(57)【要約】【課題】単純な構造で、超小型で、パルス波、連続波の発生やレーザ発振も可能であり、発生したテラヘルツ波の集中や発散などの光学系を有するテラヘルツ波発生ダイオードを提供すると共に、このダイオードと駆動回路などを備えたテラヘルツ波放射装置を提供する。【解決手段】半導体基板に、少なくとも１つのｐｎ接合と、このｐｎ接合を構成するｐ型またはｎ型の導電型のうちの少なくとも一方の導電型領域には活性領域を備え、この活性領域には、この導電型を形成するための不純物Ａと、他方の導電型になる不純物Ｂを前記不純物Ａよりも少なく、かつ縮退しない程度に添加してあり、ｐｎ接合に順方向バイアスを印加したときに、活性領域に注入された少数キャリアが不純物Ｂの不純物準位を介して再結合するときに放射する電磁波がテラヘルツ域になるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に、少なくとも１つのｐｎ接合と、このｐｎ接合を構成するｐ型またはｎ型の導電型のうちの少なくとも一方の導電型領域には活性領域を備え、この活性領域には、この導電型を形成するための不純物Ａと、他方の導電型になる不純物Ｂを前記不純物Ａよりも少なく、かつ縮退しない程度に添加してあり、前記ｐｎ接合に順方向バイアスを印加したときに、前記活性領域に注入された少数キャリアが不純物Ｂの不純物準位を介して再結合するときに放射する電磁波がテラヘルツ域になるようにしたことを特徴とするテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項２】
一方の導電型領域に不純物Ａが縮退するほどの高濃度に添加した領域を有する請求項１記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項３】
半導体基板として単結晶シリコンをベースにした請求項１から２のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項４】
ｐｎ接合にヘテロ接合を設けた請求項１または３のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項５】
波長選択機構を備えた請求項１から４のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項６】
波長選択機構を波長可変となるようにした請求項５記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項７】
共振器を備えてレーザ発振ができるようにした請求項１から６のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項８】
活性領域に量子井戸構造を設けた請求項１から７のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項９】
テラヘルツ波が活性領域の厚み方向の外部に放射するように構成した請求項１から８のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項１０】
半導体基板に温度センサを搭載した請求項１から９のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項１１】
半導体基板に、テラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる周辺回路の少なくとも一部を集積した請求項１から１０のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項１２】
ペルチェ素子を備えた請求項１から１０のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項１３】
発生したテラヘルツ波を集光、発散もしくは伝送させる光学系を備えた請求項１から１２のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオード。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオードと、このテラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる駆動回路とを備えたテラヘルツ波放射装置。
【請求項１５】
駆動回路には、温度センサとペルチェ素子を利用してテラヘルツ波発生ダイオードの温度制御をする温度制御回路を備えた請求項１４記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１６】
分光器を備えた請求項１４または１５のいずれかに記載のテラヘルツ波放射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体のｐｎ接合ダイオードからテラヘルツ（ＴＨｚ）波（１０−３ＴＨｚから１０３ＴＨｚ程度の範囲）を放射させるためテラヘルツ波発生ダイオードおよびこれを用いたテラヘルツ波放射装置に関するもので、極めて小型でインコヒーレントまたはコヒーレントなテラヘルツ波を発生させると共に、発生したテラヘルツ波の集中や発散などの加工用の光学系や伝送などの光学系を備えたテラヘルツ波発生用半導体ダイオードと、これを用いてテラヘルツ波のパルス発生、連続波の発生、レーザ発振させるときの安定化などの制御系を含む駆動回路を具備したテラヘルツ波の放射装置を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波の発生には、レーザ光源からの強力なフェムト秒程度のパルス励起光を非線形光学結晶に入力して、光整流作用などによってテラヘルツ波を発生させる方式、非線形光学材料に異なる二波長のレーザ光を同時に照射して結合させて、その差周波数がテラヘルツ波帯になるようにする方式、１波長のレーザ光を照射し、誘導ラマン散乱やポラリトンとの結合を利用する方式などの光ビームを光学結晶などに入射する光励起を利用する方法や、電子ビームが反射回折格子上を伝送されるときの電磁放射などの電子管を利用する方法などがあった。
【０００３】
しかし、従来の光励起を利用する方法は、テラヘルツ波の発生効率が低いので、大出力のレーザ光発生装置が必要で、更に非線形性固体中でのレーザ光の結合のための光学系が大型になり、パルスレーザ光照射では、高出力が得られやすいものの連続波が発生できない問題があり、また、電子管を利用する方法でも、やはり大型で、しかも高価であったので、小型、単純な構造で、しかも安価なテラヘルツ波発生装置が望まれていた。
【特許文献１】特開２００４−１０１７３４号公報
【特許文献２】特開２００４−２２７６６号公報
【特許文献３】特開２００３−１５１７５号公報
【特許文献４】特開平９−７４２３９号公報
【特許文献５】特表２００３−５００８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、単純な構造で、超小型で、パルス波も連続波の発生やレーザ発振も可能であり、発生したテラヘルツ波の集中や発散などのテラヘルツ波放射ビーム加工用の光学系や伝送系も備えた安価なテラヘルツ波発生装置であるテラヘルツ波発生ダイオードを提供すると共に、このテラヘルツ波発生ダイオードを用いて、テラヘルツ波のパルス波の発生、連続波の発生、レーザ発振させるときの安定化などの制御系などを含む駆動回路を備えたテラヘルツ波放射装置を提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板に、少なくとも１つのｐｎ接合と、このｐｎ接合を構成するｐ型またはｎ型の導電型のうちの少なくとも一方の導電型領域には活性領域を備え、この活性領域には、この導電型を形成するための不純物Ａと、他方の導電型になる不純物Ｂを前記不純物Ａよりも少なく、かつ縮退しない程度に添加してあり、このｐｎ接合に順方向バイアスを印加したときに、活性領域に注入された少数キャリアが不純物Ｂの不純物準位を介して再結合するときに放射する電磁波がテラヘルツ域になるようにしたものである。
【０００６】
シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板を用いた場合は、一般に、ｐ型の導電型にするには、不純物として浅い不純物準位のアクセプタになるホウ素（Ｂ）を用いる。また、一般に、ｎ型の導電型の不純物としては、浅い不純物準位のドナとなるリン（Ｐ）を用いる。不純物濃度を増加させてゆくと、浅いアクセプタのホウ素の不純物準位は、価電子帯から直ぐ上の約４５ｍeＶ離れた単一の不純物準位状態から不純物バンドを形成するようになり、１０１８ｃｍ−３程度以上なると、遂にはシリコンの価電子帯と不純物バンドとがエネルギー的に重なるようになり（縮退と言う）、フェルミ準位は、価電子帯の中に入り込むようになる。一方、浅いドナのリンの不純物準位は、低不純物濃度では、伝導帯下端から直ぐ下で約４４ｍeＶ離れた単一の不純物準位であるが、不純物濃度を増やすと、やはり不純物バンドを形成するようになり、１０１８ｃｍ−３程度以上なると、遂にはシリコンの伝導帯と不純物バンドとがエネルギー的に重なる（縮退する）ようになり、フェルミ準位は、伝導帯の中に入り込むようになる。
【０００７】
また、シリコンのような間接遷移型半導体では、伝導帯の下端と価電子帯の上端とは、運動量空間で異なるが、浅いアクセプタや浅いドナの準位は、それぞれ価電子帯と伝導帯の端とほぼ同一の運動量空間位置にあるので、これらのアクセプタとドナの準位は、それぞれ伝導帯と価電子帯との関係が直接遷移型のように働く。このため容易に電磁波を放射して電子の遷移がしやすく、しかも、エネルギー差が約４５ｍeＶ程度で極めて小さく、その電磁波はテラヘルツ波の周波数に対応する（４５ｍeＶは、波長約２７．６μｍに対応し、周波数では約１０．９ＴＨｚに対応する）と共に、可視光よりも波長が非常に長いので、自然放出割合に対して誘導放出割合が極めて大きくなり（一般に、誘導放出割合は波長の３乗に比例して大きくなる）、レーザ作用も起こしやすい。
【０００８】
シリコン（Ｓｉ）のｐｎ接合ダイオードを例に取り説明すると次のようである。例えば、シリコンのｐｎ接合のうち、ｐ型の導電型の半導体基板に、縮退する程度の高濃度にした不純物Ａとしてのホウ素の濃度が１ｘ１０１９ｃｍ−３程度で、そこにｎ型不純物である不純物Ｂとしてのリンの濃度を縮退しない程度の２ｘ１０１７ｃｍ−３程度添加して活性領域を形成する。この活性領域では、ｐ型の不純物Ａの量（ホウ素の添加量）がｎ型の不純物Ｂの量（リンの添加量）より多量なので、ｎ型を形成するはずのドナの不純物バンドも有するが高濃度のアクセプタに補償されて、結局は縮退したｐ型半導体領域となっている。そして、この活性領域ではｎ型の不純物Ｂであるリンの濃度はそれでも多量に添加されているから伝導帯の下端に４０ｍｅＶ程度のギャップを有して（縮退していないから）リンの不純物Ｂの準位がエネルギー的に広がり不純物バンドを形成している。しかし、このリンの不純物バンドは、フェルミ準位が高濃度アクセプタのために価電子帯に入り込んでいるために、電子がほとんどなく、空いた状態である。一方、ｐｎ接合のうち、ｎ型の導電型の半導体領域は、１ｘ１０２０ｃｍ−３程度に高濃度のリン不純物を添加してあり、縮退したｎ型半導体となっている場合を想定している。
【０００９】
このようなｐｎ接合に順方向バイアスを印加すると、そのｐ型領域の伝導帯にｎ型領域から少数キャリアである電子が多量に注入される。このｐ型領域のｐｎ接合付近に上述の活性領域が形成されているので、注入された電子は、その活性領域の伝導帯から直ぐ下の空になっているリン（不純物Ｂ）の不純物バンドを経由して、価電子帯の正孔と再結合する。このとき、この活性領域の伝導帯とリンの不純物バンドとのエネルギー差に相当する電磁波であるテラヘルツ波が放射する。このテラヘルツ波は、活性領域の伝導帯に注入された電子のエネルギーにも幅があり、この電子のエネルギーとエネルギーギャップを隔てたリン不純物バンド中のエネルギー準位との間のエネルギー差により放出されるテラヘルツ波長（または周波数）が決定される。したがって、放出波長に幅があり、フィルタや共振器などの波長選択機構との組み合わせにより波長可変のテラヘルツ波発生ダイオードが達成できる。
【００１０】
このとき、もちろん、リンの不純物バンドと再結合先の価電子帯とのエネルギー差に相当する電磁波、および伝導帯と価電子帯とのバンド間遷移に相当する電磁波も放射するが、これらの電磁波は約１ｅＶ程度のエネルギー差であるから近赤外線領域となる。
【００１１】
上述では、活性領域をｐｎ接合付近のｐ型導電型の半導体領域にのみ形成した場合の例を挙げたが、活性領域をｎ型の導電型の半導体領域に形成してもよく、さらに、ｐｎ接合を挟んでそのｐ型とｎ型の双方に形成しても良い。
【００１２】
ｎ型の導電型の半導体領域に活性領域を形成した場合は、ｎ型の不純物であるリンが不純物Ａであり、このリンの不純物濃度を縮退する程度に高濃度にしておき、ここにｐ型の不純物であるホウ素（ここでは不純物Ｂとなる）をｎ型の不純物Ａよりも少なく、かつ縮退しない程度に添加すると、ｐ型の不純物Ｂは完全に補償されて、これを上回るｎ型の不純物Ａで決まる縮退したｎ型半導体領域になっている。
【００１３】
ｐｎ接合において、双方の導電領域に活性領域がある場合は、ｐ型の導電型領域では、不純物Ａがｐ型不純物であるホウ素であり、不純物Ｂがｎ型不純物であるリンである。また、ｎ型の導電型領域では、その逆で、不純物Ａがｎ型不純物であるリンであり、不純物Ｂがｐ型不純物であるホウ素となる。
【００１４】
このように、ｐｎ接合の双方の導電領域に活性領域があり、双方の不純物Ａが縮退するほど高濃度の場合を考えると次のようである。ｎ型導電領域からｐ型導電領域に移る遷移領域では、ｎ型導電領域の縮退したリンの不純物バンドが、このｎ型導電領域の伝導帯に重なっており、そこでの伝導帯との間にエネルギーギャップを有しないが、ｐ型導電領域では、縮退しない程度のリンの濃度に添加してあるから、ｐ型導電領域に移ってゆくに連れてリンの不純物濃度が少なくなり縮退が解けてゆき、不純物バンドと伝導帯との間にエネルギーギャップを有するようになってゆく。
【００１５】
このような浅い不純物バンドと伝導帯との間のエネルギーギャップがテラヘルツ波の放射フォトンエネルギーに対応し、そのテラヘルツ波の波長を決定する。この遷移領域では連続的に、このエネルギーギャップの大きさがゼロからリンの不純物準位である伝導帯下端から４５ｍｅＶ程度まで変化しているので、テラヘルツ波帯の例えば０．１ＴＨｚ程度の低周波から４５ｍｅＶ程度に対応する１０ＴＨｚ程度まで変化する連続的な波長のテラヘルツ波が放射される。
【００１６】
一般に、シリコンなどのホモ接合のｐｎ接合では、電子の移動度が正孔の移動度より大きいので、ｐ型導電領域に注入された少数キャリアである電子が遷移領域を超えてｐ型導電領域に深く入り込み再結合して発光し、ｎ型導電領域での発光よりも、このｐ型の遷移領域の方が発光面積が大きく発光の主体となる。この発光領域である活性領域に、伝導帯下端から浅い不純物準位であるリンを積極的に添加しておけば、ここを経由して再結合し、注入されたｐ型導電領域の伝導帯からこの浅い不純物準位に遷移するときにテラヘルツ波を放射するものである。もちろん、ｎ型導電領域の活性領域にアクセプタのホウ素を積極的に添加しておくことにより、価電子帯からこのアクセプタへの注入された正孔の遷移により（ｎ型導電領域の多数キャリアである電子がこのアクセプタ準位を経由して、注入された正孔と再結合すると考えても良い）テラヘルツ波を放射する。
【００１７】
上述では、ドナとしてリンを、アクセプタとしてホウ素を例にしたが、シリコン半導体を用いた場合でも、ドナとしてリンの変わりに砒素やアンチモンなどを使用することもできるし、アクセプタとしてホウ素の代わりに、アルミニウムやガリウムなどを使用しても良い。このように不純物を変えるとそれらの不純物準位のエネルギーが変化するので、放射するテラヘルツ波の周波数も変化する。もちろん、これらのドナまたはアクセプタ同士の幾つかの不純物を同時に添加することもできるし、可変波長のテラヘルツ波発生ダイオードの作成には、むしろ好都合である。
【００１８】
また、上述では、大きな反転分布を形成して高効率にテラヘルツ波を放射するために活性領域の導電型を決めている不純物Ａを縮退するほど高濃度にしてある場合であったが、多少発光効率が下がるが、必ずしも縮退するほど高濃度にする必要は無く、この活性領域に一緒に添加している他の導電型の不純物Ｂは、不純物Ａより少なく添加しておけばよい。縮退するほど高濃度に不純物を添加すると一般に結晶性が悪くなり、不要な再結合による放射を許すことになり、適当な不純物添加量にする必要がある。
【００１９】
本発明の請求項２に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、上述の例のように、一方の導電型領域に不純物Ａが縮退するほどの高濃度に添加した領域を有する場合であり、特に活性領域に縮退するほど高濃度の不純物Ａを添加した場合は、キャリア濃度が高くなるので、大きな反転分布が得られ、高効率で大出力のテラヘルツ波放射が得られやすい。
【００２０】
また、不純物Ａが縮退するほどの高濃度に添加してあるので、不純物Ｂも縮退はしないが不純物バンドが形成できる程度の高濃度に添加できるので、放射するテラヘルツ波の波長の幅が広くなり、そのために大きな可変波長のテラヘルツ波発生ダイオードが提供できるという利点がある。
【００２１】
本発明の請求項３に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板として単結晶シリコンをベースにした半導体を用いた場合であり、上述の例のように、半導体基板として、シリコン単結晶を使用しても良く、例えば、シリコン（Ｓｉ）とゲルマニウム（Ｇｅ）とのIV族混晶半導体（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）にするとこれらの組成比により、禁止帯幅（Ｅｇ）を変化させることができると共に、不純物のエネルギー準位の値も変化させることができるので、放射するテラヘルツ波の波長も変化させることができる。
【００２２】
半導体基板として単結晶シリコンをベースにした半導体を用いた場合は、絶縁膜として良質のＳｉＯ２の熱酸化膜が作成できるので、好都合であると共に、従来の成熟した超ＬＳＩ技術が使用できるので、大量生産性があり安価なダイオードが作成できる。
【００２３】
本発明の請求項４に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、ｐｎ接合にヘテロ接合を設けた場合であり、シングルへテロ接合やダブルへテロ接合構造にすることができる。例えば、ｐ型シリコンとｎ型シリコンとの間にシリコンよりも禁止帯幅（Ｅｇ）が小さいシリコンとゲルマニウムとのIV族混晶半導体であるｐ型Ｓｉ１−ｘＧｅｘをテラヘルツ波発生領域である活性領域として形成した場合である。
【００２４】
この活性領域には、ｎ型の不純物であるリンや砒素などの不純物Ｂをｐ型Ｓｉ１−ｘＧｅｘのｐ型不純物であるホウ素（不純物Ａ）より少ない量を添加しており、このｐ型Ｓｉ１−ｘＧｅｘは、シリコンより禁止帯幅（Ｅｇ）が小さいので、ｐｎ接合が順方向バイアスされたときに、注入された電子と正孔がヘテロ接合による電位障壁のために、この活性領域に閉じ込められると共に、活性領域の両側にあるシリコンよりも屈折率が高いので、放射するテラヘルツ波の電磁波が閉じ込められやすい。この様子は、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓとの組み合わせによる公知のシングルへテロ接合やダブルへテロ接合のレーザの場合と同様である。
【００２５】
上述では、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）を使用したテラヘルツ波発生ダイオードの例を示したが、もちろん、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮなどの半導体を用いても良く、これらの浅い不純物準位もＳｉやＧｅとは異なり、発生するテラヘルツ波の周波数もＳｉやＧｅとは異なるので、更に広範囲な周波数領域のテラヘルツ波の発生が可能となる。
【００２６】
また、上述では、シリコン（Ｓｉ）のｐ型の浅い準位を形成するアクセプタ不純物として、ホウ素（Ｂ）を例にしたが、ホウ素（Ｂ）のアクセプタ準位は、４５ｍeＶであるのに対して、アルミニウム（Ａｌ）では、５７ｍeＶ、ガリウム（Ｇａ）では、６５ｍeＶであるといわれている。したがって、テラヘルツ波を発生する活性領域をｎ型導電領域に形成しておけば、ホウ素（Ｂ）のときの発生するテラヘルツ波の周波数である１０ＴＨｚ程度から１４ＴＨｚ程度まで変化させることもできる。もちろん、活性領域をｎ型導電領域に形成したときのドナも、リン（Ｐ）からアンチモン（Ｓｂ）や砒素（Ａｓ）に替えることにより、放射テラヘルツ波の波長をある範囲内で選択することができる。
【００２７】
ヘテロ接合においては、活性領域がテラヘルツ波発生領域となるが、その活性領域の両側の存在する禁止帯幅（バンドギャップ）が大きいｐ型およびｎ型の領域（上述では、シリコン）を、縮退するほど高濃度の不純物を添加しておくと注入キャリアが多くなり、高効率で高出力のテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。
【００２８】
本発明の請求項５に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、テラヘルツ波用の波長選択機構を備えた場合であり、ｐｎ接合面に沿って回折格子を設けて分布帰還フィルタを内蔵したり、ダイクロミックミラーやファブリー・ペロー共振器などの干渉フィルタを用いて波長選択が可能にした場合である。
【００２９】
本発明の請求項６に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、テラヘルツ波用の波長選択機構を波長可変となるようにした場合で、例えば、半導体チップにダイアフラムを形成し、そこに反射膜を形成して、例えば、ファブリー・ペロー共振器にし、このダイアフラムの変形で可変波長になるようにしたり、更には、半導体チップの外部にプリズムや回折格子を配置して、テラヘルツ波の波長選択ができるようにした場合である。テラヘルツ波は波長が長いので、可視光線の場合より共振器の反射鏡の調整が粗でよく、波長選択が容易である。
【００３０】
本発明の請求項７に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、共振器を備えてレーザ発振ができるようにした場合である。共振器は、半導体チップの対向する端面を反射面として利用したり、更に、金属の反射膜を端面に形成して反射鏡としても良い。また、単結晶の結晶面を利用すると、極めて平坦で平行度の良い反射鏡が達成できる。シリコンの半導体を使用したダイオードでは、反射鏡として利用する端面を熱酸化して薄い石英の熱酸化膜を形成した方が安定な絶縁膜で、かつ作成も容易であるから好都合である。もちろん、可変波長の共振器にすれば、可変波長レーザ発振としてのテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。
【００３１】
本発明の請求項８に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、活性領域に量子井戸構造を設けた場合であり、従来の単一量子井戸型レーザや多重量子井戸型レーザと同様に、単一または周期的で幅の狭いヘテロ接合構造とし、そこでの単一またはそれぞれ井戸型ポテンシャル内にある伝導帯や価電子帯の量子井戸中の準位と、不純物準位または不純物バンドとに形成された量子井戸中の準位との間の遷移がテラヘルツ波の発生に寄与できるので、高効率で波長純度の高いテラヘルツ波の放射が達成される。
【００３２】
本発明の請求項９に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、テラヘルツ波が活性領域の厚み方向（ｐｎ接合面に垂直方向）の外部に放射するように構成した場合であり、従来の半導体レーザに対応させると、垂直共振器面発光レーザ（面発光レーザ）に相当するように構成した場合であり、更には、レーザ発振しなくとも、発光面が大きくなるように構成した場合である。面発光レーザでは、狭いｐｎ接合の面に沿って放射された場合の楕円放射断面で大きな放射角度を有する場合とは異なり、放射テラヘルツ波は平行光線となるので、焦点を合わせたり、遠くを照射する場合など光学系が単純となり、コンパクトな装置が提供できる。
【００３３】
本発明の請求項１０に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板に温度センサを搭載した場合であり、半導体のフェルミエネルギーＥｆ、禁止帯の幅（エネルギーギャップＥｇ）や不純物準位は、温度により異なり、したがって、発生するテラヘルツ波の周波数（もちろん、波長も）が温度により変化する。安定した周波数のテラヘルツ波の発生には、温度制御が大切で、特に、高出力のテラヘルツ波の発生では、半導体基板が極めて高温になってしまうという問題があった。このためには、先ずは、半導体基板の温度を検出する必要がある。
【００３４】
温度センサとして、ｐｎ接合ダイオードやトランジスタを形成して、これをサーミスタとして利用する、所謂、ダイオードサーミスタやトランジスタサーミスタを利用したり、ＩＣ温度センサを利用すると良い。
【００３５】
本発明の請求項１１に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、半導体基板に、テラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる周辺回路の少なくとも一部を集積した場合であり、半導体基板に搭載している温度センサを駆動させたり、そのセンサ出力を増幅させたり、更に、それらの出力を温度制御用の演算・処理回路に入力して、半導体基板を一定温度に保持させたり、更には、テラヘルツ波発生ダイオードの駆動電流を制御させたりするための周辺回路を同一の半導体基板に集積するものである。半導体基板としてシリコン単結晶基板を用いると、従来の成熟したＣＭＯＳ工程が利用できるので、好都合である。
【００３６】
本発明の請求項１２に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、ペルチェ素子を備えた場合であり、ペルチェ素子は極めて小型で、電流を流すことにより冷却も発熱も可能で、上述の温度センサや周辺回路と組み合わせて、テラヘルツ波発生ダイオードが形成されている半導体基板の温度を一定温度に保持するなど、温度制御できるようにしたものである。
【００３７】
本発明の請求項１３に係わるテラヘルツ波発生ダイオードは、発生したテラヘルツ波を集光、発散もしくは伝送させる光学系を備えた場合であり、凹面や凸面のレンズや反射鏡で発生したテラヘルツ波を集光させて焦点を合わせたり、平行光線にしたり、テラヘルツ波のビーム形状を円形、楕円や線状にしたり、更には、走査できるようにしたり、また、発散させてある面積に一様に照射できるようにしたり、また、テラヘルツ波の導波管や透過性の高い材料によるファイバを通して、テラヘルツ波を照射する箇所まで伝送させるような光学系を備えたものである。
【００３８】
本発明の請求項１４に係わるテラヘルツ波放射装置は、請求項１から１３のいずれかに記載のテラヘルツ波発生ダイオードと、このテラヘルツ波発生ダイオードの駆動に係わる駆動回路とを備えた場合であり、テラヘルツ波発生ダイオードは電流駆動型であり、順方向電流の制御が重要で、パルス動作、連続波動作、温度制御、出力強度調整、波長制御系駆動など、フィードバック系と組み合わせた制御系を含む駆動回路を備えたものである。
【００３９】
本発明の請求項１５に係わるテラヘルツ波放射装置は、駆動回路には、温度センサとペルチェ素子を利用してテラヘルツ波発生ダイオードの温度制御をする温度制御回路を備えた場合で、発生するテラヘルツ波の周波数安定化制御などに役立てるものである。
【００４０】
本発明の請求項１６に係わるテラヘルツ波放射装置は、分光器を備えた場合で、テラヘルツ波発生ダイオードから放射されるテラヘルツ波の波長を選択して、更に外部に放射させる場合と、再びテラヘルツ波発生ダイオードに戻して、極めてシャープなレーザ発振作用をさせる場合などがある。テラヘルツ波発生ダイオード自体に波長選択機構を有していても、分光器を備えることにより更にシャープな波長選択ができるようにすることができる。
【発明の効果】
【００４１】
従来のレーザ光を照射して差周波数からテラヘルツ波を発生させたり、電子管を利用してテラヘルツ波を発生させたりする方法に比べ、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードによるテラヘルツ波の発生は、半導体ダイオードの順方向電流によるキャリア注入に基づく反転分布を利用する放射再結合を利用するので、極めて小型で単純な構造のテラヘルツ波発生装置が提供できるという利点がある。
【００４２】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、ｐｎ接合のそれぞれの導電領域を縮退するほど高濃度にできるので、順方向電圧印加により多量のキャリアを各領域に少数キャリアとして注入できるので、高効率で高出力のテラヘルツ波発生装置が提供できるという利点がある。
【００４３】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、間接遷移型のシリコンやゲルマニウムを用いても、テラヘルツ波を発生させるための浅い不純物準位は、これらの半導体の伝導帯または価電子帯に近接したエネルギー準位となるので、伝導帯または価電子帯と不純物準位とは、言わば、直接遷移型のように振舞うので、フォノンなどの支援なしに注入キャリアが直接的に遷移できるので、テラヘルツ波が高効率で放射されるという利点がある。
【００４４】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、テラヘルツ波の発生をさせるので、可視光線に比べて極めて波長が長く、注入キャリアの放射遷移に際しては、自然放出割合よりも誘導放出割合が極めて大きくなるから（誘導放出割合は、波長の三乗に比例する）、誘導放出を利用するテラヘルツ波のレーザ発振が達成されやすいという利点がある。
【００４５】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、活性領域における半導体の許容帯である伝導帯または価電子帯と、この活性領域に意図的に添加した不純物の不純物バンドとの間での注入キャリアの放射遷移に基づく、言わば、バンド間遷移に基づくので、波長選択機構の具備により特定波長もしくは可変波長のテラヘルツ波発生装置が提供できるという利点がある。
【００４６】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、共振器を具備することにより、容易にテラヘルツ波のレーザ発振ができるという利点がある。もちろん、可変波長用の波長選択機構の具備により、超小型の可変波長レーザとしてのテラヘルツ波発生装置が提供できる。
【００４７】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、面発光としてのテラヘルツ波レーザが達成できるので、外部に光学系を設けて平行光線にする必要が無く、テラヘルツ波発生ダイオードからのテラヘルツ波放射光（放射電磁波）がそのまま平行光線になるので、単純な構造の装置となる利点がある。
【００４８】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、温度センサや制御系などを含む駆動回路のうちの少なくともその一部が同一の半導体基板に集積できるので、極めてコンパクトなテラヘルツ波発生ダイオードが提供できる。
【００４９】
本発明のテラヘルツ波発生ダイオードでは、レンズなどの光学系やテラヘルツ波用導波管などの伝送路の光学系をコンパクトに組み合わせられるので、ハンディなテラヘルツ波放射装置が提供できる。特に、テラヘルツ波用導波管として、内径数百マイクロメートルの中空プラスチックパイプの内壁を金などの金属薄膜で反射コーテングしたものを用いるとフレキシブルな伝送路が達成できるという利点がある。
【００５０】
本発明のテラヘルツ波放射装置では、集積化した温度センサや温度制御回路などと半導体基板に熱的に接触したペルチェ素子との組み合わせで、容易に温度制御が可能であり、特に、半導体基板としてシリコン単結晶をベースにすると成熟したＣＭＯＳ技術などのＩＣ技術が使用できるので、コンパクトで高度な周波数安定化システムや駆動システムなどを同一基板に集積化でき、極めてコンパクトで、通信用やセンシング用、医療用など各種用途向けのテラヘルツ波放射装置が提供できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
アクセプタとしてのホウ素（Ｂ）を比較的低濃度（例えば、５ｘ１０１５ｃｍ−３程度）に添加したｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板表面付近に、縮退するほど高濃度にホウ素（Ｂ）を添加したｐ型不純物拡散層を形成しておき、その上にエピ成長により、やはり縮退するほど高濃度（例えば、１ｘ１０１９ｃｍ−３程度）にアクセプタとしてのホウ素（Ｂ）（不純物Ａ）と、縮退しない程度濃度（例えば、２ｘ１０１７ｃｍ−３程度）のドナとしてのリン（Ｐ）（不純物Ｂ）を添加したｐ型のＳｉ１−ｘＧｅｘを５０μｍ程度の厚みに成長させる。また、このバンドギャップがシリコン単結晶より狭いＳｉＧｅ層を活性領域とするダブルヘテロ接合構造とするために、さらにエピ成長により、やはり縮退するほど高濃度（例えば、２ｘ１０２０ｃｍ−３程度）にドナとしてのリン（Ｐ）を添加したｎ型シリコン（Ｓｉ）を１００μｍ程度の厚みに成長する。
【００５２】
このように、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板（この表面には、縮退するほどのｐ型不純物拡散層が形成されている）と、１００μｍ程度厚の表面エピ層の高濃度のｎ型シリコン（Ｓｉ）層とで、５０μｍ程度厚のｐ型ＳｉＧｅ層の活性領域（テラヘルツ波の発生領域）をサンドイッチにした構造であるから、これらの合計厚みが、屈折率を考慮した光学長の厚みが所望のテラヘルツ波の発生波長（例えば、波長３０μｍ）の半波長（例えば、波長１５μｍ）の整数倍で、これらの厚み方向で共振器が形成されるように、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板の厚みを決定すると良い。そして、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶基板と表面エピ層のｎ型シリコン（Ｓｉ）層とにオーム性金属電極を形成することで、面発光（放射）の本発明のテラヘルツ波発生ダイオードが作成される。
【００５３】
また、半導体基板の厚み方向に高効率に共振器を形成するために、ｐ型の裏面やｎ型エピ層の表面に反射鏡としてのアルミニウム薄膜を適当な厚みに形成しておくと良い。
【００５４】
また、テラヘルツ波発生ダイオードの順方向電流を空間的に制限して、テラヘルツ波放射（発光）領域を所望の大きさにするために、シリコン基板に形成したシリコンの酸化膜の窓を通して成長するようにエピ成長領域を制限しても良い。
【００５５】
また、ＴＯ−５などのパッケージにマウントしたテラヘルツ波発生ダイオードと、凸レンズ系を利用してフレキシブルな中空導波管伝送路に結合させて伝送し、任意の箇所に容易に照射できるようにすることができるという利点がある。特に、医療用などでは、この伝送路を通して、テラヘルツ波発生ダイオードの本体から離れている患者の任意の部位に照射しやすいという利点がある。
【実施例１】
【００５６】
図１は、本発明テラヘルツ波発生ダイオードの半導体基板１のチップをステム２００にマウントした状態の一実施例の横断面概略図であって、例えば、不純物Ａとしてのホウ素を縮退するほど高濃度（２ｘ１０１９ｃｍ−３程度）に添加したｐ型導電領域１０であるシリコン単結晶の（１１１）面の表面に、不純物Ｂとしてのリンを縮退しない程度の濃度（２ｘ１０１７ｃｍ−３程度）に添加して、活性領域３０を深さ５０μｍ程度まで形成し、更に、ｎ型導電領域２０をリンの高濃度不純物拡散により縮退するほどの濃度（１ｘ１０２０ｃｍ−３程度）に形成した場合を示している。
【００５７】
活性領域３０では、不純物Ａとしての縮退するほど高濃度のホウ素と不純物Ｂとしての縮退しない程度に濃度のリンが添加されており、不純物Ａのホウ素が不純物Ｂのリンよりも多いので、多い方の不純物Ａで決まるｐ型導電領域１５となっている。
【００５８】
テラヘルツ波発生ダイオード本体の半導体基板１の上下には、オーム性電極として上部電極１１０と下部電極１２０が形成されており、これらは発生したテラヘルツ波が反射して共振器１００が形成されるように、反射膜６０、６１としての役割もするようにしている。
【００５９】
下部電極１２０は、その下部にある金属製のステム２００にマウントして同通させてあり、このステム２００からの配線１５１と、上部電極１１０に同通させた配線１５０との間に、テラヘルツ波発生ダイオード本体の順方向電圧を印加して電流を流すと、テラヘルツ波と赤外線とが発生するが、このうちのテラヘルツ波を外部に取り出すようにする。
【００６０】
テラヘルツ波を外部に取り出すには、共振器１００を構成する反射膜６０、６１間隔を光学長にして、所望のテラヘルツ波の波長の二分の一の整数倍にするように設計すること、更に、反射膜６０、６１の厚みを適当にするか、更には、発生赤外線を吸収するが、発生テラヘルツ波は吸収され難い材料薄膜を上部の反射膜６１の上にコーテングしておくと良い。
【００６１】
上述では、活性領域３０として５０μｍ程度の深さまで形成した例を示したが、必ずしもその必要は無く、例えば、はじめから不純物Ａとしての縮退するほど高濃度のホウ素と不純物Ｂとして、縮退しない程度の濃度のリンが添加されている半導体基板１を用いても良い。
【００６２】
図２は、本発明テラヘルツ波発生ダイオードの図１におけるｐ型導電領域１０（縮退したｐ型半導体）に形成された活性領域３０を持つｐｎ接合付近のエネルギーバンド図で、テラヘルツ波発生ダイオードに電圧を印加していない状態を示している。また、図３には、これに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図を示し、順方向電流が流れ、ｐ型導電領域１０（縮退したｐ型半導体）に形成されたｐ型導電領域１５である活性領域３０に注入された電子が、不純物Ｂのドナ不純物（リンによる）の不純物バンドを経由して、価電子帯の正孔と放射再結合するときの様子を示している。
【００６３】
ｐ型の活性領域３０の伝導帯に注入された電子が、ドナであるリンによる不純物バンドに遷移するときに、この不純物バンドは縮退していないので、伝導帯と不純物バンド間のエネルギー差に相当するエネルギーをもつ電磁波を放出する。このときの周波数は、平均してシリコンの伝導帯からのリンの不純物準位までのエネルギー差である約４４ｍeＶに対応し、波長にして約２８μｍであり、周波数で１０．７ＴＨｚに対応する。このように平均して、ｆ１＝１０．７ＴＨｚ程度の周波数のテラヘルツ波が発生するが、注入された電子の伝導帯でのエネルギーにも幅があり、不純物Ｂのドナ不純物（リンによる）の不純物バンドにもエネルギー幅があること、更に、縮退したｎ型導電領域２０（縮退したｎ型半導体）側、すなわち、ｐｎ接合界面付近では、ドナ不純物の不純物バンドが伝導帯に重なっているので、伝導帯と不純物バンドとの間にはエネルギーギャップが存在していないから、縮退したｎ型導電領域側からｐ型の活性領域３０に電子が注入されるときには、テラヘルツ波の極めて長波長側から約４４ｍｅＶに対応する約２８μｍの短波長側まで、連続的にテラヘルツ波が発生して、放射されることになる。この様子を図３では、テラヘルツ波ｆ１、ｆ２、ｆ３のように表示している。
【００６４】
また、不純物Ｂのドナ不純物（リンによる）の不純物バンドから更に価電子帯の正孔と再結合するときのエネルギー差は、室温では、ほぼシリコンの禁止帯幅Ｅｇ＝１．１ｅＶあり、波長にして、１．１μｍの近赤外線で、これを図３では、赤外線ｆｉｐと表示してある。なお、ｆｉｐのｐの添字は、ｐ型導電領域での電磁放射を意味する。また、今後、添字にｎも文字があるときには、ｎ型導電領域での電磁放射を意味するものとする。
【００６５】
実際には、伝導帯と価電子帯との間のバンド間遷移に基づく近赤外線発光が存在するが、ここでは省略している。
【実施例２】
【００６６】
図４には、活性領域３０がｐ型導電領域１０（縮退したｐ型半導体）ばかりでなく、ｐ型導電領域２０（縮退したｎ型半導体）にも広がっている場合の本発明テラヘルツ波発生ダイオードに順方向印加電圧Ｖを加えたときのｐｎ接合付近のエネルギーバンド図を示している。活性領域３０のうちｐ型導電領域１５に形成されている領域でのテラヘルツ波（ｆ１ｐ）の発生は、上述の実施例１における図１から図３までの説明と同様であるので、ここでは省略する。
【００６７】
ｎ型導電領域２０（縮退したｎ型半導体）の中に形成されている活性領域３０では、ｐ型導電領域１０（縮退したｐ型半導体）の場合とは逆で、不純物Ａがｎ型導電領域２０を形成しているドナのリンであり、不純物Ｂとしてはアクセプタのホウ素である。また、このアクセプタが縮退しない程度であるが、不純物バンドが形成される程度の高濃度（２ｘ１０１７ｃｍ−３程度）にしている。図４では、ｎ型導電領域２０（縮退したｎ型半導体）の中のアクセプタによる不純物バンドを、ｐ型導電領域１５（縮退したｐ型半導体中）の不純物Ｂと区別するために、不純物Ｂ’ と表示した。順方向電圧Ｖを印加されてｎ型導電領域２０（縮退したｎ型半導体）に注入された正孔は、不純物Ｂ’のアクセプタ不純物バンドに捕獲されて、このときの価電子帯とこのアクセプタ不純物バンドとのエネルギー差（平均して４５ｍeＶ程度）に相当するテラヘルツ波が発生する。このときの波長は約２８μｍであり、周波数にしてｆ１ｎ＝１０．７ＴＨｚ程度である。また、不純物Ｂ’のアクセプタ不純物バンドに捕獲された正孔は、伝導帯の多数キャリアである電子と再結合して、価電子対と伝導帯とのエネンルギー差にほぼ等しいエネルギーの赤外線ｆｉｎを放射する。
【００６８】
不純物Ｂ’のアクセプタ不純物バンドは、縮退したｐ型導電領域１５（またはｐｎ接合の界面）に近づくに連れて、価電子帯とのエネルギーギャップが小さくなり、遂にはなくなるので、連続的な長波長のテラヘルツ波の発生がある。この様子は、図３に関する説明における縮退したｐ型導電領域１５（縮退したｐ型半導体）のｐｎ接合界面付近の活性領域での連続的な長波長のテラヘルツ波の発生と同様である。
【実施例３】
【００６９】
図５は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードをダブルへテロ接合構造にした場合の断面概略図である。製作方法は、例えば、次のようである。先ず、（１１１）面のｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１（濃度５ｘ１０１５ｃｍ−３程度）の表面の熱酸化ＳｉＯ２膜に５００μｍ角の窓を開け、この窓を通して、その表面付近に縮退する程度の高濃度（５ｘ１０１９ｃｍ−３程度）にｐ型不純物であるホウ素を添加してｐ型導電領域１１を形成する。次に、そこに選択エピ成長により、ｐ型不純物である不純物Ａとしてのホウ素を縮退する程度の高濃度（５ｘ１０１９ｃｍ−３程度）とｎ型不純物である不純物Ｂとしてのリンを縮退はしないが高濃度（２ｘ１０１７ｃｍ−３程度）に添加した活性領域３０としてのｐ型のＳｉ１−ｘＧｅｘ（０＜ｘ＜０．３程度）を５０μｍ厚程度に成長させる。この活性領域３０であるＳｉＧｅの層は、ｐ型導電領域１５となっている。更に、その活性領域３０の上に、ｎ型不純物であるリンを縮退する程度の高濃度（例えば、２ｘ１０２０ｃｍ−３程度）に添加したｎ型シリコン単結晶薄膜であるｎ型導電領域２０を１００μｍ程度厚に選択エピ成長する。これは、所謂、バンドギャップの狭いｐ型のＳｉ１−ｘＧｅｘ層を、バンドギャップが広く共に高濃度のｐ型とｎ型層のシリコン（Ｓｉ）単結晶で挟んだダブルへテロ接合構造となる。
【００７０】
選択エピ成長をすることにより、テラヘルツ波発生ダイオードの順方向電流の空間的広がりを制限して、効率よくテラヘルツ波が発生し、しかも、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１の裏面に形成した反射膜６０と上部のｎ型シリコン単結晶薄膜であるｎ型導電領域２０に形成した上部電極１１０兼反射膜６１でテラヘルツ波の共振器１００を形成してあるので、大きな順方向電流を流すとレーザ発振するようにしている。この構造は、ｐｎ接合面に平行に共振器１００の反射膜６０，６１が配置されており、ｐｎ接合面に垂直にレーザ発振したテラヘルツ波が放射されるので、面発光のテラヘルツ波半導体レーザとなる。なお、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１は表面を除き比較的低濃度にしているので、活性領域３０で発生したテラヘルツ波は、この半導体基板１での自由正孔などの吸収が少なく好都合であり、半導体基板１の厚みを調節して、所望の周波数の共振器１００が形成できるように設計するとよい。また、テラヘルツ波の波長が数十マイクロメートルと長いので、可視光線の短い波長の場合に比べ、反射膜６０，６１の平滑度はそれほど高くする必要が無く、作成しやすい。
【００７１】
本実施例では、ｐ型シリコン（Ｓｉ）単結晶の半導体基板１の表面に上部電極１１０と下部電極１２０を形成して、配線１５０，１５１を引き出しているので、必要に応じて、ステム２００と半導体基板１との間にテラヘルツ波に対して透明で、シリコンに近い屈折率の材料のスペーサを設けて、反射膜６０はこのスペーサのステム２００側に形成して、実効的な反射膜６０，６１の間隔を広げた共振器１００を作成しても良い。一般に、共振器の反射鏡間隔が大きいほど、レーザ光の発振線幅が小さくなるので、共振器１００の反射膜６０，６１間隔を広げることにより、放射テラヘルツ波の波長純度を高めることができる。
【００７２】
図６は、図５に示した実施例のテラヘルツ波発生ダイオードに順方向印加電圧Ｖを加えたときのエネルギーバンド図で、バンドギャップの狭い活性領域３０としてのｐ型導電領域１５のＳｉ１−ｘＧｅｘ層を、バンドギャップが広く共に高濃度のｐ型とｎ型層シリコン（Ｓｉ）単結晶層で挟んだ構造のダブルへテロ接合付近におけるエネルギーバンド図を示してある。
【００７３】
ダブルへテロ接合構造なので、テラヘルツ波発生ダイオードに順方向の印加電圧Ｖの下で、バンドギャップの狭い活性領域３０であるｐ型導電領域１５のＳｉ１−ｘＧｅｘ層（禁止帯の幅：Ｅｇａ）に電子と正孔が注入されると、これらのキャリアはバンドギャップの狭い活性領域３０内に閉じ込められ、効率よく不純物Ｂのドナ不純物バンドを経由して互いに再結合する。このとき、伝導帯に注入された電子が不純物Ｂのドナ不純物バンドに遷移するときにテラヘルツ波ｆ１が放射する。他の赤外線ｆｉの発光メカニズムなどは、前記実施例と同様なのでここでは省略する。
【実施例４】
【００７４】
図７は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波の波長選択機構３５０を備えた場合の一実施例を示す断面構造の概略図である。基本的には、実施例１の図１に示した構造のテラヘルツ波発生ダイオードに可変波長のファブリ・ペロー型干渉フィルタを形成して、共振器１００を構成したものである。また、波長選択機構３５０となる可変波長のファブリ・ペロー型干渉フィルタは、シリコン単結晶基板を利用したＭＥＭＳ技術で、シリコンチップ５の表面に形成したＳｉＯ２薄膜からなる絶縁薄膜５０を裏面からシリコンチップ５の一部をエッチング除去して空洞１０５ダイアフラム１０７として残し、更にダイアフラム１０７の表面に電極１３０（反射膜６１と兼用）を形成してあり、ｎ型導電領域２０に形成した上部電極１１０（図７では、ｎ型導電領域２０への形成が奥になっているので見えない）との間の静電駆動により、ダイアフラム１０７が変形して、反射膜６０，６１間の間隔が変化するので、波長選択ができるようにしている。なお。ファブリ・ペロー型干渉フィルタのダイアフラム１０７の中心位置は、丁度、テラヘルツ波が発生する活性領域３０の中心部の真上になるようにしてあり、シリコンチップ５は、半導体基板１に接着してある。このようにして、放射するテラヘルツ波の波長選択が可能になり、レーザ発振させると周波数可変のテラヘルツ波レーザダイオードにすることができる。
【実施例５】
【００７５】
図８は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波の波長選択機構３５０として量子井戸７０を用いた多重量子井戸構造をｐ型導電領域１５である活性領域３０に設けた場合であり、多重量子井戸構造の活性領域３０付近を拡大した断面概略図である。なお、ここではマウントするステム２００や配線１５０なども省略してある。量子井戸７０内の伝導帯や価電子帯および不純物バンドに形成されたサブバンドの準位間遷移に基づくテラヘルツ波の発生を利用するから、放射するテラヘルツ波の波長純度が極めて良くなり、極めて狭い半値幅のテラヘルツ波となる。また、量子井戸７０内の準位は、量子井戸７０の厚みや深さに関係するので、これらの大きさを調整することにより所望の微細なテラヘルツ波の波長選択が可能となる。
【００７６】
このような多重量子井戸構造の活性領域３０は、前記実施例３の図５に示したように、ｐ型のＳｉＧｅ層のエピ成長技術を利用し、ｐ型のＳｉ層とｐ型のＳｉＧｅ層との交互多層膜エピ成長をそれぞれの厚み１０ｎｍ程度の周期構造とする。この活性領域３０には、ｐ型導電領域１０の不純物Ａとして、浅いアクセプタであるホウ素を縮退する程度の高濃度に添加し、更に、ドナである不純物Ｂとしてリンを縮退しない程度であるが、高効率のために高濃度に一緒に添加しておく。
【実施例６】
【００７７】
図９は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波の波長選択機構３５０として回折格子８０を用いた分布帰還型の場合で、しかも発生するテラヘルツ波用の共振器１００を構成する反射膜６０、６１は、ｐｎ接合面に垂直に半導体基板１の端面に形成している場合の一実施例の断面概略図である。回折格子８０は、ｎ型導電領域２０内で活性領域３０から少し間隔を置いて設けてあり、ｐｎ接合面に沿う活性領域３０内で反射膜６０、６１に向かいながら増幅されるテラヘルツ波を減衰させ難いように配慮している。
【００７８】
回折格子８０の周期構造が放射するテラヘルツ波の周波数を決定する。回折格子８０にはテラヘルツ波に対して屈折率変化が必要で、ｎ型導電領域２０のうち回折格子８０の上側と下側に濃度差を設けたり、回折格子８０の周期構造をエッチングによる凹凸により形成しても良い。
【００７９】
順方向電流を増大するに連れて、最初は、発光ダイオードとして四方八方にテラヘルツ波を放射しているが、次第に共振器１００の効果が働きレーザ発振するようになり、ｐｎ接合付近の活性領域３０の端面で反射率の低い側の反射膜６１（対向する反射膜６０は、ほぼ１００％反射にしたとき）から、その面に垂直方向にテラヘルツ波レーザ光が放射されるようになる。狭い活性領域３０から放出されるので、このときの放射光の断面形状は楕円形に近くなる。このとき共振器１００の反射膜６０，６１同士の間隔が半導体基板１の厚み方向の共振器１００に比較的大きく取れるので、放射テラヘルツ波のスペクトル幅が狭くなりやすい。
【実施例７】
【００８０】
図１０は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波発生ダイオードを駆動に係わる周辺回路の少なくとも一部を半導体基板１に集積化した場合で、その一実施例の断面概略図である。信号増幅回路や演算・処理回路などの集積回路を搭載した場合であり、特にシリコン単結晶の半導体基板１を用いると成熟したＩＣ技術がそのまま使用できるので、詳細は省略してある。
【００８１】
図１０において、集積回路にバイポーラトランジスタやダイオードなどを設けて、温度センサとして使用することもできる。ここでは描いていないが、このようにすれば、半導体基板１を冷却するペルチェ素子などとの組み合わせで、テラヘルツ波発生ダイオードの微細な温度制御も可能となる。
【実施例８】
【００８２】
図１１は、本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、テラヘルツ波発生ダイオードの温度制御ができるようにペルチェ素子４００をテラヘルツ波発生ダイオードの半導体基板１とステム２００との間に熱接触を良好にして設け、放射するテラヘルツ波を集光するためのレンズ３００と、更に、ＴＯ−５などパッケージのステム２００のキャップ２２０に、集光したテラヘルツ波を伝送するための導波管３１０を取り付けた場合の一実施例を示す断面概略図である。
【００８３】
ＭＥＭＳ技術を用いてシリコンチップ２の一部に空洞１０６を設けて、残ったダイアフラム部にレンズ３００を取り付けるようにすると、高精度でしかも陽極接合や接着剤などで容易に形成できる。レンズ３００は、凸レンズでも良いし、フレネルレンズなどでも良い。また、レンズ３００の代わりに、構造に工夫を必要とするが凹面鏡を利用することもできる。
【００８４】
導波管３１０として、金属パイプでも良いが、プラスチックの中空管の内壁に金属反射膜をコ−テングしたものを用いると、フレキシブルになるので好適である。導波管３１０の内径は、導波するテラヘルツ波の波長の二分の一以上であればよく、内径を大きくするとその分、伝送するテラヘルツ波のパワーを大きくできるが、多重反射が大きくなるので、出力端での位相のずれが問題になり、信号の伝送では注意を要する。また、導波管３１０の代わりに、テラヘルツ波用の光ファイバを用いることもできる。
【実施例９】
【００８５】
図１２は、本発明のテラヘルツ波放射装置における電気的系統構成の一実施例を示すブロック図である。テラヘルツ波発生ダイオード本体に、順方向電流を流し、その活性領域３０で発生したテラヘルツ波を外部に放射させて取り出すが、このときジュール熱や外気温などによりテラヘルツ波発生ダイオード本体の温度が変化する。テラヘルツ波発生ダイオード本体の温度変化は、活性領域３０の半導体のバンドギャップや不純物準位のエネルギー値を変化させるので、発生するテラヘルツ波の周波数を直接変化させてしまい、例えば、特定の極めて狭いスペクトル波長のテラヘルツ波を利用して、励起・吸収させたりする場合や、通信における周波数分割や位相を問題にする場合など、高精度の周波数固定が必要な応用分野では問題になる。このためにはテラヘルツ波発生ダイオード本体の微細な温度制御が必要で、テラヘルツ波発生ダイオード本体に熱的に良好な接触をした温度センサとペルチェ素子とを用い、更に温度センサの増幅回路、温度制御用演算・処理回路および駆動電源回路を組み合わせて温度制御回路を構成してあり、この温度制御回路を用いて制御する場合の例を図１２のブロック図に示している。
【００８６】
また、図１２では、テラヘルツ波発生ダイオード本体に所望のテラヘルツ波発生のタイミングや出力強度、発生するテラヘルツ波の波長の制御など、演算・処理回路と駆動電源回路などの連携により制御する概略も示している。これらの演算・処理回路や増幅回路などの周辺回路は、テラヘルツ波発生ダイオード本体の半導体基板１に集積化しても良いし、外部に設けて混成回路にしても良い。
【００８７】
本発明の温度差の検出方法、温度センサおよびこれを用いた赤外線センサは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
従来の大出力パルスレーザや二波長レーザ照射などにおいては、テラヘルツ波の発生効率が悪いので、出力が１００ｍＷクラスのテラヘルツ波の発生でも１ｍ角程度の装置を必要としていた。これに対して本発明のテラヘルツ波発生ダイオード本体は、ＴＯ−５パッケージにマウントできる程度の超小型になり、携帯可能であると共に、導波路との組み合わせなどにより医療分野、創薬分野、バイオ分野、分析化学分野、センシング分野、非破壊検査分野、通信分野、種々の加工分野など、種々の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明テラヘルツ波発生ダイオードの半導体基板のチップをステム２００にマウントした状態の一実施例の横断面概略図である。（実施例１）
【図２】本発明テラヘルツ波発生ダイオードの図1におけるｐ型導電領域１０に活性領域３０を有するｐｎ接合付近のエネルギーバンド図である。（実施例１）
【図３】図２の本発明テラヘルツ波発生ダイオードに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図である。（実施例１）
【図４】他の実施例の本発明テラヘルツ波発生ダイオードに、順方向印加電圧Ｖを加えたときのエネルギーバンド図である。（実施例２）
【図５】本発明のテラヘルツ波発生ダイオードをダブルへテロ接合構造にした場合の断面概略図である。（実施例３）
【図６】図５に示したダブルへテロ接合のテラヘルツ波発生ダイオードに順方向電圧Ｖを印加したときのエネルギーバンド図である。（実施例３）
【図７】本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、波長選択機構を可変波長ファブリ・ペロー型干渉フィルタとした場合の一実施例を示す断面構造の概略図である。（実施例４）
【図８】本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、波長選択機構を多重量子井戸構造とした場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例５）
【図９】本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、波長選択機構を回折格子８０とした場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例６）
【図１０】本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて周辺回路の少なくとも一部を集積化した場合の一実施例の断面概略図である。（実施例７）
【図１１】本発明のテラヘルツ波発生ダイオードにおいて、ペルチェ素子とレンズと導波管とを取り付けた場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例８）
【図１２】本発明のテラヘルツ波放射装置における電気的系統構成の一実施例を示すブロック図である。（実施例９）
【符号の説明】
【００９０】
１  半導体基板
２  ダイオードチップ
５  シリコンチップ
１０，１１，１５  ｐ型導電領域
２０  ｎ型導電領域
３０  活性領域
５０、５１  絶縁薄膜
６０、６１  反射膜
７０  量子井戸
８０  回折格子
１００  共振器
１０５，１０６  空洞
１０７  ダイアフラム
１１０  上部電極
１２０  下部電極
１３０  電極
１５０、１５１、１５２  配線
１６０  集積回路
２００  ステム
２１０  リード
２２０  キャップ
３００  レンズ
３１０  導波管
３５０  波長選択機構
４００  ペルチェ素子
【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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