(57)【要約】【課題】高出力なテラヘルツ波を発生する可能なテラヘルツ電磁波発生装置を提供する。【解決手段】本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は、光を受けてテラヘルツ電磁波を発生する光伝導層と、前記光伝導層の表面に設けられた電極対とを備えるテラヘルツ電磁波発生装置において、前記光伝導層の表面は、前記電極対により挟まれた領域に光の照射を受ける光照射部を有し、前記光伝導層は、窒化物系化合物半導体で構成され、その表面から２００ｎｍ以上の内部の領域にキャリア濃度を調整する不純物を含み、前記不純物の濃度は１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下であり、前記光伝導層は裏面側の層とホモ接合またはヘテロ接合している。【選択図】図１
2008141075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を受けてテラヘルツ電磁波を発生する光伝導層と、前記光伝導層の表面に設けられた電極対とを備えるテラヘルツ電磁波発生装置において、
前記光伝導層の表面は、前記電極対により挟まれた領域に光の照射を受ける光照射部を有し、
前記光伝導層は、窒化物系化合物半導体で構成され、その表面から２００ｎｍ以上の内部の領域にキャリア濃度を調整する不純物を含み、
前記不純物の濃度は１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下であり、
前記光伝導層は裏面側の層とホモ接合またはヘテロ接合している
ことを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記不純物は、Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇのうちの少なくともひとつであることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
前記光伝導層はＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）により形成され、
前記テラヘルツ電磁波発生装置は、さらに、
前記光伝導層の裏面側にＧａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１）またはＧａ1-X4ＡｌX4Ｎにより形成された超格子層と、
前記超格子層の裏面側にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）により形成された初期層と、
前記初期層の裏面側に形成された基板と
を備えることを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記基板は、Ｓｉ基板、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板およびサファイアの酸化物基板の１つであることを特徴とする請求項３記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ電磁波発生装置は、さらに、
前記光伝導層よりも小さい屈折率を有し、前記光伝導層の裏面側に形成された第１クラッド層と、
前記光伝導層よりも小さい屈折率を有し、前記光伝導層の表面側に形成された第２クラッド層とを備え、
前記電極対は、第２クラッド層の表面に設けられる
ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項６】
基板上にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）により形成された初期層と、
前記初期層上にＧａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）により形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上にＧａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１）またはＧａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１）により形成された超格子層と、
前記超格子層上にＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）により形成された第１クラッド層と、
第１クラッド層上にＩｎX6ＧａX7ＡｌX8Ｎ（０≦Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８≦１、Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＝１）により形成された光伝導層と、
前記光伝導層上にＧａ1-X9ＡｌX9Ｎ（０≦Ｘ９≦１）により形成された第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に設けられた電極対とを備え、
前記第１クラッド層、前記光伝導層および第２クラッド層の少なくとも１つにおける、前記第２クラッド層の表面から２００ｎｍ以上の領域は、１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下の不純物を含み、
前記不純物は、Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇのうち少なくともひとつであり、
前記基板は、Ｓｉ基板、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、サファイア等の酸化物基板の何れかである
ことを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項７】
前記電極対は、複数の突出部を有する第１電極と、複数の突出部を有する第２電極とを備え、
前記第１電極の複数の突出部と第２電極の複数の突出部は対向するようアレイ状に配置される
ことを特徴とする請求項１または６記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いたセンシング、或いはイメージングに必要な高出力なテラヘルツ波を発生する可能とする光スイッチ素子を用いたテラヘルツ電磁波発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波領域（テラヘルツ波領域、例えばおよそ０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ、あるいはさらにその周辺領域を含んだ０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚなどの広い周波数領域を指す）は、光波と電波の境界に位置する周波数領域である。このようなテラヘルツ波は、非破壊検査、イメージング、通信などへの応用が期待されている。また、テラヘルツ波の利用は、環境計測やライフサイエンスの分野などへも波及しており、先端的基盤技術分野となりつつある。
【０００３】
テラヘルツ光の発生には、光伝導スイッチ素子を用いたテラヘルツ電磁波発生素子（光伝導アンテナ等）が、多く用いられている（非特許文献１参照）。
【０００４】
光伝導スイッチ素子を用いたテラヘルツ電磁波発生素子は、光伝導部と、該光伝導部の所定の面上に形成され互いに分離された２つのバイアス印加部となる電極とを有し、この２つの電極の少なくとも一部どうしが所定間隔をあけるように配置された（ギャップ部）アンテナ素子である。この素子では、前記２つの電極間にバイアス電圧を印加しても、通常は、２つの電極間（ギャップ部）の抵抗値が非常に高いため電流はほとんど流れない。そのバイアス電圧を印加した状態で、ギャップ部をフェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などの励起パルス光で照射して、自由キャリアを生成すると、その瞬間だけその抵抗値が下がり電流が流れる。このパルス状の電流によって、テラヘルツ電磁波が発生する。
【０００５】
電極間隔５μｍ程度のいわゆるダイポールアンテナと呼ばれる光伝導スイッチ素子において、光伝導層にＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合、バイアス電圧は２０Ｖ程度である。電極間の電界は非常に強く、また、電界が強いほど、発生するテラヘルツ光も強くなる。
【非特許文献１】IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.24,No.2,pp.255-260（1988）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、光伝導スイッチ素子を用いたテラヘルツ光発生素子では、電界が強くなり過ぎてしまうと、前記光伝導部が絶縁破壊されて素子が破壊されてしまうため、ある値以上のバイアス電圧を印加することができない。光伝導部が絶縁破壊されてしまうと、そのテラヘルツ光発生素子は、二度とテラヘルツ光源として機能しなくなってしまう。光伝導層としてＬＴ−ＧａＡｓを用いた光伝導スイッチ素子をテラヘルツ光源として用いる場合には、素子が絶縁破壊を起こさないように、注意深くバイアス電圧を設定する必要があり、バイアス電圧の設定に著しく手数を要していた。
【０００７】
ところが、定常状態でバイアス電圧が正しく調整されていたとしても、バイアス電圧の印加に用いる電源によっては、電源投入時のバイアス電圧の立ち上がり時などにはオーバーシュートにより瞬間的に設定電圧以上の電圧が印加されてしまい、素子が破壊されてしまう場合があった。このため、従来は、このような素子の絶縁破壊を確実に防ごうとすると、バイアス電圧をかなり大きい余裕を持って低い値に設定する必要があった。この場合には、素子の破壊を確実に防止することができるものの、強度の高いテラヘルツ光を発生させることができなくなってしまう。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、テラヘルツ光発生素子の絶縁破壊レベルを向上することにより発生するテラヘルツ光の強度を高めることができる、光伝導スイッチ素子を用いたテラヘルツ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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決することが可能なテラヘルツ波発生装置の構成について検討を行った結果、バイアス電圧の向上を図ることにより高出力なテラヘルツ波を発生することを可能とするテラヘルツ波発生装置を提供するものである。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は、光を受けてテラヘルツ電磁波を発生する光伝導層と、前記光伝導層の表面に設けられた電極対とを備えるテラヘルツ電磁波発生装置において、前記光伝導層の表面は、前記電極対により挟まれた領域に光の照射を受ける光照射部を有し、前記光伝導層は、窒化物系化合物半導体で構成され、その表面から２００ｎｍ以上の内部の領域にキャリア濃度を調整する不純物を含み、前記不純物の濃度は１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下であり、前記光伝導層は裏面側の層とホモ接合またはヘテロ接合している。ここで、前記不純物は、Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇのうちの少なくともひとつであってもよい。
【００１１】
光伝導層と電極対とで構成される光伝導スイッチ素子では、前記２つの電極間にバイアス電圧を印加しても、２つの電極間（ギャップ部）の抵抗値が非常に高く電流はほとんど流れない状態が好ましい。即ち、基板上に形成される窒化物系化合物半導体はシートキャリア濃度で１×１０12ｃｍ2以下の高抵抗層である必要がある。しかしながら、通常、基板上に窒化物系化合物半導体を成長した場合、結晶欠陥や不純物の取り込み等で、アンドープの状態でもｎ型化してしまうために、単に結晶成長した状態では窒化物系化合物半導体を高抵抗化することが非常に困難である。そこで本発明では、前記光伝導層の表面から２００ｎｍ以上の領域に、キャリア濃度を調整する不純物を含むような構成にすることにより、高抵抗化を実現することが可能となる。即ち、ｎ型化した前記光伝導層にｐ型のドーパントとなる不純物を導入し補償することにより、高抵抗化を実現するものである。前記光伝導層に含まれるｐ型のドーパントは１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下であることが好ましい。１×１０18ｃｍ-3以下であれば、バイアス印加時にリーク電流が流れてしまう可能性が高くなり、また、１．２×１０24ｃｍ-3以上では結晶性の悪化によるリーク電流が発生する恐れがあるため、前記記載のドーピング量であることが必要となる。高抵抗化された領域については、表面電導の影響や、高バイアス印加時のトンネル電流を抑制するために、２００ｎｍ以上の膜厚が必要である。詳細については、実施例にて記載する。
【００１２】
このような構成をとることにより、絶縁破壊電界が従来のＬＴ−ＧａＡｓの５倍以上となるために光伝導スイッチ素子の電極間に印加する電圧を１０倍以上にまで高めることができ、高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。さらに、ホモ接合、或いはヘテロ接合の存在により、接合界面にはポテンシャル障壁が現れるため、このポテンシャル障壁により、光伝導層内で生成したキャリアが基板方向に拡散するのを妨げることができる。この結果、キャリアが局在化して、点光源に近いＴＨｚ波源となり、光学調整が容易となる。また、電圧印加部を複数個形成するアレイ構成にすることにより、更なる高出力化を実現することも可能である。
【００１３】
ここで、前記光伝導層はＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）により形成され、前記テラヘルツ電磁波発生装置は、さらに、前記光伝導層の裏面側にＧａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１）またはＧａ1-X4ＡｌX4Ｎにより形成された超格子層と、前記超格子層の裏面側にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）により形成された初期層と、前記初期層の裏面側に形成された基板とを備える構成としてもよい。この構成を取ることにより、光伝導スイッチ素子の電極間に印加する電圧を２００Ｖ以上にまで高めることができるため、高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。
【００１４】
ここで、前記基板は、Ｓｉ基板、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板およびサファイアの酸化物基板の１つであってもよい。
【００１５】
この構成により、Ｓｉ基板を用いた場合には、大面積化が容易であり、低コスト化が可能となるだけでなくテラヘルツイメージング用光源としても有用である。またＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いた場合には、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長にて光伝導層を形成するような場合に格子整合条件での結晶成長を可能とするので光伝導層の高品質化を容易にすることができる。また、サファイア等の酸化物基板を用いた場合には、低コスト化が可能となるばかりではなく、基板を除去する工程を必要とする場合にはプロセス設計を容易にすることができ、さらには基板上にさまざまな加工を施すことにより、テラヘルツ電磁波の取り出し効率を高めることも可能となる。なお、上記のさまざまな加工とは、例えば、テラヘルツ電磁波発生装置にフォトニック結晶を作り込む加工や、基板をレンズ形状にする加工等である。
【００１６】
ここで、前記テラヘルツ電磁波発生装置は、さらに、前記光伝導層よりも小さい屈折率を有し、前記光伝導層の裏面側に形成された第１クラッド層と、前記光伝導層よりも小さい屈折率を有し、前記光伝導層の表面側に形成された第２クラッド層とを備え、前記電極対は、第２クラッド層の表面に設けられるようにしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、第１及び第２クラッド層が光を光伝導層内に閉じ込める役割を果たすので、テラヘルツ電磁波の発生効率を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は、基板上にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）により形成された初期層と、前記初期層上にＧａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）により形成されたバッファ層と、前記バッファ層上にＧａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１）またはＧａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１）により形成された超格子層と、前記超格子層上にＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）により形成された第１クラッド層と、第１クラッド層上にＩｎX6ＧａX7ＡｌX8Ｎ（０≦Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８≦１、Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＝１）により形成された光伝導層と、前記光伝導層上にＧａ1-X9ＡｌX9Ｎ（０≦Ｘ９≦１）により形成された第２クラッド層と、前記第２クラッド層上に設けられた電極対とを備え、前記第１クラッド層、前記光伝導層および第２クラッド層の少なくとも１つにおける、前記第２クラッド層の表面から２００ｎｍ以上の領域は、１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下の不純物を含み、前記不純物は、Ｂ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇのうち少なくともひとつであり、前記基板は、Ｓｉ基板、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、サファイア等の酸化物基板の何れかであってもよい。光伝導層にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇのうち少なくとも一つが不純物として含まれる理由は上記の通り、高抵抗層を得るためである。この構成を取ることにより、光伝導スイッチ素子の電極間に印加する電圧を２００Ｖ以上にまで高めることができるため、高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。高抵抗化された領域については、表面電導の影響や、高バイアス印加時のトンネル電流を抑制するために、２００ｎｍ以上の膜厚が必要である。さらに、光伝導層の屈折率を、クラッド層１、クラッド層２よりも高くなるような構成にすることにより、励起光パルスを光伝導層に閉じこめることが可能となり、効率よく光伝導層にてテラヘルツ電磁波を発生させることが可能となる。
【００１９】
ここで、前記電極対は、複数の突出部を有する第１電極と、複数の突出部を有する第２電極とを備え、前記第１電極の複数の突出部と第２電極の複数の突出部は対向するようアレイ状に配置されるようにしてもよい。この構成によれば、電極対の突出部がアレイ状に配置されることにより複数の光スイッチ素子を形成するので、テラヘルツ電磁波をさらに高出力化することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、光伝導層、及びそれを含む構成層に窒化物系化合物半導体を用いることにより、印加バイアスを増大させ発生するテラヘルツ光の強度を高めることができる、光スイッチ素子を用いたテラヘルツ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】
【００２１】
（第１の実施形態）
以下、図面とともに本発明によるテラヘルツ波発生装置、及びそれらの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２２】
図１は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第１の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。本テラヘルツ波発生装置は、図１に示すように、基板１の上に、Ｇａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層２（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）光伝導層３（１０００ｎｍ）が形成されている。第１の実施形態における上記材質の組成比率を示すＸ１、Ｘ２は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０でよい。
【００２３】
初期層２、光伝導層３はＭＯＣＶＤ等の結晶成長法にて作製される。初期層２は、基板上に結晶成長のきっかけを作るため、つまり、その上に成長させる光伝導層３の結晶性（格子定数など）を確保するために形成される。初期層２の膜厚は光伝導層３の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。
【００２４】
光伝導層３の表面から６００ｎｍの領域４にＢがドーピングされている。本発明ではイオン注入によりＢのドーピングを実施した。これにより、光伝導層３が高抵抗化される。光伝導層３の表面には、電極５及び６の一部どうしが所定間隔（ギャップ部）７をあけるように配置されることにより光伝導アンテナ素子を構成している。電極５と６の間にバイアス電圧を印加しても、光伝導層３はシートキャリア濃度が１×１０12ｃｍ2以下になるように形成されているので２つの電極間には電流はほとんど流れない。そのバイアス電圧を印加した状態で、ギャップ部８にフェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などの励起パルス光で照射することにより、自由キャリア８'が生成され、その瞬間だけその抵抗値が下がり電流が流れる。このパルス状の電流によって、テラヘルツ電磁波が発生する。光伝導層３がＧａＡｌＮで構成されており２ＭＶ/ｃｍ程度の絶縁破壊電界が得られるため、２００Ｖ以上のバイアス電圧を印加することが可能となる。これにより、高出力なテラヘルツ電磁波が得られることが期待される。
【００２５】
また、光伝導層３は、下の層（初期層２）とホモ接合またはヘテロ接合している。このホモ接合、或いはヘテロ接合の存在により、接合界面にはポテンシャル障壁が現れるため、このポテンシャル障壁により、光伝導層内で生成したキャリアが基板方向に拡散するのを妨げることができる。この結果、キャリアが局在化して、点光源に近いＴＨｚ波源となり、光学調整が容易となる。
【００２６】
図２にバイアス印加した場合の電流−電圧特性を示す。９は光伝導層に含まれるＢの量が１×１０17ｃｍ-3場合、１０は１．０×１０20ｃｍ-3の場合の電流−電圧特性を示す。図からわかるように、Ｂの注入量の違いでリーク電流量が異なることがわかる。２００Ｖ以上の高耐圧下においても、リーク電流を抑制するためには、ある一定量のＢが存在する必要があり、本発明において１×１０18ｃｍ-3以上であることを見出した。また、あまりにもＢを多量に注入すると９と同じような電流−電圧特性を示す。これは、イオン注入を用いた場合においては注入時のダメージにより結晶性が低下することが原因であると考えられる。よって、Ｂの注入量は１．２×１０24ｃｍ-3以下であることが望ましい。
【００２７】
図３に光伝導層３の表面からのＢの注入深さを変えた場合の電流−電圧特性を示す。注入深さが２００ｎｍ以下の場合は、１００Ｖ以下の耐圧しか得られていないが、２００ｎｍ以上で４００Ｖ以上の耐圧が得られていることがわかる。これは、表面電導の抑制、及び、高バイアス印加時のトンネル電流を抑制できるだけの高抵抗領域を確保することができたためであると考えられる。
【００２８】
本発明のテラヘルツ発生装置から放射されるテラヘルツ波の波形（電場振幅）の測定を、時間分解測定法を用いて行った。図４は、テラヘルツ波測定装置の概略構成図である。
【００２９】
励起用超短パルス光源にはＴｉサファイアレーザ１０１を使用する。光伝導層を構成する窒化物系化合物半導体に光吸収させるため、Ｔｉサファイアレーザの三光子吸収、または、エミッタ直前に非線形光学結晶（例えばＢＢＯ）を置くことによる第三次高調波発生を用いた。
【００３０】
励起パルス光は、ビームスプリッタ１０２により２分割され、一方はポンプ光パルス１０３として用いられ、他方はプローブ光パルス１０４として用いられる。ポンプ光パルス１０３は、本発明のテラヘルツ波発生装置１０５に照射される。その際、テラヘルツ波発生装置からテラヘルツ波１０６が放出される。出射されたテラヘルツ波１０６はミラー１０７等により光路を変化させながら、検出器（ＰＣアンテナ等）の一方の面に照射される。一方、ビームスプリッタ１０２で分割されたプローブ光パルスは、光学遅延ステージ１０９で遅延時間を調節された後、対物レンズを経て、検出器１０８のもう一方の面に照射される。光学遅延ステージ１０９によりプローブ光パルスが検出器１０８に到達する、ポンプ光パルスからの遅延時間を調節することにより、テラヘルツ波１０６の電場振幅の時間分解測定を行うことができる。
【００３１】
図５はテラヘルツ波の放射波形の測定結果である。比較として従来の光伝導層にＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合も記載してある。また、電極間には２００Ｖのバイアス印加した状態で測定を実施した（ＬＴ−ＧａＡｓは２０Ｖ）。図からわかるように本発明のテラヘルツ波発生装置から放射されたテラヘルツ波の方が、大きな電場振幅が得られていることがわかる。これは、光伝導素子において、光伝導層に窒化物系化合物半導体を採用することにより、２００Ｖ以上の高いバイアス電圧を印加することが可能となったことから、双極子モーメントが大きくなり、大きな電場振幅が得られたためであることが示唆される。
【００３２】
図６は、図１に示す本発明の実施例のテラヘルツ波発生装置の更なる高出力化を図るために、光伝導層３上に複数個のギャップ部７を形成しアレイ化したものである。この構成をとることにより、各ギャップ部６からテラヘルツ波が発生するために、テラヘルツ波の高出力化を容易に図ることが可能となる。
【００３３】
本実施例では、光伝導層３の高抵抗化のために、イオン注入によりＢをドーピングしたが、Ｂ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇをイオン注入によりドーピングしても同様の効果が得られる。
【００３４】
（第１の実施形態の変形例）
図７は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第１の実施形態の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。本テラヘルツ波発生装置は、図７に示すように、基板１の上に、Ｇａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層２（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、ＣドーピングされたＧａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）光伝導層１１（１０００ｎｍ）が形成されている。初期層２、光伝導層３はＭＯＣＶＤ等の結晶成長法にて作製される。第１の実施形態の変形例における上記材質の組成比率を示すＸ１、Ｘ２は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０でよい。
【００３５】
初期層２の膜厚は光伝導層３の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。光伝導層３は、ＭＯＣＶＤ成長時の成長条件を成長圧力１００Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ比６００にて成長を実施した。この成長条件を選択することにより、Ｃが光伝導層３内にオートドーピングされ、そのドーピング量は１〜５×１０１９ｃｍ−３程度となる。これにより、光伝導層３が高抵抗化される。光伝導層３の表面には、電極５及び６の一部どうしが所定間隔（ギャップ部）７をあけるように配置されることにより光伝導アンテナ素子を構成している。電極５と６の間にバイアス電圧を印加しても、光伝導層３はシートキャリア濃度が１×１０１２ｃｍ２以下になるように形成されているので２つの電極間には電流はほとんど流れない。そのバイアス電圧を印加した状態で、ギャップ部８にフェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などの励起パルス光で照射することにより、自由キャリア８'が生成され、その瞬間だけその抵抗値が下がり電流が流れる。このパルス状の電流によって、テラヘルツ電磁波が発生する。光伝導層１１がＧａＡｌＮで構成されており２ＭＶ/ｃｍ程度の絶縁破壊電界が得られるため、２００Ｖ以上のバイアス電圧を印加することが可能となる。これにより、高出力なテラヘルツ電磁波が得られることが期待される。
【００３６】
図８にバイアス印加した場合の電流−電圧特性を示す。図からわかるように、４００Ｖ以上の高耐圧特性が得られていることがわかる。これにより、電極５、６間に高いバイアスを印加することが可能となり、高出力なテラヘルツ電磁波発生が実現される。光伝導層１１にドーピングされるドーパントはＣ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇ等、光伝導層の高抵抗化が実現できるドーパントであれば問題はない。ドーピング量は１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが望ましい。ドーピング量が少ないとキャリアの補償効果が十分に得られず、また、ドーピング量が多すぎると結晶性の悪化により、高バイアス印加時のリーク電流が大きくなってしまう。よって、本発明ではドーピング量が１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが最適であることを見出した。
【００３７】
（第２の実施形態）
図９は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態を概略的に示す斜視図である。基板上１２にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層１３（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層１４、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層１５、Ｇａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）光伝導層１６（１０００ｎｍ）が順次形成されており、各構成層はＭＯＣＶＤ等の結晶成長法にて作製される。第２の実施形態における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ５は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０でよい。
【００３８】
初期層１３の膜厚はその上に成長される構成層の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。
【００３９】
バッファ層１４は、膜厚や組成でその上の層(超格子層１５)の結晶性や伝導性の制御するために形成される。超格子層１５は、基板と光伝導層１６の間の格子定数差による歪みを緩和するために形成される。
【００４０】
光伝導層１６の表面から６００ｎｍの領域１７にＢがドーピングされている。本発明ではイオン注入によりＢのドーピングを実施した。これにより、光伝導層１６が高抵抗化される。光伝導層１６の表面には、電極１８及び１９の一部どうしが所定間隔（ギャップ部）２０をあけるように配置されることにより光伝導アンテナ素子を構成している。電極１８と１９の間にバイアス電圧を印加しても、光伝導層１６はシートキャリア濃度が１×１０１２ｃｍ２以下になるように形成されているので２つの電極間には電流はほとんど流れない。そのバイアス電圧を印加した状態で、ギャップ部２０にフェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などの励起パルス光で照射することにより、自由キャリアが生成され、その瞬間だけその抵抗値が下がり電流が流れる。このパルス状の電流によって、テラヘルツ電磁波が発生する。光伝導層１６がＧａＡｌＮで構成されており２ＭＶ/ｃｍ程度の絶縁破壊電界が得られるため、２００Ｖ以上のバイアス電圧を印加することが可能となる。これにより、高出力なテラヘルツ電磁波が得られることが期待される。
【００４１】
本構造では、（第１の実施形態に比べて）バッファ層１４、超格子層１５が存在することにより、基板１２と光伝導層１６の間に格子不整が発生した場合においても、格子欠陥が抑制された良質な光伝導層１６を結晶成長することができるため、発生したテラヘルツ電磁波の格子欠陥による散乱損失等を抑制し、効率よくテラヘルツ電磁波を取り出すことができる特徴を有する。
【００４２】
また、本実施例では、光伝導層３の高抵抗化のためにイオン注入によりＢをドーピングしたが、Ｂ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇをイオン注入によりドーピングしても同様の効果が得られる。
【００４３】
（第２の実施形態の変形例１）
図１０は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。本テラヘルツ波発生装置は、図１０に示すように、基板上１２にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層１３（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層１４、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層１５、Ｃドーピングが施されたＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）光伝導層２１（１０００ｎｍ）が順次形成されており、各構成層はＭＯＣＶＤ等の結晶成長法にて作製される。第２の実施形態の変形例における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ５は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０でよい。
【００４４】
光伝導層２１は、ＭＯＣＶＤ成長時の成長条件を成長圧力１００Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ比６００にて成長を実施した。この成長条件を選択することにより、Ｃが光伝導層２１内にオートドーピングされ、そのドーピング量は１〜５×１０19ｃｍ-3程度となる。これにより、光伝導層２１が高抵抗化される。光伝導層２１の表面には、電極１８及び１９の一部どうしが所定間隔（ギャップ部）２０をあけるように配置されることにより光伝導アンテナ素子を構成している。このような構成をとることにより、第１の実施形態の変形例、第２の実施形態と同様の効果が得られ、容易に出力の高いテラヘルツ電磁波を得ることが可能となる。
【００４５】
光伝導層２１にドーピングされるドーパントはＣ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇ等、光伝導層の高抵抗化が実現できるドーパントであれば問題はない。ドーピング量は１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが望ましい。ドーピング量が少ないとキャリアの補償効果が十分に得られず、また、ドーピング量が多すぎると結晶性の悪化により、高バイアス印加時のリーク電流が大きくなってしまう。よって、本発明ではドーピング量が１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが最適であることを見出した。
【００４６】
（第３の実施形態）
図１１は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態を概略的に示す斜視図である。Ｓｉ基板上２２にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層１３（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層１４、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層１５、Ｇａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）光伝導層１６（１０００ｎｍ）が順次形成されており、各構成層はＭＯＣＶＤ等の結晶成長法にて作製される。第３の実施形態における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ５は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０でよい。
【００４７】
初期層１３の膜厚はその上に成長される構成層の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。光伝導層１６の表面から６００ｎｍの領域１７にＢがドーピングされている。本発明ではイオン注入によりＢのドーピングを実施した。これにより、光伝導層１６が高抵抗化される。光伝導層１６の表面には、電極１８及び１９の一部どうしが所定間隔（ギャップ部）２０をあけるように配置されることにより光伝導アンテナ素子を構成している。電極１８と１９の間にバイアス電圧を印加しても、光伝導層１６はシートキャリア濃度が１×１０12ｃｍ2以下になるように形成されているので２つの電極間には電流はほとんど流れない。そのバイアス電圧を印加した状態で、ギャップ部２０にフェムト秒パルスレーザ光等の超短パルスレーザ光などの励起パルス光で照射することにより、自由キャリアが生成され、その瞬間だけその抵抗値が下がり電流が流れる。このパルス状の電流によって、テラヘルツ電磁波が発生する。光伝導層１６がＧａＡｌＮで構成されており２ＭＶ/ｃｍ程度の絶縁破壊電界が得られるため、２００Ｖ以上のバイアス電圧を印加することが可能となる。これにより、高出力なテラヘルツ電磁波が得られることが期待される。
【００４８】
本構造では、（第１の実施形態に比べて）バッファ層１４、超格子層１５が存在することにより、基板１２と光伝導層１６の間に格子不整が発生した場合においても、格子欠陥が抑制された良質な光伝導層１６を結晶成長することができるため、発生したテラヘルツ電磁波の格子欠陥による散乱損失等を抑制し、効率よくテラヘルツ電磁波を取り出すことができる特徴を有する。
【００４９】
また、本実施例では、光伝導層３の高抵抗化のためにイオン注入によりＢをドーピングしたが、Ｂ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇをイオン注入によりドーピングしても同様の効果が得られる。
【００５０】
第３の実施形態においては、Ｓｉ基板を使用していることにより大面積化が容易であり、低コスト化が可能となるだけでなくテラヘルツイメージング用光源としても有用である。また、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いることも可能となる。この場合には、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長にて光伝導層を形成するような場合に格子整合条件での結晶成長を可能とするので光伝導層の高品質化を容易にすることができる。さらに、サファイア等の酸化物基板を用いた場合には、低コスト化が可能となるばかりではなく、基板を除去する工程を必要とする場合にはプロセス設計を容易にすることができ、さらには基板上にさまざまな加工を施すことにより、テラヘルツ電磁波の取り出し効率を高めることも可能となる。
【００５１】
（第３の実施形態の変形例）
図１２は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。本テラヘルツ波発生装置は、図１２に示すように、Ｓｉ基板上２２にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層１３（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層１４、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層１５、Ｃドーピングが施されたＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）光伝導層２１（１０００ｎｍ）が順次形成されており、各構成層はＭＯＣＶＤ等の結晶成長法にて作製される。第３の実施形態の変形例における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ５は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０でよい。
【００５２】
光伝導層２１は、ＭＯＣＶＤ成長時の成長条件を成長圧力１００Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ比６００にて成長を実施した。この成長条件を選択することにより、Ｃが光伝導層２１内にオートドーピングされ、そのドーピング量は１〜５×１０19ｃｍ-3程度となる。これにより、光伝導層２１が高抵抗化される。光伝導層２１の表面には、電極１８及び１９の一部どうしが所定間隔（ギャップ部）２０をあけるように配置されることにより光伝導アンテナ素子を構成している。このような構成をとることにより、第１の実施形態の変形例、第２の実施形態と同様の効果が得られ、容易に出力の高いテラヘルツ電磁波を得ることが可能となる。
【００５３】
光伝導層２１にドーピングされるドーパントはＣ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇ等、光伝導層の高抵抗化が実現できるドーパントであれば問題はない。ドーピング量は１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが望ましい。ドーピング量が少ないとキャリアの補償効果が十分に得られず、また、ドーピング量が多すぎると結晶性の悪化により、高バイアス印加時のリーク電流が大きくなってしまう。よって、本発明ではドーピング量が１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが最適であることを見出した。
【００５４】
また、第３の実施形態と同様に、Ｓｉ基板を使用していることにより大面積化が容易であり、低コスト化が可能となるだけでなくテラヘルツイメージング用光源としても有用である。また、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いることも可能となる。この場合には、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長にて光伝導層を形成するような場合に格子整合条件での結晶成長を可能とするので光伝導層の高品質化を容易にすることができる。さらに、サファイア等の酸化物基板を用いた場合には、低コスト化が可能となるばかりではなく、基板を除去する工程を必要とする場合にはプロセス設計を容易にすることができ、さらには基板上にさまざまな加工を施すことにより、テラヘルツ電磁波の取り出し効率を高めることも可能となる。
【００５５】
（第４の実施形態）
図１３には、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態を概略的に示す斜視図である。基板２３上にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層２４（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層２５、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層２６、Ｇａ１−Ｘ５ＡｌＸ５Ｎ（０≦Ｘ５≦１）第１クラッド層２７、ＩｎX6ＧａX7ＡｌX8Ｎ（０≦Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８≦１、Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＝１）光伝導層２８、Ｇａ1-X9ＡｌX9Ｎ（０≦Ｘ９≦１）第２クラッド層２９が順次形成されていることを特徴し、第１クラッド層２７と光伝導層２８と第２クラッド層２９の合計膜厚が０．５μｍ以上となるように、順次形成される。第４の実施形態における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ９は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０．１５、Ｘ６＝０、Ｘ７＝１、Ｘ８＝０、Ｘ９＝０．１５でよい。
【００５６】
第１クラッド層２７および第２クラッド層２９は、光伝導層２８よりも小さい屈折率を有している。これにより、光伝導層２８に入射された光を光伝導層２８内に閉じ込める機能を果たすので、光伝導層２８におけるテラヘルツ波発生効率を向上させることができる。
【００５７】
初期層２４の膜厚はその上に成長される構成層の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。第２クラッド層２９の表面から領域３０にＢがドーピングされている。本発明ではイオン注入によりＢのドーピングを実施した。Ｂ注入の深さは、第２クラッド層２９、光伝導層２８、及び光伝導層と接する第１クラッド層２７の一部に到達することは必須であり、その注入深さは２００ｎｍ以上であることが好ましい。本実施例では、第１クラッド層２７の膜厚を２００ｎｍ、光伝導層２８の膜厚を２０ｎｍ、第２クラッド層２９の膜厚を２００ｎｍとし、第２クラッド層の表面から６００ｎｍの深さまで、Ｂ注入を実施した。
【００５８】
これにより、第２クラッド層２９、光伝導層２８、第１クラッド層２７は高抵抗化される。本実施例では、Ｂ注入が第２クラッド層２９表面から光伝導層２８、第１クラッド層２７を超えて、超格子層２６にまで到達している。Ｂ注入による高抵抗化は、第２クラッド層２９、光伝導層２８に対しては全領域で高抵抗化が進められる必要があるが、第１クラッド層２７については、光伝導層１８側から一部の領域がＢ注入による高抵抗化が進められた状態で問題はない。第２クラッド層２９上には、所定箇所に励起光パルスを照射する照射部と所定の間隔を有するバイアス電圧を印加する電圧印加部を有することを特徴とする。
【００５９】
この構成を取ることにより、光伝導スイッチ素子の電極間に印加する電圧を２００Ｖ以上にまで高めることができるため、高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。さらに、光伝導層２８の屈折率を、第１クラッド層２７、第２クラッド層２９よりも高くなるような構成にすることにより、励起光パルスを光伝導層に閉じこめることが可能となり、効率よく光伝導層にてテラヘルツ電磁波を発生させることが可能となる。
【００６０】
なお、基板２３にはＳｉ基板、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、サファイア等の酸化物基板等、さまざまな基板の使用が可能である。Ｓｉ基板を用いた場合には、大面積化が容易であり、低コスト化が可能となるだけでなくテラヘルツイメージング用光源としても有用である。またＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いた場合には、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長にて光伝導層を形成するような場合に格子整合条件での結晶成長を可能とするので光伝導層の高品質化を容易にすることができる。また、サファイア等の酸化物基板を用いた場合には、低コスト化が可能となるばかりではなく、基板を除去する工程を必要とする場合にはプロセス設計を容易にすることができ、さらには基板上にさまざまな加工を施すことにより、テラヘルツ電磁波の取り出し効率を高めることも可能となる。加工の例を挙げると、テラヘルツ電磁波発生装置にフォトニック結晶を作り込む加工や、基板をレンズ形状にする加工等がある。
【００６１】
なお、第１クラッド層２７、光伝導層２８および第２クラッド層２９の少なくとも１つにおける、前記第２クラッド層の表面から２００ｎｍ以上の領域は、１×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０24ｃｍ-3以下の不純物を含みようにしてもよい。これにより、少なくとも当該領域の高抵抗化を図ることができる。
【００６２】
（第４の実施形態の変形例１）
図１４には、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の変形例を概略的に示す斜視図である。基板２３上にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層２４（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層２５、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層２６、ＣがドーピングされたＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）第１クラッド層３４、ＣがドーピングされたＩｎX6ＧａX7ＡｌX8Ｎ（０≦Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８≦１、Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＝１）光伝導層３５、Ｃがドーピングされた第２クラッド層Ｇａ1-X9ＡｌX9Ｎ（０≦Ｘ９≦１）第２クラッド層３６が順次形成される。第４の実施形態の変形例１における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ９は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０．１５、Ｘ６＝０、Ｘ７＝１、Ｘ８＝０、Ｘ９＝０．１５でよい。
【００６３】
第１クラッド層３４、光伝導層３５、第２クラッド層３６は、ＭＯＣＶＤ成長時の成長条件を成長圧力１００Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ比６００にて成長を実施した。この成長条件を選択することにより、Ｃが結晶成長層内にオートドーピングされ、そのドーピング量は１〜５×１０19ｃｍ-3程度となる。これにより、第１クラッド層３４、光伝導層３５、第２クラッド層３６が高抵抗化される。初期層２４の膜厚はその上に成長される構成層の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。高抵抗化のためのＣドーピングは、第２クラッド層３６、光伝導層３５においては必須であるが、第１クラッド層においては、光伝導層に接する第１クラッド層３４の一部にドーピングされた状態でも問題はない。また、第１クラッド層３４、光伝導層３５、第２クラッド層３６に対してＣドーピングを実施したが、超格子層２６にＣをドーピングしても問題はない。さらに超格子層２６とバッファ層２５にＣドーピングを施しても問題は無い。さらには、基板上の構成層全層にＣドーピングを実施しても問題はない。ドーピングされるドーパントはＣ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇ等、光伝導層の高抵抗化が実現できるドーパントであれば問題はない。ドーピング量は１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが望ましい。ドーピング量が少ないとキャリアの補償効果が十分に得られず、また、ドーピング量が多すぎると結晶性の悪化により、高バイアス印加時のリーク電流が大きくなってしまう。よって、本発明ではドーピング量が１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが最適であることを見出した。
【００６４】
（第４の実施形態の変形例２）
図１５に本発明によるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の変形例を概略的に示す斜視図である。Ｓｉ基板３７上にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層２４（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層２５、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層２６、Ｇａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）第１クラッド層２７、ＩｎX6ＧａX7ＡｌX8Ｎ（０≦Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８≦１、Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＝１）光伝導層２８、Ｇａ1-X9ＡｌX9Ｎ（０≦Ｘ９≦１）第２クラッド層２９が順次形成されていることを特徴し、第１クラッド層２７と光伝導層２８と第２クラッド層２９の合計膜厚が０．５μｍ以上となるように、順次形成される。第４の実施形態の変形例２における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ９は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０．１５、Ｘ６＝０、Ｘ７＝１、Ｘ８＝０、Ｘ９＝０．１５でよい。
【００６５】
初期層２４の膜厚はその上に成長される構成層の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。第２クラッド層２９の表面から領域３０にＢがドーピングされている。本発明ではイオン注入によりＢのドーピングを実施した。Ｂ注入の深さは、第２クラッド層２９、光伝導層２８、及び光伝導層と接する第１クラッド層２７の一部に到達することは必須であり、その注入深さは２００ｎｍ以上であることが好ましい。本実施例では、第１クラッド層２７の膜厚を２００ｎｍ、光伝導層２８の膜厚を２０ｎｍ、第２クラッド層２９の膜厚を２００ｎｍとし、第２クラッド層の表面から６００ｎｍの深さまで、Ｂ注入を実施した。これにより、第２クラッド層２９、光伝導層２８、第１クラッド層２７は高抵抗化される。本実施例では、Ｂ注入が第２クラッド層２９表面から光伝導層２８、第１クラッド層２７を超えて、超格子層２６にまで到達している。Ｂ注入による高抵抗化は、第２クラッド層２９、光伝導層２８に対しては全領域で高抵抗化が進められる必要があるが、第１クラッド層２７については、光伝導層１８側から一部の領域がＢ注入による高抵抗化が進められた状態で問題はない。第２クラッド層２９上には、所定箇所に励起光パルスを照射する照射部と所定の間隔を有するバイアス電圧を印加する電圧印加部を有することを特徴とする。この構成を取ることにより、光伝導スイッチ素子の電極間に印加する電圧を２００Ｖ以上にまで高めることができるため、高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。さらに、光伝導層２８の屈折率を、第１クラッド層２７、第２クラッド層２９よりも高くなるような構成にすることにより、励起光パルスを光伝導層に閉じこめることが可能となり、効率よく光伝導層にてテラヘルツ電磁波を発生させることが可能となる。
【００６６】
また、Ｓｉ基板を使用していることにより大面積化が容易であり、低コスト化が可能となるだけでなくテラヘルツイメージング用光源としても有用である。また、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いることも可能となる。この場合には、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長にて光伝導層を形成するような場合に格子整合条件での結晶成長を可能とするので光伝導層の高品質化を容易にすることができる。さらに、サファイア等の酸化物基板を用いた場合には、低コスト化が可能となるばかりではなく、基板を除去する工程を必要とする場合にはプロセス設計を容易にすることができ、さらには基板上にさまざまな加工を施すことにより、テラヘルツ電磁波の取り出し効率を高めることも可能となる。
【００６７】
（第４の実施形態の変形例３）
図１６に本発明によるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の変形例を概略的に示す斜視図である。Ｓｉ基板３８上にＧａ1-X1ＡｌX1Ｎ（０≦Ｘ１≦１）初期層２４（２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）、Ｇａ1-X2ＡｌX2Ｎ（０≦Ｘ２≦１）バッファ層２５、Ｇａ1-X3ＡｌX3Ｎ（０≦Ｘ３≦１、５ｎｍ）／Ｇａ1-X4ＡｌX4Ｎ（０≦Ｘ４≦１、２０ｎｍ）超格子層２６、ＣがドーピングされたＧａ1-X5ＡｌX5Ｎ（０≦Ｘ５≦１）第１クラッド層３４、ＣがドーピングされたＩｎX6ＧａX7ＡｌX8Ｎ（０≦Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８≦１、Ｘ６＋Ｘ７＋Ｘ８＝１）光伝導層３５、Ｃがドーピングされた第２クラッド層Ｇａ1-X9ＡｌX9Ｎ（０≦Ｘ９≦１）第２クラッド層３６が順次形成される。第４の実施形態の変形例３における上記材質の組成比率を示すＸ１〜Ｘ９は、例えばＸ１＝１、Ｘ２＝０．１５、Ｘ３＝１、Ｘ４＝０、Ｘ５＝０．１５、Ｘ６＝０、Ｘ７＝１、Ｘ８＝０、Ｘ９＝０．１５でよい。
【００６８】
第１クラッド層３４、光伝導層３５、第２クラッド層３６は、ＭＯＣＶＤ成長時の成長条件を成長圧力１００Ｔｏｒｒ、Ｖ／ＩＩＩ比６００にて成長を実施した。この成長条件を選択することにより、Ｃが結晶成長層内にオートドーピングされ、そのドーピング量は１〜５×１０19ｃｍ-3程度となる。これにより、第１クラッド層３４、光伝導層３５、第２クラッド層３６が高抵抗化される。初期層２４の膜厚はその上に成長される構成層の結晶性を確保できる膜厚に設定すれば２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で問題はない。高抵抗化のためのＣドーピングは、第２クラッド層３６、光伝導層３５においては必須であるが、第１クラッド層においては、光伝導層に接する第１クラッド層３４の一部にドーピングされた状態でも問題はない。また、第１クラッド層３４、光伝導層３５、第２クラッド層３６に対してＣドーピングを実施したが、超格子層２６にＣをドーピングしても問題はない。さらに超格子層２６とバッファ層２５にＣドーピングを施しても問題は無い。さらには、基板上の構成層全層にＣドーピングを実施しても問題はない。ドーピングされるドーパントはＣ以外にＢ、Ｃ、Ｆｅ、Ｐ、Ｏ、Ｆ、Ｚｎ、Ｍｇ等、光伝導層の高抵抗化が実現できるドーパントであれば問題はない。ドーピング量は１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが望ましい。ドーピング量が少ないとキャリアの補償効果が十分に得られず、また、ドーピング量が多すぎると結晶性の悪化により、高バイアス印加時のリーク電流が大きくなってしまう。よって、本発明ではドーピング量が１．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０24ｃｍ-3以下であることが最適であることを見出した。
【００６９】
また、Ｓｉ基板を使用していることにより大面積化が容易であり、低コスト化が可能となるだけでなくテラヘルツイメージング用光源としても有用である。また、基板にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を用いることも可能となる。この場合には、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長にて光伝導層を形成するような場合に格子整合条件での結晶成長を可能とするので光伝導層の高品質化を容易にすることができる。さらに、サファイア等の酸化物基板を用いた場合には、低コスト化が可能となるばかりではなく、基板を除去する工程を必要とする場合にはプロセス設計を容易にすることができ、さらには基板上にさまざまな加工を施すことにより、テラヘルツ電磁波の取り出し効率を高めることも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、発生するテラヘルツ光の強度を高めることができるものであり、それを利用することにより非破壊検査、イメージング、通信などの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第１の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明のテラヘルツ波発生装置の電流−電圧特性を示す図である。
【図３】本発明のテラヘルツ波発生装置の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】テラヘルツ波測定の概略構成図である。
【図５】テラヘルツ波の測定波形を示す図である。
【図６】本発明におけるテラヘルツ波発生装置のギャップ部をアレイ化した集積素子の斜視図である。
【図７】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第１の実施形態の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。
【図８】本発明のテラヘルツ波発生装置の電流−電圧特性を示す図である。
【図９】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１１】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１２】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態の変形例の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１３】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１４】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の変形例１の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１５】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の変形例２の構成を概略的に示す斜視図である。
【図１６】本発明におけるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の変形例３の構成を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  基板
２  初期層
３  光伝導層
４  Ｂ注入領域
５  電極
６  電極
７  ギャップ
８  励起パルス光照射部
８'  自由キャリア
９  電流−電圧特性
１０  電流−電圧特性
１１  光伝導層（Ｃドーピング）
１２  基板
１３  初期層
１４  バッファ層
１５  超格子層
１６  光伝導層
１７  Ｂ注入領域
１８  電極
１９  電極
２０  ギャップ部
２１  光伝導層（Ｃドーピング）
２２  Ｓｉ基板
２３  基板
２４  初期層
２５  バッファ層
２６  超格子層
２７  第１クラッド層
２８  光伝導層
２９  第２クラッド層
３０  Ｂ注入領域
３１  電極
３２  電極
３３  ギャップ部
３４  第１クラッド層
３５  光伝導層
３６  第２クラッド層
３７  Ｓｉ基板
３８  Ｓｉ基板
１０１  Tiサファイアレーザ
１０２  ビームスプリッタ
１０３  ポンプ光パルス
１０４  プローブ光パルス
１０５  テラヘルツ波発生装置１０５
１０６  テラヘルツ波発生装置から反射される形でテラヘルツ波
１０８  検出器
１０９  光学遅延ステージ
【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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