(57)【要約】【課題】  テラヘルツ電磁波検出器に用いられ、第１結晶基板（入射側）と第２結晶基板（出射側）を接合してなる電気光学結晶素子であって、第２結晶基板の厚さを厚くすることなく該第２結晶基板のバックサイドにおけるテラヘルツ電磁波の反射の影響を低減できる電気光学結晶素子を提供する。【解決手段】  テラヘルツ電磁波検出器用の電気光学結晶素子を、電気光学効果を有するＺｎＴｅ系化合物半導体単結晶からなる第１結晶基板（テラヘルツ電磁波入射側）と、前記第１結晶基板よりも低抵抗でかつ電気光学効果が小さく、前記第１結晶基板と同じ成分組成を有する第２結晶基板とを接合して構成するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有するＺｎＴｅ系化合物半導体単結晶からなる第１結晶基板と、前記第１結晶基板よりも低抵抗でかつ電気光学効果が小さく、前記第１結晶基板と同じ成分組成を有する第２結晶基板と、が接合されてなることを特徴とする電気光学結晶素子。
【請求項２】
前記第２結晶基板は、キャリア濃度が１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１に記載の電気光学結晶素子。
【請求項３】
前記第１の結晶は面方位が（１００）以外のＺｎＴｅ単結晶で、前記第２の結晶は面方位が（１００）又はその近傍のＺｎＴｅ単結晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気光学結晶素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ電磁波検出器に利用して有効な電気光学結晶素子（ＥＯ結晶素子）に関し、特に、ＺｎＴｅ系化合物半導体単結晶の２層構造を有する電気光学結晶素子に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、サブミリ波から遠赤外域を含む周波数領域（０．１〜１００ＴＨｚ）はテラヘルツ電磁波領域と総称され、光波と電波の境界に位置する。近年では、酸化物単結晶や化合物半導体単結晶からなる電気光学結晶（Electro-Optic Crystal；ＥＯ結晶）や半導体の光伝導スイッチ素子をフェムト秒レーザで励起することによりテラヘルツ電磁波を発生する技術や、ＥＯ結晶の複屈折の特性を利用してテラヘルツ電磁波を検出する技術が開発される等、テラヘルツ電磁波に関する技術は著しく進歩している。
【０００３】
前記ＥＯ結晶として利用される酸化物単結晶は、電気光学係数（ＥＯ係数）が大きくテラヘルツ電磁波を効率よく検出できる特性をもつ反面、テラヘルツ電磁波の屈折率が可視光の屈折率に比較して非常に大きいため、可視光との組み合わせによるテラヘルツ電磁波の検出は難しいという欠点がある。一方、化合物半導体単結晶は、ＥＯ係数は酸化物単結晶に比較して小さいが、テラヘルツ電磁波の屈折率と可視光の屈折率との差は小さいため、可視光との組み合わせによるテラヘルツ電磁波の検出に適しているという利点がある。
【０００４】
特に、化合物半導体の中でもＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の一つであるＺｎＴｅ単結晶は、比較的大きなＥＯ係数を持ちバンドギャップが室温において２．２６ｅＶであることから、可視光帯域のレーザを用いたテラヘルツ電磁波検出器用のＥＯ素子用基板として最も有望な材料といえる。
【０００５】
図２は、ＺｎＴｅ単結晶を電気光学素子用基板として用いたテラヘルツ電磁波検出器の概略構成図である。
図２に示すテラヘルツ電磁波検出器１００は、例えばレーザ光を発振するレーザ光源１０１と、光学遅延（時間遅延）手段１０２と、テラヘルツ電磁波を放射するエミッタ１０３と、ＺｎＴｅ単結晶からなるＥＯ素子１０６と、ＥＯ素子を通過して入射したプローブ光の強度を測定する、例えばフォトダイオードからなる光検出器１０５と、励起光またはプローブ光を反射して所要の光路を決定する反射鏡（リフレクタ）Ｒ１〜Ｒ６と、光を分岐または結合するビームスプリッタＳ１，Ｓ２と、光の振動方向を一方向に制限する偏光子１０４，１０７とで構成される。
【０００６】
なお、図２のテラヘルツ電磁波検出器は、励起光源およびプローブ光源として同一のレーザ光源１０１を用い、レーザ光源１０１から発振されたレーザ光をビームスプリッタＳ１によって分岐させ、光学遅延手段１０２等によってそれぞれの光路長を調整できるようにして、テラヘルツ電磁波およびプローブ光がＥＯ結晶１０６に入射するタイミングを調整できる装置構成としている。
【０００７】
まず、励起光源１０１から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタＳ１で励起光とプローブ光に分岐される。そして、励起光は光学遅延手段１０２を通過したのち光伝導素子としてのＧａＡｓ基板１０８に入射する。このときに、例えば約５ｋＶのバイアス電圧を印加することによりテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電子波はビームスプリッタＳ２に入射する。
【０００８】
一方、プローブ光は、リフレクタＲ５，Ｒ６を介して偏光子１０７に入射して直線偏光に調えられた後、ビームスプリッタＳ２に入射する。次いで、ビームスプリッタＳ２でテラヘルツ電磁波とプローブ光は結合され、ＥＯ素子（ＺｎＴｅ単結晶）１０６に入射する。このとき、ＺｎＴｅ単結晶内部にはテラヘルツ電磁波により電界が生じているため、結晶に複屈折が誘起され、プローブ光は僅かに楕円偏光に変化される。
【０００９】
ＥＯ素子１０６を透過したプローブ光は、偏光子１０７の偏光方向から９０°回転させた偏光方向を有する偏光子１０４に入射し、この偏光子１０４を通過して漏れ出してくるプローブ光の強度を光検出器１０５で検出する。
【００１０】
つまり、テラヘルツ電磁波による電界の大きさが大きいほどＺｎＴｅ単結晶１０６の複屈折率の変化が大きくなるために、楕円偏光となる割合が大きくなる。したがって、漏れ出してくるプローブ光の強度が大きいほど、テラヘルツ電磁波による電界の大きさが大きいということになる。
【００１１】
このように、電界によりＺｎＴｅ単結晶１０６の複屈折率が変化することを利用し、テラヘルツ電磁波による電界の大きさをプローブ光の強度に変換して測定することにより、テラヘルツ電磁波を検出することができる。また、可視光とＣＣＤカメラを組み合わせてイメージングする技術も提案されている（非特許文献１）。
【００１２】
ところで、一般に、電界により結晶の複屈折率が変化する割合（電気光学係数，ＥＯ係数）は、ＺｎＴｅ単結晶などの閃亜鉛構造結晶では面方位が（１００）以外の面方位で有限の値を持っており、面方位が（１００）のときに０になる（複屈折率は変化しない）ことが知られている。また、面方位が（１１０）、（１１１）、またはそれらの近傍である結晶が大きな電気光学係数を有する。そのため、従来は、テラヘルツ電磁波検出器のＥＯ素子用基板として、面方位が（１１０）または（１１１）のＺｎＴｅ単結晶が用いられている。
【００１３】
このような、電気光学効果を有する結晶基板を用いたテラヘルツ電磁波検出器では、結晶基板へ入射したテラヘルツ電磁波が反対側の面（バックサイド）で反射して、テラヘルツ電磁波の検出効率が低下してしまうという問題がある。そこで、テラヘルツ電磁波の入射側の単結晶基板（第１結晶基板）と、該第１結晶基板と同じ成分組成を有し、電気光学効果の小さい面方位（閃亜鉛鉱構造を持つ化合物半導体の場合は（１００）面）をもつ単結晶基板（第２結晶基板）とを接合することで、電気光学結晶素子（検出素子）を構成している（例えば特許文献１）。すなわち、２つの結晶基板の屈折率は等しいので、第１結晶基板ではバックサイドからのテラヘルツ電磁波の反射による影響がなくなり、かつ第２結晶基板ではテラヘルツ電磁波による電気光学効果が生じないため、効率よくテラヘルツ電磁波を検出することが可能となる。
【特許文献１】特開２００３−２７０５９８号公報
【非特許文献１】Applied Physics Letter 69(8)p.1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した二層構造の電気光学結晶素子を用いても、第２結晶基板の屈折率と空気の屈折率には差があるため、テラヘルツ電磁波が第２結晶基板のバックサイドで反射するのを回避することはできない。そこで、第２結晶基板の厚みを数ｍｍと比較的厚くすることでバックサイドにおけるテラヘルツ電磁波の反射の影響を軽減しているのが現状である。
【００１５】
このように、第２結晶基板の厚さを数ｍｍにするというのは、第１結晶基板の厚さが０．０１〜１ｍｍ程度で非常に薄いことを考慮すると、電気光学結晶素子が大きくなり検出部の小型化の妨げになる上、結晶基板自体が大きくコストが増大するという問題がある。
【００１６】
本発明は、テラヘルツ電磁波検出器に用いられ、第１結晶基板（入射側）と第２結晶基板（出射側）を接合してなる電気光学結晶素子であって、第２結晶基板の厚さを厚くすることなく該第２結晶基板のバックサイドにおけるテラヘルツ電磁波の反射の影響を低減できる電気光学結晶素子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】
【００１７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、電気光学効果を有するＺｎＴｅ系化合物半導体単結晶からなる第１結晶基板（テラヘルツ電磁波入射側）と、前記第１結晶基板よりも低抵抗でかつ電気光学効果が小さく、前記第１結晶基板と同じ成分組成を有する第２結晶基板と、が接合されてなることを特徴とする電気光学結晶素子である。
【００１８】
具体的には、前記第２結晶基板のキャリア濃度を１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3とするようにした。また、前記第１の結晶を面方位が（１００）以外のＺｎＴｅ単結晶で構成し、前記第２の結晶を面方位が（１００）又はその近傍のＺｎＴｅ単結晶で構成するようにした。これにより、第２結晶基板において、可視光の透過率を低下させることなく、効率よくテラヘルツ電磁波を吸収させることができる。
【００１９】
すなわち、本発明者等は、電気光学効果を有する第１結晶基板に貼り付ける第２結晶基板について検討を重ねた結果、第１結晶基板と同じ成分組成でキャリア濃度が所定濃度以上の単結晶基板がテラヘルツ帯の吸光率が大きくて可視光帯の吸光率が小さいことを見出し、この性質を利用して第１結晶基板と第２結晶基板とを接合して電気光学結晶素子を構成することで、第２結晶基板のバックサイドからの反射の影響がなく、第２結晶基板の厚みを第１結晶基板並に薄くできることを発案した。
【００２０】
表１は、厚さ１ｍｍのＺｎＴｅ単結晶に所定波長（周波数）のテラヘルツ電磁波、遠赤外光、及び可視光を入射したときの透過率の測定結果である。表１に示すとおり、第２結晶基板のキャリア濃度が高くなると、自由キャリアによるテラヘルツ電磁波の吸収が大きくなって、そのバックサイド面に到達するテラヘルツ電磁波を充分に減衰させることができるので、反射による影響を少なくすることができる。
【００２１】
一方、自由キャリアが増加しても検出に必要な可視光の透過率は半分程度になるに過ぎず、テラヘルツ波の透過率の低下に比べれば小さいことが分かる。したがって、ＥＯ結晶により楕円偏光されて偏光子を通過してきた可視光の検出強度は十分に大きいので、可視光の検出強度に基づいて効率よくテラヘルツ電磁波を検出することができる。
【００２２】
【表１】
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【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、第１結晶基板を透過して第２結晶基板に入射したテラヘルツ電磁波は第２結晶基板中の自由キャリアによって吸収されるので、第２結晶基板を薄くしても第２結晶基板のバックサイドでのテラヘルツ電磁波の反射による影響は少なく、一方、可視光は吸収されずに透過されるので、効率よくテラヘルツ電磁波の検出をすることができる。
【００２４】
また、第２結晶基板を薄くできるので、第１結晶基板と第２結晶基板からなる電気光学結晶素子（検出部）の小型化を図ることができる上、電気光学結晶のコストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るＺｎＴｅ単結晶を利用した電気光学結晶素子の構成を表す説明図である。
まず、高抵抗（１×１０６Ω・ｃｍ）で、面方位が（１１０）のＺｎＴｅ単結晶（第１のＺｎＴｅ単結晶）と、低抵抗で、面方位が（１００）のＺｎＴｅ単結晶（第２のＺｎＴｅ単結晶）をＶＧＦ法により作製した。このとき第２のＺｎＴｅ単結晶のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ-3とした。これにより、第１のＺｎＴｅ単結晶は電気光学効果が大きく、第２のＺｎＴｅ単結晶は電気光学効果が極めて小さいものとなる。
【００２６】
これらの結晶を１ｍｍの厚さに切削加工した後、厚さがそれぞれ  ０．６ｍｍ、０．６ｍｍとなるように鏡面研磨してＺｎＴｅ単結晶基板１０，２０を作製した。ここで、第２のＺｎＴｅ単結晶基板におけるテラヘルツ電磁波（波長２０μｍ，周波数１５ＴＨｚ）及び可視光（波長０．７μｍ，周波数４３０ＴＨｚ）の透過率は表２に示すとおりとなった。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
次に、ＺｎＴｅ単結晶基板１０，２０の貼り合わせ面を、表面の凹凸が１μｍ以下となるように研磨した。このとき、研磨面（貼り合わせ面）は加工変質層が形成されていない状態とした。
【００２９】
次に、前記ＺｎＴｅ単結晶基板１０，２０の研磨面同士を貼り合わせ、これをＺｎＴｅ単結晶基板１０，２０とほぼ同じ大きさのグラファイト部品で挟持して固定し、さらに、これらを一体成型された石英容器内に配置した。このとき、ＺｎＴｅ単結晶基板１０，２０には５００ｇ重/ｃｍ２〜１０００g重/ｃｍ２の圧力がかかるようにした。そして、ＺｎＴｅ単結晶基板の配置された石英容器を高温炉内に配置し、不活性ガス雰囲気中で、４５０℃，２時間の熱処理を行った。
【００３０】
その後、１〜１０℃／分の降温速度で冷却し、取り出したＺｎＴｅ電気光学結晶の表面Ｓを研磨した。このとき、面方位が（１１０）のＺｎＴｅ単結晶の厚さが０．５ｍｍとなるように研磨加工した。
【００３１】
上述した方法で作成されたＺｎＴｅ電気光学結晶は、第２のＺｎＴｅ単結晶基板２０のキャリア濃度が高いので、自由キャリアによるテラヘルツ電磁波の吸収が大きくなる。これにより、そのバックサイド面に到達するテラヘルツ電磁波を充分に減衰させることができるので、バックサイド面でのテラヘルツ電磁波の反射による影響を少なくすることができる。一方、第２のＺｎＴｅ単結晶基板２０において可視光の透過率はほとんど変わらないので、可視光の検出強度が低下することはない。
【００３２】
したがって、上述したＺｎＴｅ単結晶を電気光学素子用基板として用いたテラヘルツ電磁波検出器は、可視光の検出強度に基づいて効率よくテラヘルツ電磁波を検出することができる。また、第２のＺｎＴｅ単結晶基板を薄くできるので、第１のＺｎＴｅ単結晶基板１０と第２のＺｎＴｅ単結晶基板２０からなる電気光学結晶素子（検出部）の小型化を図ることができる上、電気光学結晶のコストを低減することができる。
【００３３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、第２のＺｎＴｅ単結晶基板２０のキャリア濃度は前記実施形態の数値に限定されず、キャリア濃度は１×１０17〜５×１０18ｃｍ-3の範囲内で有れば同様の効果を得ることができる。
【００３４】
また、前記実施形態では、（１１０）面のＺｎＴｅ単結晶と、（１００）面のＺｎＴｅ単結晶と貼り合わせる場合について説明したが、（１１０）面の代わりに（１１１）面のＺｎＴｅ単結晶を用いても同様の効果を得ることができる。
【００３５】
また、前記実施形態では、単結晶基板の張り合わせ方法を加熱圧着として説明したが、圧着方法に透明の接着剤を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また、前記実施形態では、検出光に可視光を用いる場合について説明したが、可視光に近い波長を持つ近赤外光を検出光として使う場合でも同様の構成で同じ効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るＺｎＴｅ電気光学結晶の構成を表す説明図である。
【図２】ＺｎＴｅ電気光学結晶を用いたテラヘルツ電磁波検出器の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  （１１０）面のＺｎＴｅ単結晶（第１のＺｎＴｅ単結晶）
２０  （１００）面のＺｎＴｅ単結晶（第２のＺｎＴｅ単結晶）
【図１】
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【図２】
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