(57)【要約】【課題】  入射光の量が少なくても高出力のテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置を提供する。【解決手段】  光が入射された場合に電磁波を発生する電磁波発生装置であって、半絶縁性のＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１の上に設けられた電極２及び電極３とを備え、ＧａＡｓ基板１の上面の電極２と電極３とで挟まれている領域に、屈折率が周期的に変化している領域４が設けられている。【選択図】        図１
2006147772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が入射された場合に電磁波を発生する電磁波発生装置であって、
半導体の層と、
前記層の上に設けられた第１の電極及び第２の電極とを備え、
前記層の上面の前記第１の電極と前記第２の電極とで挟まれている領域に、屈折率が周期的に変化している屈折率変化部が設けられている
電磁波発生装置。
【請求項２】
前記屈折率変化部の変化している屈折率の周期は、前記光が前記層に局在するように、前記屈折率変化部の構造と、前記光の波長とによって決定される
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
前記屈折率変化部の、前記第１の電極及び前記第２の電極の対向する各部位相互を結ぶ複数の直線の少なくとも一個については、屈折率は変化していない
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
前記屈折率変化部の、前記第１の電極及び前記第２の電極の対向する各部位相互を結ぶ全部の直線について、屈折率は周期的に変化している
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
前記屈折率変化部の光バンド構造において、前記光バンド構造の角周波数をω、波数をｋ、光速をｃ、前記層の電子が生成される部位の屈折率をｎとした場合、
|∂ω／∂ｋ｜＜０．６（ｃ／ｎ）が成立する
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
前記領域の前記上面から所定の深さまでの部位は、厚み方向に屈折率が周期的に変化している
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項７】
前記領域の前記上面から所定の深さまでの部位は、異なる半導体材料が積層され、ヘテロ接合が形成されている
請求項６記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
前記厚み方向に変化している屈折率の周期をａ、前記光の波長をλ、自然数をｍとした場合、
ａ＝λ／（２ｍ）が成立する
請求項６記載の電磁波発生装置。
【請求項９】
前記屈折率変化部の変化している屈折率の周期をａ、電荷の平均移動速度をｖ、電荷の寿命をτとした場合、
ｖτ≦ａが成立する
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項１０】
前記屈折率変化部の変化している屈折率の周期は、前記光の波長より短い
請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項１１】
光が入射された場合に電磁波を発生する電磁波発生装置を製造する方法であって、
半導体の層の上面の所定の領域に屈折率が周期的に変化している屈折率変化部を形成し、
前記上面の、形成した前記屈折率変化部を挟む部位に、第１の電極及び第２の電極を形成する
電磁波発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数が高い電磁波、例えば、テラヘルツ波を発生する電磁波発生装置に関する。
【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（以下、「テラヘルツ波」という。）は、物質に固有の吸収スペクトルを多数有する。それゆえ、テラヘルツ波は、例えば、封筒中の郵便物検査、食品検査、所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体の不純物量検査、複素誘電率評価等の、医学応用、環境計測、工学応用等多数の産業分野での使用が期待されており、近年、その研究開発が活発に行なわれている。
【０００３】
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）を用いる方法である。その従来例を図１５（非特許文献１参照）を用いて説明する。半絶縁性のＧａＡｓ基板９１上に分子線エピタキシャル成長法により、低温成長ＧａＡｓ層９２が形成されている。ＧａＡｓ層９２は、低温（約２００℃）で形成されると、移動度が比較的大きいまま、ピコ秒（１０-12ｓｅｃ）以下のキャリア寿命を持つことが知られており、極短パルス（ピコ秒以下）に応答する高速光導電膜として有用である。ＧａＡｓ層９２の表面には、電極２と電極３とが形成されている。電極２及び電極３は、テラヘルツ波が放射しやすいダイポールアンテナを形成している。電極２と電極３との間隙（ギャップ）は５μｍである。電極２と電極３との間には電源５により約３０Ｖの電圧が印加される。この電極間隙のＧａＡｓ層部分４に、照射時間がフェムト秒の短いパルス光（たとえば、約８０ｆｓｅｃ，波長約７８０ｎｍ，Ａｒレーザ励起モードロックＴｉ：サファイアレーザ使用）を照射すると、このパルス光は、電極間隙のＧａＡｓ層部分４の内部（光吸収部）で電子と正孔とを発生させる。光吸収部には電界があるため、電子及び正孔は、電極間隙をキャリア寿命の間だけ移動する。この結果、ピコ秒オーダの単パルス電流が発生する。よく知られているように、電流の時間変化は、電磁波となって放射される。この電磁波のスペクトルは直流〜数ＴＨｚまであり、テラヘルツ帯までの広い帯域の電磁波が得られる。
【０００４】
上記ではテラヘルツ波発生部として低温成長ＧａＡｓ層９２を用いたが、非特許文献１に示されているように、テラヘルツ波発生部として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることも可能である。半絶縁性のＧａＡｓのキャリア寿命は、数１００ｐｓｅｃもあるが、移動度は低温成長ＧａＡｓに比べて１０倍以上（７０００ｃｍ2／Ｖｓ以上）もある。移動度が大きいということは、電流の立ち上がりの時間変化が大きいということである。その時間微分である電磁波をフーリエ展開した成分には、テラヘルツ成分が含まれる。この結果、テラヘルツ波発生部として半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いても、テラヘルツ波が放射される。
【非特許文献１】M. Tani et.al., "Emission characteristics of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs", Applied Optics, vol.36, No.30, 7853 (1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでのテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置は、フェムト秒レーザからの多量の光が照射されるので、比較的高出力のテラヘルツ波を出力することができる。しかし、今後、電磁波発生装置を普及させるためには、省電力化が必要であり、そのためには、少量の光が照射されても、高出力のテラヘルツ波を放出する電磁波発生装置が提供されることが求められている。少量の光であるほど、フェムト秒レーザを駆動する際に必要な電力が下がるためである。
【０００６】
しかるに、図１５から明らかなように、これまでの電磁波発生装置における光入射表面は平面である。光は平面である光入射表面に入射すると、多くがその表面で反射し、光吸収部に到達する光の量は入射した光の量から大きく減少する。そのため、少量の光を入射して高出力のテラヘルツ波を発生させることは難しい。
【０００７】
本発明は、上記課題を考慮し、入射光の量が少なくても高出力のテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置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】
上記課題を解決し上記目的を達成するために、本発明の電磁波発生装置は、光が入射された場合に電磁波を発生する電磁波発生装置であって、半導体の層と、前記層の上に設けられた第１の電極及び第２の電極とを備え、前記層の上面の前記第１の電極と前記第２の電極とで挟まれている領域に、屈折率が周期的に変化している屈折率変化部が設けられている。
【０００９】
屈折率変化部が設けられているので、第１の電極と第２の電極との間の半導体の層での光の吸収が従来よりも多くなる。これにより、本発明の電磁波発生装置は、入射光の量が少なくても高出力のテラヘルツ波を発生することができる。
【００１０】
屈折率変化部は、いわゆるフォトニック結晶といわれるものである。（フォトニック結晶に関しては、例えば、迫田和彰著「フォトニック結晶入門」に詳しく述べられている）。光が入射される部分にいわゆるフォトニック結晶が形成されていることにより、入射光の動き（進行方向や進行速度）を制御することができる。この結果、光吸収部に多くの光を取り入れることが可能で、僅かな入射光でも半導体の層の内部の光吸収部で多くの電子・正孔対が生成され、より高出力な電磁波を得ることができる（高効率化できる）。
【００１１】
なお、半導体の層の上面に屈折率変化部を形成することは、半導体リソグラフィー技術を用いれば容易であり、本構造は生産性が高い。
【００１２】
また、第１の電極及び第２の電極はいわゆるアンテナである。従って、屈折率変化部で生成された電荷の移動による電磁波の放射をより効率的に行なうことができる。電荷の移動のメカニズムとしては、外部印加電界によるクーロン力の他、電荷密度勾配による拡散等がある。
【００１３】
また、第１の電極と第２の電極との間には電圧が印加される。電極間に電圧が印加されると、光吸収部に電界が発生する。この電界により、光吸収部で生成された電荷はクーロン力により移動する。すなわち、外部電圧により、電荷の動き、すなわち電流Ｉを制御することができる。放射される電磁波の電界Ｅは、電流Ｉの時間微分に比例する。すなわち、Ｅ ∝ ∂Ｉ／∂ｔが成立する（ｔは時間である。）。電流Ｉの制御により放射電磁界の特性（周波数や強度等）を変えることができる。
【００１４】
ここで、本発明の電磁波発生装置における前記屈折率変化部の、前記第１の電極及び前記第２の電極の対向する各部位相互を結ぶ複数の直線の少なくとも一個については、屈折率は変化していなくてもよい。
【００１５】
この構成により、屈折率が変化していない直線部分においては電気力線は阻害されないので、電荷は高速で移動することができ、電磁波発生装置は広帯域なテラヘルツ波を放射することができる。
【００１６】
また、前記屈折率変化部の、前記第１の電極及び前記第２の電極の対向する各部位相互を結ぶ全部の直線について、屈折率は周期的に変化していてもよい。
【００１７】
この構成により、電気力線が阻害され、電荷の走行はその付近で減速される。その結果、流れはじめた電流が減少する。この電流変調により、電磁波発生装置は、より効率的に高周波の電磁波を放射することができる。
【００１８】
前記屈折率変化部の光バンド構造において、前記光バンド構造の角周波数をω、波数をｋ、光速をｃ、前記層の電子が生成される部位の屈折率をｎとした場合、“|∂ω／∂ｋ｜＜０．６（ｃ／ｎ）”が成立することが好ましい。
【００１９】
光速ｃ，周波数ｆ，波長λには、ｃ＝ｆλという関係がある。光が、屈折率ｎが一様な媒質に入射したとき、周波数は変化しないので、次式が成立する。
【００２０】
ω＝２πｆ＝（ｃ／ｎ）・２π／（λ／ｎ）＝（ｃ／ｎ）・ｋ（ｋは波数である。）
従って、上記一様な媒質中の光の群速度ｖ１は、次式で表される。
【００２１】
ｖ１＝∂ω／∂ｋ＝ｃ／ｎ
他方、光が、屈折率ｎが周期的に変化している媒質に入射したとき、光の群速度ｖ２（＝∂ω／∂ｋ）は、一定ではなく、ｋ方向によって変化する。
【００２２】
ところで、群速度が小さいと、媒質中における光の滞在時間が長くなり、その媒質中における光の吸収率は大きくなる。入射光を有効に使おうとすると、少なくとも入射光の５０％以上は吸収される必要がある。後に図６を用いて説明するが、群速度の低下率をｖ２／ｖ１と定義すると、半導体がＧａＡｓであれば、入射光の５０％以上を半導体ＧａＡｓに吸収させようとすると、群速度の低下率を６０％以下にする必要がある。従って、上記の式“|∂ω／∂ｋ｜＜０．６（ｃ／ｎ）”が成立することが好ましい。他の半導体についても、入射光の５０％以上をその半導体に吸収させようとすると、上記の式が成立することが好ましい。
【００２３】
本発明の電磁波発生装置の前記領域の前記上面から所定の深さまでの部位は、厚み方向に屈折率が周期的に変化していてもよい。
【００２４】
この構成により、三次元のフォトニック結晶が形成され、光の閉じ込め効果が高くなる。それゆえに極僅かな光で効率よく電荷を生成することができる。
【００２５】
前記領域の前記上面から所定の深さまでの部位は、異なる半導体材料が積層され、ヘテロ接合が形成されていてもよい。
【００２６】
この構成により、ヘテロ界面には二次元電子ガスが生成されるので、より高速な電荷移動が可能となり、電磁波発生装置は広帯域なテラヘルツ波を発生することができる。
【００２７】
ここで、前記領域の厚み方向に屈折率が周期的に変化している部位において、前記厚み方向の変化している屈折率の周期をａ、前記光の波長をλ、自然数をｍとした場合、“ａ＝λ／（２ｍ）”が成立することが好ましい。
【００２８】
上記の式が成立する場合、入射光とフォトニック結晶との干渉が強まり、より強くフォトニック結晶の効果を発揮させることができる。
【００２９】
また、前記屈折率変化部の変化している屈折率の周期をａ、電荷の平均移動速度をｖ、電荷の寿命をτとした場合、“ｖτ≦ａが成立する”ことが好ましい。
【００３０】
入射光は前記屈折率変化部で多重反射するので、生成された電子の密度には、疎な部分と密な部分とが発生する。 “ｖτ≦ａ”が成立すれば、隣接する電子の密な部分相互が干渉することは少なく、電子の散乱により移動度が低下することを少なくすることができ、良好な電気特性を得ることができる。
【００３１】
本発明の電磁波発生装置の製造方法は、光が入射された場合に電磁波を発生する電磁波発生装置を製造する方法であって、半導体の層の上面の所定の領域に屈折率が周期的に変化している屈折率変化部を形成し、前記上面の、形成した前記屈折率変化部を挟む部位に、第１の電極及び第２の電極を形成する。
【００３２】
屈折率変化部は、電子ビームを用いて露光することによって形成する場合が多く、電子が半導体の層の表面にたまり、静電気を帯びやすい。このため、屈折率変化部を形成する前に第１の電極及び第２の電極を形成すると、電極間で静電破壊を起こし、半導体の層の表面に損傷を与える。従って、電極を形成する工程を、屈折率変化部を形成する工程より後にすることにより、電極間での静電破壊をなくし、生産性よく、電磁波発生装置を製造することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、入射光の量が少なくても高出力のテラヘルツ波を発生する電磁波発生装置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】
【００３４】
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。
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態における電磁波発生装置の斜視図である。
【００３５】
クロムがドープされた半絶縁性のＧａＡｓ基板１の上に、Ａｕによる電極２及び電極３が形成されている。電極２及び電極３ともに幅１０μｍ、長さ（奥行き）２５μｍであり、電極２と電極３との間隔は５μｍである。ＧａＡｓ基板１の表面部の電極２と電極３との間の領域４には、円形の微小な穴１０が碁盤目状に周期的に形成されている。この穴１０には空気が存在し、穴部の屈折率は１である。他方、穴１０以外の場所はＧａＡｓで形成された平面であって、屈折率は３．５である。この結果、電極２と電極３との間の領域４は、二次元において屈折率が周期的に変化したフォトニック結晶が形成されていることになる。電極２と電極３との間には電源５により電圧が印加される。入射光は波長７８０ｎｍ、８０ｆｓｅｃのフェムト秒ファイバーレーザからのパルス光である。
【００３６】
上記フォトニック結晶の微小穴１０の配置例として、図２から図４に示す３種類が例示される。
【００３７】
図２の例では、穴１０の周期ａは０．３５μｍであり、隣接する２個の穴１０相互のうちで最も距離の短いものを穴１０の周期ａであると定義すると、穴１０の半径は周期ａの０．２倍（０．０７μｍ）である。図２のＧａＡｓ基板１の表面部の電極２と電極３との間の領域４（フォトニック結晶４）のバンド構造を図５に示す。図２に示すフォトニック結晶４では、入射光の波長が７８０ｎｍであるので、穴１０の周期ａ（格子間隔ａ）／波長は０．４５である。図５から明らかなように、上記波長に対しては、波数空間でＸ→Ｍ方向の光に対して群速度はほぼ零である（図５より、∂（ωａ／２πｃ）／∂ｋ〜０であり、ａ、ｃは定数であるから、群速度∂ω／∂ｋ〜０になる）。これは、図２に示すフォトニック結晶４に入射する光がフォトニック結晶４の内部で局在化することを示す。ＧａＡｓ基板１は上記の波長の光を吸収する。このため、局在化する光は効率的にＧａＡｓ基板１に吸収され、電子・正孔対を生成し電気伝導に寄与する。
【００３８】
群速度の低下率と光の吸収量との関係を図６に示す。群速度の低下率は、屈折率が周期的に変化する媒質に入射した光の群速度を、屈折率が一様な媒質に入射した光の群速度で除した値である。ＧａＡｓ層に入射する光の波長（７８０ｎｍ）において、ＧａＡｓ層の吸収係数は約１００００ｃｍ-1である。入射光を有効に使うためには、少なくとも入射光の５０％以上はＧａＡｓ層に吸収される必要がある。そのため、図６に示すように、群速度の低下率は、６０％以下にする必要がある。つまり、屈折率が周期的に変化したフォトニック結晶４の光バンド構造において、その光バンド構造の角周波数をω、波数をｋ、光速をｃ、光が照射され電子が生成する部分の屈折率をｎとしたとき、次式（数１）が満たされる必要がある。
【００３９】
(数１)
｜∂ω／∂ｋ｜＜０．６（ｃ／ｎ）
なお、フォトニック結晶が電極間に形成されていない従来の場合（つまり群速度低下率＝１００％）、図６から明らかなように、入射光の４０％程度しかＧａＡｓ層に吸収されない。
【００４０】
また、ここでは、ＧａＡｓの場合を示したが、他の半導体においても、安定な光吸収が行なわれる波長域では、吸収係数が、およそ１００００ｃｍ-1となる。したがって、他の半導体に対しても、（数１）を適用することができる。
【００４１】
次に、図３の例では、穴１０は三角格子状に配置されている。図７に、図３に示すフォトニック結晶４を拡大して示す。図３及び図７に示すように、隣接する３個の穴１０が正三角形を形成するように、各穴１０は周期的に形成されている。隣接する２個の穴１０相互のうちで最も距離の短いものを穴１０の周期ａであると定義すると、穴１０の周期ａは０．３３μｍであり、穴１０の半径は周期ａの０．３倍（０．１μｍ）である。この構造におけるフォトニック結晶４のバンド構造を図８に示す。図３に示すフォトニック結晶４では、入射光の波長が７８０ｎｍであるので、穴１０の周期ａ／波長は０．４２である。上記波長に対しては、図８から明らかなように、波数空間でＫ→Γ方向の光に対して群速度はほぼ零である（∂（ωａ／２πｃ）／∂ｋ〜０）。これは、図３に示すフォトニック結晶４に入射する光がフォトニック結晶４の内部で局在化することを示す。ＧａＡｓ基板１は上記の波長の光を吸収する。このため、局在化する光は効率的にＧａＡｓ基板１に吸収され、電子・正孔対を生成し電気伝導に寄与する。
【００４２】
図４の例では、穴１０の周期、半径、及び配置は図３の場合と同様であるので、図４に示すフォトニック結晶４のバンド構造は、図８に示すバンド構造である。従って、フォトニック結晶４に入射する光はフォトニック結晶４の内部で局在化し、効率的に吸収される。
【００４３】
しかしながら、図４に示すフォトニック結晶４と、図３に示すフォトニック結晶４とでは、以下の点が異なる。
【００４４】
図３に示すフォトニック結晶４では、電極２の電極３と対向する辺（以下、「電極先端辺」という。）２ａと、電極３の電極２と対向する辺（以下、「電極先端辺」という。）３ａとの対向する部位相互を結ぶ複数の直線の一部について、その直線上に穴１０が存在していない。それに対して、図４に示すフォトニック結晶４では、電極２の電極先端辺２ａの各部と、電極３の電極先端辺３ａとの対向する部位相互を結ぶ全部の直線上に穴１０が存在している。
【００４５】
従って、図４に示すフォトニック結晶４では、図９（ｃ）に示すように、電極２の電極先端辺２ａから電極３へ向かう全ての電子３０３は、フォトニック結晶４を構成する穴１０と衝突し、電子の流れの向きが変化する。電気力線３０４も蛇行する。そのため、入射光と電子流とが共鳴し、入射光による電子・正孔対の生成確率が大きくなる。その結果、わずかな入射光に対しても効率的に電荷を生成させることができる。これにより、図４に示すフォトニック結晶４を有する電磁波発生装置は、高出力のテラヘルツ波を出力することができる。
【００４６】
他方、図２及び図３に示すフォトニック結晶４では、図９（ａ），（ｂ）に示すように、電極２の電極先端辺２ａから電極３へ向かう電子３０１，３０２は、フォトニック結晶４を構成する穴１０と衝突しない。従って、電子３０１，３０２は、電極２から電極３へ高速で移動する。これにより、図２及び図３に示すフォトニック結晶４を有する電磁波発生装置は、広帯域なテラヘルツ波を放射することができる。
【００４７】
図１０は、第１の実施の形態の電磁波発生装置（図２〜４のフォトニック結晶構造を有する電磁波発生装置）の入射光量に対するテラヘルツ波の出力を示す。電極２と電極３との間には２０Ｖが印加されている。入射光の局在化及び、入射光と電子とが共鳴することにより、第１の実施の形態の電磁波発生装置は、フォトニック結晶が電極間に形成されていない従来の場合に比べて、テラヘルツ波を高出力で出力することができていることがわかる。
【００４８】
ここで、フォトニック結晶４の穴１０の周期をａ、電荷の平均移動速度をｖ、電荷の寿命をτとした場合、“ｖτ≦ａが成立する”ことが好ましい。
【００４９】
入射光はフォトニック結晶４で多重反射するので、図１１に示すように、生成された電子の密度には、疎な部分と密な部分とが発生する。 “ｖτ≦ａ”が成立すれば、隣接する電子の密な部分相互が干渉することは少なく、電子の散乱により移動度が低下することを少なくすることができ、良好な電気特性を得ることができる。
【００５０】
次に、第１の実施の形態の電磁波発生装置の製造方法を説明する。
フォトニック結晶の構造は図２〜図４の三種類存在するが、その製造方法は同じである。
【００５１】
先ず、図１２（ａ）に示す半絶縁性のＧａＡｓ基板１の上に、図１２（ｂ）に示すように、フォトレジスト２１を塗布して硬化し、電子ビームを用いた露光によりフォトニック結晶４のパターン２２を形成する。電子ビームの描画プログラムを変更するだけで、図２〜図４の各フォトニック結晶４に対応するパターンを得ることができる。
【００５２】
次に、図１２（ｃ）に示すように、リアクティブエッチング装置を用いて、ＧａＡｓ基板１の表面に穴１０を形成し、図１２（ｄ）に示すように、フォトレジスト２１を取り除く。次に、図１２（ｅ）に示すように、再び、フォトレジストを塗布して硬化し、マスクアライナ装置とフォトマスクとを用いて、電極部分のパターン２４を形成する。次に、図１２（ｆ）に示すように、抵抗加熱蒸着装置を用い、金２５を全面に形成する。次に、リフトオフ法を用いてフォトレジストを剥離し、図１２（ｇ）に示すように、電極２及び電極３を形成する。以下、ダイシングを行なうことにより、第１の実施の形態の電磁波発生装置は完成する。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図１３は第２の実施の形態における電磁波発生装置の斜視図である。
【００５４】
クロムがドープされたＧａＡｓ基板１の上に、クロムがドープされた半絶縁性のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３３と、クロムがドープされた半絶縁性のＧａＡｓ層３２とが交互に二層ずつ形成されている。層３３及び層３２の厚みはともに０．３９μｍである。最上層３２の上には、Ａｕによる電極２及び電極３が形成されている。電極２及び電極３ともに幅１０μｍ、長さ（奥行き）２５μｍであり、電極２と電極３との間隔は５μｍである。電極２と電極３との間の領域３１には、円形の微小な穴１０（深さ１．６μｍ）が碁盤目状に周期的に形成されている。その周期（隣接する穴１０相互の距離）は０．３９μｍである。この穴１０には空気が存在し、穴部の屈折率は１である。他方、穴１０以外の場所はＧａＡｓで形成された平面であって、屈折率は３．５である。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓの屈折率が３．４５であるので、電極２と電極３との間の領域３１は、二次元において屈折率が周期的に変化した部位と、層の厚み方向の屈折率が周期的に変化した部位とを有する三次元のフォトニック結晶が形成されていることになる。このフォトニック結晶の周期（隣接する穴１０相互の距離及び各層の厚み）は、入射光の波長（７８０ｎｍ）の半分の０．３９μｍであり、入射光と電子とが強く干渉し、光を閉じ込める。
【００５５】
入射光は波長７８０ｎｍ、８０ｆｓｅｃのフェムト秒ファイバーレーザからのパルス光である。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓのバンドギャップが約０．８ｅＶであるので（例えば、応用物理学会編「半導体レーザ」オーム社、１９９４年を参照）、入射光はＧａＡｓ層３２及びＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３３で電子・正孔対を生成させる。また、電子は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３３とＧａＡｓ層３２とのヘテロ界面に溜まり、ヘテロ界面でいわゆる二次元電子ガス状態で存在する。そのため、電子は、散乱が小さく高速に動作することが可能である。この電子の高速動作により、第２の実施の形態における電磁波発生装置は、１０ＴＨｚ以上のテラヘルツ波を含む電磁波を放射する。
【００５６】
次に、第２の実施の形態の電磁波発生装置の製造方法を説明する。
先ず、図１４（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１の上に、分子線エピタキシャル成長法を用いて、クロムがドープされたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３３とクロムがドープされたＧａＡｓ層３２とを順次２層ずつ形成する。その上に、図１４（ｂ）に示すように、フォトレジスト２１を塗布して硬化し、電子ビームを用いた露光によりフォトニック結晶４のパターン２２を形成する。
【００５７】
次に、図１４（ｃ）に示すように、リアクティブエッチング装置を用いて、最上層のＧａＡｓ層３２から穴１０を形成する。穴１０の深さは、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層３３の２層及びＧａＡｓ層３２の２層の合計４層を貫く深さである。次に、図１４（ｄ）に示すように、フォトレジスト２１を取り除く。次に、図１４（ｅ）に示すように、再び、フォトレジストを塗布して硬化し、マスクアライナ装置とフォトマスクとを用いて、電極部分のパターン２４を形成する。次に、図１４（ｆ）に示すように、抵抗加熱蒸着装置を用い、金２５を全面に形成する。次に、リフトオフ法を用いてフォトレジストを剥離し、図１４（ｇ）に示すように、電極２及び電極３を形成する。以下、ダイシングを行なうことにより、第２の実施の形態の電磁波発生装置は完成する。
【００５８】
なお、上述した実施の形態では、穴１０を設けることにより、フォトニック結晶４の屈折率を周期的に変化させたが、屈折率を周期的に変化させる方法は上記の方法に限定されない。例えば、穴１０にＳｉＯ2等の材料を充填することにより、フォトニック結晶４の屈折率を周期的に変化させてもよい。要するに、フォトニック結晶４の屈折率を周期的に変化させることにより、入射光を電極２と電極３との間の半絶縁性のＧａＡｓ基板（層）に局在化させ、光の吸収率を向上させさえすればよい。
【００５９】
また、半導体材料はＧａＡｓに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の電磁波発生装置は、テラヘルツ波を発生する装置として有用であり、医用分野等で使用することができ、産業上の利用価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】第１の実施の形態における電磁波発生装置の斜視図
【図２】第１の実施の形態における電磁波発生装置の微小穴の配置を示す第１の図
【図３】第１の実施の形態における電磁波発生装置の微小穴の配置を示す第２の図
【図４】第１の実施の形態における電磁波発生装置の微小穴の配置を示す第３の図
【図５】図２の電磁波発生装置のバンド構造を示す図
【図６】群速度の低下率と光の吸収量との関係を示す図
【図７】図３の電磁波発生装置の微小穴の配置の拡大図
【図８】図３の電磁波発生装置のバンド構造を示す図
【図９】図２から図４の各電磁波発生装置が発揮する効果を説明するための図
【図１０】図２から図４の各電磁波発生装置及び従来の電磁波発生装置が出力するテラヘルツ波の出力を示す図
【図１１】生成された電子の、密度が疎な部分と密な部分とを示す図
【図１２】第１の実施の形態における電磁波発生装置の製造方法を示す図
【図１３】第２の実施の形態における電磁波発生装置の斜視図
【図１４】第２の実施の形態における電磁波発生装置の製造方法を示す図
【図１５】従来の電磁波発生装置の斜視図
【符号の説明】
【００６２】
１  ＧａＡｓ基板
２，３  電極
４  フォトニック結晶
５  電源
１０  穴
３２  ＧａＡｓ層
３３  Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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