(57)【要約】【課題】  従来、光半導体膜内の内部電界が均一でなく、レーザ光により励起されたキャリアの振る舞いを効率よく制御することができなかった。【解決手段】  そこで、本発明は、光伝導性のある光半導体膜と、前記半導体膜内部に膜内とは略垂直方向に電界を印加するための一対の電極とを備え、前記電界を印加された領域に光を吸収されることで前記半導体膜中に発生したキャリアの移動によって電磁波を前記光半導体膜から発生させる光半導体装置を提供するものである。【選択図】  図１
2006066864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導性のある光半導体膜と、
前記半導体膜内部に膜内とは略垂直方向に電界を印加するための一対の電極とを備え、
前記電界を印加された領域に光を吸収されることで前記半導体膜中に発生したキャリアの移動によって電磁波を前記光半導体膜から発生させることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記電極は半導体膜を挟むように上下に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記光伝導性のある半導体膜は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体膜であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記光伝導性のある半導体膜の少なくとも一方の面には、導電型およびエネルギーバンドギャップの異なる半導体が積層されてなることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記光半導体装置には前記半導体膜より発生した電磁波を伝搬する伝送路が連続して形成され、前記伝送路を構成する金属が、前記光半導体装置の電極のうち少なくとも１つと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記光半導体装置には前記半導体膜から発生した電磁波を空間に放射または受信するためのアンテナを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記伝送路の特性インピーダンスと前記アンテナの入力インピーダンスとが略等しくなるように接続され、電磁波が前記伝送路を伝播して前記アンテナによって空間に放射または受信できることを特徴とする請求項６記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記光半導体装置には、半導体膜の電界を印加させた領域に前記半導体膜の側面より光を照射するための光導波路を備えていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項９】
前記半導体膜の電界を印加させるための上部電極近傍の半導体膜領域に、空間伝搬によって上方から光照射を行うことで、前記半導体膜から電磁波を発生させることを特徴とする請求項２記載の光半導体装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか記載の光半導体装置を少なくとも２つ用いて、１つを電磁波の発生させるために、もう１つを前記発生させた電磁波を検出するために用い、前記電磁波の伝搬経路中の物体による前記電磁波の伝搬状態の変化をセンシングすることで前記物体の様態の情報を取得することを特徴とするセンサ装置。
【請求項１１】
第１の半導体基板に犠牲層をエピタキシャル成長する工程と、
光伝導性のある半導体膜をエピタキシャル成長する工程と、
前記半導体膜表面に電極を形成する工程と、
第２の基板に電極を形成する工程と、
前記半導体膜表面の電極と第２の基板の電極とを接触させて接着する工程と、
第１の基板を前記犠牲層を境界として除去する工程と、
第２の基板に接着されて現れた半導体膜の表面にさらに電極を形成する工程とを少なくとも含むことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光照射により主にミリ波からテラヘルツ波領域の高周波電気信号を発生、検出する装置として機能する光半導体装置、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ミリ波からテラヘルツ（ＴＨｚ）波にかけた電磁波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、Ｘ線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キヤリア濃度や移動度を評価する技術などが開発されている。
【０００３】
ＴＨｚ発生手段としては特許文献１に開示されているように基板上に成膜した光伝導膜に電極を兼ねたアンテナを備えた光伝導素子が好適に用いられ、その構成の例を図１０に示す。たとえば基板は放射線処理したシリコン・オン・サファイア構造であり、光伝導材料であるシリコン膜がサファイア基板上に成膜されたものになっている。一般には光伝導膜として、ＧａＡｓ基板に低温で成長したＬＴ−ＧａＡｓが用いられることも多い。表面に形成されたダイポールアンテナ１３８は、１対のダイポール給電線１３８ａおよび１３８ｂ、一対のダイポール腕部１３９ａおよび１３９ｂからなる。光パルスは間隙１３３に集光され、間隙間に電圧が印加されていればＴＨｚパルスが発生し、電圧を印加せずに光電流を検出すればＴＨｚパルスの検出を行うことができる。基板レンズ１３６は、基板１３０に閉じこまる電磁波のスラブモード（基板モード）から自由空間への放射モードに結合させる役割とともに、空間での電磁波伝播モードの放射角を制御する役割がある。
【０００４】
これは光伝導素子単体を用いて電磁波を空間に伝搬させる例であるが、光伝導素子として機能する半導体膜と、発生した電磁波を伝搬させる伝送路を１つの基板上に集積化させた小型の機能デバイスが非特許文献１や非特許文献２で開示されている。これらは基板上に形成した高周波伝送路の一部に、ＬＴ−ＧａＡｓで構成した光伝導素子のエピタキシャル層だけの薄膜を転写した構造になっている。非特許文献１ではＳｉ基板上に絶縁体樹脂を挟むように形成したマイクロストリップ線路があり、線路の一部にギャップを生じさせて、そのギャップ下部にのみＬＴ−ＧａＡｓ薄膜を配置した構造となっている。一方、非特許文献２では石英基板上にコプレーナストリップラインを形成し、その一部に２つのライン間のギャップをまたがるようにＬＴ−ＧａＡｓ薄膜を貼り付けた構成となっている。いずれのデバイスにおいても基板表面側より、空間伝搬によってレーザ光を金属ラインのギャップに照射して、発生したＴＨｚ電磁波をラインに伝搬させるような駆動を行っている。
【特許文献１】特開平１０−１０４１７１
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８０，ｐ．１５４，２００２
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８４，ｐ．２０４９，２００４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記に述べた非特許文献１，非特許文献２のような集積デバイスにおいては、空間結合でレーザ光と光伝導素子のアライメントを行うために、結合効率の向上や安定性の維持が難しい。光伝導素子のギャップ部が基板表面にあるために、光を横入射することができず光導波路を基板上に設けてアライメントフリーにすることができない。すなわち、センシングする場合の感度やトータルな計測時間、コスト等において解決すべき点があった。
【０００６】
また、表面電極で電界を印加しているためにＬＴ−ＧａＡｓの内部電界が均一でなく、レーザ光により励起されたキャリアの振る舞いを効率よく制御することができない。ギャップ間隔についても、電界強度を制御するために１μｍ以下の狭い間隔を再現性よく作製するには高精度なフォトリソグラフィを必要としコスト上昇につながる。これらは、集積化させた素子だけでなく、空間に電磁波を伝搬させるタイプの単一の光伝導素子においても共通の課題である。
【０００７】
そこで、本発明では電極のギャップ間隔およびそのギャップ間の電界を簡単な構造で制御し得る光伝導素子およびこれとＴＨｚ伝送路などを集積化させた素子となる光半導体装置を提供するものである。また、ギャップ部に照射する光との結合において、結合効率の向上および安定化を行う構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明は光半導体装置に関し、光伝導性のある光半導体膜と、前記半導体膜内部に膜内とは略垂直方向に電界を印加するための一対の電極とを備え、前記電界を印加された領域に光を吸収されることで前記半導体膜中に発生したキャリアの移動によって電磁波を前記光半導体膜から発生させる光半導体装置を提供するものである。
【０００９】
また、本発明はセンサ装置であって、光伝導性のある光半導体膜と、前記半導体膜内部に膜内とは略垂直方向に電界を印加するための一対の電極とを備え、前記電界を印加された領域に光を吸収されることで前記半導体膜中に発生したキャリアの移動によって電磁波を前記光半導体膜から発生させる光半導体装置を少なくとも２つ用いて、１つを電磁波の発生させるために、もう１つを前記発生させた電磁波を検出するために用い、前記電磁波の伝搬経路中の物体による前記電磁波の伝搬状態の変化をセンシングすることで前記物体の様態の情報を取得するセンサ装置を提供するものである。
【００１０】
さらに、本発明は第１の半導体基板に犠牲層をエピタキシャル成長する工程と、光伝導性のある半導体膜をエピタキシャル成長する工程と、前記半導体膜表面に電極を形成する工程と、第２の基板に電極を形成する工程と、前記半導体膜表面の電極と第２の基板の電極とを接触させて接着する工程と、第１の基板を前記犠牲層を境界として除去する工程と、第２の基板に接着されて現れた半導体膜の表面にさらに電極を形成する工程とを少なくとも含む光半導体装置の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明における光半導体装置によれば、電極のギャップ間隔およびそのギャップ間の電界を簡単な構造で制御し得る光伝導素子を提供することができる。また、ギャップ部に照射する光との結合において、結合効率の向上および安定化を行う構造を提供することができる。以上より、低電圧動作可能、小型でセンシング光学系の調整が簡単で安定性、Ｓ／Ｎ比が高いテラヘルツセンシング装置を提供することができる。このセンシング装置を用いて、生体材料、有機物質、半導体材料などの分析、人体の非侵襲、非接触センシング、物体の位置変動センシングなどを低コスト、高感度で行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下より具体的に説明する。本発明においては、半導体膜内部に膜内とは略垂直方向に電界を印加することが特徴である。特に、光伝導膜となる半導体膜を挟むように上下に電極または電極に準ずるものを形成し、膜厚の方向に電圧を印加できるようする構成が好ましい。この構造を実現する作製方法の例としては、第１の基板上に作製した光伝導膜に電極を作製した後に、第２基板に接着させて光伝導膜のみを残し、第１の基板を除去してさらにその表面に電極または電極を兼ねた電磁波伝送線路を形成して、第２の基板上に光伝導素子を作製することを特徴とする。
【００１３】
光伝導素子で発生した電磁波は電極を兼ねた電磁波伝送路にそのまま伝送することができる。その伝送路にアンテナを形成して、空間に放射できるようにしてもよい。また、同一構造で光伝導素子をＴＨｚの検出器として用いることもでき、アンテナおよび伝送路で伝搬してきた電磁波を効率よくＴＨｚの検出器に導くことができる。この電磁波の検出部と発生部は電磁波伝送路を通じて接続され、同一基板上に集積されていてもよい。
【００１４】
さらに、垂直に電圧が印加できるようにした光伝導素子の側面から光を結合させるように光導波路を集積化させてもよい。光励起用の光を光ファイバーで伝送させて、光導波路にアライメント固定しておけば光学系の調整を全く行うことなく、非常に安定性に優れたＴＨｚ発生・検出器が提供できる。
【００１５】
垂直に電圧を印加できるようにした半導体膜の構成としては、単一組成のものでも、多層構成のものでもよい特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物で形成されたＩＩＩ−Ｖ族半導体膜が好ましい。単一組成の場合はたとえば、分子ビームエピタキシー法で低温（２００℃〜３００℃）成長したＬＴ−ＧａＡｓが好適に用いられる。エピタキシャル成長した膜厚で電極間の距離をコントロールできるので非常に再現性よく、高精度に電界強度を設定できる。また、多層膜構成の場合は、光吸収層を１００ｎｍ程度に薄くして、これを適度にドーピングしてバンドギャップの広い半導体層で挟んだヘテロ接合構成にすると、高キャリア移動度、低キャリア寿命が同時に達成できる。また、これらに限ることなく、導電型又はエネルギーバンドの異なる半導体を積層することができる。このように電界印加するギャップのナノオーダー制御をエピタキシャル膜の膜厚として制御すれば、表面加工で問題になっていた再現性、コストのなどの点を解決できる。
【００１６】
以下にテラヘルツ発生・検出を行うための光半導体装置として、光伝導素子およびこれを含む集積素子の実施形態について説明するが、材料、構造、デバイスなどはここに挙げたものに限定するものではない。また、素子の使用用途や発生電磁波の性質においてもここで挙げたもの以外に様々のものが可能である。
【実施例１】
【００１７】
本発明による第１の実施例は、図１のように光導波路とマイクロストリップ線路、光からテラヘルツ電磁波に変換するための光伝導素子を同一基板上に集積化させたものである。
【００１８】
Ｓｉ基板１上の一部の領域にはグランドプレーンとなるＴｉ／Ａｕ電極（またはＡｌ電極）７が形成され、中央付近には２μｍ厚の低温成長（ＬＴ）ＧａＡｓエピタキシャル膜４が転写されている。ＬＴ−ＧａＡｓの左側には光導波路３が形成されて、外部からの光入射によりＬＴ−ＧａＡｓ膜の側面に効率よく光照射されるようになっている。一方、右側では絶縁体２を挟んで上部にマイクロストリップ線路５がＴｉ／Ａｕで形成され、ＬＴ−ＧａＡｓで発生した電磁波を伝搬できるようになっている。この線路はＬＴ−ＧａＡｓの上部電極を兼ねている。線路のもう一方の端部には空間に電磁波９を放射できるようにパッチアンテナ６が形成されている。このアンテナはパルス波形を効率よく放出できるようにテーパ形状を有して広帯域型になっている。
【００１９】
Ａ断面図を説明すると、絶縁体２のＬＴ−ＧａＡｓ上部のみ電極コンタクトを得るために窓開け１１した構造になっている。また絶縁体２の右側端部は、ＬＴ−ＧａＡｓに電圧８を印加するための端子を取るために切りかき部１２を設けている。１０はＬＴ−ＧａＡｓのコンタクトを取るためのＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極であり、グランドプレーン７上面のＡｕとはＡｕＳｎはんだ（不図示）により融着している。
【００２０】
以上のような構成にすることにより、図１に示すようにＬＴ−ＧａＡｓの膜厚の垂直方向に均一な電界を印加して光伝導素子として動作させることができる。また、ギャップ間隔はエピタキシャル膜の厚さで規定できるので、精度や再現性などに優れている。典型的なサイズとしては、全体の基板サイズとして１ｃｍ角程度と非常に小型になっている。光導波路は断面が１０μｍ角程度のサイズになっているが、光入射部では結合効率を上げるために５０μｍ角に大きくしたり、逆にＬＴ−ＧａＡｓに照射する近傍では厚さ方向を２μｍにして大きさを合わせたりするためにテーパ状に加工してもよい（不図示）。マイクロストリップ線路の線路幅は１５μｍとなっており、転写したＬＴ−ＧａＡｓを光伝導素子として駆動する場合の上部電極幅は絶縁体窓１１により１０μｍ幅に規定している。絶縁体としては、加工が容易で高周波での誘電損失の少ないＢＣＢ（ベンゾジクロブテン）やポリシラン、ポリイミドが好適に用いられる。厚さは６μｍ程度にしている。これらに挙げたサイズや材料は一例であり、本発明を限定するものではない。
【００２１】
また、アンテナとしてはパッチアンテナを一例として用いたが、ダイポール、スパイラル、Ｆ型アンテナなどを用いたり、また伝送線路をスロット線路やコプレーナ線路に変換して表面型のスロットアンテナ、ボータイアンテナなどを用いてもよい。また指向性を制御するために八木アンテナ、ホーンアンテナなどを集積化してもよい。
【００２２】
次に図２を参照しながら本デバイスの作製プロセスについて述べる。図１と同じ部分となるべきところには同一番号を付与している。
【００２３】
（ａ）においてＧａＡｓ基板２０上に基板を除去するための犠牲層となるＡｌＡｓ層（２１）１００ｎｍ、２５０℃の低温で成長したＬＴ−ＧａＡｓ層（２２）２μｍを分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などで成長する。
【００２４】
（ｂ）においてはＬＴ−ＧａＡｓ表面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１０を形成して４００℃でアロイングを行ったあと、ＧａＡｓ基板２０を１２０μｍまで機械研磨を行い、２００μｍ角程度のチップ２３にチップ化する。チップ厚さを稼ぐために電極１０はさらにＡｕめっきをして３μｍの厚さにしてもよい。予めＳｉ基板１上にグランドプレーン７を形成したものの一部領域にＡｕＳｎハンダを形成しておき、チップ２３をハンドリングして所望の位置に乗せて、加熱することで融着する。チップ側にＡｕめっきを行った場合には表面に続けてＳｎをめっきまたは蒸着しておいてもよい。チップのハンドリングは、１つずつのチップを静電ピンセットなどを用いて行ってもよいし、ウエハレベルで行う場合はガラス基板などに必用な間隔で複数チップを仮接着しておいて、一括して融着を行ってもよい。
【００２５】
（ｃ）においては、融着したチップのＧａＡｓ基板の除去を行う。その場合、チップ２３の周囲は有機材料等でカバーしておき、ＧａＡｓは過酸化水素とアンアモニアの混合液で１０μ／ｍｉｎのレートでエッチングするとＡｌＡｓ層でエッチングがストップする。この犠牲層となるＡｌＡｓは農塩酸で除去する。
【００２６】
（ｄ）においては転写されたＬＴ−ＧａＡｓのサイズをおよそ１００μｍ×５０μｍに小さくするために、フォトリソグラフィと上記と同様のウエットエッチングを行う。このエッチングはＬＴ−ＧａＡｓ側壁のダメージ層を除去する目的もある。ここで２５はＧａＡｓをエッチングして残った電極１０の部分であるが、金属のエッチングを行って除去してもよい。
【００２７】
（ｅ）においては、光導波路３とマイクロストリップ線路用の絶縁体２をＢＣＢの塗布およびフォトリソグラフィにより作製する、光導波路３については感光性ＢＣＢでまずコア層を形成し、その後全体に非感光性ＢＣＢを塗布して埋め込む。感光性ＢＣＢが非感光性ＢＣＢよりも屈折率が高いために光導波路となる。全体表面を非感光性ＢＣＢで平坦化してから、ＬＴ−ＧａＡｓの電極用の窓１１をホトリソグラフィと酸素＋ＣＦ４の混合ガスによる反応性エッチング（ＲＩＥ）によって形成する。
【００２８】
（ｆ）においてマイクロストリップ線路とアンテナ兼、ＬＴ−ＧａＡｓの上部電極となるＴｉ／Ａｕ電極をリフトオフ法により形成する。
【００２９】
以上ではＢＣＢを用いた例だが、ポリイミドを用いた場合でも同様に作製ができる。また、感光性ポリシランを用いた方法では露光による重合度制御で屈折率を変化させて光導波路を作製することもできる。
【００３０】
図３は本発明による集積垂直電界印加型光伝導素子の駆動系について説明するものである。発生電磁界としてＴＨｚパルスを用いる場合には、チタンサファイア・フェムト秒レーザ３０にて１００ｆｓｅｃ程度の超短パルスを発生させハーフミラー３６にてポンプ光とプローブ光に分ける。ポンプ光を本発明による集積素子３１の光入射端に結合させ、ＴＨｚ電磁波パルス３５を発生させる。電磁波を放射させるアンテナ上部にはビーム指向性を向上させるために半球レンズ３２を接着してある。ＴＨｚ電磁波パルスは検査したい物体３３を透過して検出側の集積素子３４のアンテナで受信する（裏側を向いている）。集積素子３４は発生側の素子３１と同じ構造でよい。検出器として用いる場合には、電界は印加せずに光伝導素子の電極間に流れる電流を検出する。プローブ光を入射させるタイミングを遅延光学系３８で調整することで、特に高速電子回路を必要とせずに電磁波パルス波形を取得できる。波形解析として、振幅変化、相対伝播遅延、フーリエスペクトル変化などを計測することで検体３３の物性などを検査することができる。一般的には、レーザ光の強度は平均数ｍＷ程度、繰り返し８０ＭＨｚ程度、光伝導素子の印加電圧は１０Ｖ程度である。本発明による垂直電圧印加ではギャップ間隔が２μｍと通常の表面電極タイプの５μｍよりも小さいので、同じ電界強度を得るのに印加電圧を小さくできる。
【００３１】
検査対象としては、有機物質、半導体材料、生体材料などさまざまなものの検査を非破壊、非接触で行うことができる。物体を２次元スキャンすることで分布のイメージ像を得ることもできる。
【００３２】
人間の指先を電磁波の伝播経路に入れて皮膚の状態、血流（脈など）や血中成分などの同定、血管パターンや指紋検出による個人認証なども可能である。
【００３３】
その他、挿入物の厚さ、枚数のカウント、紙・プラスティックの内部の透視検査などにも有効である。
【００３４】
以上では、本実施例ではＬＴ−ＧａＡｓによる垂直電界印加型の光伝導素子がマイクロストリップ線路やアンテナ、光導波路が集積された構造の半導体装置を示したが、光伝導素子単体でももちろん電磁波発生素子として動作し得る。その場合、光を側面から入射してもよいし、上部から上部電極近傍に照射しても動作可能である。放射効率を高めるためには上部電極をアンテナ形状にしてももちろんよい。
【００３５】
また、ここではＧａＡｓ系について述べたが、他の半導体としてＩｎＰやＩｎＡｓなどを用いてもよい。また、有機半導体で光伝導性があるものを用いても良い。
【実施例２】
【００３６】
本発明による第２の実施例は図４の集積素子４０のように、同一基板上に複数素子をアレイ化したものである。実施例１で示した作製プロセスにおいては、Ｓｉ基板４１上にウエハレベルで一括して作成するので素子の配置、切り出し方によって自由にアレイ素子が提供できる。
【００３７】
すなわち２つの光導波路４２ａ，ｂ、光伝導素子４７ａ、ｂ、マイクロストリップ線路４３ａ、ｂ、プリントダイポールアンテナ４４ａ、ｂが並列に２つアレイ化された様子を示している。ここではアレイ間隔を１ｃｍとしたが、これに限るものではない。この場合、ＴＨｚ電磁波は４６のように空間伝播する成分があり、物体４５で反射した電磁波の状態変化する様子を検出することができる。
【００３８】
光学系について説明すると、実施例１のようなフェムト秒レーザを用いてもよいが、ここでは小型、低コスト化のために半導体レーザ４８を２台用いて構成した。２台の半導体レーザが単一モード発振で発振波長がわずかに異なる場合、結合器４９によりレーザ光のミキシングを行って光導波路４２ａの入力端に入射させると、光伝導素子４７ａよりその差周波（ビート）成分に相当する電磁波を発生させることができる。差周波の量を安定化しながら変化させることで、０．１ＴＨｚ〜３ＴＨｚ程度の範囲でＣＷのＴＨｚ電磁波の発振周波数を変化させることができる。受信側では時間調整機５０を通して光導波路４２ｂに入射させると、４７ｂの光伝導素子のフォトミキシング機能によりアンテナ４４ｂで受信した電磁波の強度を検出することができる。時間調整機５０ではフォトミキシングの位相調整を行うことになる。ビート周波数を変化させながら検出すれば、物体の反射スペクトルを測定することができるため実施例１と同様に物性の同定ができる。
【００３９】
反射測定によって吸収の比較的大きな材料の物性や、膜厚、表面荒さの状態などを検出することができる。人間に対して使用することを考えると、皮膚の表面状態たとえば荒れや老化の状態、毛穴の状態、水分の保有状態、コラーゲン、脂肪の分布、血流、血中物質の検査などが行える。
【００４０】
また、物体４５の位置変化を反射電磁波の遅延時間を計測することでセンシングすることも可能である。その場合、半導体レーザを数１０ＭＨｚの三角波で変調しておくと、既知のＦＭＣＷ方式による位置同定がＴＨｚ電磁波により高分解能（＜１００μｍ）のリモート位置センシング装置が提供できる。
【００４１】
図４では光学系を象徴的に示したが、レーザ光源が超短パルスでない場合には光ファイバで伝播させれば効率やスペースの観点で優れている。集積素子との結合も直接のバットカップリングやレンズを挟む方法、ファイバ先端にピッグテイルを設けて結合効率を上げてアライメント固定する方法などで、光源を含めた装置全体で小型化が可能である。ファイバ系で組む以外にも、Ｓｉ基板上の平面光回路に半導体レーザを実装し、光伝導素子を乗せた集積素子とも一体化してしまうことも可能である。
【実施例３】
【００４２】
本発明による第３の実施例は図５のように同一基板上に２つの光伝導素子を集積化させたものである。これにより１つの基板上で、高周波伝送線路上に近接して置いた物体のセンシングを行うセンサ装置として機能させる。
【００４３】
光伝導素子５３ａは、実施例１と同様に線路５４と下部電極５２ａの間に垂直電界を印加して５１ａの光導波路を伝播してきた光で励起されてＴＨｚ電磁波が線路５４を伝播する。本実施例ではグランドプレーンは設けず、高周波伝送線路は信号ライン５４を上下から絶縁体５５で埋め込んだ単一線路となっている。電極５２ａ、５２ｂはアイソレーションされており、光伝導素子の高さ調整をするためにＡｕめっきによって３μｍ程度の厚さになっている。
【００４４】
したがって作製プロセスは実施例１とほぼ同じであるが、Ｓｉ基板１側の電極５２ａ，ｂがパターン化されて厚くなっていること、伝送線路兼電極となる５４を形成後にさらに同一の絶縁体で上面に３μｍ程度塗布しているところが異なる。その様子をＢ断面図、Ｃ断面図を参照すれば分かりやすい。Ｂ断面図のように絶縁体５５は線路５４を作製後にさらに埋め込んでいるため電極コンタクトを取るために、ビア電極５７ａを設けている。また、Ｃ断面図のように伝送線路中間部においては伝搬している電磁波の染みだしを大きくするために、ホール５６が設けられている。検査する物質はこのホールに入れることで効率よく検出を行うことができる。
【００４５】
外部の光学系は実施例１と同様であり、ＴＨｚ電磁波発生側５１ａにチタンサファイア・フェムト秒レーザからのポンプ光、検出側５１ｂに遅延光学系を通してプローブ光を導入する。
【００４６】
この方式の場合には、伝送線路５４の伝播状態の変化を光伝導素子５３ｂで検出して、伝送路上の物体の同定を行う。検出側の光伝導素子５３ｂでは実施例１と同様に電界は印加せずに発生した光電流の計測を行えばよい。
【００４７】
検体を入れるホール５６には電磁波がエバネッセント波として染み出しており、入れた物体の特性を反映して伝播状態が変化する。具体的には電磁波の減衰が起きたり、特定周波数成分の吸収、伝播遅延などが信号変化として現れる。これは従来空間光学系で行っていた測定に比べて格段に小型化され、部品点数の減少、安定性・光結合効率の向上、Ｓ／Ｎ増加につながる。
【００４８】
また、５６の部分に置くだけで測定できるので、液体や粉末等従来では行えなかった測定ができるようになる。たとえば、アミノ酸やＤＮＡ、タンパク質など生体由来の材料の分析には溶液中の測定が必要であり、従来難しかった溶液状態のままでの高周波誘電特性を用いて評価するバイオセンサーが可能となる。
【００４９】
なお、光学系についてはフェムト秒レーザを用いたタイプについて説明したが、実施例２のように半導体レーザと光ファイバを用いて全体を小型化した装置とすることもできる。
【実施例４】
【００５０】
本発明による第４の実施例は、電界強度を高めるとともに高速で電子が移動し得る構造を提供するものである。
【００５１】
図６は実施例１と同様の集積素子で光伝導素子部の断面図である。光伝導素子以外の構造は同じにしてあるが、転写したエピタキシャル膜が多層膜構造となっている。６５はｎ−Ａｌ０．０８  Ｇａ０．９２  Ａｓ、６６はｎ−Ａｌ０．２  Ｇａ０．８  Ａｓ、６７はアンドープＧａＡｓ、６８はｎ−Ａｌ０．０８  Ｇａ０．９２  Ａｓ、６９はｎ−Ａｌ０．２  Ｇａ０．８  Ａｓとなっており、通常の成長温度（６００℃程度）で成長したものである。ｎ型層はハイドープになっており、とくに６５、６９は電極コンタクトを取りつつ励起光８００ｎｍでの吸収が小さいものになっている。全体としては厚さが約２μｍとなるように、６６、６８は１μｍ、その他は１００ｎｍの厚さとしている。励起光の吸収は６７の１００ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓ吸収層で起こり、発生したキャリアが格子にほとんど衝突せずに高速に走行できるようになっている。本実施例の場合は、通常の温度で成長しておりＬＴ−ＧａＡｓよりも結晶性が良いためキャリアの移動度が高く、発生したキャリアは吸収層からｎ型層に高速に到達するのでキャリア寿命も短くできる。しかも、電界印加層となる吸収層が薄いため、低電圧で動作させることができる。また、ＬＴ−ＧａＡｓのようにＡｓクラスタによる欠陥準位のキャリア捕獲を用いていないので発熱も少なく、膜質もよくＬＴ−ＧａＡｓのようなばらつきが少ないため素子特性が安定し作製歩留まりも高い。そのため、ＴＨｚ発生するための光伝導素子として優れた特性を示すが、吸収層の厚さが薄いために従来は励起効率を高めることができなかった。本実施例のように側面入射型にすれば、吸収長を長くとることができるため十分な効率を期待できる。
【００５２】
なおここでは、ｎ−ｉ−ｎ構造の例を示したがｐ−ｉ−ｎ構造やショオトキー接合を用いたｍ−ｉ−ｎ（ｍｅｔａｌ―ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ−ｔｙｐｅ）として逆電界を印加する方式でもよい。また、層の組成や厚さもここに挙げたものに限定されるものではない。
【実施例５】
【００５３】
本発明による第５の実施例は実施例１のような転写プロセスなしで垂直電界印加型の光伝導素子を提供するものである。
【００５４】
図７にその断面構造を示す。基板として半絶縁性のＧａＡｓ７０を用い、電極コンタクトをとるためのｎ−Ａｌ０．０８  Ｇａ０．９２  Ａｓ層７１、ＬＴ−ＧａＡｓ層７２をＭＢＥ法によりエピタキシャル成長している。絶縁層７３および上部電極７４については実施例１と同様である。
【００５５】
下部電極に関しては、７１のｎ型の層をハイドープにして金属ライクに動作させており、７５の埋め込み電極によりコンタクトを実現している。７５の構成はｎ−ＡｌＧａＡｓとの接触部分はＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕでアロイ電極を構成しており、さらにＡｕめっきにより厚膜化している。コンタクト層をＡｌＧａＡｓで構成しているのは励起するための光の吸収を低減するためである。
【００５６】
このように構成した光伝導素子は単独で用いてもよいし、実施例１から３のような集積素子として構成してもよい。この転写を用いない方法では作製プロセスを大幅に簡略化することができる。
【実施例６】
【００５７】
本実施例による第６の実施例の光伝導素子と電磁波の伝送路およびアンテナを集積させた装置の平面図ついて図８に示す。
【００５８】
基板８１表面には全体的にグランド電極となるＡｕ薄膜と厚さ３μｍのＢＣＢが塗布されている。一部領域８０にはグランド電極を取るためにＢＣＢが除去されている。８９は実施例１のようなＬＴ−ＧａＡｓ薄膜が１ｍｍ角サイズで転写されており、一部領域９０ではＬＴ−ＧａＡｓ薄膜表面が露出するようにＢＣＢの窓５００μｍ角が形成されている。８８は上部電極であり、２０μｍ幅のＴｉ／Ａｕ線路８７によって窓領域９０からＬＴ−ＧａＡｓ表面にバイアスを印加できるようになっている。８４はＬＴ−ＧａＡｓに短パルスレーザを照射したことによって発生したテラヘルツ電磁波を伝送するための５μｍ幅のマイクロストリップ線路であり、特性インピーダンスを約７０Ωに調整してある。８２はこのマイクロストリップ線路を伝搬したテラヘルツ電磁波を空間に放射するためのパッチアンテナであり、およそ９０μｍ角のサイズとなっている。インピーダンス整合のために伝送路からの給電点をアンテナの端面に対して約３０μｍ奥になるように切れ込み８３が形成されている。
【００５９】
ＬＴ−ＧａＡｓの上部電極近傍に拡大図における８６のようにレーザ光を約５μｍのスポットで照射した。この上部電極の一部には電極パッドとなる８８への高周波電磁波の伝搬を阻止するための低域通過フィルタ８５を図８の拡大図のような形で備えても良い。レーザ光の照射を行う８６近傍のＴｉ／Ａｕ線路８７の一部には切れ込みまたは突起を備えて発生効率を向上させても良い。
【００６０】
テラヘルツ電磁波によるセンシングについては今までの実施例と同じ方法で駆動することができる。この装置を用いたときの光学系の例を図９に示す。フェムト秒レーザからの光９７は反射ミラー９５およびレンズ９６によって本実施例における集積デバイス９０の光伝導素子部分９１に照射する。集積デバイス９０から発生したテラヘルツ電磁波は２枚の放物面鏡９２、９３によって９８のように空間を伝搬し、検出器９４で受信される。このとき、フェムト秒レーザ光を分岐して遅延系（付図示）を介して検出器９４まで伝搬させ周知のコヒーレント検出（時間領域スペクトル検出等）を行っても良い。
【００６１】
ここでは、テラヘルツ電磁波のための伝送線路とアンテナとのインピーダンス整合を行うことで効率よく電磁波を空間に放射させることができ、実施例１などに述べたような伝送線路上の物体のセンシングを行う上での感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による第１実施例の集積デバイスの構造図
【図２】集積デバイスの作製方法を説明する図
【図３】本発明による集積デバイスの駆動光学系を説明する図
【図４】本発明による第２実施例の集積デバイスの構成および駆動系の説明図
【図５】本発明による第３実施例の集積デバイスの構造図
【図６】本発明による第４実施例の光伝導素子部分の断面図
【図７】本発明による第５実施例の光伝導素子部分の断面図
【図８】本発明による第６実施例の集積デバイスの平面図
【図９】本発明による第６実施例における光学系を説明する図
【図１０】光伝導素子の従来例
【符号の説明】
【００６３】
１、２０、４１、７０、８１  基板
２、５５、７３  絶縁体
３、４２ａ，ｂ、５１ａ，ｂ  光導波路
４、２１、２２、５３ａ，ｂ、６５，６６，６７，６８，６９、７１、７２、８９、９１  半導体膜
５、４３ａ，ｂ、５４、８４  伝送線路
６、４４ａ，ｂ、８２  アンテナ
７、１０、５２ａ，ｂ、５７ａ，ｂ、７４，７５、８０、８７、８８  電極
８  電源
９、３５、４６  電磁波
１１、９０  窓部
１２  切りかき部
２３  チップ
３０  レーザ
３１，３４、４０、９０  集積素子
３２  レンズ
３３、４５  検体
３６、４９  分岐部
３７  ミラー
３８、５０  遅延系
４７ａ，ｂ  光伝導素子
４８  半導体レーザ
５６  ホール部
８３  アンテナ給電部
８５  低域通過フィルタ
８６  光照射部
９２，９３  放物面鏡
９４  検出器
９５  ミラー
９６  レンズ
９７  光
９８  テラヘルツ電磁波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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