(57)【要約】【課題】テラヘルツ波の放射効率を高めたテラヘルツ波放射装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置１００は、アノード電極層１２１と、アノード電極層１２１と対を成すカソード電極層１１１と、アノード電極層１２１とカソード電極層１１１との間に配置され、真空にされる開口部が積層方向に貫通されて形成されている電気絶縁層１１２と、電気絶縁層１１２とカソード電極層１１１との間に配置され、電気絶縁層１１２と接し、開口部に光電子を放出する光電子放出層１１３とを備える。【選択図】図２
2007184559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置であって、
第１の電極層と、
前記第１の電極層と対を成す第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、真空にされる開口部が積層方向に貫通されて形成されている電気絶縁層と、
前記電気絶縁層と前記第２の電極層との間に配置され、前記電気絶縁層と接し、前記開口部に光電子を放出する光電子放出層と
を備えることを特徴とするテラヘルツ波放射装置。
【請求項２】
前記テラヘルツ波放射装置は、
前記第１の電極層が形成されている第１のウエハと、
前記第２の電極層と、前記光電子放出層とが形成されている第２のウエハとを備え、
前記電気絶縁層は、前記光電子放出層が形成されている面と前記第１の電極層が形成されている面とが対向するようにして前記第１のウエハと前記第２のウエハとに挟み込まれている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項３】
前記第２のウエハは、前記第２の電極層が形成される面の反対面にＶ字溝が形成され、前記Ｖ字溝の表面に前記光電子放出層が形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項４】
前記第１のウエハは、前記第１の電極層が形成される面に２つのＶ字溝が形成され、前記第１の電極層が前記２つのＶ字溝に跨って形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項５】
前記光電子放出層に照射される入射光の波長をλとし、前記光電子放出層の屈折率をｎとする場合において、
前記光電子放出層は、厚みがλ／４ｎ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放射装置。
【請求項６】
前記光電子放出層は、表面に周期的な凹凸形状が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項７】
前記光電子放出層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、およびカーボンナノファイバーのいずれかのカーボンナノ構造体で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブは、有効長が５０ｎｍ〜５０μｍである
ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項９】
前記第１の電極層および前記第２の電極層のいずれかは、入射光に対して透過性を有する材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１０】
前記材料は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を使用して形成されている
ことを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１１】
前記第１の電極層および前記第２の電極層のいずれかは、メッシュ形状で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１２】
前記メッシュ形状は、メッシュのピッチサイズが１０μｍ〜３００μｍである
ことを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１３】
前記第２のウエハは、前記第２の電極層が形成されている面の反対面に溝が形成されており、前記溝に前記光電子放出層が形成されているチップが組み込まれている
ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１４】
前記チップは、前記溝と接する面の反対面にＶ字溝が形成されており、前記Ｖ字溝の表面に前記光電子放出層が形成されている
ことを特徴とする請求項１３に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１５】
前記テラヘルツ波放射装置は、前記第１の電極層と前記第２の電極層とが向かい合う方向に対して垂直な方向に切り欠きが形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置。
【請求項１６】
請求項１に記載のテラヘルツ波放射装置の駆動方法であって、
前記テラヘルツ波放射装置に入射する入射光のパルスに同期させて、前記テラヘルツ波放射装置の電極にバイアス電圧を印加する
ことを特徴とするテラヘルツ波放射装置の駆動方法。
【請求項１７】
入射光をパルス化するドライバとバイアス電圧をパルス化するドライバとを同じ発信器で駆動する
ことを特徴とする請求項１６に記載のテラヘルツ波放射装置の駆動方法。
【請求項１８】
テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置の製造方法であって、
入射光を透過する第１の電極層を第１のウエハに形成する第１の電極層形成ステップと、
前記第１の電極層と対を成して電界を発生させる第２の電極層を第２のウエハに形成する第２の電極層形成ステップと、
光電子を放出する光電子放出層を前記第２のウエハに形成する光電子放出層形成ステップと、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に前記光電子放出層が配置されるように、
前記光電子放出層から光電子が放出される箇所に合わせて開口部が積層方向に貫通されて形成されている電気絶縁層を挟んで前記第１のウエハと前記第２のウエハとをウエハボンディングするウエハボンディングステップと
を含むことを特徴とするテラヘルツ波放射装置の製造方法。
【請求項１９】
前記テラヘルツ波放射装置の製造方法は、前記ウエハボンディングステップによって前記電気絶縁層を挟んで前記第１のウエハと前記第２のウエハとをウエハボンディングして製造されたテラヘルツ波放射装置を真空容器に封入する封入ステップ
を含むことを特徴とする請求項１８に記載のテラヘルツ波放射装置の製造方法。
【請求項２０】
テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置に備わり、前記電磁波を発生させる光電子を放出する光電子放出層の製造方法であって、
溝が形成されているカーボン板において前記溝が形成されている面に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってＳｉＣ（シリコンカーバイト）を堆積させる堆積ステップと、
所定の膜厚まで堆積させた後、前記カーボン板に堆積させたＳｉＣの堆積物と前記カーボン板とを分離する分離ステップと、
分離した後の前記ＳｉＣの堆積物に対して、前記カーボン板と接していた面を平滑に研磨する研磨ステップと、
研磨した後の前記ＳｉＣの堆積物に対して、研磨した面とは反対側の面に、高温でアニールすることによってカーボンナノ構造体の層を成長させる成長ステップと
を含むことを特徴とする光電子放出層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツの周波数域の電磁波（以下、テラヘルツ波と呼称する。）が非常に注目されている。０．１〜１０ＴＨｚ域の電磁波は、光が真っ直ぐ進む集光性と、セラミック、プラスチック、紙などの様々な物に対する透過性を有する。これらの特性を利用して、分光、バイオ医学、セキュリティ、イメージングなど、様々な分野に、テラヘルツ波が応用されている。この背景のもと、新しいテラヘルツ波の応用を見出すことと、セキュリティの要望にともない、また、薬物問題の増加にともない、コンパクトでポータブルな高出力のテラヘルツ波放射装置の開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１は、一例として、従来の形態におけるテラヘルツ波放射装置の構成を示す斜視図である。図１に示されるように、テラヘルツ波放射装置１０は、絶縁性ＧａＡｓウエハ１１の上に、低温成長で数μｍ厚のガリウム砒素（以下、ＬＴ−ＧａＡｓと略称する。）１２が形成されている。さらに、ＬＴ−ＧａＡｓ層１２の上に、電極１３および電極１４が形成されている。電極１３および電極１４のそれぞれは、積層方向からみて凸形状であり、電極１３の突部と電極１４の突部とが対向して配置されている。
【０００４】
そして、ＤＣバイアス電源１５から電極１３および電極１４に直流の高電圧を印加し、電極１３および電極１４の間のギャップ（２〜１０００μｍ）、すなわち、電極１３の突部と電極１４の突部との間にできた空間に、高出力のサブピコ秒パルスのレーザを照射すると、静電気的な放電が起こり、テラヘルツ波が放射される。このようにして、コンパクトなテラヘルツ波放射装置が実現される。
【特許文献１】特開２００４−１７２１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のテラヘルツ波放射装置では、電極間のギャップが一定であるため、放射されるテラヘルツ波のバンド幅が制限される。さらに、ＧａＡｓ材料の低いブレークダウン電圧のため、テラヘルツ波の出力が制限される。また、無理に電圧をあげると電流リークの問題が存在する。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高い電圧で駆動しても電流リークが起こりにくく、テラヘルツ波の放射効率を高めたテラヘルツ波放射装置およびその製造方法を提供することを目的とする。さらに、広帯域なテラヘルツ波が放射でき、量産性および信頼性が高く、低コストで製造できるテラヘルツ波放射装置およびその製造方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係わるテラヘルツ波放射装置は、（ａ）テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置であって、（ａ１）第１の電極層と、（ａ２）前記第１の電極層と対を成す第２の電極層と、（ａ３）前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に配置され、真空にされる開口部が積層方向に貫通されて形成されている電気絶縁層と、（ａ４）前記電気絶縁層と前記第２の電極層との間に配置され、前記電気絶縁層と接し、前記開口部に光電子を放出する光電子放出層とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これによって、第１の電極層（アノード電極層）と第２の電極層（カソード電極層）とに高い電圧を供給しても、電流リークが起こりにくい。これは、第１の電極層（アノード電極層）と第２の電極層（カソード電極層）との間に電気絶縁層を備えるためである。結果、高い電圧を供給することができ、テラヘルツ波の放射効率を高めることができる。
【０００９】
さらに、（ｂ）前記テラヘルツ波放射装置は、（ｂ１）前記第１の電極層が形成されている第１のウエハと、（ｂ２）前記第２の電極層と、前記光電子放出層とが形成されている第２のウエハとを備え、（ｂ３）前記電気絶縁層は、前記光電子放出層が形成されている面と前記第１の電極層が形成されている面とが対向するようにして前記第１のウエハと前記第２のウエハとに挟み込まれていることを特徴としてもよい。
【００１０】
これによって、半導体製造プロセスによって製造できるので、量産性および信頼性が高く、低コストで製造することができる。
【００１１】
さらに、（ｃ）前記第２のウエハは、前記第２の電極層が形成される面の反対面にＶ字溝が形成され、前記Ｖ字溝の表面に前記光電子放出層が形成されていることを特徴としてもよい。
【００１２】
これによって、第１のウエハ（アノードウエハ）に形成されている第１の電極層（アノード電極層）からＶ字溝に形成されている光電子放出層までの距離に応じて、放射されるテラヘルツ波の周波数を制御することができる。すなわち、テラヘルツ波の周波数は、第１の電極層（アノード電極層）および第２の電極層（カソード電極層）の間隔の関数となる。このため、その間隔が連続的に変化した、テラヘルツ波放射装置は、様々な周波数成分を含むテラヘルツ波を放射し、広帯域動作が可能になる。
【００１３】
具体的には、テラヘルツ波放射装置から放射されるテラヘルツ波は、第２のウエハ（カソードウエハ）に形成されたＶ字溝の深さおよび電気絶縁層の膜厚で、数μｍから数ｍｍの範囲で正確に制御することができる。ここで、Ｖ字溝の深さは、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの半導体微細プロセスで制御することが可能である。結果、第１の電極層（アノード電極層）および第２の電極層（カソード電極層）の位置や間隔を精密に制御することができ、所望のスペクトル幅を放射することができる。
【００１４】
または、（ｄ）前記第１のウエハは、前記第１の電極層が形成される側に２つのＶ字溝が形成され、前記第１の電極層が前記２つのＶ字溝に跨って形成されていることを特徴としてもよい。
【００１５】
これによって、第１の電極層（アノード電極層）の先端がＶ字溝に配置されているため、電気絶縁層より第１の電極層（アノード電極層）に電界が集中しやすくなる。この結果、高い電圧でも、電気絶縁層にリーク電流が発生しにくくなり、高出力のテラヘルツ波を得ることができる。
【００１６】
または、（ｅ）前記光電子放出層に照射される入射光の波長をλとし、前記光電子放出層の屈折率をｎとする場合において、前記光電子放出層は、厚みがλ／４ｎであることを特徴としてもよい。
【００１７】
これによって、入射光（フェムト秒レーザ）の反射が減少し、損失が減り、動作効率が向上する。
【００１８】
または、（ｆ）前記光電子放出層は、表面に周期的な凹凸形状が形成されていることを特徴としてもよい。
【００１９】
これによって、光電子放出層の屈折率と外界（例えば、真空。）の屈折率との周期的な変化を作る。この屈折率の周期的な変化は、所謂、フォトニック結晶として知られている。すなわち、フォトニック結晶を適切に設計することにより、表面反射を低く抑えたまま、入射光（フェムト秒レーザ）の吸収を最大にすることができる。また、周期的な凹凸形状により、光電子放出層の面積は、実際の面積の２倍になる。この結果、入射光（フェムト秒レーザ）の出力をテラヘルツ波の出力に最大限に変換することができる。
【００２０】
または、（ｇ）前記光電子放出層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、およびカーボンナノファイバーのいずれかのカーボンナノ構造体で形成されていることを特徴としてもよい。
【００２１】
さらに、（ｈ）前記カーボンナノチューブは、有効長が５０ｎｍ〜５０μｍであることを特徴としてもよい。
【００２２】
これによって、カーボンナノチューブは、微小な先端を有するので、高解像度を実現するテラヘルツ波を放射する点光源として機能する。このため、光電子放出層として、カーボンナノチューブを用いることによって、テラヘルツ波放射装置を、低コストで製造することができ実用できる。また、十分な電界放出、光電子放出をすることができ、高出力のテラヘルツ波を放射することができる。新しいテラヘルツ波の応用を開拓することができる。
【００２３】
または、（ｉ）前記第１の電極層および前記第２の電極層のいずれかは、入射光に対して透過性を有する材料で形成されていることを特徴としてもよい。
【００２４】
さらに、（ｊ）前記材料は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）を使用して形成されていることを特徴としてもよい。
【００２５】
これによって、これらの材料を第１の電極層（アノード電極層）に使用することにより、光電子放出層の表面に入射光（フェムト秒レーザ）を照射することが容易になる。結果、テラヘルツ波放射装置を小型にし、その製造が容易になる。
【００２６】
または、（ｋ）前記第１の電極層および前記第２の電極層のいずれかは、メッシュ形状で形成されていることを特徴としてもよい。
【００２７】
さらに、（ｌ）前記メッシュ形状は、メッシュのピッチサイズが１０μｍ〜３００μｍであることを特徴としてもよい。
【００２８】
これによって、テラヘルツ波の位相を制御するとともに、フィルタとしても機能することができる。
【００２９】
または、（ｍ）前記第２のウエハは、前記第２の電極層が形成されている面の反対面に溝が形成されており、前記溝に前記光電子放出層が形成されているチップが組み込まれていることを特徴としてもよい。
【００３０】
さらに、（ｎ）前記チップは、前記溝と接する側の反対側にＶ字溝が形成されており、前記Ｖ字溝の表面に前記光電子放出層が形成されていることを特徴としてもよい。
【００３１】
これによって、第２のウエハ（カソードウエハ）にＳｉＣを使用した場合に比べて、チップのみにＳｉＣを使用し、チップを除くカソードウエハにＳｉ基板を使用することによって、低コストで製造することができる。
【００３２】
または、（ｏ）前記テラヘルツ波放射装置は、前記第１の電極層と前記第２の電極層とが向かい合う方向に対して垂直な方向に切り欠きが形成されていることを特徴としてもよい。
【００３３】
これによって、指向性を有するテラヘルツ波を放射することができる。
なお、本発明は、テラヘルツ波放射装置として実現されるだけではなく、テラヘルツ波放射装置の製造方法、テラヘルツ波放射装置が組み込まれたテラヘルツ波放射システム、およびテラヘルツ波放射装置を駆動する方法などとして実現されるとしてもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、光電子放出層を用いたテラヘルツ波放射装置を大量かつ低コストで生産することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
（実施の形態）
以下、本発明に係わる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置は、（ａ）テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置であって、（ａ１）第１の電極層と、（ａ２）第１の電極層と対を成す第２の電極層と、（ａ３）第１の電極層と第２の電極層との間に配置され、真空にされる開口部が積層方向に貫通されて形成されている電気絶縁層と、（ａ４）電気絶縁層と第２の電極層との間に配置され、電気絶縁層と接し、開口部に光電子を放出する光電子放出層とを備えることを特徴とする。
【００３７】
さらに、（ｂ）テラヘルツ波放射装置は、（ｂ１）第１の電極層が形成されている第１のウエハと、（ｂ２）第２の電極層と、光電子放出層とが形成されている第２のウエハとを備え、（ｂ３）電気絶縁層は、光電子放出層が形成されている面と第１の電極層が形成されている面とが対向するようにして第１のウエハと第２のウエハとに挟み込まれていることを特徴とする。
【００３８】
以上の点を踏まえて、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置について説明する。
図２は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の構成を示す図である。図２に示されるように、テラヘルツ波放射装置１００は、カソードウエハ１０１およびアノードウエハ１０２を備える。さらに、カソードウエハ１０１およびアノードウエハ１０２がウエハボンディングされている。
【００３９】
カソードウエハ１０１は、カソード電極層１１１が形成されているウエハである。カソード電極層１１１は、約２００ｎｍの厚みでニッケルをカソードウエハ１０１に蒸着し、０．０００1Ｏｈｍ以下の接触抵抗でオーミック接触になるように９５０℃〜１０００℃で２分間、または、１１００℃〜１１５０℃で１分間アニールして形成された電極の層であり、バイアス電源１５６に接続されている。
【００４０】
アノードウエハ１０２は、アノード電極層１２１が形成されているウエハである。アノード電極層１２１は、例えば、フェムト秒レーザなどのような入射光に対して透過性を有するＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などの材料を使用してアノードウエハ１０２に蒸着して形成された電極の層であり、バイアス電源１５６と接続されている。
【００４１】
また、ＩＴＯをアノード電極層１２１に使用することにより、光電子放出層１１３の表面にレーザを照射することが容易になる。結果、テラヘルツ波放射装置１００を小型にし、その製造が容易になる。
【００４２】
さらに、カソードウエハ１０１は、カソード電極層１１１が形成されている側の反対側に、電気絶縁層１１２が形成され、積層方向に貫通された開口部が電気絶縁層１１２に形成されている。電気絶縁層１１２は、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化シリコン）などの材料を使用してカソードウエハ１０１に形成されている。
【００４３】
また、カソードウエハ１０１は、開口部に合わせてＶ字溝が形成され、そのＶ字溝の表面に光電子放出層１１３が形成されている。ここでは、一例として、光電子放出層１１３として、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）からなるチップ１１４のＶ字溝の表面に形成されたカーボンナノ構造体の層とする。なお、カーボンナノ構造体として、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノファイバーなどがある。とりわけ、カーボンナノチューブの層は、ＳｉＣウエハ上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成することができる。または、チャンバー内に酸素を少量含めて１２００〜２０００℃の温度範囲で約１時間アニールしても形成することができる。例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍサイズの平坦な表面サンプルを１２００〜２０００℃で１時間アニールすると、５０ｎｍ厚のカーボンナノチューブの層が形成される。なお、このとき形成されるカーボンナノチューブは、頂上が閉じた様々なマルチウォールドカーボンナノチューブが形成される。
【００４４】
なお、レーザの波長をλ、光電子放出層１１３の屈折率をｎとするとき、光電子放出層１１３の厚さは、λ／４ｎである。これは、一般に、λ／４ｎの厚みの光学膜は無反射コートになるためである。この結果、レーザの反射が減少し、損失が減り、動作効率が向上する。
【００４５】
ただし、電界がカーボンナノチューブに集中するためには、１０倍以上のアスペクト比（長さ／直径）が望ましい。しかし、アスペクト比が１００倍を超えると、カーボンナノチューブが倒れやすくなる。つまり、カーボンナノチューブの直径は一般に約５ｎｍとすると、カーボンナノチューブの有効長は、５０ｎｍ〜５０μｍが望ましい。
【００４６】
図３（ａ）は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置１００が組み込まれているテラヘルツ波放射システムの構成を示す図である。図３（ａ）に示されるように、テラヘルツ波放射システム１５０は、パルス生成部１５１、レーザ駆動部１５２、レーザ装置１５３、レンズ１５４、電源駆動部１５５、バイアス電源１５６、テラヘルツ波放射装置１００を備える。
【００４７】
パルス生成部１５１は、レーザ駆動部１５２および電源駆動部１５５に出力するパルスを生成する。生成したパルスをレーザ駆動部１５２および電源駆動部１５５に出力する。
【００４８】
レーザ駆動部１５２は、パルス生成部１５１から出力されたパルスに合わせてレーザ装置１５３を駆動する。
【００４９】
レーザ装置１５３は、レーザ駆動部１５２から駆動されて高いピークパワーを有するフェムト秒レーザを出力する。
【００５０】
レンズ１５４は、レーザ装置１５３から出力されたフェムト秒レーザをフォーカスする。
【００５１】
電源駆動部１５５は、パルス生成部１５１から出力されたパルスに合わせてバイアス電源１５６を駆動する。
【００５２】
バイアス電源１５６は、電源駆動部１５５から駆動されて高いＤＣバイアス電圧をカソード電極層１１１およびアノード電極層１２１に供給する。
【００５３】
なお、図３（ｂ）は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置１００に対してレーザ装置１５３から出力されるレーザおよびバイアス電源１５６から供給されるバイアス電圧を示す波形図である。図３（ｂ）に示されるように、パルス生成部１５１からレーザ駆動部１５２および電源駆動部１５５にパルスを同期させながら出力し、ＤＣバイアス電圧の供給とレーザの出力とを同期させるとしてもよい。これによって、Ｓ／Ｎ比を向上させることができ、テラヘルツ波の放射効率を向上させることができる。これは、レーザが照射されないとき、電界放出による電子は雑音源になる。しかし、同期させることによって、その雑音を減らすことができるためである。
【００５４】
図４は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置１００が組み込まれたテラヘルツ波放射システム１５０の構成を示す図である。図４に示されるように、具体的には、テラヘルツ波放射装置１００は、真空度４Ｅ−６Ｔｏｒｒ以下に設定された容器１６１に封入される。そして、高いピークパワーを有するフェムト秒レーザがレンズ１５４で強くフォーカスされ、窓ガラス合成石英１６２を介して照射される。アノードウエハ１０２を透過し、光電子放出層１１３に照射されると、光電子放出層１１３から効率的な光電子が放出される。このとき、バイアス電源１５６からカソード電極層１１１およびアノード電極層１２１に直流の高電圧を供給することによって、放出された光電子が加速され、テラヘルツ波を放射する。そして、テラヘルツ波放射装置１００で発生させたテラヘルツ波は、窓ガラス合成石英１６３を介して放射される。
【００５５】
図５は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の製造工程を示す工程図である。図５に示されるように、カソード電極層１１１が形成されているカソードウエハ１０１に電気絶縁層１１２を形成する（Ｓ１０１）。このとき、カソード電極層１１１が形成されている面の反対面に電気絶縁層１１２を形成する。さらに、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、積層方向に貫通された開口部１３１を電気絶縁層１１２に形成し（Ｓ１０２）、開口部１３１によって露出された個所に異方性エッチングによって溝を形成する（Ｓ１０３）。溝が形成されている面に、Ｖ字溝に光電子放出層１１３が形成されているチップ１１４（ＳｉＣ）を混入した液体を流し、チップ１１４を溝に組み込む（Ｓ１０４）。カソードウエハ１０１およびアノードウエハ１０２をウエハボンディングして接着させる（Ｓ１０５）。このとき、カソード電極層１１１およびアノード電極層１２１の間に光電子放出層１１３が配置されるように接着されている。
【００５６】
そして、カソードウエハ１０１とアノードウエハ１０２とをウエハボンディングして製造されたテラヘルツ波放射装置１００を、真空度４Ｅ−６Ｔｏｒｒ以下に設定された容器１６１に封入する。これによって、アノード電極層１２１と光電子放出層１１３との間に形成された空間が真空になる。
【００５７】
なお、光電子放出層１１３の表面などを傷つけることなく、チップ１１４が液体中で緩やかに組み込まれる。また、液体を用い自己整合的に組み込まれるので、高精度な組立装置が不要である。この結果、高品質なテラヘルツ波放射装置１００を実現することができる。例えば、液体を用いてチップを組み込む方法として、下記の参考文献に示されている。
【００５８】
［参考文献］
B. P. Singh, K. Onozawa, K. Yamanaka, T. Tojo, and D. Ueda: IEEE/LEOS OPTICAL MEMS 2004 Int. Conf. on Optical MEMS and Their Applications, Takamatsu, 2004, Japan, p. 176-177.
【００５９】
なお、カソードウエハ１０１として、Ｓｉウエハ以外に、ｎ型６Ｈ−ＳｉＣ、半絶縁６Ｈ−ＳｉＣ、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ、または他のポリタイプＳｉＣウエハとしてもよい。さらに、カソードウエハ１０１にＶ字溝を直接形成し、Ｖ字溝に光電子放出層１１３を形成するとしてもよい。また、オフ角が導入されているＳｉＣウエハを用いるとしてもよい。このとき、カソードウエハ１０１の表面に対してＶ字溝の傾斜面の角度が４５度になるようにオフ角が設定されているとしてもよい。なお、一般に、オフ角が導入されていない場合は、カソードウエハ１０１の表面に対してＶ字溝の傾斜面の角度は、５４．７度になる。
【００６０】
なお、アノードウエハ１０２についても、Ｓｉウエハ以外に、ｎ型６Ｈ−ＳｉＣ、半絶縁６Ｈ−ＳｉＣ、ｎ型４Ｈ−ＳｉＣ、または他のポリタイプＳｉＣウエハとしてもよい。また、オフ角が導入されているＳｉＣウエハを用いるとしてもよい。
【００６１】
以上、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置１００は、アノードウエハ１０２に形成されているアノード電極層１２１からＶ字溝に形成されている光電子放出層１１３までの距離に応じて、放射されるテラヘルツ波の周波数を制御することができる。すなわち、テラヘルツ波の周波数は、光電子放出層１１３およびアノード電極層１２１の間隔の関数となるため、その間隔が一定でないと、テラヘルツ波放射装置１００は、様々な周波数成分を含むテラヘルツ波を放射し、広帯域動作が可能になる。
【００６２】
具体的には、テラヘルツ波放射装置１００から放射されるテラヘルツ波は、カソードウエハ１０１に形成されたＶ字溝の深さおよび電気絶縁層１１２の膜厚で、数μｍから数ｍｍの範囲で正確に制御することができる。ここで、Ｖ字溝の深さは、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの半導体微細プロセスで制御することが可能である。結果、アノード電極層１２１およびカソード電極層１１１の位置や間隔を精密に制御することができ、所望のスペクトル幅を放射することができる。
【００６３】
さらに、カーボンナノチューブは、微小な先端を有するので、高解像度を実現するテラヘルツ波を放射する点光源として機能する。このため、光電子放出層１１３として、カーボンナノチューブを用いることによって、テラヘルツ波放射装置１００を、低コストで製造することができる。また、十分な電界放出、光電子放出をすることができ、高出力のテラヘルツ波を放射することができる。新しいテラヘルツ波の応用を開拓することができる。
【００６４】
なお、Ｖ字溝にカーボンナノ構造体（光電子放出層１１３）を形成するにあたり、ＳｉＣウエハの代わりに、ＣＶＤによってカーボン板に堆積させたＳｉＣを使用するとしてもよい。
【００６５】
図６は、実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置に備わる光電子放出層の製造工程の変形例を示す工程図である。図６に示されるように、具体的には、Ｖ字溝が形成されたカーボン板１７１を使用する（Ｓ１１１）。カーボン板１７１においてＶ字溝が形成されている面にＣＶＤによってＳｉＣを堆積させる（Ｓ１１２）。所定の膜厚まで堆積させた後、カーボン板１７１に堆積させたＳｉＣの堆積物１７２とカーボン板１７１とを分離する（Ｓ１１３）。分離した後、ＳｉＣの堆積物１７２に対して、カーボン板１７１と接していた面、すなわち、下側の部分１７３を平滑に研磨する（Ｓ１１４）。研磨した後、研磨した面とは反対側の面に、ＳｉＣの堆積物１７２を高温でアニールすることによってカーボンナノ構造体の層１７５（光電子放出層１１３）を成長させる（Ｓ１１５）。
【００６６】
（第１の変形例）
なお、図７は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第１の変形例を示す断面図である。図７に示されるように、アノードウエハ１０２の代わりに、アノードウエハ２０２を備えるとしてもよい。
【００６７】
アノードウエハ２０２は、アノード電極層２２１が形成される側に２つのＶ字溝が形成され、２つのＶ字溝に跨って形成されているアノード電極層２２１を備える。このとき、カソードウエハ１０１に形成されているＶ字溝にアノード電極層２２１の先端を合わせるようにしてアノード電極層２２１が形成されているとしてもよい。
【００６８】
また、図８は、第１の変形例におけるテラヘルツ波放射装置２００の製造工程を示す工程図である。図８に示されるように、アノード電極層２２１が形成されるアノードウエハ２０２にフォトレジスト２３０を形成する（Ｓ２０１）。フォトリソグラフィとエッチングによってフォトレジスト２３０に開口部を２箇所形成する。さらに、異方性エッチングによってＶ字溝を２つ形成し（Ｓ２０２）、フォトレジスト２３０を除去する（Ｓ２０３）。２つのＶ字溝を含めてアノード電極層２２１を形成する（Ｓ２０４）。カソードウエハ１０１およびアノードウエハ２０２をウエハボンディングして接着させる（Ｓ２０５）。このとき、カソードウエハ１０１に形成されているＶ字溝の真上にアノード電極層２２１の先端が配置されるようにして接着されている。
【００６９】
これによって、アノード電極層２２１の先端がＶ字溝に配置されているため、電気絶縁層１１２よりアノード電極層２２１に電界が集中しやすくなる。この結果、高い電圧でも、絶縁層にリーク電流が発生しにくくなり、高出力のテラヘルツ波を得ることができる。
【００７０】
（第２の変形例）
なお、図９は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第２の変形例を示す断面図である。図９に示されるように、テラヘルツ波放射装置３００は、カソードウエハ３０１に溝が形成され、溝の底部に光電子放出層３１３（カーボンナノチューブの層）が形成されているとしてもよい。また、アノードウエハ３０２に突起部を有するアノード電極層３２１が形成されているとしてもよい。そして、光電子放出層３１３（カーボンナノチューブの層）の真上にアノード電極層３２１の突起部が配置されるように、カソードウエハ３０１およびアノードウエハ３０２が接着されているとしてもよい。これによって、テラヘルツ波放射装置３００は、高効率なテラヘルツ波を放射することができる。ここで、カソードウエハ３０１は、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとする。
【００７１】
（第３の変形例）
なお、図１０は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第３の変形例を示す断面図である。図１０に示されるように、テラヘルツ波放射装置４００は、カソードウエハ４０１に溝が形成され、光電子放出層４１３が形成されているチップ４１４の底面に電気メッキを施して、溝の底部にチップ４１４を組み込むとしてもよい。ここで、チップ４１４は、ＳｉＣとし、カソードウエハ４０１は、Ｓｉウエハを用いて形成されているとしてもよいし、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとしてもよい。チップ４１４の組み込みについては、溝が形成されている面に、チップ４１４を混入した液体を流し、チップ４１４を溝に組み込む。
【００７２】
（第４の変形例）
なお、図１１は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第４の変形例を示す断面図である。図１１に示されるように、テラヘルツ波放射装置５００は、カーボンナノチューブの群生が周期的な凹凸形状のチップ５１４の表面に光電子放出層５１３として形成されているとしてもよい。ここで、チップ５１４は、ＳｉＣとし、カソードウエハ５０１は、Ｓｉウエハを用いて形成されているとしてもよいし、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとしてもよい。
【００７３】
周期的な凹凸形状は、光電子放出層５１３の屈折率と外界（例えば、真空。）の屈折率との周期的な変化を作る。この屈折率の周期的な変化は、所謂、フォトニック結晶として知られている。
【００７４】
すなわち、フォトニック結晶を適切に設計することにより、表面反射を低く抑えたまま、レーザの吸収を最大にすることができる。また、周期的な凹凸形状により、光電子放出層の面積は、実際の面積の２倍になる。この結果、レーザの出力をテラヘルツ波の出力に最大限に変換することができる。
【００７５】
（第５の変形例）
なお、図１２は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第５の変形例を示す断面図である。図１２に示されるように、テラヘルツ波放射装置６００は、カーボンナノチューブの群生が周期的にチップ６１４の表面に光電子放出層６１３として形成されているとしもよい。図１２では、チップ６１４上に光電子放出層６１３があり、第３の変形例のように、チップ６１４は、カソードウエハ６０１に組み込まれている。ここで、チップ６１４は、ＳｉＣとし、カソードウエハ６０１は、Ｓｉウエハを用いて形成されているとしてもよいし、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとしてもよい。
【００７６】
また、図１３（ａ）は、第５の変形例におけるテラヘルツ波放射装置６００の光電子放出層６１３を拡大した斜視図であり、図１３（ｂ）は、その変形例を示す斜視図である。図１３（ａ）に示されるように、カーボンナノチューブの群生は、柱状の微小な突起物６１３ａのようにチップ６１４上に形成されているとしてもよいし、図１３（ｂ）に示されるように、筒状の微小な突起物６１３ｂのようにチップ６１４上に形成されているとしてもよい。これによって、効率的に光電子を放射することができる。
【００７７】
（第６の変形例）
なお、図１４は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第６の変形例を示す断面図である。図１４に示されるように、テラヘルツ波放射装置７００は、電気絶縁層１１２が形成される前に、周期的な構造でカソードウエハ７０１の表面に光電子放出層７１３が形成されているとしてもよい。ここで、カソードウエハ７０１は、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとする。
【００７８】
また、図１５（ａ）は、第６の変形例におけるテラヘルツ波放射装置７００の光電子放出層７１３を拡大した斜視図であり、図１５（ｂ）は、その変形例を示す斜視図である。図１５（ａ）に示されるように、微小な孔７１５ａが光電子放出層７１３に形成されているとしてもよいし、図１５（ｂ）に示されるように、環状の開口の孔７１５ｂが光電子放出層７１３に形成されているとしてもよい。
【００７９】
（第７の変形例）
なお、図１６は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第７の変形例を示す断面図である。図１６に示されるように、テラヘルツ波放射装置８００は、カソード電極層１１１およびアノード電極層８２１のいずれかを、フォトリソグラフィとエッチングを用いて形成するとしてもよい。このとき、カソード電極層１１１およびアノード電極層８２１の間隔が、周辺部分よりも中央部分を大きくして、中央部分では一定であり、周辺部分では一定でないように形成するとしてもよい。ここで、カソードウエハ８０１は、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとする。
【００８０】
（第８の変形例）
なお、図１７は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第８の変形例を示す断面図である。図１７に示されるように、テラヘルツ波放射装置９００は、カソード電極層１１１およびアノード電極層９２１の間隔が一定で正確に形成されているとしてもよい。ここで、カソードウエハ９０１は、ＳｉＣウエハを用いて形成されているとする。
【００８１】
（第９の変形例）
なお、図１８（ａ）は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第９の変形例を示す上面図であり、図１８（ｂ）は、Ａ−Ａ線で切断して矢視方向に見た断面図である。図１８（ａ）に示されるように、テラヘルツ波放射装置１０００は、カソード電極層１０１１とアノード電極層１０２１とが向かい合う方向に対して垂直方向に切り欠きが形成されているとしてもよい。これによって、指向性を有するテラヘルツ波を放射することができる。そして  テラヘルツ波が、導波路にカップリングするように、センターポジションが設計されている。
【００８２】
（第１０の変形例）
なお、図１９（ａ）は、本実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第１０の変形例を示す上面図であり、図１９（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線で切断して矢視方向に見た断面図である。図１９（ａ）に示されるように、テラヘルツ波放射装置１１００は、カソードウエハ１１０１のカソード電極層１１１１がアノード電極層１１２１よりの側に形成されているとしてもよい。
【００８３】
（その他の変形例）
なお、図２０は、実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置のカソード電極層およびアノード電極層のいずれかの電極層の変形例を示す斜視図である。図２０に示されるように、カソードウエハ１２０１に形成されるカソード電極層１２１１は、非透明な材料および透明な材料のいずれかの材料で形成されるとしてもよい。さらに、メッシュ形状で形成されるとしてもよい。このとき、メッシュのピッチサイズは、１０μｍ〜３００μｍとする。また、アノード電極層についても同様である。
【００８４】
これによって、テラヘルツ波の位相を制御するとともに、フィルタとしても機能することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、テラヘルツ帯域の電磁波を放射するテラヘルツ波放射装置などとして、特に、テラヘルツ波の放射効率を高めたテラヘルツ波放射装置などとして、利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】従来の形態におけるテラヘルツ波放射装置の構成を示す斜視図
【図２】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の構成を示す断面図
【図３】（ａ）は、本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置が組み込まれているテラヘルツ波放射システムの構成を示すブロック図、（ｂ）は、そのテラヘルツ波放射装置に対してレーザ装置から出力されるレーザおよびバイアス電源から印加されるバイアス電圧を示す波形図
【図４】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置が組み込まれたテラヘルツ波放射システムの構成を示す図
【図５】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の製造工程を示す工程図
【図６】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置に備わる光電子放出層の製造工程の変形例を示す工程図
【図７】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第１の変形例を示す断面図
【図８】第１の変形例におけるテラヘルツ波放射装置の製造工程を示す工程図
【図９】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第２の変形例を示す断面図
【図１０】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第３の変形例を示す断面図
【図１１】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第４の変形例を示す断面図
【図１２】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第５の変形例を示す断面図
【図１３】（ａ）は、第５の変形例におけるテラヘルツ波放射装置の光電子放出層を拡大した斜視図、（ｂ）は、第５の変形例におけるテラヘルツ波放射装置の光電子放出層の変形例を示す斜視図
【図１４】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第６の変形例を示す断面図
【図１５】（ａ）は、第６の変形例におけるテラヘルツ波放射装置の光電子放出層を拡大した斜視図、（ｂ）は、第６の変形例におけるテラヘルツ波放射装置の光電子放出層の変形例を示す斜視図
【図１６】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第７の変形例を示す断面図
【図１７】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第８の変形例を示す断面図
【図１８】（ａ）は、本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第９の変形例を示す上面図、（ｂ）は、第９の変形例におけるテラヘルツ波放射装置をＡ−Ａ線で切断して矢視方向に見た断面を示す断面図
【図１９】（ａ）は、本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置の第１０の変形例を示す上面図、（ｂ）は、第１０の変形例におけるテラヘルツ波放射装置をＢ−Ｂ線で切断して矢視方向に見た断面を示す断面図
【図２０】本発明に係わる実施の形態におけるテラヘルツ波放射装置のカソード電極層およびアノード電極層のいずれか電極層の変形例を示す斜視図
【符号の説明】
【００８７】
１０  テラヘルツ波放射装置
１１  絶縁性ＧａＡｓウエハ
１２  ＬＴ−ＧａＡｓ層
１３，１４  電極
１５  バイアス電源
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００  テラヘルツ波放射装置
１０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１，１１０１，１２０１  カソードウエハ
１０２，２０２，３０２  アノードウエハ
１１１，１０１１，１１１１，１２１１  カソード電極層
１１２  電気絶縁層
１１３，３１３，４１３，５１３，６１３，７１３  光電子放出層
１１４，４１４，５１４，６１４  チップ
１２１，２２１，３２１，８２１，９２１，１０２１，１１２１  アノード電極層
１３１  開口部
１５０  テラヘルツ波放射システム
１５１  パルス生成部
１５２  レーザ駆動部
１５３  レーザ装置
１５４  レンズ
１５５  電源駆動部
１５６  バイアス電源
【図１】
2007184559.tif 000003
【図２】
2007184559.tif 000004
【図３】
2007184559.tif 000005
【図４】
2007184559.tif 000006
【図５】
2007184559.tif 000007
【図６】
2007184559.tif 000008
【図７】
2007184559.tif 000009
【図８】
2007184559.tif 000010
【図９】
2007184559.tif 000011
【図１０】
2007184559.tif 000012
【図１１】
2007184559.tif 000013
【図１２】
2007184559.tif 000014
【図１３】
2007184559.tif 000015
【図１４】
2007184559.tif 000016
【図１５】
2007184559.tif 000017
【図１６】
2007184559.tif 000018
【図１７】
2007184559.tif 000019
【図１８】
2007184559.tif 000020
【図１９】
2007184559.tif 000021
【図２０】
2007184559.tif 000022