(57)【要約】【課題】  安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を提供する。【解決手段】  入射する光２を利用してＴＨｚ波３を発生させる装置であって、基板１０と、基板１０上に有機金属気相成長法等の結晶成長法を用いて順次形成された第１半導体層１及び第２半導体層７とを備え、第１半導体層１は、光２の波長に相当するエネルギーよりも小さい禁制帯幅を有し、第２半導体層７は、第１半導体層１よりも大きい禁制帯幅を有し、入射する光２に対して透明である。【選択図】        図１
2006216851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光を利用してテラヘルツ波を発生させる装置であって、
前記入射光の波長に相当するエネルギーよりも小さな禁制帯幅の第１半導体層と、
前記第１半導体層と接合され、前記第１半導体層よりも禁制帯幅が大きい第２半導体層とを備える
ことを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）又はＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
前記第１半導体層の格子定数は、前記第２半導体の格子定数よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
前記第２半導体層は、前記入射光の波長に相当するエネルギーよりも大きな禁制帯幅を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
前記第１半導体層に入射する光は、前記第２半導体層を通過してから前記第１半導体層に入射する
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
前記第２半導体層の前記第１半導体層と接しない面には、屈折率周期構造が形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項７】
前記第１半導体層の前記第２半導体層と接しない面には、屈折率周期構造が形成されており、
前記第１半導体層の光入射面からの前記屈折率周期構造の距離ｘ（前記第１半導体層内部に向かう方向を正値）は、入射光に対する前記第１半導体層の吸収係数をαとしたとき、
ｅｘｐ（−αｘ）＜０．１
を満たす
ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
前記電磁波発生装置は、さらに、前記第１半導体層上に形成される反射層を備え、
前記反射層は、前記第１半導体層を透過した光を反射して前記第１半導体層に入射させる
ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い周波数を有する電磁波、例えばテラヘルツ（ＴＨｚ）光を放出する電磁波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周波数がテラヘルツ領域（一般に０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）である電磁波は、光と電波との境界領域に属し、電波のもつ透過性と光のもつ直進性とを有する。また、この領域の電磁波は、物質に固有の吸収スペクトルを多数有する。それゆえ、ＴＨｚ波は、例えば、封筒中の郵便物検査、食品・所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査／複素誘電率評価等の医学応用、環境計測、工学応用など多数の産業用途が期待されており、近年、その研究開発が活発に行われている。
【０００３】
このテラヘルツ波の発生方法として、広く用いられている方法は、光伝導素子（フォトコンダクタ）を用いる方法、非線形光学素子を用いる方法、及び半導体表面のサージ電流を用いる方法等がある。これらの中で、半導体表面のサージ電流を用いる方法は、光伝導素子のように電極を形成したり、バイアスを印加したりする必要がなく、また、非線形光学素子のように入射角を厳密に調整する必要もないため、比較的簡便にＴＨｚ波を発生させることができる方法として注目されている。
【０００４】
図９（ａ）は半導体表面のサージ電流を用いた従来のＴＨｚ波発生装置（例えば、非特許文献１）の構造を示す図である。
【０００５】
このＴＨｚ波発生装置では、ＩｎＡｓ基板１０１に、フェムト秒レーザ１０２（波長７８０ｎｍ程度）が照射されている。この時、ＩｎＡｓのバンド構造（ポテンシャル）を図９（ｂ）に示す。ＩｎＡｓ内の伝導帯Ｅｃ及び価電子帯Ｅｖは、表面近傍のトラップのため、ＩｎＡｓ基板表面１０６近傍では湾曲している。フェムト秒レーザ光１０２の波長が７８０ｎｍ付近である場合には、光はＩｎＡｓによって吸収され、電子１０４と正孔１０５とが生成される。ＩｎＡｓ基板表面１０６付近の伝導帯Ｅｃの湾曲は電界（E＝ｄV／ｄｘ）となるので、電子１０４はＩｎＡｓ基板表面１０６に移動する。電子の移動は電流であるから、これがサージ電流となる。この電流は極短時間（〜１ｐｓｅｃ）で無くなる。一方、電流の時間変化により電磁波が放射されるため、サージ電流の時間変化により電磁波１０３が放射される。このとき放射される電磁波１０３は、サージ電流の時間変化量がピコ秒程度であるため、ＴＨｚの周波数を有することとなる。したがって、ＩｎＡｓ基板１０１にフェムト秒レーザ光１０２を照射することにより、ＴＨｚ波を得ることができる。
【０００６】
ここで、半導体表面のサージ電流を用いたＴＨｚ波発生装置において、基板表面での全反射を抑制してＴＨｚ波の取り出し効率を上げる手段、すなわち半導体内で発生した電磁波（光）を取り出す手段として、フォトニック結晶を用いる手段が有効であることが知られている（例えば、非特許文献２）。
【非特許文献１】分光分析第50巻261ページ（2001年）  阪井清美  「テラヘルツ時間領域分光法」
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics, vol43, No.8B p.5809"High-Extraction-Efficiency Blue Light-Emitting Diode Using Extended-Pitch Photonic Crystal"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、図９に示されるような従来のＴＨｚ波発生装置においては、基板表面近傍での伝導帯、価電子帯のバンドの曲がりにより、その電磁波の放射特性が大きく変わる。しかしながら、一般的に半導体の表面準位は、不純物や微細な欠陥等の表面状態により変わりやすい。また、経時変化における表面付着物により、表面準位はたやすく変化する。この結果、従来のＴＨｚ波発生装置では、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることができない。つまり、信頼性が高いＴＨｚ波発生装置を実現することができない。
【０００８】
一方、基板表面での全反射を抑制してＴＨｚ波の取り出し効率を上げるために、フォトニック結晶を用いた場合、つまり表面にフォトニック結晶を形成した場合、そのフォトニック結晶作製時のダメージが半導体に加わり、半導体に欠陥が発生する。よって、従来のＴＨｚ波発生装置では、安定したＴＨｚ波の放射特性と、ＴＨｚ波の高出力化とを両立することができない。
【０００９】
そこで、本発明はかかる問題点に鑑み、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を提供することを第１の目的とする。
【００１０】
また、安定したＴＨｚ波の放射特性と、ＴＨｚ波の高出力化とを両立することが可能な電磁波発生装置を提供することを第１の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の電磁波発生装置は、入射する光を利用してテラヘルツ波を発生させる装置であって、前記入射光の波長に相当するエネルギーよりも小さな禁制帯幅の第１半導体層と、前記第１半導体層と接合され、前記第１半導体層よりも禁制帯幅が大きい第２半導体層とを備えることを特徴とする。
【００１２】
これによって、第１半導体層と第２半導体層とによりいわゆるヘテロ接合が形成され、電子及び正孔を生成する第１半導体層のバンドの曲がりはヘテロ接合で決定されるので、電子または正孔に対する電界への表面の影響を少なくすることができる。この結果、入射光によって生成した電子または正孔の動きを正確にコントロールすることができ、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を実現することができる。すなわち、量産性が高く、信頼性も高い電磁波発生装置を実現することができる。
【００１３】
ここで、前記第１半導体層及び前記第２半導体層は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）又はＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成されてもよい。
【００１４】
これによって、工業的にも安定して生産される半導体材料を用いてヘテロ接合が形成されるので、安定なバンド湾曲を実現することができる。この結果、更に安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を実現することができる。
【００１５】
また、前記第１半導体層の格子定数は、前記第２半導体の格子定数よりも大きくてもよい。
【００１６】
ヘテロ界面に格子不整合が存在すると、ヘテロ界面にピエゾ電荷が生成することが知られている（例えば、応用物理  第70巻  ｐ.513 (2001)）。禁制帯幅の小さな第１半導体層の格子定数が、禁制帯幅の大きい第２半導体層の格子定数よりも大きい格子不整合の場合、第２半導体層では面内方向に引っ張り歪が生じる。この結果、ヘテロ界面に正の電荷が誘起され、ヘテロ界面のバンドの曲がりが大きくなるので、高出力の電磁波発生装置を実現することができる。
【００１７】
また、前記第２半導体層は、前記入射光の波長に相当するエネルギーよりも大きな禁制帯幅を有してもよい。
【００１８】
これによって、第２半導体層は入射する光に対して透明となるため、第２半導体層を介して第１半導体層に光を入射させることができ、第１半導体層のヘテロ界面に近い位置で、電子（正孔）を生成させることができる。この結果、電子（正孔）はヘテロ界面の電界の影響を強く受ける。表面での電界に比較すると、ヘテロ界面の電界は経時的あるいは環境的に安定であるので、更に安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を実現することができる。
【００１９】
また、前記第１半導体層に入射する光は、前記第２半導体層を通過してから前記第１半導体層に入射してもよい。
【００２０】
これによって、第１半導体層のヘテロ界面に近い位置で、電子（正孔）を生成させることができる。この結果、電子（正孔）はヘテロ界面の電界の影響を強く受ける。表面での電界に比較すると、ヘテロ界面の電界は経時的あるいは環境的に安定であるので、更に安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を実現することができる。
【００２１】
また、前記第２半導体層の前記第１半導体層と接しない面には、屈折率周期構造が形成されてもよい。
【００２２】
これによって、第２半導体層に屈折率周期構造（いわゆるフォトニック結晶）を形成しても、第２半導体層と第１半導体層とのヘテロ界面の電子・正孔生成層は影響を受けない。よって、電子（正孔）を生成する半導体に結晶欠陥等のダメージを与えることなくＴＨｚ波の取り出し効率を上げることができるので、安定したＴＨｚ波の放射特性と、ＴＨｚ波の高出力化とを両立することが可能な電磁波発生装置を実現することができる。
【００２３】
また、前記第１半導体層の前記第２半導体層と接しない面には、屈折率周期構造が形成されており、前記第１半導体層の光入射面からの前記屈折率周期構造の距離ｘ（前記第１半導体層内部に向かう方向を正値）は、入射光に対する前記第１半導体層の吸収係数をαとしたとき、
ｅｘｐ（−αｘ）＜０．１
を満たしてもよい。
【００２４】
これによって、屈折率周期構造（いわゆるフォトニック結晶）が形成される位置とヘテロ界面の位置とは十分に離れることとなり、しかも、入射光は第１半導体層のヘテロ接合側から入ってくる。従って、第１半導体層にフォトニック結晶を形成しても、そこでの光強度は入射時の光強度の１０％以下であり、フォトニック結晶が形成された場所での電子・正孔生成は少なく、ＴＨｚ波の放射特性はほとんどフォトニック結晶よる影響を受けない。よって、第２半導体層だけでなく第１半導体層に直接フォトニック結晶を形成できるようになるので、フォトニック結晶を作製する位置の自由度が向上し、高い設計自由度を有する電磁波発生装置を実現することができる。材料によってはフォトニック結晶の加工が難しい場合もあり、フォトニック結晶を形成する位置の自由度が向上すれば生産性が向上する。
【００２５】
また、前記電磁波発生装置は、さらに、前記第１半導体層上に形成される反射層を備え、前記反射層は、前記第１半導体層を透過した光を反射して前記第１半導体層に入射させてもよい。
【００２６】
これによって、入射光の利用効率を高めることができるので、高出力の電磁波発生装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る電磁波発生装置によれば、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能な電磁波発生装置を実現することができる。すなわち、量産性が高く、信頼性も高い電磁波発生装置を実現することができる。また、安定したＴＨｚ波の放射特性と、ＴＨｚ波の高出力化とを両立することが可能な電磁波発生装置を実現することができる。また、高出力の電磁波発生装置を実現することができる。また、生産性の高い電磁波発生装置を実現することができる。また、設計自由度の高い電磁波発生装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態における電磁波発生装置について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、第１の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【００２９】
本実施の形態のＴＨｚ波発生装置は、入射する光２を利用してＴＨｚ波３を発生させる装置であって、例えば３５０μm厚の半絶縁性ＧａＡｓ基板である基板１０と、基板１０上に有機金属気相成長法等の結晶成長法を用いて順次形成された第１半導体層１及び第２半導体層７とから構成される。
【００３０】
第１半導体層１は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）あるいはＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、光２の波長に相当するエネルギーよりも小さな禁制帯幅を有する。
【００３１】
第２半導体層７は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）あるいはＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、第１半導体層１よりも大きい禁制帯幅を有する。このとき、第２半導体層７の禁制帯幅は、光２の波長に相当するエネルギーよりも大きく、第２半導体層７は、第１半導体層１に入射する光２に対して透明である。
【００３２】
第１半導体層１及び第２半導体層７は、それぞれ例えば１μm厚のＧａＡｓ層及び１０μm厚のＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成３０％）とされる。
【００３３】
ここで、基板１０、第１半導体層１及び第２半導体層７は、ＴＨｚ域でフォノン吸収を起こさない材料から構成される。
【００３４】
図１（ｂ）は、同ＴＨｚ波発生装置のエネルギー構造を示す図である。
図１（ｂ）から、第２半導体層７におけるバンドギャップは、第１半導体層１におけるバンドギャップよりも広く、第１半導体層１と第２半導体層７との接合面（いわゆるヘテロ接合）では、第２半導体層７と第１半導体層１とのフェルミレベルが一致するため、バンドが曲がるのがわかる。第１半導体層１及び第２半導体層７として、それぞれ例えばバンドギャップが１．４ｅＶのＧａＡｓ層及びバンドギャップが１．７ｅＶのＡｌＧａＡｓ層が用いられた場合には、そのバンドギャップの差によりヘテロ接合でバンドが曲がる。
【００３５】
上記構造を有するＴＨｚ波発生装置において、入射する光２は、第２半導体層７でほとんど吸収されずに第２半導体層７を通過する。第２半導体層７を通過した光２は、第１半導体層１で吸収されて電子４及び正孔５が生成される。生成した電子４あるいは正孔５はヘテロ接合近傍のバンドの曲がり（＝電位の変化＝電界）により加速され、動く。この結果、極短時間（１ピコ秒程度の時間）電流が流れ、（その時間微分により）ＴＨｚ波３が放射される。
【００３６】
図２は、第１半導体層１及び第２半導体層７としてそれぞれＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を用い、光２として波長７８０ｎｍ（１．６ｅＶ）のフェムト秒レーザ光を用いた場合に、放射されるＴＨｚ波の電界強度変化を示す図であり、図３は、その電界強度変化をフーリエ展開して導出された図である。
【００３７】
図２及び図３から、約１ＴＨｚ付近にピークをもつＴＨｚ波がＴＨｚ波発生装置から放射されているのがわかる。
【００３８】
以上のように本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、電子に対する電界として、第１半導体層１及び第２半導体層７のバンドギャップとフェルミレベルとで決定されるヘテロ接合の電界を用いる。よって、外界の影響を受けない非常に安定した電界を形成することができるので、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。すなわち、量産性が高く、信頼性も高いＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００３９】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、光２は第２半導体層７を通過した後、第１半導体層１に入射する。よって、ヘテロ接合に近い位置で電子（正孔）は生成され、電子（正孔）はヘテロ界面の電界の影響を強く受けるので、更に安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置において、第１半導体層１の格子定数は、第２半導体層７の格子定数よりも大きくてもよい。これによって、第２半導体層７は、引っ張り歪を面内に受ける。この結果、ピエゾ電界が生じ、ヘテロ界面に正電荷が誘起される。この正電荷は、ヘテロ界面におけるバンドの曲げを更に強めるので、電子・正孔の加速が強まり、強いＴＨｚ波が放射される。この場合には、第１半導体層１として例えばｃ軸方向に結晶成長させたＧａＮ層が用いられ、第２半導体層７として例えばｃ軸方向に結晶成長させたＡｌＧａＮ層が用いられる。または、第１半導体層１として例えばｃ軸方向に結晶成長させたＩｎＧａＮ層が用いられ、第２半導体層７として例えばｃ軸方向に結晶成長させたＧａＮ層が用いられる。
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【００４１】
本実施の形態のＴＨｚ波発生装置は、基本的な構造は第１の実施の形態のＴＨｚ波発生装置と同じであるが、第２半導体層１２の第１半導体層１と接しない面に屈折率周期構造が形成されているという点で第１の実施の形態の電磁波発生装置とは異なる。
【００４２】
第２半導体層１２の光入射面には、例えば周期９００μm（デューティ５０％）深さ５μmのフォトニック結晶１１が形成される。
【００４３】
以上のように本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、第１の半導体層１と接しない第２半導体層１２表面には屈折率周期構造が形成される。よって、ＴＨｚ波が放射される際に起こる第２半導体層１２表面での全反射を抑制することができるので、高出力のＴＨｚ波発生装置を実現することができる。例えば、放射されるＴＨｚ波の発振波長の３倍程度の周期を有するフォトニック結晶が第２半導体層１２表面に形成された場合には、ＴＨｚ波の出力は、非特許文献２の計算結果に示されているように、フォトニック結晶が形成されない場合と比較して３倍以上まで向上する。実際に、ＴＨｚ波の出力は第１の実施の形態のＴＨｚ波発生装置と比較して３．２倍程度向上した。
【００４４】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、第２半導体層１２表面に屈折率周期構造が形成され、屈折率周期構造が形成されないヘテロ接合でＴＨｚ波３が発生する。よって、半導体に結晶欠陥等のダメージを与えることなくＴＨｚ波の取り出し効率を上げることができるので、安定したＴＨｚ波の放射特性と、ＴＨｚ波の高出力化とを両立することが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
（第３の実施の形態）
図５（ａ）は、第３の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【００４５】
本実施の形態のＴＨｚ波発生装置は、入射する光２２を利用してＴＨｚ波２３を発生させる装置であって、例えば３５０μm厚の半絶縁性ＩｎＰ基板である基板２０と、基板２０上に有機金属気相成長法等の結晶成長法を用いて順次形成された第２半導体層２１及び第１半導体層２７とから構成される。
【００４６】
基板２０は、第１半導体層２７に入射する光２２に対して透明である。
第１半導体層２７は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）あるいはＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、光２２の波長に相当するエネルギーよりも小さな禁制帯幅を有する。
【００４７】
第２半導体層２１は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）あるいはＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、第１半導体層２７よりも大きい禁制帯幅を有する。このとき、第２半導体層２１の禁制帯幅は、光２２の波長に相当するエネルギーよりも大きく、第２半導体層２１は、第１半導体層２７に入射する光２２に対して透明である。
【００４８】
第１半導体層２７及び第２半導体層２１は、それぞれ例えば１５μm厚のＩｎＧａＡｓ層（Ｉｎ組成４７％）及び１μm厚のＩｎＰ層とされる。
【００４９】
ここで、基板２０、第１半導体層２７及び第２半導体層２１は、ＴＨｚ域でフォノン吸収を起こさない材料から構成される。
【００５０】
図５（ｂ）は、同ＴＨｚ波発生装置のエネルギー構造を示す図である。
図５（ｂ）から、第２半導体層２１におけるバンドギャップは、第１半導体層２７におけるバンドギャップよりも広く、第１半導体層２７と第２半導体層２１との接合面（いわゆるヘテロ接合）では、第１半導体層２７と第２半導体層２１とのフェルミレベルが一致するため、バンドが曲がるのがわかる。また、第１半導体層２７における表面領域２８でも、表面準位のためバンドが曲がるのがわかる。第１半導体層２７及び第２半導体層２１として、例えばバンドギャップが０．７５ｅＶのＩｎＧａＡｓ層及びバンドギャップが１．７ｅＶのＩｎＰを用いた場合には、そのバンドギャップの差によりヘテロ接合でバンドが曲がる。
【００５１】
上記構造を有するＴＨｚ波発生装置において、基板２０裏面から入射する光２２は、基板２０及び第２半導体層２１でほとんど吸収されずに基板２０及び第２半導体層２１を通過する。第２半導体層２１を通過した光２２は、第１半導体層２７で吸収されて電子２４及び正孔２５が生成される。生成した電子２４あるいは正孔２５はヘテロ接合近傍のバンドの曲がりにより加速され、動く。この結果、極短時間（１ピコ秒程度の時間）電流が流れ、ＴＨｚ波２３が放射される。
【００５２】
第１半導体層２７及び第２半導体層２１としてそれぞれＩｎＧａＡｓ層及びＩｎＰ層を用い、光２２として波長１．６μm（０．８ｅＶ）のフェムト秒レーザ光を用いた場合には、入射光２２に対する第１半導体層２７の吸収係数は１００００ｃｍ-1以上となり、第１半導体層２７中を５μmも進めば光２２の９９％以上は吸収されてしまう。このため、表面領域２８では、ほとんど電子及び正孔が生成されず、第１半導体層２７表面の影響を受けて表面領域２８のバンド構造が変化しても、ＴＨｚ波２３の特性は変化しない。すなわち、電子（正孔）はヘテロ接合付近にしかないため、電子（正孔）の動きは第１半導体層２７表面の状態にほとんど影響されない。
【００５３】
以上のように本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、電子に対する電界として、第１半導体層２７及び第２半導体層２１のバンドギャップとフェルミレベルとで決定されるヘテロ接合の電界を用いる。よって、外界の影響を受けない非常に安定した電界を形成することができるので、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。すなわち、量産性が高く、信頼性も高いＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００５４】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、光２２は第２半導体層２１を通過した後、第１半導体層２７に入射する。よって、ヘテロ接合に近い位置で電子（正孔）は生成され、電子（正孔）はヘテロ界面の電界の影響を強く受けるので、更に安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００５５】
なお、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置において、第１半導体層２７の格子定数は、第２半導体層２１の格子定数よりも大きくてもよい。これによって、第２半導体層２１は、引っ張り歪を面内に受ける。この結果、ピエゾ電界が内部に生じ、ヘテロ界面に正電荷が誘起される。この正電荷は、ヘテロ界面におけるバンドの曲げを更に強めるので、電子正孔の加速が強まり、強いＴＨｚ波が放射される。
（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【００５６】
本実施の形態のＴＨｚ波発生装置は、基本的な構造は第３の実施の形態のＴＨｚ波発生装置と同じであるが、第２の半導体層２１と接しない第１半導体層３１表面に屈折率周期構造が形成されているという点で第３の実施の形態の電磁波発生装置とは異なる。
【００５７】
第１半導体層３１の表面には、例えば周期９００μm（デューティ５０％）深さ５μm
のフォトニック結晶３０が形成される。
【００５８】
ここで、第１半導体層３１の光入射面からのフォトニック結晶３０が形成される位置ｘ（第１半導体層３１内部に向かう方向を正値）は、入射する光２２に対する第１半導体層３１の吸収係数をα、「入射位置における光強度」と「屈折率周期構造の位置における光強度」との比である光量比をＲとしたとき、下記の式（１）を満足する。
【００５９】
Ｒ＝ｅｘｐ（−αｘ）＜０．１      ・・・（１）
これは、フォトニック結晶３０にまで達した入射光（残留光）によりフォトニック結晶３０付近において発生するＴＨｚ波の電力強度である雑音レベルと、光量比との関係が、図７のようになることに起因する。すなわち、フォトニック結晶３０付近において発生するＴＨｚ波の強度はフォトニック結晶３０付近の伝導帯・価電子帯のバンド曲がりに依存、つまりフォトニック結晶３０の表面状態に依存するので、フォトニック結晶３０付近において発生するＴＨｚ波は、本特許の主旨からすると、雑音と表現できる（この雑音量は、ＴＨｚ電界が生成電流（の時間変化）に比例すること、生成電流は残留光強度に比例すること等から求めることができる）。よって、雑音レベルを小さくして安定したＴＨｚ波の放射特性（つまり、表面状態によらない特性）を得るために、光量比は、雑音レベルが急激に減少する０．１より小さい方が好ましいのである。
【００６０】
以上のように本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、第２の半導体層２１と接しない第１半導体層３１表面には屈折率周期構造が形成される。よって、ＴＨｚ波が放射される際に起こる第１半導体層３１表面での全反射を抑制することができるので、高出力のＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００６１】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、第１半導体層３１表面に屈折率周期構造が形成され、屈折率周期構造が形成されないヘテロ接合でＴＨｚ波２３が発生する。よって、半導体に結晶欠陥等のダメージを与えることなくＴＨｚ波の取り出し効率を上げることができるので、安定したＴＨｚ波の放射特性と、ＴＨｚ波の高出力化とを両立することが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００６２】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、屈折率周期構造は第１半導体層３１に形成される。よって、フォトニック結晶を作製する位置の自由度が向上するので、高い設計自由度を有するＴＨｚ波発生装置を実現することができる。材料によってはフォトニック結晶の加工が難しい場合もあるので、フォトニック結晶を形成する位置の自由度が向上すれば生産性が向上する。
（第５の実施の形態）
図８は、第５の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【００６３】
本実施の形態のＴＨｚ波発生装置は、入射する光４６を利用してＴＨｚ波４４を発生させる装置であって、例えばサファイア基板である基板４０と、基板４０上に有機金属気相成長法等の結晶成長法を用いて順次形成された第２半導体層４１及び第１半導体層４２と、電子線ビーム蒸着等により第１半導体層４２上に形成された金厚膜層４３とから構成される。
【００６４】
基板４０は、第１半導体層４２に入射する光４６に対して透明である。
第１半導体層４２は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）あるいはＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、光４６の波長に相当するエネルギーよりも小さな禁制帯幅を有する。
【００６５】
第２半導体層４１は、Ａｌ1-xＧａxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ａｌ1-xＩｎxＡｓ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＡｓ1-zPz（０≦ｙ、ｚ≦１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＰ（０≦ｘ、ｙ≦１）あるいはＩｎxＧａyＡｌ1-x-yN（０≦ｘ、ｙ≦１）から構成され、第１半導体層４２よりも大きい禁制帯幅を有する。このとき、第２半導体層４１の禁制帯幅は、光４６の波長に相当するエネルギーよりも大きく、第２半導体層４１は、第１半導体層４２に入射する光４６に対して透明である。
【００６６】
第１半導体層４２及び第２半導体層４１は、それぞれ例えば３μm厚で３．４ｅＶのバンドギャップを有するＧａＮ層、及び１μm厚で３．７ｅＶのバンドギャップを有するＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成１１％）とされる。
【００６７】
ここで、基板４０、第１半導体層４２及び第２半導体層４１は、ＴＨｚ域でフォノン吸収を起こさない材料から構成される。
【００６８】
金厚膜層４３は、例えば１０μmの膜厚を有し、第１半導体層４２に入射する光４６のうち、第１半導体層４２で吸収されなかった光４６を反射して第１半導体層４２に再度入射させる。
【００６９】
上記構造を有するＴＨｚ波発生装置において、基板４０裏面から入射する光４６は、基板４０及び第２半導体層４１でほとんど吸収されずに基板４０及び第２半導体層４１を通過する。第２半導体層４１を通過した光４６は、第１半導体層４２で吸収されて電子及び正孔が生成される。生成した電子あるいは正孔はヘテロ接合近傍のバンドの曲がりにより加速され、動く。この結果、極短時間（１ピコ秒程度の時間）電流が流れ、ＴＨｚ波４４が放射される。このとき、第１半導体層４２で吸収されなかった光４６は、金厚膜層４３で反射されて反射光４５となって第１半導体層４２に再び入射し、第１半導体層４２を通過する際に吸収される。その結果、電子正孔対が生じ、反射光４５によるテラヘルツ波が発生する。なお、このような場合には、最初の光吸収と最後の光吸収との間にδ＝２ｎＬ/ｃの時間遅れが生じる。ここで、ｎは吸収層（＝第１半導体層４２）の屈折率、Ｌは吸収層（＝第１半導体層４２）の膜厚、ｃは光速である。しかしながら、一般的にＬは数μｍであるため、時間遅れδは１〜１０ｆｓｅｃ程度であり、実用上、問題にならない。
【００７０】
第１半導体層４２及び第２半導体層４１としてＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を用いた場合には、例えばチタンサファイアレーザから発せられる波長７１０ｎｍの短パルス光（パルス幅１００ｆｓｅｃ）の第２次高調波（波長３５５ｎｍ）が光４６として用いられる。
【００７１】
以上のように本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、電子に対する電界として、第１半導体層４２及び第２半導体層４１のバンドギャップとフェルミレベルとで決定されるヘテロ接合の電界を用いる。よって、外界の影響を受けない非常に安定した電界を形成することができるので、安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。すなわち、量産性が高く、信頼性も高いＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００７２】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、光４６は第２半導体層４１を通過した後、第１半導体層４２入射する。よって、ヘテロ接合に近い位置で電子（正孔）は生成され、電子（正孔）はヘテロ界面の電界の影響を強く受けるので、更に安定したＴＨｚ波の放射特性を得ることが可能なＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００７３】
また、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置によれば、第１半導体層４２に入射する光４６のうち、第１半導体層４２で吸収されなかった光４６を反射して第１半導体層４２に戻す金厚膜層４３が形成される。よって、入射光の利用効率を高めることができるので、高出力のＴＨｚ波発生装置を実現することができる。
【００７４】
なお、本実施の形態のＴＨｚ波発生装置において、第１半導体層４２の格子定数は、第２半導体層４１の格子定数よりも大きくてもよい。これによって、第２半導体層４１は、引っ張り歪を面内に受ける。この結果、ピエゾ電界が内部に生じ、ヘテロ界面に正電荷が誘起される。この正電荷は、ヘテロ界面におけるバンドの曲げを更に強めるので、電子正孔の加速が強まり、強いＴＨｚ波が放射される。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、電磁波発生装置に利用でき、特にテラヘルツ発生装置等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。（ｂ）同ＴＨｚ波発生装置のエネルギー構造を示す図である。
【図２】同ＴＨｚ波発生装置から放射されるＴＨｚ波の電界強度変化を示す図である。
【図３】同ＴＨｚ波発生装置から放射されるＴＨｚ波の電界強度変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【図５】（ａ）本発明の第３の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。（ｂ）同ＴＨｚ波発生装置のエネルギー構造を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【図７】雑音レベルと光量比との関係を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。
【図９】（ａ）従来のＴＨｚ波発生装置の構造を示す断面図である。（ｂ）同ＴＨｚ波発生装置のエネルギー構造を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１、２７、３１、４２    第１半導体層
２、２２、４６    光
３、２３、４４    ＴＨｚ波
４、２４、１０４    電子
５、２５、１０５    正孔
７、１２、２１、４１    第２半導体層
１０、２０、４０    基板
１１、３０    フォトニック結晶
２８    表面領域
４３    金厚膜層
４５    反射光
１０１    ＩｎＡｓ基板
１０２    フェムト秒レーザ
１０３    電磁波
１０６    基板表面
【図１】
2006216851.tif 000003
【図２】
2006216851.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006216851.tif 000008
【図７】
2006216851.tif 000009
【図８】
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【図９】
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