(57)【要約】  光伝導装置は、半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極を有する光伝導組立体とを含む。光伝導組立体は、半導体基板の光吸収領域へのポンプ吸収をプラズモニックに増強することによって光伝導装置の量子効率を向上させるように、半導体基板上に配置されたプラズモン接触電極を備えることができる。例示的な一実施形態において、光伝導装置は、光伝導源として配置され、通信ポンプ波長（たとえば、１．０〜１．６μｍ）でポンプされ、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数領域においてミリワット級の出力を生成する。
2015513067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発するまたは検出するための光伝導装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に作製されたアンテナ組立体と、
前記半導体基板上に作製され、前記アンテナ組立体に結合された光伝導体組立体とを備え、前記光伝導体組立体は、１つ以上のプラズモン接触電極を含み、
前記光伝導装置は、少なくとも１つの光源からの光入力を受光し、前記光伝導装置の量子効率を改善するために前記プラズモン接触電極を用いる、光伝導装置。
【請求項２】
前記半導体基板は、第２の厚層上に形成された第１の薄層を含み、
前記光伝導体組立体は、前記第１の薄層上に作製される、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項３】
前記半導体基板の前記第１の薄層は、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）、ガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）、インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）、インジウムリン化物（ＩｎＰ）、グラフェン、またはこれらの化合物からなるリストから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項２に記載の光伝導装置。
【請求項４】
前記半導体基板の前記第１の薄層は、前記第２の厚層上に成長された結晶性構造を有する低欠陥薄膜を含む、請求項２に記載の光伝導装置。
【請求項５】
前記第１の薄層は、０．１Ｗｃｍ−１℃−１以上の熱伝導率を有する、請求項２に記載の光伝導装置。
【請求項６】
前記光伝導装置は、前記半導体基板上に形成された誘電性パッシベーション層をさらに備え、
前記誘電性パッシベーション層は、前記１つ以上のプラズモン接触電極の少なくとも一部を封入し、前記半導体基板への光ポンプの伝送を増強する、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項７】
前記誘電性パッシベーション層は、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２からなるリストから選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項６に記載の光伝導装置。
【請求項８】
前記アンテナ組立体は、モノポールアンテナ、バタフライアンテナ、ダイポールアンテナアンテナ、スパイラルアンテナ、折返しダイポールアンテナ、対数周期アンテナ、またはボウタイアンテナからなるリストから選択される少なくとも１種類のアンテナを含む、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項９】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、サブ波長の周期性、電極幅および電極間隔を有し、前記周期性、前記電極幅および前記電極間隔はすべて前記少なくとも１つの光源からの前記光入力の波長よりも小さい、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項１０】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、前記少なくとも１つの光源からの前記光入力の強度を前記プラズモン接触電極の付近に集中させることによって、高濃度の光生成電子−正孔対が前記プラズモン接触電極のすぐ近傍に位置するように、配置される、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項１１】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、格子状、矩形、十字形、Ｃ字形、Ｈ字形、スプリットリング共振器、円形穴、または長方形穴からなるリストから選択される少なくとも１つの形状に従って構成される、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項１２】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、金属電極であり、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、またはニッケル（Ｎｉ）からなるリストから選択される少なくとも一種の金属を含む、請求項１に記載の光伝導性装置。
【請求項１３】
前記アンテナ組立体は、電源の第１のリードに連結された第１のアンテナ端子と、前記電源の第２のリードに連結された第２のアンテナ端子とを含む、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項１４】
前記光伝導体組立体は、前記第１のアンテナ端子と前記第２のアンテナ端子との間に少なくとも部分的に位置し、前記少なくとも１つの光源によって照射されるとき、前記アンテナ組立体に追加の光生成キャリアを供給する、請求項１３に記載の光伝導装置。
【請求項１５】
前記光伝導体組立体は、前記第１のアンテナ端子に電気的に連結された第１の複数のプラズモン接触電極と、前記第２のアンテナ端子に電気的に連結された第２の複数のプラズモン接触電極とを含む、請求項１４に記載の光伝導装置。
【請求項１６】
前記第１および第２の複数のプラズモン接触電極のそれぞれは、電極が平行に配置された周期的アレイに構成されたプラズモン接触電極を含み、前記周期的アレイはサブ波長周期性を有しかつ表面プラズモン波を励起する、請求項１５に記載の光伝導装置。
【請求項１７】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、前記アンテナ組立体と一体に形成され、前記アンテナ組立体から延在する、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項１８】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、前記アンテナ組立体と別体に形成され、前記アンテナ組立体に接続される、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項１９】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、幅寸法または長さ寸法よりも小さい高さ寸法を有する二次元電極である、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項２０】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、幅寸法または長さ寸法よりも大きい高さ寸法を有する三次元電極である、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項２１】
前記１つ以上の三次元プラズモン電極は、前記半導体基板上に膜を堆積した後、ナノスケールの金属格子をパターン化することにより硬質マスクを形成し、続いて、前記硬質マスクに従って前記膜および前記半導体基板をエッチングし、その後、金属をスパッタリングしてプラズモン接触電極を形成し、最後にリフトオフすることによって製造される、請求項２０に記載の光伝導装置。
【請求項２２】
前記光伝導装置は、周波数可変であるテラヘルツ（ＴＨｚ）光伝導発生源として配置され、約０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数領域において少なくとも１ｍＷの出力パワーを有する放射を生成する、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項２３】
光源と光検出器とを備え、前記光源および前記光検出器はテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）に従って動作し、前記光源または前記光検出器の少なくとも一つは請求項１に記載の光伝導装置を含む、材料検出、化学的および／または生物学的検出に用いる装置。
【請求項２４】
半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極とを有する光伝導装置を動作させる方法であって、
（ａ）前記半導体基板において光源からの光入力を受光するステップと、
（ｂ）前記プラズモン接触電極を用いて表面プラズモン波または表面波の励起を促進するステップとを備え、前記表面プラズモン波または表面波は、より多くの光入力が前記半導体基板に吸収されて前記半導体基板において光電流をもたらすように、前記光源からの前記光入力に影響を与え、さらに、
（ｃ）前記半導体基板における前記光電流の第１の部分が第１のアンテナ端子に向かってドリフトし、前記半導体基板における前記光電流の第２の部分が第２のアンテナ端子に向かってドリフトするように、前記アンテナ組立体に電圧を印加するステップと、
（ｄ）前記光電流の前記第１および第２の部分が供給されている前記第１および第２のアンテナ端子に応答して前記光伝導装置からテラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発するステップとを備える、方法。
【請求項２５】
半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極とを有する光伝導装置を動作させる方法であって、
（ａ）前記半導体基板において光源からの光入力を受光するステップと、
（ｂ）前記プラズモン接触電極を用いて表面プラズモン波または表面波の励起を促進するステップとを備え、前記表面プラズモン波または表面波は、より多くの光入力が前記半導体基板に吸収されて前記半導体基板において光電流をもたらすように、前記光源からの前記光入力に影響を与え、さらに、
（ｃ）前記アンテナ組立体を介して入射するテラヘルツ放射を受け取るステップを備え、前記入射するテラヘルツ放射は前記プラズモン接触電極の間にテラヘルツ電界を誘起し、さらに、
（ｄ）入射するテラヘルツ放射の大きさに比例する出力光電流を発生する前記誘起されたテラヘルツ電場の結果として、前記プラズモン接触電極に向かって光電流をドリフトさせるステップを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究の陳述
本発明は、助成番号Ｎ６６００１−１０−１−４０２７における海軍／ＳＰＡＷＡＲからの政府支援、助成番号Ｗ９１１ＮＦ−１２−１−０２５３における陸軍研究室からの政府支援、助成番号Ｎ０００１４−１１−１−０８５６における海軍研究事務所からの政府支援、助成番号ＥＥＣＣＳ１０５４４５４における国立科学財団からの政府支援、およびＮ０００１４−１１−１−００９６における海軍研究事務所からの政府支援によって行われた。連邦政府は、本発明における一定の権利を所有する。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般的には光伝導装置に関し、より具体的には、量子効率を改善するためにプラズモン電極を用いる、テラヘルツ（ＴＨｚ）波を発するまたは検出する光伝導装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
テラヘルツ（ＴＨｚ）波は、多数の独特な性能および性質を有する。いくつかの例として、テラヘルツ波は、化学同定、材料特性測定、生物学的検知、および医療撮像において有用である。テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）は、非常に短いパルスのＴＨｚ放射を用いて材料の異なる性質をプローブまたは分析する分光技術であり、材料がＴＨｚ放射の振幅および位相の両方に与える影響を感知できる。ＴＨｚ−ＴＤＳシステムは商業使用において多大な可能性があるが、これまでその使用は、たとえば低出力、効率の悪さ、高コスト、熱破壊、複雑さ、および既存のテラヘルツ波源が巨大であるなどの特定の欠点によって妨げられている。
【０００４】
たとえば、ほとんどの既存のテラヘルツ（ＴＨｚ）分光計は、軍事目的および商業目的の化学的検出および／または特性測定に広く使用されていない。これは、主に、これらの装置、特に携帯用装置の実用可能性を妨げる上述した欠点のためである。いくつか例を挙げると、いくつかの研究は、可干渉性テラヘルツ波源、固体テラヘルツ波源、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）および低いテラヘルツ周波数に変換するための非線形光学技術を利用する周波数領域テラヘルツ分光計の分野において行われている。しかしながら、これらの手法の各々は、それぞれ自身の欠点を有する。比較的小型でかつ通常の動作条件下で、テラヘルツ（ＴＨｚ）または近くの周波数の広い周波数領域にわたって適切な出力パワーおよび効率を提供する手法を見出すことは、難題である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
一局面によれば、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発するまたは検出するための光伝導装置が提供される。光伝導装置は、半導体基板と、半導体基板上に作製されたアンテナ組立体と、半導体基板上に作製され、アンテナ組立体に結合された光伝導体組立体とを備えることができる。光伝導体組立体は、１つ以上のプラズモン接触電極を含む。光伝導装置は、少なくとも１つの光源からの光入力を受光し、光伝導装置の量子効率を改善するためにプラズモン接触電極を用いる。
【０００６】
別の局面によれば、半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極とを有する光伝導装置を動作させる方法が提供される。方法は、（ａ）半導体基板において光源からの光入力を受光するステップと、（ｂ）プラズモン接触電極を用いて表面プラズモン波または表面波の励起を促進するステップとを備え、表面プラズモン波または表面波は、より多くの光入力が半導体基板に吸収されて半導体基板において光電流をもたらすように、光源からの光入力に影響を与え、さらに、（ｃ）半導体基板における光電流の第１の部分が第１のアンテナ端子に向かってドリフトし、半導体基板における光電流の第２の部分が第２のアンテナ端子に向かってドリフトするように、アンテナ組立体に電圧を印加するステップと、（ｄ）光電流の第１および第２の部分が供給されている第１および第２のアンテナ端子に応答して光伝導装置からテラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発するステップとを備えることができる。
【０００７】
別の局面によれば、半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極とを有する光伝導装置を動作させる方法が提供される。方法は、（ａ）半導体基板において光源からの光入力を受光するステップと、（ｂ）プラズモン接触電極を用いて表面プラズモン波または表面波の励起を促進するステップとを備え、表面プラズモン波または表面波は、より多くの光入力が半導体基板に吸収されて半導体基板において光電流をもたらすように、光源からの光入力に影響を与え、さらに、（ｃ）アンテナ組立体を介して入射するテラヘルツ放射を受け取るステップを備え、前記入射するテラヘルツ放射はプラズモン接触電極の間にテラヘルツ電界を誘起し、さらに、（ｄ）入射するテラヘルツ放射の大きさに比例する出力光電流を発生する誘起されたテラヘルツ電場の結果として、プラズモン接触電極に向かって光電流をドリフトさせるステップを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な光伝導装置を示す図である。図面において、特定の光伝導装置がダイポールアンテナを有する光伝導波源として配置され、複数のプラズモン接触電極が拡大断面図によってより詳細に示されている。
【図２】例示的な半導体基板材料の特定の性質を示すグラフである。
【図３ａ】例示的な半導体基板材料の特定の性質を示すグラフである。
【図３ｂ】例示的な半導体基板材料の特定の性質を示すグラフである。
【図４】別の例示的な光伝導装置を示す図である。図面において、特定の光伝導装置がボウタイアンテナを有する光伝導波源として配置され、複数のプラズモン接触電極が拡大断面図によってより詳細に示されている。
【図５】図１に示されるような光伝導装置とともに使用することができる例示的なアンテナ組立体および光伝導体組立体を示す図である。図面において、プラズモン接触電極アレイが拡大図によってより詳細に示されている。
【図６】別の例示的な光伝導装置を示す図である。図面において、特定の光伝導装置がダイポールアンテナを有する光伝導波源として配置され、複数の十字形プラズモン接触電極が拡大断面図によってより詳細に示されている。
【図７ａ】図１に示されるような光伝導装置とともに使用することができる例示的な２次元プラズモン接触電極を示す図である。
【図７ｂ】図１に示されたるような伝導装置とともに使用することができる例示的な３次元プラズモン接触電極を示す図である。
【図７ｃ】図１に示されるような光伝導装置とともに使用することができる例示的な３次元プラズモン接触電極を示す図である。
【図８】図１に示されるような例示的な光伝導装置の一部の概略断面図を示す。装置は、半導体基板の上面にパッシベーション層をさらに含む。
【図９ａ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図９ｂ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１０ａ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１０ｂ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１１】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１２ａ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１２ｂ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１２ｃ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１２ｄ】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１３】例示的な光伝導装置の性質およびその動作を示すグラフおよび模式図である。
【図１４】図１に示されるような光伝導装置を光伝導波源またはエミッタとして特徴付けるための例示的な装置構成を示す図である。
【図１５】図１に示された光伝導装置を光伝導波源またはエミッタとして特徴付けるための例示的な装置構成を示す図である。
【図１６ａ】従来の光伝導テラヘルツ波源を図１に示されるような多数のナノ間隔のプラズモン接触電極を有する光伝導テラヘルツ波源と比較するためのグラフである。
【図１６ｂ】従来の光伝導テラヘルツ波源を図１に示されるような多数のナノ間隔のプラズモン接触電極を有する光伝導テラヘルツ波源と比較するためのグラフである。
【図１６ｃ】従来の光伝導テラヘルツ波源を図１に示されるような多数のナノ間隔のプラズモン接触電極を有する光伝導テラヘルツ波源と比較するためのグラフである。
【図１６ｄ】従来の光伝導テラヘルツ波源を図１に示されるような多数のナノ間隔のプラズモン接触電極を有する光伝導テラヘルツ波源と比較するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
例示的な実施形態の詳細な説明
以下、添付図面と併せて、好ましい例示的な実施形態を説明する。図面において、同様の記号は、同様の構成要素を示す。
【００１０】
本願明細書に記載された光伝導性装置は、既存の光伝導装置のいくつかの性能限界に対処している。例示的な実施形態によれば、光伝導装置は、通信ポンプ波長（たとえば、１．０〜１．６μｍ）でポンプされる、高性能なプラズモン分布型光伝導テラヘルツ波源であってもよい。このようなテラヘルツ波源として、高出力、狭い線幅、可変周波数、小型かつコスト効率の高い光源が利用可能である。多数の分布型プラズモン接触電極を有する光伝導体組立体は、ポンプ結合効率を著しく高めるとともに、光生成キャリアの超高速収集を可能にし、かつ、高ポンプ出力で動作中において発生する可能性のあるキャリア遮蔽効果および熱破壊限界を緩和することができる。これによって、テラヘルツ波出力を現在利用可能なレベルよりも著しく高いレベルにすることができる。１つの例示的な実現例によれば、光伝導装置は、２つの市販レーザダイオードとエルビウム添加光ファイバ増幅器からの光入力を受光して、１ＴＨｚの周波数領域においてミリワット級の出力を生成することができる周波数可変で小型かつ軽量なテラヘルツ（パルスまたは非パルス）放射源である。このような高出力かつ小型のテラヘルツ波源は、次世代材料、化学的および／または生物学的センサを含む数多くの潜在的な用途に対して有益であり得る。以下の説明は、テラヘルツ放射を発する光伝導波源を対象にしているが、理解すべきことは、本明細書の教示がテラヘルツ放射を発するのではなく、テラヘルツ放射を受け取る光伝導検出器にも同様に適用可能であることである。したがって、本明細書で使用された用語「光伝導装置」は、光伝導波源と光伝導検出器との両方を含み、一方または他方に限定されるものではない。
【００１１】
テラヘルツ（ＴＨｚ）分光分析に基づく、材料、化学的および／または生物学的センサの独特な機能は、多くの隠された有毒な化学物質およびガス、爆発物、病原体、化学剤および生物剤を遠隔検出する特殊なプラットフォームを提供する。その理由は、多数の個々の化学物質が、電磁スペクトルのテラヘルツ部分（たとえば、０．１〜１０ＴＨｚ）において、特徴的な熱放出ピークまたは回転あるいは振動輝線を有するからである。安全および軍事における潜在的な用途の他に、いくつかの応用可能性としては、テラヘルツ分光計は、環境および宇宙の研究、生物学的分析、医薬品および工業品の品質管理のために、非常に有望なプラットフォームを提供する。理解すべきことは、本願明細書に記載された光伝導性装置は、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射とともに使用されるとしているが、それに限定されず、テラヘルツ領域外の電磁放射（たとえば、１０ＴＨｚより著しく高い周波数および１５５０ｎｍより著しく小さい波長）とともに使用されることも可能であることである。
【００１２】
いくつかの今まで最も強力な連続波（ＣＷ）のテラヘルツ波源は、分子ガスレーザ、ｐ型ゲルマニウムレーザおよび自由電子レーザである。これらのテラヘルツ波源は、ほとんどの分光分析システムに十分な出力パワーを提供しているが、巨大かつ高価であるため、携帯用分析システムには適していない。さらに、後進波発振器および進行波管（ＴＷＴ）再生増幅器などのような電子ビーム装置は、サブミリメートル波の周波数において適度に高出力レベルで出力を提供することができるが、約１．２ＴＨｚを超える周波数で効率的な動作が実証されておらず、波長の調整が容易にできない。例として、いくつかの他の従来のテラヘルツ波源は、ＩＭＰＡＴＴダイオード、後進波発振器、ガンダイオード、周波数逓倍器、およびＭＭＩＣを含み、いくつかのより最近のテラヘルツ波源は、フォトミキサ、共鳴トンネルダイオード、進行波管、量子カスケードレーザ、および非線形光学効果に基づいた波源を含む。
【００１３】
図１を参照して、図に示された例示的な実施形態の光伝導装置１０は、光伝導波源またはエミッタとして配置され、半導体基板１２と、アンテナ組立体１４と、光伝導体組立体１６と、レンズ１８とを含む。光伝導装置１０のいくつかの潜在的、非限定的な特徴または属性は、プラズモン接触電極を用いてテラヘルツ光伝導装置の量子効率を増強する光伝導体組立体１６、分布アーキテクチャを用いて熱破壊限界およびキャリア遮蔽効果を抑制する光伝導体組立体１６、指向性、高強度および制御可能なテラヘルツ波出力を可能にするアンテナ組立体１４および光伝導体組立体１６、周波数可変で小型かつ軽量であり、０．１〜１０ＴＨｚの周波数域内で少なくとも１ｍＷの出力パワーで放射を生成することができる光伝導装置１０、および高出力、周波数可変、狭線幅かつ小型のレーザが使用可能な通信波長で効率的な光伝導性半導体として機能する欠陥がほとんどない薄層または薄膜を含む半導体基板１２を含む。前述したのは、可能性の一部のみであり、言うまでもなく他の機能および属性が可能である。当業者は、フォトミキサが２つの光ビームを混合するために使用される光伝導装置であり、当該装置が単一のビームで照射される場合、一般的にはフォトミキサではないことを理解するであろう。２つの応用可能性を挙げると、光伝導装置１０は、フォトミキサ（２つのビーム）としてまたはパルステラヘルツ波源（１つのビーム）として使用することができる。
【００１４】
前述したように、既存の光伝導体の量子効率に対して主な制限の１つは、半導体基板の低熱伝導率である。低熱伝導率は、光ポンプの出力レベルが高いときに早発の熱破壊につながる可能性がある。低熱伝導率は、導入された欠陥によってフォトンの平均自由行程が劇的に短くされたいくつかの高欠陥材料においてより問題になる。光伝導装置１０の目的は、光伝導体組立体１６を用いて、短いキャリア寿命の半導体に基づく特定の従来の装置の量子効率の制限を緩和する。この光伝導体組立体１６は、低欠陥の層または膜を有する半導体基板１２上に分布されたプラズモン接触電極を有する。これらのプラズモン接触電極は、アンテナ組立体１４のさまざまな素子に隣接する任意大きさの二次元アレイの電極にわたって高出力の光入力を広げることによって、キャリア遮蔽効果および熱影響を抑制することができる。このことによって、容量性負荷はアンテナ組立体１４および光伝導体組立体１６にわたって分散される。半導体基板への光透過率およびプラズモン接触電極近傍の光吸収を高めることによって高量子効率および超高速応答を維持するために、プラズモン接触電極をサブ波長間隔（たとえば、１μｍのポンプ波長に対し１００ｎｍの間隔）を有する周期的な配列に構成することができる。
【００１５】
半導体基板
半導体基板１２は、通信業界に使用される超高速パルスレーザまたは２つのヘテロダイン連続波レーザなどの１つまたは複数の光源からの光入力に応答して、電子−正孔対を生成することができる光伝導性材料として機能する。例示的な実施形態によれば、半導体基板１２は、装置の活性層として機能する頂部薄層または薄膜３０（たとえば、厚さ約１μｍの薄層）と、頂部層を成長または堆積させることができるベース層として機能する底部厚層３２とを含む。１つの潜在的な実施形態において、頂部薄層３０は、ゲルマニウム（Ｇｅ）から作られ、底部厚層３２は、シリコン（Ｓｉ）から作られる。別の潜在的な実施形態において、頂部薄層３０は、インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）またはガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）から作られ、厚いボトム３２は、インジウムリン化物（ＩｎＰ）から作られる。他の材料、他の半導体基板配置および他の層組合せは、当然可能である。いくつかの可能性を挙げると、任意の適切な組合わせまたは使用は、サファイア、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、結晶性を有し、低温成長され、イオン注入され、エルビウムヒ化物がドープされたガリウムヒ化物を含むさまざまなインジウムガリウムヒ素化合物（ＩｎＧａＡｓ）、結晶性を有し、低温成長され、イオン注入され、エルビウムヒ化物がドープされたガリウムヒ化物を含むさまざまなガリウムヒ素化合物（ＧａＡｓ）、さまざまなインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）、インジウムリン化物（ＩｎＰ）およびグラフェンを含む。
【００１６】
言及すべきことは、本明細書に開示されたプラズモン接触電極を有する光伝導装置は、高い量子効率および超高速の動作を同時に提供し、したがって、従来の光伝導装置に使用することができなかった多くの半導体材料（たとえば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、グラフェン、およびインジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ））を使用可能にすることである。ゲルマニウム（Ｇｅ）の１つの潜在的な利点は、通信光学波長で高い吸収係数を提供しながら、他の材料よりもより高い熱伝導率を提供することである。図３に示すように、バルクＧｅおよびいくつかのＩｎＧａＡｓ系化合物（たとえば、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ）は、光吸収のために従来使用された他の半導体に比べて、標準通信波長で非常に高い吸収係数を提供する。さらに、Ｇｅ膜に歪みを加えると、吸収帯域端を長い波長に移動させ、標準通信波長範囲（約１．５５μｍ）において吸収係数を著しく増加させることができることが分かった。インジウムガリウム窒化物（ＩｎＧａＮ）を使用する潜在的な利点は、高パワーレベルにおける装置の動作のための電力処理の利点に関連する。また、グラフェンは非常に高速キャリア輸送速度を提供することができるため、超高速の速度で装置を動作させながら、装置の量子効率をさらに向上させることができる。認識すべきことは、本明細書に記載された光伝導装置１０は、低欠陥材料または高欠陥材料を含むあらゆる適切な半導体材料を用いてもよく、上記の例示的な材料のいずれかに限定されるものではないことである。
【００１７】
光伝導装置の最大出力パワーを制限し得る熱制限を解決することは、適切な高出力のテラヘルツ波源の開発に有益であり得る。このような熱制限がなければ、光伝導体のテラヘルツ波出力パワーは、ポンプ出力レベルとともに二次的に増加し、非常に高いテラヘルツ波出力レベルを達成する可能性が大きくなる。以前の研究によれば、バルクＧｅおよびＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの熱伝導率は、それぞれ約０．５８Ｗｃｍ−１℃−１および０．０５Ｗｃｍ−１℃−１と測定されている。必要ではないが、半導体基板１２の頂部薄層３０は、０．１Ｗｃｍ−１℃−１以上の熱伝導率を有することが好ましい。欠陥の導入、特に、多層の界面に導入された欠陥は、成長した結晶性膜の熱伝導率に影響を与え、フォノンの平均自由行程を短くすることによって熱伝導率を低下させてしまうかもしれない。したがって、好ましくは、頂部薄層３０は、できるだけ高い熱伝導率を有する低ドープ、低欠陥の層である（しかしながら、頂部薄層が、高欠陥、短いキャリア寿命材料から構成される場合があるため、これは、必ずしも必要ではない）。
【００１８】
ゲルマニウム（Ｇｅ）から作られた頂部薄層３０の別の潜在的に魅力的な特徴は、シリコン（Ｓｉ）から作られた底部厚層３２との適合性、およびシリコン（Ｓｉ）工程とのプロセスの適合性（たとえば、低温処理能力）である。場合によって、このような能力は、高抵抗のシリコン（Ｓｉ）基板上にゲルマニウム（Ｇｅ）活性領域の薄層の成長を可能にし、よってテラヘルツ波長で伝搬損失を最小にすることができるため、重要であり得る。ゲルマニウム（Ｇｅ）層およびシリコン（Ｓｉ）層を有する例示的な半導体基板の実施の形態は、Ｓｉ上に高品質のＧｅ層を成長させるために、既存のエピタキシャル成長技術を利用してもよい。
【００１９】
例示的な半導体基板１２は、高抵抗Ｓｉ上に成長されたＧｅ膜の薄層を有することができる。これを達成するための１つの潜在的な技術は、当技術分野で知られているように、水素雰囲気において複数の成長およびアニールステップを経て、シリコン（Ｓｉ）上に貫通転位密度が低い高品質のゲルマニウム（Ｇｅ）を成長させる。この技術では、Ｇｅ薄膜は、Ｓｉ層上にヘテロエピタキシャル成長させられ、水素（Ｈ２）雰囲気においてより高い温度でその場アニールされる（in-situ  annealed）。これによって、表面粗さが９０％低減され、最初の数百オングストロームにおける応力緩和を促進する。その後のＧｅの成長は、仮想Ｇｅ格子上でのホモエピタキシャル成長であり、追加の欠陥が形成されず、成長膜が下地基板の結晶格子を引受ける。使用されたＧｅ成長技術の潜在的な利点は、得られた歪みＧｅ膜が、バルクＧｅと比べて、通信波長（たとえば、約１５５０ｎｍの波長）で一桁高い吸収係数を提供できることである。その理由は、ＳｉとＧｅとの間の熱膨張係数の不整合により生じた引張歪み（図３ａに示される）によって、ゲルマニウム（Ｇｅ）吸収スペクトルの赤方偏移（図３ｂに示される）が発生するからである。図３ｂは、引張歪みに起因するＧｅ吸収スペクトルの赤方偏移を示し、より具体的には、０．１６％の推定引張歪み下で成長したＧｅ層の実験吸収係数−光子エネルギーは、引張歪みによって吸収端が４７ｎｍ赤方偏移することを示している。図３ａは、Ｇｅ膜において二軸引張歪みによるバンドの変化を示している。図３ａ〜３ｂに示されたグラフの詳細について、A. K. Okyay, A. Nayfeh, T. Yonehara, A. Marshall, P. C. Mclntyre, K. C. Saraswat, "High Efficiency MSM Photodetectors on Heteroepitaxially Grown Ge on Si", Opt. Lett., 31, pp. 2565-2567, 2006を参照。重い正孔および軽い正孔の価電子帯の最大値が増大すると、ゾーン中心の伝導帯の最小値が減少する。引張歪みに起因して、直接バンドエネルギーが低減する。インジウムガリウムヒ化物（ＩｎＧａＡｓ）の場合、薄層を半絶縁性インジウムリン化物（ＩｎＰ）基板上のインジウムアルミニウムヒ化物（ＩｎＡｌＡｓ）バッファ層上にエピタキシャル成長させることができる。上記に列挙した製造技術のいくつかは、既知であり、当業者によって理解される。
【００２０】
アンテナ組立体
アンテナ組立体１４は、半導体基板１２上に作製され、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発する（光伝導波源）またはＴＨｚ放射を検出する（光伝導検出器）ために使用される。当業者は、あらゆる様々の光伝導テラヘルツアンテナの構成および配置が本明細書に記載された光伝導装置ととも使用することができ、かつ、このことは、いずれかの特定の実施形態に限定されないことを理解するであろう。たとえば、アンテナ組立体１４は、モノポールアンテナ、バタフライアンテナ、ダイポールアンテナ、スパイラルアンテナ、折返しダイポールアンテナ、対数周期アンテナ、ボウタイアンテナ、または当技術分野で知られている任意の他の適切な光伝導ＴＨｚアンテナ構成であってもよい。図１において、アンテナ組立体１４は、ダイポールアンテナとして示されている。図４は、ダイポールアンテナの代わりに、ボウタイアンテナ組立体３４を用いる光伝導装置１０の別の実施形態を示している。以下でさらに詳述するように、両方の実施形態において、アンテナ組立体は、数多くのプラズモン接触電極を用いて装置の性能を向上させる。
【００２１】
光伝導装置１０を光伝導テラヘルツ（ＴＨｚ）波源として実現するために、光伝導体組立体１６は、ＴＨｚアンテナと一体化されている。アンテナに供給される光生成電流の振幅は光伝導体活性領域に線形的に比例するため、小さなＲＣ時定数と高い放射耐性とを維持しながら、光伝導性領域を増加させるように、一連の密集したダイポールアンテナを設計することができる。アンテナ放射パラメータ、光伝導体の寄生成分および光伝導体活性領域に基づいて注入された電流量を組合わせることによって、例えば、最大の放射出力を得ることを目的としてアンテナアレイ構造を最適化するために、ＡＤＳおよびＨＦＳＳソフトウェアパッケージを用いることができる。
【００２２】
光伝導装置１０の出力パワーは、共振キャビティ、高い放射耐性と広い帯域幅を有するアンテナ、およびアンテナアレイを用いることと、適切なインピーダンス整合技術を用いることによって、さらに増強することができる。たとえば、「C.W. Berry, M. Jarrahi, "Principals of Impedance Matching in Photoconductive Antennas " Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 33, 1182-1189, 2012」により開示された技術、特徴および実施形態のいずれも本明細書に開示された例示的な光伝導装置に用いてもよい。その文献内容の全体は、参照により本明細書に組込まれる。
【００２３】
光伝導体組立体
光伝導体組立体１６は、同様に半導体基板１２上に作製され、半導体基板１２の光吸収領域（たとえば、層３０）へのポンプ吸収をプラズモニックに増強することによって光伝導装置１０の量子効率を改善するように設計されている。例示的な実施形態によれば、光伝導体組立体１６は、光伝導波源１０における光−テラヘルツ変換効率を増強するためにアレイ状に配置された数多くのプラズモン接触電極５０を含む。本明細書で使用された「プラズモン接触電極」は、光伝導体組立体の一部でありまたは光伝導体組立体に連結されるとともに、以下でより詳細に説明するように、電極により決められたサブ波長装置の活性領域への光結合を向上させる表面プラズモン波または表面波を励起し、さもなければそれを促進する任意の電極構造を広く意味する。。一実施形態において、プラズモン電極５０は、平行に配置された数多くの薄い指状電極を含む。プラズモン電極５０は、電極間にサブ波長の金属開口を形成するように、半導体基板１２の頂部層３０上に作製される。プラズモン増強は、密集したプラズモン接触電極５０を、ナノスケールの電極幅およびナノスケールの電極間隔（たとえば、約２００ｎｍ未満）を有する周期的な配列に構成することによって、達成される。これにより、光生成キャリアを超高速に収集することを可能にし、従来の光伝導体に比べて高い量子効率をもたらす。プラズモン接触電極５０は、アンテナ組立体１４から延在するように、アンテナ組立体１４と一体に形成されてもよく、別体のアレイまたは他の構造として別個に形成された後、アンテナ組立体に接続されてもよい。適切なプラズモン接触電極金属のいくつかの非限定的な例としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびそれらの各種合金が挙げられる。
【００２４】
当業者は、サブ波長接触電極の開口またはギャップへの光吸収は、一般的に回折限界によって厳しく制限されることを理解するであろう。しかしながら、周期的に配置されたプラズモン接触電極５０を有する光伝導体組立体１６は、表面プラズモン波を励起可能なようにサブ波長接触電極を構成することにより、回折限界を回避する。表面プラズモン波の励起は、周期的に配置されたプラズモン接触電極５０の上部で、入射光ビームの電界線（electric field lines）が曲がることを可能にし、よって入射光の励起が電極５０によって妨げられない。このことは、特に特定の実施形態において装置の活性領域の重要部分がプラズモン電極５０により覆われている場合に、かなり重要である。金属開口またはスリットを有するプラズモン電極を、広帯域テラヘルツ空間ビーム変調器において実施することができ、光伝導アンテナの効率／帯域幅積を増強する、プラズモニックに増強された光導電アンテナへの光の局在においても実施することもできるが、これらはまた可能性にすぎない。
【００２５】
以下で詳しく説明するように、プラズモン接触電極５０を光伝導体１６に組込むことにより、サブ波長の間隔を有する接触電極を透過する光ビームの透過量を著しく低減する特定の回折限界を克服することができる。その結果、光生成キャリアの超高速輸送は、量子効率に重大な制限を課すことはない。狭いバンドギャップを有する半導体装置、たとえばＧｅに対して、装置設計に関する課題の１つは、高い暗電流である。高い暗電流課題は、プラズモン接触の金属、特徴的な構造の大きさおよび形状を考慮して、非対称のプラズモン接触電極を使用することによって解決することができる。
【００２６】
励起された表面プラズモン波の概略図は、図４の拡大挿入図に示されている。電極の格子形状は、ＴＭ偏光の光ポンプの入射の際に、周期的な金属格子界面に沿って表面プラズモン波を励起するように設計されている。表面プラズモン波の励起は、光ポンプの大部分がナノスケール格子を通って光吸収半導体基板１２内に伝送されることを可能にし、プラズモン接触電極５０に非常に近接する光ポンプの強度を増強する。その結果、アノード電極またはアンテナ組立体１４の端子までの平均光生成電子輸送経路の長さは、従来の光伝導性エミッタに比べて大幅に減少される。したがって、光伝導体組立体１６にとって、電極間隔を最小化してアノード電極までの平均光生成電子輸送経路の長さを最小化しながら、光吸収半導体基板１２内への光ポンプ伝送を最適化することが望ましい。
【００２７】
図５を参照して、図面には、アンテナ組立体１４および光伝導体組立体１６が示されている。プラズモン接触電極アレイは、いくつかの拡大挿入図により詳細に示されている。図示のように、プラズモン接触電極５０の約半分は、第１アンテナ端子２４に電気的に連結され、第１アンテナ端子に光生成キャリアを提供する。プラズモン接触電極５０の他の半分は、第２アンテナ端子２６に電気的に連結され、第２アンテナ端子に光生成キャリアを提供する。任意部品である細長分離部材２８は、プラズモン電極を２つのグループに分離または区画する。プラズモン接触電極５０の半分は正のキャリアを収集し、他の半分は負のキャリアを収集する。プラズモン接触電極の間隔および構成は、図５に示された例示と異なってもよいが、プラズモン接触電極の間隔は、相当重要である。たとえば、アンテナ端末２４に接続されたプラズモン接触電極がアンテナ端子２６に接続されたプラズモン接触電極に近すぎると、静電容量に関連する問題が生じるか、またはプラズモン接触電極領域の全体に沿って光キャリアをプラズモン接触電極に超高速でドリフトさせるのに必要な十分に高い電界レベルを妨げる可能性がある。また、光伝導体組立体１６が互いの間に間隔を有するプラズモン接触電極のセグメントまたはクラスタに区画または配置されることが示されているが、これは必須ではない。
【００２８】
図６は、多少異なる光伝導体組立体設計を有する光伝導波源の別の潜在的な実施形態を示している。光伝導装置１１０は、半導体基板１１２と、アンテナ組立体１１４と、光伝導体組立体１１６と、レンズ１１８とを含む。光伝導装置１１０は、光伝導体組立体が多数の十字形プラズモン接触電極１３０を含むことを除き、図１に示された実施形態と同様である。光伝導体組立体１１６は、本明細書に開示される他の光伝導体組立体と同様に、プラズモン開口として機能することができ、以下の形状を有するさまざまな幾何学的形状および構成を有するナノスケール開口の二次元アレイであり得る：格子状、矩形、十字形、Ｃ字形、Ｈ字形、スプリットリング共振器、円形穴、または長方形穴（図６に示されたものは、十字形である）。
【００２９】
光吸収半導体の内部に埋め込まれた高アスペクト比のプラズモン接触電極を使用することは、数多くのキャリアを光伝導体接触電極の近傍で発生させることを可能にし、したがってテラヘルツ放射をさらに増強させることができる。よって、プラズモン電極の高さを光ポンプ吸収深さよりも大きい寸法に延長すると、光キャリアの大多数を光伝導接触電極に超高速で輸送することを可能にし、テラヘルツ波の発生に効果的に寄与することができる。したがって、光伝導性エミッタのＤＣ電流を抑制するためおよび連続波光伝導エミッタにおいて望ましくない弱め合う干渉を防止するために使用され得る短キャリア寿命の半導体を使用する必要性を排除することができる。高品質の結晶半導体に比べて低キャリア移動度および低熱伝導率を有する短キャリア寿命半導体を使用する必要性を排除することは、将来の高出力、高効率の光伝導テラヘルツ波エミッタに重要な影響を与えることができ、特殊な機能を有する光吸収半導体に基づく新世代の光伝導テラヘルツ波エミッタ（たとえば、優れたキャリア移動度を有するグラフェン系の光伝導性エミッタ、または優れた熱伝導率を有するＧａＮ系光伝導性エミッタ）につながる可能性もある。
【００３０】
図７ａは、上述したように、数多くの二次元プラズモン接触電極５０を有する光伝導体組立体を示す。図７ｂ〜ｃは、数多くの三次元プラズモン電極１５０を有する光伝導体組立体を示す。本明細書中に記載された「二次元プラズモン接触電極」は、一般的に、非常に薄くて、幅寸法または長さ寸法に対して小さい高さ寸法を有するプラズモン電極（図７ａに概略的に示された例を参照）を指す。本明細書に記載された「三次元プラズモン接触電極」は、一般的に、はるかに厚くて、幅寸法または長さ寸法に対してより大きい高さ寸法を有するプラズモン電極（図７ｂに概略的に示された例を参照）を指す。三次元プラズモン接触電極は、二次元の電極に比べてより大きい量で半導体基板の表面から延在するため、高アスペクト比を有すると記載される場合がある。これらのプラズモン接触電極配置は、従来の設計に比べて、テラヘルツ波の放射を１桁以上に増強した。光吸収基板における光生成キャリア密度と、電界データと、マルチフィジックス有限要素解法（ＣＯＭＳＯＬ）における伝統的なドリフト拡散モデルとを組合わせて、光ポンプインパルスに応じて誘起された光電流を計算することによって、分析対象とした図示の二次元および三次元のプラズモン接触電極を有する光伝導体のインパルス応答およびインパルス応答性に関して、いくつかの見積もりが得られた。これらの見積もりは、三次元プラズモン接触電極（図７ｂ〜７ｃ）を有する光伝導テラヘルツ波エミッタが、二次元プラズモン接触電極を有する類似の光伝導装置（図７ａ）に比べて、テラヘルツ波出力を２桁以上に増強していることを示している。したがって、三次元プラズモン接触電極１５０を有する光伝導テラヘルツ波エミッタは、同一の動作条件下で、プラズモン接触電極を備えない従来の光伝導テラヘルツ波エミッタに比べて、４桁以上大きなテラヘルツ放射を提供することができる。
【００３１】
前述の実施例は、単にいくつかの可能性を説明することを意図しているため、他の光伝導体組立体およびプラズモン接触電極の実施形態もまた、本明細書に開示された光伝導装置１０とともに使用することができる。
【００３２】
他の部品、配置および特徴的な構造など
装置の性能および操作性などを向上させるために、光伝導装置１０は、さまざまな他の光学部品および非光学部品を含んでもよい。たとえば、より高い量子効率およびより高いテラヘルツ波出力を達成するために、特殊設計の光学拡散器、一次元または二次元のレンズのアレイが使用され、光の入力またはポンプビームを導光する。そのため、大量のアレイ光伝導装置を採用しつつ、光の入力またはポンプビームは、光伝導体組立体１６の活性領域のみに入射され、ＴＨｚ放射に寄与しない装置の残り領域に浪費されない。
【００３３】
使用することができるの別の潜在的な特徴は、誘電体パッシベーション層である。この誘電体パッシベーション層は、半導体界面でフレネル反射を低減し、したがって光吸収半導体基板への光ポンプ伝送を増強することができる。従来の光伝導体において、光吸収半導体への光ポンプ伝送は、ポンプ波と半導体界面との間の直接的な相互作用による結果であるのに対し、本明細書において説明したプラズモン電極を有する光伝導体において、光吸収半導体への光ポンプ伝送は、励起された表面プラズモン波との結合を含んでいる。プラズモン光伝導体の場合には、パッシベーション層の厚さは、光吸収半導体への光伝送を１００％まで達成するように最適化することができる。図８は、適切なパッシベーション層１６０の非限定的な一例を示している。図において、ＳｉＯ２パッシベーション層（たとえば、厚さ１５０ｎｍ）が、プラズモン接触電極を有する現行の光伝導体とともに使用される。パッシベーション層１６０を用いてプラズモン電極５０を完全に封入してもよく（図示のように）、または、プラズモン接触電極５０がパッシベーション層を通って延在するように、パッシベーション層を用いて半導体基板１２の上面のみを覆ってもよい。パッシベーション層１６０は、ＳｉＯ２以外の適切な材料、たとえばＳｉＮまたはＳｉ３Ｎ４などを多数含んでもよい。
【００３４】
提案された光伝導装置１０とともに、低抵抗のバイアスネットワークを使用してもよい。このようなバイアスネットワークは、比較的高い暗電流を有する低バンドギャップエネルギー半導体（たとえば、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ）を用いた場合に、特に有用であり得る。
【００３５】
上記のように、光伝導装置１０は、光伝導テラヘルツ検出器として使用することもできる。光伝導テラヘルツ波エミッタと同様に、従来の光伝導テラヘルツ検出器の主な制限は、低応答性および低感度であり、これは、典型的には、従来の光伝導体の高量子効率と超高速動作との間の固有のトレードオフの結果である。本明細書に記載されたプラズモン接触電極構造の別の潜在的な利点は、光伝導体の接触電極までの光生成キャリアの輸送経路を減少させることによって、従来の光伝導テラヘルツ検出器に比べて、著しく高くなった応答性および検出感度を提供することである。さらに、光伝導体の寄生容量を大幅に増大させることなく、装置の活性領域を大きくすることができるため、より高い光ポンプ出力レベルでより高い検出器の応答性を達成することができる。光伝導テラヘルツ検出器の試作品の性能は、時間−領域テラヘルツ分光装置構成により特徴付けられる。一部の実験結果は、プラズモン接触電極を組込むことよって、検出器の応答性を２桁以上高めることができることを示している。
【００３６】
動作
光伝導波源１０の動作は、光吸収半導体基板１２において電子正孔対を生成する入射光ポンプに基いている。生成されたキャリアは、光伝導体組立体１６に印加された電圧によって、対応するプラズモン接触電極５０に向かってドリフトされる。プラズモン接触電極５０において収集された光電流は、テラヘルツアンテナ組立体１４を駆動する。テラヘルツアンテナ組立体１４は、光伝導体組立体１６に接続されているか、さもなければ光伝導体組立体１６と一体化されている。生成された光電流が光ポンプの波形と同様であるため、サブピコ秒光パルスを使用するまたはテラヘルツ周波数分の周波数が異なる２つの連続波光ビームにヘテロダイン処理を施すことによって、それぞれ、パルスまたは連続波テラヘルツ電流は、テラヘルツアンテナ組立体１４に結合される。所望のテラヘルツ周波数領域において効率的に動作させるために、光生成キャリアをプラズモン接触電極５０に輸送する時間は、テラヘルツ振動周期の逆数であるべきである。
【００３７】
光伝導波源１０は、サブピコ秒の応答時間を示し、長いキャリア寿命または短いキャリア寿命の半導体基板とともに、高品質の結晶系半導体基板１２上に作製することができる。光伝導波源１０の超高速応答は、入射光の大部分を光伝導体組立体１６のプラズモン接触電極５０の近傍に集中させる表面プラズモン波の励起に起因し、したがって光伝導体の量子効率を大きく犠牲にすることなく、光生成キャリアの超高速収集を可能にする。一実施形態において、超高速光伝導波源１０は、高品質の結晶性半導体から作られた光吸収半導体基板１２と、格子状のプラズモン接触電極を有する光伝導体組立体１６とを含む。格子の周期またはピッチと電極の間隔または開口の大きさとは、入射光ビームの波長よりも著しく小さい。したがって、金属格子表面で表面プラズモン波を励起することができる。励起された表面プラズモン波は、入射光をサブ波長の格子開口を通って光吸収半導体基板１２内に効率的に伝送することを支援する。さらに、伝送された光波の強度は、プラズモン接触電極５０の近傍で増強されるため、光生成キャリアをプラズモン接触電極に輸送する平均時間を短縮し、高量子効率および超高速動作を同時に可能にする。
【００３８】
正孔に比べて電子が著しく高い移動度を有するため、および接触電極付近のバイアス電界が非線形的に増加するため、光ポンプまたは光源をアンテナ組立体１４のアノードコンタクトに非対称的に接近している光伝導体組立体１６の光伝導ギャップ上に集光させ、テラヘルツ放射を最大化することができる。言い換えると、本明細書に記載の光伝導装置１０は、光源がアンテナ組立体１４の接触電極の一方をポンプするように非対称的にポンプされてもよく、光源がアンテナの接触電極の両方をポンプするように対称的にポンプされてもよい。
【００３９】
要約すると、光伝導波源１０は、ナノスケールのプラズモン接触電極５０を有する光伝導体組立体１６を含む。プラズモン接触電極５０は、光生成キャリア輸送経路を著しく低減し、従来の光伝導テラヘルツ波源の効率を制限し得る短キャリア寿命の基板を必要とせずに超高速動作を可能にする。高量子効率を維持しながら超高速動作を達成する能力は、将来の高出力テラヘルツ波エミッタにとって有用である。以下では、光伝導装置１０に関する他の潜在的な局面およびその動作を論ずる。
【００４０】
製造
以下の説明は、製造または作製工程に関し、３次元プラズモン接触電極およびガリウムヒ化物（ＧａＡｓ）半導体基板が使用される特定の非限定的な実施形態に向けられている。既に何度も述べたように、光伝導装置は、これに限定されず、本明細書に記載されたあらゆるさまざまな特徴および実施形態を含むことができる。この例示的な作製工程は、ＳｉＯ２膜の堆積から始まり、その後、ナノスケールのＧａＡｓ格子をエッチングするための硬質マスクを形成するために、ナノスケール金属格子（たとえば、Ｎｉ）をパターン化する。その後、ＳｉＯ２膜およびその下にあるＧａＡｓ基板は、金属硬質マスクに従ってエッチングされる。Ｔｉ／Ａｕをスパッタリングし、続いてリフトオフすることによって、プラズモン接触電極を形成することができる。最後に、ＧａＡｓ格子の上面を覆うように、誘電体（たとえば、ＳｉＯ２）パッシベーション層を堆積させることができる。
【００４１】
集束イオンビームを用いて、高アスペクト比を有する厚いフォトレジスト層をパターン化してもよい。数多くの光伝導体アレイ用に、より良い均一性およびより速いパターン化速度を達成するために、ナノインプリンティング、セルフアセンブリ技術および集束イオンビームを用いてもよい。
【００４２】
代わりに、あらゆる他の製造または作製工程を使用できることは、当業者にとって理解できるであろう。
【００４３】
テスト、シミュレーション、発見および装置構成など
以下の段落および段落に参照される図面は、光伝導波源１０の例示的な実施形態の異なるテスト、シミュレーション、発見および装置構成などを記載し、装置のさまざまな動作態様を説明することを意図している。これらのテストおよびシミュレーションに利用される具体的な実施形態は、限定することを意図せず、本発明の光伝導装置の異なる特徴または態様をさらに説明または例示するために提供される。
【００４４】
超高速光伝導体において誘起された光電流および光伝導テラヘルツ波エミッタから放射されたテラヘルツ波出力を増強するというプラズモン接触電極５０のインパクトは大きい。同様に、パルス波動作時および連続波動作時に、櫛形接触電極を有するまたは有しないさまざまなテラヘルツアンテナおよび大面積の光伝導装置を備える光伝導テラヘルツ波エミッタからの放射パワー、および、櫛形接触電極を有するまたは有しないさまざまなテラヘルツアンテナおよび大面積の光伝導装置を備える光伝導テラヘルツ検出器の検出感度を増強するために、この増強構想を適用することができる。言い換えると、本明細書に開示されたさまざまなプラズモン接触電極は、異なる半導体基板、アンテナ組立体、光伝導体組立体、レンズおよびバイアスネットワークを含む多種多様の他の部品とともに、使用することができる。
【００４５】
提案された光伝導装置１０の１つの潜在的な利点は、任意の大きさの装置領域への光伝送をプラズモニックに増強することができるという拡張可能性である。その理由は、装置の容量性寄生が放射アンテナの長さに沿って分布しているため、周波数の関数としてのアンテナ効率およびアンテナインピーダンス整合はいずれも低下しない。密集した接触電極を有する超高速分布型光伝導体の量子効率を増強するために、類似のプラズモン電極構成を使用することができる。
【００４６】
提案された光伝導装置１０のさらに別の潜在的な利点は、プラズモン接触電極領域付近の光生成キャリア濃度を増強し、その結果、量子効率を改善することである。
【００４７】
提案された光伝導装置１０のの別の局面は、キャリア遮蔽効果を抑制する能力を含んでいる。遮蔽効果は、高ポンプ強度のときに生じ始める。この時、小さい領域に蓄積された数多くの光生成キャリアは、キャリアドリフト電界を遮蔽する。キャリア遮蔽効果を抑制するために、遮蔽電界がキャリアドリフト速度を低下させることによって光伝導体テラヘルツ電流を減少させ始める強度を最大ポンプ強度として決定する。光伝導体の全体寸法を、所定のポンプ出力においてポンプ強度がこの最大ポンプ強度を超えないように選択することができる。ポンプ結合効率、ポンプ／テラヘルツ波伝搬損失、およびポンプ／テラヘルツ波速度整合要件は、従来の光伝導装置の最大テラヘルツ波出力パワーを制限する重要な障害となっている。当業者に理解されるように、光伝導体へのポンプの結合および光伝導体からのテラヘルツの分離が自由空間中で並行して行われているため、光伝導波源１０は、進行波分布型光伝導体に関連する同じ制限に直面しない。
【００４８】
キャリア遮蔽効果および熱影響を抑制するために、光伝導波源１０は、高出力光ポンプを、プラズモン接触電極または素子の二次元アレイからなる比較的大きな光伝導活性領域上に広げる。従来の設計では、大きな光伝導活性領域からの容量負荷は、ＲＣロールオフのため、放射アンテナに連結される光生成テラヘルツ電流を大きく制限する。この制限を解決するために、光伝導波源１０は、アンテナ組立体１４に沿った分布型容量性負荷として光伝導体組立体１６を一体化している。
【００４９】
他のテラヘルツ波源と比較した、光伝導装置１０のさらに他の潜在的な利点は、装置の周波数が広範囲で連続的に可変であることである。ほとんどの他の光伝導テラヘルツ波源と同様に、プラズモン接触電極５０を有する光伝導波源１０の周波数可変範囲は、使用されるテラヘルツアンテナの放射帯域幅によって決定される。
【００５０】
光伝導装置１０の別の潜在的な局面によれば、二次元プラズモンアレイ上に光ポンプを広く分布させることは、指向性が高い出力を有するテラヘルツ波ビームを達成することに役立ち得る。提案された光伝導装置１０の高指向性放射パターンは、特にテラヘルツをコリメート／集束する部品の使用が制限され得るテラヘルツ波リモート検知および遠隔化学検出応用に対して望ましい。また、光伝導装置１０から出力されるテラヘルツ放射を、光伝導体素子に印加されたバイアス電圧Ｖｂｉａｓ（ｉ）の特定の分布によって、制御可能に偏向させることができる。
【００５１】
提案された光伝導装置１０の別の望ましい局面は、１０６５ｎｍおよび１５５０ｎｍ波長でまたはその付近での高効率動作である。波長１５５０ｎｍおよび１０６５ｎｍ付近の通常の光ファイバ遠距離通信帯域において、外部共振器型ダイオードレーザ（ＥＣＤＬ）などの純スペクトルダイオードレーザ光源の出力を数十ワットまで高めることができる小型のエルビウム添加光ファイバ増幅器およびイッテルビウム添加光ファイバ増幅器が開発されている。ファイバレーザの高い可変性（たとえば、数十ｎｍ程度）は、連続広帯域（たとえば、数ＴＨｚ）のスペクトル測定を可能にし、ファイバレーザの狭いスペクトル線幅（たとえば、１ＭＨｚ未満）は、密集した吸収線（たとえば、数十ＭＨｚ程度の間隔）を有する化学物質の正確な同定を可能にする。さらに、光ファイバは、体積を非常に小さくするとともに振動に対する感度を最小にしながら、周波数がオフセットされた２つのレーザを組合わせるために理想的である。提案された光伝導体を特徴付けるために、ＩＰＧフォトニクス社により市販されている２つのエルビウムファイバレーザ（ＥＬＴシリーズ）を光源として使用してもよい。このレーザは、１５４０〜１６０５ｎｍの波長可変範囲、３００ＫＨｚ未満のスペクトル線幅、３０分間にわたって０．１ｎｍ未満の波長安定性および０．１ｄＢの出力安定性を有する最大２５Ｗの出力パワーを提供する。これは、あくまで例に過ぎず、代わりに他の光源を使用してもよい。
【００５２】
再び図８を参照する。図８は、有限要素解法ＣＯＭＳＯＬによって計算された、ＴＭ偏光の光ビーム（λ＝１５５０ｎｍ）が、薄いＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ基板上に設けられた金の接触格子（ピッチ＝１２０ｎｍ、金属幅＝６０ｎｍ）を有する光伝導体と相互作用する様子を示している。（光出力の流れ方向を表す）矢印は、伝播光線が金属格子の上面でどのように曲がって、光吸収基板と高効率に結合されるかを示している。図８に示すように、光ビームは、金属格子の角部付近に局所的に集中しており、その結果、光伝導体接触電極のすぐ近傍において非常に高濃度の光生成電子−正孔対が生成される。図９ａに示されるように、格子の光透過スペクトルは、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓが吸収するとともにＩｎＰ基板が透明である波長において、広帯域である。１５５０ｎｍ波長において、５％を超える入射光の出力は、厚さ６０ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層に吸収される。残りの光出力は、追加の加熱をもたらすことなく、透明基板を通過する。図９ａは、金の格子（ピッチ＝１２０ｎｍ、金属幅＝６０ｎｍ、高さ＝２０ｎｍ）を通過して、ＩｎＰ基板上に設けられた厚さ６０ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層への光伝送および外部量子効率を示している。
【００５３】
図９ｂを参照して、光キャリアが０．４Ｖのバイアス電圧下においてバイアス電界線に沿って移動すると仮定すると、分析される光伝導体の光電流インパルス応答は、基板内の光強度分布を用いて算出することができる。比較用の基準値として、従来の光伝導体の光電流インパルス応答は、３００ｆｓのキャリア寿命を有する無限に厚い光吸収Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ基板上に作製された、２μｍの接触格子ピッチおよび０．０５のデューティサイクルを有するものを用いて計算される。光電流インパルス応答は、光伝導体の活性領域によって正規化され、図９ｂに示されている。従来の光伝導体に比べて、プラズモン接触電極５０を有する光伝導体源１０は、一桁高い光電流インパルス応答を提供できる。したがって、多数のプラズモン接触電極５０を有する光伝導体組立体１６をアンテナ組立体１４と一体化することは、既存の光伝導テラヘルツ波源よりも著しく高いテラヘルツ波出力を提供することができる。さらに、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓのような特定の半導体基板材料を利用すると、光伝導波源１０を広く利用可能な遠距離通信ファイバレーザおよび部品に適合させることができる。したがって、光伝導波源１０は、光伝導テラヘルツ波の実用的生成に非常に有望であり、超高速動作および高量子効率動作を同時に可能にする。
【００５４】
図１０ａ〜１０ｂは、ＩｎＧａＡｓではなくゲルマニウム（Ｇｅ）からなる頂部薄層３０を含む半導体基板への光ポンプ透過率をプラズモニックに増強する類似例を示す。より具体的には、図１０ａは、様々な光学波長においてプラズモン接触電極５０の幾何学的形状がゲルマニウム（Ｇｅ）層へのＴＭ偏光された光学励起の伝送にどのように影響するかを示している。厚さ２０ｎｍの金属に対し、プラズモン接触電極の電極幅および間隔を１００ｎｍ未満にすれば、１５５０ｎｍの波長において５０％超の透過率が期待できる。最大の透過率は、半導体−空気界面での反射により制限される。一方、図１０ｂは、１５５０ｎｍのポンプ波長において６０ｎｍの電極幅および間隔を有するプラズモン接触電極５０の周期的配列に沿った光出力密度分布の断面図を示している。図１０ｂは、ゲルマニウム（Ｇｅ）層３０への高透過率を達成するために、ＴＭ偏光の光学場線（optical field lines）が金属電極の上でどのように曲げられるかを示している。非常に厚い金属電極を用いることによって、最大１００％の透過率を提供するプラズモン電極を構成することが可能である。
【００５５】
次に図１１を参照する。図１１は、接合部の加熱による光伝導体量子効率の低下を防止するために、光伝導体活性領域を光ポンプ出力の関数としてどのように変化させるかを示すグラフである。高ポンプ出力レベルにおける装置出力パワーの低下を防止するために、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）から作られた頂部薄層３０の接合部温度が最大接合部温度（たとえば、ＴＪｍａｘ＝２００℃）を超えないように半導体基板１２を設計することができる。接合部温度が最大接合部温度を超えると、急速な低下および装置故障が発生し得る。よって、最大光ポンプ出力を装置の露出面積の関数として定義することが可能である。光伝導体加熱に関する以前のいくつかの研究によると、ジュール加熱ＰＱ、および接合部温度Ｔｊは、以下の式で概算することができる。
【００５６】
【数１】
2015513067.tif 000003
【００５７】
式中、Ｔ０：周囲環境の温度、ｋ：バルク熱伝導率、Ａ：光伝導体活性領域、Ｐｏｐｔ１、Ｐｏｐｔ２：周波数がオフセットされた２つのレーザからの入射光出力、Ｒ：光伝導体応答性（例示的な実施形態の１つにおいて、０．６５であると測定された）、ＶＢ：接触電極またはプラズモン接触電極５０間のバイアス電圧（光伝導体量子効率が最大のときに、ＶＢは、ＥＢｗと概ね等しい）、ＥＢ：Ｇｅの破壊電界、ｗ：光伝導体における接触電極またはプラズモン接触電極５０の間隔。
【００５８】
図１１は、接合部の加熱による光伝導体の量子効率の低下を防止するために、光伝導体の活性領域を光ポンプ出力の関数としてどのように変化させるかを示す図である。この例では、接合部温度が２００℃未満に維持されている。（プロット６０により示される）高欠陥ＩｎＧａＡｓ系光伝導体に比べて、（プロット６２により示される）Ｇｅ系光伝導体の方が、同様に分布された活性領域に対し、装置の量子効率を低下させることなく、一桁高い光ポンプ出力を可能にする。その理由は、特定の高欠陥半導体化合物において、熱伝導率が著しく低くなるからである。
【００５９】
図１２ａ〜１２ｂは、光生成テラヘルツ電流をテラヘルツ放射ダイポールアンテナ組立体に結合させるプロセスおよび期待されるテラヘルツ波出力パワーをまとめたものである。短時間キャリア寿命の半導体に基づく従来の光伝導テラヘルツ波源の量子効率の制限に対処するために、光伝導波源１０は、ナノスケール光伝導体接触電極格子を用いて、超高速動作および高量子効率動作を同時に達成する。この光伝導テラヘルツ波源は、短いキャリア寿命半導体基板の使用を回避し、高品質の結晶基板の使用を可能にする。図１２ａは、短キャリア寿命の光吸収半導体に基づく従来の光伝導テラヘルツ波エミッタの動作を示す模式図である。図１２ｂは、高品質の結晶基板上に設けられたナノスケール接触電極格子に基づく光伝導波源１０の一実施形態を示す。
【００６０】
図１２ｂは、ナノスケール接触電極格子に基づく光伝導波源１０の例示的な実施形態の概略図およびその動作を示している。光伝導体接触電極は、ダイポールテラヘルツアンテナの入力ポートに接続された２列のナノスケール金属格子からなる。格子の周期（２００ｎｍ）および金属の間隔（１００ｎｍ）は、入射ポンプの波長よりも小さくなるように選択される。したがって、格子の幾何学的形状は、周期的な金属格子界面に沿って表面波を励起することによって、光を金属格子を通って光吸収活性領域に効率的に伝送し得るように設計することができる。約２μｍの接触電極間隔を有する従来の光伝導テラヘルツ波源に比べて、接触電極格子のナノスケール間隔は、光伝導体接触電極までの光生成キャリア輸送経路を著しく減少させる。また、２つのナノスケール金属格子配列を２μｍに分離すると、テラヘルツアンテナに対する容量性負荷が低く保たれる。さらに、周期的な金属格子界面に沿って表面波を励起すると、伝送された光ポンプの強度が接触電極の角部付近において著しく増強され、光生成キャリアを接触電極に輸送する平均時間をさらに短縮する。したがって、欠陥が誘起された短キャリア寿命の半導体を使用することなく、高量子効率を維持しつつ、超高速の光伝導体動作を実現することができる。
【００６１】
図１２ｃは、ＴＭ偏光の１５５０ｎｍ光ポンプの光吸収を増強させるために設計されたナノスケール格子を示している。この光の波長は、市販されている高出力、波長可変および小型の光源を使用することができる光ファイバ通信波長との適合性によって選択された。１５５０ｎｍのポンプ波長において高い光吸収を達成するために、光吸収半導体として、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓが選択される。２００ｎｍの周期、１００ｎｍの金属間隔および５０ｎｍの金属厚さを有する金の格子を使用すると、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ光吸収領域への入射光ポンプの伝送効率を６５％超にすることができる。テラヘルツ波の生成に寄与しない半導体深部領域において光キャリアが生成するのを妨げることによって、装置の応答時間をサブピコ秒に維持しかつＤＣ光電流を低く維持するように、ＩｎＰ基板上に設けられたＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ光吸収層（６０ｎｍ）の厚さは選択される。設計された光伝導体の断面における光生成キャリアの濃度および光電力の流れが図１２ｃに示される。励起された表面波は、金属−誘電体の界面に存在するため、金の電極の角部付近の領域は、最も多くのキャリア生成を示す。キャリアが電極に近接することによって、キャリア輸送の平均時間が短縮される。
【００６２】
図１２ｄでは、光生成キャリアのプロファイルをバイアス電界の影響下におけるキャリア輸送ダイナミクスに組み合わせることによって、設計された光伝導体において光学インパルスによって生成されたインパルス応答電流が計算されるとともに、０．３ｐｓのキャリア寿命を有する無限に厚いＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ基板上に作製され、２μｍの接触格子ピッチおよび１００ｎｍの金属幅を有する従来の光伝導体のインパルス応答電流と比較されている。その結果は、同一の光伝導体活性領域および同一の光ポンプ強度において、ナノスケール接触電極格子に基づく光伝導体（プロット７０で示す）が従来の光伝導体（プロット７２で示す）に比べて、一桁高いインパルス応答電流を与えることができることを示している（図１２ｄ）。プロット７０は、設計された（厚さ６０ｎｍのＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ活性層上に作製され、２００ｎｍの格子ピッチと１００ｎｍの幅と５０ｎｍの厚さとを有するＡｕ格子を備える）光伝導体のインパルス応答電流の計算値を示しており、プロット７２は、従来の（０．３ｐｓのキャリア寿命を有する無限に厚いＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ基板上に作製され、２μｍの接触格子ピッチと１００ｎｍの金属幅とを備える）光伝導体のインパルス応答電流の計算値を示している。
【００６３】
例示的な光伝導テラヘルツ波源の周波数可変範囲は、採用されたダイポールアンテナの放射帯域幅によって決定される。異なるダイポールアンテナ長さまたはより広い放射周波数を有する他のアンテナ構成（たとえば、ボウタイアンテナ、スパイラルアンテナおよび対数周期アンテナ）を有するプラズモン光伝導体アレイ素子を用いて、提案された光伝導体の動作帯域幅を拡張することが可能である。
【００６４】
図１３は、ダイポールアンテナアレイに基づく例示的な光伝導波源１０の平均テラヘルツ波出力パワーを放射周波数の関数として示し、広いテラヘルツ周波数において最大出力パワーになるように最適化された検証用の光伝導波源のテラヘルツ波出力パワーとの比較を示している。１．５５μｍ波長において２５Ｗのポンプ出力を有する周波数がオフセットされた２つの光ポンプを用いる場合、１ＴＨｚにおいて１５．５ｍＷの最大テラヘルツ波出力パワーおよび（０．８ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚ）周波数範囲にわたって１ｍＷ超の出力パワーが期待される。期待される出力パワー（プロット８０）は、約１ＴＨｚ周波数領域において、以前に検証された光伝導波源よりも４桁以上高くなる。また、図１３は、提案された光伝導体のテラヘルツ波出力パワーが、光ポンプ出力の関数として二次的に増加することを示している。非常に高い光ポンプ出力において、光伝導体活性領域は、熱影響とキャリア遮蔽効果とを抑制することを確実にし、テラヘルツ波出力パワーを光ポンプの関数として二次的に変化させることを可能にするようにスケーリングすることができる。図１３において、最大の放射は、最大アンテナ放射抵抗を提供する共振周波数において発生する。潜在的な光源は、市販されている光ポンプ用の小型で携帯可能な光源を含む。
【００６５】
図１４は、光伝導波源１０を特徴付けるための例示的な装置構成を示す。周波数がオフセットされた２つのレーザ９０は、３ｄＢのファイバカプラによってファイバ９２内で混合される。ファイバに結合されたコリメータ９４は、光ビームを光伝導波源１０に集束させるために使用される。１０Ｗを超えるポンプ出力に対して、ファイバの融解を防止するため、自由空間結合を用いてもよい。出力されたテラヘルツビームは、５ｍｍの半径および１．７６ｍｍのセットバックを有する超半球シリコンレンズ１８を介して自由空間に結合され、焦電検出器により検出される。焦電光検出器の低周波ノイズを除去するために、チョッパとロックインアンプを使用することができる。図１５は、本明細書に記載されたプラズモン分布型光伝導体に基づく小型、高コスト効率、高出力、波長可変の次世代光伝導波源１００の１つの可能な実施形態を示している。
【００６６】
図１６ａ〜１６ｄは、従来の光伝導テラヘルツ波源をナノ間隔で離れた複数のプラズモン接触電極を有する光伝導波源１０と比較する図である。図１６ａは、４０Ｖのバイアス電圧およびさまざまな光学ポンプ出力において、プラズモン光伝導体エミッタおよび従来のテラヘルツ波エミッタから測定されたテラヘルツ放射を示す図である。挿入図の曲線は、対応する光電流を示している。エラーバーは、焦電テラヘルツ検出器のノイズに関連する。図１６ｂは、プラズモンテラヘルツ波エミッタおよび従来のテラヘルツ波エミッタから測定されたテラヘルツ放射を収集された光電流に対して作成された図である。プロットで示されたデータは、さまざまな光ポンプ出力（５〜２５ｍＷ）の下でさまざまなバイアス電圧（１０〜４０Ｖ）を含む。図１６ｃは、相対的なテラヘルツ波出力の増強を示している。この相対的なテラヘルツ波出力の増強は、従来のテラヘルツ波エミッタによって放射されたテラヘルツ波出力に対する、プラズモンテラヘルツ波エミッタによって放射されたテラヘルツ波出力の比として定義される。最大の増強は、キャリア遮蔽効果が開始する前の低い光出力において得られる。図１６ｄは、１００ｍＷの光ポンプにおいて、プラズモンテラヘルツ波エミッタおよび従来のテラヘルツ波エミッタから測定された最大テラヘルツ波出力を示している。各装置のバイアス電圧は、装置の破壊点まで増加される。
【００６７】
理解すべきことは、前述の記載は、本発明を明確に定義するではなく、本発明の１つ以上の好ましい例示的な実施形態を説明するためであることである。本発明は、本明細書に開示された特定の実施形態に限定されるではなく、むしろ以下の特許請求の範囲によって定義される。また、上記の説明に含まれる陳述は、特定の実施形態に関連し、上記で明確に定義される場合を除き、本発明の範囲または特許請求の範囲に使用される用語の定義を限定するものとして解釈されるべきではない。他の実施形態および開示された実施形態に対するさまざまなさまざまな変更および修正は、当業者には明らかになるであろう。このような実施形態、変更および修正のすべては、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。
【００６８】
本明細書および特許請求の範囲において使用されたように、「たとえば」、「例として」、「．．．のような」および「など」の用語、「備える」、「有する」および「含む」などの動詞および他の動詞形は、１つ以上の構成要素または他の項目の列挙と併せて使用される場合、それぞれがオープンエンドとして解釈されるべく、他の追加成分または項目を排除するものとしてみなされるべきではないことを意味する。その他の用語は、異なる解釈を必要とする文脈で使用されていない限り、それぞれ最も広い妥当な意味を用いて解釈されるべきである。
【図１】
2015513067.tif 000004
【図２】
2015513067.tif 000005
【図３ａ】
2015513067.tif 000006
【図３ｂ】
2015513067.tif 000007
【図４】
2015513067.tif 000008
【図５】
2015513067.tif 000009
【図６】
2015513067.tif 000010
【図７ａ】
2015513067.tif 000011
【図７ｂ】
2015513067.tif 000012
【図７ｃ】
2015513067.tif 000013
【図８】
2015513067.tif 000014
【図９ａ】
2015513067.tif 000015
【図９ｂ】
2015513067.tif 000016
【図１０ａ】
2015513067.tif 000017
【図１０ｂ】
2015513067.tif 000018
【図１１】
2015513067.tif 000019
【図１２ａ】
2015513067.tif 000020
【図１２ｂ】
2015513067.tif 000021
【図１２ｃ】
2015513067.tif 000022
【図１２ｄ】
2015513067.tif 000023
【図１３】
2015513067.tif 000024
【図１４】
2015513067.tif 000025
【図１５】
2015513067.tif 000026
【図１６ａ】
2015513067.tif 000027
【図１６ｂ】
2015513067.tif 000028
【図１６ｃ】
2015513067.tif 000029
【図１６ｄ】
2015513067.tif 000030
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月25日(2014.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発するまたは検出するための光伝導装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に作製されたアンテナ組立体と、
前記半導体基板上に作製され、前記アンテナ組立体に結合された光伝導体組立体とを備え、前記光伝導体組立体は、１つ以上のプラズモン接触電極を含み、
前記光伝導装置は、少なくとも１つの光源からの光入力を受光し、前記光伝導装置の量子効率を改善するために前記プラズモン接触電極を用いる、光伝導装置。
【請求項２】
前記光伝導装置は、前記半導体基板上に形成された誘電性パッシベーション層をさらに備え、
前記誘電性パッシベーション層は、前記１つ以上のプラズモン接触電極の少なくとも一部を封入し、前記半導体基板への光ポンプの伝送を増強する、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項３】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、サブ波長の周期性、電極幅および電極間隔を有し、前記周期性、前記電極幅および前記電極間隔はすべて前記少なくとも１つの光源からの前記光入力の波長よりも小さい、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項４】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、前記少なくとも１つの光源からの前記光入力の強度を前記プラズモン接触電極の付近に集中させることによって、高濃度の光生成電子−正孔対が前記プラズモン接触電極のすぐ近傍に位置するように、配置される、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項５】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、幅寸法または長さ寸法よりも小さい高さ寸法を有する二次元電極である、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項６】
前記１つ以上のプラズモン接触電極は、幅寸法または長さ寸法よりも大きい高さ寸法を有する三次元電極である、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項７】
前記光伝導装置は、周波数可変であるテラヘルツ（ＴＨｚ）光伝導発生源として配置され、約０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数領域において少なくとも１ｍＷの出力パワーを有する放射を生成する、請求項１に記載の光伝導装置。
【請求項８】
光源と光検出器とを備え、前記光源および前記光検出器はテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）に従って動作し、前記光源または前記光検出器の少なくとも一つは請求項１に記載の光伝導装置を含む、材料検出、化学的および／または生物学的検出に用いる装置。
【請求項９】
半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極とを有する光伝導装置を動作させる方法であって、
（ａ）前記半導体基板において光源からの光入力を受光するステップと、
（ｂ）前記プラズモン接触電極を用いて表面プラズモン波または表面波の励起を促進するステップとを備え、前記表面プラズモン波または表面波は、より多くの光入力が前記半導体基板に吸収されて前記半導体基板において光電流をもたらすように、前記光源からの前記光入力に影響を与え、さらに、
（ｃ）前記半導体基板における前記光電流の第１の部分が第１のアンテナ端子に向かってドリフトし、前記半導体基板における前記光電流の第２の部分が第２のアンテナ端子に向かってドリフトするように、前記アンテナ組立体に電圧を印加するステップと、
（ｄ）前記光電流の前記第１および第２の部分が供給されている前記第１および第２のアンテナ端子に応答して前記光伝導装置からテラヘルツ（ＴＨｚ）放射を発するステップとを備える、方法。
【請求項１０】
半導体基板と、アンテナ組立体と、１つ以上のプラズモン接触電極とを有する光伝導装置を動作させる方法であって、
（ａ）前記半導体基板において光源からの光入力を受光するステップと、
（ｂ）前記プラズモン接触電極を用いて表面プラズモン波または表面波の励起を促進するステップとを備え、前記表面プラズモン波または表面波は、より多くの光入力が前記半導体基板に吸収されて前記半導体基板において光電流をもたらすように、前記光源からの前記光入力に影響を与え、さらに、
（ｃ）前記アンテナ組立体を介して入射するテラヘルツ放射を受け取るステップを備え、前記入射するテラヘルツ放射は前記プラズモン接触電極の間にテラヘルツ電界を誘起し、さらに、
（ｄ）入射するテラヘルツ放射の大きさに比例する出力光電流を発生する前記誘起されたテラヘルツ電場の結果として、前記プラズモン接触電極に向かって光電流をドリフトさせるステップを備える、方法。
【国際調査報告】
2015513067.tif 000031
2015513067.tif 000032