(57)【要約】【課題】  通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を発生する光スイッチを提供する。【解決手段】  ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＰ基板１１の上に、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０．４５≦ｘ≦１）により形成された半導体の層であるＩｎＧａＡｓ層１２と、ＩｎＧａＡｓ層１２の上に設けられた第１の電極１３と、ＩｎＧａＡｓ層１２の上に、第１の電極１３と対向するように設けられた第２の電極１４とを備える。ＩｎＧａＡｓ層１２は、波長１．５μｍ程度の光で電子が励起可能な層である。そのため、ＩｎＰ基板１１と、ＩｎＧａＡｓ層１２と、第１の電極１３と、第２の電極１４とを備える光スイッチ１は、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を発生する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０．４５≦ｘ≦１）により形成された半導体の層と、
前記半導体の層の上に設けられた第１の電極と、
前記半導体の層の上に、前記第１の電極と対向するように設けられた第２の電極と
を備える光スイッチ。
【請求項２】
前記半導体の層の少なくとも上部の層には、Ｆｅイオンが注入されている
請求項１記載の光スイッチ。
【請求項３】
前記半導体の層は、アニールされている
請求項１記載の光スイッチ。
【請求項４】
前記半導体の層は、前記基板の中央部にのみ一体化された状態で形成されており、
前記第１の電極及び前記第２の電極の中央部は前記半導体の層の上に設けられており、前記第１の電極及び前記第２の電極の両端部は前記基板の上に設けられている
請求項１記載の光スイッチ。
【請求項５】
前記基板は、ＩｎＰにより形成された結晶の基板である
請求項１記載の光スイッチ。
【請求項６】
光が照射された場合、テラヘルツ波を発生する
請求項１記載の光スイッチ。
【請求項７】
テラヘルツ波を検出するために用いられる
請求項１記載の光スイッチ。
【請求項８】
テラヘルツ波を発生する、エミッタとしての請求項１記載の光スイッチと、
テラヘルツ波を検出するための、ディテクタとしての請求項１記載の光スイッチと、
前記エミッタ及び前記ディテクタに同期した光を導入する光導入部と
を備えるテラヘルツ波発生検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ周波数帯域の電磁波を発生する光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ周波数帯域（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）の電磁波（以下、「テラヘルツ波」という。）は、例えば、封筒に入っている郵便物の検査や、食品の検査等に用いることができる。そのため、テラヘルツ波を発生する光スイッチの開発が行なわれている。
【０００３】
以下に、従来の光スイッチの構成を、図１５を用いて説明する。図１５は、従来の光スイッチの外観図である。図１５に示すように、従来の光スイッチは、結晶ＧａＡｓで形成された半導体の基板１０１と、基板１０１の上に、例えば、分子線エピタキシャル成長法により低温で形成されたＧａＡｓの層（以下、「ＧａＡｓ層」という。）１０２とを備える。更に、従来の光スイッチは、ＧａＡｓ層１０２の上に、対向するように設けられた第１の電極１０３と、第２の電極１０４とを備える。
【０００４】
第１の電極１０３及び第２の電極１０４の形状は「Ｔ」字形であり、そのため、第１の電極１０３及び第２の電極１０４は、ダイポールアンテナを形成している。第１の電極１０３と第２の電極１０４との最狭部（以下、「ギャップ」という。）の間隔は５μｍである。第１の電極１０３と第２の電極１０４との間には、直流電源２により、５Ｖの電圧が印加される。
【０００５】
波長が８００ｎｍであってパルス幅が１００ｆｓであるパルス光１０６がギャップに照射されると、ピコ秒オーダのパルス電流がギャップを流れる。このとき、第１の電極１０３と第２の電極１０４とにより形成されているダイポールアンテナから、テラヘルツ波１０７が基板１０１の裏側へ放射される。
【０００６】
また、非特許文献１には、波長１．０６μｍのパルス光を用いて、テラヘルツ波が得られることが報告されている。この場合、図１５におけるＧａＡｓ層１０２は、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓの層に置き換えられる。
【非特許文献１】C.Baker et.al., "Twrahertz pulsed imaging with 1.06μm laser excitation", Applied Physics Letters, vol.83, No.20, 4113 (2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載されている方法では、波長１．０６μｍのパルス光が用いられているが、その光は通信に用いられている光ではない。通信、つまり光ケーブルで用いられている光の波長は１．５５μｍである。非特許文献１の方法では、テラヘルツ波を得るために波長１．０６μｍの光を得なければならないが、波長１．０６μｍの光は容易に得ることはできない。
【０００８】
他方、通信（光ケーブル）で用いられている光は、容易に得ることができる。そのため、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を得ることが強く要望されている。通信で用いられている光を用いてテラヘルツ波を発生させることができれば、テラヘルツ波の新しい応用の可能性も期待される。
【０００９】
本発明は、上記課題を考慮し、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を発生する光スイッチ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】
【００１０】
上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明の光スイッチは、基板と、前記基板の上に、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０．４５≦ｘ≦１）により形成された半導体の層と、前記半導体の層の上に設けられた第１の電極と、前記半導体の層の上に、前記第１の電極と対向するように設けられた第２の電極とを備える。
【００１１】
本発明の光スイッチは、基板の上にＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０．４５≦ｘ≦１）により形成された半導体の層を備える。その半導体の層では、波長１．５μｍ程度の光が照射されると、電子が励起する。そのため、本発明の光スイッチは、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を発生することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を発生する光スイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
先ず、本実施の形態の光スイッチ１の構成を、図１及び図２を用いて説明する。
【００１４】
図１は本実施の形態の光スイッチ１の外観図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線における、本実施の形態の光スイッチ１の断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、光スイッチ１は、半導体の基板１１と、基板１１の上に形成された、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓの層（以下、「ＩｎＧａＡｓ層」という。）１２と、対向する第１の電極１３と、第２の電極１４とを備える。
【００１６】
基板１１は、結晶ＩｎＰで形成されている。以下では、基板１１を「ＩｎＰ基板１１」という。ＩｎＰ基板１１は、その上に結晶成長させることにより形成されるＩｎＧａＡｓ層１２に結晶歪みを生じさせない役割を担っている。
【００１７】
ＩｎＧａＡｓ層１２は、波長１．５μｍ程度の光で電子が励起可能な層である。ＩｎＧａＡｓ層１２は、図１に示すように、ＩｎＰ基板１１の中央部にのみ一体化された状態で形成されている。ＩｎＧａＡｓ層１２を形成する方法は次の通りである。すなわち、ＩｎＰ基板１１の上面の全部に、例えば、分子線エピタキシャル成長法により低温で、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓの層を形成する。その後、リソグラフィー法を用いるエッチングにより、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓの層の中央部のみを残し、残部を除去する。これにより、ＩｎＰ基板１１の中央部にのみＩｎＧａＡｓ層１２を形成する。なお、ＩｎＧａＡｓ層１２の厚みは例えば１．５μｍであり、上面の大きさは例えば１０μｍ×２０μｍである。
【００１８】
また、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓ層１２の上層には、鉄イオンが注入された層（以下、「鉄イオン注入層」という。）１２ａが設けられている。鉄イオン注入層１２ａは、結晶構造に歪みが形成されているので、ＩｎＧａＡｓ層１２のうちの鉄イオンが注入されていない層（以下、「結晶層」という。）１２ｂに比べて、電気抵抗が高く、キャリア緩和時間が短い。鉄イオン注入層１２ａの厚みは例えば０．３μｍである。鉄イオン注入層１２ａは、上記リソグラフィー法を用いるエッチングを行なう前に、結晶成長したままの状態のＩｎＧａＡｓ層１２に、その表面から、例えば、３４０ｋｅＶの注入エネルギーにより、１．０×１０15ｃｍ2のドーズ量の鉄イオンが注入されることにより形成される。なお、ＩｎＧａＡｓ層１２の全体の厚みが１．５μｍであり、鉄イオン注入層１２ａの厚みが０．３μｍである場合、結晶層１２ｂの厚みは１．２μｍである。
【００１９】
また、ＩｎＧａＡｓ層１２は、鉄イオン注入層１２ａが設けられた後であって、上記リソグラフィー法を用いるエッチングを行なう前に、例えば６００℃で３０秒間アニール（加熱）される。アニールは、結晶性を向上させるために行なわれる。これにより、電気抵抗が上昇する。
【００２０】
このように、結晶成長したままの状態のＩｎＧａＡｓ層１２に鉄イオンを注入し、更に、アニールした後に、上記リソグラフィー法を用いるエッチングを行なう。これにより、図１に示すように、ＩｎＧａＡｓ層１２は、ＩｎＰ基板１１の中央部にのみ形成される。また、図２に示すように、ＩｎＧａＡｓ層１２の上層には、鉄イオン注入層１２ａが形成される。
【００２１】
第１の電極１３及び第２の電極１４は、金や金とチタンとの合金等の金属が用いられて、例えばスパッタリング法により形成される。第１の電極１３及び第２の電極１４の形状は、上方から見ると、従来と同様に「Ｔ」字形であり、そのような形状のため、第１の電極１３及び第２の電極１４は、ダイポールアンテナを形成している。また、図１に示すように、「Ｔ」字の縦棒に対応する、第１の電極１３及び第２の電極１４の中央部は、ＩｎＧａＡｓ層１２の上に設けられている。それに対し、第１の電極１３及び第２の電極１４の両端部は、ＩｎＰ基板１１の上に設けられている。第１の電極１３と第２の電極１４との最狭部（以下、「ギャップ」という。）の間隔は５μｍである。第１の電極１３と第２の電極１４との間には、直流電源２により、５Ｖの電圧が印加される。
【００２２】
次に、光スイッチ１の動作を説明する。
波長が１．５６μｍであって、パルス幅が１００ｆｓであるパルス光３が、光スイッチ１のギャップに照射されると、ピコ秒オーダのパルス電流がギャップを流れる。このとき、図３に示すように、第１の電極１３と第２の電極１４とにより形成されているダイポールアンテナから、０．７ピコ秒（ｐｓ）間、テラヘルツ波４がＩｎＰ基板１１の裏側へ放射される。図３に示す波形をフーリエ変換すると、図４に示すスペクトルが得られる。図４に示すように、光スイッチ１は、パルス光３が照射されると、３ＴＨｚ（テラヘルツ）程度までのテラヘルツ波を発生する。
【００２３】
上述したように、ＩｎＧａＡｓ層１２における電子は、波長１．５μｍ程度の光で励起する。そのため、波長が１．５６μｍであるパルス光３がギャップに照射されると、パルス電流がギャップを流れ、これにより、テラヘルツ波４が発生する。このようにして得られたテラヘルツ波４の帯域は、従来のＧａＡｓ層を用いた光スイッチに波長８００ｎｍの光を照射することにより得られるテラヘルツ波のそれと同程度である。つまり、光スイッチ１を用いることにより、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いて従来と同様のテラヘルツ波を発生させることができる。
【００２４】
また、光スイッチ１は、テラヘルツ波４を発生するだけでなく、テラヘルツ波４を検出することもできる。図５に、光スイッチ１をテラヘルツ波４の検出器として用いる場合の光スイッチ１等の構成を示す。図５の構成には、図１に記載されている直流電源２の替わりに、検出器５が含まれている。また、光スイッチ１の第１の電極１３及び第２の電極１４が設けられている面の裏側の面（以下、「裏面」という。）に、テラヘルツ波４が照射される。これらの点が、図５と図１との相違点である。
【００２５】
図５に示すように、光スイッチ１の裏面にテラヘルツ波４が照射され、パルス光３が光スイッチ１のギャップに照射されると、ギャップに電圧が発生し、ピコ秒オーダのパルス電流がギャップを流れる。検出器５は、パルス電流の値と、電流が流れた時間とを検出し、その検出結果により、テラヘルツ波４を検出する。図６に、光スイッチ１によって検出されるテラヘルツ波４の波形を示す。図６は、１ピコ秒（ｐｓ）間、テラヘルツ波４が検出されたことを示している。
【００２６】
以下に、１個の光スイッチ１をテラヘルツ波を発生するエミッタとして用い、別の１個の光スイッチ１をテラヘルツ波を検出するディテクタとして用いた、テラヘルツ波発生検出システム（以下、単に「システム」という。）を、図７を用いて説明する。
【００２７】
図７はシステムの構成図である。
システムは、図７に示すように、波長が１．５６μｍであって、パルス幅が１００ｆｓであるパルス光３を発生するレーザ７１と、エミッタとしての光スイッチ１（以下、「エミッタ光スイッチ１ａ」という。）と、ディテクタとしての光スイッチ１（以下、「ディテクタ光スイッチ１ｂ」という。）とを備える。また、システムは、光の進行方向を変えるための、半透明ミラー７２と、ミラー７３ａと、ミラー７３ｂと、ミラー７３ｃと、ミラー７３ｄとを備える。レーザ７１、半透明ミラー７２、ミラー７３ａ、ミラー７３ｂ、ミラー７３ｃ、及びミラー７３ｄは、光導入部を構成する。
【００２８】
また、エミッタ光スイッチ１ａの裏面には、シリコンで形成されたレンズ１８ａが設けられており、ディテクタ光スイッチ１ｂの裏面には、シリコンで形成されたレンズ１８ｂが設けられている。レンズ１８ａは、エミッタ光スイッチ１ａで発生したテラヘルツ波４を放射させる。他方、レンズ１８ｂは、入射してくるテラヘルツ波４を集める。
【００２９】
図７に示すシステムにおいて、レーザ７１は、波長が１．５６μｍであって、パルス幅が１００ｆｓであるパルス光３を発生し、パルス光３は、半透明ミラー７２及びミラー７３ａにより反射し、エミッタ光スイッチ１ａを照射する。エミッタ光スイッチ１ａでは、パルス光３が照射されると、ピコ秒オーダのパルス電流がギャップ（第１の電極１３と第２の電極１４との最狭部）を流れる。このとき、第１の電極１３と第２の電極１４とにより形成されているダイポールアンテナから、テラヘルツ波４がＩｎＰ基板１１の裏側へ放射される。すなわち、エミッタ光スイッチ１ａは、パルス光３が照射されると、テラヘルツ波４を発生し、裏面からテラヘルツ波４を放射する。
【００３０】
また、レーザ７１からのパルス光３は、半透明ミラー７２を透過し、ミラー７３ｂ，ミラー７３ｃ，ミラー７３ｄで反射して、ディテクタ光スイッチ１ｂを照射する。つまり、ディテクタ光スイッチ１ｂは、エミッタ光スイッチ１ａを照射する光と同期したパルス光３が照射される。ディテクタ光スイッチ１ｂでは、裏面にテラヘルツ波４が照射されるとともに、表面にパルス光３が照射されると、ピコ秒オーダのパルス電流がギャップを流れる。検出器５は、パルス電流の値と、電流が流れた時間とを検出し、その検出結果により、テラヘルツ波４を検出する。
【００３１】
以上説明したように、光スイッチ１は、Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓの層であるＩｎＧａＡｓ層１２を備える。ＩｎＧａＡｓ層１２は、波長１．５μｍ程度の光で電子が励起可能な層である。そのため、光スイッチ１は、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を発生するエミッタとして機能する。また、光スイッチ１は、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いてテラヘルツ波を検出するディテクタとして機能する。
【００３２】
なお、上述した実施の形態では、光スイッチ１のＩｎＧａＡｓ層１２の上層に、鉄イオンが注入された層である鉄イオン注入層１２ａが設けられている。しかしながら、鉄イオン注入層１２ａは設けられなくてもよい。つまり、ＩｎＧａＡｓ層１２には、鉄イオンは注入されていなくてもよい。図８に、鉄イオン注入層１２ａが設けられている場合と、鉄イオン注入層１２ａが設けられていない場合とにおける、光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の時間変化を示す。図９に、図８に示す波形をフーリエ変換することにより得られるスペクトルを示す。
【００３３】
図８に示すように、鉄イオン注入層１２ａが設けられている場合、テラヘルツ波の発生期間は０．７ｐｓであって、鉄イオン注入層１２ａが設けられていない場合のテラヘルツ波の発生期間１．１ｐｓに比べて短い。鉄イオン注入層１２ａは、結晶層１２ｂに比べて、キャリア緩和時間が短いので、上記結果が得られる。しかしながら、図９に示すように、鉄イオン注入層１２ａが設けられていない場合であっても、光スイッチ１は、１ＴＨｚ（テラヘルツ）程度までのテラヘルツ波を発生する。そのため、光スイッチ１がエミッタとして用いられる場合、鉄イオン注入層１２ａは設けられなくてもよい。
【００３４】
また、光スイッチ１のＩｎＧａＡｓ層１２は、アニールされていなくてもよい。
また、ＩｎＰ基板１１は、ＧａＡｓの結晶の基板に置き換えられてもよい。ただし、ＩｎＰ基板１１は、上述したように、ＩｎＧａＡｓ層１２に結晶歪みを生じさせない役割を担っている。そのため、ＩｎＰ基板１１がＧａＡｓの結晶の基板に置き換えられた場合、ＩｎＧａＡｓ層１２には結晶歪みが生じる。
【００３５】
また、上述した実施の形態では、ＩｎＧａＡｓ層１２のＩｎとＧａの組成比は０．５３：０．４７である。しかしながら、ＩｎＧａＡｓ層１２は、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０．４５≦ｘ≦１）の層であればよい。図１０に示すように、ＩｎＰ基板の上にＩｎxＧａ(1-x)Ａｓの層が形成された場合、ｘが０．４５以上１以下（０．４５≦ｘ≦１）であれば、常温である３００ＫでのＩｎxＧａ(1-x)ＡｓのバンドギャップＥgは、通信で用いられている波長１．５５μｍの光が有するエネルギーである０．８ｅＶより小さい。したがって、通信で用いられている波長１．５５μｍの光を用いる場合、ＩｎＧａＡｓ層１２は、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０．４５≦ｘ≦１）の層であればよい。
【００３６】
次に、パルス光３の強度と光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の最大振幅との関係を説明する。図１１はその関係を示す。図１１に示すように、パルス光３の強度が大きくなればなるほど、光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の最大振幅は大きくなる。
【００３７】
次に、直流電源２が印加する電圧の大きさと、光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の最大振幅との関係を説明する。図１２はその関係を示す。図１２に示すように、直流電源２が印加する電圧が大きくなればなるほど、光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の最大振幅は大きくなる。
【００３８】
なお、上述した実施の形態では、光スイッチ１は、図１に示すように、ＩｎＰ基板１１の中央部にのみ一体化された状態のＩｎＧａＡｓ層１２を備える。しかしながら、光スイッチ１は、図１３に示すように、ＩｎＰ基板１１の上面の全部に、ＩｎＧａＡｓ層１２を備えてもよい。ただし、図１に示すように、ＩｎＧａＡｓ層１２がＩｎＰ基板１１の中央部にのみ設けられていると、第１の電極１３と第２の電極１４との間を流れるリーク電流を低減することができる。
【００３９】
また、図１４に示すように、光スイッチ１には、パルス光ではない、差周波数がテラヘルツ波となる二つの光８ａ、８ｂが照射されてもよい。この場合も、光スイッチ１は、テラヘルツ波４を発生する。二つの光８ａ、８ｂは、例えば、半導体レーザからの光である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の光スイッチは、封筒に入っている郵便物の検査や、食品の検査等に用いるテラヘルツ波を発生する装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態の光スイッチ１の外観図である。
【図２】実施の形態の光スイッチ１の断面図である。
【図３】テラヘルツ波の波形を示す図である。
【図４】図３に示す波形をフーリエ変換することにより得られるテラヘルツ波のスペクトルを示す図である。
【図５】光スイッチ１をテラヘルツ波の検出器として用いる場合の構成図である。
【図６】光スイッチ１によって検出されるテラヘルツ波の波形を示す図である。
【図７】１個の光スイッチ１をテラヘルツ波を発生するエミッタとして用い、別の１個の光スイッチ１をテラヘルツ波を検出するディテクタとして用いた、テラヘルツ波発生検出システムの構成図である。
【図８】鉄イオン注入層１２ａが設けられているか否かの相違による、テラヘルツ波の相違を示す図である。
【図９】図８に示す波形をフーリエ変換することにより得られるテラヘルツ波のスペクトルを示す図である。
【図１０】ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓのｘの値とバンドギャップＥgとの関係を示す図である。
【図１１】パルス光３の強度と光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の最大振幅との関係を示す図である。
【図１２】直流電源２が印加する電圧の大きさと、光スイッチ１が発生するテラヘルツ波の最大振幅との関係を示す図である。
【図１３】光スイッチ１の外観図である。
【図１４】光スイッチ１の外観図である。
【図１５】従来の光スイッチの外観図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  光スイッチ
２  直流電源
３  パルス光
４  テラヘルツ波
５  検出器
１１  ＩｎＰ基板
１２  ＩｎＧａＡｓ層
１２ａ  鉄イオン注入層
１２ｂ  結晶層
１３  第１の電極
１４  第２の電極
７１  レーザ
７２  半透明ミラー
７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄ  ミラー
【図１】
2006086227.tif 000003
【図２】
2006086227.tif 000004
【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】
2006086227.tif 000011
【図１０】
2006086227.tif 000012
【図１１】
2006086227.tif 000013
【図１２】
2006086227.tif 000014
【図１３】
2006086227.tif 000015
【図１４】
2006086227.tif 000016
【図１５】
2006086227.tif 000017