(57)【要約】【課題】  表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得る。【解決手段】  光伝導素子は、光伝導層１１０と、光伝導層上に配置されている複数の導電部１１２と、を有し、複数の導電部のそれぞれは、電極１０３と、電極と電気的に接続しているアンテナ部１０２と、アンテナ部と接触しており、周期的に配置されている複数の格子１５０を含む回折格子部１０１と、を有し、複数の導電部は、複数の導電部それぞれの回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、アンテナ部と回折格子部との接触部１６０における電流反射係数は、±５％以下である。【選択図】  図１
2016164974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導層と、
前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、
前記複数の導電部のそれぞれは、
電極と、
前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、
前記アンテナ部と接触しており、周期的に配置されている複数の格子を含む回折格子部と、を有し、
前記複数の導電部は、前記複数の導電部それぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、
前記アンテナ部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±５％以下である
ことを特徴とする光伝導素子。
【請求項２】
前記アンテナ部と前記回折格子部との接触部における前記電流反射係数は、±１％以下である
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】
光伝導層と、
前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、
前記複数の導電部のそれぞれは、
電極と、
前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、
周期的に配置されている複数の格子を有する回折格子部と、
前記アンテナ部と前記回折格子部との間に配置されており、前記回折格子部と接触している接続部と、を有し、
前記複数の導電部は、前記複数の導電部のそれぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、
前記接続部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±５％以下である
ことを特徴とする光伝導素子。
【請求項４】
前記接続部と前記回折格子部との接触部における前記電流反射係数は、±１％以下である
ことを特徴とする請求項３に記載の光伝導素子。
【請求項５】
前記アンテナ部と前記接続部とが接触しており、前記アンテナ部と前記接続部との接触部における電流反射係数は、±５％以下である請求項３又は４に記載の光伝導素子。
【請求項６】
前記アンテナ部と前記接続部との接触部における前記電流反射係数は、±１％以下である請求項５に記載の光伝導素子。
【請求項７】
前記接続部は、前記複数の格子のうちの一部の格子と接しており、前記複数の格子のそれぞれの幅よりも大きい幅を有する第１の拡張部と、
前記第１の拡張部と接しており、前記第１の拡張部の幅よりも大きい幅を有する第２の拡張部と、を有し、
前記第２の拡張部と前記第１の拡張部との接触部での電流反射係数は、±５％以下である請求項３から６のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項８】
前記接続部は、前記回折格子部から前記アンテナ部に向かって幅が大きくなるテーパー部を有する
ことを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項９】
前記間隙の中心と前記電極との間を伝搬する光電流の伝搬距離は、１．５ｍｍ以上である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝導素子。
【請求項１０】
前記回折格子部の厚みは、前記アンテナ部の厚みと同じである
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１１】
前記回折格子部の厚みは、前記光の波長の１／３以下である
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１２】
前記複数の格子が配置されている周期Ｌは、光の速度をｃ、光の波長をλ、光の角振動数をω、光の入射角をθ、光の波長における前記回折格子部の誘電率実部をεｇ、前記回折格子部と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率の実部をεｐ、任意の整数をｍとすると、
【数１】
2016164974.tif 000007
を満たす
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１３】
光が入射することによりテラヘルツ波パルスを発生する発生部と、
測定物を透過した又は前記測定物で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、を有し、
前記発生部と前記検出部との少なくとも一方は、請求項１から８のいずれか一項に記載の光伝導素子である
ことを特徴とする測定装置。
【請求項１４】
光伝導素子の製造方法であって、
光伝導層を形成する工程と、
前記光伝導層上に、第１の層と第２の層と第３の層とを形成する工程と、
前記第１の層をレジストとして前記第２の層をエッチングする工程と、
前記第１の層を除去するする工程と、
前記第２の層をレジストとして前記第３の層のエッチングを行うことにより、アンテナ部と回折格子部とを形成する工程と、を有する
ことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝導素子、その製造方法、及びそれを用いた測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、周波数が３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波である。テラヘルツ波の発生又は検出を行う素子として光伝導素子がある。光伝導素子は、移動度が比較的大きくて、キャリア寿命がピコ秒以下という特殊な半導体と、半導体上に設けられた電極を兼ねているアンテナ電極（導電部）とで構成されている。アンテナ電極に電圧を印加した状態でアンテナ電極間のギャップ部（間隙）に超短パルス光の照射を行うと、励起された光キャリアにより電流が瞬間的に電極間を流れることでテラヘルツ波を放射するしくみとなっている。
【０００３】
光伝導素子の発生出力及び検出感度を向上させる手段として、アンテナ電極間のギャップ部の半導体表面において励起光の電界を増強して半導体における光吸収量を増加させることにより、光キャリアの発生効率を向上する方法がある。具体的には、アンテナ電極間にサブミクロンオーダーの周期で、負の誘電率を持つ材料によって回折格子を配置する。回折格子に超短パルス光を照射して表面プラズモン共鳴や回折を起こす。これにより回折格子と半導体との界面近傍の電界増強や回折による電界集中を利用して光キャリアの発生効率の向上を実現している。
【０００４】
例えば特許文献１及び非特許文献１では、ボータイアンテナ間に表面プラズモン共鳴を発生させる回折格子を設けた光伝導素子が開示されている。回折格子がある場合とない場合とで、テラヘルツ波の発生能力及び検出能力の比較を行っており、回折格子を設けることにより発生出力や検出感度が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ２０１４／０３４６３５７
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、４、１６２２、（２０１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光伝導素子を用いて測定を行う測定装置に、テラヘルツ波時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：ＴＨｚ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によってテラヘルツ波パルスの時間波形を測定するＴＨｚ−ＴＤＳ装置等がある。特許文献１に記載の光伝導素子を用いて、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置で測定を行う場合、テラヘルツ波パルスは、測定物の物性及び形状等の影響を受けて透過や反射するため、複数のパルス波となる。複数のパルスは、それぞれのパルスが伝搬した光路長に応じて異なる時間に検出されるため、得られた時間波形は複数のパルスを有する。これらの複数のパルスを時間波形上で分離し、それぞれ解析することにより測定物の情報を取得できる。そのため、テラヘルツ波パルスを測定物に介さずにそのまま検出した場合、テラヘルツ波パルスの時間波形は単一のパルスのみを有することが望ましい。換言すると、テラヘルツ波パルスをモノパルスにすることが望ましい。
【０００８】
それに対し、例えば非特許文献１の光伝導素子が発生したテラヘルツ波は、複数のパルスを有する時間波形が得られる恐れがある。
【０００９】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての光伝導素子は、光伝導層と、前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、前記複数の導電部のそれぞれは、電極と、前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、前記アンテナ部と接触しており、周期的に配置されている複数の格子を含む回折格子部と、を有し、前記複数の導電部は、前記複数の導電部それぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、前記アンテナ部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±５％以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の別の一側面としての光伝導素子は、光伝導層と、前記光伝導層上に配置されている複数の導電部と、を有し、前記複数の導電部のそれぞれは、電極と、前記電極と電気的に接続しているアンテナ部と、周期的に配置されている複数の格子を有する回折格子部と、前記アンテナ部と前記回折格子部との間に配置されており、前記回折格子部と接触している接続部と、を有し、前記複数の導電部は、前記複数の導電部それぞれの前記回折格子部間に間隙を有して対向するように配置されており、前記接続部と前記回折格子部との接触部における電流反射係数は、±５％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の一側面としての光伝導素子によれば、表面プラズモンを用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の光伝導素子の構成を説明するための模式図。
【図２】第２の実施形態の光伝導素子の構成を説明するための模式図。
【図３】第３の実施形態の光伝導素子の構成を説明するための模式図。
【図４】第４の実施形態の光伝導素子の構成を説明するための模式図。
【図５】第５の実施形態の光伝導素子の構成を説明するための模式図。
【図６】第６の実施形態における光伝導素子の製造方法を示すフローチャート。
【図７】第７の実施形態の測定装置の構成を説明するための模式図。
【図８】第１の実施形態における特性インピーダンスの計算に用いた光伝導素子の構成を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の光伝導素子１００（以下、「素子１００」と呼ぶ）について図１を参照して説明する。図１（ａ）は素子１００の全体構成図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。素子１００は、光伝導層１１０と、基板１１１と、複数の導電部（アンテナ電極）１１２と、を有する。
【００１５】
光伝導層１１０は、励起光としての超短パルス光が入射することによりキャリアを発生する半導体である。本明細書の「超短パルス光」は、パルス幅が数１００ｆｓ以下の光で、特に、パルス幅が１ｆｓ以上１００ｆｓ以下の超短パルス光をフェムト秒パルス光と呼ぶ。光伝導層１１０の材料としては、光伝導層１１０のバンドギャップエネルギーに相当する波長が励起光の波長よりも短い材料を選択して１光子吸収によるキャリアの励起を利用してもよい。また、バンドギャップエネルギーに相当する波長が励起光波長より長い材料であっても非線形光学効果の一つである多光子吸収によるキャリアの励起を利用できる。例えば、励起光の波長が０．８μｍ帯の場合には低温成長（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｇｒｏｗｎ、以後ＬＴと称す）ＧａＡｓを用い、励起光の波長が１．５μｍ帯の場合には、ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ又はＬＴ−ＧａＡｓを用いることができる。
【００１６】
光伝導層１１０は、基板１１１上に配置されている。基板１１１上に光伝導層１１０をエピタキシャル成長する場合には、使用する光伝導層１１０と格子整合するものを基板１１１として選択すればよい。もちろん、光伝導層１１０をエピタキシャル成長させる方法に限らず、転写等によって光伝導層１１０と基板１１１とを貼り合わせる技術等を用いてもよい。
【００１７】
複数の導電部１１２は、各導電部１１２が有する回折格子部間（回折格子部１０１間）にギャップ部（間隙）を有するように、光伝導層上（光伝導層１１０上）に配置されている。複数の導電部１１２のそれぞれは、回折格子部１０１と、アンテナ部１０２と、複数の電極１０３とを有する。アンテナ部１０２は、回折格子部１０１と電極１０３とを電気的に接続している。各アンテナ部１０２は凸部を有しており、凸部は、任意の間隔を隔てて対向している。アンテナ部１０２は電極としての機能を有しており、アンテナ部１０２それぞれの凸部の間に電圧を印加できる。
【００１８】
電極１０３は、アンテナ部１０２と電気的に接続されており、かつ不図示の信号線と接続されている。アンテナ部１０２及び電極１０３それぞれの材料には、電気伝導率が高く、酸化しにくい金属を用いることが望ましく、具体的には金（Ａｕ）等を用いる。アンテナ部１０２の形状は、発生又は検出するテラヘルツ波の周波数及び出力等を鑑みて決定される。本実施形態では、広帯域にわたってテラヘルツの発生、検出が可能なダイポールアンテナを例に取っている。
【００１９】
図１（ｂ）に示す通り、素子１００は、さらに２つのアンテナ部１０２それぞれの凸部の先端に回折格子部１０１を配置されている。回折格子部１０１は、表面プラズモン共鳴効果や回折効果によって、光伝導層１１０における励起光の光吸収効率を向上させる。回折格子部１０１は、電気伝導率が高い材料で構成された複数の格子１５０を有する。
【００２０】
複数の格子１５０のそれぞれは、直方体形状の格子である。隣り合う複数の格子１５０同士は、ある一定の間隔を隔てて、周期的に並んで配置されている。これを換言すると、回折格子部１０１は、光伝導層１１０上に配置されている導電性の部材が複数の溝を有しており、複数の溝が周期的に形成されている。
【００２１】
各導電部１１２の回折格子部１０１同士のギャップ部の間隔は、光伝導層１１０の耐電圧を考慮して決定することが望ましい。例えば、光伝導層１１０がＬＴ−ＧａＡｓであれば、回折格子部１０１間のギャップ部の間隔を約１．０μｍ以上数十μｍ以下にすればよい。例えば、耐電圧を１００Ｖ程度確保するためには、ギャップ部の間隔を１０μｍ程度設ければよい。
【００２２】
２つのアンテナ部１０２間に対向するように配置されている２つの回折格子部１０１それぞれの領域は、Ａ−Ａ方向、Ｂ−Ｂ方向共に照射する励起光の照射領域以上を確保すればよい。回折格子部１０１としても、アンテナ部１０２、電極１０３と同様に、導電性が高い材料を用いることが望ましく、具体的には、Ａｕ等を用いる。
【００２３】
ギャップ部の光伝導層１１０と回折格子部１０１とを含む領域に、励起光の反射を抑制する不図示の反射防止膜層を備えていてもよい。
【００２４】
ここからは、表面プラズモン共鳴が励起される条件について説明する。励起光の偏光方向が、アンテナ部１０２の長手方向（図１（ａ）のＢ−Ｂ直線方向）と平行である時に最も効率的に表面プラズモン共鳴を励起できる。表面プラズモン共鳴の条件は（１）式で表される。なお、光速度をｃ、励起光の波長をλ、励起光の角振動数をω、励起光の素子１００に対する入射角をθとする。また、励起光の波長における回折格子部１０１の誘電率実部をεｇ、回折格子部１０１の周期をＬ、回折格子部１０１と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率の実部をεｐとする。
【００２５】
【数１】
2016164974.tif 000003
【００２６】
（１）式のｍは、正の整数を取る。さらに簡略化のため、入射角が０°の場合を考えると（２）式が得られる。
【００２７】
【数２】
2016164974.tif 000004
【００２８】
表面プラズモン共鳴を励起するためには、回折格子部１０１の材料の誘電率実部が負の値を取り、かつその絶対値が回折格子部１０１と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率よりも高くてはならない。以上のことから、回折格子部１０１は、負の誘電率を持つ材料を含む。具体的には、回折格子部１０１は、材料として、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）等を含む。なお、回折格子部１０１の一部に正の誘電率を持つ材料が含まれていてもよく、回折格子部１０１全体としての誘電率実部が負であり、かつその絶対値が回折格子部１０１と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率より高ければよい。
【００２９】
また、表面プラズモン共鳴を可能とする回折格子部１０１の周期Ｌは、励起光の波長、回折格子部１０１の格子１５０の材料の誘電率実部、及び回折格子部１０１と接する物質の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率により一義的に決定される。
【００３０】
例として励起光の素子１００への入射角を０度（０°）とし、光伝導層１１０にＬＴ−ＧａＡｓを、回折格子部１０１の材料にＡｕを選択した場合について述べる。このような構成では、励起光の波長が０．８μｍの場合は表面プラズモン共鳴が励起される回折格子部１０１の周期Ｌは約２００ｎｍとなる。励起光の波長が１．５５μｍの場合は表面プラズモン共鳴が励起される回折格子部１０１の周期Ｌは約７００ｎｍとなる。なお、回折格子部１０１は、励起光に対して表面プラズモン共鳴が励起可能な一定周期の複数の格子１５０によって構成されている。よって回折格子部１０１の周期Ｌは、格子１５０を配列する周期に等しいことが望ましい。また、フェムト秒パルス光のように励起光の波長がブロードバンドである場合は、出力が最も高い波長に合わせて回折格子部１０１の周期を設定することが望ましい。
【００３１】
回折格子部１０１の格子１５０それぞれの厚みは、励起光の波長の１／１０程度がよいが、励起光の波長の少なくとも１／３以下であればよい。これ以上厚くなってしまうと回折格子部１０１における励起光の反射が大きくなり、効率的な表面プラズモン共鳴が困難となる。また、反射防止膜が具備される場合には、励起光の波長における反射防止膜の屈折率ｎを考慮して、格子１５０それぞれの厚みは、励起光の波長の１／３ｎ以下であればよい。
【００３２】
アンテナ部１０２は図１に示したダイポールアンテナ以外にもその用途に応じて、ストリップライン、ボータイ、スパイラルアンテナ等を用いてもよい。
【００３３】
発明者は、従来技術において、時間波形上のパルスが複数であることや、形状が歪む原因の一つが、回折格子部の格子の格子１５０とアンテナ部１０２との接触部（接続面）１６０における特性インピーダンスの不整合であることを見出した。接触部１６０において特性インピーダンスの不整合があると、回折格子部１０１から流れる光電流が反射して反射波が発生し、所望の周波数と異なる周波数のテラヘルツ波の共振や損失を誘発することがある。これにより、複数のピークを有するテラヘルツ波パルスが得られたり、パルス形状が歪んだりすることがある。本実施形態では、このような特性インピーダンスの不整合を低減して、接触部１６０における光電流の反射波を低減する。
【００３４】
回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に特性インピーダンスが不整合な面が存在する場合の、特性インピーダンスの差異と光電流の反射波との関係について説明する。本実施形態では、回折格子部１０１とアンテナ部１０２とが接触して電気的に接続されているため、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との接触部１６０における特性インピーダンスの差異と光電流の反射波の関係について述べる。
【００３５】
回折格子部１０１の複数の格子１５０は、複数の平行かつ周期的に配列した伝送線路とみなすことができる。よって、複数の平行な伝送線路（格子１５０）を持つ回折格子部１０１が、アンテナ部１０２という単一の伝送線路と接触部１６０を形成して電気的に接続されているとみなせる。この場合、回折格子部１０１全体の特性インピーダンスをＺ１、アンテナ部１０２の特性インピーダンスをＺ２とすると、接触部１６０における電流反射係数Ｒは（３）式で表すことができる。なお、（３）式では、アンテナ部１０２から回折格子部１０１へ向かう方向を正としている。
【００３６】
【数３】
2016164974.tif 000005
【００３７】
本明細書の「電流反射係数」は、回折格子部１０１からアンテナ部１０２へ向かう入射波が、接触して電気的に接続される２つの部材の接触部で回折格子部１０１方向へ反射して反射波が発生する場合の、入射波の振幅に対する反射波の振幅の割合と定義する。この反射波は、２つの部材のそれぞれの特性インピーダンスが異なるために、接触部において発生する。
【００３８】
本明細書では、上述の２つの部材のうちアンテナ部１０２側のものを第１の部材、回折格子部１０１側のものを第２の部材とする。入射波の振幅に対する第１の部材と第２の部材との接触部で発生した反射波の振幅の割合を、第１の部材と第２の部材との接触部における電流反射係数と呼ぶ。また、単に第１の部材の電流反射係数と呼ぶこともあるが、これらは同義である。
【００３９】
本実施形態の場合、回折格子部１０１からアンテナ部１０２へ向かう入射波の振幅に対する、接触部１６０で回折格子部１０１に向かって反射する反射波の振幅の割合を「回折格子部１０１とアンテナ部１０２との接触部１６０における電流反射係数」という。「回折格子部１０１とアンテナ部１０２との接触部１６０における電流反射係数」は、「接触部１６０における電流反射係数」又は「接触部１６０における電流反射係数」ということもある。なお、本明細書では、接触部１６０は、回折格子部１０１全体とアンテナ部１０２との接触部を指し、回折格子部１０１が複数の格子１５０のそれぞれとアンテナ部１０２とが接している面を含む。
【００４０】
回折格子部１０１及びアンテナ部１０２を伝送線路と見なした場合、それぞれの特性インピーダンスは、主に入射波の周波数、回折格子部１０１及びアンテナ部１０２のそれぞれの幅、厚み、及び配置のされ方、及び光伝導層１１０の誘電率等により決定される。よって本実施形態では、回折格子部１０１中の格子１５０の幅及び厚み、アンテナ部１０２の幅及び厚みを調整することにより、接触部１６０における光電流の反射波を低減する。
【００４１】
ここで、例としては、測定物で反射したテラヘルツ波パルス（反射パルス）の時間波形を測定し、その時間波形を用いて測定物の屈折率を取得する場合を想定する。この場合、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との接触部における光電流の反射が、測定によって得られた屈折率にどの程度影響を与えるかを考える。測定物の屈折率は、反射率が約１００％の金属鏡からの反射パルスの時間波形から得られる振幅スペクトルをリファレンスとして取得する。この振幅スペクトルと測定物からの反射パルスの時間波形から得られる振幅スペクトルとの比から反射率を取得すれば、その反射率から屈折率を求めることができる。
【００４２】
反射パルスを測定する反射型の測定系では、一般的に測定物からの反射パルスの測定値は、リファレンスとしての金属鏡からの反射パルスの測定値に比べて非常に小さい。したがって、金属鏡からの反射パルスの時間波形には光電流の反射波を確認できても、測定物からの反射パルスの時間波形では、光電流の反射波の信号がノイズ以下となって確認できない場合がある。
【００４３】
光電流の反射波によってテラヘルツ波が損失することなく素子１００から放射又は検出されるとすると、測定物の屈折率が１．５程度の場合において、電流反射係数が±５％だと屈折率の測定誤差は最大で０．０３程度となる。同様に、電流反射係数Ｒが±１％の場合、屈折率の測定誤差は最大で０．０１以下となる。
【００４４】
電流反射係数Ｒが小さいほど、すなわち回折格子部１０１の特性インピーダンスの値とアンテナ部１０２の特性インピーダンスの値とが近いほど、取得した反射パルスの時間波形に含まれる光電流の反射波が小さくなる。そのため、接触部１６０における電流反射係数Ｒをできるだけ小さくすることが望ましい。よって、素子１００は、測定誤差を誤差０．０３以下にするためには、接触部１６０における電流反射係数Ｒを±５％以下とすることが望ましく、より好ましくは、±１％以下となるように構成する。
【００４５】
本実施形態では、回折格子部１０１およびアンテナ部１０２を伝送線路と見なした場合に、アンテナ部１０２の電流反射係数Ｒが±５％以下を満たす構成の一例を示す。本実施形態では、図１（ｂ）のように回折格子部１０１とアンテナ部１０２の厚みが同一である場合を想定する。
【００４６】
本実施形態の回折格子部１０１及びアンテナ部１０２のそれぞれは、５００μｍの厚さのＧａＡｓ基板上に配置されているものとする。なお、ＧａＡｓ基板は、裏面が接地されている。回折格子部１０１の周期Ｌは７００ｎｍで固定とし、３０ＧＨｚにおける回折格子部１０１とアンテナ部１０２の特性インピーダンスを独立に計算し、それらからアンテナ部１０２の電流反射係数Ｒを計算した。なお、回折格子部１０１の特性インピーダンスはグラウンド付きコプレーナ線路モデルを適用し、アンテナ部１０２はグラウンド付きマイクロストリップラインモデルを適用した。
【００４７】
格子１５０の幅を狭くする、換言すれば格子１５０同士の間隔が広がるほど特性インピーダンスは高くなる傾向がある。例えば格子１５０の幅が約３５０ｎｍで、格子１５０同士の間隔も同様に約３５０ｎｍである場合、回折格子部１０１の特性インピーダンスは６０［Ω］程度である。それに対し、格子１５０の幅を約１００ｎｍまで細くすると、格子１５０同士の間隔が約６００ｎｍとなり、その特性インピーダンスは９０［Ω］程度まで増加する。一方、アンテナ部１０２の幅が約５０μｍである場合、アンテナ部１０２の特性インピーダンスは９０［Ω］程度であるのに対し、アンテナ部１０２の幅を１８０μｍまで太くすると、その特性インピーダンスは６０［Ω］程度まで低下する。
【００４８】
このことから、アンテナ部１０２の電流反射係数Ｒが±５％以下となる条件を満たすためには、格子１５０の幅が３５０ｎｍである場合は、アンテナ部１０２の幅が１７０μｍ以上２９０μｍ以下の範囲にすればよいことが分かる。また、格子１５０の幅を１００ｎｍまで細くした場合は、アンテナ部の幅が３０μｍ以上７０μｍ以下の範囲にすれば、アンテナ部１０２の電流反射係数Ｒを±５％以下にすることができる。このように、回折格子部１０１の格子１５０の幅及びアンテナ部１０２の幅を調整することにより電流反射係数Ｒを調整し、アンテナ部１０２の電流反射係数Ｒを±５％以下とすることができる。
【００４９】
このような構成にすることにより、素子１００を含む測定装置を用いて反射パルスの時間波形をフーリエ変換して求めた振幅スペクトルに光電流の反射波に由来する成分が混入する割合を低減できると考えられる。
【００５０】
なお、特性インピーダンスが異なる接触部を複数有する場合も本発明に含まれる。これを換言すると、回折格子部１０１とアンテナ部１０２とが接触しておらず、回折格子部１０１又はアンテナ部１０２と特性インピーダンスが異なる別の構造を介して、回折格子部１０１とアンテナ部１０２とが電気的に接続されている構成も本発明に含まれる。別の構造とは、例えば、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に配置され、回折格子部１０１とアンテナ部１０２とを電気的に接続する接続部である。接続部の具体例として、格子１５０の幅をアンテナ部１０２に向かって拡張するための拡張部等がある。
【００５１】
この場合、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に複数の接触部が存在するため、それぞれの接触部においてインピーダンス不整合が発生し、反射波が発生する。そのため、各接触部における電流反射係数Ｒが上述の範囲に収まるように構成することが望ましい。すなわち、各接触部における電流反射係数Ｒが上述の範囲に収まるように構成されていれば、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に、特性インピーダンスの異なる接触部を有する構成も、本発明に含まれる。このような構成についての詳細は、第二の実施形態にて説明する。
【００５２】
回折格子部１０１の特性インピーダンスは、計算によって見積もることができる。回折格子部１０１の特性インピーダンスを計算する方法として、回折格子部１０１を一様な抵抗体と見なして計算する方法について説明する。具体的には、例えば、回折格子部１０１及びアンテナ部１０２のそれぞれは、テラヘルツ波の波長に対して十分に小さい構造体であると見なす。以後、回折格子部１０１及びアンテナ部１０２のそれぞれを抵抗体と想定して計算する方法について図８を参照して述べる。
【００５３】
ここでは、例として、図８に示したような光伝導素子８００について考える。光伝導素子８００は、回折格子部８０１と、アンテナ部１０２と、を有する。回折格子部８０１の材料等は回折格子部１０１と同様である。回折格子部８０１は、回折格子部１０１中の格子１５０それぞれを抵抗体とみなし、それらが並列に複数配置された集中定数回路と見なすこともできる。
【００５４】
回折格子部８０１の格子１５０の幅と、格子１５０同士の間隔との比は１：１であり、周期Ｌは７００ｎｍとする。回折格子部８０１は格子１５０の長さを３μｍ、厚さを１００ｎｍ、格子１５０が５本周期的に配列されているとする。格子１５０の材料はＡｕとする。この時、格子１５０の抵抗率が分かれば、格子１５０が並列かつ複数本ある抵抗体とみなせ、それらの抵抗値から回折格子部８０１全体としての抵抗、すなわち特性インピーダンスを見積もる事が出来る。Ａｕが１００〜３００ｎｍ程度の薄膜である場合には、その抵抗率は０．０３Ω・μｍ程度である。すなわち、格子１５０の抵抗は２．５７Ωとなり、回折格子部全体の抵抗は０．５Ω程度になる。また、アンテナ部１０２の厚さを３００ｎｍ、幅を１０μｍ、アンテナ部１０２の凸部の長さを２０μｍとした場合、アンテナ部１０２の抵抗値は、０．２Ω程度となる。
【００５５】
このような計算結果に基づいて、接触部１６０における電流反射係数Ｒが±５％以下となるように回折格子部８０１やアンテナ部１０２の構造を決定する。また、計算結果と、回折格子部８０１及びアンテナ部１０２の特性インピーダンスを実際に測定した測定結果とに基づいて、回折格子部８０１やアンテナ部１０２構造を決定する方法も有効である。すなわち、素子１００の設計には、必ずしも前述の伝送線路を想定した特性インピーダンスの計算方法を用いなくてもよく、回折格子部１０１を集中定数回路と見なした計算方法、又は実際に測定した測定結果等を用いることができる。
【００５６】
複数の電極１０３は、アンテナ部１０２間に電圧を印加、又はアンテナ部１０２間に流れる電流を測定するために、不図示の信号線を介して外部機器との接続を担う。信号線との電気接続にはワイヤーボンディング等で電極１０３に対して信号線としても用いる金属ワイヤーを溶融して接合することが多い。図１（ａ）には電極１０３が４つある例を示しているがギャップ部に電圧を印加する又はギャップ部の電流を検出できるように２つの電極１０３と信号線とが接続されていればよい。
【００５７】
回折格子部１０１とアンテナ部１０２とが、同一材料で且つ同一の厚みで形成されていると想定する。この場合、金属ワイヤー材料と回折格子部１０１やアンテナ部１０２との融点や熱伝導率が違ったり、表面の酸化等の要因により接合の相性が悪かったり、もしくは接合に必要な電極１０３の厚みが不足したりすることがある。そのような場合は、図１（ｃ）のようにアンテナ部１０２の材料上に、不図示の信号線と接合しやすい材料を用いて接合に必要な厚みの電極１０３を形成することが望ましい。アンテナ部１０２と電極１０３との厚みの差により、ギャップ部で発生した光電流が電極１０３まで流れて反射波が起こることがある。そのため、ギャップ部の中心から電極１０３に到達するまでの光電流の伝搬距離（伝送線路長）が１．５ｍｍ以上となるように構成することが好ましい。その理由について説明する。
【００５８】
光速をｃ、光電流が発生してから電極１０３で反射波が発生しギャップに戻るまでの時間をｔ、光伝導層１１０と導電部１１２の構造及びテラヘルツ波の周波数で決定される実効比誘電率をεｒとすると、伝送線路長ｄは（４）式で表される。
【００５９】
【数４】
2016164974.tif 000006
【００６０】
ここで、例えば光伝導層１１０にＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合は、アンテナ部１０２の幅、厚み等の構造やテラヘルツ領域の周波数に依存するが少なくとも実効比誘電率εｒは約９以上の値を取る。したがって、伝送線路長ｄが１．５ｍｍ以上とすれば、テラヘルツ波が発生もしくは検出されてから、電極１０３で発生した光電流の反射波がギャップ部に戻り、反射波が発生するもしくは検出されるまでの時間差が３０ｐｓ以上となる。
【００６１】
時間差が３０ｐｓ以上となれば、ＴＨｚ−ＴＤＳ装置で測定物の形態や物性を評価する場合に、時間波形上で十分に長い遅延時間である。例えば、伝送線路長ｄを１．５ｍｍとした場合、テラヘルツ波が発生もしくは検出されてから、電極１０３で発生した光電流の反射波がギャップ部に戻り、反射波が発生するもしくは検出されるまでの時間差が３０ｐｓ程度となる。よって、反射波を含んだ時間波形をフーリエ変換し周波数スペクトルを得たとしても、その共振周波数は１５ＧＨｚ付近であり、３０ＧＨｚ程度の周波数分解能であれば測定結果及び解析結果に影響を与えないと考えられる。
【００６２】
以上のことから、光電流の反射波は、回折格子部１０１の特性インピーダンスとアンテナ部１０２の特性インピーダンスとを整合させ、さらに電極１０３と回折格子部１０１との間の伝送線路長を測定結果に影響を与えない程度に長くすることにより低減できる。
【００６３】
以上、本実施形態の素子１００によれば、回折格子部１０１とアンテナ部１０２の接触部における光電流の反射波を低減できる。その結果、素子１００で発生したテラヘルツ波又は素子１００で検出したテラヘルツ波の時間波形において、接触部における反射波の影響を低減して、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
【００６４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の光伝導素子２００（以下、「素子２００」と呼ぶ）について図２を参照して説明する。図２は、素子２００の構成を説明する模式図である。第１の実施形態の素子１００は、図１（ａ）に示す通り回折格子部１０１とアンテナ部１０２とが接触して配置されており、直接電気的に接続されている。それに対し、本実施形態の素子２００の導電部２１２は、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に接続部１０４を有する。すなわち、回折格子部１０１は、アンテナ部１０２とは接して配置されていない。なお、第１の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
【００６５】
第１の実施形態のように回折格子部１０１とアンテナ部１０２とを接触して接続する構成では、回折格子部１０１及びアンテナ部１０２の構造を調節して光電流の反射波を軽減することが容易でない場合がある。そのような場合には、本実施形態のように、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に接続部１０４のような別の構成を設けて、特性インピーダンスの異なる接続点を増やす。このような構成にすることで、インピーダンス不整合点を分散させ、各々の接続点における光電流の反射波を軽減することができる。
【００６６】
接続部１０４は、線路幅を格子１５０の幅からアンテナ部１０２に向かって拡張する拡張部である。接続部１０４は、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に配置されており、格子１５０の幅より大きく、アンテナ部１０２の幅より小さい範囲内で、線路幅を格子１５０からアンテナ部１０２に向かって複数回に分けて拡張する。
【００６７】
具体的には、接続部１０４は、複数の拡張部を有し、図２に示す通り、隣り合う２つの格子１５０が、格子１５０より幅の広い第１の拡張部と接して接続されている。さらに、隣り合う２つの第１の拡張部が、第１の拡張部よりさらに幅の広い第２の拡張部と接して接続されている。隣り合う２つの第２の拡張部は、第２の拡張部よりさらに幅の広い第３の拡張部と接して接続されている。第３の拡張部は、アンテナ部１０２と接するように配置することにより、接続部１０４は、最終的にアンテナ部１０２に接続されている。
【００６８】
このように、素子２００は、接続部１０４を介して格子１５０とアンテナ部１０２とを電気的に接続する。そして、本実施形態の接続部１０４は、回折格子部１０１のインピーダンスからアンテナ部１０２のインピーダンスに近づくように、線路幅を複数の段階に分けて拡張する。
【００６９】
素子２００の接続部１０４は、回折格子部１０１と接触する第１の接触部１７０、接続部１０４内で異なる線路幅の線路が接触する第２の接触部１７１と第３の接触部１７２、及び接続部１０４とアンテナ部１０２とが接触する第４の接触部１７３と、を有する。接続部１０４によって、複数回にわけて各格子１５０の線路幅を各格子１５０の幅から拡張し、最終的にアンテナ部１０２と接続することで、線幅が拡張する部分での特性インピーダンス不整合による光電流の反射波を分散する。その結果、各々の接触部１７０〜１７３における特性インピーダンス不整合による光電流の反射波の大きさ、すなわち接触部における電流反射係数を低減できる。
【００７０】
なお、回折格子部１０１、アンテナ部１０２の構造、及び接続部１０４の加工限界の線幅等の各種制約等によるが、接続部１０４における拡張回数１回あたりの拡張幅は可能な限り少なくした方がよい。具体的には、各接触部１７０〜１７３のそれぞれにおける電流反射係数が、±５％以下、より好ましくは±１％以下となるように、接続部１０４を構成することが望ましい。
【００７１】
ここで、素子２００の具体的な構成の一例について説明する。素子２００は、複数の接触部１７０〜１７３のそれぞれにおける電流反射係数が±５％以下となるように構成されている。
【００７２】
素子２００は、第１の実施形態と同様に、回折格子部１０１の厚みとアンテナ部１０２の厚みとは同一である場合を想定する。また、回折格子部１０１及びアンテナ部１０２は、裏面が接地されている５００μｍの厚さのＧａＡｓ基板上に配置されているとする。回折格子部１０１の格子１５０の周期Ｌは７００ｎｍで、複数の格子１５０のそれぞれ幅は３５０ｎｍで固定とした。
【００７３】
この場合、回折格子部１０１の特性インピーダンスは約５６［Ω］であった。接続部１０４のうち、第１の接触部１７０と第２の接触部１７１との間の部分（第１の拡張部）は、１４００ｎｍ周期で６００ｎｍ程度の幅を持つ周期構造とすると、特性インピーダンスは６１［Ω］程度となる。また、接続部１０４の第２の接触部１７１と第３の接触部１７２との間の部分（第２の拡張部）は、２８００ｎｍ周期で１０００ｎｍ程度の幅を持つ周期構造とすると、特性インピーダンスは６７［Ω］程度となる。さらに、接続部１０４の第３の接触部１７２と第４の接触部１７３との間の部分（第３の拡張部）は、５６００ｎｍ周期で１６００ｎｍ程度の幅を持つ周期構造とすると、特性インピーダンスは７３［Ω］程度となる。
【００７４】
よって、複数の接触部１７０〜１７３のそれぞれにおける電流反射係数を、すべて±５％以下にすることができる。また、アンテナ部１０２の幅を８０μｍ〜１４０μｍの範囲内とすることにより、その特性インピーダンスは６５〜８０［Ω］の範囲内となるので、アンテナ部１０２と接続部１０４との第４の接触部１７３における電流反射係数も±５％以下とすることができる。
【００７５】
上述の第１の実施形態では、回折格子部１０１の周期を７００ｎｍで、格子１５０の幅を３５０ｎｍとした場合、電流反射係数が±５％以下となるアンテナ部の幅は１７０μｍ〜２９０μｍの範囲内であった。これに対して第二の実施形態では接続部１０４を設けることにより電流反射係数が±５％以下となるアンテナ部１０２の幅を８０μｍ〜１４０μｍの範囲内に縮小することができた。すなわち接続部１０４を設ける事により、回折格子部１０１の格子１５０の幅や、アンテナ部１０２の幅、厚み等の構造の自由度を向上することができる。
【００７６】
このような構成にすれば、接触部１７０〜１７３のそれぞれにおける特性インピーダンスの不整合を軽減し、光電流の反射波を低減できる。
【００７７】
以上、本実施形態の素子２００によれば、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との接触部における光電流の反射波を低減できる。また、素子２００で発生したテラヘルツ波パルス及び素子２００で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
【００７８】
また、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に接続部１０４を設けることにより、光電流の反射波をテーパー部１０５の領域内で分散することによって、各々の接触部における反射波の大きさ、すなわち電流反射係数をより低減することができる。さらに、回折格子部１０１の格子１５０の幅や、アンテナ部１０２の幅、厚み等の構造の自由度を向上することができる。
【００７９】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の光伝導素子３００（以下、「素子３００」と呼ぶ）について図３を参照して説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図３（ａ）は素子３００の構成を説明する図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の回折格子部１０１付近の拡大図である。
【００８０】
図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す通り、素子３００の導電部３１２は、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に、接続部としてのテーパー部１０５を更に有する。回折格子部１０１とアンテナ部１０２とは、テーパー部１０５を介して電気的に接続されている。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００８１】
テーパー部１０５は、線路幅を格子１５０の幅からアンテナ部１０２に向かって拡張する拡張部である。テーパー部１０５は、回折格子部１０１からアンテナ部１０２に向けて、厚み及び幅が徐々に大きくなるように構成されたテーパー構造である。テーパー部１０５は、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間に配置されている。そのため、テーパー部１０５は、回折格子部１０１との接触部１８０と、アンテナ部１０２との接触部１８１とを有する。テーパー部１０５内における特性インピーダンスが連続的に変化する。
【００８２】
この場合、アンテナ部１０２の電流反射係数（アンテナ部１０２とテーパー部１０５との界面における電流反射係数）が±５％以下、より望ましくは±１％以下となるように構成する。また、テーパー部１０５の電流反射係数（テーパー部１０５と回折格子部１０１との界面における電流反射係数）が、±５％以下、より望ましくは±１％以下となるように構成する。
【００８３】
テーパー部１０５における光電流の反射波は、上述の第１、第２の実施形態のように厚みや幅が階段状となっている場合よりも、インピーダンス不整合による光電流の反射波をテーパー部１０５全体に分散する事ができる。すなわち、テーパー部１０５はインピーダンスが異なる無数の伝送線路が電気的に接続されていると見なすことができる。よって回折格子部１０１からアンテナ部１０２までの間に発生する光電流の反射波をテーパー部１０５の領域内で分散することによって、各々の接続面における反射波の大きさ、すなわち電流反射係数をより低減することができる。なお、厚み方向および幅方向のテーパー部の傾斜は可能な限り緩くした方が良く、望ましくは１°〜４５°の範囲内がよいがこの範囲に限られるものではない。
【００８４】
以上、素子３００によれば、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そして、素子３００で発生したテラヘルツ波パルス及び素子３００で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。
【００８５】
また、テーパー構造を有するテーパー部を接続部として用いることにより、光電流の反射波をテーパー部１０５の領域内で分散することによって、各々の接触部における反射波の大きさ、すなわち電流反射係数をより低減することができる。さらに、第２の実施形態と同様に、回折格子部１０１の格子１５０の幅や、アンテナ部１０２の幅、厚み等の構造の自由度を向上することができる。
【００８６】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の光伝導素子４００（以下、「素子４００」と呼ぶ）について、図４を参照して説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図４は、素子４００の構成を説明する図である。素子４００の導電部４１２は、アンテナ部４０２の一部が円弧形状となっている円弧部１０６を有する。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００８７】
電極１０３をアンテナ間ギャップ部の中心から１．５ｍｍ以上遠ざける場合、図１（ａ）や図３（ａ）のように、アンテナ部１０２及び電極１０３は長方形とするのが最も単純な構成である。この場合、長方形の長辺部分の長さが光伝導素子の小型化の妨げとなる恐れがある。また、アンテナ部１０２と電極１０３との間に直角等の角度がついた部分があるため、角度のついた部分において光電流の反射波が発生し、テラヘルツ波の共振や検出電流の損失等を誘発するおそれがある。素子４００は、円弧部１０６を有することにより、角度がついた部分を有さないアンテナ部４０２を形成し、同時にアンテナ部４０２によって素子４００の小型化を実現している。
【００８８】
この場合でも、第１の実施形態と同様にアンテナ間ギャップ部から電極１０３までの光電流の伝搬長（伝送線路長）が１．５ｍｍ以上となることが好ましい。なお、円弧部１０６の曲率半径は、アンテナ部４０２の長辺部分における幅以上であれば良く、数μｍ〜数ｍｍ程度の範囲で形成可能である。また、円弧部１０６は一つの電極１０３から回折格子部１０１までの間に複数あってもよい。
【００８９】
以上、素子４００によれば、回折格子部１０１とアンテナ部４０２との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そして、素子４００で発生したテラヘルツ波パルス及び素子４００で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。また、アンテナ部１０２の一部に円弧部１０６を形成することにより、素子４００は、伝送線路長を１．５ｍｍ以上にしながら素子４００を小型化できる。
【００９０】
（第５の実施形態）
第５の実施形態の光伝導素子５００（以下、「素子５００」と呼ぶ）について、図５を参照して説明する。図５は、素子５００の構成を説明する断面図である。本実施形態の素子５００は、第１の実施形態における基板１１１としてＳｉ基板５１１を用いており、さらに格子整合層５０１を有する構成である。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００９１】
第１の実施形態の素子１００において、発生したテラヘルツ波を基板１１１側に放射、もしくは基板１１１側からテラヘルツ波を検出する場合、基板１１１におけるテラヘルツ波のフォノン吸収によって帯域が制限される。よって、本実施形態では、基板１１１として、テラヘルツ波の周波数領域にフォノン吸収がないＳｉ基板５１１を用いる。
【００９２】
光伝導層１１０は、まず光伝導層１１０と格子整合するような格子整合層５０１をＳｉ基板５１１上に形成した後に、格子整合層５０１上に形成される。例えば光伝導層１１０にＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合、格子整合層５０１はＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、Ｇｅを含む層で形成する。このような構成にすることにより、Ｓｉ基板５１１と光伝導層１１０との格子不整合を吸収できる。なお、格子整合層５０１には、Ｓｉ基板５１１よりも高抵抗な材料を用いることが望ましい。
【００９３】
以上、素子５００によれば、回折格子部１０１とアンテナ部１０２との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そして、素子５００で発生したテラヘルツ波パルス及び素子５００で検出したテラヘルツ波パルスの時間波形を、従来よりもモノパルスに近づけることができる。すなわち、表面プラズモン共鳴を用いる光伝導素子において、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを得ることができる。また、基板１１１と光伝導層１１０との間に格子整合層５０１を形成することにより、テラヘルツ波の周波数領域にフォノン吸収がないような基板１１１を適用できる。
【００９４】
（第６の実施形態）
第６の実施形態として、第１の実施形態の素子１００の製造方法について、図６を参照して説明する。図６は、素子１００の製造方法を示すフローチャートである。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。本実施形態では、導電部１１２が有する回折格子部１０１、アンテナ部１０２、電極１０３を一括で露光して作製する方法を説明する。
【００９５】
光伝導層１１０として第５の実施形態で示したようなＳｉ基板上に形成したＬＴ−ＧａＡｓを選択し、回折格子部１０１、アンテナ部１０２、電極１０３の材料としてＡｕを選択した。また反射防止膜としてＳｉＯ２を選択し、励起光波長は１．５５μｍとし、ＬＴ−ＧａＡｓにおけるキャリア励起方法は多光子吸収である。
【００９６】
非線形光学効果の一種である多光子吸収によるキャリア発生効率は、光伝導層１１０内に発生する電界の２乗に比例する。よって、表面プラズモン共鳴による電界増強効果や回折による電界集中効果によるキャリア発生効率向上の効果は、１光子吸収に比べて多光子吸収の場合により大きい。
【００９７】
励起光波長１．５５μｍにおいて、ドルーデモデルよりＡｕの誘電率は−１３５、ＬＴ−ＧａＡｓの誘電率は１１．４となる。その場合、回折格子部１０１と接するＬＴ−ＧａＡｓ等の材料の面積及び複素誘電率で決定される実効的複素誘電率の実部εｐを計算すると６程度であった。さらに（２）式より回折格子部１０１の周期Ｌの計算を行うとｍ＝１の時、約７００ｎｍであった。また、回折格子部１０１の厚さは反射防止膜ＳｉＯ２の屈折率を考慮して約１００ｎｍとした。
【００９８】
図６のフローチャートを元に、素子１００の製造方法を説明する。まず始めに、光伝導層１１０としてのＬＴ−ＧａＡｓと、回折格子部１０１、アンテナ部１０２及び電極１０３としてのＡｕと、の密着性を上げるために、ＬＴ−ＧａＡｓ上にチタン（Ｔｉ）膜を５ｎｍ成膜する（Ｓ６０１）。Ｔｉ膜成膜後、Ｔｉ膜上にＡｕを含むＡｕ層を１００ｎｍ成膜した（Ｓ６０２）。成膜方法はＥＢ蒸着やスパッタ法等がある。Ｔｉ膜は１．５５μｍにおいて正の誘電率を取るが、Ａｕ層に対して存在比は低い。したがって回折格子部１０１全体としては、負の誘電率でかつ、その絶対値は実効的複素誘電率の実部εｐよりも高いので、表面プラズモン共鳴を励起できる。
【００９９】
さらに、Ａｕ層をエッチングする際にマスク材として用いるＳｉＮを含むＳｉＮ層を、プラズマＣＶＤ法を用いてＡｕ層上に成膜する（Ｓ６０３）。ＳｉＮ層の他、ＳｉＯ２又はＮｉ、Ｃｒ等のメタルマスクを用いてもよい。その後、レジストを塗布し（Ｓ６０４）、露光する（Ｓ６０５）。露光は、電子線露光装置の他、ｉ線ステッパーやＫｒＦステッパー等、３００ｎｍ程度の微細な線幅を露光可能であればよい。露光後、現像してレジストパターンを形成後（Ｓ６０６）、ＳｉＮ層をドライエッチングする（Ｓ６０７）。この時、ＳｉＮ層のエッチングガスはレジストやＡｕとの選択比が高いＣＦ系のガスがよい。また、エッチングの異方性を上げるためにエッチング中の圧力は可能な範囲で下げることが望ましい。ＳｉＮ層のエッチングが終了したら次はレジストをＯ２でアッシングして除去する（Ｓ６０８）。
【０１００】
次に、ＳｉＮ層をマスクとしてＡｕ層およびＴｉ膜をエッチングする（Ｓ６０９）。エッチングガスはアルゴン（Ａｒ）や、Ａｒと塩素（Ｃｌ２）の混合ガスを用いる。その後、回折格子部１０１であるＴｉ膜およびＡｕ層のマスクとなっているＳｉＮ層をドライエッチングする（Ｓ６１０）。最後に、アンテナ間ギャップ部分にＳｉＯ２をスパッタし反射防止膜を形成する（Ｓ６１１）。
【０１０１】
このような製造方法にすることにより、素子１００を製造することができる。さらには、製造コストを抑えるために、アンテナ部１０２と回折格子部１０１とが、同じ材料で同じ厚さに形成されていることが望ましい。そのためには、回折格子部１０１とアンテナ部１０２とをフォトリソグラフィ工程等を通して一括で作製するのが望ましい。また、第２、第３の実施形態のように回折格子部１０１とアンテナ部１０２の間に接続部１０４やテーパー部１０５等のような接続部を設けた素子２００や素子３００も一括で作製しても良い。本実施形態の製造方法によれば、回折格子部１０１、アンテナ部１０２及び電極１０３を一括で作製することができる。
【０１０２】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では、上述の各実施形態に記載の光伝導素子のいずれかを用いた測定装置７００（以下、「装置７００」と呼ぶ）について、図７を参照して説明する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図７は、装置７００の構成を説明するための模式図である。装置７００は、ＴＨｚ−ＴＤＳ法を用いてテラヘルツ波パルスの時間波形を取得するＴＨｚ−ＴＤＳ装置である。ＴＨｚ−ＴＤＳ装置自体は、従来から知られているものと基本的に同様なので、概要のみを説明する。
【０１０３】
装置７００は、励起光としての超短パルス光を出力する光源７０１と、ビームスプリッタ７０２と、遅延部７０５と、レンズ７０６、７０７と、発生部７１０と、検出部７１１とを有している。光源７０１からの励起光は、ビームスプリッタ７０２でポンプ光７０３とプローブ光７０４とに分岐される。ポンプ光７０３は、レンズ７０６を介して発生部７１０に入射する。プローブ光７０４は、遅延部７０５とレンズ７０７とを介して検出部７１１に入射する。本実施形態においては、光源７０１として１．５μｍ帯のフェムト秒パルス光を出力するファイバ型レーザを用いた。
【０１０４】
発生部７１０はポンプ光が入射することによりテラヘルツ波パルスを発生する。検出部７１１は、テラヘルツ波パルスとプローブ光とが入射することによりテラヘルツ波パルスを検出する。本実施形態では、発生部７１０及び検出部７１１の少なくとも一方に、第１〜第５の実施形態の光伝導素子のいずれかを用いる。ここでは、発生部７１０及び検出部７１１の両方に素子５００を用いる場合を説明する。発生部７１０及び検出部７１１のそれぞれにおいて、光伝導層１１０はＬＴ−ＧａＡｓを用いることができ、多光子吸収効果によりキャリアを発生させることができる。
【０１０５】
発生部７１０から発生したテラヘルツ波パルスは、測定物７０８に導かれて測定物７０８で反射する。反射したテラヘルツ波パルスは、検出部７１１で検出される。測定物７０８で反射したテラヘルツ波パルスは、測定物７０８の吸収スペクトルなどの情報を含んでいる。遅延部７０５は、プローブ光７０４の光路長を変化させる光学遅延系で、遅延部７０５を動かすことによってポンプ光７０３とプローブ光７０４との光路長差を調整する。これによって、検出部７１１におけるテラヘルツ波パルスを検出するタイミングを制御できる。検出部７１１の検出結果を用いれば、テラヘルツ波パルスの時間波形を取得できる。
【０１０６】
なお、本実施形態では、測定物７０８で反射したテラヘルツ波パルスを検出しているが、測定物７０８を透過したテラヘルツ波パルスを検出部７１１で検出する構成としてもよい。
【０１０７】
以上、装置７００は、発生部７１０及び検出部７１１の少なくとも一方に、第１〜第５の実施形態の光伝導素子のいずれかを用いている。各実施形態の光伝導素子は、回折格子部とアンテナ部との間の特性インピーダンスの差によって生じる光電流の反射波を低減できる。そのため、装置７００は、従来よりもモノパルスに近いテラヘルツ波パルスを用いて測定を行うことが可能となり、測定精度を向上できる。
【０１０８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１０９】
例えば、第２の実施形態と第３の実施形態に示した異なる接続部を組み合わせて使用することも可能である。その場合でも、特性インピーダンスが不整合な接触部における電流反射係数を±５％以下、より好ましくは±１％以下とすればよい。
【符号の説明】
【０１１０】
１００  光伝導素子
１０１  回折格子部
１０２  アンテナ部
１０３  電極
１１０  光伝導層
１１２  導電部
１５０  格子
１６０  接触部
【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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