(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を発生または検出するための光伝導素子であって、
交互に積層されたトポロジカル絶縁体層と通常絶縁体層とを含む積層構造体と、
前記積層構造体の面方向に沿って対向して配置された第１および第２の電極を含むアンテナ構造体とを備え、
前記トポロジカル絶縁体層は、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１種と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種とを含み、
前記通常絶縁体層は、ゲルマニウム（Ｇｅ）と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種と、を含む、光伝導素子。
【請求項２】
前記トポロジカル絶縁体層は、Ｓｂ2Ｔｅ3の層であり、
前記通常絶縁体層は、ＧｅＴｅの層である、請求項１に記載の光伝導素子。
【請求項３】
前記トポロジカル絶縁体層の厚みは、１ｎｍ以上であり、
前記通常絶縁体層の厚みは、０．６ｎｍ以上である、請求項２に記載の光伝導素子。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光伝導素子と、
前記光伝導素子に光励起キャリアを生じさせるためのパルスレーザ光を発するパルスレーザ光源と、
前記アンテナ構造体の前記第１および第２の電極間に電界を印加するための電源とを備える、テラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光伝導素子と、
前記光伝導素子に光励起キャリアを生じさせるためのパルスレーザー光を発するパルスレーザー光源と、
前記アンテナ構造体がテラヘルツ波を受けることにより前記第１および第２の電極間に生じる電流を検出するための検出部とを備える、テラヘルツ波検出装置。
【請求項６】
前記光伝導素子は、撮像素子において行列状に配置され、
前記検出部は、前記撮像素子の信号から画像を生成するように構成される、請求項５に記載のテラヘルツ波検出装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光伝導素子に、パルスレーザー光を入射するとともに、前記アンテナ構造体の前記第１および第２の電極間に電界を印加して、テラヘルツ波を発生させる、テラヘルツ波発生方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光伝導素子に、パルスレーザー光を入射するとともに、前記アンテナ構造体がテラヘルツ波を受けることにより前記第１および第２の電極間に生じる電流を検出する、テラヘルツ波検出方法。
【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ための光伝導素子に関する。本発明は、さらに、その光伝導素子を用いてテラヘルツ波を発生または検出するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波とは、光と電波の中間の周波数（たとえば０．１〜１００ＴＨｚの範囲内）にある電磁波である。近年、テラヘルツ波を基礎物性の解析、イメージング技術、および超高速通信などに応用する技術が注目されている。これらの技術のために、テラヘルツ波を発生および検出するための装置について、種々の研究、開発が行われている。
【０００３】
テラヘルツ波の発生、検出方法として光伝導素子を用いる方法が広く用いられる。従来、テラヘルツ波の発生、検出用の光伝導素子として、半導体あるいは非線形光学結晶が用いられてきた。たとえば非特許文献１は、ＬＴ−ＧａＡｓ（低温成長ＧａＡｓ）を用いたテラヘルツ波発生・検出兼用のテラヘルツ波用光伝導素子と、テラヘルツ波用レンズとを一体化して、コネクタでの接続を可能にしたテラヘルツ波発生・検出モジュールを開示する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】浜松ホトニクス、″テラヘルツ波発生・検出モジュールG10620シリーズ″、［online］、[平成26年10月1日検索]、インターネット<URL:https://www.hamamatsu.com/jp/ja/G10620.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＴ−ＧａＡｓは、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy:MBE）法を用いて作製することができる。しかし、超高真空状態の維持が難しいなどの理由により、分子線エピタキシー法は光伝導素子の量産の点で課題がある。テラヘルツ波の応用技術を普及させるためには、より簡便に製造可能な光伝導素子が求められる。
【０００６】
本発明の１つの目的は、より簡便に製造可能な、テラヘルツ波を発するまたは検出するための光伝導素子を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、テラヘルツ波の発生または検出を、より安価な構成で実現するための装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一態様において、テラヘルツ波を発生または検出するための光伝導素子であって、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１種と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種とを含むトポロジカル絶縁体薄膜と、トポロジカル絶縁体薄膜の面方向に沿って、対向して配置された第１および第２の電極を含むアンテナ構造体とを備える。
【０００９】
好ましくは、トポロジカル絶縁体薄膜は、Ｓｂ2Ｔｅ3薄膜である。
より好ましくは、Ｓｂ2Ｔｅ3薄膜の厚みは、１ｎｍ以上である。
【００１０】
本発明の別の態様に係る光伝導素子は、テラヘルツ波を発生または検出するための光伝導素子であって、交互に積層されたトポロジカル絶縁体層と通常絶縁体層とを含む積層構造体と、積層構造体の面方向に沿って対向して配置された第１および第２の電極を含むアンテナ構造体とを備える。トポロジカル絶縁体層は、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１種と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種とを含み、通常絶縁体層は、ゲルマニウム（Ｇｅ）と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種と、を含む。
【００１１】
好ましくは、第１および第２のトポロジカル絶縁体層は、Ｓｂ2Ｔｅ3の層であり、通常絶縁体層は、ＧｅＴｅの層である。
【００１２】
より好ましくは、第１および第２のトポロジカル絶縁体層の厚みは、１ｎｍ以上であり、通常絶縁体層の厚みは、０．６ｎｍ以上である。
【００１３】
本発明は、さらに別の態様において、テラヘルツ波発生装置であり、上記の光伝導素子と、光伝導素子に光励起キャリアを生じさせるためのパルスレーザ光を発するパルスレーザ光源と、アンテナ構造体の第１および第２の電極間に電界を印加するための電源とを備える。
【００１４】
本発明は、さらに別の態様において、テラヘルツ波検出装置であり、上記の光伝導素子と、光伝導素子に光励起キャリアを生じさせるためのパルスレーザ光を発するパルスレーザ光源と、アンテナ構造体がテラヘルツ波を受けることにより第１および第２の電極間に生じる電流を検出するための検出部とを備える。
【００１５】
好ましくは、光伝導素子は、撮像素子において行列状に配置され、検出部は、撮像素子の信号から画像を生成する。
【００１６】
本発明は、さらに別の態様において、テラヘルツ波発生方法であり、上記の光伝導素子に、パルスレーザ光を入射するとともに、アンテナ構造体の第１および第２の電極間に電界を印加して、テラヘルツ波を発生させる。
【００１７】
本発明は、さらに別の態様において、テラヘルツ波検出方法であり、上記の光伝導素子に、パルスレーザ光を入射するとともに、アンテナ構造体がテラヘルツ波を受けることにより第１および第２の電極間に生じる電流を検出する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、より簡便に製造可能な、テラヘルツ波を発するまたは検出するための光伝導素子を実現できる。
【００１９】
また、本発明によれば、テラヘルツ波を発生または検出するための装置および方法をより安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】トポロジカル絶縁体表面の電子のバンド構造を示した模式図である。
【図２】本発明の光伝導素子によるテラヘルツ波発生の基本原理を説明した図である。
【図３】瞬時電流の変化と、遠方界での電場との関係を示した模式図である。
【図４】本発明の光伝導素子によるテラヘルツ波検出の基本原理を説明した図である。
【図５】Ｓｂ2Ｔｅ3の結晶構造を示した図である。
【図６】Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の１つの実施例を示した図である。
【図７】図６に示したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜（膜厚２００ｎｍ）のＸ線回折測定の結果を示したグラフである。
【図８】基板温度およびアニールの条件を変えて作成したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜のＸ線回折測定の結果を示したグラフである。
【図９】基板温度およびアニールの条件を変えて作成したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜のラマン散乱測定の結果を示したグラフである。
【図１０】Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜がトポロジカル絶縁体であるかを確認するための光学系の構成を模式的に示した図である。
【図１１】Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜へのフェムト秒パルスレーザ光の入射を模式的に示した図である。
【図１２】λ／４板の回転角度と、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜に生じる光電流との関係を示した図である。
【図１３】本発明に係る光伝導素子によるテラヘルツ波の発生を検証するための光学系の概略的な構成を示した図である。
【図１４】図１３に示した構成による、本発明に係る光伝導素子によるテラヘルツ波の発生と、検出器によるテラヘルツ波の検出とを模式的に示した図である。
【図１５】図１３および図１４に示した構成によって観測されたテラヘルツ波の時間領域スペクトルを示す図である。
【図１６】図１５に示された時間スペクトルのフーリエ変換スペクトルを示した図である。
【図１７】トポジカル絶縁体（Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜）から放射されるテラヘルツ波の振幅の電場依存性を示したグラフである。
【図１８】テラヘルツ波の振幅とＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の膜厚との関係を示したグラフである。
【図１９】本発明に係る光伝導素子の種々の構造を示した概略断面図である。
【図２０】図１９に示した構造の変形例を示した概略断面図である。
【図２１】アンテナ構造体（光伝導アンテナ）の平面形状の例を説明するための図である。
【図２２】ＧｅＳｂ6Ｔｅ10がテラヘルツ波を発生することを検証した結果を説明した図である。
【図２３】本発明の光伝導素子の製造方法の一実施形態を示したフロー図である。
【図２４】本発明に係る光伝導素子の１つの適用形態を示した図である。
【図２５】本発明の光伝導素子を含む２次元撮像素子を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００２２】
［１．トポロジカル絶縁体］
トポロジカル絶縁体とは、その内部（バルク部分）は絶縁体であるが、表面（エッジ）において金属状態が生じる物質のことである。トポロジカル絶縁体の表面において、電子は、有効質量ゼロの相対論的粒子のように振る舞う「ディラック電子」となり、ディラックコーンと呼ばれるエネルギー状態を形成する。図１に、トポロジカル絶縁体の表面の電子のバンド構造を示す。図１から分かるように、トポロジカル絶縁体表面の電子のバンド構造には、バンドギャップが存在しない。このため、ディラックコーンをもつ物質は電気伝導性を示す。
【００２３】
これに対して、通常絶縁体は、バンドギャップを有し、トポロジカルな金属状態が実質的に生じない。したがって、表面（エッジ）におけるバンドギャップを比較すると、通常絶縁体の表面におけるバンドギャップは、トポロジカル絶縁体の表面のバンドギャップに比べて大きい。この点により、トポロジカル絶縁体と通常絶縁体とを区別することができる。なお、トポロジカル絶縁体と通常絶縁体とは、光電子分光によってそれぞれのバンド構造を観測することにより判別可能である。
【００２４】
［２．テラヘルツ波の発生および検出の原理］
本発明の光伝導素子は、テラヘルツ波の発生および検出の両方に用いることができる。図２は、本発明の光伝導素子によるテラヘルツ波発生の基本原理を説明した図である。図２に示されるように、光伝導素子１は、トポロジカル絶縁体薄膜１１および電極１２，１３を有する。電極１２，１３は、アンテナ構造体ＡＮＴを構成する。
【００２５】
電極１２，１３は、トポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に配置される。したがって電極１２，１３は、トポロジカル絶縁体薄膜１１の面方向に沿って配置され、互いに対向する。電極１２，１３の間には間隔（ギャップ）が設けられる。
【００２６】
電極１２，１３は、電源５１に接続される。これにより、トポロジカル絶縁体薄膜１１の面方向に沿った電場が、トポロジカル絶縁体薄膜１１に印加される。
【００２７】
電極１２，１３の間の間隔を通して、フェムト秒パルス光９１がトポロジカル絶縁体薄膜１１に入射する。これによって、トポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に光励起キャリアが生成される。トポロジカル絶縁体の表面においてはエネルギーのバンドギャップが存在しない。このため、光励起キャリアを生じさせるためのフェムト秒パルス光９１の波長は特に限定されない。
【００２８】
トポロジカル絶縁体薄膜１１に印加された電場により、光励起キャリアはトポロジカル絶縁体薄膜１１の表面を高速に移動する。光励起キャリアの移動によって、瞬時電流Ｊ（過渡電流）がトポロジカル絶縁体薄膜１１の表面を流れる。
【００２９】
図３は、瞬時電流Ｊの変化と、遠方界での電場Ｅ（ｔ）との関係を示した模式図である。図３に示されるように、遠方界での電場Ｅ（ｔ）は、瞬時電流Ｊの時間微分（ｄＪ／ｄｔ）に比例する（Ｅ∝ｄＪ／ｄｔ）。マクスウェル方程式によれば、瞬時電流Ｊが流れることにより電磁波が空中に放射される。瞬時電流Ｊの立ち上がり時間が１ピコ秒（ｐｓ）程度であるので、電場Ｅの周波数は１テラヘルツ（ＴＨｚ）程度となる。これにより時間幅が１ピコ秒以下の電磁波パルス、すなわちテラヘルツ波１０１が光伝導素子１から放射される。テラヘルツ波１０１の進行方向は、トポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に対して垂直な方向である。
【００３０】
本発明に係る光伝導素子は、テラヘルツ波の検出にも利用することができる。図４は、本発明の光伝導素子によるテラヘルツ波検出の基本原理を説明した図である。
【００３１】
図４に示されるように、フェムト秒パルス光９２がトポロジカル絶縁体薄膜１１に入射する。これにより、光励起キャリアがトポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に発生する。
【００３２】
テラヘルツ波１０２が、電極１２，１３の間のギャップ部分を通して、トポロジカル絶縁体薄膜１１に入射すると、トポロジカル絶縁体薄膜１１の表面において光励起キャリアが移動する。光励起キャリアが移動することによって電流が発生する。フェムト秒パルス光９２がトポロジカル絶縁体薄膜１１に繰り返して入射することにより、光伝導素子１がテラヘルツ波を受ける間、電流が積算される。これによりトポロジカル絶縁体薄膜１１に生じる電流を電流計５２によって計測することができる。
【００３３】
図２および図４では、フェムト秒パルス光がトポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に対してほぼ垂直に入射するように示されている。しかしトポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に対するフェムト秒パルス光の入射角度はこのように限定されるものではない。たとえばトポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に対してフェムト秒パルス光が斜めに入射してもよい。さらにトポロジカル絶縁体薄膜１１は、基板等の支持部材によって支持されてもよい。以下では基板上に形成されたトポロジカル絶縁体薄膜を説明するが、基板は本発明において必須の構成ではない。
【００３４】
［３．トポロジカル絶縁体の具体例］
本発明では、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１種と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種とを含むトポロジカル絶縁体薄膜１１を用いる。したがって、このトポロジカル絶縁体薄膜１１の組成は、Ｓｂ2xＢｉ2(1-x)Ｓｅ3yＴｅ3(1-y)と表すことができる（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）。より具体的には、下記のいずれかの組成を有する結晶は、いずれもトポロジカル絶縁体となり得る。したがって、下記のいずれかの結晶の薄膜を、本発明の光伝導素子が有するトポロジカル絶縁体として適用することができる。
【００３５】
（１）２元結晶
Ｓｂ2Ｔｅ3  （ｘ＝１，ｙ＝０の場合）
Ｓｂ2Ｓｅ3  （ｘ＝１，ｙ＝１の場合）
Ｂｉ2Ｓｅ3  （ｘ＝０，ｙ＝１の場合）
Ｂｉ2Ｔｅ3  （ｘ＝０，ｙ＝０の場合）
（２）３元結晶
Ｓｂ2xＢｉ2(1-x)Ｔｅ3  (０＜ｘ＜１，ｙ＝０の場合）
Ｓｂ2xＢｉ2(1-x)Ｓｅ3  (０＜ｘ＜１，ｙ＝１の場合）
Ｓｂ2Ｓｅ3yＴｅ3(1-y)  （ｘ＝１，０＜ｙ＜１の場合）
Ｂｉ2Ｓｅ3yＴｅ3(1-y)  (ｘ＝０，０＜ｙ＜１の場合）
（３）４元結晶
Ｓｂ2xＢｉ2(1-x)Ｓｅ3yＴｅ3(1-y)  （０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１の場合）
上記の結晶薄膜は、真空蒸着法、スパッタリング法など、ＭＢＥに比べて量産性に優れた方法によって作成することができる。このため本発明によれば、量産に適した光伝導素子を提供することができる。
【００３６】
１つの実施形態では、トポロジカル絶縁体薄膜１１は、Ｓｂ2Ｔｅ3の結晶薄膜である。以下にＳｂ2Ｔｅ3結晶について詳細に説明する。
【００３７】
図５は、Ｓｂ2Ｔｅ3の結晶構造を示した図である。図５に示されるように、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶は、菱面体構造を有する。Ｓｂ（アンチモン）層とＴｅ（テルル）層とが交互に積層されて５原子層が構成される。本明細書では、この５原子層を、「ユニット」と呼ぶ。ｃ軸方向に沿って積層されたユニットによって、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶が構成される。１つのユニットのｃ軸方向の厚みは約１ｎｍである。Ｓｂ2Ｔｅ3のｃ軸方向の格子定数は、約３ｎｍである。すなわち３つのユニットによって１つの単位格子が構成される。
【００３８】
Ｓｂ2Ｔｅ3結晶は、その内部では絶縁体の性質を有する。一方、Ｓｂ2Ｔｅ3の結晶の表面原子層では電子の分散関係がギャップレスとなる。このためＳｂ2Ｔｅ3の表面原子層は金属状態を呈する。
【００３９】
トポロジカル絶縁体に電場が印加された状態において、キャリアは主に表面原子層を伝播する。Ｓｂ2Ｔｅ3の結晶薄膜の面内方向に電場を印加し、かつＳｂ2Ｔｅ3の結晶薄膜に超短パルスレーザ光を照射すると、光励起キャリアがＳｂ2Ｔｅ3の結晶の表面原子層を伝搬する。したがって、Ｓｂ2Ｔｅ3の結晶薄膜からテラヘルツ電磁波を放射することができる。
【００４０】
Ｓｂ2Ｔｅ3結晶において、トポロジカルな表面状態（ギャップレスの金属的表面状態）は結晶表面の数原子層で生じる。バルクの影響を少なくするためには、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶膜をできるだけ薄くすることが好ましい。このため、膜厚を制御することができる薄膜形成法を用いて、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜を作成することが好ましい。
【００４１】
図６は、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の１つの実施例を示した図である。図６を参照して、基板１０の表面に、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶の薄膜がトポロジカル絶縁体薄膜１１として形成される。基板１０には、三方晶または六方晶であり、かつＳｂ2Ｔｅ3結晶のａ軸（およびｂ軸）方向の格子定数（約０．４２６ｎｍ）に近い格子定数を有する基板を用いることが好ましい。たとえばサファイア（Ａｌ2Ｏ3）は六方晶である。サファイア基板のｃ面内の格子定数は約０．４８６ｎｍであり、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶のａ軸（およびｂ軸）方向の格子定数に近い。したがって、図６に示した例では、基板１０としてｃ面を有するサファイア基板が用いられる。基板１０の表面（すなわちｃ面）上にＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜を形成することにより、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶をｃ軸方向に配向成長させる（ｃ軸に配向した層状薄膜が生成される）ことができる。トポロジカル絶縁体の格子定数に近い格子定数を有し、（１１１）面を基板表面として有する半導体結晶、たとえば（１１１）面を有するＣｄＳｅ結晶を基板１０として用いることがより好ましい。なお、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜は、真空蒸着法により作成した。水晶振動子を用いて、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の膜厚を２００ｎｍに制御した。
【００４２】
図７は、図６に示したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜（膜厚２００ｎｍ）のＸ線回折測定の結果を示したグラフである。試料は、基板温度１５０℃のサファイア基板の表面にＳｂ2Ｔｅ3を蒸着させることにより作成した。Ｓｂ2Ｔｅ3を蒸着した後にはアニールは行わなかった。
【００４３】
図７に示されるように、Ｘ線回折測定では、結晶軸の指数が（０，０，３ｎ）（ｎは整数）のみのＸ線回折ピークが観測された。このことは、上記の作成条件によって、サファイア基板表面（ｃ面）上に（０，０，１）の結晶面を持つＳｂ2Ｔｅ3薄膜が配向成長したことを示している。なお、結晶学上の指数が負であることは、通常、”−”（バー）を数字の上に付すことによって表現されるが、図７では数字の前に負の符号を付すことで結晶学上の負の指数が表現される。
【００４４】
図８は、基板温度およびアニールの条件を変えて作成したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜のＸ線回折測定の結果を示したグラフである。３種類の条件でサファイア基板上に成長させたＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜を試料として用いた。具体的には、基板温度が室温（ＲＴ）かつ薄膜成長後のアニールがない試料、基板温度が室温かつ薄膜成長後に２００℃でのアニールを施した試料、および基板温度が１５０℃かつアニールなしの試料である。各試料のＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の厚みは２００ｎｍであった。
【００４５】
図８に示されるように、基板温度が室温かつアニールなしの試料、基板温度が室温かつ２００℃でアニールした試料では、サファイア基板によるＸ線回折ピークが主に測定され、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶に起因したＸ線回折ピークはほとんど測定されていない。一方、基板温度が１５０℃で成長させたＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の場合には、結晶軸の指数が（０，０，３ｎ）（ｎは整数）のＸ線回折ピークが測定された。図８は、条件を制御することによって、（０，０，１）の結晶面を持つＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜を配向成長させることが可能であることを示している。
【００４６】
Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の作成条件によってＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の結晶性が変わることは、ラマン散乱測定によって評価することもできる。図９は、基板温度およびアニールの条件を変えて作成したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜のラマン散乱測定の結果を示したグラフである。
【００４７】
図９に示されるように、５種類の試料を準備した。試料＃１は、基板温度が１５０℃かつＳｂ2Ｔｅ3薄膜形成後のアニールなしの試料である。試料＃２は、基板温度が室温（ＲＴ）かつＳｂ2Ｔｅ3薄膜形成後に２００℃で３０分間のアニールを施した試料である。試料＃３は、基板温度が室温（ＲＴ）かつＳｂ2Ｔｅ3薄膜形成後に２００℃で５分間のアニールを施した試料である。試料＃４は、基板温度が室温かつＳｂ2Ｔｅ3薄膜形成後に１００℃で２時間アニールした試料である。試料＃５は、基板温度が室温（ＲＴ）かつＳｂ2Ｔｅ3薄膜形成後のアニールなしの試料である。試料＃１〜＃５ともにＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の厚みは２００ｎｍである。また、励起光の波長は５３２ｎｍである。
【００４８】
試料＃３，＃５では、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶に起因するフォノンモード以外に，Ｔｅ結晶に起因するフォノンモード（Ｔｅ：Ａ１モード、Ｔｅ：Ｅ”（ＴＯ）モード）が観測された。また、試料＃４では、弱いながらもＴｅ結晶に起因するフォノンモードが観測された。これらの結果は、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜内においてＴｅがクラスター化しているためと考えられる。
【００４９】
一方、試料＃１，＃２では、Ｔｅ結晶に起因するフォノンモードが殆ど観測されなかった。これらの結果は、試料＃１，＃２においては、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜内にＴｅがほとんど析出しておらず、Ｓｂ2Ｔｅ3の配向膜が成長していることを示している。
【００５０】
Ｘ線回折およびラマン散乱スペクトルの測定結果から、基板温度１５０℃でサファイア基板上に作製したＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜は、サファイア基板上（サファイア基板のｃ面上）に配向成長していること、および、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜にＴｅが析出していないことがわかった。
【００５１】
Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜がトポロジカル絶縁体であることを確認するために、図１０および図１１に示すように、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜（膜厚２０ｎｍ）に円偏光を照射して、電圧を印加せずにＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の光電流を測定した。具体的には、波長８００ｎｍのフェムト秒パルス光９３（ポンプパワー８０ｍＷ）をλ／４板２１およびレンズ２２を通して試料（光伝導素子１）に入射した。トポロジカル絶縁体薄膜１１であるＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の表面に、厚さ３００ｎｍの電極１２，１３を金（Ａｕ）により形成した。電極１２，１３の間隔は１００μｍであった。電流の検出にはロックインアンプ（時定数１ｓ）を用いた。λ／４板２１の回転により、光パルスの偏光度を変えて試料を励起した。
【００５２】
トポロジカル絶縁体の場合、左回り偏光と右回り偏光とでは光電流の向き（符号）が異なる。このような特性により、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶がトポロジカル絶縁体か否かを判断することができる。
【００５３】
図１２に示されるように、光電流は、λ／４板２１の回転角度に応じて符号が変化する。したがって、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶がトポロジカル絶縁体であることが分かる。
【００５４】
λ／４板２１の回転角度をαと表すと、図１２のグラフに示された光電流ｊのデータは、
ｊ（α）＝Ｃｓｉｎ２α＋Ｌ1ｓｉｎ４α＋Ｌ2ｃｏｓ４α＋Ｄ
との式により表される曲線によってフィッティングすることができる。
【００５５】
Ｃｓｉｎ２αおよびＬ1ｓｉｎ４αは、ディラックコーン（図１参照）に起因する項である。特に、Ｃｓｉｎ２αは、電子のスピンに依存する項である。一方、Ｌ2ｃｏｓ４αおよびＤは、バルクに起因する項である。実験データのフィッティングの結果からも、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜がトポロジカル絶縁体であることがわかる。
【００５６】
［４．テラヘルツ波発生］
図１３は、本発明に係る光伝導素子によるテラヘルツ波の発生を検証するための光学系の概略的な構成を示した図である。図１３を参照して、パルスレーザ光源１２０からフェムト秒パルス光９０が発せられる。パルスレーザ光源１２０は、フェムト秒パルスレーザ光を発する光源であり、たとえばチタンサファイアレーザ、ファイバレーザ等を適用することができる。フェムト秒パルス光９０の波長は、一例では８００ｎｍであるが、特に限定されない。
【００５７】
フェムト秒パルス光９０は、ハーフミラー１２１によって、フェムト秒パルス光９１，９２に分割される。フェムト秒パルスレーザ光９１は励起パルス光であり、フェムト秒パルス光９２は、ゲートパルス光である。励起パルス光は、たとえばミラー１２２によって反射され、レンズ１２３によって集光された後に光伝導素子１に入射する。一方、ゲートパルス光は、ミラー１２４，１２５、時間遅延ステージ１２６およびミラー１２７を経て、レンズ１２８によって集光される。集光されたゲートパルス光は、検出器２に入射する。
【００５８】
ミラー１２２，１２４，１２５，１２７等は、パルスレーザ光の進行方向を変えるためのものである。このためミラーの配置および個数は図１３に示されるように限定されない。
【００５９】
図１４に示されるように、光伝導素子１は、基板１０と、トポロジカル絶縁体薄膜１１であるＳｂ2Ｔｅ3薄膜と、電極１２，１３を有するアンテナ構造体ＡＮＴとを含む。電極１２，１３は、Ｓｂ2Ｔｅ3薄膜の表面に、間隔ｄを設けて互いに対向して配置される。電極１２，１３は電源５１に接続される。
【００６０】
検出器２は、テラヘルツ波を検出可能な光伝導素子であり、たとえばＬＴ−ＧａＡｓによって構成された光伝導素子を用いることができる。ＬＴ−ＧａＡｓの表面には電極１２´および電極１３´が形成されている。電極１２´および電極１３´は、電流計５２に接続される。
【００６１】
図１３に示されるように、光伝導素子１から発生したテラヘルツ波は、放物面ミラー１３１によって平行ビームにされ、放物面ミラー１３２によって、検出器２の位置において焦点を結ぶ。テラヘルツ波が検出器２に入射すると、検出器２において電流が生じる。検出器２に生じた電流は、アンプ１４１によって増幅される。ロックインアンプ１４２は、アンプ１４１によって増幅された信号を時間波形として取得する。パーソナルコンピュータなどの演算装置１４３は、その時間波形に対してフーリエ変換などの演算を行う。表示装置１４４は、演算装置１４３の演算結果を表示する。
【００６２】
図１５は、図１３および図１４に示した構成によって観測されたテラヘルツ波の時間領域スペクトルを示す図である。図１６は、図１５に示された時間スペクトルのフーリエ変換スペクトルを示した図である。テラヘルツ波の発生の検証に用いたＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の膜厚は、２０ｎｍであった。電極１２，１３の間の間隔ｄは１００μｍであった。励起パルス光およびゲートパルス光の各々は、中心波長が８００ｎｍ、パルス幅が６０フェムト秒（ｆｓ）のパルスレーザ光であった。励起パルス光のパワーは１６０ｍＷであり、ゲートパルス光のパワーは３５ｍＷであった。図１５および図１６に示されるように、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜からテラヘルツ波が放射されることを観測できた。観測されたテラヘルツ波の周波数は、約０．３ＴＨｚおよび約０．８ＴＨｚであった。２つの周波数でテラヘルツ波が観測される理由としては、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の表面原子層だけでなくバルクの部分からもテラヘルツ波が放射されているためと考えられる。
【００６３】
図１７は、トポジカル絶縁体（Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜）から放射されるテラヘルツ波の振幅の電場依存性を示したグラフである。図１７に示されるように、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜に印加される電場の強度を高めるほど、テラヘルツ波の振幅が大きくなる。図１７から、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜内の光励起キャリアが電場によってＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の面内方向に移動し、それによってテラヘルツ波が発生することが分かる。さらに、図１７は、電場が大きいほど瞬時電流Ｊの密度が大きくなるために、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜から放射されるテラヘルツ波の振幅が大きくなることも示している。
【００６４】
図１８は、テラヘルツ波の振幅とＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の膜厚との関係を示したグラフである。図１８から、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜から放射されるテラヘルツ波の振幅は、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の厚みに依存することが分かる。
【００６５】
［５．高効率光伝導素子の構成］
図１９は、本発明に係る光伝導素子の種々の構造を示した概略断面図である。図１９（Ａ）には、本発明に係る光伝導素子の基本的構造が示されている。図１９（Ａ）において、光伝導素子１ａは、基板１０と、トポロジカル絶縁体薄膜１１と、電極１２，１３（アンテナ構造体ＡＮＴ）とを備える。電極１２，１３は、トポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に形成される。したがって、電極１２，１３は、トポロジカル絶縁体薄膜１１の表面に沿って、互いに間隔を設けて対向配置される。
【００６６】
基板１０には、絶縁体または高抵抗の半導体を用いることができる。トポロジカル絶縁体薄膜１１は、基板１０の表面に形成される。図１９（Ａ）に示された構成では、トポロジカル絶縁体薄膜１１の数は１つである。上記の通り、トポロジカル絶縁体薄膜１１の数が１つである場合にも、テラヘルツ波を発生または検出することが可能な光伝導素子を実現することができる。
【００６７】
図１９（Ｂ）において、光伝導素子１ｂは、トポロジカル絶縁体層１１ａおよび通常絶縁体層１４を備える。通常絶縁体層１４は、トポロジカル絶縁体層１１ａに重ねられる。すなわち、光伝導素子１ｂは、トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４とが交互に積層された積層構造体を備える。光伝導素子１ｂは、さらに、積層構造体の表面に配置された電極１２，１３を備える。図１９（Ｂ）に示された構成では、電極１２，１３は、通常絶縁体層１４の表面に配置される。電極１２，１３は、積層構造体の面方向に沿って対向して配置される。
【００６８】
図１９（Ｂ）に示した構成によれば、トポロジカル絶縁体層１１ａにおいて、基板１０との界面近傍の表面部分だけでなく、通常絶縁体層１４との界面近傍の表面部分にもトポロジカルな金属状態を生じさせることが可能となる。したがって、光伝導素子１ｂをテラヘルツ波発生素子に用いる場合には、図１９（Ａ）の構成に比べて、より強度の大きいテラヘルツ波を発生することができる。一方、光伝導素子１ｂをテラヘルツ波検出素子に用いる場合には、テラヘルツ波の検出感度を高めることができる。
【００６９】
図１９（Ｃ）において、光伝導素子１ｃは、トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４とが交互に積層された積層構造体を有する。図１９（Ｃ）の構成では、図１９（Ｂ）の構成よりも、トポロジカル絶縁体層１１ａおよび通常絶縁体層１４の数を増やしている。
【００７０】
図１９（Ｃ）では図示の便宜上、２つのトポロジカル絶縁体層１１ａと、２つの通常絶縁体層１４とが交互に積層された積層構造体が示されている。しかしながら、トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４とが交互に積層されていれば、層の数は特に限定されない。積層構造体は、少なくとも２つのトポロジカル絶縁体層１１ａと、それら２つのトポロジカル絶縁体層１１ａの間に設けられた１つの通常絶縁体層１４とを有していればよい。電極１２，１３は、積層構造体の表面に配置される。図１９（Ｂ）に示された構成と同じく、図１９（Ｃ）の構成において、電極１２，１３は、通常絶縁体層１４の表面に形成される。
【００７１】
図１９（Ｃ）に示した構成によれば、積層構造体に含まれるトポロジカル絶縁体層１１ａの数が増える。したがってトポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４との界面の数が増える。これにより、図１９（Ａ），（Ｂ）に示した構成に比べて、より強いテラヘルツ波を発生する、あるいは、より高い感度でテラヘルツ波を検出することができる。
【００７２】
トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層とが交互に積層された構造体において、最上位の層は、トポロジカル絶縁体層１１ａでもよい。ただし図１９（Ｃ）に示されるように、最上位の層が通常絶縁体層１４であることが好ましい。これにより、複数のトポロジカル絶縁体層１１ａの各々は、上側の界面近傍の表面原子層および下側の界面近傍の表面原子層においてトポロジカルな金属状態を生じさせることが可能になる。したがって、より強いテラヘルツ波を発生する、あるいは、より高い感度でテラヘルツ波を検出することができる。なお、最上位の層が通常絶縁体層１４であることは、フェムト秒パルス光の入射によるトポロジカル絶縁体層１１ａの励起に実質的に影響を与えない。
【００７３】
本発明の実施の形態に係る光伝導素子は、図１９に示す構成に種々の変形を加えた構成を有してもよい。たとえば図２０（Ａ）に示されるように、光伝導素子１ｄは、基板１０と、トポロジカル絶縁体薄膜１１との間に形成された絶縁体層１５を備える。この点で光伝導素子１ｄは、図１９（Ａ）に示された光伝導素子１ａの構成と異なる。同様に、図２０（Ｂ）に示される光伝導素子１ｅおよび図２０（Ｃ）に示される光伝導素子１ｆは、図１９（Ｂ）に示された光伝導素子１ｂおよび図１９（Ｃ）に示された光伝導素子１ｂに対して、絶縁体層１５が追加される点でそれぞれ異なっている。
【００７４】
絶縁体層１５は、基板１０の格子定数とトポロジカル絶縁体薄膜１１（またはトポロジカル絶縁体層１１ａ）の格子定数との間にある格子定数を有する。たとえば、基板１０（結晶基板）とトポロジカル絶縁体との間で格子定数が異なる場合、基板１０の表面にトポロジカル絶縁体（膜あるいは層）を直接形成すると、格子定数の不整合が問題になる可能性がある。基板１０の表面に絶縁体層１５を形成することによって、基板１０とトポロジカル絶縁体層１１ａとの間における格子定数の不整合を緩和することができる。
【００７５】
アンテナ構造体ＡＮＴの平面形状は、そのアンテナ構造体ＡＮＴの周波数帯域と関係する。図２１は、アンテナ構造体ＡＮＴ（光伝導アンテナ）の平面形状の例を説明するための図である。なお、図１９（Ａ）の構成を例にしてアンテナ構造体ＡＮＴの形状を説明するが、図２１に示したアンテナ構造体ＡＮＴは、光伝導素子の他の構成にも適用可能である。
【００７６】
図２１（Ａ）には、アンテナ構造体ＡＮＴがボウタイアンテナである例が示される。図２１（Ｂ）には、アンテナ構造体ＡＮＴがダイポールアンテナである例が示される。ボウタイアンテナは低周波用アンテナであり、ダイポールアンテナは高周波用アンテナである。図２１に示された形状に限らず、アンテナ構造体ＡＮＴには、たとえばスパイラル型、ログペリ型、アレイ型など、従来のマイクロ波あるいはミリ波領域でのアンテナ技術を応用した種々の形状を採用することができる。電極１２，１３の間の間隔ｄは特に限定されない。
【００７７】
図１９および図２０に示された構成において、トポロジカル絶縁体薄膜１１およびトポロジカル絶縁体層１１ａは、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）のうちの少なくとも１種と、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）のうちの少なくとも１種とを含む。具体的には、トポロジカル絶縁体薄膜１１およびトポロジカル絶縁体層１１ａは、上記の２元結晶、３元結晶、４元結晶のいずれであってもよい。
【００７８】
一実施形態では、トポロジカル絶縁体薄膜１１およびトポロジカル絶縁体層１１ａは、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜である。Ｓｂ2Ｔｅ3結晶をｃ軸方向に配向成長させるよう、基板１０は、三方晶、六方晶の結晶基板であり、かつ、ａ軸方向の格子定数（ａ0）がＳｂ2Ｔｅ3結晶のａ軸方向の格子定数に近いことが好ましい。これらの観点から、基板１０としては、たとえば、ｃ面を有するサファイア基板、（１１１）面を有する、高抵抗のシリコン結晶基板やＣｄＳｅ結晶基板等を用いることができる。
【００７９】
トポロジカル絶縁体薄膜１１がＳｂ2Ｔｅ3結晶薄膜である場合、トポロジカル絶縁体薄膜１１の厚みｔ１は、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜のｃ軸の方向の長さに相当する。図５に示されるように、Ｓｂ2Ｔｅ3結晶の１ユニットのｃ軸方向の長さは約１ｎｍである。Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜の表面にトポロジカル層を形成するためには、最低でも１ユニットが必要である。したがって、厚みｔ１は、約１ｎｍ以上である必要がある。一方、図１８に示されるように、厚みｔ１を３０ｎｍより大きくしても、光伝導素子から放射されるテラヘルツ波の強度は、ほぼ飽和するか、あるいは逆に低下する可能性がある。したがって、厚みｔ１の上限を、３０ｎｍ以下としてもよい。
【００８０】
図１９（Ｂ）、図１９（Ｃ）、図２０（Ｂ）、図２０（Ｃ）のように、トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４とが積層された積層構造体の場合、トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４との組み合わせとしては、Ｓｂ2Ｔｅ3とＧｅＴｅ（テルル化ゲルマニウム）との組み合わせを用いることができる。
【００８１】
Ｇｅ，Ｓｂ，Ｔｅを含む長周期積層構造薄膜の組成は（ＧｅＴｅ）n／（Ｓｂ2Ｔｅ3）mと表すことができる（ｎ，ｍは整数）。ｎ＝１，ｍ＝３となる組成の薄膜は、ＤＶＤの記録層に用いられており、ＧＳＴ薄膜として知られている。１ユニットのＧｅＴｅからなる通常絶縁体層１４と、３ユニットのＳｂ2Ｔｅ3（すなわちＳｂ6Ｔｅ9）からなるトポロジカル絶縁体層１１ａとを交互に積層することで、（ＧｅＴｅ）1／（Ｓｂ2Ｔｅ3）3と同じ組成を有する長周期積層構造薄膜（積層構造体）を形成することができる。
【００８２】
トポロジカル絶縁体層１１ａ（Ｓｂ2Ｔｅ3）の厚みｔ１は、１ｎｍ以上であることが好ましい。上記の通り、Ｓｂ2Ｔｅ3のｃ軸方向の１ユニットの長さは、１ｎｍである。これにより、トポロジカル絶縁体層１１ａの表面にトポロジカル層を形成することができる。なお、トポロジカル絶縁体層１１ａ（Ｓｂ2Ｔｅ3）の厚みｔ１の上限は特に限定されないが、たとえば、（ＧｅＴｅ）n／（Ｓｂ2Ｔｅ3）mにおいてｎ＝１，ｍ＝３となる長周期積層構造薄膜を形成するために、１つのトポロジカル絶縁体層１１ａを３ユニットで構成する場合、厚みｔ１の上限を３ｎｍと定めることができる。
【００８３】
通常絶縁体層１４（ＧｅＴｅ）の厚みｔ２の最低値は、１原子層の厚み（約０．６ｎｍ）である。したがって通常絶縁体層１４（ＧｅＴｅ）の厚みｔ２は、０．６ｎｍ以上であることが好ましい。一方、通常絶縁体層１４の厚みｔ２をある程度大きくすれば、その通常絶縁体層１４の上下に位置する２つのトポロジカル絶縁体層１１ａの各々の表面に生じるトポロジカル層を、十分に電気的に絶縁できる。この観点からは、通常絶縁体層１４の厚みｔ２は、２ｎｍ程度としてもよい。したがって、通常絶縁体層１４（ＧｅＴｅ）の厚みｔ２の上限を、２ｎｍとすることができる。積層構造体の厚み（言い換えると通常絶縁体層１４およびトポロジカル絶縁体層１１ａの積層数）は特に限定されず、たとえば光伝導素子１から発せられるテラヘルツ波の強度、あるいは、光伝導素子１のテラヘルツ波の検出感度の観点から適切に決定することができる。一例では積層構造体の厚みは約５００ｎｍである。
【００８４】
図２２は、ＧｅＳｂ6Ｔｅ10がテラヘルツ波を発生することを検証した結果を説明した図である。図２２（Ａ）は、テラヘルツ波の時間スペクトル波形を示した図であり、図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）の時間スペクトル波形のフーリエ変換スペクトルを示した図である。なお、試料には多結晶のＧｅＳｂ6Ｔｅ10を用いた。また、ＧｅＳｂ6Ｔｅ10を励起するためのパルスレーザ光の波長は８００ｎｍであった。
【００８５】
図２２（Ａ），（Ｂ）は、多結晶のＧｅＳｂ6Ｔｅ10がテラヘルツ波を発生可能なことを示す。多結晶のＧｅＳｂ6Ｔｅ10に電圧を印加することによって、多結晶試料の表面付近に電場が生じ、その表面電場中を光励起キャリアが移動することにより、テラヘルツ波のパルスが発生したと考えられる。ＧｅＳｂ6Ｔｅ10の多結晶試でもテラヘルツ波を発生可能なことは、トポロジカル絶縁体層１１ａ（Ｓｂ2Ｔｅ3結晶薄膜）と、通常絶縁体層１４（ＧｅＴｅ薄膜）とが規則的に交互に積層された積層体も、テラヘルツ波パルスを発生可能であることを示すものである。
【００８６】
図２３は、本発明の光伝導素子の製造方法の一実施形態を示したフロー図である。具体的には、図２３に示されたフローは、図１９（Ｃ）に示された積層構造体を形成するためのフローである。
【００８７】
図２３のフローによれば、ステップＳ１において、基板１０を準備する。ステップＳ２において、基板１０の表面に、トポロジカル絶縁体層１１ａを形成する。ステップＳ３において、トポロジカル絶縁体層１１ａの上に通常絶縁体層１４を形成する。
【００８８】
続いて、ステップＳ４において、トポロジカル絶縁体層１１ａが形成され、ステップＳ５において通常絶縁体層１４が形成される。以後、所定の積層数に達するまで、トポロジカル絶縁体層１１ａおよび通常絶縁体層１４を交互に積層する処理が繰り返される。
【００８９】
トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４とを交互に積層する方法としては、たとえば真空蒸着法、あるいはスパッタリング法などを用いることができる。たとえば、目的とする（ＧｅＴｅ）n／（Ｓｂ2Ｔｅ3）mの長周期積層構造薄膜を真空蒸着法を用いて作製する場合、ＧｅＴｅとＳｂ2Ｔｅ3とをＧｅ：Ｓｂ：Ｔｅ＝ｎ：２ｍ：ｎ＋３ｍ（たとえばｎ＝１，ｍ＝３の場合、Ｇｅ：Ｓｂ：Ｔｅ＝１：６：１０）となるように溶融加熱して（ＧｅＴｅ）n／（Ｓｂ2Ｔｅ3）mの長周期積層構造を有するパウダーを作り、抵抗加熱またはスパッタリング法によって、パウダーを基板に蒸着させてもよい。あるいは抵抗加熱またはスパッタリング法を用いる場合には、異なるターゲットを用いた交互蒸着によって、ＧｅＴｅとＳｂ2Ｔｅ3とを交互に積層してもよい。
【００９０】
ステップＳ１０において、電極１２，１３を形成する。たとえば、電極材料（たとえば金であるがこれに限定されない）を積層構造体の表面（最上面）に蒸着し、フォトレジストおよびマスクを用いたリソグラフィ工程により、フォトレジストに所定のパターンを転写する。エッチング工程により、電極１２，１３を形成し、フォトレジストを除去する。
【００９１】
なお、図１９（Ａ）に示された光伝導素子１ａを形成する場合には、ステップＳ３〜Ｓ５の処理、およびそれ以後の積層工程を省略すればよい。図１９（Ｂ）に示された光伝導素子１ｂを形成する場合にも、ステップＳ４の処理、およびそれ以後の処理を省略すればよい。一方、ステップＳ１とステップＳ２との間に絶縁体層１５を形成するステップを追加することにより、図２０（Ａ），図２０（Ｂ）あるいは図２０（Ｃ）に示された光伝導素子を形成することができる。
【００９２】
本発明の光伝導素子は、トポロジカル絶縁体を用いることにより、さまざまな利点を有する。第１の利点は、量産に適していることである。
【００９３】
ＬＴ−ＧａＡｓを用いた光伝導素子を製造する場合、一般的にはＧａＡｓを成長させるために分子線エピタキシー法が用いられる。しかし、分子線エピタキシー法は生産性の点に課題がある。これに対して、本発明によれば、真空蒸着法あるいはスパッタリングにより光伝導素子を生成することができるため量産に適している。これにより光伝導素子の製造コストを下げることが可能となる。
【００９４】
トポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４との組み合わせがＳｂ2Ｔｅ3とＧｅＴｅとである場合、ＤＶＤの記録層と同じ組成であるため安価な製造が可能である。さらに図７〜図９等に示されるように、Ｓｂ2Ｔｅ3薄膜は、成長時の温度（基板温度）を変えることによって結晶化が可能である。
【００９５】
第２の利点は、光伝導素子に印加する電場を小さくすることができることである。ＬＴ−ＧａＡｓの場合、テラヘルツ波を発生させるためにたとえば５０ｋＶ／ｃｍの電場をＬＴ−ＧａＡｓに印加する必要がある。しかしながら高い電界は、光伝導素子の他の部分の耐久性あるいは寿命などに影響を与える可能性がある。これに対して本発明では、トポロジカル絶縁体の表面に生じる金属状態を利用することにより、より低い電界によって、テラヘルツ波を発生させることができる。たとえば図１５，図１６，図２２等に示されるように、本発明では、８００Ｖ／ｃｍ程度の電界（電極１２，１３の間の間隔ｄが１００μｍの場合）でもテラヘルツ波を発生させることができる。また、本発明の光伝導素子をテラヘルツ波の検出に用いる場合には、より高い感度でテラヘルツ波を検出できる。
【００９６】
第３の利点は、光伝導素子がトポロジカル絶縁体層１１ａと通常絶縁体層１４とが交互に積層された積層構造体を含むことによって、トポロジカル絶縁体層１１ａの数を調整できることである。これにより、本発明の光伝導素子は、より強いテラヘルツ波を発生することができる、あるいは、より高い感度でテラヘルツ波を検出できる。
【００９７】
第４の利点は、光伝導素子に入射すべき光の波長を広い範囲の中から選択できることである。ＬＴ−ＧａＡｓの場合、光励起キャリアを発生させるためには、ＧａＡｓのバンドギャップに相当する波長（約８００ｎｍ）以下の波長を有する光を、ＬＴ−ＧａＡｓに入射しなければならない。一方、トポロジカル絶縁体のトポロジカル層は、ギャップレスのバンド構造を有する。このため光励起キャリアを発生させるために必要な光の波長は、テラヘルツ波の波長よりも短かれば特に限定されない。本発明によれば、フェムト秒パルスレーザ光を発生することが可能な市販のさまざまなレーザ光源を用いることができる。一例では、２００ｎｍ以上２０μｍ以下の範囲内の波長を有するレーザ光を発する光源を本発明に用いることができる。ただしパルスレーザ光の時間幅は狭いほうがよい。位置実施形態ではパルスレーザ光のパルス幅は３ｐｓ以下であり、好ましくは、１ｐｓ以下である。
【００９８】
通常絶縁体層１４は、トポロジカル絶縁体層１１ａのバンドギャップを調整する役割を果たす。その理由は、トポロジカル絶縁体層１１ａの表面にあるトポロジカル層がＳｅまたはＴｅを含むためである。上記の実施形態では、通常絶縁体層１４としてＧｅＴｅの層を示したが、通常絶縁体層１４はＧｅＳｅであってもよく、あるいはＧｅ，Ｓｅ，Ｔｅをすべて含んでもよい。
【００９９】
なお、トポロジカル絶縁体薄膜１１、およびトポロジカル絶縁体層１１ａは、ＳｂおよびＢｉのうちの少なくとも１種と、ＳｅおよびテルルＴｅのうちの少なくとも１種とを含んでいればよい。したがって、トポロジカル絶縁体薄膜１１、およびトポロジカル絶縁体層１１ａは、さらに別の元素を含んでいてもよい。別の元素としては、たとえばインジウム（Ｉｎ）を挙げることができる。
【０１００】
［６．応用］
図２４は、本発明に係る光伝導素子の１つの適用形態を示した図である。図２４に示すように、システム２００は、テラヘルツ波発生装置２１０と、テラヘルツ波検出装置２２０とを備える。テラヘルツ波発生装置２１０は、本発明の実施の形態に係る光伝導素子２０１Ａと、光源２１１と、電源２１２とを有する。テラヘルツ波検出装置２２０は、本発明の実施の形態に係る光伝導素子２０１Ｂと、光源２２１と、信号処理部２２２とを有する。
【０１０１】
光源２１１，光源２２１の各々は、フェムト秒パルスレーザ光を繰り返して発する。光源２１１，光源２２１の各々は、たとえばファイバレーザ、チタンサファイアレーザなどを用いることができる。フェムト秒パルスレーザ光の波長は、２００ｎｍ以上２０μｍ以下の範囲内の波長であればよい。フェムト秒パルスレーザ光のパルス幅は、たとえば３ｐｓ以下であり、好ましくは１ｐｓ秒である。
【０１０２】
なお、光源２１１と光源２２１とを別に設ける必要はなく、１つの光源から出た光を分岐して光伝導素子２０１Ａ，２０１Ｂに入射してもよい。
【０１０３】
電源２１２は、光伝導素子２０１Ａに電場を印加する。光伝導素子２０１Ａは、光源２１１からのパルスレーザ光の入射に応じて、テラヘルツ波１０１を発する。テラヘルツ波１０１は、対象物２５０を透過して、光伝導素子２０１Ｂに入射する。
【０１０４】
光伝導素子２０１Ｂには、光源２２１からのフェムト秒パルスレーザ光が繰り返し入射される。光伝導素子２０１Ｂがテラヘルツ波１０１を受けると、光伝導素子２０１Ｂは電流を発生する。この電流は、光伝導素子２０１Ｂから出力される信号として、信号処理部２２２によって処理される。
【０１０５】
システム２００の用途は特に限定されない。たとえばシステム２００を、位置センサー、距離センサー、分光測定装置、通信装置、イメージセンサー等に利用することができる。
【０１０６】
たとえば光伝導素子２０１Ｂを２次元撮像素子として構成することにより、システム２００を、イメージセンサーに用いることができる。信号処理部２２２は、光伝導素子２０１Ｂからの信号を処理することにより、対象物２５０の画像（画像データ）を生成する。すなわち信号処理部２２２は、画像生成部である。
【０１０７】
図２５は、本発明の光伝導素子を含む２次元撮像素子を模式的に示した図である。図２５に示すように、２次元撮像素子としての光伝導素子２０１Ｂは、マトリクス状に配置された複数の光伝導素子１を含む。光伝導素子１のＸ方向の長さＬｘおよびＹ方向の長さＬｙは、テラヘルツ波の波長程度であるのが好ましく、たとえば１００μｍ程度である。光伝導素子１に代えて、図１９，図２０に示した光伝導素子１ａ〜１ｆのいずれも光伝導素子２０１Ｂに適用可能である。特に、積層構造体を有する光伝導素子１ｃあるいは１ｆを光伝導素子２０１Ｂに適用することによって、高感度の撮像を可能にすることができる。
【０１０８】
今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明は、テラヘルツ波の発生およびテラヘルツ波の検出に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
１，１ａ〜１ｆ，２０１Ａ，２０１Ｂ  光伝導素子、２  検出器、１０  基板、１１  トポロジカル絶縁体薄膜、１１ａ  トポロジカル絶縁体層、１２，１３  電極、１４  通常絶縁体層、１５  絶縁体層、２１  λ／４板、２２，１２３，１２８  レンズ、５１，２１２  電源、５２  電流計、９０〜９３  フェムト秒パルス光、１０１，１０２  テラヘルツ波、１２０  パルスレーザ光源、１２１  ハーフミラー、１２２，１２４，１２５，１２７  ミラー、１２６  時間遅延ステージ、１３１，１３２  放物面ミラー、１４１  アンプ、１４２  ロックインアンプ、１４３  演算装置、１４４  表示装置、２００  システム、２１０  テラヘルツ波発生装置、２１１，２２１  光源、２２０  テラヘルツ波検出装置、２２２  信号処理部、２５０  対象物、ＡＮＴ  アンテナ構造体、Ｓ１〜Ｓ１０  ステップ、ｄ  間隔、ｔ１，ｔ２  厚み。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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