(57)【要約】  本発明は、テラヘルツ光源のチップ、光源デバイス、光源ユニット及びその製造方法を提供する。光源のチップは、２次元電子ガスメサと、２次元電子ガスメサに形成され、プラズマ波を励起するための電極と、２次元電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、２次元電子ガスメサに形成され、プラズマ波モードとテラヘルツ波キャビティモードとを結合させることで、テラヘルツ波放射を発生させるためのグレーチングと、を含む。本発明は、テラヘルツ波キャビティモードとグレーチングにおいての２次元電子ガスの中のプラズマ波モードとの密結合によって、プラズモンポラリトンを発生させ、プラズモンポラリトンの電子工学励起によってテラヘルツ波放射を発生させることができ、単独の電子の高周波数発振または単独の電子の量子跳躍によってテラヘルツ波放射を発生させる場合に存在する周波数が低く、または作業温度が低いという問題を解決し、放射周波数の範囲及び作業温度の範囲を広げた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源のチップ。
【請求項２】
前記テラヘルツ光源のチップは、前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項３】
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成される、または、
前記テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項４】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項５】
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含み、
前記電極は、前記電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース、ドレイン、及びグリッドを含み、
前記グレーチングが前記グリッドとして形成され、または前記グリッドが単独に形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項６】
前記ソースと前記ドレインとの間に電子ガスの駆動電流を発生させることで、電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記ソースと前記ドレインとの間に電圧が印加される、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項７】
前記ソースと前記ドレインとの間に印加された電圧は調整可能である、ことを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項８】
前記グリッドと電子ガスとの間にトンネル電流を発生させることで、前記電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記グリッドと前記電子ガスメサとの間に電位差が存在しており、且つ前記グリッドの電位が前記電子ガスの電位よりも低い、ことを特徴とする請求項５に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項９】
前記電位差は、調整可能である、ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１０】
前記電子ガスメサは、電子ガス材料で形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１１】
前記電子ガス材料は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ 、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、Ｓｉ／ＳｉＯ２、グラフェン及びＭｏＳ２、金剛石、単層、２層、３層のグラフェン、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ａｌ金属酸化膜半導体、シリコンナノワイヤ、ＧａＡｓナノワイヤ、ＩｎＧａＡｓナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛ナノワイヤ、ドープされたシリコンバルク材料、ドープされたＧａＡｓバルク材料、ドープされたＧａＮバルク材料、ドープされたＧｅバルク材料、ドープされたＩｎＧａＡｓバルク材料、ドープされたＩｎＰバルク材料、ドープされたＳｉＣバルク材料、ドープされた金剛石バルク材料、ドープされた酸化亜鉛バルク材料からなる群より選ばれる１種または複数種である、ことを特徴とする請求項１０に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１２】
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１３】
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含み、
テラヘルツ波キャビティの厚さが１０００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１４】
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造のうちの１種を有する、ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１５】
前記テラヘルツ光源のチップは、前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整するための調整装置をさらに含む、ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１６】
前記調整装置は、
底板、側壁、及び頂板を含むフレームと、
前記キャビティの下方に設置され、前記キャビティと固定するベースと、
前記ベースと前記フレームの前記底板の間に設置され、両端がそれぞれ前記ベースと前記底板に固定される少なくとも１本のスプリングと、
底板に設置される距離調整部材と、を含み、
前記キャビティプレートが前記頂板中央の開口に嵌められ、底板に設置された距離調整部材が底板を通って、前記ベースと前記底板との間の前記スプリングの引張力によって前記ベースに付勢することにより、距離調整部材を上下移動させることで前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整することができる、ことを特徴とする請求項１５に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１７】
前記距離調整部材はねじつがいである、ことを特徴とする請求項１６に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１８】
テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、
前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートと、
前記キャビティプレートの上表面または下表面に形成される全反射鏡と、を含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１９】
前記テラヘルツ光源のチップは、前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整するための調整装置をさらに含む、ことを特徴とする請求項２０に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項２０】
前記調整装置は、
底板、側壁、及び頂板を含むフレームと、
前記キャビティプレートの上方に設置され、前記キャビティプレートと固定するベースと、
前記ベースと前記フレームの前記頂板の間に設置され、両端がそれぞれ前記ベースと前記頂板に固定される少なくとも１本のスプリングと、
頂板に設置される距離調整部材と、を含み、
前記キャビティが前記底板中央の開口に嵌められ、頂板に設置された距離調整部材が底板を通って、前記ベースと前記頂板との間の前記スプリングの引張力によって前記ベースに付勢することにより、距離調整部材を上下移動させることで前記キャビティプレートと前記キャビティとの間の距離を調整することができる、ことを特徴とする請求項１９に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項２１】
前記距離調整部材はねじつがいである、ことを特徴とする請求項２０に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項２２】
テラヘルツ光源デバイスにおいて、
前記テラヘルツ光源デバイスは、チップ台またはプリント回路基板に実装された請求項１〜２１の何れか１項に記載のテラヘルツ光源のチップを含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源デバイス。
【請求項２３】
テラヘルツ光源ユニットにおいて、
前記テラヘルツ光源ユニットは、導波管に集積された請求項２２に記載のテラヘルツ光源デバイスを含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源ユニット。
【請求項２４】
テラヘルツ光源のチップの製造方法において、
電子ガス基板の上に電子ガスメサを形成するステップと、
前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、
前記電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、
前記テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、
前記電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、
薄くされ、バニシ仕上げを行った電子ガス基板の裏で全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記方法は、
前記グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
テラヘルツ光源のチップを形成する方法において、
前記方法は、
下表面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を有するテラヘルツ波キャビティの上表面に、電子ガス材料を移転するステップと、
前記テラヘルツ波キャビティの上表面に電子ガスメサを形成するステップと、
前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
前記金属結合グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
テラヘルツ光源のチップの製造方法において、
前記方法は、
２次元電子ガス基板の上に２次元電子ガスメサを形成するステップと、
前記２次元電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及び金属結合グレーチングを形成するステップと、
前記２次元電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、
前記テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、
前記２次元電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、
薄くされ、バニシ仕上げを行った２次元電子ガス基板の裏で部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、
上表面または下表面に全反射鏡が形成されているキャビティプレートを、前記金属結合グレーチングの上方に集積するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項３１】
テラヘルツ光源デバイスの製造方法において、
前記方法は、請求項２４〜３０の何れか１項に記載の方法で製造したテラヘルツ光源のチップをチップ台またはプリント回路基板に実装することで、前記テラヘルツ光源デバイスを形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項３２】
テラヘルツ光源ユニットを形成する方法において、
前記方法は、請求項３１に記載の方法で形成したテラヘルツ光源デバイスをテラヘルツ導波管と集積することで、テラヘルツ光源ユニットを形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
【請求項３３】
プラズモンの励起方法において、
電子ガスにトンネル電子を注入する、ことを特徴とする方法。
【請求項３４】
電極と電子ガスチャネルの間の電位差を印加することでトンネル電子を注入する、ことを特徴とする請求項３３に記載のプラズモンの励起方法。
【請求項３５】
前記電極がグリッドである、ことを特徴とする請求項３４に記載のプラズモンの励起方法。
【請求項３６】
プラズモンの励起装置において、
前記プラズモンの励起装置は、
電極と、
電子ガスチャンネルと、
前記電極と前記電子ガスチャンネルとの間のバリア層と、を含み、
前記電極と前記電子ガスチャネルとの間に電位差が存在し、前記電極の電位が前記電子ガスチャネルの電位よりも低い、ことを特徴とするプラズモンの励起装置。
【請求項３７】
前記電極がグリッドである、ことを特徴とする請求項３６に記載のプラズモンの励起装置。
【請求項３８】
前記バリア層は半導体材料、真空層、または量子井戸型材料である、ことを特徴とする請求項３６に記載のプラズモンの励起装置。
【請求項３９】
前記電位差は、電極に負電圧、正電圧、またはゼロ電圧を印加することで形成する、ことを特徴とする請求項３６に記載のプラズモンの励起装置。
【請求項４０】
テラヘルツ波密結合装置において、
前記テラヘルツ波密結合装置は、グレーチング及びテラヘルツ波キャビティを含み、前記グレーチングが前記テラヘルツ波キャビティの上方に設置される、ことを特徴とするテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４１】
前記テラヘルツ波キャビティの厚さが、１０００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４２】
前記グレーチングの間隔距離が、５０μｍ未満である、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４３】
電子ガスチャネルと前記グレーチングとの間隔が、１ｎｍ〜１００ｎｍに調整されている、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４４】
前記グレーチングの長さが、５０μｍ未満である、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４５】
前記グレーチングの周期が、１０μｍ未満である、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４６】
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４７】
前記テラヘルツ波キャビティの材料は、サファイア、石英結晶、高抵抗率シリコン単結晶のからなる群より選ばれる１種または複数種である、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４８】
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されている、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項４９】
前記テラヘルツ波密結合装置は、前記グレーチングの上方に設置され、テラヘルツ波キャビティとそれぞれグレーチングの両側に位置するキャビティプレートをさらに含む、ことを特徴とする請求項４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項５０】
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成され、または、
前記テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される、ことを特徴とする請求項４９に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項５１】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項５０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項５２】
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造からなる群より選ばれる１種を有する、ことを特徴とする請求項５０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ放射の発生技術に関し、具体的には、テラヘルツ光源のチップ、光源デバイス、光源ユニット及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｗａｖｅ）は、周波数０．１〜１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０００ ＧＨｚ＝１０１２Ｈｚ）波長３００μｍ〜３ｍｍの電磁波を指し、電磁スペクトルのミリメートル波帯と赤外線帯の間に当たり、以前はサブミリ波または遠赤外線と呼ばれていた。テラヘルツ波の放射は、テラヘルツ放射（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）とも呼ばれる。テラヘルツ放射を発生させるデバイスまたは装置は、テラヘルツ光源（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｏｕｒｃｅ）、テラヘルツエミッタ（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｅｍｉｔｔｅｒ）と呼ばれる。
【０００３】
従来のテラヘルツ放射を発生させる技術的手段は主に以下の３種類に分けられる。
【０００４】
１つ目は、電子工学技術的手段であり、即ち電子の加速運動、実空間または運動量空間での往復運動によって、高周波数電磁波放射を発生させる。この類のテラヘルツ光源デバイスはガン負抵抗発振器、共鳴トンネルダイオード発振器、アバランシェダイオード発振器、及びトランジスタに基づく発振器などの電子デバイスまたは回路を含む。電子工学技術的手段は、マイクロ波信号を数回周波数二倍化及び出力増幅することでテラヘルツ放射を発生させる技術的手段も含む。
【０００５】
２つ目は、光子学技術的手段であり、即ち量子準位間の電子の移動を利用してテラヘルツ波光量子の放射を発生させる。この技術的手段に基づくテラヘルツ光源は、ガス分子回転準位に基づくガスレーザー発生器、及び超格子人工量子準位に基づく量子カスケードレーザー発生器がある。
【０００６】
３つ目は、光子学技術と電子工学技術とを組み合わせた技術的手段であり、主に超短光パルスに基づく広スペクトルテラヘルツ光源及びそのポンププローブ技術、非線形性光整流、及び差周波数技術を含む。
【０００７】
また、さらにプラズマ波（Ｐｌａｓｍａ  Ｗａｖｅ、プラズモンともいう）に基づいてテラヘルツ発振源を実現するというテラヘルツ放射を発生させる技術的手段が存在している。この技術的手段は、単電荷運動に基づく電子工学技術的手段または単電荷準位の移動に基づく光子学技術的手段と異なり、超短光パルスの励起に基づく技術的手段とも異なる。
【０００８】
プラズマ波に基づいてテラヘルツ発振源を実現する技術的手段は、最初１９８０年に、Ｄ．Ｃ．Ｔｓｕｉ、Ｅ．Ｇｏｒｎｉｋ、及びＲ．Ａ．Ｌｏｇａｎらによって２次元電子ガスの中からプラズマ波のテラヘルツ放射を発見された。１９９３年にＤｙａｋｏｎｏｖとＳｈｕｒが直流電流を効果的にプラズマ波励起に転換するデバイス構造及び浅水波モデルを提案した。しかし、該方法で発生したテラヘルツ放射には、放射効率が低く、低出力、低温を必要とする問題が存在している。Ｓｈｕｒらは米国特許第７６１９２６３Ｂ２号明細書で高電子移動度トランジスタの中のプラズマ波の共振によって無線周波数、テラヘルツ波のプローブ、放射及び調節の実現を提案した。該特許の原理は１９９３年にＤｙａｋｏｎｏｖとＳｈｕｒが提案した浅水波インスタビリティ理論に基づいて、フェムトセカンドレーザーを採用して２次元電子ガスの中でプラズマ波を励起し、デバイスに印加されたソースドレイン電圧及びグリッド電圧を利用してプラズマ波及びテラヘルツ波を調節制御する。該特許におけるデバイスは、１つまたは複数のシングルグリッドの高電子移動度トランジスタまたはグレーチンググリッドを有する高電子移動度トランジスタを含む。また、Ｓｈｕｒらはさらに米国特許第７６３８８１７Ｂ２号明細書を用いて米国特許第７６１９２６３Ｂ２号明細書に対して改善及び補正を行い、サブミクロングリッド長の高電子移動度トランジスタマイクロ波、テラヘルツ波デバイスを提案し、プローブ、光源及び変調装置を含み、提案したデバイス構造によれば、ＤｙａｋｏｎｏｖとＳｈｕｒが要求した非対称境界条件を必要とせずにプローブ、放射、及び調節制御の機能を果たすことができる。Ｏｔｓｕｊｉらの米国特許第７９１５６４１Ｂ２号明細書において入射レーザーを用いてプラズマ波の励起の実現を提案した。該特許は、２本の差周波数可視光線または赤外線を利用して共にダブルグレーチング変調による２次元電子ガスを励起し、発振周波数が差周波数となるプラズマ波の励起を実現し、さらにグレーチング及び基板下表面に形成されたテラヘルツ波キャビティを利用してポジティブフィードバックを行い、テラヘルツ波を増幅させ、プラズマ波からテラヘルツ放射への転換効率が低いという問題を解決した。該特許において、ダブルグレーチングの使用目的は、２次元電子ガスの中で準位分裂のプラズマ波を形成することで、該準位分裂量と２本の励起光線の周波数差とが等しくなることにより、可視光線または赤外線からプラズマ波への励起を実現することにある。該特許においてダブルビーム励起と２次元電子ガスソースドレイン電流との組み合わせで放射効率を向上する方法をも提案した。２０１１年に公開した中国特許出願公開第１０１９６４５００Ａ号明細書において、テラヘルツ波共振内電界放射及びキャビティモードとの結合を利用してプラズマ波の電子学励起を実現する方法を提案した。
【０００９】
プラズマ波は、同じ極性の電荷の集合体が相反する電荷環境において生ずる電荷密度の波動であり、波の特性を有し、電荷の集団的励起モードである。特定モードの電荷密度の波動、即ち特定モードのプラズマ波がプラズモン（Ｐｌａｓｍｏｎ）となる。固形物質の中の電子ガスを励起することでプラズマ波またはプラズモンを発生させることができる。バルク材料の場合に、３次元プラズマ波または３次元プラズモンとなる。２次元電子ガスにおいては、２次元プラズマ波または２次元プラズモンとなる。
【００１０】
２次元電子ガス（Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ、２ＤＥＧ）は、半導体ヘテロ界面にあるナローギャップ半導体表面に形成される擬２次元電子層であり、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ界面にあるＧａＡｓ表面の２次元電子ガス、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面にあるＧａＮ表面の２次元電子ガス、Ｓｉ／ＳｉＧｅヘテロ界面にあるＳｉ表面の２次元電子ガスである。２次元電子ガスの中の電子がドープされた不純物と空間的に分離されるために、２次元電子ガスは対応の半導体材料の電荷担体よりも高い移動度を有している。
【００１１】
しかし、２次元電子ガスの電子の移動度には限度がある。電子の移動度に限度があるため、プラズマ波モードのＱ値が低く、ロスが多く、よって駆動電流からプラズマ波の励起への転換率の向上には不向きである。
【００１２】
上記のプラズマ波によるテラヘルツ発振源の実現に関する従来技術において、プラズマ波のＱ値が低いなどの問題の解決案について明確に説明していない。
【００１３】
したがって、プラズマ波の励起の全体的な効率を向上できる技術的手段を提供する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明はテラヘルツ光源のチップ、光源デバイス、光源ユニット及びその製造方法を提供することで、従来技術の制限または欠陥による少なくとも１つの問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップを提供し、該テラヘルツ光源のチップは、電子ガスメサと、電子ガスメサに形成される電極と、前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含む。
【００１６】
前記電子ガスメサは、２次元電子ガスメサであるほうが好ましい。前記電極はプラズマ波の励起に使用される。前記グレーチングは、金属結合グレーチングであるほうが好ましい。
【００１７】
前記グレーチングは、前記プラズマ波モードと前記テラヘルツ波キャビティモードとを結合させることで、テラヘルツ波放射を発生させることに用いられる。
【００１８】
該テラヘルツ光源のチップは、前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートをさらに含む。
【００１９】
テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置された場合、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成され、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置された場合、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される。前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は、定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する方が好ましい。
【００２０】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップを提供し、該テラヘルツ光源のチップは、電子ガスメサと、電子ガスメサに形成される電極と、前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含む。前記電極は、前記電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース、ドレイン、及びグリッドを含み、前記グレーチングが前記グリッドとして形成され、または前記グリッドが単独に形成される。
【００２１】
前記ソースと前記ドレインとの間に電子ガスの駆動電流を発生させることで、電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記ソースと前記ドレインとの間に電圧が印加される。前記ソースと前記ドレインとの間に印加された電圧は、調整可能であるほうが好ましい。
【００２２】
前記グリッドと電子ガスとの間にトンネル電流を発生させることで、電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記グリッドと電子ガスメサとの間に電位差が存在しており、且つグリッドの電位が電子ガスの電位よりも低い。
【００２３】
前記グリッドは、負電圧、正電圧、またはゼロ電圧を印加され、好ましくは負電圧を印加される。前記グリッドは、直流電圧または交流電圧を印加される。前記トンネル電流は、電子がグリッドから電子ガスにトンネリングすることで発生する。前記グリッドと電子ガスメサの間に存在する電位差が調整可能である。前記電位差は電子ガス材料の降伏電圧よりも小さい。
【００２４】
前記電子ガスメサは、２次元電子ガスメサのほうが好ましい。前記電子ガスメサは、電子ガス材料により形成される。
【００２５】
前記電子ガス材料は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ 、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、Ｓｉ／ＳｉＯ２、グラフェン及びＭｏＳ２、金剛石、単層、２層、３層のグラフェン、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ａｌ金属酸化膜半導体、シリコンナノワイヤ、ＧａＡｓナノワイヤ、ＩｎＧａＡｓナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛ナノワイヤ、ドープされたシリコンバルク材料、ドープされたＧａＡｓバルク材料、ドープされたＧａＮバルク材料、ドープされたＧｅバルク材料、ドープされたＩｎＧａＡｓバルク材料、ドープされたＩｎＰバルク材料、ドープされたＳｉＣバルク材料、ドープされた金剛石バルク材料、ドープされた酸化亜鉛バルク材料からなる群より選ばれる１種または複数種である。
【００２６】
前記電子ガス材料は、２次元電子ガス材料のほうが好ましく、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、グラフェン及びＭｏＳ２からなる群より選ばれる１種または複数種である。
【００２７】
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである。
【００２８】
前記テラヘルツ波キャビティは、前記電子ガスメサの基板である。
【００２９】
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造のうちの１種を有する。
【００３０】
前記グレーチングは、金属結合グレーチングであるほうが好ましい。
【００３１】
前記グレーチングは、前記プラズマ波モードと前記テラヘルツ波キャビティモードとを結合させることで、テラヘルツ波放射を発生させることに用いられる。
【００３２】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップを提供し、該テラヘルツ光源のチップは、電子ガスメサと、電子ガスメサに形成される電極と、前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含む。前記テラヘルツ波キャビティは、前記電子ガスメサの基板である。
【００３３】
前記テラヘルツ波キャビティの厚さは、目標テラヘルツ放射周波数により決定される。前記キャビティの厚さＤは下記式によって決められる。
【００３４】
【数１】
2016536806.tif 000003
【００３５】
ｆ０は目標テラヘルツ放射周波数であり、ｎはキャビティ内誘電体のテラヘルツ波の屈折率であり、ｃは光速であり、ｋは整数である。
【００３６】
前記キャビティの厚さは、１０００μｍ未満であり、好ましくは６００μｍ未満であり、さらに好ましくは４００μｍ未満である。
【００３７】
前記グレーチングの間隔距離は、５０μｍ未満であり、好ましくは１０μｍ未満である。
【００３８】
前記グレーチングの長さは、５０μｍ未満であり、好ましくは５０ｎｍ〜１０μｍ未満である。
【００３９】
前記グレーチングの周期は、１０μｍ未満であり、好ましくは４μｍ未満である。
【００４０】
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである。
【００４１】
前記テラヘルツ波キャビティの材料は、サファイア、石英結晶、高抵抗率シリコン単結晶からなる群より選ばれる１種または複数種である。
【００４２】
前記電子ガスメサは、２次元電子ガスメサのほうが好ましい。
【００４３】
前記電子ガスメサは、電子ガス材料により形成される。
【００４４】
前記電子ガス材料は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ 、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、Ｓｉ／ＳｉＯ２、グラフェン及びＭｏＳ２、金剛石、単層、２層、３層のグラフェン、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ａｌ金属酸化膜半導体、シリコンナノワイヤ、ＧａＡｓナノワイヤ、ＩｎＧａＡｓナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛ナノワイヤ、ドープされたシリコンバルク材料、ドープされたＧａＡｓバルク材料、ドープされたＧａＮバルク材料、ドープされたＧｅバルク材料、ドープされたＩｎＧａＡｓバルク材料、ドープされたＩｎＰバルク材料、ドープされたＳｉＣバルク材料、ドープされた金剛石バルク材料、ドープされた酸化亜鉛バルク材料からなる群より選ばれる１種または複数種である。
【００４５】
前記電子ガス材料は２次元電子ガス材料のほうが好ましく、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、グラフェン及びＭｏＳ２からなる群より選ばれる１種または複数種である。
【００４６】
前記電極は、前記電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース、ドレイン、及びグリッドを含み、前記グレーチングは、前記グリッドとして形成され、または前記グリッドは、単独に形成される。
【００４７】
前記ソースと前記ドレインとの間に電子ガスの駆動電流を発生させることで、電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記ソースと前記ドレインとの間に電圧が印加される。前記ソースと前記ドレインの間に印加された電圧は、調整可能であるほうが好ましい。
【００４８】
前記グリッドと電子ガスとの間にトンネル電流を発生させることで、電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記グリッドと電子ガスメサとの間に電位差が存在し、前記グリッドと電子ガスメサとの間に存在する電位差が調整可能であるほうが好ましい。
【００４９】
前記グリッドと電子ガスメサとの間に電位差が存在しており、且つグリッドの電位が電子ガスの電位よりも低い。
【００５０】
前記トンネル電流は、電子がグリッドから電子ガスにトンネリングすることで発生する。
【００５１】
前記電位差は電子ガス材料の降伏電圧よりも小さい。
【００５２】
前記電極はプラズマ波の励起に使用される。
【００５３】
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造からなる群より選ばれる１種を有する。
【００５４】
前記反射鏡は、金属または合金薄膜コーティングで形成された金属または合金反射鏡であり、前記金属または合金は金、アルミニウム及び銀であり、またはＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ或いはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜であり、または超伝導薄膜材料で構成された超伝導反射鏡であり、前記超伝導薄膜はＮｂＮ、Ｎｂ或いはＹｉＢａＣｕＯ−であり、または誘電率の異なる２種類の誘電体材料を交互に積み合わせて形成した分布ブラッグ反射鏡である。前記誘電体材料は、無機誘電体材料または有機高分子誘電体材料であり、例えば高抵抗率シリコン、サファイア、石英、ガラス、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＭＰ（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＰｅｎｔｅｎｅ）である。
【００５５】
前記反射鏡は、金属または合金薄膜コーティングで形成された金属または合金反射鏡であるほうが好ましい。
【００５６】
前記金属または合金薄膜コーティングは、金、アルミニウム及び銀であり、またはＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ或いはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜である。
【００５７】
前記グレーチングは、金属結合グレーチングであるほうが好ましい。
【００５８】
前記グレーチングは、前記プラズマ波モードと前記テラヘルツ波キャビティモードとを結合させることで、テラヘルツ波放射を発生させることに用いられる。
【００５９】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップを提供し、該テラヘルツ光源のチップは、電子ガスメサと、電子ガスメサに形成される電極と、前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートと、前記キャビティプレートの上表面または下表面に形成される全反射鏡と、を含む。
【００６０】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源デバイスを提供し、該テラヘルツ光源デバイスは、チップ台またはプリント回路基板に実装された上記構造を有するテラヘルツ光源のチップを含む。
【００６１】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源ユニットを提供し、該テラヘルツ光源ユニットは、導波管に集積されたテラヘルツ光源デバイスを含む。
【００６２】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップの製造方法を提供し、該方法は、電子ガス基板の上に電子ガスメサを形成するステップと、前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、前記電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、前記電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、薄くされ、バニシ仕上げを行った電子ガス基板の裏で全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、を含む。
【００６３】
前記電子ガスメサは、２次元電子ガスメサのほうが好ましい。
【００６４】
前記グレーチングは、金属結合グレーチングであるほうが好ましい。
【００６５】
前記方法は、前記グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む。
【００６６】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は、定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する。
【００６７】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップを形成する方法を提供し、該方法は、下表面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を有するテラヘルツ波キャビティの上表面に、電子ガス材料を移転するステップと、前記テラヘルツ波キャビティの上表面に電子ガスメサを形成するステップと、前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、を含む。
【００６８】
前記電子ガス材料は、２次元電子ガス材料のほうが好ましい。
【００６９】
前記電子ガスメサは、２次元電子ガスメサのほうが好ましい。
【００７０】
前記グレーチングは、金属結合グレーチングであるほうが好ましい。
【００７１】
前記方法は、前記金属結合グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む。
【００７２】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する。
【００７３】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源のチップの製造方法を提供し、該方法は、電子ガス基板の上に電子ガスメサを形成するステップと、前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及び金属結合グレーチングを形成するステップと、前記電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、前記電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、薄くされ、バニシ仕上げを行った電子ガス基板の裏で部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、上表面または下表面に全反射鏡が形成されているキャビティプレートを、前記金属結合グレーチングの上方に集積するステップと、を含む。
【００７４】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源デバイスの製造方法を提供し、該方法は、製造したテラヘルツ光源のチップをチップ台またはプリント回路基板に実装することで、前記テラヘルツ光源デバイスを形成するステップを含む。
【００７５】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ光源ユニットを形成する方法を提供し、該方法は、テラヘルツ光源デバイスをテラヘルツ導波管と集積することで、テラヘルツ光源ユニットを形成するステップを含む。
【００７６】
本発明のもう１つの解決手段によれば、プラズモンの励起方法を提供し、前記プラズモンの励起は電子ガスにトンネル電子を注入することで実現される。
【００７７】
前記電子ガスは、２次元電子ガスのほうが好ましい。
【００７８】
前記プラズモンの励起方法は、電極と電子ガスチャネルとの間の電位差を印加することでトンネル電子を注入することである。
【００７９】
前記電位差は、電極の電位が電子ガスチャネルの電位よりも低いことで発生する。
【００８０】
前記電位差は、電極に負電圧、正電圧、またはゼロ電圧を印加することで形成し、好ましくは電極に負電圧を印加する。
【００８１】
前記電位差は、電極に直流電圧または交流電圧を印加することで形成する。
【００８２】
前記電極は、グリッドである。
【００８３】
本発明のもう１つの解決手段によれば、プラズモンの励起装置を提供し、前記プラズモンの励起装置は、電極と、電子ガスにトンネルと、電極と電子ガスにトンネルとの間のバリア層と、を含む。電極と電子ガスチャネルとの間に電位差が存在し、電極の電位が電子ガスチャネルの電位よりも低い。
【００８４】
前記電位差は、バリア層降伏電圧より小さい。
【００８５】
前記バリア層は、半導体材料、真空層、または量子井戸型材料である。
【００８６】
前記電位差は、電極に負電圧、正電圧、またはゼロ電圧を印加することで形成する。好ましくは、前記電位差は電極に負電圧を印加することで形成する。
【００８７】
前記電位差は、電極に直流電圧または交流電圧を印加することで形成する。
【００８８】
前記電極は、グリッドである。
【００８９】
本発明のもう１つの解決手段によれば、テラヘルツ波密結合装置を提供し、前記テラヘルツ波密結合装置は、グレーチング及びテラヘルツ波キャビティを含み、前記グレーチングが前記テラヘルツ波キャビティの上方に設置される。
【００９０】
前記グレーチングは、金属結合グレーチングであるほうが好ましい。
【００９１】
前記テラヘルツ波キャビティの厚さは、目標テラヘルツ放射周波数により決定される。前記キャビティの厚さＤは下記式によって決められる。
【００９２】
【数２】
2016536806.tif 000004
【００９３】
ｆ０は目標テラヘルツ放射周波数であり、ｎはキャビティ内誘電体のテラヘルツ波の屈折率であり、ｃは光速であり、ｋは整数である。
【００９４】
前記キャビティの厚さは、１０００μｍ未満であり、好ましくは６００μｍ未満であり、さらに好ましくは４００μｍ未満である。
【００９５】
前記グレーチングの間隔距離は、５０μｍ未満であり、好ましくは１０μｍ未満である。
【００９６】
前記グレーチングの長さは、５０μｍ未満であり、好ましくは５０ｎｍ〜１０μｍ未満である。
【００９７】
前記グレーチングの周期は、１０μｍ未満であり、好ましくは４μｍ未満である。
【００９８】
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである。
【００９９】
前記テラヘルツ波キャビティの材料は、サファイア、石英結晶、高抵抗率シリコン単結晶のうちの１種または複数種である。
【０１００】
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されている。
【０１０１】
前記テラヘルツ波密結合装置は、前記グレーチングの上方に設置され、テラヘルツ波キャビティとそれぞれグレーチングの両側に位置するキャビティプレートをさらに含む。テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成され、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される。
【０１０２】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は、定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する。
【０１０３】
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造のうちの１種を有する。
【０１０４】
前記反射鏡は、金属または合金薄膜コーティングで形成された金属または合金反射鏡であり、前記金属または合金は、金、アルミニウム及び銀であり、またはＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ或いはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜であり、または超伝導薄膜材料で構成された超伝導反射鏡であり、前記超伝導薄膜はＮｂＮ、Ｎｂ或いはＹｉＢａＣｕＯ−であり、または誘電率の異なる２種類の誘電体材料を交互に積み合わせて形成した分布ブラッグ反射鏡である。前記誘電体材料は無機誘電体材料または有機高分子誘電体材料であり、例えば高抵抗率シリコン、サファイア、石英、ガラス、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＭＰ（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＰｅｎｔｅｎｅ）である。
【０１０５】
前記反射鏡は、金属または合金薄膜コーティングで形成された金属または合金反射鏡であるほうが好ましい。
【０１０６】
前記金属または合金薄膜コーティングは、金、アルミニウム及び銀であり、またはＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ或いはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜である。
【発明の効果】
【０１０７】
本発明は、テラヘルツ波キャビティ内のテラヘルツ波モードとグレーチングにおいての電子ガスの中のプラズマ波モードとの密結合によって、プラズモンポラリトン（ｐｌａｓｍｏｎ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）モードを発生させ、プラズモンポラリトンの電子工学励起を採用してテラヘルツ波放射を発生させることができ、単独の電子の高周波数発振または単独の電子の量子跳躍によってテラヘルツ波放射を発生させる場合に存在する周波数が低く、または作業温度が低いという問題を解決し、放射周波数の範囲及び作業温度の範囲を広げた。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施方式によるテラヘルツ光源の基本原理を示す説明図である。
【図２】プラズマ波の分散関係及びテラヘルツ波キャビティモードの分散関係図である。
【図３Ａ】本発明の１つの実施方式によるテラヘルツ光源の構造を示す面図である。
【図３Ｂ】図３Ａのテラヘルツ光源デバイスの断面図及び電流駆動を説明する図である。
【図４】本発明の１つの実施方式によるテラヘルツ光源デバイスを製造する簡単なフローチャートである。
【図５】本発明の１つの実施方式によるテラヘルツ光源ユニットを製造するプロセスチャート例である。
【図６】本発明のもう１つの実施方式によるテラヘルツ光源デバイスの断面図である。
【図７】テラヘルツ光源のグレーチング、キャビティが結合により生ずるプラズマ波及びテラヘルツ波キャビティモードを示す図である。
【図８】グリット電圧及びソースドレイン電圧により制御される放射スペクトルを示す図である。
【図９】本発明のもう１つの実施方式によるテラヘルツ光源デバイスを製造する簡単なフローチャートである。
【図１０】本発明のもう１つの実施方式によるテラヘルツ光源ユニットを製造するプロセスチャート例である。
【図１１】テラヘルツ光源のチップを導波管装置と集積した後の説明図である。
【図１２】１つの実施方式によるキャビティ長さ調整装置を有するテラヘルツ光源デバイスの断面図である。
【図１３】もう１つの実施方式によるキャビティ長さ調整装置を有するテラヘルツ光源デバイスの断面図である。
【図１４】本発明の１つの実施方式のテラヘルツ光源デバイスはテラヘルツ波キャビティの厚さ（ほかのテラヘルツ波キャビティの構造パラメータが同じ）によって異なる放射効果を形成する。（Ａ）は、光源デバイスのキャビティの厚さが２１２μｍの場合の放射スペクトルを示す図であり、（Ｂ）は、光源デバイスのキャビティの厚さが６０９μｍの場合の放射スペクトルを示す図である。キャビティの長さが小さければ小さいほど、結合強度が高くなり、放射スペクトルのプラズモンポラリトンの特徴が顕著になる。
【図１５】キャビティの厚さ、グレーチングの長さ、周期、間隔によって異なるテラヘルツ放射効果を形成する。（Ａ）は、キャビティの厚さが２００μｍ、グレーチングの周期が４μｍ、グリッド長さが２μｍ、グリッド間隔が２μｍの場合の放射スペクトルを示す図であり、（Ｂ）は、キャビティの厚さが７０μｍ、グレーチングの周期が６μｍ、グリッド長さが２μｍ、グリッド間隔が４μｍの場合の放射スペクトルを示す図である。キャビティの厚さが大きければ大きいほど、輝線間隔が小さくなり、グリッド長さが小さければ小さいほど、プラズモン周波数が高くなり、グリッド間隔が小さければ小さいほど、結合強度が高くなり、放射スペクトルのプラズモンポラリトンの特徴が顕著になる。
【図１６】グリッド負電圧とグリッド正電圧においての光源デバイスの放射スペクトルを示す図である。グリッド負電圧は放射スペクトルに対して高い変調機能を有し、放射スペクトルに対するグリッド正電圧の変調機能は弱い。
【図１７】デバイスの放射パワー及びグリッド電流がグリッド電圧とともに変化する変化を示す図である。グリッド電圧が負の時に、転換率が高い。グリッド電圧が正の時に、転換率が低い。
【図１８】ソースドレイン電流励起とグリッド電流励起の効率を対比した図である。グリッド電流励起の効率はソースドレイン電流励起の効率より遥かに高い。
【発明を実施するための形態】
【０１０９】
本発明の実施方式において、テラヘルツ結合グレーチングによりプラズマ波モードとテラヘルツ波キャビティモードとを密結合させることで、プラズモンポラリトンモードを形成してテラヘルツ光源を実現する。具体的には、テラヘルツ光源チップの１つまたは複数の電極に印加された直流または交流電流によって、電子ガスの中のプラズマ波を励起し、グレーチングによってプラズマ波モードとキャビティ内のテラヘルツ波キャビティモードとを密結合させ、プラズモンポラリトンモードを形成する。即ちプラズマ波とテラヘルツ電磁波の特性を同時に具備する新しい状態である。よって、プラズマ波からテラヘルツ放射への転換の全体的な効率を向上する。即ち、本発明は電子ガスに直流または交流電流を注入することでプラズマ波を励起し、グレーチング及びテラヘルツ波キャビティによりプラズマ波モードとテラヘルツ波キャビティモードとを密結合させることで、プラズモンポラリトンモードを形成し、テラヘルツ波放射を発生させる。グレーチングにおいてのプラズマ波モードとテラヘルツ波キャビティモードとの密結合によりプラズモンポラリトンを発生させる概念は、従来のテラヘルツ光源技術になかったものである。
【０１１０】
まず、本発明の方法は、電子ガスに高エネルギー電子を注入することでプラズモンを励起し、即ち電極からチャネルへトンネル電子を注入し、電子が高エネルギー状態から電子ガス低エネルギー状態に弛緩する過程においてプラズモンを励起し、該過程はトンネリングの通過時間とほぼ無関係である。本方法は、２次元電子ガスに適用し、３次元電子ガスまたは１次元電子ガスにも適用できる。プラズモンの励起はチャネルの中の電子システムを摂動することで実現され、電子ガスの次元とは無関係である。本方法は、グリッドトンネル電流によってプラズモンを励起するほかの方法とは本質的異なる。文献（Ｖ. Ｒｙｚｈｉｉ, Ｍ. Ｓｈｕｒ, Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔ−ｔｉｍｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｓｅｌｆ−ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｐｌａｓｍａ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ, Ｊｐｎ. Ｊ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. ４１, ９２２−９２４ （２００２））に記載された方法は、電子がグリッドバリア層を通過する過程においてプラズモンとの相互作用を用いるため、グリッド正電圧が所定の閾値に到達しなければ、プラズモンの励起が実現できない。しかし本方法では、プラズモンの励起に閾値電圧の特性を必要としない。さらに、本方法において、グリッド電圧が負であると、プラズモンの励起がより効果的に実現される。
【０１１１】
本発明では、電極と電子ガスの間の電位差によって電子を注入する。前記電位差は、電極の電位が電子ガスの電位よりも低いことを指し、それによって電子を電極から電子ガスに注入することができる。例えば、電子ガスを接地する。または、電極に負電圧を印加する。前記電極に負電圧、正電圧、またはゼロ電圧を印加することができ、前記電位差がバリア層の降伏電圧より小さく、前記電極に直流電圧または交流電圧を印加することができる。前記電極は、グリッドである。
【０１１２】
前記プラズマ波は、同じ極性の電荷の集合体が相反する電荷環境において生ずる電荷密度の波動であり、波の特性を有し、電荷の集団的励起モードである。特定モードの電荷密度の波動、即ち特定モードのプラズマ波がプラズモン（ｐｌａｓｍｏｎ）となる。固形物質の中の電子ガスを励起することでプラズマ波またはプラズモンを発生させることができる。バルク材料の場合に、３次元プラズマ波または３次元プラズモンとなる。２次元電子ガスにおいては、２次元プラズマ波または２次元プラズモンとなる。
【０１１３】
前記電子ガスは、固形材料をイオン化、ドープ、または分極することで発生する負電荷を帯びる自由電子システムである。該システムの中の電子が自由移動でき、且つ外部が許容する物理空間に充満しており、電子の移動が気体分子に似ているため、この電子システムを電子ガス（電子ガスの密度がさらに高く、電子の相互作用が増幅する時に、電子液体ともいう）という。前記電子ガスは、１次元電子ガス、２次元電子ガス、または３次元電子ガスである。
【０１１４】
前記１次元電子ガス（Ｏｎｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ，１ＤＥＧ）は、１つの次元でしか自由移動できない電子システムを指す。前記１次元電子ガス材料は、シリコンナノワイヤ、ＧａＡｓナノワイヤ、ＩｎＧａＡｓナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛ナノワイヤである。
【０１１５】
前記２次元電子ガス（Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ，２ＤＥＧ）は、ある１つの次元での移動が制限され、もう２つの次元では自由移動できる電子システムを指す。前記電子ガスは、半導体ヘテロ界面にあるナローギャップ半導体表面に形成される擬２次元電子層から構成され、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ界面にあるＧａＡｓ表面の２次元電子ガス、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ界面にあるＧａＮ表面の２次元電子ガス、Ｓｉ／ＳｉＧｅヘテロ界面にあるＳｉ表面の２次元電子ガスである。前記２次元電子ガス材料は、ヘテロ接合材料、例えばＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、Ｓｉ／ＳｉＯ２であり、または表面自発分極材料、例えばＩｎＮ、金剛石であり、または２次元結晶材料、例えば単層、２層、３層のグラフェン及びＭｏＳ２であり、または電荷蓄積或いは電荷反転を生じて２次元電子ガスを形成できる金属酸化膜半導体、例えばＳｉ／ＳｉＯ２／Ａｌ金属酸化膜半導体から構成される。
【０１１６】
前記３次元電子ガスは、電子ガスの中の電子が３つの次元で自由移動できるものを指す。３次元電子ガス材料は、バルク材料、例えばドープされたバルク半導体材料から構成され、具体的には、ドープされたシリコンバルク材料、ドープされたＧａＡｓバルク材料、ドープされたＧａＮバルク材料、ドープされたＧｅバルク材料、ドープされたＩｎＧａＡｓバルク材料、ドープされたＩｎＰバルク材料、ドープされたＳｉＣバルク材料、ドープされた金剛石バルク材料、ドープされた酸化亜鉛バルク材料から構成される。
【０１１７】
前記電子ガスメサは、基板に位置し、電子ガス材料及びバリア層を含む２層または多層構造の材料であり、１次元電子ガスメサは、基板においてバリア層で包まれ或いは被覆され、またはダブルバリア材料で被覆され、または量子井戸材料で被覆されたナノワイヤ材料であり、２次元電子ガスメサは、基板においてバリア層で包まれ或いは被覆され、またはダブルバリア材料で被覆され、または量子井戸材料で被覆された２次元電子ガス材料であり、３次元電子ガスメサは、基板においてバリア層で包まれ或いは被覆され、または一面或いは複数面が異なる自由電荷型の半導体材料で被覆され、またはダブルバリア材料で被覆され、または量子井戸材料で被覆されたバルク材料であり、３種のメサの共通点はプラズマ波を発生させる電子ガス及びトンネル電子を注入するバリア層を提供することにある。
【０１１８】
前記トンネル電子は、トンネル効果によって移動または搬送を実現する電子を指す。電子の波動性により、電子は、ある程度の確率で電子自身のエネルギーよりも高い位置エネルギーを持つバリア領域を通過することができ、該効果は電子の量子トンネル効果と呼ばれる。電子のエネルギーが高ければ高いほど、バリアが低ければ低いほど、及びバリア層が薄ければ薄いほど、トンネリングの確率が大きくなる。
【０１１９】
前記バリア層は、隣接の電子材料の電荷状態に対して高いエネルギー状態を有する電子材料を指す。隣接の電子材料の電荷は、十分のエネルギーを備えていないと該材料領域に入ることができず、または該領域内の電荷は、自発的にエネルギー放出（弛緩）によって隣接の電子材料の低エネルギー状態に入る。通常、バリア層は、ワイドギャップ半導体材料からなり、例えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のグリッド絶縁層、シリコンＭＯＳＦＥＴのグリッド酸化層、ヘテロ接合半導体の界面、半導体超格子の中のワイドギャップ材料層である。半導体材料と真空との界面にもバリア層がある。前記バリア層は、量子井戸材料であっても構わない。
【０１２０】
前記電子ガスチャネルは、電子ガスメサ内に自由電子及びプラズマ波を収容する電子ガス材料を指し、即ち電子流動の通路である。
【０１２１】
前記定常波の条件は、時間によって変化することがない電磁場電界強度分布を形成する特定の空間サイズ及びその境界条件を指す。定常波の条件を満たす場合に、特定周波数の電磁場振動のアンチノード及びノードの位置が時間によって変化せず、さらに該空間範囲の境界にある電界強度分布も時間によって変化しない。通常、該空間範囲のある１つの次元のサイズが該空間内の電磁波の半波長または四分の一波長の整数倍になっている。よって、定常波の条件は空間サイズ及び境界条件の限定によって実現でき、例えば、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔキャビティの厚さがキャビティの最低周波数を決定し、キャビティの表面に金属コーティングされた場合、該表面がノードであり、キャビティの表面に金属コーティングされなかった場合、該表面がアンチノードである。
【０１２２】
前記近接場効果は、電磁場が金属または誘電体構造の近傍（通常はサブ波長範囲内）に発生する電界強度が増幅する現象を指す。
【０１２３】
前記反射鏡は、金属薄膜コーティングで形成された金属または合金反射鏡であり、前記金属は、金、アルミニウム及び銀であり、またはＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ或いはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜であり、または超伝導薄膜材料で構成された超伝導反射鏡であり、前記超伝導薄膜は、ＮｂＮ、Ｎｂ或いはＹｉＢａＣｕＯであり、または誘電率の異なる２種類の誘電体材料を交互に積み合わせて形成した分布ブラッグ反射鏡である。前記誘電体材料は、無機誘電体材料または有機高分子誘電体材料であり、例えば高抵抗率シリコン、サファイア、石英、ガラス、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＭＰ（ＰｏｌｙＭｅｔｈｙｌＰｅｎｔｅｎｅ）である。
【０１２４】
以下、例示的実施方式によって本発明について説明する。
【０１２５】
実施方式１
【０１２６】
本実施方式は、テラヘルツ光源のチップ（本実施方式では第１テラヘルツ光源のチップともいう）、対応する光源デバイス、光源ユニット及びその製造方法を提供する。図１は、本発明の実施方式によるテラヘルツ光源の基本原理を示す説明図である。図２は、プラズマ波の分散関係及びテラヘルツ波キャビティモードの分散関係を示す図である。図３Ａは、本実施方式によるテラヘルツ光源の構造上面を示す図である。図３Ｂは、図３Ａのテラヘルツ光源デバイスの断面図及び電流駆動を説明する図である。
【０１２７】
図１に示すように、該テラヘルツ光源のチップは、２次元電子ガスメサ１と、２次元電子ガスメサ１に形成され、プラズマ波６を励起するための電極（図示せず）と、２次元電子ガスメサ１の下方に形成され、底面に全反射鏡４が設置されているテラヘルツ波キャビティ３と、２次元電子ガスメサ１の表面に形成され、テラヘルツ波キャビティモードと２次元電子ガス及びそのプラズマ波モードとを結合させることで、テラヘルツ波放射を発生させるためのグレーチング２と、を含む。
【０１２８】
テラヘルツ波キャビティは、高いＱ値を有し、通常１０よりも大きく、または１０より遥かに大きく、１００以上、さらに１００００以上にも達する。一方、プラズマ波のＱ値は、低く、大体１０〜１００くらいである。よって、テラヘルツ波モードとプラズマ波モードとの密結合で形成したプラズモンポラリトンは、プラズマ波のＱ値を上げることができ、ロスを減少させ、これは高効率のテラヘルツ光源デバイスを実現する核心技術の１つである。
【０１２９】
図１に示すように、本発明は、高電子移動度２次元電子ガス５の中のプラズマ波を作業媒体としている。電流によって２次元電子ガスメサ１の中の２次元電子ガス５を駆動することで、特定モードのプラズマ波６を励起することができる。さらに、金属グレーチングによってプラズマ波とテラヘルツ電磁波との高効率の結合（金属グレーチングの縁に増幅するテラヘルツ電界がある）を実現することができ、さらに制限のあるサイズのテラヘルツ波キャビティによって、テラヘルツ波モードとプラズマ波モードとの密結合を実現し、プラズモンポラリトンを形成することで、プラズマ波からテラヘルツ放射への高効率の転換を得る。キャビティモードの体積をなるべく小さくすれば、テラヘルツ波とプラズマ波との結合効率をより高く実現できるため、プラズマ波からテラヘルツ波放射への効率を向上する。目標テラヘルツ放射周波数をｆ０とすると、キャビティの厚さＤは下記式のように決められる。
【０１３０】
【数３】
2016536806.tif 000005
【０１３１】
ｎはキャビティ内誘電体のテラヘルツ波の屈折率であり、ｃは光速であり、ｋは整数である。キャビティの最小厚さはＤｍｉｎ＝ｃ／４ｎｆ０である。キャビティの最小体積を採用するかどうかは主に工程の難易度によって決められる。従来の実験結果はすでにこの関係を証明している。
【０１３２】
本実施方式において、プラズマ波を励起するための電極は、２次元電子ガスメサ１に形成され、２次元電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース及びドレインであってもよく、ソース、ドレインのうちの少なくとも片方及びグリッドであってもよい。該グリッドは、金属結合グレーチングを使用してもよく、金属結合グレーチングと別々に設置された単独のグリッド（単独のグリッドはグレーチングと連結しない）であってもよい。図３Ａは金属結合グレーチングをグリッドとして使用する例であり（この時、結合グレーチングは複数のグリッドに相当する）、金属結合グレーチングは、ソースとドレインとの間に位置する。
【０１３３】
例えば、以下２つの方法のうちの１つで、２次元電子ガスからプラズマ波を励起することができ、即ち電気エネルギーを２次元電子ガスの中のプラズマ波エネルギーに転換する。
【０１３４】
（１）グリッドＧと２次元電子ガスとの間の駆動電流、即ちグリッドＧとソースＳとの間の電流及び／またはグリッドＧとドレインＤとの間の電流が、プラズマ波を励起することができる。グリッドと２次元電子ガスとの間の電子の搬送によって電気エネルギーを２次元電子ガスの中のプラズマ波エネルギーに転換する。外部の直流グリッド電圧及びテラヘルツ電界により、グリッドと２次元電子ガスの間のトンネル電流が変調される。図３Ｂに示すように、グリッドＧに負電圧ＶＧを印加することで、２次元電子ガスの密度を調整制御することができる。同時に、電子は、グリッドから２次元電子ガスにトンネリングし、トンネル電流ＩＧを発生させることができる。無論、グリッドＧに正電圧を印加することもできる。グリッドＧに印加される電圧は、調整可能である。
【０１３５】
図１６及び図１７に示すように、グリッド電圧が負である場合、テラヘルツ波の励起の効率は高く、グリッド電圧が正である場合、テラヘルツ波の励起の効率は低い。図１７に示すように、グリッド負電圧の領域において、グリッド電圧が大きくなると、テラヘルツ波放射の放射パワー及びグリッド電流は小さくなり、グリッド正電圧の領域において、放射パワー及び効率はいずれもグリッド負電圧の時の対応値より低い。よって、グリッドに負電圧を印加するほうが、よりよいテラヘルツ波放射の効果を得られ、これは従来の技術になかった記載である。
【０１３６】
（２）２次元電子ガスチャネル内ソースとドレインとの間の駆動電流。ソースドレイン電極の間の外部電界によって電子の遷移速度を上げ、２次元電子ガスの中のプラズマ波を励起して電気エネルギーを２次元電子ガスの中のプラズマ波エネルギーに転換する。図３Ｂに示すように、２次元電子ガスメサ両端のソースＳ及びドレインＤが２次元電子ガスメサとオーミック接触を形成し、ソースとドレインとの間にソースドレイン電圧ＶＤＳを印加することで、２次元電子ガスメサ内にソース−ドレイン方向の駆動電流ＩＤ及びＩＳを発生させる。
【０１３７】
図１８は、グリッド電流励起の効率は、ソースドレイン電流励起の効率より遥かに高いことを示した。
【０１３８】
本発明において、２次元電子ガスメサは２次元電子ガス材料により形成される。
【０１３９】
一般的に、２次元電子ガス材料は、２次元電子ガスの２つの主要パラメータに基づいて選択される。１つは高電子移動度であり、移動度が高ければ高いほど、プラズマ波の減衰が小さくなり、放射効率が高くなり、最高作業温度も高くなる。室温移動度が２００００ ｃｍ２／Ｖｓレベルに達すると、室温でのテラヘルツ放射の実現が可能となる。室温移動度２００００ ｃｍ２／Ｖｓレベルである時の最高作業温度は、２００Ｋに近い。よって、移動度が本発明の重要パラメータであり、本発明の実施例において、好ましくは高電子移動度の２次元電子ガス材料を採用する。もう１つのパラメータが２次元電子ガス密度であり、密度が高くなると、周波数の高いテラヘルツ波を放射することができる。但し密度が低い場合に（例えば１０１１ｃｍ−２未満）、グレーチングのグリッド長さ（ソースドレイン方向に沿う寸法が長さで、ソースドレイン方向と垂直になる寸法が幅である。幅が増えると、放射パワーが線形的増加することが可能）を減らすことで、放射周波数を上げることができる。例えば、グレーチングのグリッド長さを１μｍ未満に制御する。ここで、１μｍとは例示的なものであり、本発明は、これに限定されない。よって、密度は、本発明の要求するキーパラメータではない。グレーチングと別々のグリッドを単独に設置する場合に、単独のグリッドの長さがプラズマ波モードを決定し、グレーチングの周期がテラヘルツ波モードとプラズマ波モードとの結合の最良周波数を決定する。実際のデバイスにおいて、グリッド電圧を調整することで共振を実現し、即ち最良、最密の結合を実現することができる。
【０１４０】
例示として、例えば２次元電子ガス材料は、テラヘルツ放射周波数の調節範囲を広くする高電子密度を有し、高電流担持の機能を有し、最高放射パワーを上げることのできる高電子移動度のＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合である。また、２次元電子ガス材料は、さらにほかの室温高電子移動度の２次元電子ガス材料を採用してもよく、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅまたはＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどのヘテロ接合を採用し、室温で作業できる固形テラヘルツ光源を実現できる。また、２次元電子ガス材料はグラフェンまたはＭｏＳ２、ＩｎＮなどを採用してもよい。上記の２次元電子ガス材料は例示的なものに過ぎず、本発明はこれに限定されない。
【０１４１】
２次元電子ガスの中のプラズマ波の分散関係は、下記の通りである。
【０１４２】
【数４】
2016536806.tif 000006
【０１４３】
ｆｐはプラズマ波の周波数（Ｈｚ）であり、ｎｓは２次元電子ガスの電子密度（ｍ−２）であり、ε０＝８．８５４×１０−１２Ｆ／ｍは真空の誘電率であり、ｍ＊は２次元電子ガスの電子の有効質量であり、ｍ０＝９．１１×１０−３１ｋｇは電子の静止質量であり、ｅ＝１．６０２×１０−１９クーロンは電子電荷であり、ｑ＝２π／λｐはプラズマ波の波数であり、λｐはプラズマ波の波長であり、εはグレーチング結合においての２次元電子ガスにある有効誘電率である。グレーチング結合においての２次元電子ガスの中に、グリッド内のローカルプラズマ波及び複数のグレーチング周期の領域に拡張する２次元プラズマ波を発生させることができ、即ちこの２種類の状況下のプラズマ波の波数が下記のように示される。
【０１４４】
【数５】
2016536806.tif 000007
【０１４５】
Ｗはグレーチングのグリッド長さであり、Ｌはグレーチングのグリッド周期である。グリッドを単独に設置する場合に、モードはグリッド長さＷのみによって決定される。グレーチングの周期Ｌは、Ｗによる周波数においてプラズマ波モードとキャビティモードとの密結合が実現できるかどうかを決定し、グリッド電圧によって電子ガス密度を調整し、プラズマ波モードとキャビティモードとの共振を実現することができる。
【０１４６】
プラズマ波周波数とテラヘルツ波キャビティモード周波数とが同じであり、且つキャビティモードがグレーチング結合による２次元電子ガスにおいて最強のテラヘルツ電界を有する場合に（図７に示すように）、プラズマ波モードとキャビティモードとの共振条件が満たされる。
【０１４７】
【数６】
2016536806.tif 000008
【０１４８】
図２に示すように、左側のほぼ垂直の直線は自由空間のテラヘルツ電磁波を表す。水平軸に平行する水平点線がテラヘルツ波キャビティモードＣ１−Ｃ８の周波数ｆ０（ｋ）、ｋ＝１，２，３，・・・８であり、水平軸と垂直になる垂直点線は、結合グレーチングによるグリッドにおいてのローカルプラズマ波モードの波数に対応する（ｑｍ＝ｍπ／Ｗ，ｍ＝１，２，３，・・・６、即ち該ローカルプラズマ波の周波数に対応する）。水平点線と垂直点線とが交差することで、キャビティモードとプラズマ波との共振ポイントが得られる。共振を実現するために、２次元電子ガス密度が上記の共振条件を満たすようにグリッド電圧を調整しなければならない。図２の傾斜する太字表示の点線の曲線が特定の電子密度（ｎｓ＝７．１×１０１２ｃｍ−２）においてのプラズマ波の分散関係に対応し、ペンタグラムは結合グレーチングによるプラズマ波モードを示し、中空のペンタグラムはテラヘルツ波モードと結合できるプラズマ波モードを示す。例えば図２において、プラズマ波モードｑ３がテラヘルツ波キャビティモードＣ５と共振することができる。よって、本発明のテラヘルツ光源はグリッド電圧を調整することで発光することができ、さらに一定の範囲で発光周波数を調整することができる。
【０１４９】
本発明の光源チップは、上記の共振条件を実現できるのみならず、テラヘルツ波キャビティモードとプラズマ波モードとの密結合も実現できる。単純に共振条件を実現する場合、プラズマ波からテラヘルツ波への転換及び放射はある程度発生できるが、効率が低い。主な原因として、プラズマ波のＱ値が低いからである。
【０１５０】
【数７】
2016536806.tif 000009
【０１５１】
本発明に記載のキャビティモードとプラズマ波モードとの密結合の条件を満たす時に、プラズモンポラリトンモードを発生させ、即ちテラヘルツ波キャビティモードでありながらプラズマ波モードでもある。該ポラロンモードは、結合共振子モデルで表すことができる。
【０１５２】
【数８】
2016536806.tif 000010
【０１５３】
ωｃ＝２πｆ０、ωｐ＝２πｆｐ、γｐ＝２πτ−１＝２πｆｐ／Ｑｐ、γｃ＝２πｆ０／Ｑｃ、ＱｃはキャビティのＱ値であり、Ｖは両者の間の結合強度である。両者が結合する時に高周波数と低周波数のポラロンモードを生じる。図２の実線の曲線がポラロンモードを示す。共振部において、両者の周波数差がＲａｂｉ振動周波数である。
【０１５４】
【数９】
2016536806.tif 000011
【０１５５】
結合強度が高ければ高いほど、両者の間の周波数差が大きくなり、周波数の調節範囲も大きくなる。
【０１５６】
したがって、本発明の実施方式によれば、テラヘルツ波キャビティモードとプラズマ波モードとの密結合後に発生するプラズモンポラリトンによって、プラズマ波からテラヘルツ波への効率的な転換を実現することができる。
【０１５７】
本発明の実施方式において、２次元電子ガス材料により形成された２次元電子ガスメサの下方のキャビティは、２次元電子ガス材料に対応する絶縁基板材料によって形成され、さらに鏡面仕上げの表面を有する。
【０１５８】
テラヘルツ波キャビティの基板材料を選択する時は、テラヘルツ波の吸収がなるべく小さく、同時に高電子移動度の２次元電子ガス材料の生成要求を満たすという要素を考慮する。即ち、高電子移動度を有するとともにテラヘルツ波のロスが低い。即ち、２次元電子ガス基板として適合でありながら、テラヘルツ波キャビティとしても適合する適合な２次元電子ガス基板材料を選択する。よって、両方面どちらも考慮する。サファイアは高抵抗率を有し、テラヘルツ波の吸収が小さいため、キャビティ材料として適用できる。選択可能な材料はさらに石英結晶、高抵抗率シリコン単結晶などを含む。厚さは目標テラヘルツ放射周波数により決定され、一般的には１０〜３００μｍ範囲で調整される。上記のサファイア、石英結晶、及び高抵抗率シリコン単結晶は例示的なものに過ぎず、本発明のキャビティ材料は上記の３種類に限らず、２次元電子ガス材料の基板に対応する材料で、テラヘルツ波の吸収率の低く、透過率の高い材料であればよい。
【０１５９】
図１４はキャビティの厚さによって発生する異なる密結合効果を示し、厚さが小さい場合、プラズモンとテラヘルツ波キャビティモードとの密結合効果が著しく、厚さが大きい場合、密結合効果が弱い。
【０１６０】
図１５はテラヘルツ波キャビティのキャビティ厚さ、グレーチング長さ、グリッド周期、グリッド間隔によって異なる放射スペクトルを形成することを示した。
【０１６１】
２次元電子ガス基板材料の底面は、鏡面の平滑さを有し、好ましくは２００ｎｍ以上の金属薄膜（例えばＡｕ薄膜、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜）またはほかの材料の全反射薄膜を全反射鏡として使用することによって、テラヘルツ光の高反射率を有し、またはほかの方法によって裏で全反射するという目的を達成する。
【０１６２】
裏全反射鏡はテラヘルツ波キャビティのＱ値を上げるキー要素の１つである。該反射鏡がなければ、キャビティ内のテラヘルツ波は底面から漏れるとともに、キャビティモードが前記モードと符合しなくなる。
【数１０】
2016536806.tif 000012
ではなく、
【数１１】
2016536806.tif 000013
となる。
【０１６３】
底面の全反射薄膜により、キャビティ内の底面におけるテラヘルツ電界強度がゼロになる。逆に、金属全反射薄膜がない場合に、該部分の電界が臨界点に近付き、テラヘルツ電界が外部に漏れる問題を生じる。
【０１６４】
２次元電子ガスと２次元電子ガスメサ表面との距離は２０〜５０ｎｍ範囲内であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されない。高電子移動度の２次元電子ガス材料の生成工程が保証される前提において、２次元電子ガスと２次元電子ガスメサ表面との距離が小さければ小さいほど、グレーチングによるテラヘルツ波キャビティモードとプラズモンとの結合に対する増幅作用が強くなる。
【０１６５】
本発明において、グリッド電圧によって電子ガス密度を調整し、及びグレーチングのグリッド長さを調整することでテラヘルツ光の放射周波数を制御することができるほかに、テラヘルツ波キャビティ長さを調整することでテラヘルツ光の放射周波数を制御することもできる。
【０１６６】
図１、図３Ａ及び図３Ｂに示されたグレーチング−キャビティ構造は、本発明のテラヘルツ光源の核心構造である。テラヘルツ波キャビティモードは、グレーチング結合の２次元電子ガスにおいて強電界を有する。グレーチング結合器により、テラヘルツ波キャビティモードが２次元電子ガス内のプラズマ波モードと効果的に結合し、グレーチングのグリッド辺縁に増幅するテラヘルツ電界が発生する。グリッド電圧の調整制御領域に、即ちグリッド下方の２次元電子ガス領域において、プラズマ波を生ずる。プラズマ波モードとテラヘルツ波キャビティモードとの密結合によって、グレーチング−キャビティ結合の２次元電子ガスシステム内においてプラズモンポラリトンを形成することで、プラズマ波からテラヘルツ波への効果的な転換が実現される。外部電気エネルギーからプラズマ波エネルギーへの転換は、ソースドレイン電流励起の方法またはグリッドから２次元電子ガスへのトンネル電流の励起方法を採用する。
【０１６７】
本発明において、微弱なエネルギー注入だけでプラズマ波を励起することができ、即ちゼロ励起エネルギーを有する。プラズモンポラリトンの電子工学励起を利用してテラヘルツ波放射を発生させることで、単独の電子の励起を回避し、注入エネルギーからテラヘルツ波への転換効率が向上する。
【０１６８】
プラズマ波モードとテラヘルツ波キャビティモードとが密結合状態にあるため、本実施方式のテラヘルツ光源のチップは少なくとも以下のメリットを有する。
【０１６９】
（１）プラズモンポラリトンの耐用年数はテラヘルツ波キャビティのＱ値の向上によって延ばされる。（２）プラズマ波からテラヘルツ波放射への転換率が高い。（３）注入電流からプラズマ波への転換率が高い。（４）テラヘルツ波キャビティによってテラヘルツ波放射周波数を効果的に調整できる。（５）２次元電子ガス密度によってテラヘルツ波放射周波数を効果的に調整できる。
【０１７０】
上記の第１テラヘルツ光源のチップをリードボンディング技術でチップ台及び／またはプリント回路基板（ＰＣＢ）に実装することで、テラヘルツ光源デバイスを形成することができる。キャビティから射出するテラヘルツ光をさらに効果的に収集するために、実装された光源デバイスを高伝導率の嫌気性銅導波管に集積すれば、テラヘルツ光源ユニットを形成することができる（図１１に示すように）。図１１において、図面符号１１０が嫌気性銅フレームを示し、光源チップ１２０がチップ台１４０に実装され、さらにＰＣＢ１５０に集積し、形成された光源デバイスが最終的に導波管のチャンバー１３０に集積される。
【０１７１】
以下、上記のテラヘルツ光源のチップ、光源デバイス、及び光源ユニットの製造方法を説明する。
【０１７２】
図４は、本実施方式１においてテラヘルツ光源のチップ（第１テラヘルツ光源のチップ）を製造するプロセスを示し、図５は本実施方式１においてテラヘルツ光源ユニットを製造するプロセスチャート例を示す。図４に示すように、図５を参照し、該方法は具体的に以下のステップを含む。
【０１７３】
Ｓ４１０、２次元電子ガスメサを形成する。
【０１７４】
まず、基板材料を有する２次元電子ガスチップをクリーニングする。２次元電子ガスチップの裏は基板材料であり、表は２次元電子ガス材料であり、２次元電子ガス材料は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などの技術によって基板材料に成形でき、原子スケールの平滑さを有する。
【０１７５】
それから、紫外線（ＵＶ）露光技術によって２次元電子ガスメサのパターンをチップに露光する。さらに誘導結合プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、イオンビーム型エッチング、または湿式化学エッチングを利用して２次元電子ガス材料をエッチングし、２次元電子ガスメサを形成する。
【０１７６】
Ｓ４２０、２次元電子ガスメサに２次元電子ガスからプラズマ波を励起するための電極及び金属結合グレーチングを形成する。
【０１７７】
プラズマ波を励起するための電極は、２次元電子ガスメサ１に形成され、２次元電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース及びドレインであってもよく、ソース、ドレインのうちの少なくとも片方及びグリッドであってもよい。該グリッドは金属結合グレーチングを使用してもよく、金属結合グレーチングと別々に設置された単独のグリッドであってもよい。以下、金属結合グレーチングをグリッドとする場合の例示的なプロセスについて説明する。グリッドを単独に形成する場合に、グレーチングのグリッドの形成に類似する工程を採用して２次元電子ガスメサにおいて金属結合グレーチング及びグリッドを別々に形成することができる。
【０１７８】
まず、２次元電子ガスメサにおいて２次元電子ガスメサとオーミック接触するソース及びドレインを形成し、ソース、ドレイン電極に対して特別な要求がなく、従来のオーミック接触工程で実現することができ、接触抵抗は、小さいほうが好ましい。例えば具体的には、紫外線露光技術によって２次元電子ガスメサにオーミック接触パターンを形成する。電子ビーム蒸着、熱蒸着、またはマグネトロンスパッタリングなどの工程を採用し、オーミック接触を形成するための積層金属構造を蒸着し、金属が剥がれた後、オーミック接触金属パターンを形成する。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ２次元電子ガス材料について、積層金属構造は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕを採用してもよい。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ２次元電子ガス材料について、積層金属構造は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／ＡｕＧｅを採用してもよい。ここで、積層金属構造の材料は、例示的なものに過ぎない。それから、高速アニーリングを経てオーミック接触を形成する。電子ビーム蒸着、熱蒸着、またはマグネトロンスパッタリングなどの工程を採用することで、Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉＣｒ／Ａｕを蒸着し、剥離後にオーミック接触の金属電極（ソース及びドレイン）構造を形成することができ、Ａｕがグレーチング、グリッドの主要材料であり、厚さが５０ｎｍ以上で、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ層は、Ａｕ層と２次元電子ガスメサまたは電極が位置する基板との間の粘着層であり、厚さが普通５０ｎｍ以下である。
【０１７９】
それから、２次元電子ガスメサにグリッドとしての金属結合グレーチングを形成する。例えば具体的には、紫外線露光工程、電子ビーム露光工程またはレーザー干渉露光工程などの類似の工程を採用して２次元電子ガスメサにおいてグレーチングパターンを形成することができる。電子ビーム蒸着、熱蒸着またはマグネトロンスパッタリング工程を採用することで、高導電率の金属（通常は金または金含有の合金、例えばＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉＣｒ／Ａｕなど）を蒸着し、金属グレーチング構造を形成する。
【０１８０】
グレーチング及びグリッドを形成した後、対応するリード電極を形成する。例えば、紫外線露光技術によってテラヘルツグレーチングのグリッドのリード電極、ソース、及びドレインのリード電極のパターンの移転を実現し、即ちパターンを２次元電子ガスメサに移転することができる。それから電子ビーム蒸着、熱蒸着またはマグネトロンスパッタリング工程を採用することで、Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、またはＮｉＣｒ／Ａｕなどを蒸着し、剥離後にグリッド、オーミック接触のリード電極を形成することができる。
【０１８１】
ステップＳ４３０、２次元電子ガス基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、テラヘルツ波キャビティを形成する。
【０１８２】
２次元電子ガス基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行うことで、２次元電子ガス基板は所定の厚さを得て、その裏面は鏡面の平滑さを有する。好ましくは、２次元電子ガス基板の底面に金薄膜またはほかの金属（合金を含む）薄膜を蒸着することで、裏面の全反射鏡としてテラヘルツ光の高反射率を得ることができる。例えば、電子ビーム蒸着、熱蒸着、またはマグネトロンスパッタリングなどの工程を採用することで、２次元電子ガスチップの裏に金属薄膜（例えばＡｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉＣｒ／Ａｕ）を蒸着し、テラヘルツ全反射鏡を形成することができる。全反射鏡の反射率が高ければ高いほど、全反射の効果がよくなる。
【０１８３】
上記のように高転換率のテラヘルツ光源のチップを形成する。
【０１８４】
また、２次元電子ガスメサを形成するステップにおいて、先に２次元電子ガス材料をテラヘルツ波キャビティ表面に移転し、それからキャビティ表面に２次元電子ガスメサを形成してもよい。
【０１８５】
バルク材に基づく２次元電子ガス基板によって、一回で複数のテラヘルツ光源のチップを形成した場合に、本方法は、さらに複数のテラヘルツ光源のチップを単独のテラヘルツ光源のチップに１つずつ分割するステップを含む。例えば、レーザー分離工程、レーザーカット工程または人工分離工程によって、複数のテラヘルツ光源のチップを単独のテラヘルツ光源のチップに１つずつ分割する。
【０１８６】
さらに、各独立のテラヘルツ光源のチップをリードボンディング技術でチップ台及び／またはＰＣＢに実装することで、テラヘルツ光源デバイスを形成することができる。さらに、キャビティから射出するテラヘルツ光をより効果的に収集するために、実装された光源デバイスを高伝導率の嫌気性銅導波管に集積すれば、テラヘルツ光源ユニットを形成することができる（図１１に示すように）。
【０１８７】
上記のステップに記載した具体的な工程は、例示的なものに過ぎず、本発明はこれに限定されない。各ステップが複数の工程を含む可能性があるため、各ステップの各工程はクロス進行になっており、上記の順番で行うとは限らない。当業者は本出願の記載によって、本出願が保護を請求する構造を製造した上で、各部材を形成する工程及び順番に対して様々な変形や変更を行うことができ、これらの変形や変更も本発明の保護範囲に含まれるべきである。
【０１８８】
実施方式２
【０１８９】
本実施方式は実施方式１に基づいてさらに改良を加え、もう１つのチップ（本実施方式では第２テラヘルツ光源のチップともいう）、対応する光源デバイス、光源ユニット及びその製造方法を提供し、テラヘルツ光のロスを抑えることで、テラヘルツ波キャビティのＱ値をさらに向上し、テラヘルツ波キャビティモードとプラズマ波モードとの結合強度を強化し、転換率を向上する。
【０１９０】
図６は、本実施方式によるテラヘルツ光源のチップの構造図である。図７は、グレーチング−キャビティの結合により生ずるプラズマ波モード及びテラヘルツ波キャビティモードの形式を示した図である。
【０１９１】
図６に示すように、本実施方式のテラヘルツ光源のチップは、２次元電子ガスメサ１と、２次元電子ガスメサ１に形成され、プラズマ波を励起するための電極（ソースＳ及びドレインＤ、ソース及びグリッド、ドレイン及びグリッド、またはソース、ドレイン及びグリッド三者）と、２次元電子ガスメサ１の下方に形成され、２次元電子ガス基板としてのテラヘルツ波キャビティ３と、２次元電子ガスメサの上方に形成され、テラヘルツ波キャビティモードと２次元電子ガス及びそのプラズマ波モードとを結合させるためのグレーチング２と、を含む。これらの構造は、実施方式１の光源チップの構造と同じであるため、ここでは説明を省略する。また、本実施方式２のテラヘルツ光源のチップは、金属結合グレーチングの上方に設置される誘電体キャビティプレート７と、テラヘルツ光放射９の射出面として、誘電体キャビティプレートの上方に設置される半透過または高反射率の反射鏡８と、をさらに含む。即ち、本実施方式の第２テラヘルツ光源のチップは実施方式１の第１テラヘルツ光源のチップの構造を含む以外に、さらに誘電体キャビティプレート７及び部分透過可能の反射鏡（例えば高反射鏡）８を含む。
【０１９２】
本実施方式において、誘電体キャビティプレートの材質が２次元電子ガスチップの基板材料と同じまたは類似しており（相応の誘電率またはテラヘルツ波の屈折率を有する）、厚さが同じまたは近い。誘電体キャビティプレートの上下表面は、鏡面の平滑さを有する。上表面に半透過または高反射率の金属薄膜がコーティングされ、テラヘルツ光放射の射出面である。第１テラヘルツ光源のチップと誘電体キャビティプレートはフリップチップ工程によって精密に集積され、両者の表面が互いに平行しており、高Ｑ値を有するテラヘルツファブリ−ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）キャビティ３’を形成する。図７に示すように、ファブリ−ペロキャビティを利用することで、限りある数量のテラヘルツ波キャビティモード、即ち定常波モードを形成することができ、図面に発生するテラヘルツ電界強度エンベロープ１１のように、該定常波モードが２次元電子ガス部分にアンチノードを形成する。さらに２次元電子ガス表面の金属グレーチング２によって近接場増幅を発生させることで、テラヘルツ波キャビティモードと２次元電子ガス内のプラズマ波６とが共振を生じ、プラズモンポラリトンを形成し、テラヘルツ光放射９を発生させる。
【０１９３】
もう１つの実施方式として、図６の誘電体キャビティプレート７と高反射鏡８との位置を置き換えてもよい。但しこの時、高反射鏡と底面の全反射鏡との間の距離が定常波の条件を満たし、且つ該定常波が２次元電子ガス部分にアンチノードを形成するように、グレーチングと高反射鏡との間の間隔も対応して調整しなければならない。
【０１９４】
誘電体キャビティプレート７と高反射鏡８とは球面構造または楕円面構造を採用してもよい。また、図６の構造に基づいて高反射鏡８と全反射鏡４とを非球面構造の反射鏡に取り替え、より安定性の高いテラヘルツ波キャビティを形成することが可能である。また、高反射鏡８と全反射鏡とを非対称構造の反射鏡に取り替え、不安定なテラヘルツ波キャビティを形成することも可能であり、大出力のテラヘルツ光源に適用できる。
【０１９５】
図７に示すように、テラヘルツ波キャビティモードは、グレーチング結合の２次元電子ガスにおいて強電界１０を有する。グレーチング結合器により、テラヘルツ波キャビティモードが２次元電子ガスと効果的に結合し、グレーチングのグリッド辺縁に増幅するテラヘルツ電界が発生する。グリッド電圧の調整制御領域に、即ちグレーチング電極下方の２次元電子ガス領域において、プラズマ波を生ずる。プラズマ波とテラヘルツ波キャビティモードとの密結合によって、グレーチング−キャビティ結合の２次元電子ガスシステム内においてプラズモンポラリトンを形成する。
【０１９６】
ソースドレイン電流またはグリッド−チャネル電流がプラズモンポラリトンを励起し、テラヘルツ波はキャビティプレートの上表面の高反射鏡によって、キャビティ外部に向けて放射される。
【０１９７】
上記の第２テラヘルツ光源のチップをリードボンディング技術でチップ台またはプリント回路基板（ＰＣＢ）に実装することで、テラヘルツ光源デバイスを形成することができる。キャビティから射出するテラヘルツ光をさらに効果的に収集するために、実装された光源デバイスを高伝導率の嫌気性銅導波管に集積すれば、テラヘルツ光源ユニットを形成することができる（図１１に示すように）。
【０１９８】
本実施方式による第２テラヘルツ光源のチップは、実施方式１の第１テラヘルツ光源のチップのメリットを有するだけでなく、さらに実施方式１と比べると、テラヘルツ波キャビティのＱ値が大幅に向上したため、テラヘルツ波キャビティモードとプラズマ波モードとの結合強度がさらに向上し、転換率が効果的に上げられた。同時に輝線の幅を低下させ、テラヘルツ光の単色性及びコヒーレンス特性を向上した。
【０１９９】
また、図６及び図７のテラヘルツ光源のチップの全反射鏡４を部分透過可能の反射鏡（例えば半透過または高反射鏡）に取り替え、部分透過可能の反射鏡８を全反射鏡に取り替えることができる。この時、発生するテラヘルツ波放射はキャビティプレート７の上方からではなく、キャビティ３の底部から射出される。
【０２００】
図８はグリット電圧及びソースドレイン電圧により制御される放射スペクトルを示した。図８によれば、同じグリット負電圧（−０．８Ｖ）において、ソースドレイン電圧が高ければ高いほど、放射スペクトルの放射周波数が高くなる。
【０２０１】
本発明の実施方式において、ファブリ−ペロキャビティは例示的なものに過ぎず、例えば共焦点テラヘルツ波キャビティなどの非平面のキャビティを採用してもよい。
【０２０２】
以下は、本実施方式によるテラヘルツ光源のチップ、光源デバイス、及び光源ユニットの製造方法を説明する。図９は本実施方式２による第２テラヘルツ光源チップを製造する簡単なフローチャートであり、図１０は本実施方式２によるテラヘルツ光源ユニットを製造するプロセスチャート例である。図９に示すように、図１０を参照し、該方法は以下のステップを含む。
【０２０３】
ステップＳ９１０〜Ｓ９３０、第１テラヘルツ光源チップを製造する。ステップＳ９１０〜Ｓ９３０は図４のステップＳ４１０〜Ｓ４３０と同じであるため、ここで説明を省略する。
【０２０４】
ステップＳ９４０、第１テラヘルツ光源チップにキャビティプレートを形成する。
【０２０５】
該ステップは具体的に、キャビティプレート材料をクリーニングするステップを含み、キャビティプレート材料は、例えばサファイアシート、高抵抗率シリコン単結晶シートまたは石英シートを採用するが、これに限定されない。化学機械バニシ仕上げ工程を採用することで、キャビティプレート材料を薄くし、両面バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得る。
【０２０６】
ステップＳ９４０、キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡（例えば、半透過反射鏡または高反射鏡）を形成する。
【０２０７】
例えば、電子ビーム蒸着、熱蒸着、またはマグネトロンスパッタリング工程を採用し、キャビティプレート材料の表でＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉＣｒ／Ａｕ薄膜を蒸着し、薄膜の厚さを制御することで部分透過可能の反射鏡面を形成する。また、キャビティプレートの裏で部分透過可能の反射鏡面を形成してもよい。但しこの時、高反射鏡と底面の全反射鏡との間の距離が定常波の条件を満たし、且つ該定常波が２次元電子ガス部分にアンチノードを形成するように、グレーチングと高反射鏡との間の間隔を対応して調整しなければならない。
【０２０８】
本発明の実施方式において、フリップチップ技術または金−金ボンディング技術を採用し、第１テラヘルツ光源チップとキャビティプレートとを位置合わせして一体的に集積することで、本実施方式の第２テラヘルツ光源チップを形成することができる。第１テラヘルツ光源チップと誘電体キャビティプレートとの集積を実現するために、キャビティプレート及び反射鏡を形成した後に、以下の操作を実行する。
【０２０９】
紫外線露光技術を採用し、キャビティプレート材料の裏でウェハ融着領域のパターン移転を実現し、即ちウェハ融着領域のパターンをキャビティプレート材料の裏に移転する。
【０２１０】
それから、電子ビーム蒸着、熱蒸着またはマグネトロンスパッタリング工程を採用し、キャビティプレート材料の裏でＴｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／ＡｕまたはＮｉＣｒ／Ａｕを蒸着し、ウェハ融着のための金属領域を形成する。
【０２１１】
バルク材のキャビティプレートを形成した場合に、２次元電子ガスチップとキャビティプレートと集積の前に、レーザー分離工程、レーザーカット工程または人工分離工程によって、キャビティプレート材料を単独のキャビティプレートに１つずつ分割する。
【０２１２】
上記の方法において、全反射鏡４を部分透過可能の反射鏡（例えば半透過または高反射鏡）に取り替え、部分透過可能の反射鏡８を全反射鏡に取り替えることができる。この時、発生するテラヘルツ波放射はキャビティプレート７の上方からではなく、キャビティ３の底部から射出される。
【０２１３】
キャビティプレートと第１テラヘルツ光源チップとを固定的に集積する（即ちテラヘルツ波キャビティ長さ固定）こと以外に、キャビティプレートと第１テラヘルツ光源チップとの間の距離が微調整できるように、本実施方式のテラヘルツ光源チップを設置することで、テラヘルツ波キャビティ３’の長さを調整し、テラヘルツ光の放射周波数を調整制御することができる。図１２は１つの実施方式によるキャビティ長さ調整装置を有するテラヘルツ光源デバイスの断面説明図である。該キャビティ長さ調整装置は、スプリング及びねじつがいによってキャビティ３とキャビティプレート７との距離を調整することで、テラヘルツ波キャビティ３’の長さを調整する。図１２において、該キャビティ長さ調整装置は第１テラヘルツ光源チップの位置を移動することでキャビティ長さを調整する。該キャビティ長さ調整装置は、底板１３ａ、側壁１３ｂ、及び頂板１３ｄを含むフレームと、前記第１テラヘルツ光源チップ構造の下方に設置され、第１テラヘルツ光源チップと固定する（またはキャビティ３と固定する）チップベース１４と、チップベース１４とフレームの底板１３ａの間に設置され、両端がそれぞれベース１４と底板１３ａに固定される２本のスプリング１５と、底板１３ａに設置される距離調整部材（例えばねじつがい）１６と、を含む。キャビティプレート７が頂板中央の開口に嵌められる。底板１３ａに設置されたねじつがい１６が底板１３ａを通って、チップベース１４と底板１３ａとの間のスプリング１５の作用力（例えば引張力）によってチップベース１４に付勢する（例えばチップベースに当接する）ことにより、ねじつがいを回してねじつがいを上下移動させることで底板１３ａとチップベース１４との間の距離を調整することができ、即ちキャビティとキャビティプレートとの間の距離を調整することで、キャビティの長さを調整することができる。
【０２１４】
図１３はもう１つの実施方式によるキャビティ長さ調整装置を有するテラヘルツ光源デバイスの断面説明図である。該実施方式において、キャビティ長さ調整装置は、キャビティプレートの位置を移動することでキャビティ長さを調整する。該キャビティ長さ調整装置は、頂板１３ａ’、側壁１３ｂ’、１３ｃ’及び底板１３ｄ’を含むフレームと、キャビティプレート７の上方に設置され、キャビティプレート７と固定するキャビティプレートベース１４’と、キャビティプレートベース１４’とフレームの頂板１３ａ’の間に設置され、両端がそれぞれベース１４’と頂板１３ａ’に固定される２本のスプリング１５’と、頂板１３ａ’に設置される距離調整部材（例えばねじつがい）１６’と、を含む。キャビティ３が底板１３ｄ’中央の開口に嵌められる。頂板１３ａ’に設置されたねじつがい１６’が頂板１３ａ’を通って、キャビティプレートベース１４’と頂板１３ａ’との間のスプリング１５’の引張力によってキャビティプレートベース１４’に付勢する（キャビティプレートベース１４’に当接する）ことにより、ねじつがい１６’を回してねじつがい１６’を上下移動させることで頂板１３ａ’とキャビティプレートベース１４’との間の距離を調整することができ、即ちキャビティ３とキャビティプレート７との間の距離を調整することで、キャビティの長さを調整することができる。本実施方式において、キャビティプレートベース１４’がキャビティプレート７の上方に設置され、テラヘルツ光放射９の射出に影響するため、本実施方式のテラヘルツ光源デバイスは、キャビティ下方からテラヘルツ光放射９を射出するように設置される。この時、キャビティ３の下方の全反射鏡を半透過反射鏡または高反射鏡に変更し、キャビティプレート７の上表面または下表面の半透過反射鏡を全反射鏡に変更する。
【０２１５】
上記のスプリング及びねじつがいによってキャビティ長さを調整する構造は例示的なものに過ぎず、当業者は本文の記述によってほかの代用案または変形を容易に思いつくことができる。
【０２１６】
上記の第２テラヘルツ光源のチップをリードボンディング技術でチップ台またはＰＣＢに実装することで、テラヘルツ光源デバイスを形成することができる。キャビティから射出するテラヘルツ光をより効果的に収集するために、実装された光源デバイスを高伝導率の嫌気性銅導波管に集積すれば、テラヘルツ光源ユニットを形成することができる（図１１に示すように）。
【０２１７】
（付記１）
テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、
前記電子ガスメサと、
電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源のチップ。
【０２１８】
（付記２）
前記テラヘルツ光源のチップは、前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートをさらに含む、ことを特徴とする付記１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２１９】
（付記３）
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成される、または、
前記テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される、ことを特徴とする付記２に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２０】
（付記４）
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする付記３に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２１】
（付記５）
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含み、
前記電極は、前記電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース、ドレイン、及びグリッドを含み、
前記グレーチングが前記グリッドとして形成され、または前記グリッドが単独に形成される、ことを特徴とする付記１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２２】
（付記６）
前記ソースと前記ドレインとの間に電子ガスの駆動電流を発生させることで、電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記ソースと前記ドレインとの間に電圧が印加される、ことを特徴とする付記５に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２３】
（付記７）
前記ソースと前記ドレインとの間に印加された電圧は調整可能である、ことを特徴とする付記６に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２４】
（付記８）
前記グリッドと電子ガスとの間にトンネル電流を発生させることで、前記電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記グリッドと前記電子ガスメサとの間に電位差が存在しており、且つ前記グリッドの電位が前記電子ガスの電位よりも低い、ことを特徴とする付記５に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２５】
（付記９）
前記電位差は、調整可能である、ことを特徴とする付記８に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２６】
（付記１０）
前記電子ガスメサは、電子ガス材料で形成される、ことを特徴とする付記１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２７】
（付記１１）
前記電子ガス材料は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ 、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、Ｓｉ／ＳｉＯ２、グラフェン及びＭｏＳ２、金剛石、単層、２層、３層のグラフェン、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ａｌ金属酸化膜半導体、シリコンナノワイヤ、ＧａＡｓナノワイヤ、ＩｎＧａＡｓナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛ナノワイヤ、ドープされたシリコンバルク材料、ドープされたＧａＡｓバルク材料、ドープされたＧａＮバルク材料、ドープされたＧｅバルク材料、ドープされたＩｎＧａＡｓバルク材料、ドープされたＩｎＰバルク材料、ドープされたＳｉＣバルク材料、ドープされた金剛石バルク材料、ドープされた酸化亜鉛バルク材料からなる群より選ばれる１種または複数種である、ことを特徴とする付記１０に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２８】
（付記１２）
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである、ことを特徴とする付記１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２２９】
（付記１３）
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含み、
テラヘルツ波キャビティの厚さが１０００μｍ未満である、ことを特徴とする付記１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３０】
（付記１４）
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造のうちの１種を有する、ことを特徴とする付記３に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３１】
（付記１５）
前記テラヘルツ光源のチップは、前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整するための調整装置をさらに含む、ことを特徴とする付記３に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３２】
（付記１６）
前記調整装置は、
底板、側壁、及び頂板を含むフレームと、
前記キャビティの下方に設置され、前記キャビティと固定するベースと、
前記ベースと前記フレームの前記底板の間に設置され、両端がそれぞれ前記ベースと前  記底板に固定される少なくとも１本のスプリングと、
底板に設置される距離調整部材と、を含み、
前記キャビティプレートが前記頂板中央の開口に嵌められ、底板に設置された距離調整部材が底板を通って、前記ベースと前記底板との間の前記スプリングの引張力によって前記ベースに付勢することにより、距離調整部材を上下移動させることで前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整することができる、ことを特徴とする付記１５に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３３】
（付記１７）
前記距離調整部材はねじつがいである、ことを特徴とする付記１６に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３４】
（付記１８）
テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、
前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートと、
前記キャビティプレートの上表面または下表面に形成される全反射鏡と、を含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源のチップ。
【０２３５】
（付記１９）
前記テラヘルツ光源のチップは、前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整するための調整装置をさらに含む、ことを特徴とする付記２０に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３６】
（付記２０）
前記調整装置は、
底板、側壁、及び頂板を含むフレームと、
前記キャビティプレートの上方に設置され、前記キャビティプレートと固定するベースと、
前記ベースと前記フレームの前記頂板の間に設置され、両端がそれぞれ前記ベースと前記頂板に固定される少なくとも１本のスプリングと、
頂板に設置される距離調整部材と、を含み、
前記キャビティが前記底板中央の開口に嵌められ、頂板に設置された距離調整部材が底板を通って、前記ベースと前記頂板との間の前記スプリングの引張力によって前記ベースに付勢することにより、距離調整部材を上下移動させることで前記キャビティプレートと前記キャビティとの間の距離を調整することができる、ことを特徴とする付記１９に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３７】
（付記２１）
前記距離調整部材はねじつがいである、ことを特徴とする付記２０に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【０２３８】
（付記２２）
テラヘルツ光源デバイスにおいて、
前記テラヘルツ光源デバイスは、チップ台またはプリント回路基板に実装された付記１〜２１の何れか１つに記載のテラヘルツ光源のチップを含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源デバイス。
【０２３９】
（付記２３）
テラヘルツ光源ユニットにおいて、
前記テラヘルツ光源ユニットは、導波管に集積された付記２２に記載のテラヘルツ光源デバイスを含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源ユニット。
【０２４０】
（付記２４）
テラヘルツ光源のチップの製造方法において、
電子ガス基板の上に電子ガスメサを形成するステップと、
前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、
前記電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、
前記テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、
前記電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、
薄くされ、バニシ仕上げを行った電子ガス基板の裏で全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【０２４１】
（付記２５）
前記方法は、
前記グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする付記２４に記載の方法。
【０２４２】
（付記２６）
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする付記２５に記載の方法。
【０２４３】
（付記２７）
テラヘルツ光源のチップを形成する方法において、
前記方法は、
下表面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を有するテラヘルツ波キャビティの上表面に、電子ガス材料を移転するステップと、
前記テラヘルツ波キャビティの上表面に電子ガスメサを形成するステップと、
前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【０２４４】
（付記２８）
前記金属結合グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする付記２７に記載の方法。
【０２４５】
（付記２９）
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする付記２８に記載の方法。
【０２４６】
（付記３０）
テラヘルツ光源のチップの製造方法において、
前記方法は、
２次元電子ガス基板の上に２次元電子ガスメサを形成するステップと、
前記２次元電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及び金属結合グレーチングを形成するステップと、
前記２次元電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、
前記テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、
前記２次元電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、
薄くされ、バニシ仕上げを行った２次元電子ガス基板の裏で部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、
上表面または下表面に全反射鏡が形成されているキャビティプレートを、前記金属結合グレーチングの上方に集積するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【０２４７】
（付記３１）
テラヘルツ光源デバイスの製造方法において、
前記方法は、付記２４〜３０の何れか１つに記載の方法で製造したテラヘルツ光源のチップをチップ台またはプリント回路基板に実装することで、前記テラヘルツ光源デバイスを形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
【０２４８】
（付記３２）
テラヘルツ光源ユニットを形成する方法において、
前記方法は、付記３１に記載の方法で形成したテラヘルツ光源デバイスをテラヘルツ導波管と集積することで、テラヘルツ光源ユニットを形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
【０２４９】
（付記３３）
プラズモンの励起方法において、
電子ガスにトンネル電子を注入する、ことを特徴とする方法。
【０２５０】
（付記３４）
電極と電子ガスチャネルの間の電位差を印加することでトンネル電子を注入する、ことを特徴とする付記３３に記載のプラズモンの励起方法。
【０２５１】
（付記３５）
前記電極がグリッドである、ことを特徴とする付記３４に記載のプラズモンの励起方法。
【０２５２】
（付記３６）
プラズモンの励起装置において、
前記プラズモンの励起装置は、
電極と、
電子ガスチャンネルと、
前記電極と前記電子ガスチャンネルとの間のバリア層と、を含み、
前記電極と前記電子ガスチャネルとの間に電位差が存在し、前記電極の電位が前記電子ガスチャネルの電位よりも低い、ことを特徴とするプラズモンの励起装置。
【０２５３】
（付記３７）
前記電極がグリッドである、ことを特徴とする付記３６に記載のプラズモンの励起装置。
【０２５４】
（付記３８）
前記バリア層は半導体材料、真空層、または量子井戸型材料である、ことを特徴とする付記３６に記載のプラズモンの励起装置。
【０２５５】
（付記３９）
前記電位差は、電極に負電圧、正電圧、またはゼロ電圧を印加することで形成する、ことを特徴とする付記３６に記載のプラズモンの励起装置。
【０２５６】
（付記４０）
テラヘルツ波密結合装置において、
前記テラヘルツ波密結合装置は、グレーチング及びテラヘルツ波キャビティを含み、前記グレーチングが前記テラヘルツ波キャビティの上方に設置される、ことを特徴とするテラヘルツ波密結合装置。
【０２５７】
（付記４１）
前記テラヘルツ波キャビティの厚さが、１０００μｍ未満である、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２５８】
（付記４２）
前記グレーチングの間隔距離が、５０μｍ未満である、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２５９】
（付記４３）
電子ガスチャネルと前記グレーチングとの間隔が、１ｎｍ〜１００ｎｍに調整されている、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６０】
（付記４４）
前記グレーチングの長さが、５０μｍ未満である、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６１】
（付記４５）
前記グレーチングの周期が、１０μｍ未満である、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６２】
（付記４６）
前記テラヘルツ波キャビティは、プレート状キャビティまたは曲面状キャビティである、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６３】
（付記４７）
前記テラヘルツ波キャビティの材料は、サファイア、石英結晶、高抵抗率シリコン単結晶のからなる群より選ばれる１種または複数種である、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６４】
（付記４８）
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されている、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６５】
（付記４９）
前記テラヘルツ波密結合装置は、前記グレーチングの上方に設置され、テラヘルツ波キャビティとそれぞれグレーチングの両側に位置するキャビティプレートをさらに含む、ことを特徴とする付記４０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６６】
（付記５０）
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成され、または、
前記テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される、ことを特徴とする付記４９に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６７】
（付記５１）
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする付記５０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【０２６８】
（付記５２）
前記全反射鏡及び部分透過可能の反射鏡は、球面構造、楕円面構造、非球面構造、非対称構造からなる群より選ばれる１種を有する、ことを特徴とする付記５０に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【図１】
2016536806.tif 000014
【図２】
2016536806.tif 000015
【図３Ａ】
2016536806.tif 000016
【図３Ｂ】
2016536806.tif 000017
【図４】
2016536806.tif 000018
【図５】
2016536806.tif 000019
【図６】
2016536806.tif 000020
【図７】
2016536806.tif 000021
【図８】
2016536806.tif 000022
【図９】
2016536806.tif 000023
【図１０】
2016536806.tif 000024
【図１１】
2016536806.tif 000025
【図１２】
2016536806.tif 000026
【図１３】
2016536806.tif 000027
【図１４】
2016536806.tif 000028
【図１５】
2016536806.tif 000029
【図１６】
2016536806.tif 000030
【図１７】
2016536806.tif 000031
【図１８】
2016536806.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月14日(2016.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に全反射鏡または部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、を含み、
前記テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートをさらに含み、または、
前記電極は、前記電子ガスメサとオーミック接触を形成するソース、ドレイン、及びグリッドを含み、前記グレーチングが前記グリッドとして形成され、若しくは前記グリッドが単独に形成され、または、
テラヘルツ波キャビティの厚さが１０００μｍ未満である、
ことを特徴とするテラヘルツ光源のチップ。
【請求項２】
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成される、または、
前記テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項３】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項４】
前記グリッドと電子ガスとの間にトンネル電流を発生させることで、前記電子ガスの中でプラズマ波を励起するために、前記グリッドと前記電子ガスメサとの間に電位差が存在しており、且つ前記グリッドの電位が前記電子ガスの電位よりも低い、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項５】
前記電子ガス材料は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ 、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＩｎＮ、Ｓｉ／ＳｉＯ２、グラフェン及びＭｏＳ２、金剛石、単層、２層、３層のグラフェン、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ａｌ金属酸化膜半導体、シリコンナノワイヤ、ＧａＡｓナノワイヤ、ＩｎＧａＡｓナノワイヤ、ＧａＮナノワイヤ、カーボンナノチューブ、酸化亜鉛ナノワイヤ、ドープされたシリコンバルク材料、ドープされたＧａＡｓバルク材料、ドープされたＧａＮバルク材料、ドープされたＧｅバルク材料、ドープされたＩｎＧａＡｓバルク材料、ドープされたＩｎＰバルク材料、ドープされたＳｉＣバルク材料、ドープされた金剛石バルク材料、ドープされた酸化亜鉛バルク材料からなる群より選ばれる１種または複数種である、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項６】
前記テラヘルツ光源のチップは、前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整するための調整装置をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項７】
前記調整装置は、
底板、側壁、及び頂板を含むフレームと、
前記キャビティの下方に設置され、前記キャビティと固定するベースと、
前記ベースと前記フレームの前記底板の間に設置され、両端がそれぞれ前記ベースと前記底板に固定される少なくとも１本のスプリングと、
底板に設置される距離調整部材と、を含み、
前記キャビティプレートが前記頂板中央の開口に嵌められ、底板に設置された距離調整部材が底板を通って、前記ベースと前記底板との間の前記スプリングの引張力によって前記ベースに付勢することにより、距離調整部材を上下移動させることで前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整することができる、ことを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項８】
テラヘルツ光源のチップにおいて、
前記テラヘルツ光源のチップは、
電子ガスメサと、
前記電子ガスメサに形成される電極と、
前記電子ガスメサの下方に形成され、底面に部分透過可能の反射鏡が設置されているテラヘルツ波キャビティと、
前記電子ガスメサに形成されるグレーチングと、
前記グレーチングの上方に設置されるキャビティプレートと、
前記キャビティプレートの上表面または下表面に形成される全反射鏡と、を含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源のチップ。
【請求項９】
前記テラヘルツ光源のチップは、前記キャビティと前記キャビティプレートとの間の距離を調整するための調整装置をさらに含む、ことを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ光源のチップ。
【請求項１０】
テラヘルツ光源デバイスにおいて、
前記テラヘルツ光源デバイスは、チップ台またはプリント回路基板に実装された請求項１に記載のテラヘルツ光源のチップを含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源デバイス。
【請求項１１】
テラヘルツ光源ユニットにおいて、
前記テラヘルツ光源ユニットは、導波管に集積された請求項１０に記載のテラヘルツ光源デバイスを含む、ことを特徴とするテラヘルツ光源ユニット。
【請求項１２】
テラヘルツ光源のチップの製造方法において、
電子ガス基板の上に電子ガスメサを形成するステップと、
前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、
前記電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、
前記テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、
前記電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、
薄くされ、バニシ仕上げを行った電子ガス基板の裏で全反射鏡または部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記方法は、
前記グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
テラヘルツ光源のチップを形成する方法において、
前記方法は、
テラヘルツ波キャビティの上表面に、電子ガス材料を移転するステップと、
前記テラヘルツ波キャビティの上表面に電子ガスメサを形成するステップと、
前記電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及びグレーチングを形成するステップと、
前記グレーチングの上方に平行してキャビティプレートを集積し、テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡を形成し、または、テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡を設置し、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡を形成するステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
テラヘルツ光源のチップの製造方法において、
前記方法は、
２次元電子ガス基板の上に２次元電子ガスメサを形成するステップと、
前記２次元電子ガスメサにプラズマ波を励起するための電極及び金属結合グレーチングを形成するステップと、
前記２次元電子ガス基板に基づいてテラヘルツ波キャビティを形成するステップと、を含み、
前記テラヘルツ波キャビティを形成するステップは、
前記２次元電子ガス基板の裏で基板を薄くし、バニシ仕上げ処理を行い、所定のキャビティ厚さ及び鏡面の平滑さを得るステップと、
薄くされ、バニシ仕上げを行った２次元電子ガス基板の裏で部分透過可能の反射鏡を形成するステップと、
上表面または下表面に全反射鏡が形成されているキャビティプレートを、前記金属結合グレーチングの上方に集積するステップと、を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
電極と電子ガスチャネルの間の電位差を印加することで電子ガスにトンネル電子を注入し、前記電極がグリッドである、ことを特徴とするプラズモンの励起方法。
【請求項１９】
プラズモンの励起装置において、
前記プラズモンの励起装置は、
電極と、
電子ガスチャンネルと、
前記電極と前記電子ガスチャンネルとの間のバリア層と、を含み、
前記電極と前記電子ガスチャネルとの間に電位差が存在し、前記電極の電位が前記電子ガスチャネルの電位よりも低い、ことを特徴とするプラズモンの励起装置。
【請求項２０】
前記電極がグリッドである、ことを特徴とする請求項１９に記載のプラズモンの励起装置。
【請求項２１】
前記バリア層は半導体材料、真空層、または量子井戸型材料である、ことを特徴とする請求項１９に記載のプラズモンの励起装置。
【請求項２２】
テラヘルツ波密結合装置において、
グレーチング及びテラヘルツ波キャビティを含み、前記グレーチングが前記テラヘルツ波キャビティの上方に設置され、前記テラヘルツ波キャビティの厚さが、１０００μｍ未満である、ことを特徴とするテラヘルツ波密結合装置。
【請求項２３】
電子ガスチャネルと前記グレーチングとの間隔が、１ｎｍ〜１００ｎｍに調整されている、ことを特徴とする請求項２２に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項２４】
前記グレーチングの周期が、１０μｍ未満である、ことを特徴とする請求項２２に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項２５】
前記テラヘルツ波密結合装置は、前記グレーチングの上方に設置され、テラヘルツ波キャビティとそれぞれグレーチングの両側に位置するキャビティプレートをさらに含む、ことを特徴とする請求項２２に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項２６】
前記テラヘルツ波キャビティの底面に全反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に部分透過可能の反射鏡が形成され、または、
前記テラヘルツ波キャビティの底面に部分透過可能の反射鏡が設置され、前記キャビティプレートの上表面または下表面に全反射鏡が形成される、ことを特徴とする請求項２５に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【請求項２７】
前記部分透過可能の反射鏡と前記全反射鏡との間の距離は定常波の条件を満たし、且つ前記定常波が電子ガス部分にアンチノードを形成する、ことを特徴とする請求項２５に記載のテラヘルツ波密結合装置。
【国際調査報告】
2016536806.tif 000033
2016536806.tif 000034
2016536806.tif 000035
2016536806.tif 000036
2016536806.tif 000037
2016536806.tif 000038