(57)【要約】【課題】発振しきい値を比較的容易に低減することができるサブバンド間遷移を利用した電磁波発生・検出素子を提供することである。【解決手段】電磁波発生・検出素子は、半導体材料による量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により電磁波に対する利得を与える利得媒体１０が基板１に備えられている。基板１の面方向とはほぼ垂直方向に所定周波数領域の電磁波を閉じ込めるための複数の反射体２、９が設けられ、反射体２、９が利得媒体１０を挟んで一定間隔を隔てて備えられる様にするためのスペーサ手段３が、利得媒体１０とは異なる材料部により構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料による量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により電磁波に対する利得を与える利得媒体が基板に備えられ、前記基板の面方向とはほぼ垂直方向に所定周波数領域の電磁波を閉じ込めるための複数の反射体が前記利得媒体を挟んで一定間隔を隔てて備えられる様にするためのスペーサ手段が、前記利得媒体とは異なる材料部により構成されていることを特徴とする電磁波発生・検出素子。
【請求項２】
前記スペーサ手段は、前記利得媒体とは異なる結晶系の材料の膜により構成されている請求項１記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項３】
前記基板は、前記スペーサ手段を兼ねる請求項１記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項４】
前記利得媒体は、共鳴トンネル構造を有し、電磁波利得を量子井戸間のフォトンアシストによるサンバンド間遷移により得ることができる媒体である請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項５】
前記利得媒体は、前記反射体により電磁波を閉じ込めるための構造体における空間中で電磁波の振幅の強い領域に選択的に配置されている請求項1乃至４のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項６】
前記反射体間の利得媒体に電流を注入する手段を有し、利得媒体に電流を注入することで電磁波を発生する請求項1乃至５のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子から発生する電磁波が結合するように配置する物体により生じた前記電磁波の透過または反射の伝搬状態の変化の検出により、前記物体の性状のセンシングを行うことを特徴とする物体センシング装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子において、発振しきい値以下にバイアスして外部より入射した電磁波を吸収することで変化するバイアス電圧または電流により前記電磁波の強度を検出することを特徴とする電磁波検出素子。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子において、発振しきい値以下でそれに接近してバイアスして外部より入射した電磁波の強度を増幅することを特徴とする電磁波増幅素子。
【請求項１０】
請求項１乃至６のいずれかに記載の電磁波発生・検出素子の製造方法であって、半導体基板上に前記利得媒体を含む半導体ヘテロ構造をエピタキシャル成長する工程と、前記エピタキシャル成長した表面に一定間隔を隔てるためのスペーサ層を形成する工程と、前記スペーサ層の表面に第１の反射ミラーを形成する工程と、前記第１の反射ミラー層を接着面として前記半導体基板とは別の第２の基板に貼り合わせる工程と、前記エピタキシャル成長をしたときの半導体基板を除去する工程と、前記半導体基板を除去することで現れた半導体表面に第２の反射ミラーを形成する工程を含むことを特徴とする電磁波発生・検出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波を発生或いは検出する装置として機能する半導体材料を用いた電磁波発生・検出素子、その使用法、その製造方法などに関する。
【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（ほぼ30GHz〜30THzであり、本明細書ではこれらの帯域の一部をテラヘルツ波などとも言う）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原子・分子の結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キャリアの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、従来から、光伝導素子に超短パルスレーザ光を照射してTHzパルスを発生させたり、２つの波長の異なるレーザ光を照射してビート周波数としてTHz領域の連続波を発生させたりする方法が用いられている。しかし、このように光からTHz電磁波に変換する方式では、その変換効率が低いために出力パワーは大きくできず、また消費電力は低減できないという問題がある。
【０００４】
そこで、光領域の半導体レーザの方式のように、半導体ヘテロ構造による固体デバイスに電流注入して、直接、電磁波を発生させるものが検討されている。例えば、伝導帯のサブバンド間のキャリア反転分布による誘導放出を利用した長波長レーザが開示されている（非特許文献１参照）。これは、利得を有する量子井戸構造を多層化して高利得化しており、量子カスケードレーザと呼ばれている。また、この半導体デバイスは、端面発光型であって、金属プラズモン導波路を用いている。
【０００５】
一方、負性抵抗素子を用いて基板と垂直方向に共振器を形成して、小型化を図る面発光型の構造も提案されている（特許文献１参照）。
【非特許文献１】Applied Physics Letters, vol.84, p.2494,2004
【特許文献１】特開平8-116074号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、負性抵抗素子を用いた特許文献１のデバイスでは、活性層を形成した半導体基板をそのまま共振器として利用するために、共振器長の自由度があまりない。また、その比較的長い発振波長との関係から、半導体基板による損失が比較的大きく共振器長に対する利得領域の割合が小さいために、発振しきい値を低減することが容易ではなかった。
【０００７】
そこで、本発明においては、発振しきい値を比較的容易に低減することができるサブバンド間遷移を利用した電磁波発生・検出素子などを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生・検出素子は、半導体材料による量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により電磁波に対する利得を与える利得媒体が基板に備えられ、前記基板の面方向とはほぼ垂直方向に所定周波数領域の電磁波を閉じ込めるための複数の反射体が前記利得媒体を挟んで一定間隔を隔てて備えられる様にするためのスペーサ手段が、前記利得媒体とは異なる材料部により構成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の物体センシング装置は、上記電磁波発生・検出素子から発生する電磁波が結合するように配置する物体により生じた電磁波の透過または反射の伝搬状態の変化の検出により、物体の物性などの性状のセンシングを行うことを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波検出素子は、上記電磁波発生・検出素子において、発振しきい値以下にバイアスして外部より入射した電磁波を吸収することで変化するバイアス電圧（定電流駆動の場合）または電流（定電圧駆動の場合）により電磁波の強度を検出することを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波増幅素子は、上記電磁波発生・検出素子において、発振しきい値以下でそれに接近してバイアスして外部より入射した電磁波の強度を増幅することを特徴とする。
【００１２】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生・検出素子の製造方法は、上記電磁波発生・検出素子の製造方法であって、半導体基板上に利得媒体を含む半導体ヘテロ構造をエピタキシャル成長する工程と、エピタキシャル成長した表面に一定間隔を隔てるためのスペーサ層を形成する工程と、スペーサ層の表面に反射ミラーを形成する工程と、反射ミラー層を接着面として半導体基板とは別の第２の基板に貼り合わせる工程と、エピタキシャル成長をしたときの半導体基板を除去する工程と、半導体基板を除去することで現れた半導体表面に第２の反射ミラーを形成する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、前記スペーサ手段が利得媒体とは異なる材料部により構成されているので比較的効率的に共振器長を調整できて、サブバンド間遷移を利用した電磁波発生・検出素子において、発振しきい値を低減することが比較的容易にできる。特に、ミリ波からテラヘルツ波の電磁波の効率の高い発生源として機能させることが容易にでき、各種センシングへの応用分野を拡大することができる。また、しきい値以下で使用することで、高効率な増幅器や検出器として利用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、テラヘルツ波発生・検出などを行うための光半導体装置の実施形態を明らかにすべく、実施例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】
【００１５】
本発明による第１の実施例は、図１のような基板１に対して、共振方向１２のようにほぼ垂直な方向に共振させるように構成したものである。その特徴は、本発明としての特徴であるスペーサ層３を設けたことに加え、基板１と活性層１０との間に金属反射ミラー２を配置したことである。
【００１６】
ここで、図１の素子断面図をもとに、本実施例の構造と動作を説明する。伝導帯電子のサブバンド間遷移によりテラヘルツ領域で利得を持つ活性層１０は、InP基板に格子整合するノンドープのInAlAs 4.0nm／InGaAs 8.4nm／InAlAs 4.4nm／InGaAs 5.6nm／InAlAs
4.0nmの多層構造から成る。その上下に配置した層８、１１は、いずれもSiドープしたn型のInGaAs 100nmコンタクト層である。また、層４は、SiハイドープしたInGaAs層400nm、層３は、スパッタまたはCVDで成膜したノンドープSiから成るスペーサ層33μmである。スペーサ層３は、利得を与える媒体である活性層１０などとは異なる結晶系の材料で形成されていて、エピタキシャル成長などよりは成膜速度が速くて比較的厚い膜を形成するのに適していて効率的に共振器長を調整できる成膜法で形成されている。
【００１７】
活性層１０を含む一部領域は、1μmΦの円筒状にエッチングして（素子の寄生容量を小さくすること等の為にこうしている）周囲６、７をBCB（サイクロテン）などの高周波領域（テラヘルツ波など）で損失の少ない材料で埋め込んでいる。５、９は素子の同じ側に形成された電極であり、半導体（SiハイドープInGaAs層４、Siドープn型InGaAsコンタクト層８）と接触する部分１４、１５に、Ti50nmを成膜し、さらにAuを成膜することで形成している。電極５は、図１のように電極９と同じ高さになるようにAuを厚くしてある。金属反射ミラー２は中央部に電磁波透過穴（開口）１３を有したAu薄膜であり、高抵抗Si基板１に接着されている。
【００１８】
電極９と電極５の間に電圧を印加すると活性層１０に電流が注入されるが、前記活性層構造では0.2Vのバイアス電圧近傍で負性抵抗が発生し、テラヘルツ領域の電磁波に対する利得を得ることができる。このときの注入電流密度はおよそ5kA/cm2であり、Auミラー２、電極を兼ねるAuミラー９の間で共振器を形成しているために、およそ2.5THz程度のレーザ発振が可能である。これは、半導体中での波長短縮効果を考慮した1波長約34μmの長さの共振器（厚さ33μmのスペーサ層３で適切に設定されている）が形成されていることによる。負性抵抗の発現は、３重障壁構造である活性層１０において、特定電圧で、井戸間のトンネル電流によるサブバンド間遷移において電磁波利得が生じるためである。
【００１９】
次に、本実施例の作製プロセスについて図２をもとに説明する。
まず、図２(a)において、InP基板上２０にInPバッファ層２１、InGaAsコンタクト層２２、前記したInAlAs/InGaAs多層構造の活性層２３、InGaAsコンタクト層２４、InGaAsハイドープコンタクト層２５を分子ビームエピタシー(MBE)法などでエピタキシャル成長する。
【００２０】
続いて、図２(b)において、化学気相成長(CVD)法などでノンドープのSiスペーサ層２６を成膜する。
図２(c)において、金属ミラーとなるAu薄膜２７を、電磁波取り出し部に開口を開けて形成する。
図２(d)において、高抵抗Si基板２８に金属ミラー２７が接着面となるように貼り合わせる。この場合、樹脂接着剤を用いる方式、Si基板２８側に勘合（パターン合わせ）するようにAu薄膜を形成して圧着する方式、同じくAu薄膜を形成しておいてさらにAu-Snはんだなどで融着する方式などがある。
【００２１】
更に、図２(e)において、InP基板２０およびInPバッファ層２１は、塩酸：水＝１：１の溶液でウエットエッチングするか、CMP（化学機械研磨）によって除去する。この場合、InGaAsコンタクト層２２は塩酸系エッチャントに対してエッチングレートが遅いために、選択的にInGaAs層表面でストップさせることができる。
図２(f)においては、フォトリソグラフィーおよび塩素系のプラズマエッチングにより、1μmΦの円柱状にInGaAsハイドープコンタクト層２５が現れるまでエッチングする。さらに、一部に下部電極を取るためにTi２９およびAu３０をリフトオフにより形成する。
【００２２】
図２(g)において、円柱状のポストの周囲をBCB３１、３２で埋め込むように、塗布と頭だしエッチングを行う。
図２(h)において、円柱状のポストの上面近傍にのみTi３４を形成し、その上に全体をカバーするようにAu
３３をリフトオフにより形成する。最後に、電極コンタクトを良好にするために400℃程度でアニールを行って完成した。
【００２３】
この作製法では、活性層を含むエピタキシャル層表面に化学気相(CVD)法やスパッタ法などでスペーサ層を成膜してその表面に第１の反射ミラーを形成している。そして、もう一方の第２の反射ミラーについては、必要に応じて、エピタキシャル成長に用いた第１の基板とは異なる第２の基板に接着した後に、その第１の基板を除去後に反射ミラーを形成している。
【００２４】
このような構造では、電磁波に対する損失の小さいSi膜などを、活性層をエピタキシャル成長するものとは別プロセスで成膜することで、共振器長を最適な任意の長さに効率的に調整でき、利得媒体と利得のないパッシブ領域の体積割合を最適にすることができる。すなわち、金属ミラーにより電磁波を閉じ込めるための構造体における空間中で、電磁波の振幅の強い領域（共振の腹の部分の最適な箇所）に活性層を選択的に配置することができて、発振しきい値を低減するのに資している。
【００２５】
ここでは活性層を一層構成としたが、薄いコンタクト層を介して多数の活性層を縦に積層して利得を大きくした構造としもよい。また、スペーサ層としては、高抵抗Siの他に、誘電体などでテラヘルツ帯電磁波に対して損失の少ないものとすることもできる。例えば、BCB、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ポリエチレンなどの有機材料の樹脂がある。また、耐熱性に優れたアルミナ、窒化アルミなどのセラミックでもよい。耐熱性は、素子の作製プロセスでの温度に耐えるために必要とされるものである。
【００２６】
本実施例では、基板にほぼ垂直に共振する構造で電磁波を発生する素子において、基板側のミラーと活性層との間に、厚さが容易にコントロールできるスペーサ層を入れているが、基板とは反対側において活性層と他方のミラーとの間に設けてもよい。
【００２７】
また、反射ミラーについては、活性層を挟んで一方側に１つ、他方側に角度をなして２つ設けるというように、３つ以上設けることもできる。また、反射ミラーは全て金属ミラーでなくてもよく、少なくとも１つを金属ミラーとしてもよい。
【００２８】
以上の説明では発振器としての動作を述べたが、しきい値以下にバイアスしてテラヘルツ電磁波の検出器や増幅器として用いることもできる。バイアスをしきい値から比較的離せば検出器として使用でき、しきい値近くに極く接近させれば増幅器としての使用が可能となる。また、材料系としては、歪系のAlAsを障壁層として用いたり、AlGaAs/GaAs系やGaN/InN系など異なる材料系を用いても良い。
【００２９】
本実施例によれば、基板やスペーサ層での損失が少なくて共振器損失が小さい構造であって発振しきい値が低減したサブバンド間遷移利用の電磁波発生素子などが実現できる。
【実施例２】
【００３０】
本発明による第２の実施例の素子断面図を図３に示す。図３では、図１の実施例１と同機能の部分には図１の符号と同じ符号で示す。本実施例では、実施例１と同じ機能を持つ活性層１０を含む層と基板３８との間の反射ミラー３９として、誘電体多層膜を用いるものである。この多層膜は、低誘電率層として20μm厚のBCB膜を、高誘電率層として8.6μm厚のSi膜を交互に６層ずつ積層して、2.5THz（波長120μm）用の1/4波長多層ミラーを構成している。材料や厚さ、層数などはこれに限るものではない。
【００３１】
また、本実施例では、射出される電磁波のビームを絞るために、基板３８の出射側の面にフレネルレンズ３７をエッチング等で作製してもよい。勿論、外付けのレンズを設けても良い。これらのことは、他の実施例でも同様である。
【００３２】
このような誘電体多層膜ミラーにした場合は、電磁波取り出し用の開口を設ける必要がない。また、多層膜ミラーの材料や層数に応じて反射率を広い範囲で制御できるので、低しきい値型にするか、高出力型にするかによって自由に構造を選択することができる。例えば、層数を増やして反射率を高めれば低しきい値型にでき、一方、高出力型にするには光取り出し側の反射率を低下させる。その他の点は、図１の実施例１と同じである。
【実施例３】
【００３３】
本発明による第３の実施例の素子断面図を図４に示す。図４でも、図１の実施例１と同機能の部分には図１の符号と同じ符号で示す。ここでは、誘電体ミラー４０を共振器となる基板４１に形成している。この場合、基板４１としては、テラヘルツ帯で吸収の少ない誘電体を所望の厚さ（すなわち、上記のスペーサ層を兼ねている）にして利用している。本実施例では、例えば、100μm程度の厚さに研磨した高抵抗Si基板４１を用いたが、これに限るものではない。
【００３４】
発振波長が長くて1THz近傍になると、共振器を形成する基板４１も厚くなるため、基板の研磨だけで共振器長を容易に調整することができて、これにより製造工程が簡略化される。その他の点は、図１の実施例１と同じである。
【実施例４】
【００３５】
本発明による第４の実施例の素子断面図を図５に示す。これは、レーザ出力を向上させるために複数の発振器を並列に並べたものである。共通電極５４、５６で、機能は実施例１と同様の各素子に電流を流せるようにしたものである。すなわち、基板５０、複数の開口を開けた金属ミラー層５１、スペーサ層５２、SiハイドープしたInGaAs層５３、Siドープしたn型のInGaAsコンタクト層５７、５９、半導体ヘテロ構造による量子井戸構造の量子井戸に生成されたサブバンド間の遷移により電磁波に対する利得を与える活性層５８、埋め込み層５５で構成されている。各素子は、発振波長である100μm程度以下の間隔で設けられていれば、各素子から位相関係を保ってて電磁波が発振されるので、各電磁波は干渉して単一ビームとして射出される。
【００３６】
この構造により、単素子では得られない高出力の電磁波を発振させて取り出すことができる。その他の点は、図１の実施例１と同じである。
【実施例５】
【００３７】
本発明による第５の実施例は、実施例１から実施例４までのテラヘルツ帯のレーザを各種センシング用の送・受信に使うものである。ここでは、本発明によるテラヘルツ波発生器６０を用い、ビーム集束用のレンズ６１を通した後に検査物体６２を配置し、電磁波伝搬方向６５に沿った対向位置に、ビーム集束用のレンズ６３および検出器６４を配置する。検出器６４は、発生器６０と同様の構造であって入射側のミラー反射率を低下させ、しきい値以下にバイアス電圧を設定することで動作させるものである。この場合、バイアス電圧の設定の仕方により同波長で電磁波強度を増幅する増幅素子として動作させることも可能である。検出器６４としては、Siボロメータ、ゴーレイセル、光伝導素子等を用いても良い。また、発生器６０と検出器６４を隣接して配置し、検体６２からの反射電磁波をセンシングする方式でもよい。
【００３８】
テラヘルツ波を使ったセンシングとしては、紙、高分子、生体分子、薬などの物性同定を非接触、非破壊で行うこと、可視光で確認できないような物体中に隠された物体をイメージングと同時に物性同定すること等ができる。
【００３９】
従来は、このような測定を大型のフェムト秒レーザで励起するなどの方法で行っていたが、本発明による電磁波発生・検出素子を用いれば、小型、低消費電力とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による第１の実施例の電磁波発生・検出素子の構造を示す共振器方向の断面図。
【図２】本発明による第１の実施例の電磁波発生・検出素子の作製工程例を示す図。
【図３】本発明による第２の実施例の電磁波発生・検出素子の構造を示す共振器方向の断面図。
【図４】本発明による第３の実施例の電磁波発生・検出素子の構造を示す共振器方向の断面図。
【図５】本発明による第４の実施例の電磁波発生・検出素子の構造を示す共振器方向の断面図。
【図６】本発明による第５の実施例のセンシング装置について説明する概略斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１、２８、３８、４１、５０‥基板
２、９、２７、３３、３９、４０、５１、５６‥反射体（反射ミラー）
３、２６、４１、５２‥スペーサ手段（スペーサ層、基板）
４、８、１１、２２、２４、２５、５３、５７、５９‥コンタクト層
５、９、１４、１５、２９、３０、３３、３４、５４、５６‥電極
６、７、３１、３２、５５‥埋め込み層
１０、２３、５８‥利得媒体（活性層）
６０‥電磁波発生器
６２‥検査物体（検体）
６４‥電磁波検出器
【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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