(57)【要約】【課題】テラヘルツ波出力及び汎用性が高く、かつ簡素な構造を有する低コストで小型のテラヘルツ波発生装置、及びその製造方法を提供する。【解決手段】表面に凹凸パターン２が形成され、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板１と、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板１と接するように凹凸パターン２の凹凸パターン２の凹部内に形成された、半導体基板１を構成するIII−Ｖ族化合物半導体と格子定数が異なる材料３とを備え、超短パルス励起光４の照射によりテラヘルツ波６を出射する。【選択図】図１
2008177288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に凹凸パターンが形成され、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板と、
前記半導体基板表面の凸部側壁と接するように前記凹凸パターンの凹部内に形成された、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数或いは熱膨張係数が異なる材料とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記半導体基板は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される基板であり、
前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数が異なる材料であり、化合物半導体から構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記半導体基板は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される基板であり、
前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、表面に凹凸パターンが形成され、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体層と、
前記半導体層表面の凸部側壁と接するように前記凹凸パターンの凹部内に形成された、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数或いは熱膨張係数が異なる材料とを備える
ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記半導体基板は、ＧａＡｓ系半導体或いはＩｎＰ系半導体から構成される基板であり、
前記半導体層は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される半導体層であり、
前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数が異なる材料であり、化合物半導体から構成される
ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記半導体基板は、ＧａＡｓ系半導体或いはＩｎＰ系半導体から構成される基板であり、
前記半導体層は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される半導体層であり、
前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料である
ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
前記半導体基板は、シリコン基板である
ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
前記材料は、前記表面に凹凸パターンが形成された半導体層或いは半導体基板の凸部の片側にのみ接する形で形成される
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数１ＴＨｚ（テラヘルツ）周辺の電磁波であるテラヘルツ波の発生に用いられるテラヘルツ波発生装置、及びその製造方法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）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】
テラヘルツ波の利用を進め、テラヘルツ波を産業利用するためには安価で簡便、小型なテラヘルツ波発生装置を実現することが重要である。従来のテラヘルツ波発生装置として、光スイッチ素子（アンテナ素子）にフェムト秒パルス励起光を照射してテラヘルツ波を発生させる装置が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２５７６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のテラヘルツ波発生装置では、例えば特許文献１に記載されているように、キャリア寿命が極めて短い半導体基板上に電極を形成した光スイッチ素子が用いられることが多い。従って、このようなテラヘルツ波発生装置では、光学系が複雑であるためにシステム全体としては大掛りとなり、細かいアライメント調整が要求されるなどの問題がある。また、光スイッチ素子は静電気に弱く取り扱いに注意を要するため、経時劣化も認められるなど汎用性の点でも問題がある。すなわち、装置構成が複雑化し、かつ汎用性が低くなるという問題がある。
【０００５】
一方、光スイッチ素子を用いたテラヘルツ波発生装置以外にも、半導体結晶内でテラヘルツ波を発生させる装置など、様々なテラヘルツ波発生装置が提案されている。例えば半導体表面に超短パルス励起光を照射し、そこで発生するキャリアを空間的に移動させることによりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置がある。このテラヘルツ波発生装置では、電極生成を必要とせず経時劣化もないことから、光スイッチ素子を用いたものに比べて汎用性が高い。しかしながら、このテラヘルツ波発生装置では十分な出力のテラヘルツ波を得ることが困難である。その理由は、光照射により半導体表面に生じる双極子が半導体表面に対して垂直な双極子モーメントを形成するため、双極子モーメントの変動に起因して発生する電磁波（テラヘルツ波）は、双極子モーメントの方向に対し垂直な方向に強く出射されるためである。
【０００６】
これを改善するために特開平１１−２５１６６０号公報に記載のテラヘルツ波発生装置では、サブミリワットクラスの比較的高強度のテラヘルツ波を発生する方法として、ＩｎＡｓなどのバルクのIII−Ｖ族化合物半導体結晶に磁場を印加してパルス励起光を照射する方法が開示されている。ここでは、III−Ｖ族化合物半導体として、電子の有効質量が軽いＩｎＡｓやＩｎＳｂが用いられている。しかしながら、半導体結晶に磁場を印加する上記構成では、半導体結晶に磁場を印加するために大掛りな電磁石が必要となる。また、一般にIII−Ｖ族化合物半導体はテラヘルツ領域で吸収が大きく反射配置を用いる必要があるため、光学系の構成が複雑になるという問題がある。すなわち、装置が大型化し、かつ装置構成が複雑化するという問題がある。
【０００７】
別の方法として、特開２００１−１４８５０２号公報に記載のテラヘルツ波発生装置では、半導体表面に平行な横方向に電界を印加する構成が紹介されている。キャリアを表面に対して横方向に加速させることで、双極子モーメントの方向を半導体表面に対して垂直になることを回避し、テラヘルツ波の出力向上を図ることができる。しかしながら、この構成ではかなり微細な電極形成プロセスが必要とされる。従って、製造コストが上昇するという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、テラヘルツ波出力及び汎用性が高く、かつ簡素な構造を有する低コストで小型のテラヘルツ波発生装置、及びその製造方法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】
本発明者は、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。その結果、磁場等を用いることなく、また微細な電極工程を必要とすることなく、効率よくテラヘルツ波の出力向上を図ることができるテラヘルツ波発生装置を提供する本発明に至った。
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明のテラヘルツ波発生装置は、表面に凹凸パターンが形成され、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板と、前記半導体基板表面の凸部側壁と接するように前記凹凸パターンの凹部内に形成された、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数或いは熱膨張係数が異なる材料とを備えることを特徴とする。
【００１１】
半導体基板と材料との間に格子定数差があると、歪が発生し、結果として半導体基板内の基板表面に平行な方向にピエゾ電界が形成される。このピエゾ電界により、超短パルス励起光の照射で半導体基板に発生したキャリアが基板表面に対して横方向に加速される。これにより、双極子モーメントの方向が半導体基板表面に対して垂直になることを回避することができるので、発生したテラヘルツ波を効率よく取り出すことが可能となる。その結果、テラヘルツ波出力の高いテラヘルツ波発生装置を実現できる。また、電極生成を必要としないことから、汎用性が高く低コストのテラヘルツ波発生装置を実現できる。さらに、単に材料が半導体基板の凹部に形成された構造を有するため、簡素な構造を有する小型のテラヘルツ波発生装置を実現できる。
【００１２】
また、半導体基板と材料との間に熱膨張係数差があると、材料の形成温度と装置の使用温度の温度差に起因した熱応力により、半導体基板内部にピエゾ電界が形成され、前述の格子定数の異なる材料を半導体基板上に配置した場合と同じ効果が期待できる。
【００１３】
ここで、前記半導体基板は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される基板であり、前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数が異なる材料であり、化合物半導体から構成されることが好ましい。
【００１４】
ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体は電子の有効質量が小さいので、双極子を形成しやすい利点がある。また、III−Ｖ族化合物半導体と格子定数の異なる材料として化合物半導体から構成される材料を用い、この材料を例えばＭＯＣＶＤ法等の結晶成長法で形成することにより、精度良く材料の格子定数を制御することができる。その結果、特性の安定したテラヘルツ波発生装置を得ることができる。
【００１５】
また、前記半導体基板は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される基板であり、前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料であることが好ましい。
【００１６】
ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体は電子の有効質量が小さいので、双極子を形成しやすい利点がある。
【００１７】
本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、表面に凹凸パターンが形成され、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体層と、前記半導体層表面の凸部側壁と接するように前記凹凸パターンの凹部内に形成された、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数或いは熱膨張係数が異なる材料とを備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置とすることもできる。
【００１８】
半導体層と材料との間に格子定数差があると、格子定数差から発生する歪により、双極子発生層となる半導体層内の層表面に平行な方向にピエゾ電界が形成される。このピエゾ電界により、超短パルス励起光の照射で発生したキャリアが半導体層表面に対して横方向に加速される。これにより、双極子モーメントの方向が半導体層表面に対して垂直になることを回避することができるので、発生したテラヘルツ波を効率よく取り出すことが可能となる。その結果、テラヘルツ波出力の高いテラヘルツ波発生装置を実現できる。また、電極生成を必要としないことから、汎用性が高く低コストのテラヘルツ波発生装置を実現できる。さらに、単に材料が半導体層の凹部に形成された構造を有するため、簡素な構造を有する小型のテラヘルツ波発生装置を実現できる。
【００１９】
また、半導体層と材料との間に熱膨張係数差があると、熱膨張係数差から発生する歪により、双極子発生層となる半導体層内の層表面に平行な方向にピエゾ電界が形成される。このピエゾ電界により、超短パルス励起光の照射で発生したキャリアが半導体層表面に対して横方向に加速される。これにより、双極子モーメントの方向が半導体層表面に対して垂直になることを回避することができるので、発生したテラヘルツ波を効率よく取り出すことが可能となる。
【００２０】
ここで、前記半導体基板は、ＧａＡｓ系半導体或いはＩｎＰ系半導体から構成される基板であり、前記半導体層は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される半導体層であり、前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と格子定数が異なる材料であり、化合物半導体から構成されることが好ましい。
【００２１】
これにより、下記の利点がある。まず、ＧａＡｓ系半導体基板、或いはＩｎＰ系半導体基板を半導体基板として用いることにより、例えば双極子形成層となるＩｎＡｓ系半導体層、或いはＩｎＳｂ系半導体層をＭＯＣＶＤ法で形成する場合、マスク形成等を行うことなく量子ドット或いはそれに近い形で半導体基板上に離散的にＩｎＡｓ系半導体層、或いはＩｎＳｂ系半導体層を形成することができる。その結果、凹凸パターンを有する半導体層を容易に形成することができる。ＩｎＡｓ系半導体層、或いはＩｎＳｂ系半導体層をバルク状に形成した場合でも、マスクを利用し、ＩｎＡｓ系半導体層、或いはＩｎＳｂ系半導体層を選択的にエッチングにより取り除き、離散的にＩｎＡｓ系半導体層、或いはＩｎＳｂ系半導体層を形成することも可能である。
【００２２】
また、材料に化合物半導体を用いることにより、精度良く材料の格子定数を制御することができるので、特性の安定したテラヘルツ波発生装置を得ることができる。
【００２３】
また、前記半導体基板は、ＧａＡｓ系半導体或いはＩｎＰ系半導体から構成される基板であり、前記半導体層は、ＩｎＡｓ系半導体或いはＩｎＳｂ系半導体から構成される半導体層であり、前記材料は、前記III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料であることが好ましい。
【００２４】
これにより、凹凸パターンを有する半導体層を容易に形成することができる。
また、前記半導体基板は、シリコン基板であることが好ましい。
【００２５】
半導体基板にシリコン（Ｓｉ）基板が用いられるため、基板の大面積化が容易となる。その結果、テラヘルツイメージング用光源として有用なテラヘルツ波発生装置を実現できる。
【００２６】
また、前記材料は、前記表面に凹凸パターンが形成された半導体層或いは半導体基板の凸部の片側にのみ接する形で形成されることが好ましい。
【００２７】
この構成により、容易な使用方法で高出力のテラヘルツ波を得ることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、次のような効果を得る。すなわち、本発明によるテラヘルツ波発生装置は、材料との格子定数差や熱膨張係数差を利用し、双極子発生層となる領域に歪による双極子発生層表面に対し平行方向のピエゾ電界を発生させる。この状態で、双極子発生層に超短パルス励起光（パルス幅：数１０フェムト秒〜数１００フェムト秒）を照射すると、キャリアが励起され、双極子発生層表面に対し平行方向にキャリアが変位するため、双極子モーメントは双極子発生層表面に対して平行方向に配向する。その結果、発生するテラヘルツ波の電界は双極子発生層表面に対して垂直方向となるため、効率よくテラヘルツ波を取り出すことが可能となる。
【００２９】
よって、本発明により、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ことが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することが可能になり、実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
（第１の実施形態）
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。
【００３２】
このテラヘルツ波発生装置では、図１に示すように、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板１の表面にストライプ状の凹凸パターン２が形成され、半導体基板１を構成するIII−Ｖ族化合物半導体と格子定数が異なる材料３が凹凸パターン２の凹部内に半導体基板１表面の凸部側壁と接する形で形成されている。ここで、半導体基板１は双極子を形成する双極子発生層として機能する。
【００３３】
この構成をとることにより、半導体基板１表面の凸部側壁と材料３との間に歪みが生じ、半導体基板１の凸部内には基板表面に対して平行方向にピエゾ電界が発生するため、超短パルス励起光（パルス幅：数１０フェムト秒〜数１００フェムト秒）４の照射により発生したキャリア５は半導体基板１表面に平行方向に加速される。従って、双極子モーメントの方向が半導体基板１の表面に対して平行になる。これにより、半導体基板１から効率よくテラヘルツ波６を取り出すことができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図２は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第２の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００３５】
このテラヘルツ波発生装置は、半導体基板としてＩｎＡｓ基板７が選択され、凹凸パターン２の凹部内に形成される材料としてＧａＡｓ８が選択されたという点で第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００３６】
ＩｎＡｓ基板７の表面には、エッチングにより凹凸パターン２が形成されている。エッチングはドライエッチング或いはウエットエッチングのいずれでもかまわない。またエッチングは、等方性或いは異方性のいずれでもかまわない。凹凸パターン２の凹部内には、ＩｎＡｓと格子定数が異なる材料としてＧａＡｓ８が選択的に形成されている。ＧａＡｓ８はＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等の結晶成長法にて形成されることが好ましい。
【００３７】
ＩｎＡｓの格子定数は０．６０５８ｎｍであり、ＧａＡｓの格子定数は０．５６５３ｎｍであるため、この格子定数差によりＩｎＡｓ基板７表面の凹凸パターン２の凸部にピエゾ電界が発生する。この凹凸パターン２を有するＩｎＡｓ基板７に、超短パルス励起光４を照射するとＩｎＡｓ基板７表面に電子−ホール対が励起される。ピエゾ電界により、キャリア（電子とホール）５がＩｎＡｓ基板７表面に対して平行方向に変位し、分極が発生する。このときの双極子モーメントはＩｎＡｓ基板７表面に対して平行方向に配向するために、双極子形成により発生するテラヘルツ波６の電界はＩｎＡｓ基板７表面に対して垂直方向となる。従って、効率よくＩｎＡｓ基板７表面からテラヘルツ波６を取り出すことが可能となる。
【００３８】
なお、この実施形態では、双極子発生層としてＩｎＡｓ基板７を選択している。ＩｎＡｓ系半導体の電子有効質量は０．０２４ｍｏ（ｍｏ＝９．１×１０-31ｋｇ）と非常に小さい（例えばＧａＡｓ系半導体の電子有効質量は０．０６３ｍｏ）ために、ＩｎＡｓ系半導体では双極子が形成されやすい。よって、双極子発生層には電子有効質量が小さい半導体が用いられるほうが好ましい。例えば、ＩｎＳｂ系半導体が用いられることが好ましい。
【００３９】
また、この実施形態では、半導体基板を構成するIII−Ｖ族化合物半導体としてＩｎＡｓ系半導体を選択し、III−Ｖ族化合物半導体と格子定数の異なる材料としてＧａＡｓ系半導体を選択しているが、III−Ｖ族化合物半導体と格子定数差がある化合物半導体であれば、これ以外の材料でも問題はない。
【００４０】
本実施形態のテラヘルツ波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。
【００４１】
図３は、テラヘルツ波測定装置の概略構成図である。
このテラヘルツ波測定装置では、励起用超短パルス光源にＴｉサファイアレーザ１０１が使用される。Ｔｉサファイアレーザ１０１からの励起パルス光は、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、本実施形態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１０５から反射される形でテラヘルツ波１０６が放出される。出射されたテラヘルツ波１０６はミラー１０７等によりその光路が変化され、検出器（ＰＣアンテナ等）１０８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１０４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１０４が検出器１０８に到達するまで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。
【００４２】
図４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、半導体基板表面に加工を施さない場合も記載してある。
【００４３】
図４からわかるように、本実施形態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、半導体基板表面に凹凸パターンが形成されていないテラヘルツ波発生装置から放射されたテラヘルツ波と比較して、大きな電場振幅が得られていることがわかる。これは、ＩｎＡｓ基板７表面で発生した双極子モーメントの向きがＩｎＡｓ基板７に対して平行方向に近い方向に変位したためである。
【００４４】
（第３の実施形態）
図５は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第３の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００４５】
このテラヘルツ波発生装置は、凹凸パターン２の凹部内にIII−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料９が形成されるという点で第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００４６】
このテラヘルツ波発生装置では、図５に示すように、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板１の表面に凹凸パターン２が形成され、III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数の異なる材料９が凹凸パターン２の凹部内に半導体基板１表面の凸部側壁と接する形で形成されている。
【００４７】
半導体基板１の温度を室温より上げた状態で半導体基板１上に材料９を形成してテラヘルツ波発生装置が作製される。従って、半導体基板１と材料９との熱膨張係数差により半導体基板１に大きな歪が発生し、その結果として半導体基板１の凸部に大きなピエゾ電界が発生する。ここで、「室温」の語は０℃以上、４０℃以下の範囲内に存在する温度を意味するものとして使用している。
【００４８】
この構成をとることにより、熱膨張係数差による歪により半導体基板１表面に対して平行方向にピエゾ電界が発生するため、超短パルス励起光４の照射により発生したキャリア５は半導体基板１表面に平行方向に加速される。従って、双極子モーメントの方向が半導体基板１の表面に対して平行になる。これにより、半導体基板１から効率よくテラヘルツ波６を取り出すことができる。
【００４９】
（第４の実施形態）
図６は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第４の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００５０】
このテラヘルツ波発生装置は、半導体基板としてＩｎＡｓ基板７が選択され、凹凸パターン２の凹部内に形成される材料としてＳｉＯ2１０が選択されたという点で第３の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００５１】
ＩｎＡｓ基板７の表面には、エッチングにより凹凸パターン２が形成されている。エッチングはドライエッチング或いはウエットエッチングのいずれでもかまわない。またエッチングは、等方性或いは異方性のいずれでもかまわない。凹凸パターン２の凹部内には、ＩｎＡｓと熱膨張係数が異なる材料としてＳｉＯ2１０が選択的に形成されている。
【００５２】
ＩｎＡｓの熱膨張係数は５．２×１０-6Ｋ-1であり、ＳｉＯ2の熱膨張係数は０．４９×１０-6Ｋ-1であるため、この熱膨張係数差によりＩｎＡｓ基板７表面の凹凸パターン２の凸部にピエゾ電界が発生する。この凹凸パターン２を有するＩｎＡｓ基板７に、超短パルス励起光４を照射するとＩｎＡｓ基板７表面に電子−ホール対が励起される。ピエゾ電界により、キャリア（電子とホール）５がＩｎＡｓ基板７表面に対して平行方向に変位し、分極が発生する。このときの双極子モーメントはＩｎＡｓ基板７表面に対して平行方向に配向するために、双極子形成により発生するテラヘルツ波６の電界はＩｎＡｓ基板７表面に対して垂直方向となる。従って、効率よくＩｎＡｓ基板７表面からテラヘルツ波６を取り出すことが可能となる。
【００５３】
なお、本実施形態では、双極子発生層としてＩｎＡｓ基板を選択している。ＩｎＡｓ系半導体の電子有効質量は０．０２４ｍｏ（ｍｏ＝９．１×１０-31ｋｇ）と非常に小さい（例えばＧａＡｓ系半導体の電子有効質量は０．０６３ｍｏ）ために、ＩｎＡｓ系半導体では双極子が形成されやすい。よって、双極子発生層には電子有効質量が小さい半導体基板が用いられるほうが好ましい。例えば、ＩｎＳｂ系半導体から構成される半導体基板が用いられることが好ましい。
【００５４】
また、この実施形態では、III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料としてＳｉＯ2を選択しているが、III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料であれば、これ以外の材料でも問題はない。例えばＳｉＮ等の誘電体膜（多結晶）が選択されても問題はない。
【００５５】
また、この実施形態では、ＳｉＯ2１０をＭＯＣＶＤ法等の結晶成長法で形成する場合、５００℃以上の高温でＳｉＯ2１０が形成され、ＩｎＡｓ基板７表面に大きな歪が誘発される。これにより、ピエゾ電界も大きくなるために、より効率よくテラヘルツ波を取り出すことが可能となる。従って、ＳｉＯ2１０を結晶成長法で形成することが好ましい。
【００５６】
（第５の実施形態）
図７は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第５の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００５７】
このテラヘルツ波発生装置は、半導体基板上に半導体層が形成され、その半導体層が双極子発生層として機能するという点で第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００５８】
このテラヘルツ波発生装置では、図７に示すように、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板３１表面に、選択的に双極子発生層となるIII−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体層１１が形成されている。半導体層１１には半導体基板３１が露出する貫通孔がストライプ状に並べられてなる凹凸パターン１８が形成され、III−Ｖ族化合物半導体とは格子定数が異なる材料１２がこの貫通孔を埋め込み、かつ半導体層１１の凸部側壁に接する形で形成されている。
【００５９】
この構成をとることにより、半導体層１１の表面に対して平行方向にピエゾ電界が発生するため、超短パルス励起光４の照射により発生したキャリア５は半導体層１１表面に平行方向に加速される。従って、双極子モーメントの方向が半導体層１１の表面に対して平行になる。これにより、半導体層１１から効率よくテラヘルツ波６を取り出すことができる。
【００６０】
（第６の実施形態）
図８は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第６の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００６１】
このテラヘルツ波発生装置は、半導体基板としてＧａＡｓ基板１３が選択され、半導体層としてＩｎＡｓ層１４が選択され、凹凸パターン１８の貫通孔に埋め込まれる材料としてＧａＡｓ１５が選択されたという点で第５の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００６２】
ＧａＡｓ基板１３の上には、ＭＯＣＶＤ法等の気相成長法により双極子発生層となるＩｎＡｓ層１４を選択的に成長させている。さらに、ＩｎＡｓ層１４上には、ＭＯＣＶＤ法等の気相成長法によりＧａＡｓ１５が形成されている。前述の通り、ＩｎＡｓ層１４とＧａＡｓ１５との間には格子定数差に伴う歪が発生し、この歪みによるピエゾ電界がＩｎＡｓ層１４に導入される。このピエゾ電界により、キャリア（電子とホール）５がＩｎＡｓ層１４表面に対して平行方向に変位し、分極が発生する。このときの双極子モーメントはＩｎＡｓ層１４表面に対して平行方向に配向するために、双極子形成により発生するテラヘルツ波６の電界はＩｎＡｓ層１４表面に対して垂直方向となる。従って、効率よくＩｎＡｓ層１４表面からテラヘルツ波６を取り出すことが可能となる。
【００６３】
なお、この実施形態では、双極子発生層としてＩｎＡｓ系半導体から構成される層を選択しているが、ＩｎＳｂ系半導体等の電子有効質量の小さい材料から構成される層が選択されても問題はない。
【００６４】
また、この実施形態では、半導体基板としてＧａＡｓ系半導体から構成される半導体基板を選択しているが、ＩｎＰ系半導体等の他のIII−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板が選択されても問題はない。
【００６５】
また、双極子発生層に形成された貫通孔に埋め込まれる材料としてＧａＡｓ系半導体を選択しているが、双極子発生層と格子定数が異なる化合物半導体であれば、他の材料でも問題はない。
【００６６】
また、ＧａＡｓ基板１３の上には、ＩｎＡｓ層ではなくＩｎＡｓ量子ドットが形成され、その間にＧａＡｓが形成されてもよい。ＩｎＡｓ量子ドットは、ＳＫ（Stranski-Krastanov）モードによってＧａＡｓ基板１３上にＩｎＡｓを３次元成長させることにより形成される（例えば、R. Ohtsubo and K. Yamaguchi, Phys. Stat. Sol., 3 (2003) 939参照）。
【００６７】
（第７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７の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００６８】
このテラヘルツ波発生装置は、凹凸パターン１８の貫通孔内にIII−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料１６が形成されるという点で第５の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００６９】
このテラヘルツ波発生装置は、図９に示すように、III−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板３１の表面に、双極子発生層となるIII−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体層１１が選択的に形成されている。半導体層１１には半導体基板３１が露出する貫通孔がストライプ状に配置されてなる凹凸パターン１８が形成され、III−Ｖ族化合物半導体とは熱膨張係数が異なる材料１６が貫通孔を埋め込み、かつ半導体層１１の凸部側壁に接する形で形成されている。
【００７０】
半導体基板３１及び半導体層１１の温度を室温より上げた状態で半導体層１１上に材料１６を形成してテラヘルツ波発生装置が作製される。従って、熱膨張係数差により半導体層１１に大きな歪が発生し、その結果として半導体層１１に大きなピエゾ電界が発生する。
【００７１】
この構成をとることにより、熱膨張係数差による歪により半導体層１１の表面に対して平行方向にピエゾ電界が発生するため、超短パルス励起光４の照射により発生したキャリア５は半導体層１１表面に平行方向に加速される。従って、双極子モーメントの方向が半導体層１１の表面に対して平行になる。これにより、双極子発生層となる半導体層１１から効率よくテラヘルツ波６を取り出すことができる。
【００７２】
（第８の実施形態）
図１０は、本発明によるテラヘルツ波発生装置の第８の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００７３】
このテラヘルツ波発生装置は、半導体基板としてＧａＡｓ基板１３が選択され、半導体層としてＩｎＡｓ層１４が選択され、凹凸パターン１８の貫通孔に埋め込まれる材料としてＳｉＯ2１０が選択されたという点で第７の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００７４】
ＧａＡｓ基板１３の上には、ＭＯＣＶＤ法等の気相成長法により双極子発生層となるＩｎＡｓ層１４を選択的に成長させている。この双極子発生層となるＩｎＡｓ層１４上には、ＳｉＯ2１０が選択的に形成されている。第２の実施形態のテラヘルツ波発生装置にて記載したように、熱膨張係数差によりＩｎＡｓ層１４にピエゾ電界が発生する。このＩｎＡｓ層１４に、超短パルス励起光を照射するとＩｎＡｓ層１４表面に電子−ホール対が励起される。ピエゾ電界により、キャリア（電子とホール）５がＩｎＡｓ層１４に対して平行方向に変位し、分極が発生する。このときの双極子モーメントはＩｎＡｓ層１４表面に対して平行方向に配向するために、双極子形成により発生するテラヘルツ波６の電界はＩｎＡｓ層１４表面に対して垂直方向となる。従って、効率よくＩｎＡｓ層１４表面からテラヘルツ波６を取り出すことが可能となる。
【００７５】
なお、この実施形態では、半導体基板としてＧａＡｓ系半導体から構成される半導体基板を選択しているが、ＩｎＰ系半導体等の他のIII−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体基板を選択しても問題はない。
【００７６】
また、この実施形態では、双極子発生層としては、ＩｎＡｓ系半導体から構成される層を選択しているが、ＩｎＳｂ系半導体等の電子有効質量の小さい材料から構成される層を選択しても問題はない。
【００７７】
また、この実施形態では、III−Ｖ族化合物半導体と熱膨張係数が異なる材料としてＳｉＯ2を選択しているが、III−Ｖ族化合物半導体との間に熱膨張係数差がある材料であれば、これ以外の材料でも問題はない。例えばＳｉＮ等の誘電体膜（多結晶）が選択されても問題はない。
【００７８】
また、この実施形態では、ＳｉＯ2１０をＭＯＣＶＤ法等の結晶成長法で形成する場合、５００℃以上の高温でＳｉＯ2１０が形成され、ＩｎＡｓ層１４表面に大きな歪が誘発される。これにより、ピエゾ電界も大きくなるために、より効率よくテラヘルツ波を取り出すことが可能となる。従って、ＳｉＯ2１０を結晶成長法で形成することが好ましい。
【００７９】
（第９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９の実施形態の構成を概略的に示す斜視図である。
【００８０】
このテラヘルツ波発生装置は、半導体基板としてシリコン基板２０が選択されたという点で第５又は第７の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００８１】
シリコン基板２０の上には、双極子発生層となるIII−Ｖ族化合物半導体から構成される半導体層１１が形成されている。半導体層１１にはシリコン基板２０が露出する貫通孔がストライプ状に配置されてなる凹凸パターン１８が形成され、III−Ｖ族化合物半導体とは格子定数或いは熱膨張係数が異なる材料２２が貫通孔を埋め込み、かつ半導体層１１の凸部側壁に接する形で形成されている。
【００８２】
この構成をとることにより、格子定数差或いは熱膨張係数差による歪により半導体層１１の表面に対して平行方向にピエゾ電界が発生するため、超短パルス励起光４の照射により発生したキャリア５は半導体層１１表面に平行方向に加速される。従って、双極子モーメントの方向が半導体層１１の表面に対して平行になる。これにより、双極子発生層となる半導体層１１から効率よくテラヘルツ波６を取り出すことができる。
【００８３】
（第１０の実施形態）
図１２及び１３は、凹凸パターン３２の断面図である。
【００８４】
このテラヘルツ波発生装置は、凹凸パターン３２の凸部２Ａ片側にのみIII−Ｖ族化合物半導体と格子定数或いは熱膨張係数の異なる材料１７Ｂが形成されるという点で第１〜９の実施形態のテラヘルツ波発生装置と異なる。
【００８５】
図１２に示すように、凸部２Ａと格子定数や熱膨張係数の異なる材料１７Ａの存在による内部応力で発生したピエゾ電界２１Ａ及び２１Ｂは、左右から１８０度異なる方向にある。この場合、キャリア（電子とホール）５Ａ及び５Ｂの流れは、凸部２Ａの右側部及び左側部で逆になる。このため、放射されるテラヘルツ波の位相は、凸部２Ａの右側部から放射されるテラヘルツ波６Ｂと、左側部から放射されるテラヘルツ波６Ａとで１８０度異なるため、同一放射方向で見たとき、出射テラヘルツ波が打ち消しあう場合がある。このような場合（出射テラヘルツ波６Ａ及び６Ｂの位相が合う）、入射光４Ａ及び４Ｂの入射角度を決める必要がある。
【００８６】
そこで、図１３に示すように、凸部２Ａの材料と格子定数や熱膨張係数の異なる材料１７Ｂを凸部２Ａの片側の側壁にのみ接する形で形成した。このような選択形成は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などで分子線を斜方入射する方法や、ＭＯＣＶＤ法で選択マスクを利用して選択成長させる方法にて容易に実現できる。図１３のような構造であれば、凸部２Ａの片側部でのみピエゾ電界が形成され、放射テラヘルツ波６の位相は常に同じになり、容易な使用法で高出力のテラヘルツ波を得ることができる。
【００８７】
以上、本発明のテラヘルツ波発生装置について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００８８】
例えば、上記実施形態において、双極子発生層にはストライプ状の凹凸パターンが形成されるとしたが、凹部が格子状に配列してなる格子状の凹凸パターンが双極子発生層表面に形成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、テラヘルツ波発生装置に利用でき、特に非破壊検査装置、イメージング装置、通信装置などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の第１の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図３】テラヘルツ波測定装置の概略構成を示す図である。
【図４】テラヘルツ波の波形の測定結果を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の第４の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第５の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第６の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の第７の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態のテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第１０の実施形態における凹凸パターンの断面図である。
【図１３】同実施形態における凹凸パターンの断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１、３１    半導体基板
２、１８、３２    凹凸パターン
２Ａ  凸部
３、９、１２、１６、１７Ａ、１７Ｂ、２２    材料
４    超短パルス励起光
４Ａ、４Ｂ    入射光
５、５Ａ、５Ｂ    キャリア
６、６Ａ、６Ｂ、１０６    テラヘルツ波
７    ＩｎＡｓ基板
８、１５    ＧａＡｓ
１０    ＳｉＯ2
１１    半導体層
１３    ＧａＡｓ基板
１４    ＩｎＡｓ層
２０    シリコン基板
２１Ａ、２１Ｂ    ピエゾ電界
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
１０７    ミラー
１０８    検出器
１０９    光学遅延ステージ
【図１】
2008177288.tif 000003
【図２】
2008177288.tif 000004
【図３】
2008177288.tif 000005
【図４】
2008177288.tif 000006
【図５】
2008177288.tif 000007
【図６】
2008177288.tif 000008
【図７】
2008177288.tif 000009
【図８】
2008177288.tif 000010
【図９】
2008177288.tif 000011
【図１０】
2008177288.tif 000012
【図１１】
2008177288.tif 000013
【図１２】
2008177288.tif 000014
【図１３】
2008177288.tif 000015