(57)【要約】【課題】テラヘルツ波の発生及び検出のために使用される光伝導スイッチングアンテナ素材を提供する。【解決手段】本発明による光伝導体素子は、光伝導体基板と、光伝導体基板の上に積層された光伝導体薄膜と、光伝導体薄膜の上に形成された光伝導アンテナ電極とを含み、光伝導体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含む。【選択図】図１ａ
2011119642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導体基板と、
前記光伝導体基板の上に積層された光伝導体薄膜と、
前記光伝導体薄膜の上に形成された光伝導アンテナ電極と、を含み、
前記光伝導体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含む光伝導体素子。
【請求項２】
前記光伝導体素子がテラヘルツ波を発生させるために、前記光伝導アンテナ電極にバイアス電圧を加える電圧源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光伝導体素子。
【請求項３】
前記光伝導体素子がテラヘルツ波を検出するために、前記光伝導アンテナ電極に流れる電流を測定する電流計をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光伝導体素子。
【請求項４】
前記光伝導体薄膜が積層された面に対向する前記光伝導体基板の一面に設けられた半球型のレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の光伝導体素子。
【請求項５】
前記光伝導体基板は、サファイアまたは高抵抗シリコンよりなることを特徴とする請求項１に記載の光伝導体素子。
【請求項６】
前記光伝導体薄膜は、スパッターまたは有機金属化学蒸着法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の光伝導体素子。
【請求項７】
前記光伝導体薄膜は、不純物をドープせずに、薄膜を成長させることによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の光伝導体素子。
【請求項８】
光伝導体基板を準備する段階と、
前記光伝導体基板の上に多結晶ＧａＡｓを含む光伝導体薄膜を積層する段階と、
前記光伝導体薄膜の上に光伝導アンテナ電極を形成する段階と、を含む光伝導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記光伝導体薄膜をパターニングする段階と、
前記光伝導体薄膜が積層された前記光伝導体基板をソーイング工程を通じて切断する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【請求項１０】
前記光伝導体素子がテラヘルツ波を発生させるために、前記光伝導アンテナ電極にバイアス電圧を加える電圧源を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記光伝導体素子がテラヘルツ波を検出するために、前記光伝導アンテナ電極に流れる電流を測定する電流計を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光伝導体薄膜が積層された面に対向する前記光伝導体基板の一面に半球型のレンズを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【請求項１３】
前記光伝導体基板は、サファイアまたは高抵抗シリコンよりなることを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記光伝導体薄膜をスバッターまたは有機金属化学蒸着法によって形成することを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記光伝導体薄膜を不純物をドープせずに、薄膜を成長させて形成することを特徴とする請求項８に記載の光伝導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を発生または検出する光伝導体素子に関する。具体的には、光伝導体素子の素材に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、０．１〜１０ＴＨｚ間の周波数領域に該当する電磁波であって、電波と光波の中間に該当する。また、最も短い波長の電波であるミリメートル波よりさらに短く、最も長い波長の光波である遠赤外線よりさらに長い波長を有する。１ＴＨｚは、３０μｍの波長、３３．３ｃｍ−１の波数、１ピコ（１０−１２）秒の時間、４．１ｍｅＶのエネルギー及び４６Ｋの絶対温度に対応する値である。テラヘルツ波は、マイクロウェーブ、ミリメートル波などの電波技術や、遠赤外線、中赤外線などの光波技術に比べてあまり研究開発が盛行していない。それは、テラヘルツ波を発生し検出する適当な技術がなかったからである。去る数十年間に科学技術の眩しい発展と歩調をあわせて、この分野に多くの成果があった。さらに、テラヘルツ波に対する関心が増加するにしたがって、未来周波数資源としての応用分野の拡大と経済性などについて見込みが非常に明るくなっている。
【０００３】
テラヘルツ波の技術が応用される分野は、医療診断、生物学試料分析、保安監視、農産物及び食品検査、環境検査など非常に多様であり、無線通信用への期待も多く受けている。このような理由には、テラヘルツ波に独特の特性があるからである。これは、テラヘルツ波は、電波の透過性と光波の直進性を共に有しており、赤外線、可視光線、ｘ−線などで行われる分光分析が可能であることである。特に、時間領域分光法は、他の分光法に比べてデータを有するテラヘルツ波を時間単位で検出して分析するので、振幅及び位相の情報を同時に獲得することができ、試料に対するさらに多様なデータを得ることができる。
【０００４】
また、テラヘルツの周波数領域は、有・無機素材の分子間振動周波数に該当し、分子の移動、捻じれ、分子結合状態などについて試料固有の指紋のような情報を得ることができる。このような特徴によって、テラヘルツ波を利用した技術は、未確認物質の確認や、麻薬などの特定成分の検出などに有用に使用することができる。特に、上記技術を利用して食品や生体試料など水分を含む生体素材の情報に独特の特性を分析することができる。
【０００５】
また、テラヘルツ波は、金属を除いた有機物質に透過率が高いため、ｘ−線透視映像のような透過映像を得ることができる。これは、電波の透過性と光波の直進性を結合した結果である。また、ｘ−線とは異なって、テラヘルツ波の光子エネルギーが非常に低いため、試料での光イオン化反応を起こさないので、テラヘルツ波は、生体試料などに対しても損傷を与えない。これは、人体に無害な透視映像を得る機能であって、テラヘルツ波がｘ−ｒａｙに対する相対的な概念としてＴ−ｒａｙと呼ばれる理由でもある。このような分光機能と透過機能を共に有するテラヘルツ波を利用する場合、郵便物などに危険物質や麻薬、武器類などが含まれているとき、開封せずに検索することができる。
【０００６】
また、テラヘルツ波は、現在周波数資源の限界に起因して、未来に周波数の枯渇が憂慮される無線通信分野において広帯域超大容量の無線通信を可能にする重要な代案として評価される。今後の携帯用情報機器においてＨＤＴＶ級の高画質動画が一般化される場合、無線を利用した伝送機能が必須のものと予想される。しかし、現在の技術では、データ圧縮を利用するので、時間遅延や画質の劣化などの問題が発生する。それで、これを圧縮せずに、無線を利用して伝送するためには、データ伝送速度が最小限１〜１０Ｇｂｐｓ単位で増加しなければならないが、このような伝送速度を具現するための搬送周波数として現在の数ＧＨｚ帯域ではすぐ限界にぶつかるものと予想される。したがって、今後無線通信用搬送周波数として１００ＧＨｚ以上、すなわち、０．１ＴＨｚ以上の高い周波数資源が必要になる。
【０００７】
このようなテラヘルツ波を発生、検出する方法として、様々なものが開発されており、用途によって、また帯域幅及び周波数領域によって、適当な技術が適用される。一般的に、分光及び映像のための用途として最も多く使用されるものは、光伝導スイッチング方式である。本発明の実施例では、光伝導スイッチング技術での問題点を改善するために提案したものである。光伝導スイッチング方式は、極超短パルスレーザーであるフェムト秒レーザを光伝導体に入射させ、電子−正孔の対を生成することを基本とする。光伝導体は、基板の上に低温で成長した単結晶薄膜を使用して、その上には、金属を利用して双極子または平行線形態の電極を形成する。図１は、このような光伝導体素子の形態を示すものである。電極間の間隔は、約５〜１０μｍの間隔をもって、両端には、１０〜５０Ｖ程度のバイアス電圧を加える。この状態で、電極の間に極超短レーザーパルスを入射する。そうすると、強いパルスによって光伝導体内で電子−正孔の対が形成され、電極間のバイアス電圧によって光電流が流れるようになる。この光電流は、入射したレーザーパルスに対して反応して現われるので、フェムト秒水準のレーザーパルスに対してピコ秒以下の極めて短い時間に発生する。次の式（１）のように、光電流の変化に起因して電磁波が発生し、この電磁波の電場は、光電流の変化率に比例する。
【０００８】
【数１】
2011119642.tif 000003
【０００９】
ここで、ＥＴＨｚ（ｔ）は、発生したテラヘルツ波の電磁場であり、ｊｅｍ（ｔ）は、光電流密度である。したがって、ＴＨｚ領域の電場が発生するためには、光電流が短い時間内に発生してから消滅することが必要であり、このために、光伝導体は、できるだけ高い暗抵抗、高い移動度、短いキャリアライフタイムなどの特性が要求される。
【００１０】
上記のような特性を満足する光伝導体用素材は、様々なものがある。それらのうち単結晶の低温成長した素材が使用されるが、結晶欠陥の人為的な調整を通じて上記素材特性を調節することができるからである。特に、原子番号が大きい元素の高濃度イオン注入により結晶欠陥の濃度と分布を調節する方法などが多く使用される。これは、薄膜の内部に存在する結晶欠陥に起因して、生成された電子−正孔の対の再結合機会が増加し、その結果として、電荷キャリアの寿命を短縮する効果をもたらす。また、分子線エピタキシなどの超高真空蒸着装備を利用して単結晶形態で薄膜を蒸着させるので、移動度を改善させ、暗抵抗を増加させる役目をする。
【００１１】
テラヘルツ波の検出時には、発生時とほぼ同一の光伝導スイッチング素子を利用する。また、検出効率のために電極の形態が若干変わり、電極間のバイアスを加えない。フェムト秒レーザーパルスを入射させるが、発生時に比べて一定の時間遅延をもって順次、検出器に入射される。検出器の光伝導体内においても、レーザーパルスによって電子−正孔の対が生成されるが、バイアス電圧が加えられていないので、自発的な光電流は検出されない。しかし、この際、信号テラヘルツ波が光伝導体に入射すれば、これによる電場によって電極間に電圧が発生し、光電流が流れるようになり、この電流は、テラヘルツ波の波形に沿うようになる。したがって、極超短パルスを時間遅延をもって順次に入射させれば、テラヘルツ波形を検出することができる。これを光伝導スイッチングサンプリング技法と言う。
【００１２】
発生及び検出器の性能を決定づける要素は、さまざまなものがあるが、光伝導体及び素子の特性が最も重要な因子として作用する。一般的に、検出されたテラヘルツ波の信号対雑音比が１０４以上の場合、使用が可能な水準であり、１０６以上の場合、優秀なものと判断される。また、適用しようとする応用用途によって周波数範囲が短波長領域に広いほど分光範囲が広くなるので、このために、光伝導素材及び素子の特性を精密に制御する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】韓国特許出願公開１０−２００９−００２３１９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明の目的とするところは、前述したような光伝導体において使用されている単結晶の素材に対する問題点を解決するためのものである。すなわち、既存の単結晶の素材を得るためには、分子線エピタキシという高価の装備を使用しなければならないし、非常に精密な工程を通じて結晶欠陥を制御しなければならない。また、長時間の使用による欠陥分布及び特性の変化に起因して信頼性持続の困難などの問題がある。これは、生産性の低下につながり、商業化する場合、コストの上昇及び信頼性減少の要因になる。また、実際使用時においても、分光情報を得るためには、基準になるテラヘルツ波の基準スペクトルを確保しなければならないが、光伝導体及び素子の状態が周囲温度及び電気的な特性、活用頻度などによって毎日随時に変わるので、実際安定的な適用のためには、継続的な測定及び検査をしなければならない。それで、単結晶素材は、現在として最も多く使用されている方法でもあるが、今後の大量の需要に備えるためには、素材に対する信頼性、再現性、経済性などを確保しなければならない課題が残っている。本発明の実施例では、このための方法を提示しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によるテラヘルツ波を発生または検出する光伝導体素子は、光伝導体基板と、光伝導体基板の上に積層された光伝導体薄膜と、光伝導体薄膜の上に形成された光伝導アンテナ電極と、を含み、光伝導体薄膜は、多結晶ＧａＡｓを含む。
【００１６】
光伝導体素子がテラヘルツ波を発生させるために、光伝導アンテナ電極にバイアス電圧を加える電圧源をさらに含む。
【００１７】
光伝導体素子がテラヘルツ波を検出するために、前記光伝導アンテナ電極に流れる電流を測定する電流計をさらに含む。
【００１８】
光伝導体薄膜が積層された面に対向する光伝導体基板の一面に設けられた半球型のレンズをさらに含む。
【００１９】
光伝導体基板は、サファイアまたは高抵抗シリコンよりなる。
【００２０】
光伝導体薄膜は、スパッターまたは有機金属化学蒸着法によって形成される。
【００２１】
光伝導体薄膜は、不純物をドープせずに、薄膜を成長させることによって形成される。
【００２２】
本発明の他の態様による光伝導体素子の製造方法は、光伝導体基板を準備する段階と、光伝導体基板の上に多結晶ＧａＡｓを含む光伝導体薄膜を積層する段階と、光伝導体薄膜の上に光伝導アンテナ電極を形成する段階と、を含む。
【００２３】
本発明による光伝導体素子の製造方法は、光伝導体薄膜をパターニングする段階と、光伝導体薄膜が積層された前記光伝導体基板をソーイング工程を通じて切断する段階と、をさらに含む。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の実施例によれば、一般的に使用される単結晶薄膜の代わりに多結晶ＧａＡｓ薄膜を光伝導体素材として使用するものであって、多結晶の製作コストを低減し、信頼性を増大させることができる効果を奏することができる。多結晶ＧａＡｓ薄膜は、基板の結晶性及び結晶方位と関係なく成長する方法なので、既存の単結晶素材のように半絶縁素材の基板だけを使用しなければならない制限がなく、シリコンやサファイアなどの基板にも成長が可能である。また、成長技術も、分子線エピタキシなどの高価の装置を使用する代わりに、スパッタ及び有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などを使用してもよい。これは、大量生産を可能にして、結果的に長期的な観点から工程コストを大きく低減し、信頼性が高い薄膜を製作することができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の構成図である。
【図１ｂ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の構成図である。
【図２ａ】図１ａ及び図１ｂのテラヘルツ波発生及び検出素子から測定したテラヘルツ波の時間領域波形及び周波数領域スペクトルを説明する概念図である。
【図２ｂ】図１ａ及び図１ｂのテラヘルツ波発生及び検出素子から測定したテラヘルツ波の時間領域波形及び周波数領域スペクトルを説明する概念図である。
【図３ａ】低温成長された単結晶ＧａＡｓ薄膜を電子顕微鏡断面写真で見た結晶欠陥の分布を示す。
【図３ｂ】低温成長された単結晶ＧａＡｓ薄膜を電子顕微鏡断面写真で見た結晶欠陥の分布を示す。
【図４ａ】本発明の実施例によって製作された多結晶ＧａＡｓ薄膜の電子顕微鏡写真及び電子線回折パターンである。
【図４ｂ】本発明の実施例によって製作された多結晶ＧａＡｓ薄膜の電子顕微鏡写真及び電子線回折パターンである。
【図４ｃ】本発明の実施例によって製作された多結晶ＧａＡｓ薄膜の電子顕微鏡写真及び電子線回折パターンである。
【図５ａ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【図５ｂ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【図５ｃ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【図５ｄ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【図５ｅ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【図５ｆ】本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【図６ａ】本発明の実施例によって製作された多結晶ＧａＡｓ薄膜のテラヘルツ波検出特性を示すための実験結果であり、時間領域及び周波数領域でＬＴ−ＧａＡｓのテラヘルツ波検出特性を比較したものである。
【図６ｂ】本発明の実施例によって製作された多結晶ＧａＡｓ薄膜のテラヘルツ波検出特性を示すための実験結果であり、時間領域及び周波数領域でＬＴ−ＧａＡｓのテラヘルツ波検出特性を比較したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下では、添付の図面を参照して本発明の実施例について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は、様々な他の形態で具現することができ、ここで説明する実施例に限定されるものではない。なお、図面において、本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全般にわたって類似の部分には類似の参照符号を付けた。
一方、或る膜が他の膜または半導体基板の上にあると記載されている場合、前記或る膜は。前記他の膜または半導体基板に直接接触して存在することができ、またはそれらの間に第３の膜が介在されることもできる。なお、図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張されており、明細書全般にわたって類似の部分には類似の参照符号を付けた。
【００２７】
以下、図１ａ、図１ｂを参照して本発明の実施例による多結晶ＧａＡｓ薄膜を利用した光伝導アンテナ素子について説明する。
【００２８】
図１ａ、図１ｂは、本発明の実施例によるテラヘルツ波発生及び検出用素子として多結晶ＧａＡｓ薄膜を利用した光伝導アンテナに対する構成図及びテラヘルツ波発生及び検出原理を説明する概念図である。
【００２９】
図１ａを参照すれば、本発明の実施例によるテラヘルツ波発生素子１０１は、光伝導アンテナ電極１０２、光伝導体薄膜１０３及び光伝導体基板１０４を含む。光伝導体薄膜１０３は、光伝導体基板１０４の上に積層される。光伝導体薄膜１０３として、単結晶の低温成長したＧａＡｓを使用することができるが、本発明の実施例では、多結晶ＧａＡｓ薄膜を使用することが好ましい。また、光伝導アンテナ電極１０２は、光伝導体薄膜１０３の上に形成される。光伝導体基板１０４として、半絶縁ＧａＡｓを使用することができ、光伝導体薄膜１０３として多結晶ＧａＡｓ薄膜を使用する場合、光伝導体基板１０４の素材としてサファイアまたは高抵抗のシリコンを使用することができる。光伝導アンテナ電極１０２は、金属平行伝送線路の形状よりなることができ、中央突出部位を有する金属平行伝送線路であってもよい。
【００３０】
テラヘルツ波を発生させるためには、極超短パルスレーザーから発生した１０〜１００ｆｓのパルス時間を有するフェムト秒レーザーパルス１０５が必要である。また、発生したテラヘルツ波１０６を一定の方向に収束するために、テラヘルツ波に対して透明で且つ屈折率が大きい半球型のレンズ１０７が使用される。半球型のレンズ１０７は、高抵抗のシリコンで製作されることができる。また、半球型のレンズ１０７は、前記光伝導体薄膜が積層された面に対向する前記光伝導体基板の一面に設けられる。
【００３１】
テラヘルツ波の発生原理は、図１ａを参照すれば、１０〜５０ＶのＤＣバイアス１０８が加えられているアンテナ電極１０２の間に極超短パルスフェムト秒レーザー１０５が入射すれば、光伝導体薄膜１０３内で電子−正孔の対を生成させる。また、この電荷がバイアスによって両方の電極に移動しながら光電流が発生するようになる。この光電流は、極超短パルスによって極めて短い時間流れるようになり、この際、光電流の変化によって電磁場を形成するが、光電荷の移動時間がピコ秒レベルに至る程度に短いとき、この電磁場は、テラヘルツ波１０６になる。テラヘルツ波の発生及び放出は、全体空間で行われるが、自由空間に比べて光伝導体薄膜１０３及び基板１０４の誘電率が顕著に大きいため、大部分のテラヘルツ波１０６は、光導電体薄膜１０３から基板１０４の各方向に放出される。したがって、これを一方向に収束するために、シリコンレンズ１０７を使用する。
【００３２】
図１ｂは、本発明の実施例によるテラヘルツ波検出素子１０９の構造を示す。テラヘルツ波検出素子１０９は、テラヘルツ波発生素子１０１とほぼ類似の構造と素材よりなるので、同様の部分についての説明は省略する。しかし、検出特性を改善するために、検出用アンテナ電極１１０の形態を異にすることもでき、検出用光伝導体薄膜１１１及び基板１１２を発生用素材と異なるように選択することができる。また、ＺｎＴｅなどの電気光学結晶体を使用する場合もある。しかし、発生素子と同様に、検出素子においても、フェムト秒レーザーパルス１０５が必要であり、図１のように、電極の間に入射する。このフェムト秒パルスレーザーは、サンプリング検出のために、時間遅延装置によって一定間隔の時間遅延をもって入射するようになる。
【００３３】
図１ｂを参照すれば、発生素子とは異なって、検出素子においては、ＤＣバイアスが加えられておらず、検出効率のために電極の形態も若干変えることができる。検出の原理は、発生器に発生した後、自由空間または試片を経たテラヘルツ波１１３が半球型レンズ１１４を通じて検出素子１０９に入射する。光伝導体薄膜では、フェムト秒レーザーパルス１０５によって電子−正孔の対が生成されている状態であり、入射したテラヘルツ波の電磁場によって電極に移動しながら光電流が流れるようになる。この際に流れる電流は、電流計１１５によって測定される。光電流の変化は、テラヘルツ波による電磁場の変化を示すので、これを時間遅延を通じてピコ秒以下の単位にサンプリングして測定すれば、テラヘルツ波の波形を測定することができる。
【００３４】
テラヘルツ波の発生及び検出のための光伝導体素材の条件は、キャリア（電荷キャリア）の寿命が短く、移動度が大きく、降伏電圧が高い特性を満足しなければならない。
【００３５】
低温で成長した単結晶ＧａＡｓ薄膜の場合、分子線エピタキシ（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）などを利用して高品質の薄膜をＡｓの多い雰囲気で低温成長するので、薄膜の内部には、Ａｓイオンが過剰状態になり、その後、熱処理を通じてＡｓ沈殿物が形成されながら結晶欠陥を生成させることによって、電子−正孔など電荷キャリアの再結合速度が増加するようになり、上記の素材条件を満足させることができる。本発明の実施例では、単結晶の代わりに多結晶ＧａＡｓ薄膜を使用する。実験を通じて多結晶ＧａＡｓ薄膜においてテラヘルツ発生の特性が単結晶薄膜と同一であるか、優れているものが現われた。多結晶薄膜は、単結晶に比べて基板の特性に依存せずに、シリコンやサファイア及びガラス基板などで蒸着することができ、特に、分子線エピタキシなどの高費用設備を使用しなくてもよいなど多い長所を持っている。また、基板素材としては、薄膜の成長と関連した結晶性と、発生したテラヘルツ波の透過性などを考慮しなければならないが、本発明のように、多結晶ＧａＡｓ薄膜を使用する場合、その選択の幅が広くなるようになる。これにより、技術的な面だけでなく、経済的な側面においても、大きい効果を奏することができる。
【００３６】
図２ａ、図２ｂは、図１のテラヘルツ波発生素子１０１及びテラヘルツ波検出素子１０９を利用して、テラヘルツ波を発生し検出した波形である。図２ａは、時間領域で測定（光電流の時間的変化を測定）したものであり、図２ｂは、これをフーリエ変換して周波数領域に変換したものである。図２ｂから分かるように、前述のような方法で発生及び検出するテラヘルツ波の周波数領域は、一般的に０〜４ＴＨｚ範囲に至る。
【００３７】
以上のように、光伝導スイッチング方法によるテラヘルツ波の発生と検出のためには、光伝導体素材の特性が最も重要であり、特に光電流の変化によってテラヘルツ波の特性が決定される。単結晶状態のＬＴ−ＧａＡｓでは、電子キャリアの寿命を低減するために、高品質の単結晶薄膜を成長するとき、人為的に結晶欠陥を生成させる方法を使用する。しかし、この場合、工程方法によって信頼性及び再現性が高い薄膜を成長しにくく、使用途中に、周囲の環境変化によって基準値が容易に変化するなどの問題がある。しかし、本発明の実施例では、多結晶多結晶ＧａＡｓ薄膜を使用して、このような問題を解決している。
【００３８】
図３ａ、図３ｂは、光伝導体素材として反絶縁ＧａＡｓ基板の上に成長した単結晶ＬＴ−ＧａＡｓ薄膜に対する高分解能の透過電子顕微鏡観察映像である。図３ａのように、直径が数十ｎｍの結晶欠陥（Ａｓ沈殿物など）が薄膜全体に均一に分布していることが分かり、高分解能で観察する場合、図３ｂのように、原子レベルの非常に小さいＡｓ−沈殿物が分布していることが分かる。この結晶欠陥は、前述したように、電子キャリアの再結合頻度を増加させることによって、寿命を大きく短縮させる効果がある。
【００３９】
本発明の実施例では、ＬＴ−ＧａＡｓ薄膜の成長時に成長温度をさらに低減するか、結晶性が異なる基板を使用することによって、多結晶質のＧａＡｓ薄膜を形成する方法を提案する。
【００４０】
図４ａは、反絶縁ＧａＡｓ基板４００の上に分子線エピタキシ方法で１５０℃の低い温度で成長した多結晶ＧａＡｓ薄膜４０２の透過電子顕微鏡写真である。図４ａを参照すれば、多結晶ＧａＡｓ薄膜４０２の内部で結晶粒及び結晶粒界が現われている。図４ｂは、多結晶ＧａＡｓ薄膜４０２の電子線回折パターンであって、多結晶状態であることが示されている。一方、図４ｃは、反絶縁ＧａＡｓ基板４００の電子線回折パターンであって、回折パターンが規則的な配列を示していて、単結晶状態であることが分かる。
【００４１】
多結晶薄膜内部の結晶粒界では、ＧａＡｓ原子間の結合が不完全であり、結晶構造も完全でない状態であり、エネルギーが高い部位であって、前述したように生成された電子−正孔の対が容易に再結合する場所になる。これは、単結晶ＬＴ−ＧａＡｓ薄膜において人為的に形成させた結晶欠陥の役目をするようなもので、多結晶質では、結晶粒界が非常に多いため、キャリアの寿命を大きく短縮させる役目をする。また、結晶粒の内部では、単結晶のような結晶構造であって、電子キャリアの移動度が高いため、光電流の流れを速く且つ短くする役目をする。一般的な多結晶の場合、結晶粒界に不純物が沈積して暗電流の原因になり、素子の作動エラーを起こす場合が多い。これは、多結晶薄膜を高品質を要求する薄膜においてあまり使用しない理由でもある。しかし、本発明の実施例の場合には、不純物をドープせずに、薄膜を成長するので、暗電流が増加せず、テラヘルツ波の信号対雑音比も１０４以上と高く現われた。結果的に、テラヘルツ波の発生のための光伝導体の条件を満たすと共に、信頼性、再現性及び経済的な側面においても効果を得ることができる。
【００４２】
次に、本発明の実施例による光伝導体素子の製造方法について説明する。
【００４３】
図５ａ乃至図５ｆは、本発明の実施例によるテラヘルツ波発生または検出用光伝導体素子の製造方法を説明するために示す光伝導体素子の断面図である。
【００４４】
図５ａを参照すれば、光伝導体基板５００を準備する。光伝導体基板５００は、半絶縁ＧａＡｓ、サファイアまたは高抵抗シリコンよりなることができる。
【００４５】
図５ｂを参照すれば、光伝導体基板５００に光伝導体薄膜５０２を形成する。光伝導体薄膜５００は、多結晶ＧａＡｓ薄膜よりなることができ、多結晶ＧａＡｓ薄膜の形成時に、スパッタや、有機金属化学蒸着法などの工程を使用することもできる。これは、大量生産を可能にして、結果的に長期的な観点から工程コストを大きく低減し、信頼性が高い薄膜を製作することができるという長所がある。
【００４６】
図５ｃを参照すれば、光伝導体薄膜５０２をパターニングする。
【００４７】
図５ｄを参照すれば、光伝導体薄膜５０２の上に光伝導アンテナ５０４を形成する。光伝導アンテナ５０４は、中央突出部位を有する金属平行伝送線路の形状よりなることができる。ここで、前記光伝導アンテナ５０４の中央領域に突出された部位は、小型ダイポールアンテナとして作用する。
【００４８】
図５ｅを参照すれば、ソーイング工程を通じて光伝導体薄膜５０２と光伝導体基板５００を一定のサイズに切断する。
【００４９】
図５ｆを参照すれば、光伝導体薄膜が積層された面に対向する光伝導体基板の一面に半球型のレンズ５０６を形成する。半球型のレンズ５０６は、シリコンで形成することができる。
【００５０】
その後、図１ａのように、光伝導アンテナ電極５０４にバイアス電圧を加える電圧源１０８を形成し、テラヘルツ波発生用として利用することもでき、または、図１ｂのように、光伝導アンテナ電極５０４に流れる電流を測定する電流計１１５を形成し、テラヘルツ波検出用として利用することができる。
【００５１】
図６ａ、図６ｂは、本発明による実験としてそれぞれ異なる温度で成長したＧａＡｓ薄膜に対してテラヘルツ波の検出効果を測定して示すグラフである。１５０℃より高い温度では、結晶欠陥が多い単結晶状態のＧａＡｓ薄膜が成長され、１５０℃で多結晶薄膜が成長された。テラヘルツ検出効果は、多結晶ＧａＡｓ薄膜において最も優れたものが現われた。図６ａを参照すれば、時間領域で測定したテラヘルツ波の信号は、多結晶ＧａＡｓ薄膜において最も高い値を有すると確認された。また、図６ｂを参照すれば、周波数領域に変換した場合にも、最も優れた値を有する。
【００５２】
また、サファイア基板の上に成長したＧａＡｓ薄膜もほぼ同様の結果を示し、いずれも単結晶ＧａＡｓ薄膜に比べて高い値を示した。これは、成長工程で高価の分子線エピタキシの代わりに低価の装備を使用することができ、高いＧａＡｓ基板の代わりに、相対的に低価のサファイア基板を使用することができることを示している。サファイアは、テラヘルツ波に対して透明なので、光学的な検出や発生時に効率が低下するおそれがない。
【００５３】
上記で説明した本発明の技術的思想は、好ましい実施例で具体的に記述されたが、上記実施例は、説明のためのものであって、制限のためのものではない。また、本発明は、本発明の技術分野の通常の専門家なら本発明の技術的思想の範囲内で多様な実施例が可能であることを理解することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１０１  テラヘルツ波発生素子
１０２  光伝度アンテナ電極
１０３  光伝導体薄膜
１０４  光伝導体基板
１０５  フェムト秒レーザーパルス
１０６  テラヘルツ波
１０７  半球型レンズ
１０８  ＤＣバイアス
１０９  テラヘルツ波検出素子
１１０  検出用アンテナ電極
１１１  光伝導体薄膜
１１２  光伝導体基板
１１３  テラヘルツ波
１１４  半球型レンズ
４００  反絶縁ＧａＡｓ基板
４０２  多結晶ＧａＡｓ薄膜
５００  光伝導体基板
５０２  光伝導体薄膜
５０４  アンテナ電極
５０６  半球型レンズ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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