(57)【要約】【課題】従来よりも、より高強度のテラヘルツ電磁波を発生させることが可能なテラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法を提供すること。レーザー光源として、例えば、チタンサファイアレーザーなどの容易に入手可能なレーザー光源を用いることができるテラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法を提供すること。【解決手段】酸化亜鉛からなる基板（基体）（１）と、基板（１）上に対向して設けられた電極（２）、（３）と、電極（２）、（３）間にバイアス電圧を印加するための手段（４）と、電極（２）、（３）間に光（５）を入射するための手段と、を有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛からなる基体と、該基体上に対向して設けられた電極と、該電極間にバイアス電圧を印加するための手段と、該電極間に光を入射するための手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記酸化亜鉛は単結晶であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
対向する電極間の距離は０．５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記レーザー光の波長は３９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁発生装置。
【請求項５】
酸化亜鉛からなる基体上に対向して設けられた電極間にバイアス電圧を印加するとともに、電極間に光を入射することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法。
【請求項６】
前記酸化亜鉛は単結晶であることを特徴とする請求項５記載のテラヘルツ電磁波発生方法。
【請求項７】
対向する電極間の距離は０．５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項５又は６記載のテラヘルツ電磁波発生方法。
【請求項８】
前記バイアス電圧は１０Ｖ以上であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁発生方法。
【請求項９】
前記レーザー光の波長は３９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁発生方法。
【請求項１０】
酸化亜鉛からなることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置用基体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、テラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法並びに基体に係る。より詳細には、ワイドギャップ半導体、特に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用いたテラヘルツ電磁波の発生装置及び発生方法並びに基体に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長３００μｍ（周波数１ＴＨｚ）付近の光は、テラヘルツ電磁波と呼ばれている。この領域の光は、例えばフォノンやエキシトンの励起波長がちょうどこの領域にあることや、その高い透過特性から安全な非破壊検査が実現できるなど、理化学用としても産業用としても極めて重要であるにもかかわらず、これまで適当な光源や検出器がないことから、あまり研究が行われてこなかった。
【０００３】
しかし、近年、例えば光伝導スイッチのような新たなテラヘルツ電磁波発生装置が開発され、その研究が加速している。
光伝導スイッチとは、半導体基板上に対向した２つの電極を作製し、その電極間にバイアス電圧をかけ、さらにその電極間に超短パルスレーザー光を入射する。するとレーザー光によって励起された電荷が、バイアス電圧によって加速されることで電極間に電流が流れ、その電流の時間変化に比例した、ちょうどテラヘルツ領域の電磁波が発生する、というものである。
【０００４】
シリコン（Ｓｉ）基板上に作製された光伝導スイッチからのテラヘルツ電磁波発生が初めて報告されたのは、１９８３年のことであり（非特許文献１）、以来、様々な半導体基板材料が光伝導スイッチ用の基板として研究されてきた。現在、光伝導スイッチに最も適した材料と言われているのは、低温成長ガリウム砒素（ＬＴ−ＧａＡｓ）である。
【０００５】
発生するテラヘルツ電磁波を増強する最も簡単な方法は、基板に入射した超短パルス光により励起された光電荷を駆動する電場を大きくするため、基板に印加するバイアス電圧をより高くすることである。しかし基板に印加するバイアス電圧は、その基板の材質によって決まる絶縁破壊限界があるため、ある一定以上上げることはできない。
そこで、より高い絶縁破壊しきい値を持つ材料である、広いバンドギャップ幅を持つ半導体（ワイドギャップ半導体）の利用が考えられる。
【０００６】
近年、ワイドギャップ半導体であるダイアモンドの基板上に作製された光伝導アンテナからの高強度テラヘルツ電磁波発生が行われた（非特許文献２）。しかしダイアモンドは、光伝導スイッチに最適な、高品質な単結晶基板を作製することが難しいこと、また励起波長が極めて短いため、適当な光源がなく、励起が難しいことなどから、実用的なテラヘルツ光源として利用可能な光伝導スイッチを作製することはできない。
【非特許文献１】D. H. AUSTON et al., Appl. Phys. Lett. 43, 713 (1983).
【非特許文献２】H. YONEDA et al., Appl. Opt. 40, 6733 (2001).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の通りの事情を鑑みてなされたものであり、新たなワイドギャップ半導体を用いることで、より高強度のテラヘルツ電磁波を発生できる光伝導スイッチを提供することを目的としている。
すなわち、本発明は、従来よりも、より高強度のテラヘルツ電磁波を発生させることが可能なテラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法を提供することを目的とする。
本発明は、励起光源として、例えば、チタンサファイアレーザーなどの容易に入手可能なレーザー光源を用いることができるテラヘルツ電磁波発生装置及び発生方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記テラヘルツ電磁波発生装置に用いられる基板などの基体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、酸化亜鉛からなる基体と、該基体上に対向して設けられた電極と、該電極間にバイアス電圧を印加するための手段と、該電極間に光を入射するための手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置である。
請求項２に係る発明は、前記酸化亜鉛は単結晶であることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置である。
請求項３に係る発明は、対向する電極間の距離は０．５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ電磁波発生装置である。
請求項４に係る発明は、前記レーザー光の波長は３９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁発生装置である。
請求項５に係る発明は、酸化亜鉛からなる基体上に対向して設けられた電極間にバイアス電圧を印加するとともに、電極間に光を入射することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生方法である。
請求項６に係る発明は、前記酸化亜鉛は単結晶であることを特徴とする請求項５記載のテラヘルツ電磁波発生方法である。
請求項７に係る発明は、対向する電極間の距離は０．５〜１ｍｍであることを特徴とする請求項５乃至６のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁波発生方法である。
請求項８に係る発明は、前記バイアス電圧は１０V以上であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁発生方法である。
請求項９に係る発明は、前記レーザー光の波長は３９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項記載のテラヘルツ電磁発生方法である。
請求項１０に係る発明は、酸化亜鉛からなることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置用基体である。
【発明の効果】
【０００９】
この出願の発明により、新たな基体材料（酸化亜鉛）を用いた光伝導スイッチによるテラヘルツ電磁波発生装置が実現できた。高品質・大面積の酸化亜鉛基板（基体）は作成可能であり、また励起光源は最も一般的に利用されているチタンサファイアレーザーの第２高調波で十分であるなど、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は容易に実現可能であり、様々な理化学・工業分野への応用が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この出願の発明は以上の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
本発明に係るテラヘルツ電磁波発生装置は、半導体基体として酸化亜鉛からなる基体を用いる。すなわち、本発明では、光伝導スイッチを作製する半導体基体の材料として、ワイドギャップ半導体である酸化亜鉛を用いる。
酸化亜鉛からなる基体は公知の方法により製造すればよい。特に製造方法は問わない。ただ、水熱合成法および高圧スカルメルト法で作製したものが好ましく、水熱合成法で作製したものがより好ましいが、製法はこれらに限定されるものではない。また、基体の形状は用途に応じて板などの適宜の形状とすればよい。
酸化亜鉛としては単結晶の酸化亜鉛が好ましい。単結晶とすることにより、高い発生効率が得られる。
酸化亜鉛からなる基体の上に対向する２つの電極を作製する。電極の形成方法、材質は特に限定されない。ただ、電極の材質は金、銀、アルミが好適に用いられる。また、形成方法としては、真空蒸着が好適に用いられる。
【００１２】
酸化亜鉛基体の場合、対向する電極同士の間隔は０．５〜１ｍｍ程度が好ましいが、０．５ｍｍ未満でもかまわない。電極間隔がこれよりも広い場合、電極により高い電圧を印加しなければならず、絶縁破壊を起こす可能性が高くなる。
【００１３】
本発明においては、酸化亜鉛のバンドギャップ近傍である３９０ｎｍ程度の超短パルス光で励起するのが最も効率が良いが、これよりも短い波長で励起することも可能である。３９０ｎｍよりも短い波長での励起は、最も一般的に利用されているチタンサファイアレーザーの高調波で十分実現可能である。これにより高強度のテラヘルツ電磁波の発生が可能となる。なお、励起波長の下限は特にないが、バンドギャップから大きくはなれた場合、効率的な発生は行えないため、チタンサファイアレーザーの第３高調波で容易に発生可能な２４０−２５０ｎｍまでにするのが好ましい。
バイアス電圧は、１０Ｖ以上とすることが好ましい。１０Ｖ未満では検出が不可能であるが、この値は検出器として用いた装置の検出限界によって決まってくるため、一概には決まらない。また、電圧が高ければ高いほど、高いテラヘルツ電磁波強度が得られるが、高すぎると基体が絶縁破壊を起こしてしまう。
【実施例】
【００１４】
本発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
本実施例に係るテラヘルツ電磁波発生装置を概略図（図１）に示す。
酸化亜鉛からなる基板（基体）（１）と、基板（１）上に対向して設けられた電極（２）、（３）と、電極（２）、（３）間にバイアス電圧を印加するための手段（４）と、電極（２）、（３）間に光（５）を入射するための手段と、を有する。
以下、実際に作製した光伝導スイッチとその性能評価について述べる。
図２は実際に評価を行った測定系の概略図である。
基板に用いたのは酸化亜鉛の単結晶で、その大きさは１０×１０×０．５ｍｍであり、結晶ｃ軸が励起レーザー光と平行になるよう配置した。
基板上に、長さ５ｍｍ、幅１ｍｍ、間隔１ｍｍで２本の銀製の平行電極（２）、（３）を作製した。励起光は、チタンサファイア再生増幅器（６）からの出力（７）を第３高調波発生器（８）に入射して発生させた紫外光（９）で、波長２９０ｎｍ、平均出力２５ｍＷ、繰り返し周波数１ｋＨｚである。この励起光を、円筒レンズ（１０）で集光して基板（１２）表面に入射した。そのときのスポットサイズは１×５ｍｍである。
基板（１２）から発生したテラヘルツ電磁波（１３）に対し、基板後方に配置した液体窒素冷却ゲルマニウムボロメーター（１６）を用いた強度の測定、および、偏光マイケルソン干渉計（１７）を用いたスペクトルの測定を行った。基板後方で測定が可能なのは、酸化亜鉛はテラヘルツ領域で極めて高い透過率を持つため、発生したテラヘルツ電磁波のほとんどが、基板後方に出力されるからであり（図３）、酸化亜鉛がテラヘルツ領域で使用する光学素子として、理想的な材質であることを示している。
図４に示すように、出力されたテラヘルツ電磁波強度は電極に印加した電場に対し２乗依存性を示した。電場は２ｋＶ／ｃｍまで印加可能であったが、１ｋＶ／ｃｍ程度で飽和が起こった。これは暗電流の増加によるものと考えられるが、この結果から、本実施例で用いた試料の純度が不十分であることがわかった。
図５にマイケルソン干渉計で測定したテラヘルツ電磁波のスペクトルを示す。図５から、酸化亜鉛基板から発生可能なテラヘルツ電磁波の周波数範囲は、０．１〜１．５ＴＨｚであることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
テラヘルツ電磁波の産業応用として研究されているものとして、例えば、非破壊検査、ガスセンサー（気体分子の同定）、禁止薬物の同定、などがある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例において作製した光伝導スイッチの概略図である。
【図２】実施例において作製した光伝導スイッチの評価を行った、測定系の概略図である。
【図３】テラヘルツ領域における、酸化亜鉛基板の透過率を表す図である。
【図４】発生したテラヘルツ電磁波強度の印加電場強度依存性を表す図である。
【図５】作製した光伝導スイッチから発生したテラヘルツ電磁波のスペクトルを表す図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  酸化亜鉛基板
２  電極
３  電極
４  直流電源
５  励起光スポット
６  チタンサファイア再生増幅器
７  チタンサファイア基本波
８  第３高調波発生器
９  チタンサファイア第３高調波
１０  円筒レンズ
１１  アルミミラー
１２  酸化亜鉛基板
１３  テラヘルツ電磁波
１４  軸外し放物面鏡
１５  アルミミラー
１６  ボロメーター
１７  偏光マイケルソン干渉計
【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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