡｓ内部のポテンシャルの勾配と相関を有するｉ−ＧａＡｓ表面電界を算出するために、ｉ−ＧａＡｓの光変調反射（ＰＲ）スペクトルを測定した。その結果、膜厚が２００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、２８．４ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２６】
図２２Ａは、５００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２２Ｂは、図２２Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、３．５ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が５００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、１２．２ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２７】
図２３Ａは、８００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２３Ｂは、図２３Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、２．５ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が８００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、７．０ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２８】
図２４Ａは、１２００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２４Ｂは、図２４Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、２．０ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が１２００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、５．２ｋＶ／ｃｍであった。
【０１２９】
図２５Ａは、２０００ｎｍの膜厚のｉ−ＧａＡｓにパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波を示す。図２５Ｂは、図２５Ａに示した電流をフーリエ変換して得られたスペクトルを示す。キャリアのドリフト運動に起因して、１．５ＴＨｚ付近に広帯域の電磁波が発生していることがわかる。膜厚が２０００ｎｍのｉ−ＧａＡｓにおける表面電界強度は、５．３ｋＶ／ｃｍであった。
【０１３０】
以上の実験から、ｉ−ＧａＡｓの膜厚を変化させることによって、半導体基板が出力するテラヘルツ電磁波の周波数が変化することを確認できた。また、膜厚と表面電界強度との間に相関があることも確認できた。
【０１３１】
なお、膜厚に応じて、発生する電磁波の強度も変化している。２００ｎｍ、５００ｎｍ、８００ｎｍ、１２００ｎｍ、２０００ｎｍの中では、膜厚が８００ｎｍの場合に、キャリア運動により発生した電磁波の強度が最も大きいことが判明した。膜厚が２００ｎｍまたは５００ｎｍの場合の表面電界強度の方が、膜厚が８００ｎｍの場合の表面電界強度よりも大きいにもかかわらず、膜厚が８００ｎｍの場合に最も強い電磁波が発生する理由は、膜厚が小さい場合に励起されるキャリアの量が、膜厚が大きい場合に励起されるキャリアの量に比べて少ないためであると考えられる。
【０１３２】
（実施例３）
ＩｎＰ上にｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓを積層した半導体基板１００に光を照射することによって、テラヘルツ周波数帯の電磁波を発生させた。励起光源１０００として、フェムト秒パルスモード同期方式のチタンサファイアレーザ（パルス幅：６０ｆｓ、中心波長７９５ｎｍ、励起強度６０ｍＷ）を用いた。ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度を変化させて、それぞれのドーピング濃度において照射される電磁波の強度及び周波数を光ゲーティング法により測定した。光ゲーティング法においては、低温成長ＧａＡｓ上に作製されたダイポールアンテナを使用した。
【０１３３】
図２６は、ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電流を示す。図２７は、ドーピング濃度が異なる複数の半導体基板１００にパルスレーザー光が照射された場合に発生する電磁波のフーリエ変換スペクトルを示す。ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度は、４．９×１０１６ｃｍ−３、１．４×１０１７ｃｍ−３、２．５×１０１７ｃｍ−３の３種類とした。
【０１３４】
図２７に示されるように、レーザーパルス光の照射を受けた半導体基板１００からは、３種類のテラヘルツ周波数帯の電磁波が発生している。図２７における最も低い周波数の電磁波（領域Ａ）は、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓに接する空乏領域において生じる瞬間的過渡電流に起因する電磁波である。
【０１３５】
図２７における中間の周波数の電磁波（領域Ｂ）は、ＬＯフォノン−プラズモン結合モードによる電磁波である。ＬＯフォノン−プラズモン結合モードによる電磁波は、ドーピング濃度が高くなるにつれて、周波数が高くなっている。この現象は、図８を用いて説明したように、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度が高いほど空乏領域内部におけるポテンシャルの勾配が大きくなることに起因すると考えられる。
【０１３６】
図２７における最も高い周波数の電磁波（領域Ｃ）は、ＬＯフォノンによる電磁波である。ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度が大きいほどＬＯフォノンによる電磁波は大きい。この現象は、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度が高くなるにしたがって空乏領域の電場強度が強くなり、ＬＯフォノン分極が大きくなっていることを反映していると考えられる。
【０１３７】
以上のとおり、ｎ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのドーピング濃度を変化させることによって、発生する電磁波の周波数及び強度が変化することを確認できた。当該挙動は、ｉ−ＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ構造において、ｉ−ＧａＡｓの層厚を変化させることによって、発生する電磁波の周波数及び強度が変化するという実施例２で説明した挙動と類似する。
【０１３８】
実施例２及び実施例３から、不純物半導体のドーピング濃度及び空乏領域の層厚に応じて、発生する電磁波の周波数及び強度が変化することが判明した。したがって、不純物半導体におけるドーピング濃度と空乏領域の層厚とを変化させることによって、発生するテラヘルツ電磁波の周波数及び強度が異なるさまざまな半導体基板を製造できることが明らかになった。
【０１３９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【０１４０】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【０１４１】
１００ 半導体基板、１１０ 不純物半導体、１１１ ベース基板、１１２ 不純物半導体、１１４ 不純物半導体、１１６ 不純物半導体、１２０ 空乏化半導体、１２２ 空乏領域、１２４ 空乏領域、１２６ 空乏領域、１２８ 空乏化半導体、１３０ 空乏領域、１４２ 電圧印加部、１４６ 電圧印加部、１５２ 阻害層、１５４ 阻害層、１５６ 開口、１６２ 表面、１６４ 表面、１６６ 表面、１７２ 界面、１７４ 界面、１７６ 界面、１８２ 界面、１８４ 界面、１０００ 励起光源、１０１０ 光照射部、１０２０ 選択部、１０３０ 電圧発生部、１５００ 電磁波発生装置、２０００ 測定システム、２０１０ ハーフミラー、２０２０ ミラー、２０３０ ミラー、２０４０ ミラー、２０５０ パラボラミラー、２０６０ パラボラミラー、２０７０ 測定部、２０８０ ミラー、２０９０ ミラー、２１００ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体と、
前記第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体と
を備え、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、
前記第１の不純物半導体との第１界面と、
前記第１界面と対向する表面と
を有し、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、前記第１界面に垂直な方向における前記第１界面と前記表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板。
【請求項２】
前記第１の不純物半導体が前記空乏化半導体に接する前記第１界面と異なる第２界面において前記空乏化半導体に接し、前記第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をさらに備える請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記複数の空乏領域は、照射された光を受けて、それぞれ周波数が異なる電磁波を出力する請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記空乏化半導体の前記平均距離が２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記空乏化半導体の有効不純物濃度が、１×１０１７ｃｍ−３未満である請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記第１の不純物半導体は直接遷移型３−５族化合物半導体である請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記空乏化半導体が組成の異なる前記複数の空乏領域を有する場合に、前記複数の空乏領域は、それぞれ組成比が異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記複数の空乏領域の有効不純物濃度は、それぞれ互いに異なる請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項９】
半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、
前記ベース基板上に前記第１の不純物半導体および前記空乏化半導体がモノリシックに形成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１０】
半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、
前記第１の不純物半導体は、前記ベース基板上に複数に分離して設けられており、
前記分離して設けられた前記第１の不純物半導体のそれぞれに、前記複数の空乏領域のうち少なくとも一つが設けられている請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１１】
ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体を準備する段階と、
前記第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階と
を備え、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、
前記第１の不純物半導体との第１界面と、
前記第１界面と対向する表面と
を有し、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、前記第１界面に垂直な方向における前記第１界面と前記表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記エピタキシャル成長させる段階は、前記空乏化半導体を１回のエピタキシャル成長によりモノリシックに形成する段階を有する請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記モノリシックに形成する段階は、前記複数の空乏領域のそれぞれにおける前記平均距離を異ならせるべくエッチングする段階を有する請求項１２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記エピタキシャル成長させる段階は、
前記空乏化半導体の前駆体の結晶成長を阻害する阻害層を、前記第１の不純物半導体上に設ける段階と、
前記第１の不純物半導体にまで貫通する開口を前記阻害層に形成する開口形成段階と、
前記開口内に前記空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階と
を有する請求項１１から１３のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記開口形成段階においては、複数の異なる大きさの前記開口を形成する請求項１４に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記第１の不純物半導体が前記空乏化半導体に接する前記第１界面と異なる第２界面において前記空乏化半導体に接し、前記第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をエピタキシャル成長させる段階をさらに備える請求項１１から１５のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、前記不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板における前記複数の空乏領域にパルスレーザー光を照射する光照射部と、
前記複数の空乏領域のいずれの領域に前記パルスレーザー光を照射するかを選択する選択部と
を備える電磁波発生装置。
【請求項１８】
前記半導体基板は、
前記不純物半導体として、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体および第２の不純物半導体を有し、
前記空乏化半導体として、前記第１の不純物半導体に接する空乏領域を有する第１の空乏化半導体と、前記第２の不純物半導体に接する空乏領域を有する第２の空乏化半導体とを有する請求項１７に記載の電磁波発生装置。
【請求項１９】
前記複数の空乏領域のそれぞれは、前記空乏化半導体が前記不純物半導体に接する界面に垂直な方向における前記界面と前記空乏化半導体の表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なり、
前記選択部は、前記光照射部が前記パルスレーザー光を照射する領域として、発生すべき電磁波の周波数に応じた領域を前記複数の空乏領域から選択する請求項１７または１８に記載の電磁波発生装置。
【請求項１】
ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体と、
前記第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体と
を備え、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、
前記第１の不純物半導体との第１界面と、
前記第１界面と対向する表面と
を有し、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、前記第１界面に垂直な方向における前記第１界面と前記表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板。
【請求項２】
前記第１の不純物半導体が前記空乏化半導体に接する前記第１界面と異なる第２界面において前記空乏化半導体に接し、前記第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をさらに備える請求項１に記載の半導体基板。
【請求項３】
前記複数の空乏領域は、照射された光を受けて、それぞれ周波数が異なる電磁波を出力する請求項１または２に記載の半導体基板。
【請求項４】
前記空乏化半導体の前記平均距離が２００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下である請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項５】
前記空乏化半導体の有効不純物濃度が、１×１０１７ｃｍ−３未満である請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項６】
前記第１の不純物半導体は直接遷移型３−５族化合物半導体である請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項７】
前記空乏化半導体が組成の異なる前記複数の空乏領域を有する場合に、前記複数の空乏領域は、それぞれ組成比が異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４３）またはＩｎｙＧａ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項８】
前記複数の空乏領域の有効不純物濃度は、それぞれ互いに異なる請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項９】
半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、
前記ベース基板上に前記第１の不純物半導体および前記空乏化半導体がモノリシックに形成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１０】
半導体の結晶成長のベースとなるベース基板をさらに備え、
前記第１の不純物半導体は、前記ベース基板上に複数に分離して設けられており、
前記分離して設けられた前記第１の不純物半導体のそれぞれに、前記複数の空乏領域のうち少なくとも一つが設けられている請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体基板。
【請求項１１】
ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体を準備する段階と、
前記第１の不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階と
を備え、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、
前記第１の不純物半導体との第１界面と、
前記第１界面と対向する表面と
を有し、
前記複数の空乏領域のそれぞれは、前記第１界面に垂直な方向における前記第１界面と前記表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なる半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記エピタキシャル成長させる段階は、前記空乏化半導体を１回のエピタキシャル成長によりモノリシックに形成する段階を有する請求項１１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記モノリシックに形成する段階は、前記複数の空乏領域のそれぞれにおける前記平均距離を異ならせるべくエッチングする段階を有する請求項１２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記エピタキシャル成長させる段階は、
前記空乏化半導体の前駆体の結晶成長を阻害する阻害層を、前記第１の不純物半導体上に設ける段階と、
前記第１の不純物半導体にまで貫通する開口を前記阻害層に形成する開口形成段階と、
前記開口内に前記空乏化半導体をエピタキシャル成長させる段階と
を有する請求項１１から１３のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記開口形成段階においては、複数の異なる大きさの前記開口を形成する請求項１４に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記第１の不純物半導体が前記空乏化半導体に接する前記第１界面と異なる第２界面において前記空乏化半導体に接し、前記第１の不純物半導体と逆極性の導電型を有する第２の不純物半導体をエピタキシャル成長させる段階をさらに備える請求項１１から１５のいずれか一項に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む不純物半導体と、前記不純物半導体に接する空乏化した複数の空乏領域を有する空乏化半導体とを有する半導体基板における前記複数の空乏領域にパルスレーザー光を照射する光照射部と、
前記複数の空乏領域のいずれの領域に前記パルスレーザー光を照射するかを選択する選択部と
を備える電磁波発生装置。
【請求項１８】
前記半導体基板は、
前記不純物半導体として、ｐ型半導体またはｎ型半導体を含む第１の不純物半導体および第２の不純物半導体を有し、
前記空乏化半導体として、前記第１の不純物半導体に接する空乏領域を有する第１の空乏化半導体と、前記第２の不純物半導体に接する空乏領域を有する第２の空乏化半導体とを有する請求項１７に記載の電磁波発生装置。
【請求項１９】
前記複数の空乏領域のそれぞれは、前記空乏化半導体が前記不純物半導体に接する界面に垂直な方向における前記界面と前記空乏化半導体の表面との平均距離および組成の少なくとも一つが異なり、
前記選択部は、前記光照射部が前記パルスレーザー光を照射する領域として、発生すべき電磁波の周波数に応じた領域を前記複数の空乏領域から選択する請求項１７または１８に記載の電磁波発生装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０Ａ】
【図２０Ｂ】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３Ａ】
【図２３Ｂ】
【図２４Ａ】
【図２４Ｂ】
【図２５Ａ】
【図２５Ｂ】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１１−２１１１９１（Ｐ２０１１−２１１１９１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３４２０（Ｐ２０１１−５３４２０）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００２０９３）住友化学株式会社 (8,981)
【Ｆターム（参考）】
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