(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導素子であって、
光伝導膜と、
前記光伝導膜の第１の面に設けられた第１の電極と、
前記光伝導膜の前記第１の面に設けられ、前記第１の電極に対してギャップを持つ第２の電極と、
前記第１の電極と接する第３の電極と、
前記第２の電極と接する第４の電極と、
前記第３及び第４の電極を備えた基板と、を有し、
前記光伝導膜における前記第１の面に対して反対側である第２の面に照射された光によって、前記第１の面側からテラヘルツ波を発生可能に構成、あるいは該第１の面側でテラヘルツ波を検出可能に構成され、
前記テラヘルツ波が前記基板を透過可能に構成されることを特徴とする光伝導素子。
【請求項２】
前記基板は、前記テラヘルツ波の指向性を制御するレンズとして機能することを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
【請求項３】
前記基板は高抵抗シリコンであり、
前記レンズの形状は、半球、非球面、超半球構造のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の光伝導素子。
【請求項４】
前記光伝導膜における前記第２の面に設けられ、前記テラヘルツ波を反射する反射ミラーを備え、
前記反射ミラーは、前記光伝導膜に光を照射するための窓を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光伝導素子。
【請求項５】
前記第３の電極あるいは前記第４の電極は、前記光伝導膜から発生されたテラヘルツ波を伝播するための伝送線路であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光伝導素子。
【請求項６】
前記基板は、
前記基板における前記第３及び第４の電極を備える面とは反対側の面に設けられた半導体レーザと、該半導体レーザからの光を伝播するための導波路と、を含み構成され、且つ、
前記導波路を伝播した光を前記光伝導膜に照射するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
【請求項７】
前記光伝導膜は第１の光伝導膜であり、
前記第３の電極と接する第５の電極と、前記第４の電極と接し且つ前記第５の電極に対してギャップを持つ第６の電極と、を備える第２の光伝導膜を備えることを特徴とする請求項６に記載の光伝導素子。
【請求項８】
前記光伝導膜が備える半導体は、半導体基板の上に分子ビームエピタキシー法によりエピタキシャル成長させたＩＩＩ−Ｖ族半導体薄膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光伝導素子。
【請求項９】
光伝導素子であって、
基板と、
前記基板の上に設けられた光伝導膜と、
前記光伝導膜の前記基板側の面に設けられた第１の電極と、
前記光伝導膜の前記基板側に設けられ、前記第１の電極に対してギャップを持つ第２の電極と、を有し、
前記第１及び第２の電極は、前記光伝導膜における前記基板側の面に対して反対側の面に照射された光によって、前記基板側の面側からテラヘルツ波を発生、あるいは該基板側の面側でテラヘルツ波を検出するためのアンテナを備え、
前記テラヘルツ波が前記基板を透過可能に構成されることを特徴とする光伝導素子。
【請求項１０】
前記基板の熱伝導率が前記光伝導膜の熱伝導率より高いことを特徴とする請求項１または９に記載の光伝導素子。
【請求項１１】
前記基板が高抵抗シリコンであることを特徴とする請求項１または９に記載の光伝導素子。
【請求項１２】
前記基板がプラスティックあるいは有機ポリマーであることを特徴とする請求項１または９に記載の光伝導素子。
【請求項１３】
前記基板は、前記第１の電極と接する第３の電極と、前記第２の電極と接する第４の電極と、を備え、
前記第３及び第４の電極を用いて前記アンテナに電圧を印加可能に構成されることを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の光伝導素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にミリ波からテラヘルツ波領域の高周波電気信号を発信、受信する装置として機能する光伝導素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ミリ波からテラヘルツ波にかけた電磁波（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波では、Ｘ線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行ったり、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態を調べる分光技術、生体分子の解析技術、キヤリア濃度や移動度を評価する技術などが開発されている。また、ミリ波では７０ＧＨｚ帯で衝突安全レーダとして位置センシング技術が開発されている。
【０００３】
たとえば２次元イメージング装置としては特許文献１で開示されているように、テラヘルツパルス光を空間的に広げて、試料に対する２次元透過像を時間領域で計測を行うものが開発されている。その装置の構成図を図９に示す。可視光パルスが１２１より出射されハ−フミラー１２８で分岐されたのち、一方の光１２１ｂは光パルスのエンベロップに相当する電磁波パルスに変換する光伝導スイッチと呼ばれるテラヘルツ光源１２２に照射される。発生したテラヘルツは光学系１２３を用いて試料１２５の透過光をテラヘルツ検出器１２６に集光する。このとき、光パルスの一方の出力１２１ａは可動ミラー１２４によって時間遅延が与えられたのちテラヘルツ光検出器１２６に照射して、光パルスが照射されたタイミングでのみテラヘルツ光の受信信号を取り出せるようにゲーティング制御することで、時間領域計測を可能にしている。テラヘルツ検出器は、発生器と同構造の光伝導スイッチが用いられる。
【０００４】
ここでテラヘルツ発生・検出のために用いられる光伝導スイッチ素子としては、特開平１０−１０４１７１に開示されているように基板上に成膜した光伝導膜に電極を兼ねたアンテナを備えたものが好適に用いられる。これを図１０に示す。たとえば基板１３０は放射線処理したシリコン・オン・サファイア構造であり、光伝導材料であるシリコン膜がサファイア基板上に成膜されたものになっている。一般には光伝導膜として、ＧａＡｓ基板に低温で成長したＬＴ−ＧａＡｓが用いられることも多い。表面に形成されたダイポールアンテナ１３８は、１対のダイポール給電線１３８ａおよび１３８ｂ、一対のダイポール腕部１３９ａおよび１３９ｂからなる。光パルスは間隙１３３に集光され、間隙間に電圧が印加されていればＴＨｚパルスが発生し、電圧を印加せずに光電流を検出すればＴＨｚパルスの検出を行うことができる。基板レンズ１３６は、基板１３０に閉じこまる電磁波のスラブモード（基板モード）から自由空間への放射モードに結合させる役割とともに、空間での電磁波伝播モードの放射角を制御する役割がある。
【０００５】
一方、時間領域計測ではなく、波長領域での分光を行う場合にはスペクトル純度の高い波長可変テラヘルツ光が必要になる。その場合には、２つのレーザ光の差周波をミキシングによって発生させて、テラヘルツ領域の波長可変ＣＷ光を発生させるものが非特許文献２  に開示されている。ミキシング光からテラヘルツ電磁波に変換する手段として図１０と同様の素子、すなわち化合物半導体表面に形成した２導体間に電圧を印加してそのギャップに照射することで光伝導スイッチによって発生させるものが用いられている。
【特許文献１】特開２００２−９８６３４
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ７０（５），ｐｐ．５５９−５６７（１９９７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に述べた光伝導スイッチを実現する場合に、所望の特性を得るためには半導体層である光伝導膜を決められた基板上に成膜する必要があり、基板材料や基板形状を自由に選択することができなかった。
【０００７】
たとえば、基板モードとして放射しない電磁波成分を低減するためにレンズを付加する場合に、基板とレンズの誘電率をほぼ等しく、理想的には同じ材料で形成することが電磁波取り出し効率の点で望ましい。通常は、波長分散が小さくテラヘルツ領域での吸収損失の小さい高抵抗Ｓｉがレンズ材料として優れているが、十分な性能を持つ光伝導膜をＳｉ基板に成膜できないことから理想的な構造にすることができなかった。すなわち、基板レンズと光伝導素子の基板との誘電率の差のために反射が起きてしまっていた。
【０００８】
一方、基板モードを低減するためには、誘電率の小さい材料を用いて、自由空間との界面での反射率を低減する方法もあるが、ガラスやプラスティック基板などに光伝導素膜を形成することができなかった。
【０００９】
また、光伝導素子にレーザを照射する場合に微小スポットに集光するので、熱伝導率が高い基板であれば、レーザパワーを上昇させて高出力なＴＨｚ発生器とすることができる。その場合には、Ｓｉ、ＡｌＮ、ＳｉＣなどが高熱伝導率（ＧａＡｓやサファイアの３倍以上）基板として好適であるが、いずれも光伝導膜を直接成膜することはできない。
【００１０】
さらに、光伝導素子とＴＨｚ伝送路、アンテナなどをハイブリッドで集積化したモジュールを構成する場合の基板として、Ｓｉやガラス、プラティック基板などが低コスト、安全性などの点で優れている。
【００１１】
そこで、本発明ではＳｉ、ガラス、プラスティックなどの任意の基板材料、形状のものに光伝導素子を形成して、ＴＨｚ発生・検出効率向上、低コスト化を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで本発明においては、テラヘルツ波を発生或いは検出するための光半導体装置であって、電極と半導体とを備えている光伝導膜と、前記光伝導膜が備える電極とは異なる電極を備える基板と、を有し、前記光伝導膜が備える電極と前記基板が備える電極とが接着していることを特徴とする光半導体装置を提供する。また、テラヘルツ波を発生或いは検出するための光半導体装置であって、電極と半導体とを備えている光伝導膜と、電極を備える基板と、を有し、前記光伝導膜と前記基板とが接着していることを特徴とする光半導体装置を提供する。また、テラヘルツ波を発生或いは検出するための光半導体装置であって、電極と半導体とを備えている光伝導膜と、基板と、を有し、前記光伝導膜と前記基板とが直接接着、或いは、前記電極を介して一体になっていることを特徴とする光半導体装置を提供する。例えば、第１の基板上に作製した光伝導膜に電極または電極を兼ねたアンテナを作製した後に、第２基板に接着させて光伝導膜のみを残し、第１の基板を除去して光伝導素子を第２の基板上に作製することを特徴としている。
【００１３】
具体的には、第２の基板上に予め形成されていた電極と、第１の基板上に作製した電極との接着後に第１の基板をケミカルエッチングにて除去する。第２の基板としてはＳｉ基板、ガラス基板、プラスティック基板などが用いられ、形状としては平板以外に半球レンズ状のものにしてもよい。また、第１の基板はＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であって、ＡｌＡｓから成るエッチングストップ層の上に、光伝導膜として低温成長のノンドープＧａＡｓを分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法などで成長したものが好適に用いられる。
【００１４】
また別の接着の方法としては、第１の基板上に作製した光伝導膜の電極側を第３の基板に全面を接着後第１の基板を除去したのちに、第２の基板に電極のない側を接着し、第３の基板を取り外すことで第２の基板上に光伝導膜を集積化させる。
【００１５】
このような方法では、Ｓｉ半球レンズに薄膜化された光伝導素子を集積化することができるので、基板モードが抑圧されてＴＨｚ放射効率が向上する。また、熱伝導性の高い基板としてＡｌＮやＳｉＣに集積化すれば熱特性が向上する。また、マイクロストリップラインなど高周波伝送線路の形成された基板に薄膜化された光伝導素子を集積化すれば、小型で低コストなセンシングモジュールを提供することができる。また、別の実施例では、Ｓｉ−ＩＣの高速スイッチングが必要なゲートに光伝導素子を薄膜化させて集積化すれば、光アドレスが可能な光インターコネクトなどに用いることができる高速ＩＣチップが提供できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明における光半導体装置によれば、Ｓｉ、ガラス、プラスティックなどの任意の基板材料、形状のものに光伝導素子を形成して、テラヘルツ電磁波の発生・検出効率向上、低コスト化が可能となる。また、テラヘルツ電磁波の発生・検出器と電磁波の伝送路を集積化させた小型のセンシングモジュールや、高速な光信号によりスイッチングが可能な光インターコネクト用の集積チップ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】
【００１７】
以下にテラヘルツ発生・検出を行うための光伝導素子の実施形態について説明するが、材料、構造、デバイスなどはここに挙げたものに限定するものではない。また、素子の使用用途や発生電磁波の性質においてもここで挙げたもの以外に様々のものが可能である。
【実施例１】
【００１８】
本発明による第１の実施例は、光伝導スイッチから空間への放射効率を向上させるために、Ｓｉレンズ上に直接素子を集積するものである。図１（ａ）は最終的に集積した素子の斜視図であり、高抵抗Ｓｉから成る半球レンズ４の底面にはバイアス供給のためのＴｉ／Ａｕ電極２が２本形成されている。光伝導素子１は、図１（ｂ）に示すように光伝導膜としての低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層の表面に５μｍのギャップを持つアンテナ５が形成され、バイアス供給ライン２との電極コンタクトを取った状態で図１（ａ）のように集積化している。
【００１９】
ここで、光伝導膜はエピタキシャル成長するときに用いたＧａＡｓ基板を除去した１．５μｍ程度の薄膜になっている。光伝導素子１をＳｉレンズに転写するときには、レンズの中心にアンテナ５のギャップが来るようにアライメントしてある。
【００２０】
次にこの素子の動作について説明する。複数の電極であるバイアス供給ラインの両端には電圧源３から１０Ｖ程度の電圧を印加する。外部よりフェムト秒レーザより１００ｆｓｅｃ程度のパルス幅を持ち、繰り返し約８０ＭＨｚ、平均パワー５ｍＷ程度の光を、素子中央部にレンズ（不図示）でフォーカスして照射すると、図１（ａ）のように１ｐｓｅｃ以下のパルス幅を持つＴＨｚパルスを発生させることができる。このＴＨｚパルスの振幅は、照射するレーザ光の強度、印加電圧に比例する。そのため、ロックイン検出するときは、印加電圧に正弦波信号を与えるか、光チョッパーにより光照射パワーを変調するとよい。
【００２１】
ここで、発生したＴＨｚは波長が自由空間で１００μｍ前後、ＧａＡｓ中で約２８μｍとなっているので、転写したＧａＡｓ薄膜中には基板モードがほとんど存在せず、外部に放射される。ＧａＡｓ薄膜とＳｉレンズの間の空気層も高々３μｍ程度で波長の１／１０程度なので多重反射が起きることはない。
【００２２】
光伝導素子からのＴＨｚ発生は基本的に無指向性であるが、アンテナ形状で分布を持たせることも可能である。今回用いたボータイアンテナでは分布があまりないが、Ｓｉレンズによって指向性を制御して一定方向の伝播パワーを大きくすることができる。レンズ形状も半球だけでなく、非球面や超半球構造などにして開口数やビーム制御を行っても良い。
【００２３】
さらに図１（ｃ）のように光伝導素子の表面側にレーザ照射用の窓を開けた状態のＡｕを形成しておけばＴＨｚの反射ミラーとして機能するために、放射効率を向上させることができる。このとき、Ａｕミラーの厚さを数μｍ以上にしておけば、熱の放散を促す効果があるために、熱特性も良くなって放射効率がさらに向上する。
【００２４】
今回用いた構造ではＴＨｚ電磁波を取り出す場合に、ＧａＡｓ基板を通過する距離が短い。ＧａＡｓはＴＨｚ電磁波に対しては分散吸収があり、パルス波形の変形、具体的にはパルス幅増大などの要因になる。そのため、本発明のようにＧａＡｓ基板を除去すれば、分散の少ないＳｉ材料のみを通過することになるので、狭いパルス幅を透過光学系で構築できるというメリットもある。また、ＴＨｚ電磁波の強度も吸収が減るために大きくできる。実際に５００μｍの厚さのＧａＡｓ基板を除去することで４０倍以上の強度増加が得られた。
【００２５】
次にこのような構造を作製するためのプロセスについて図２を用いて説明する。
【００２６】
図２（ａ）において、半導体基板のＧａＡｓ基板２０の上にＧａＡｓバッファ層（不図示）、ＡｌＡｓエッチングストップ層２１、ＩＩＩ−Ｖ族半導体薄膜であるＧａＡｓ光伝導層２２を分子ビームエピタキシー法などで成長する。このとき、ＡｌＡｓ層は通常の７００℃程度で成長を行うが、ＧａＡｓ層は２５０℃程度の低温で成長を行い、ＬＴ−ＧａＡｓ膜とする。成長後には、ＬＴ−ＧａＡｓ層の平坦化などのために６００℃程度で成長炉中で加熱したあとに取り出す。場合によっては、成長炉から取り出したのちに再アニールしても良い。
【００２７】
次に、図２（ｂ）において、フォトリソグラフィによって形成したフォトレジストを用いてリフトオフを行い、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極によるアンテナ２３を形成する。電極としてはＴｉ／Ａｕなどを用いてもよい。今回は、図２（ｂ’）の平面図のように、ボータイ型のアンテナとし、電極コンタクトのための引き出し線も設けているが、ダイポール型のアンテナでバイアス供給線を設けたものでもよい。アンテナ２３は中央部に５μｍのギャップを持ち、底面が８００μｍの直角二等辺三角形に、幅５０μｍの引き出し線２８をつなげた形状になっている。形成後にはコンタクト抵抗を低減するために４００℃でアニールをしておく。
【００２８】
図２（ｃ）において、Ｓｉレンズ２４の底面に引き出し電極２５（Ｔｉ／Ａｕ等）および電極コンタクト部分のみに金属のＡｕＳｎのハンダ剤２６を形成する。Ｓｉが十分高抵抗の場合にはこの構造でもよいが、絶縁性を向上させるにはＳｉＯ２膜（不図示）などをＳｉ表面に形成してから電極２５を形成してもよい。Ｓｉレンズのサイズは典型的には半径が５ｍｍのものを用いるが、さらに小さいものでも良い。光伝導素子を形成したＧａＡｓウエハは、１平方ｍｍサイズに切り出したあとに、Ｓｉ側と光伝導素子側のコンタクトのアライメントを行いながら、加圧して３００℃程度に加熱することで接着する。切り出すときは、ダイシングソーでカットするか、基板を１００μｍ程度まで研磨して薄くしたあとにへき開しても良い。
【００２９】
図２（ｄ）においてＧａＡｓ基板をエッチングにて除去する。このときは、周囲をレジスト等でカバーしたあとに、アンモニア＋過酸化水素の混合液でエッチングを行うとＡｌＡｓ層２１でストップするので選択的に基板だけを除去することが可能である。エッチングレートは混合液の温度をコントロールすることで制御できる。基板エッチングのあとはＡｌＡｓ層を濃塩酸で除去するが、そのまま残しておいても良い。
【００３０】
以上で、電極を介して光伝導膜と基板のＳｉレンズとが関連して薄膜型の光伝導素子が完成するが、上記で述べたようにＳｉレンズとは反対側のレーザ照射側からのＴＨｚ光を有効活用するために、図２（ｄ’）のように表面にさらにＡｕ層２７をミラーとして形成しても良い。中央には光照射のための窓２９を形成しておく。
【００３１】
ここまで、説明したように本実施例ではＳｉレンズに直接薄膜の光伝導素子を集積化し、フェムト秒レーザを照射したときのＴＨｚ発生効率を大幅に向上させることができる。
【００３２】
本実施例のように高抵抗Ｓｉを用いた場合には吸収分散等は小さいが、屈折率が高いために界面でのフレネル反射が大きい。Ｓｉの代わりにテラヘルツ領域で比較的吸収の小さいテフロン(登録商標)などの有機ポリマーを用いれば屈折率を小さくでき、フレネル反射を小さくすなわち放射効率を高めることができる。
【実施例２】
【００３３】
本発明による第２の実施例は、実施例１のような薄膜型の光伝導素子を熱伝導性の高い基板に貼り合わせて、温度上昇による素子特性劣化を防ぐものである。
【００３４】
図３に作製プロセスを示すが、実施例１と同じ部分については番号の記載を省略している。図３（ａ）、（ｂ）のアンテナ形成するステップまでは実施例１と同様である。図３（ｃ）において、チップに切り出したあとにガラスなどのホールド基板３０にアンテナ表面側を樹脂接着剤３１等で貼り付け、実施例１と同様な方法でＧａＡｓ基板を除去する。その後、図３（ｄ）において、高抵抗Ｓｉ基板３２にＧａＡｓ基板のエッチング後に現れた表面を貼り合わせて直接接着し、溶剤で接着剤３１を溶解させてホールド基板３０を取り外す。貼り合わせのときには、ファンデルワールス力だけで付着させてもよいが、密着力を高めるにはホールド基板を取り外したあとに高温アニール（５００℃以上）を行っても良い。また、損失の少ない樹脂性の接着剤等、たとえば光学エポキシ接着剤を使って貼り合わせても良い。
【００３５】
この場合、全面で熱伝導率の高い基板に接しているために素子の熱抵抗を低減し、照射するレーザ光を高出力化したときに特に効果が高い。基板として実施例１のようなレンズ形状のものでももちろん良い。また、他の基板としてＡｌＮ、ＳｉＣなどの高熱伝導率基板を用いてもよい。
【００３６】
本実施例では、アンテナが表面に出ている構造であるため、引出し電極が必要な場合には、図４のように、光伝送素子の薄膜化後に基板３２上に配線４１を転写後の後工程で形成すれば良い。この場合も、電極間の絶縁性が不十分な場合には、配線４１と基板３２の間に不図示の絶縁膜（ＳｉＯ２や絶縁性樹脂など）を形成してもよい。また、基板として熱伝導率ではなく、有機ポリマーなど屈折率の低い基板に着目して転写を行って、反射の影響を低減することを狙いとした場合も同様の構造で実現できる。
【実施例３】
【００３７】
本発明による第３の実施例では、図５のような集積型のＴＨｚセンシングモジュールに適用するものである。図５（ａ）で構成を説明すると、ポリイミドなど透明なポリマー材料で構成した基板５０には、屈折率を変化させて形成した光導波路５５、５６、６２および分岐結合器５７、５８が立体的に作製されている。この作製のためにはいくつかの部品をモールドで形成して組み立てるか、レーザ加工による３次元導波路形成などの手段がある。基板としては、石英、ガラス、その他のプラスティック、ポリマーなど透明でないものも含めて使用できる。導波路部分だけは光損失の少ない材料を用いると良い。また、少なくとも高周波線路であるコプレーナストリップライン５２ａ、５２ｂを形成する表面にはポリイミド、ＢＣＢなど高周波特性に優れた材料を５μｍ以上塗布（不図示）しておくことが望ましい。さらに、後に述べる素子実装で加熱を要する場合には温度耐性のある基板が望ましい。
【００３８】
伝送線路であるコプレーナストリップライン５２ａ、５２ｂは基板５０にＴｉ／Ａｕで形成しており、典型的には幅を３０μｍ、間隔を２００μｍとした。このラインの終端近傍には実施例１と同様の方法で、電極を形成した光伝導素子の電極とこのラインのコンタクトを取りながら接着してＧａＡｓ基板を除去した薄膜型の光伝導素子５１ａ、５１ｂが転写されている。このとき、本モジュールの場合は空間にＴＨｚを取り出さず、コプレーナラインに伝播させるようにしているので、光伝導素子の電極は微小ギャップを持つアンテナではなく、ラインとコンタクトをとるためのパッド的な役割になっている。
【００３９】
基板５０の裏側には２つの半導体レーザ５３ａ、５３ｂが実装されている。好ましくは単一モードで発振する面発光レーザであり、２つの発振波長はわずかに異なっている。このレーザを駆動するための電極が５４ａ〜５４ｄである。光の伝播の様子は図５（ｂ）を用いて説明する。面発光レーザ５３ａからの光は導波路５５を伝播して光伝導素子５１ａに照射される。面発光レーザ５３ｂからの光は光分岐器５８で２つに分けられ、一方は光伝導素子５１ｂに照射され、もう一方は光導波路６２を伝播して光結合器５７で５３ａのレーザ光と混合されて、光伝導素子５１ａに照射される。
【００４０】
次に動作について説明する。光伝導素子５１ａには、２つのレーザ光の混合されたものが照射されるが、２つのレーザ光の発振周波数のビート（差周波）成分の周期で光励起が行われる結果、電極間に電源５９により電圧印加を行えば、ビート周波数に応じた光電流が流れることでダイポールモーメントの変化が起きて電磁波が発生し、コプレーナライン５２ａ、５２ｂ間に高周波の電磁波が伝播することになる。その周波数は２つのレーザの発振周波数を安定化するとともに周波数差を制御することで、単一周波数のＴＨｚ電磁波を０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ程度の範囲で連続可変で発生させることができる。伝播したＴＨｚ電磁波は光伝導素子５１ｂに到達するが、５３ｂのレーザ光が照射されているときには電極間の抵抗が小さくなっているのでＴＨｚ電磁波の信号に応じて両端に発生する電圧が変化する、すなわちＴＨｚ電磁波を検出することができる。この出力の直流成分をコンデンサ６０でカットし、アンプ６１で出力を増幅すれば、ＴＨｚ電磁波の強度を観測することができる。
【００４１】
このような集積型モジュールはＴＨｚセンサとして利用することができる。コプレーナライン５２ａ、５２ｂの表面上または表面近傍に物体を置けば、その誘電率、吸収率の違いで検出される信号の大きさが変化する。したがって、ビート周波数を変化させれば物体固有の応答スペクトルを観測することができるため、物体の同定などに利用できる。
【００４２】
その応用例を図６に示す。６６は樹脂基板またはガラス基板などであるが、６７は化学物質を塗布した部分である。本発明による光伝導素子を集積したセンサ６４をプローブ６５の先端に装着してスキャンすれば、２次元アレイ状に並べた化学物質の検査が可能となる。たとえば、ＤＮＡチップとして機能させた場合には、ハイブリダイゼンションして２重螺旋構造を形成したところとそうでないところで誘電率の差があることを検知させる。このような方法では、本発明によるセンサにより化学物質の同定をラベルフリーで行うことができる。
【００４３】
今回は、半導体レーザを集積させた構造を示したが、薄膜型の光伝導素子だけを転写し、レーザは集積せずに光伝導素子に外部から光照射してもよい。
【実施例４】
【００４４】
本発明による第４の実施例は、図７のような光アドレスチップに応用するものである。Ｓｉ基板７０上には集積回路（ＩＣ）が７１の領域に形成されており、外部からの光信号を光伝導素子７４が受信して、その信号がＩＣに入力されて処理が実行される。すなわち、他のチップと光インターコネクトする受信器として本発明による薄膜型の光伝導素子を集積化したチップを応用するものである。
【００４５】
光が照射されていない状態では光伝導素子７４は高抵抗になっており、ライン７３ａ、７３ｂ間に印加した電圧７５がそのまま両端間の電位差となっている。一方、光が照射されると光電流が流れるが、給電線７３ａまたは７３ｂの給電線に抵抗成分（不図示）を設けておけば両端間の電位差は０に近づく。すなわち、光照射の有無によるスイッチングが可能である。このラインはＩＣ領域７１の特定のトランジスタに接続されているので、光信号をＩＣにインプットして高速、ＥＭＩフリーでシグナルインテグリティに優れた信号の接続ができる。７２はライン７３ａ，ｂでの漏れ電流を低減するためのＳｉＯ２などの絶縁膜である。
【００４６】
ここで用いる光信号としてはクロック供給をするものであっても良い。高速なクロックで動作させるときには、電気信号で供給すると信号の乱れのために動作不良が起きたり、配線の難しさから各クロック供給点で時間差をなくすことが困難になっている。光アドレスであれば信号の乱れはなく、電気回路基板上の配線パターンとは別に光導波路などでクロック供給するので上記のような問題はなくなる。図７では４つをアレイ化したものを記載しているが数はこれに限定されるものではない。
【００４７】
このようなアレイ状の薄膜型の光伝導素子を集積化させる作製方法について図８を用いて説明する。８１はＩＣが形成されたＳｉなどの基板、８３は光入力信号を電気信号としてＩＣに伝えるための配線、８０はホールド基板、８２が光伝導素子である。ダイシングされてチップ化した光伝導素子８２は、ＩＣ基板の所望の位置に転写できるように配置されてホールド基板に接着されている。実施例１と同様な方法で、電極間の接着をＡｕＳｎはんだ等で行った後に、ホールド基板を除去してＧａＡｓ基板もエッチングで除去する。このとき、先にＧａＡｓ基板をエッチングして薄膜化してから接着してもよい。以上の方法で生産性の高い、光アドレス可能な集積チップを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明による第１実施例の集積デバイスの構造図
【図２】集積デバイスの作製方法を説明する図
【図３】本発明による第２実施例である集積デバイスの作製方法を説明する図
【図４】本発明による第２実施例の集積デバイスの構造図
【図５】本発明による第３実施例の集積モジュールの構造図
【図６】本発明による第３実施例のセンシングシステムを説明する図
【図７】本発明による第４実施例の集積モジュールを説明する図
【図８】本発明による第４実施例の集積モジュールの作製方法を説明する図
【図９】テラヘルツ２次元イメージングの従来例
【図１０】光伝導素子の従来例
【符号の説明】
【００４９】
１、４２、５１ａ、５１ｂ、７４，８２  光伝導素子
２、２８、２５、５２ａ、５２ｂ、７３ａ、７３ｂ、８３、１３８ａ、１３８ｂ  電極
３、５９、７５  電源
４、１３６  基板レンズ
５、２３、４３、１３８、１３９ａ、１３９ｂ  アンテナ
６、２７  反射ミラー
２０、２４、３２、５０、６６、７０、８１、１３０  基板
２１  エッチングストップ層
２２  光伝導膜
２６  ハンダ剤
２９  光照射の窓
３０、８０  ホールド基板
２１  接着剤
５３ａ、５３ｂ  レーザダイオード
５５、５８  分岐器
６０  コンデンサー
６１、１３４  増幅器
６４  テラヘルツセンシングモジュール
６５  プローブ
６７、１２５  検体
７１  ＩＣ形成領域
７２  絶縁膜
１２８  ハーフミラー
１２３ａ  測定光学系
１２１  レーザ
１２１ａ、１２１ｂ  光伝播
１２２ａ  テラヘルツ電磁波
１２２  テラヘルツ発生器
１２４  光遅延器
１２６、１３２  検出器
１３３  間隙
【図９】
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【図１０】
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【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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