(57)【要約】【課題】  発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる光伝導素子を提供する。【解決手段】  半導体層１１０と、半導体層と接しており、光により表面プラズモン波を励起する構造部１０１と、構造部と電気的に接続している電極１０２と、を有し、半導体層内を半導体層と構造部との界面１０３の垂直方向に伝搬する前記表面プラズモン波の電界強度が界面における前記表面プラズモン波の電界強度の１／ｅ倍となる距離を第１の伝搬距離、半導体層内を前記垂直方向に伝搬する半導体層の光学フォノン吸収周波数のテラヘルツ波の電界強度が界面における前記テラヘルツ波の電界強度の１／ｅ２となる距離を第２の伝搬距離とすると、半導体層の厚さは、前記第１の伝搬距離以上、前記第２の伝搬距離以下であることを特徴とする光伝導素子。【選択図】  図１
2017045802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層と接しており、光により表面プラズモン波を励起する構造部と、
前記構造部と電気的に接続している電極と、を有し、
前記半導体層内を前記半導体層と前記構造部との界面の垂直方向に伝搬する前記表面プラズモン波の電界強度が、前記界面における前記表面プラズモン波の電界強度の１／ｅ倍となる距離を第１の伝搬距離とし、
前記半導体層内を前記垂直方向に伝搬する前記半導体層の光学フォノン吸収周波数のテラヘルツ波の電界強度が、前記界面における前記テラヘルツ波の電界強度の１／ｅ２となる距離を第２の伝搬距離とすると、
前記半導体層の厚さは、前記第１の伝搬距離以上、前記第２の伝搬距離以下である
ことを特徴とする光伝導素子。
【請求項２】
前記半導体層の厚さは、下記（１）式を満たす
ことを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
【数１】
2017045802.tif 000010
ここで、前記半導体層の厚さをｔＳ、前記光の波長をλ、前記光の波長λにおける前記構造部の材料の複素誘電率をεｇ、前記構造部と接する物質の複素誘電率の分布で決定される実効複素誘電率をεｐ、前記テラヘルツ波の吸収係数をαとする。
【請求項３】
前記半導体層は、凸部と、周期的に配置されている複数の凹部と、を有する面を有し、
前記構造部は、前記複数の凹部のそれぞれに配置されている格子を有する
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４】
前記半導体層の前記構造部が配置されている領域の厚さは、前記半導体層の前記構造部が配置されていない領域の少なくとも一部の厚さより厚い
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５】
前記半導体層は、表面プラズモン波を励起し得る領域のみに配置されている
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６】
前記半導体層は、前記構造部が配置されている光伝導層と、前記光伝導層を挟んで前記構造部が配置されている面の反対側に配置されているバッファ層と、を有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項７】
前記半導体層を挟んで前記構造部が配置されている面の反対側に配置されているバッファ層を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項８】
前記構造部は、周期的に配置されている複数の格子を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項９】
前記半導体層はＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＧａＮの少なくともいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１０】
前記半導体層を挟んで前記構造部が配置されている面の反対側に配置されている基板を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１１】
前記基板は、光学フォノン吸収が起こらない、又は、光学フォノン吸収周波数が前記半導体層の光学フォノン吸収周波数より大きい
ことを特徴とする請求項１０に記載の光伝導素子。
【請求項１２】
前記構造部は、前記光が入射する面に配置されている反射防止膜を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１３】
前記電極は、前記半導体層と接して配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１４】
前記電極を第１の電極とすると、前記第１の電極と間隙を有して配置されている第２の電極を更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１５】
前記半導体層の前記構造部が配置されている面上に前記第２の電極と電気的に接続されており、前記光により表面プラズモン共鳴を生じる構造部を更に有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の光伝導素子。
【請求項１６】
前記第２の電極は、前記半導体層と接している
ことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光伝導素子。
【請求項１７】
下記（２）式を満たす
ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【数２】
2017045802.tif 000011
ここで、前記光の速度をｃ、前記光の波長をλ、前記光の角振動数をω、前記光の入射角をθ、前記光の波長λにおける前記構造部の複素誘電率をεｇ、前記構造部と接する物質の複素誘電率の分布で決定される実効的複素誘電率をεｐ、任意の正の整数をｍ、Ｒｅ（）を括弧内の複素数の実部を取りだす関数とする。
【請求項１８】
前記光を前記構造部に導く光ファイバを更に有する
ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項１９】
前記半導体層のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長は、前記光の波長より短い
ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光伝導素子。
【請求項２０】
光が入射することによりテラヘルツ波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部する検出部と、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乃至１９のいずれか一項に記載の光伝導素子を含む
ことを特徴とする測定装置。
【請求項２１】
光伝導素子の製造方法であって、
半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に第１の層と第２の層と第３の層とをこの順に形成する工程と、
前記第３の層をマスクとして前記第２の層をエッチングする工程と、
前記第３の層を除去する工程と、
前記第２の層をマスクとして前記第１の層のエッチングを行う工程と、
前記第２の層を除去する工程と、を有する
ことを特徴とする製造方法。
【請求項２２】
光伝導素子の製造方法であって、
半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に第１の層と第２の層と第３の層とをこの順に形成する工程と、
前記第３の層をマスクとして前記第２の層をエッチングする工程と、
前記第２の層をマスクとして前記第１の層と前記半導体層とをエッチングする工程と、
前記第３の層を除去する工程と、
前記第２の層をマスクとして前記第１の層と前記半導体層をエッチングする工程と
前記エッチングされた前記半導体層上に第４の層を形成する工程と、
前記第１の層と前記第２の層とをリフトオフする工程と、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、それを用いた測定装置、及びその製造方法に関する。
【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の半導体と、半導体上に設けられた電極を兼ねているアンテナ電極（バイアスライン）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アンテナ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。このような光伝導素子を用いて測定を行うために、光伝導素子のテラヘルツ波の発生出力の向上、検出感度の向上、及び発生又は検出帯域の広帯域化が求められている。
【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、特許文献１には、エピタキシャル成長させたＧａＡｓからなる半導体層を、キャリア移動防止層を介してテラヘルツ波の吸収が少ない基板上に配置した光伝導素子が記載されている。キャリア移動防止層を配置することにより、発生した励起キャリアの基板側への移動を低減し、テラヘルツ波の発生又は検出に用いられる励起キャリアを増加することができる。
【０００４】
また、特許文献２では、電極間に表面プラズモン共鳴を発生する回折格子を有する光伝導素子が記載されている。回折格子を有することにより、特許文献２の光伝導素子は、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。これにより、光キャリアの発生効率を向上している。具体的には、例えば金属のような負の誘電率を持つ材料によってアンテナ電極間に例えば回折格子のようなサブミクロンオーダーの周期構造を配置する。回折格子中の自由電子は超短パルス光の照射によって集団的振動を起こし、表面プラズモン共鳴を起こす。表面プラズモン共鳴の特徴は電界増強効果と電磁場の局在効果であり、回折格子と半導体との界面近傍の光キャリアの発生効率の向上を実現する。特許文献２では、回折格子がある場合、回折格子がない場合と比較して、１ケタ以上のテラヘルツ波の発生出力の向上が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−８０９３９号公報
【特許文献２】特表２０１５−５１３０６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、光伝導素子中の半導体層による光学フォノン吸収（以下、「フォノン吸収」と呼ぶ）によって、光学フォノン吸収周波数（以下、「フォノン吸収周波数」と呼ぶ）ｆＦのテラヘルツ波が吸収されることがある。フォノン吸収を低減するためには、半導体層を薄くして、発生又は検出されるテラヘルツ波が半導体層中を伝搬する距離を短縮することが望ましい。しかし、半導体層を必要以上に薄くすると、励起光の吸収量が減りテラヘルツ波の発生効率、検出効率が低下する恐れがある。
【０００７】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる光伝導素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての光伝導素子は、半導体層と、前記半導体層と接しており、光により表面プラズモン波を励起する構造部と、前記構造部と電気的に接続している電極と、を有し、前記半導体層内を前記半導体層と前記構造部との界面の垂直方向に伝搬する前記表面プラズモン波の電界強度が、前記界面における前記表面プラズモン波の電界強度の１／ｅ倍となる距離を第１の伝搬距離とし、前記半導体層内を前記垂直方向に伝搬する前記半導体層の光学フォノン吸収周波数のテラヘルツ波の電界強度が、前記界面における前記テラヘルツ波の電界強度の１／ｅ２となる距離を第２の伝搬距離とすると、前記半導体層の厚さは、前記第１の伝搬距離以上、前記第２の伝搬距離以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一側面としての光伝導素子によれば、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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１の実施形態における、半導体層中の伝搬距離と、表面プラズモン波の電界強度及び光学フォノン吸収周波数のテラヘルツ波の電界強度と、の関係を説明する図。
【図３】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４】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５】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６】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７】第６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光伝導素子の製造方法を示すフローチャート。
【図９】第２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１０】第１の実施形態の光伝導素子の光学顕微鏡像とＳＥＭ像の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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の構成を説明する上面図であり、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、半導体層１１０と、基板１１１と、複数の電極（バイアスライン）１０２と、構造部１０１とを有する。
【００１２】
半導体層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光伝導層である。半導体層１１０は、１つの層から構成されていてもよいし、複数の層から構成されていてもよい。なお、本明細書の「超短パルス光」は、パルス幅がフェムト秒オーダのパルス光である。素子１００に超短パルス光が入射することにより、テラヘルツ波のパルス波の発生又は検出を行うことができる。
【００１３】
半導体層１１０の材料には、半導体層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長い半導体材料を選択して、１光子吸収によるキャリアの励起を利用するのが一般的である。したがって、１光子吸収の場合には励起光の波長に応じて適した半導体層１１０の材料を選択することができる。例えば、励起光の波長が０．８μｍ帯の場合は、低温成長（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｇｒｏｗｎ、以後「ＬＴ」と称す）ガリウムヒ素（ＬＴ−ＧａＡｓ）が挙げられる。その他にも、半絶縁性（Ｓｅｍｉ  ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ、以後「ＳＩ」と称す）ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）、半絶縁性インジウムリン（ＳＩ−ＩｎＰ）、を用いることができる。励起光の波長が１．５５μｍ帯の場合は、低温成長インジウムガリウムヒ素（ＬＴ−ＩｎＧａＡｓ）、又はゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いることができる。
【００１４】
半導体層１１０の材料には、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短い材料を用いることもできる。その場合、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励起を利用できる。２光子吸収を例に取ると、半導体層１１０の材料は、励起光の波長が０．８μｍ帯の場合は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いることできる。励起光の波長が１．５５μｍ帯の場合は、ＬＴ−ＧａＡｓ、又は低温成長インジウムヒ素（ＬＴ−ＩｎＡｓ）、低温成長インジウムアンチモン（ＬＴ−ＩｎＳｂ）、低温成長インジウムヒ素アンチモン（ＬＴ−ＩｎＡｓＳｂ）、ＳＩ−ＧａＡｓ等が選択できる。その他、半導体層１１０として、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）を含むものも使用できる。
【００１５】
半導体層１１０は、基板１１１上に配置されている。基板１１１上に半導体層１１０を配置する方法としては、基板１１１上に半導体層１１０をエピタキシャル成長する方法や、転写によって貼り付ける方法を用いることができる。半導体層１１０の厚さは、半導体層１１０をエピタキシャル成長する場合は、成長時間等の成長条件で調整する方法を用いることができる。また、半導体層１１０を基板１１１に転写する場合は、転写後に半導体層１１０をエッチングすることにより、半導体層１１０の厚さを調整できる。なお、半導体層１１０は基板１１１上に必ずしも配置する必要はなく、例えばテラヘルツ波をコリメートする不図示のレンズ上に直接配置していても良い。
【００１６】
複数のバイアスライン１０２は、隣り合うバイアスライン１０２同士が間隙（ギャップ部）を有するように半導体層上（半導体層１１０上）に配置されている。本実施形態では、バイアスライン１０２のそれぞれは、突起部分を有しており、隣り合うバイアスライン１０２の突起部分同士が任意の間隔を隔てて対向している。バイアスライン１０２の材料としては、電気伝導率が高く、酸化しにくい材料を用いることが望ましく、具体的には金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）等が挙げられる。なお、バイアスライン１０２を１つだけ有する構成とすることも可能である。
【００１７】
バイアスライン１０２は、テラヘルツ波を発生、もしくは検出するために、素子１００の外部の空間とテラヘルツ波との結合を担うアンテナとしての役割を兼ねている。アンテナの形状は、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する。アンテナの種類としては例えばストリップラインアンテナ、ボウタイアンテナ、ダイポールアンテナ、ログ・スパイラルアンテナ等を用いることができ、特に制約はない。本実施形態では、２つのバイアスライン１０２で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。また、バイアスライン１０２は電極としての機能も有しており、各バイアスライン１０２間に電圧を印加、もしくは、バイアスライン１０２の凸部間の電流を測定することができる。なお、バイアスライン１０２は少なくとも１つ以上であればよく、必ずしもアンテナの役割を担っていなくてもよい。
【００１８】
図１（ｂ）に示す通り、バイアスライン１０２は、構造部１０１と電気的に接続している。具体的には、２つのバイアスライン１０２それぞれの凸部の先端に、電気的に接続した構造部１０１を半導体層１１０上に備えている。構造部１０１に励起光が照射されると表面プラズモン共鳴によって、半導体層１１０における励起光の光吸収効率が向上する。なお、本実施形態では、２つのバイアスライン１０２それぞれと電気的に接続している構造部１０１を有しているが、少なくとも一方のバイアスラインに１つの構造部１０１が電気的に接続されていればよい。
【００１９】
構造部１０１は、複数の格子１２０が周期的に配置されている周期構造部である。本明細書では、複数の格子１２０と、格子１２０間の領域と、を含む領域を構造部１０１と言う。電気伝導率が高い材料で構成された直方体形状の格子１２０を複数有する。隣り合う複数の格子１２０同士は、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、構造部１０１は、半導体層１１０上に配置されている導電性の部材に複数の溝が周期的に形成されている。なお、構造部１０１中の格子１２０すべてがバイアスライン１０２と電気的に接続される必要はなく、格子１２０の少なくとも一部が接続されている構成でもよい。
【００２０】
構造部１０１の材料は、バイアスライン１０２と同様に、電気伝導率が高く、酸化しにくい材料を用いることが望ましい。具体的には、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ等を用いる。なお、構造部１０１の材料にＡｕを用いる場合に、Ａｕ層と半導体層１１０との密着性確保のために、チタン（Ｔｉ）層を介して半導体層１１０上にＡｕ層を配置してもよい。このとき、構造部１０１は、Ａｕ層とＴｉ層とを有することになる。また、構造部１０１は、励起光が最初に入射する面内の少なくとも励起光が照射される領域（照射領域）に、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。このように、構造部１０１は１つの層のみを有する構成に限らず、複数の層を有する構成としてもよい。なお、励起光の照射領域は、２つの構造部１０１のそれぞれを含む最小の領域内であることが望ましい。
【００２１】
構造部１０１同士のギャップ部の間隔は、テラヘルツ波の発生を担う光伝導素子であれば半導体層１１０の耐電圧を考慮し、検出を担う光伝導素子であれば暗電流を考慮して決定することが望ましい。
【００２２】
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、構造部１０１の格子１２０の周期方向（以下、単に「周期方向」と呼ぶ）（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（２）式で表される。なお、励起光の光速度を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、構造部１０１の格子１２０の周期をＬとする。また、励起光の波長λにおける構造部１０１中の格子１２０の材料の複素誘電率をεｇ、格子１２０と接している１つ又は複数の物質の複素誘電率の分布で決定される実効複素誘電率（実効的複素誘電率）をεｐとする。
【００２３】
【数１】
2017045802.tif 000003
【００２４】
（２）式のｍは、正の整数である。またＲｅ（）は、括弧内の複素数の実部を取りだす関数である。簡略化のため、入射角が０°の場合を考えると（３）式が得られる。
【００２５】
【数２】
2017045802.tif 000004
【００２６】
表面プラズモン共鳴を励起するためには、構造部１０１の材料の誘電率実部が負の値を持つ材料に限定される。具体的には、上述したようなＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌ等を含む。なお、構造部１０１は、格子１２０の一部に複素誘電率実部が正の値を持つ材料を含んでいても良いが、構造部１０１全体の複素誘電率実部が負である必要がある。
【００２７】
また、励起光の入射角が０°の場合、表面プラズモン共鳴を可能とする構造部１０１の周期Ｌは、（３）式で決定される。半導体層１１０にＬＴ−ＧａＡｓを、構造部１０１の材料にＡｕを使用した素子１００では、励起光の波長が０．８μｍの場合、表面プラズモン共鳴が励起される構造部１０１の周期は２００ｎｍ程度が望ましい。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構造部１０１の周期は７００ｎｍ程度が望ましい。フェムト秒パルス光のように波長がブロードバンドである励起光を使う場合は、出力が最も高い波長に合わせて構造部１０１の周期を設定することが好ましいが、励起光に含まれる光の波長のいずれを用いてもよい。
【００２８】
半導体層１１０上に構造部１０１が配置されている場合、構造部１０１の厚みは、励起光の波長の少なくとも１／３以下であればよく、より好ましくは励起光の波長の１／１０程度である。構造部１０１の厚みが励起光の波長の１／３以上になると、構造部１０１における励起光の反射が大きくなり、効率的に表面プラズモン共鳴を励起できなくなる恐れがある。また、構造部１０１が不図示の反射防止膜を備える場合は、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１２０の厚みを、少なくとも励起光の波長の１／（３ｎ）以下にすることが望ましい。
【００２９】
構造部１０１が配置されている側から半導体層１１０の表面に対して垂直に励起光を照射し、構造部１０１と半導体層１１０との界面１０３で表面プラズモン共鳴が励起する場合を考える。表面プラズモン共鳴により励起された表面プラズモン波の電界は、界面１０３において周期方向と平行方向に伝搬する。また、表面プラズモン波の電界のうち、半導体層１１０中を伝搬する電界は、半導体層１１０中で指数関数的に減衰する。そのため、半導体層１１０中における表面プラズモン波の電界の伝搬距離は非常に短い。したがって、表面プラズモン波は、界面１０３に局在し、励起光の電界強度に対して少なくとも１桁以上電界強度が増強される。よって、例えば特許文献１に示すような表面プラズモン共鳴を利用しない場合の光伝導素子に比べて、界面１０３における励起光の光吸収が大きい。
【００３０】
ここからは、表面プラズモン共鳴により励起された表面プラズモン波の半導体層１１０中における伝搬距離ｔＰと、表面プラズモン波の電界強度ＩＰ（ｔＰ）との関係について説明する。ここで、伝搬距離ｔＰとは、界面１０３の垂直方向（半導体層１１０の深さ方向）における表面プラズモン波が半導体層内（半導体層１１０内）を伝搬する距離であると定義する。なお、伝搬距離ｔＰは、界面１０３から半導体層１１０中へ向かう向きを正とする。表面プラズモン波の電界強度ＩＰ（ｔＰ）と半導体層１１０中への伝搬距離ｔＰとの関係は（４）式で表される。なお、（４）式のＩＰ（ｔＰ＝０）は、界面１０３における表面プラズモン波の電界強度である。
【００３１】
【数３】
2017045802.tif 000005
【００３２】
ここで、（４）式のｚは、界面１０３で励起される表面プラズモン波の電界強度Ｉｐ（ｔＰ＝０）で規格化して、その電界強度が１／ｅ倍（ｅはネイピア数）となる平均的伝搬距離である。これを換言すると、平均的伝搬距離ｚは、構造部１０１の半導体層１１０側の面（本実施形態の界面１０３）における表面プラズモン波の電界強度が１／ｅ倍となるのに要する、半導体層１１０中における表面プラズモン波の伝搬距離である。平均的伝搬距離ｚは、（５）式で表わされる。なお、Ｉｍ（）は、括弧内の複素数の虚数部を取りだす関数である。
【００３３】
【数４】
2017045802.tif 000006
【００３４】
例として半導体層１１０にＬＴ−ＧａＡｓを、構造部１０１の材料にＡｕを使用した素子１００の場合、波長が０．８μｍの励起光を用いた場合の平均的伝搬距離ｚは１０〜５０ｎｍ程度である。また、励起光の波長が１．５５μｍの場合の平均的伝搬距離ｚは１００〜２５０ｎｍ程度である。平均的伝搬距離ｚに幅があるのは、構造部１０１の周期Ｌに対する格子１２０のデューティ比（周期Ｌに対する格子の幅の割合）が変化すると実効複素誘電率εｐの実部および虚部が変化するためである。すなわち、デューティ比が高くなるほど、半導体層１１０であるＬＴ−ＧａＡｓの複素誘電率に近づき、平均的伝搬距離ｚは短くなる。
【００３５】
表面プラズモン波の電界強度が、界面１０３における表面プラズモン波の電界強度の１／ｅ倍となる平均的伝搬距離ｚは、表面プラズモン波を無数の光子と見なした場合に、表面プラズモン波が半導体層１１０の深さ方向に伝搬可能な平均距離である。よって、伝搬距離ｔＰが平均的伝搬距離ｚ以上であれば、半導体層１１０の励起光の吸収効率の変化が小さく、十分な吸収効率が得られているとみなせる。そのため、表面プラズモン波の伝搬距離ｔＰが、平均的伝搬距離ｚ以上であることが望ましい。
【００３６】
そこで本実施形態では、半導体１１０の構造部１０１が配置されている領域の厚さｔＳを平均的伝搬距離ｚ以上に調整する。これを換言すると、構造部１０１の半導体層１１０側の面（本実施形態の界面１０３）と垂直な方向における、界面１０３から半導体層１１０と基板１１１との界面１０４までの最短距離を平均的伝搬距離ｚ以上に調整する。このような構成にすることにより、表面プラズモン波による半導体層１１０の十分な光吸収が期待できる。さらにはテラヘルツ波パルスの高出力化に影響を及ぼさないと言える。
【００３７】
半導体層１１０は、光学フォノン吸収（以下、「フォノン吸収」と呼ぶ）によって、ある周波数（光学フォノン吸収周波数。以下、「フォノン吸収周波数」と呼ぶ））ｆＦのテラヘルツ波を吸収することがある。ここからは、バイアスライン１０２から半導体層１１０側にテラヘルツ波が放射されることを想定し、周波数がフォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の伝搬距離ｔＦと、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の電界強度ＩＦ（ｔＦ）との関係について説明する。ここで、伝搬距離ｔＦとは、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波が、界面１０３の垂直方向に半導体層１１０内を伝搬する距離であると定義する。なお、伝搬距離ｔＦは、界面１０３から半導体層１１０中へ向かう向きを正とする。このとき、テラヘルツ波の電界強度ＩＦ（ｔＦ）と半導体層１１０中への伝搬距離との関係は（６）式で表される。なお、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の半導体層１１０伝搬前の電界強度をＩＦ（ｔＦ＝０）、半導体層１１０中を伝搬距離ｔＦだけ伝搬したテラヘルツ波の電界強度をＩＦ（ｔＦ）、フォノン吸収周波数ｆＦにおけるテラヘルツ波の吸収係数をαとする。
【００３８】
【数５】
2017045802.tif 000007
【００３９】
ＬＴ−ＧａＡｓ又はＬＴ−ＩｎＧａＡｓのように、結晶が欠陥を多く含み周期構造に乱れが多い場合は、結晶性が良い材料に比べてフォノン吸収のスペクトルがフォノン吸収周波数ｆＦを中心としてブロードとなる。そのため、広帯域にわたってフォノン吸収によるテラヘルツ波の減衰が発生してしまう。よって、広帯域なテラヘルツ波を出力又は検出するためには、フォノン吸収周波数ｆＦ及びその近傍の周波数のテラヘルツ波の吸収を低減する必要がある。
【００４０】
半導体層１１０によるテラヘルツ波のフォノン吸収は、半導体層１１０中におけるフォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の伝搬可能な平均距離の２倍以下であることが望ましい。そのためには、伝搬距離ｔＦを、テラヘルツ波の電界強度が、構造部１０１の半導体層１１０側の面（本実施形態の界面１０３）におけるテラヘルツ波の電界強度の１／ｅ２倍となる距離以下とすることが望ましい。伝搬距離ｔＦが、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の伝搬可能な平均距離の２倍より長くなると、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の信号が取得できない恐れがあり、半導体層１１０によるテラヘルツ波のフォノン吸収を無視できなくなる。
【００４１】
そこで、本実施形態では、半導体１１０の構造１０１が配置されている領域における半導体層１１０の厚さｔＳを、テラヘルツ波の電界強度ＩＦ（ｔＦ）が、界面１０３におけるテラヘルツ波の電界強度の１／ｅ２倍となる距離以下に調整する。
【００４２】
例として、半導体層１１０にＬＴ−ＧａＡｓを選択した場合、そのフォノン吸収周波数ｆＦは８．１ＴＨｚ近傍であり、電界強度が１／ｅ２まで減衰する伝搬距離は５００ｎｍ程度である。よって、１μｍの距離を伝搬後のテラヘルツ波の電界強度に対して、５００ｎｍの距離を伝搬後のテラヘルツ波の電界強度はｅ２倍大きく、半導体層１１０によるフォノン吸収は１／ｅ２に低減できる。その結果、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出することができるようになる。
【００４３】
なお、半導体層１１０が基板１１１上に配置されている場合には、基板１１１は、半導体層１１０のフォノン吸収周波数ｆＦよりも大きい周波数においてフォノン吸収がある材料、もしくはフォノン吸収がない材料を含むことが望ましい。さらには広い周波数帯域のテラヘルツ波に対して吸収がなく、透明な材料を用いることが望ましい。基板１１１の具体的な材料としては、シリコン（Ｓｉ）が挙げられる。Ｓｉは１５ＴＨｚまでフォノン吸収がなく、それ以下のテラヘルツ周波数においてはテラヘルツ波に対して透明であるので好ましい。
【００４４】
以上をまとめると、本実施形態では、半導体層１１０の厚みｔＳを、表面プラズモン波の電界強度が界面１０３における表面プラズモン波の電界強度の１／ｅ倍となる伝搬距離以上（平均的伝搬距離ｚ以上）とする。また、半導体層１１０の厚みｔＳを、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の電界強度が界面１０３におけるテラヘルツ波の電界強度の１／ｅ２倍となる伝搬距離以下とする。半導体層１１０の厚みｔＳが、（１）式を満たすことが望ましい。このような構成にすることにより、半導体層１１０において励起された表面プラズモン波を十分吸収でき、かつフォノン吸収周波数ｆＦにおけるテラヘルツ波の吸収を許容範囲内に低減できる。
【００４５】
【数６】
2017045802.tif 000008
【００４６】
図２に、光伝導素子１００における、表面プラズモン波の電界強度及びフォノン吸収周波数のｆＦのテラヘルツ波の電界強度と、半導体層１１０の厚みとの関係を示す。ここでは、例として、半導体層１１０をＬＴ−ＧａＡｓとし、構造部１０１の材料はＡｕでデューティ比０．５、さらに反射防止膜としてＳｉＯ２を備えた素子１００について示す。励起光の波長が０．８μｍの場合の表面プラズモン波の電界強度を点線で示し、励起光の波長が１．５５μｍの場合の表面プラズモン波の電界強度を二重線で示す。また、フォノン吸収周波数ｆＦのテラヘルツ波の電界強度は直線で示す。
【００４７】
励起光の波長が０．８μｍの場合、平均的伝搬距離ｚは約５０ｎｍである。励起光の波長が１．５５μｍの場合、平均的伝搬距離ｚは約２００ｎｍであった。また、８．１ＴＨｚにおけるＬＴ−ＧａＡｓの吸収係数αは約４００００ｃｍ−１である。その結果、励起光の波長が０．８μｍの時にはＬＴ−ＧａＡｓ層の厚さを少なくとも５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とし、励起光の波長が１．５５μｍの時にはＬＴ−ＧａＡｓ層の厚さを少なくとも２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲とする。このような構成にすることにより、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。その結果、テラヘルツ波パルスの高出力化と広帯域化を両立する光伝導素子が実現できる。
【００４８】
平均的伝搬距離ｚは、（５）式を用いることにより、励起光の波長、その波長における格子１２０（構造部１０１）の複素誘電率、半導体層１１０の複素誘電率、格子１２０周辺の材料の複素誘電率、及びデューティ比から求めることができる。また、フォノン吸収周波数におけるテラヘルツ波の電界強度が１／ｅ２となる伝搬距離は、フォノン吸収周波数における半導体層１１０の材料の吸収係数が分かれば一義的に決定される。
【００４９】
なお、格子１２０と接している１つ又は複数の物質の複素誘電率の分布で決定される実効複素誘電率εｐは、（７）式を用いて求めることができる。なお、半導体層１１０と構造部１０１との界面１０３を基準とした複素誘電率分布をε（ω、ｘ、ｙ、ｚ）、虚数単位をｊ、表面プラズモン波の波数の半導体層１１０の深さ方向成分をｋｚ、半導体層１１０の厚さをｔＳとする。なお、（７）式における積分範囲Ｄは、半導体層１１０と構造部１０１との界面１０３を基準とし、ＸＹ方向の範囲は半導体層１１０と構造部１０１とが接している領域、Ｚ方向の範囲は半導体層１１０及び不図示の反射防止膜が含まれる範囲である。
【００５０】
【数７】
2017045802.tif 000009
【００５１】
次に、素子１００の製造方法について、図８を参照して説明する。図８は、素子１００の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態では、構造部１０１、バイアスライン１０２を一括で作製する方法を説明する。
【００５２】
半導体層１１０としてＬＴ−ＧａＡｓを使用し、構造部１０１、バイアスライン１０２の材料としてＡｕを使用した。また、反射防止膜としてＳｉＯ２を使用し、励起光波長は１．５５μｍ帯とし、ＬＴ−ＧａＡｓにおけるキャリア励起方法は多光子吸収である。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、半導体層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場の局在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。
【００５３】
励起光波長１．５５μｍにおけるＡｕの誘電率は、ドルーデモデルより−１３５、ＬＴ−ＧａＡｓの誘電率は１１．４である。デューティ比は０．５とする。この場合、（３）式より、構造部１０１の周期Ｌは、ｍ＝１の時に約７００ｎｍであった。また、構造部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。
【００５４】
素子１００の製造においては、まず始めに、半導体層１１０としてのＬＴ−ＧａＡｓと、構造部１０１、バイアスライン１０２としてのＡｕとの密着性を上げるために、ＬＴ−ＧａＡｓ上にＴｉ膜を１０ｎｍ成膜する（Ｓ７０１）。Ｔｉ膜成膜後、Ｔｉ膜上にＡｕを含むＡｕ層を１００ｎｍ成膜する（Ｓ７０２）。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層を、プラズマＣＶＤ法を用いてＡｕ層上に成膜する（Ｓ７０３）。ＳｉＮ層の他、ＳｉＯ２又はＮｉ、Ｃｒ等のメタルマスクを用いてもよい。
【００５５】
その後、レジストを塗布し（Ｓ７０４）、露光する（Ｓ７０５）。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、数百ｎｍ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し（Ｓ７０６）、ＳｉＮ層をドライエッチングする（Ｓ７０７）。ＳｉＮ層のエッチングが終了したら、レジストをアッシングによって除去する（Ｓ７０８）。続いて、ＳｉＮ層をマスクとしてＡｕ層およびＴｉ膜をドライエッチングする（Ｓ７０９）。その後、構造部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（Ｓ７１０）。最後に、ＳｉＯ２を成膜し反射防止膜を形成する（Ｓ７１１）。
【００５６】
このような製造方法で、素子１００を製造することができる。上述の製造方法によれば、フォトリソグラフィ工程等を通して、構造部１０１とバイアスライン１０２とを一括で作製することができる。これにより、製造における工程数や材料費の削減が期待できる。
【００５７】
上述の製造方法に限らず、別の製造方法で素子１００を作製することも可能である。例えば、まず半導体層１１０上に構造部１０１を２つ作製した後に、それぞれの構造部１０１と電気的に接続されるように２つのバイアスライン１０２を作製する。この場合、構造部１０１は図８のフローチャートに記載の方法で作製し、バイアスライン１０２はフォトリソグラフィおよびリフトオフを用いて作製する。
【００５８】
図１０（ａ）に実際に作製した表面プラズモン共鳴が可能な素子１００の光学顕微鏡像を示す。また、図１０（ｂ）に構造部１０１のＳＥＭ像を示す。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示したように、素子１００は、半導体層１１０に配置されているバイアスライン１０２と構造部１０１とを有し、バイアスライン１０２と構造部１０１とが接続されている。
【００５９】
以上、本実施形態の素子１００によれば、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。素子１００は、表面プラズモン共鳴を利用し、テラヘルツ波の発生又は検出を行うことができ、テラヘルツ波パルスの高出力化と広帯域化を両立できる。
【００６０】
（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３を参照して説明する。第１の実施形態と共通する部分の説明は省略する。図３（ａ）は、半導体層１１０の表面において周期方向と直交する方向における素子２００の断面図で、図３（ｂ）は、周期方向における素子２００の断面図である。第１の実施形態の素子１００は、半導体層１１０の表面は平面であり、その上に構造部１０１が配置されていた。それに対し、素子２００では、半導体層１１０は、その表面に凹凸を有しており、凹部３２０に構造部１０１の格子１２０が配置されている。
【００６１】
テラヘルツ波を発生する場合、構造部１０１の間の印加電圧によって、表面プラズモン波が半導体層１１０中で吸収されることで励起されるキャリアは構造部１０１に向かって流れる。さらには、テラヘルツ波の出力は、光励起されたキャリアによる電流密度の時間変化に依存する。
【００６２】
この時、構造部１０１から遠い位置では、印加電圧により発生する電界が構造部１０１近傍に比べて弱い。ゆえに、構造部１０１から離れた位置で発生したキャリアは構造部１０１に向かって流れにくく、また、構造部１０１に到達する前に半導体層１１０と再結合する可能性が高い。したがって、テラヘルツ波の高出力化のためには、表面プラズモン波の吸収で励起されたキャリアが半導体層１１０で再結合する前に構造部１０１に流れやすい構造にし、構造部１０１に到達するキャリア数を増加させることが望ましい。
【００６３】
そこで本実施形態では、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、半導体層１１０が、その表面に凸部３１０と凹部３２０とを有し、凹部３２０に構造部１０１の格子１２０を配置する。表面プラズモン波は主に、半導体層１１０の凸部３１０の表面１０５及び格子１２０の半導体層１１０と接していない面、で励起される。
【００６４】
第１の実施形態で説明したように、表面プラズモン波は、半導体層１１０の凸部３１０の表面１０５を基準にして、半導体層１１０内を指数関数的に減衰しながら伝搬する。よって、半導体層１１０の厚さｔＳを、半導体層１１０の凸部３１０の表面１０５における表面プラズモン波の電界強度が１／ｅ倍となる平均的伝搬距離ｚ以上に調整する。より望ましくは、半導体層１１０の厚さｔＳを、（１）式を満たす厚さに設定する。その結果、表面プラズモン波による半導体層１１０の十分な光吸収が期待できる。
【００６５】
本実施形態は、第１の実施形態１と比較して、印加電圧により発生する電界がより強く、半導体層１１０内で励起されたキャリアと構造部１０１とが近接する。そのため、電流密度の時間変化を大きくすることができる。よって、第１の実施形態と比較して、電界強度において最大で数倍程度、テラヘルツ波パルスをより高出力化することができる。
【００６６】
なお、本実施形態は、半導体層１１０が凹凸構造を持つ場合に、格子１２０が凹部に配置されている構造に限定するものではない。例えば、凸部３１０上に格子１２０を配置したり、凹部３２０及び凸部３１０の表面上に表面プラズモン共鳴が可能な金属膜が配置されていたり、凹部３２０及び凸部３１０を反映した凹凸形状を備える金属膜が配置されていたりする構成でもよい。
【００６７】
なお、バイアスライン１０２は図３（ａ）に示すように半導体層１１０上に配置されていても良いし、構造部１０１と同様に、半導体層１１０の凹部３２０に配置されるような構造としても良い。
【００６８】
素子２００の製造方法について、図９を参照して説明する。図９は、素子２００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。本実施形態においては、第１の実施形態と同様に半導体層１１０としてＬＴ−ＧａＡｓを選択し、構造部１０１及びバイアスライン１０２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帯とし、ＬＴ−ＧａＡｓにおけるキャリア励起方法は多光子吸収である。
【００６９】
励起光波長１．５５μｍにおけるＡｕの誘電率はドルーデモデルより−１３５、ＬＴ−ＧａＡｓの誘電率は１１．４である。デューティ比は０．５とする。（３）式より、構造部１０１の周期Ｌは、ｍ＝１の時に約６００ｎｍであった。第１の実施形態に比べて周期Ｌが短い理由は、構造部１０１中の格子１２０周辺のＬＴ−ＧａＡｓ層の比率が上がったために、実効複素誘電率の実部が高くなったことに起因している。なお、半導体層１１０の凹部に構造部１０１が埋め込まれた構造とし、半導体層１１０の凹部３２０の深さは４００ｎｍであった。これは実施形態１で説明した表面プラズモン波の半導体層１１０中への伝搬距離ｚの２倍である。また、半導体層１１０の厚さは５００ｎｍであり、半導体層１１０の凹部３２０の深さより厚い。
【００７０】
本実施形態では、構造部１０１、バイアスライン１０２を一括で作製する方法を説明する。まず始めに、半導体層１１０としてのＬＴ−ＧａＡｓのエッチング時のマスクとなるＳｉＮ層の成膜し（Ｓ８０１）、Ｎｉ層を成膜する（Ｓ８０２）。その後、レジストを塗布し（Ｓ８０３）、露光する（Ｓ８０４）。露光後、現像してレジストパターンを形成後（Ｓ８０５）、Ｎｉ層をドライエッチングする（Ｓ８０６）。次にレジストをアッシングで除去し（Ｓ８０７）、その後、ＳｉＮ層をドライエッチングする（Ｓ８０８）。
【００７１】
次に、ＮｉおよびＳｉＮ層をマスクとして、半導体層１１０であるＬＴ−ＧａＡｓをエッチングする（Ｓ８０９）。続いて、構造部１０１の材料であるＡｕとＬＴ−ＧａＡｓとの密着性を上げるために、Ｔｉ膜を成膜する（Ｓ８１０）。次に構造部１０１の材料であるＡｕを成膜する（Ｓ８１１）。この時、Ｎｉ層およびＳｉＮ層の側壁にはＴｉおよびＡｕが成膜されているが、ＳｉＮ膜をウェットエッチングで除去することにより、ＳｉＮ膜に付着しているＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ膜ごとリフトオフする（Ｓ８１２）。最後に、アンテナ間ギャップ部分にＳｉＯ２をスパッタやプラズマＣＶＤで成膜し反射防止膜を形成する（Ｓ８１３）。
【００７２】
このような製造方法にすることにより、素子２００を製造することができる。上述の製造方法によれば、構造部１０１とバイアスライン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ことができる。そのため、工程数や材料費の削減が期待できる。
【００７３】
以上、本実施形態の素子２００によれば、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。素子２００は、表面プラズモン共鳴を利用してテラヘルツ波の発生又は検出を行うことができる。さらに、半導体層１１０の半導体層１１が凹凸形状を有する構成の場合、印加電圧により発生する電界をより強くすることができるため、第１の実施形態よりも発生又は検出するテラヘルツ波の出力を向上することができる。
【００７４】
（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。第１の実施形態で説明した通り基板１１１上に半導体層１１０を配置する場合には、基板１１１は、半導体層１１０のフォノン吸収周波数ｆＦよりも大きい周波数においてフォノン吸収がある、もしくはフォノン吸収がない材料を用いることが望ましい。さらには、広い周波数帯域のテラヘルツ波に対して吸収がなく、できるだけテラヘルツ波に広周波のテラヘルツ波に対して透明なＳｉを用いることが望ましいことを述べた。
【００７５】
しかしながら、Ｓｉを基板１１１として用い、その上に１μｍ以下程度の半導体層１１０を直接配置した場合、Ｓｉは電気抵抗率が低いため、基板１１１を介した電流経路によってバイアスライン１０２間の抵抗が低下する恐れがある。バイアスライン１０２間の抵抗が低いと、光伝導素子の動作中においてバイアスライン１０２間の電圧降下やノイズの増加等が発生し、テラヘルツ波パルスの高出力化や広帯域化にとって好ましくない。
【００７６】
したがって、素子３００は、半導体層１１０として、半導体層３５０を用いる。半導体層３５０は、光伝導層３１０と、光伝導層３１０と基板１１１との間に配置されているバッファ層１３０と、を有する。光伝導層３１０は、バイアスライン１０２及び構造部１０１が配置されている。バッファ層１３０は、光伝導層３１０のバイアスライン１０２及び構造部１０１が配置されている光伝導層３１０の面と対向する面側に配置されている。すなわち、バッファ層１３０は、光伝導層３１０を挟んで、光伝導層３１０のバイアスライン１０２及び構造部１０１が配置されている面の反対側に配置されている。
【００７７】
光伝導層３１０は、第１の実施形態の半導体層１１０と同様である。バッファ層１３０の電気抵抗率は、光伝導層３１０の電気抵抗率よりも高い。なお、バッファ層１３０は、基板１１１と同様に、光伝導層３１０のフォノン吸収周波数ｆＦ以上の周波数においてフォノン吸収がある材料を用いることが望ましい。また、バッファ層１３０の電気抵抗率が光伝導層３１０にくらべて非常に高ければ、半導体層１１０の厚さよりも薄くてもよく、複数の層から構成されていてもよい。
【００７８】
バッファ層１３０は、基板１１１と光伝導層３１０との間の格子定数差を緩和する役割を担ってもよい。例として、光伝導層３１０にＬＴ−ＧａＡｓ、基板１１１にＳｉを用いる場合を考える。ＳｉとＬＴ−ＧａＡｓとの間には、格子定数差が約４％ある。よって、例えばＧｅ層、ＧａＡｓ層、ＡｌＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層を含んだ単層または複数層をバッファ層１３０としても設けることができる。
【００７９】
光伝導層３１０のフォノン吸収周波数ｆＦである８．１ＴＨｚでフォノン吸収をする材料がバッファ層１３０に含まれている場合、８．１ＴＨｚにおけるバッファ層１３０の吸収係数を考慮して光伝導層３１０の厚みを決定することが望ましい。なお、周波数８．１ＴＨｚでフォノン吸収をする材料としては、ＧａＡｓ層、又はＡｌＧａＡｓ層等が挙げられる。したがって、バッファ層１３０が、光伝導層３１０のフォノン吸収周波数ｆＦでフォノン吸収をする材料を含む場合、半導体層１１０は、（１）式を満たす厚さにする。
【００８０】
なお、第１の実施形態の半導体層１１０と基板１１１との間に、半導体層１１０のフォノン吸収周波数ｆＦでフォノン吸収をする材料を含まない層（不図示）をバッファ層として配置してもよい。その場合、バッファ層の厚さを考慮せず、半導体層１１０が（１）式を満たす厚さになるように設定する。また、本実施形態のバッファ層１３０を含む半導体層３５０の基板１１１との間にさらに別のバッファ層等の機能層を設けてもよい。
【００８１】
例えば、バッファ層１３０の一部にＧａＡｓ層を含む場合、バッファ層１３０の厚さと半導体層１１０の厚さとの和が、５００ｎｍ以下となるように構成する。発生もしくは検出のみに素子３００を用いた場合、フォノン吸収周波数ｆＦである８．１ＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度は、フォノン吸収前の電界強度に比べて１／ｅ２倍以上の電界強度が保存される。発生、検出両方に素子３００を用いた場合には、最終的に１／ｅ４倍以上の電界強度が保存される。
【００８２】
以上、素子３００によれば、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。また、バッファ層１３０を設けることにより、バイアスライン１０２間の抵抗が低くなることを低減でき、テラヘルツ波パルスの高出力化や広帯域化に貢献できる。
【００８３】
（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５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５は、素子４００の構成を説明する図である。図５（ａ）は、半導体層１１０の表面において周期方向と直交する方向における素子２００の断面図で、図５（ｂ）は、周期方向における素子２００の断面図である。
【００８４】
図５（ａ）に示す通り、素子４００の半導体層１１０は基板１１１上に配置され、構造部１０１及び２つのバイアスライン１０２のそれぞれは半導体層１１０上に配置される。半導体層１１０と基板１１１とが界面１０４を形成し、半導体層１１０と構造部１０１の格子１２０とが界面１０３を形成し、半導体層１１０とバイアスライン１０２とが界面１０６を形成する。半導体層１１０に構造部１０１が配置されている部分の半導体層１１０の厚み（界面１０３と界面１０４との間隔）は、半導体層１１０にバイアスライン１０２が配置されている部分の半導体層１１０の厚み（界面１０６と界面１０４との間隔）より薄い。なお、界面１０４は基板１１１と半導体層１１０との界面である。また、図５（ｂ）に示す通り、半導体層１１０は、構造部１０１及びバイアスライン１０２が配置されていない部分には存在しない構造となっている。
【００８５】
ここからは半導体層１１０としてＬＴ−ＧａＡｓを用いた場合を例に取って説明する。ＬＴ−ＧａＡｓのフォノン吸収周波数ｆＦは８．１ＴＨｚなので、自由空間における波長はおよそ３７μｍであり、ＬＴ−ＧａＡｓ中での波長は屈折率から１０μｍ程度となる。表面プラズモン波による光吸収は、主に構造部１０１と接している半導体層１１０の界面１０３近傍で発生する。一方で、半導体層１１０のフォノン吸収周波数ｆＦにおけるテラヘルツ波はアンテナを兼ねたバイアスライン１０２で共振して、バイアスライン１０２の凸部間から放射される。
【００８６】
バイアスライン１０２間の距離が半導体層１１０中における８．１ＴＨに対応する波長に比べて短い場合、半導体層１１０における構造部１０１が配置されていない部分の厚みを、半導体層１１０に構造部１１０が配置されている部分の厚みより薄くする。すなわち、半導体層１１０と構造部１０１とが接しない部分の厚みを、半導体層１１０と構造部１１０とが接している部分の厚みより薄くする。もしくは半導体層１１０が存在しない構造とすることが望ましい。このような構造にすることにより、８．１ＴＨｚのテラヘルツ波の半導体層１１０中の伝搬距離ｔＦを短くすることができ、結果的に第１の実施形態に比べてよりフォノン吸収周波数ｆＦ及びその近傍のおけるテラヘルツ波の吸収を低減することが可能となる。例えば、バイアスライン１０２の凸部間の領域の面積が１０μｍ２以下であり、その領域にのみ半導体層１１０が配置されている場合には、素子１００のような構成の場合と比較して半導体層１１０におけるフォノン吸収量を低減することができる。
【００８７】
以上、素子４００によれば、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。また、半導体層１１０におけるフォノン吸収周波数ｆＦ及びその近傍のおけるテラヘルツ波の吸収をより低減することが可能となり、より広帯域なテラヘルツ波パルスを発生又は検出することができる。
【００８８】
（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６を参照して説明する。図６は、素子５００の構成を説明する図である。本実施形態の素子５００は、光ファイバ１４０が接続されている。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。
【００８９】
光ファイバ１４０は、励起光を構造部１２０及び半導体層１１０に伝送する光導波部材である。表面プラズモン共鳴を効率良く励起できるように、光ファイバ１４０は励起光の偏光方向を保持する偏波保持ファイバであることが望ましい。構造部１０１は、光ファイバ１４０と直接接していてもよいし、光ファイバ１４０の端部と半導体層１１０との間に、フレネル反射を抑える反射防止膜を配置し、反射防止膜を介して接していてもよい。また、光ファイバ１４０は、励起光のパルス幅が広がらないように分散補償されていてもよいし、光ファイバ１４０の出射端で励起光のパルス幅が最も圧縮されるような材料を用いてもよい。
【００９０】
本実施形態によれば、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。また、光ファイバ１４０を用いて励起光を伝送することにより、テラヘルツ波パルスの高出力化と広帯域化を両立できる。また、テラヘルツ波パルスの発生部又は検出部として素子５００を用いた測定装置は、光学システムの簡略化や測定の自由度が向上することができる。
【００９１】
（第６の実施形態）
第６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６００（以下、「装置６００」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６００の構成を説明する図である。装置６００は、テラヘルツ波時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ：ＴＨｚ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）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装置の基本的な構成は、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。
【００９２】
装置６００は、励起光としての超短パルス光を出力する光源６０１と、ビームスプリッタ６０２と、遅延部６０５と、レンズ６０６、６０７と、照射部６１５と、検出部６１１とを有している。照射部６１５は、発生部６１０と、光学部６１６とを有する。
【００９３】
光源６０１からの励起光は、ビームスプリッタ６０２でポンプ光６０３とプローブ光６０４とに分岐される。ポンプ光６０３は、レンズ６０６を介して発生部６１０に入射する。プローブ光６０４は、遅延部６０５とレンズ６０７とを介して検出部６１１に入射する。本実施形態においては、光源６０１として１．５５μｍ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。
【００９４】
発生部６１０は、ポンプ光が入射することによりテラヘルツ波を発生する。検出部６１１は、テラヘルツ波とプローブ光とが入射することによりテラヘルツ波を検出する。本実施形態では、発生部６１０及び検出部６１１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６１０及び検出部６１１の両方に素子１００を用いる場合を説明する。半導体層１１０は共に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。
【００９５】
発生部６１０から発生したテラヘルツ波は、測定物６０８に導かれて測定物６０８で反射する。反射したテラヘルツ波は、検出部６１１で検出される。測定物６０８で反射したテラヘルツ波パルスは、測定物６０８の吸収スペクトルなどの情報を含んでいる。遅延部６０５は、プローブ光６０４の光路長を変化させる光学遅延系で、遅延部６０５を動かすことによってポンプ光とプローブ光との光路長差を調整する。これによって、検出部６１１におけるテラヘルツ波を検出するタイミングを制御できる。検出部６１１の検出結果を用いれば、テラヘルツ波の時間波形を取得できる。
【００９６】
なお、本実施形態では、測定物６０８で反射したテラヘルツ波を検出しているが、測定物６０８を透過したテラヘルツ波を検出部６１１で検出する構成としてもよい。
【００９７】
ここからは第６の実施形態の装置６００を用いた測定例について説明する。素子１００を発生部６１０、検出部６１１に用いて測定する。複素屈折率が既知の不図示の水晶板上に、測定物６０８である生体切片を密着させて測定を行う。不図示の水晶版は、ｚ面でカットされた厚さ１ｍｍ、縦２５ｍｍ×横７０ｍｍの水晶板である。生体切片は、脳に人工的に腫瘍を作成したラットの切片化した脳組織（以後、「脳切片」と称する）を用いた。これを水晶板上に密着させ、水晶板の脳切片が密着している水晶板の面と対向する面側からテラヘルツ波を照射して測定を行う。測定では、空気と水晶板との界面で反射したテラヘルツ波、及び、水晶板と脳切片との界面で反射したテラヘルツ波パルスを少なくとも含む時間波形を取得する。取得した時間波形から、脳切片の屈折率スペクトルを取得できる。測定において、水晶板に密着した脳切片の面積は、およそ１．０ｃｍ２であった。
【００９８】
脳切片に対し、５００ｍｍ間隔で２０×２０点の測定を行い、各測定点について生体切片の屈折率スペクトルを測定した。計４００点の測定に要する時間は１０分以内であり、測定装置６００の屈折率差判別能は、０．１ＴＨｚから３ＴＨｚの周波数範囲において０．０１以下であることが確認された。脳切片の腫瘍部分と正常部分との間で、屈折率スペクトルに有意な屈折率差（Δｎ＝０．０２〜０．０４＠０．８〜１．５ＴＨｚ）を観測できた。腫瘍部分は正常部分と比較して屈折率が高い。屈折率差の要因として腫瘍部分は正常部分に比べて水分量の多いことや細胞核の密度が高いことが挙げられる。
【００９９】
以上、装置６００は、発生部６１０及び検出部６１１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、発生効率又は検出効率の低下を低減しつつ、広帯域なテラヘルツ波を発生又は検出できる。そのため、本実施形態の装置６００によれば、測定精度の向上、測定時間の短縮、及び測定される分光情報の広帯域化等を実現できる。
【０１００】
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。
【符号の説明】
【０１０１】
１００  光伝導素子
１０１  構造部
１０２  電極（バイアスライン）
１１０  半導体層
【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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