特許 6281868 フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体および高周波金属配線回路、電子部品、および送信器、受信器および近接無線通信システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6281868

(24)【登録日】2018年2月2日

(45)【発行日】2018年2月21日

(54)【発明の名称】フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体および高周波金属配線回路、電子部品、および送信器、受信器および近接無線通信システム

(51)【国際特許分類】

   H01Q 17/00 20060101AFI20180208BHJP

   H01Q 15/14 20060101ALI20180208BHJP

   G02B 1/02 20060101ALI20180208BHJP

   H05K 9/00 20060101ALI20180208BHJP

【ＦＩ】

   H01Q17/00

   H01Q15/14 B

   G02B1/02

   H05K9/00 M

【請求項の数】24

【全頁数】44

(21)【出願番号】特願2014-28821(P2014-28821)

(22)【出願日】2014年2月18日

(65)【公開番号】特開2014-197838(P2014-197838A)

(43)【公開日】2014年10月16日

【審査請求日】2016年11月29日

(31)【優先権主張番号】特願2013-46780(P2013-46780)

(32)【優先日】2013年3月8日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４、２５年度、総務省、ＩＣＴイノベーション創出型研究開発事業「極低消費電力テラヘルツ波無線通信に向けた集積回路基盤技術の研究開発」に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100133514

【弁理士】

【氏名又は名称】寺山 啓進

(74)【代理人】

【識別番号】100122910

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 広之

(72)【発明者】

【氏名】冨士田 誠之

(72)【発明者】

【氏名】永妻 忠夫

(72)【発明者】

【氏名】垣見 亮磨

(72)【発明者】

【氏名】大西 大

(72)【発明者】

【氏名】宮井 英次

【審査官】 橘 均憲

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０２２２６５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０１４７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０８３６９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２２８２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１０７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−３１１９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Mingbo Pu, et al.，Engineering heavily doped silicon for broadband absorber in the terahertz regime，OPTICS EXPRESS，米国，Optical Society of America，２０１２年１１月 ５日，Vol.20, No.23，pages 25513-25519

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ １／００−２５／０４

Ｇ０２Ｂ ５／００

Ｇ０２Ｂ ６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体材料からなる２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のバンド端における電磁波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内で共振させることで、外部から入射された電磁波を捕獲可能な共振状態形成用格子点と
を備え、
前記２次元フォトニック結晶スラブは、不純物ドーピングされ、捕獲された前記電磁波を前記バンド端の共振周波数において吸収可能であり、
前記２次元フォトニック結晶スラブの表面の前記不純物ドーピングのレベルを、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記表面以外の部分の前記不純物ドーピングのレベルよりも高くすることを特徴とするフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項2】

前記共振状態形成用格子点は、前記２次元フォトニック結晶スラブの主面に対して上下対称の貫通孔を備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項3】

前記共振状態形成用格子点は、前記２次元フォトニック結晶スラブの主面に対して上下非対称の非貫通孔を備えることを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項4】

前記非貫通孔の深さを調整することでテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値を低減化して、透過率の周波数特性を広帯域化したことを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項5】

前記２次元フォトニック結晶スラブの厚さを調整して、前記非貫通孔の深さを調整したことを特徴とする請求項４に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項6】

偶モード共振周波数と奇モード共振周波数からなる２つの隣り合う共振周波数の共振点を近付けて、透過率の周波数特性を広帯域化したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項7】

前記共振状態形成用格子点の格子定数を一定にして、前記共振状態形成用格子点の直径を調整することで前記２つの隣り合う共振周波数の共振点を近付けたことを特徴とする請求項６に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項8】

前記２次元フォトニック結晶スラブに対する不純物ドーピングレベルを、前記２次元フォトニック結晶スラブの吸収率が最大となる屈折率虚部の値に対応するキャリア密度に設定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項9】

前記共振状態形成用格子点の格子定数は、媒質内波長に等しく、波長に応じてスケーリング可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項10】

前記２次元フォトニック結晶スラブの厚さは、媒質内波長の１／５以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項11】

前記半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系、ＳｉＣ、ダイヤモンドの内、いずれかを適用可能であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項12】

前記共振状態形成用格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項13】

前記共振状態形成用格子点は、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点におけるテラヘルツ波を前記フォトニック結晶スラブ面内で共振可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項14】

前記共振状態形成用格子点は、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつ前記フォトニック結晶層のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点におけるテラヘルツ波を前記フォトニック結晶スラブ面内で共振可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項15】

前記共振状態形成用格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項16】

前記２次元フォトニック結晶スラブの裏面に平行に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブを透過した電磁波を反射する反射鏡を備え、
反射された電磁波は、前記２次元フォトニック結晶スラブの裏面に入射可能であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項17】

前記反射鏡は、金属板、金属薄膜を形成した基板、誘電体多層膜、フォトニック結晶のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１６に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項18】

前記２次元フォトニック結晶スラブと前記反射鏡は、離隔して配置されることを特徴とする請求項１６または１７に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項19】

前記２次元フォトニック結晶スラブと前記反射鏡との間の離隔距離は、電磁波の波長に対して、波長／４プラスマイナス波長／８に等しいことを特徴とする請求項１８に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体。

【請求項20】

請求項１〜１９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を備えることを特徴とする高周波金属配線回路。

【請求項21】

請求項１〜１９のいずれか１項に記載のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を備えることを特徴とする電子部品。

【請求項22】

請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体と、
前記第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を貫通して配置された送信用アンテナと
を備えることを特徴とする送信器。

【請求項23】

請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体と、
前記第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を貫通して配置された受信用アンテナと
を備えることを特徴とする受信器。

【請求項24】

請求項２２に記載の送信器と、
請求項２３に記載の受信器と
を備え、前記送信器と前記受信器は、互いに対向して配置されることを特徴とする近接無線通信システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体および高周波金属配線回路、電子部品、および送信器、受信器および近接無線通信システムに関し、特に、捕獲・吸収効果の高く、加工が容易な薄型・平面型のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体およびそのフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した高周波金属配線回路、電子部品、および送信器、受信器および近接無線通信システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電波と光波の中間の周波数に位置するテラヘルツ波帯（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）では、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用などの研究が活発化しており、その産業化が期待されている。しかし、現状では、テラヘルツ波システムは、大型、立体構造の部品で構成されているため、大型かつ高価である。システム全体を小型化するためには、デバイスを集積化したテラヘルツ波集積回路の実現が不可欠である。

【0003】

テラヘルツ波集積回路の基盤技術としては、光波領域と電波領域、双方の技術の利用が考えられる。しかし、レンズやミラーなどの光学部品は大型、かつ立体構造であり、集積化には向かない。また、電波領域で使われる中空金属導波管は、微細な立体構造のため、作成が困難となる。さらに、平面金属伝送路は、金属の吸収の影響が大きくなるため、導波損失が大きくなる。

【0004】

テラヘルツ波集積回路の基盤技術として、光波領域では進展の著しい２次元フォトニック結晶（２Ｄ ＰＣ：Two Dimensional Photonic Crystal）スラブの適用が検討されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。

【0005】

一方、２次元フォトニック結晶のフォトニックバンド端での面内共振効果を利用することで、２次元フォトニック結晶スラブは、外部から入射するテラヘルツ波を捕獲可能であることも実証されている（例えば、非特許文献４参照。）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】石垣司、冨士田誠之、および永妻忠夫, “テラヘルツ波集積回路に向けたフォトニック結晶スラブの検討”, 2012年電子情報通信学会総合大会, 岡山, no. C-14-19, 2012. (2012/3/21)

【非特許文献2】ツカサ・イシガキ、マサユキ・フジタ、マサヤ・ナガイ、マサアキ・アシダ、およびタダオ・ナガツマ（Tsukasa Ishigaki, Masayuki Fujita, Masaya Nagai, Masakaki Ashida and Tadao Nagatsuma）著, “テラヘルツ波集積回路用フォトニック結晶スラブ（Photonic-Crystal Slab for Terahertz-Wave Integrated Circuits）”, IEEE Photonics Conference 2012 (IPC2012), Burlingame, no. ThJ3, Sep. 27th, pp. 774-775, 2012.

【非特許文献3】永妻忠夫、冨士田誠之、向井俊和、鶴田一魁、および大西大，“共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ無線技術の現状と展望”, NICT 講演会テラヘルツ波の産業応用の可能性(東京)(2013/1/16).

【非特許文献4】リョーマ・カキミ、マサユキ・フジタ、マサヤ・ナガイ、マサアキ・アシダ、およびタダオ・ナガツマ（Ryoma Kakimi, Masayuki Fujita, Masaya Nagai, Masaaki Ashida and Tadao Nagatsuma）著, “フォトニック結晶スラブにおけるテラヘルツ波の捕獲（Trapping a Ｔerahertz Wave in a Photonic-Crystal Slab）”, IEEE Photonics Conference 2012 (IPC2012), Burlingame, no. WQ5, Sep. 26th, pp. 562-563, 2012.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

テラヘルツ波の実用化には、各種部品やデバイスの開発が必要である。特に、テラヘルツ波システムを安定的に動作させるためには、テラヘルツ波の多重反射や干渉を低減するためのテラヘルツ波吸収体が必要である。スマートでコンパクトなテラヘルツ波システムを実現するためには、薄型・平面型テラヘルツ波吸収体が不可欠である。

【0008】

基板上の金属パターンを用いる電磁的メタマテリアル（Electromagnetic metamaterials）もテラヘルツ波吸収体の候補として広く研究されている。しかしながら、電磁的メタマテリアル構造は、波長よりも小さな寸法を有する複雑で微細な構造を形成するため、製造が容易ではない。

【0009】

本発明者らは、フォトニック結晶スラブを構成するフォトニック結晶基板に適度なキャリア密度のドーピングを行うことで、吸収効果を導入可能であることを見出した。

【0010】

本発明の目的は、捕獲・吸収効果の高く、加工が容易な薄型・平面型のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体およびそのフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した高周波金属配線回路、電子部品を提供することにある。

【0011】

また、本発明の目的は、フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に反射鏡を導入し、反射鏡とフォトニック結晶との距離を調整することにより、吸収率および吸収帯域の増大が可能なフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を提供することにある。

【0012】

また、本発明の目的は、反射鏡を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器、受信器および近接無線通信システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の一態様によれば、半導体材料からなる２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のバンド端における電磁波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内で共振させることで、外部から入射された電磁波を捕獲可能な共振状態形成用格子点とを備え、前記２次元フォトニック結晶スラブは、不純物ドーピングされ、捕獲された前記電磁波をバンド端の共振周波数において吸収可能であり、前記２次元フォトニック結晶スラブの表面の前記不純物ドーピングのレベルを、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記表面以外の部分の前記不純物ドーピングのレベルよりも高くするフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体が提供される。

【0014】

本発明の他の態様によれば、上記のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した電子部品が提供される。

【0015】

本発明の他の態様によれば、上記のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を備える高周波金属配線回路が提供される。

【0016】

本発明の他の態様によれば、前記２次元フォトニック結晶スラブの裏面に平行に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブを透過した電磁波を反射する反射鏡を備え、反射された電磁波は、前記２次元フォトニック結晶スラブの裏面に入射可能であるフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体が提供される。

【0017】

本発明の他の態様によれば、上記の反射鏡を備える第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体と、前記第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を貫通して配置された送信用アンテナとを備える送信器が提供される。

【0018】

本発明の他の態様によれば、上記の反射鏡を備える第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体と、前記第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を貫通して配置された受信用アンテナとを備える受信器が提供される。

【0019】

本発明の他の態様によれば、上記の送信器と、上記の受信器とを備え、前記送信器と前記受信器は、互いに対向して配置される近接無線通信システムが提供される。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、捕獲・吸収効果の高く、加工が容易な薄型・平面型のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体およびそのフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した高周波金属配線回路、電子部品を提供することができる。

【0021】

また、本発明によれば、フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に反射鏡を導入し、反射鏡とフォトニック結晶との距離を調整することにより、吸収率および吸収帯域の増大が可能なフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を提供することができる。

【0022】

また、本発明によれば、反射鏡を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器、受信器および近接無線通信システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】（ａ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰図、（ｂ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の別の模式的鳥瞰図。

【図2】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体における捕獲・吸収効果を説明する模式図。

【図3】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能なフォトニック結晶スラブのバンド端効果の説明図であって、透過率と周波数との関係（バンド端共振周波数の表示例）。

【図4】（ａ）比較例に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合の説明図、（ｂ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合の説明図。

【図5】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の捕獲効果の実証実験系（テラヘルツ時間領域分光システム（ＴＨｚＴＤＳ：THz time-domain spectroscopy））の模式図（詳細構成は図４３参照）。

【図6】テラヘルツ時間領域分光システムの入射波に用いるテラヘルツ波の電界時間波形の例。

【図7】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合の透過電界の時間波形例。

【図8】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、透過電界の時間波形上の窓関数Ｗの説明図。

【図9】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、透過電界の時間波形上を時間的にシフトする窓関数Ｗの説明図。

【図10】シリコンウェハ上に作製した第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の表面写真例と１チップ部分の拡大された表面写真例。

【図11】透過電界の時間波形の比較であって、（ａ）入射テラヘルツ波自身の電界時間波形（サンプル無しのリファレンス）、（ｂ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合。

【図12】捕獲効果（時間領域）とバンド端効果（周波数領域）を同時に観測するＴＨｚＴＤＳのスペクトログラムの比較であって、（ａ）入射テラヘルツ波自身のスペクトログラム（サンプル無しのリファレンス）、（ｂ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合。

【図13】（ａ）フォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点に貫通孔を有し、かつフォトニック結晶スラブに不純物ドーピングを実施したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰図、（ｂ）フォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点に貫通孔を有し、かつフォトニック結晶スラブに不純物ドーピング（Ｎ〜１０¹²ｃｍ^-3）を実施した第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰図、（ｃ）フォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点に貫通孔を有し、かつフォトニック結晶スラブに不純物ドーピング（Ｎ〜１０¹⁵ｃｍ^-3）を実施した第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰図。

【図14】スペクトログラムの比較であって、（ａ）図１３（ｂ）に対応する場合、（ｂ）図１３（ｃ）に対応する場合。

【図15】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、（ａ）フォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図１５（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（共振状態形成用格子点に貫通孔を有する例）。

【図16】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能なフォトニック結晶スラブの吸収率の周波数特性例（ＴＨｚＴＤＳ測定結果とシミュレーション結果の比較）。

【図17】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、捕獲効果のＱ値を下げて広帯域化を図るための第１の方法の説明図であって、（ａ）共振状態形成用格子点に貫通孔を有するフォトニック結晶スラブの実施例、（ｂ）共振状態形成用格子点に非貫通孔を有するフォトニック結晶スラブの実施例。

【図18】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図るための第２の方法の説明図（透過率の周波数特性例）。

【図19】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図るのに適した図１８の曲線Ｐ（透過率の周波数特性例）。

【図20】フォトニック結晶スラブの面内に主として電界成分を有する偶（even）モードと面内に主として磁界成分を有する奇（odd）モードの２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図る説明図。

【図21】フォトニック結晶スラブの面内に主として電界成分を有する偶モードの説明図であって、（ａ）共振状態形成用格子点における共振方向（破線矢印方向）の模式図、（ｂ）共振状態形成用格子点における電界分布（破線）および磁界分布（実線）の模式図。

【図22】フォトニック結晶スラブの面内に主として磁界成分を有する奇モードの説明図であって、（ａ）共振状態形成用格子点における共振方向（実線矢印方向）の模式図、（ｂ）共振状態形成用格子点における電界分布（破線）および磁界分布（実線）の模式図。

【図23】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能なフォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点の断面の模式図であり、（ａ）深さＨ₁（８０％）の例、（ｂ）深さＨ₂（９０％）の例、（c）深さＨ₃（１００％）の例。

【図24】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体における透過率の周波数特性例（Ａ：深さＨ₃（１００％）の例、Ｂ：深さＨ₂（９０％）の例、Ｃ：深さＨ₁（８０％）の例）。

【図25】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能なフォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点の断面の模式図であり、（ａ）直径Ｄ₁（＝０．３ａ）の例、（ｂ）直径Ｄ₂（＝０．３５ａ）の例、（c）直径Ｄ₃（＝０．４０ａ）の例。

【図26】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体における透過率の周波数特性例（Ｓ：直径Ｄ₁（＝０．３ａ）の例、Ｔ：直径Ｄ₂（＝０．３５ａ）の例、Ｕ：直径Ｄ₃（＝０．４０ａ）の例）。

【図27】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体における透過率の周波数特性例（Ｊ：図１５の貫通孔を有する例、Ｋ：非対称構造の非貫通孔を有する例、Ｌ：共振点を近付けて広帯域化を図った例）。

【図28】（ａ）捕獲効果と整合がとれた材料吸収を導入するためにキャリア密度を変化させたフォトニック結晶スラブを有する第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰構成図、（ｂ）シミュレーションで材料の誘電率虚部を最適化し、ドルーデモデル（Drude Model）を用いて得られた吸収率（％）とキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）の関係。

【図29】作製した第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体のサンプル表面の光学顕微鏡写真例。

【図30】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰構成に対応した表面電子顕微鏡写真例および端面電子顕微鏡写真例。

【図31】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において得られた吸収率、透過率、反射率の割合（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係。

【図32】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、捕獲効果を得るために波長に応じてスケーリングし、他の周波数帯域への拡張可能性を説明する模式的鳥瞰構成であって、（ａ）電波を対象とした例、（ｂ）テラヘルツ帯を対象とした例、（ｃ）光波領域を対象とした例。

【図33】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、吸収効果を得るためにドーピングされるキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係のドルーデモデルを用いて得られた理論解析結果。

【図34】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、吸収効果を得るためにドーピングされるキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）と消衰係数κとの関係のドルーデモデルを用いて得られた理論解析結果。

【図35】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、（ａ）入射波に対する反射率ＲＥおよび透過率ＴＲの割合（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）の関係（キャリア吸収効果の無い場合）、（ｂ）入射波に対する反射率ＲＥ、透過率ＴＲ、および吸収率ＡＢの割合（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）の関係（フォトニック結晶スラブ材料に不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入した場合）。

【図36】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体における捕獲効果とキャリア吸収効果を説明する模式的鳥瞰図であって、（ａ）バルク結晶基板（ＰＣ構造なし）にテラヘルツ波を入射する比較例、（ｂ）フォトニック結晶スラブ１２にテラヘルツ波を入射する実施例、（ｃ）バルク結晶基板（ＰＣ構造なし）にテラヘルツ波を入射した場合（捕獲効果なし：キャリア吸収効果なし）、（ｄ）フォトニック結晶スラブにテラヘルツ波を入射した場合（捕獲効果有り：キャリア吸収効果なし）、（ｅ）不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入したバルク結晶基板（ＰＣ構造なし）にテラヘルツ波を入射した場合（捕獲効果なし：キャリア吸収効果有り）、（ｆ）不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入したフォトニック結晶スラブにテラヘルツ波を入射した場合（捕獲効果有り：キャリア吸収効果有り）。

【図37】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、最適な吸収効果を得るための説明図であって、（ａ）消衰係数κ＝０．００１の場合の吸収率ＡＢ（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係、（ｂ）消衰係数κ＝０．０１の場合の吸収率ＡＢ（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係、（ｃ）消衰係数κ＝０．１の場合の吸収率ＡＢ（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係。

【図38】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、吸収率ＡＢ（％）と屈折率虚部（消衰係数κ）との関係の理論解析結果。

【図39】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、高吸収率化および広帯域化を実現する方法の説明図であって、（ａ）共振状態形成用格子点に上下対称の貫通孔を備えるフォトニック結晶スラブの吸収スペクトルの模式図、（ｂ）共振状態形成用格子点に上下非対称の非貫通孔を備え、かつ孔の直径を大きくしてフォトニック結晶の共振のＱ値を下げたフォトニック結晶スラブの吸収スペクトルの模式図、（ｃ）さらに、フォトニック結晶スラブの厚さｄ、共振状態形成用格子点の周期（格子定数ａ）、孔の直径Ｄ、孔の深さＨを総合的に調節して隣り合う共振点を近付けたフォトニック結晶スラブの吸収スペクトルの模式図。

【図40】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、他の周波数帯域への展開方法を説明する図であって、キャリア密度Ｎをパラメータとする消衰係数κと周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係の理論解析結果。

【図41】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、他の周波数帯域への展開方法を説明する図であって、（ａ）フォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図４１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図（共振状態形成用格子点に非貫通孔を有する例）。

【図42】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、他の周波数帯域への展開方法を説明する図であって、格子定数a（μｍ）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係の理論解析結果。

【図43】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の評価システム構成であって、テラヘルツ時間領域分光システム（ＴＨｚＴＤＳ）の模式的ブロック構成図。

【図44】（ａ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した高周波金属配線回路の模式的鳥瞰構成図、（ｂ）第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体上に高周波金属配線回路を配置した積層構造の模式的断面構造図。

【図45】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）共振状態形成用格子点の周期構造であって、正方格子の配置例、（ｂ）図４５（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。

【図46】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）共振状態形成用格子点の周期構造であって、三角格子の配置例、（ｂ）図４６（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。

【図47】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）共振状態形成用格子点の周期構造であって、長方格子の配置例、（ｂ）図４７（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。

【図48】第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）共振状態形成用格子点の周期構造であって、菱型格子の配置例、（ｂ）図４８（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。

【図49】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体であって、２次元フォトニック結晶スラブの裏側に反射鏡を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体における捕獲・吸収効果を説明する模式図。

【図50】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体であって、２次元フォトニック結晶スラブの裏側に反射鏡を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の模式的鳥瞰構成および表面電子顕微鏡写真例および端面電子顕微鏡写真例。

【図51】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、２次元フォトニック結晶スラブの裏側に反射鏡を導入した結果、フォトニック結晶由来の面内共振モード（偶モード，奇モード）に加え、反射鏡とフォトニック結晶に由来する第３のファブリーペロー共振モードが導入され、吸収スペクトルの変化する様子を説明する図であって、（ａ）初期状態のスペクトル強度分布、（ｂ）共振状態形成用格子点の孔の径寸法を最適化した状態のスペクトル強度分布、（ｃ）さらに、２次元フォトニック結晶スラブの厚さを最適化した状態のスペクトル強度分布、（ｄ）さらに、フォトニック結晶スラブの裏側に反射鏡を導入した結果のスペクトル強度分布。

【図52】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、２次元フォトニック結晶スラブの裏側に導入した反射鏡とフォトニック結晶との離隔距離Ｓと周波数ｆとの関係における吸収率のシミュレーション結果（ｆe:偶モード、ｆo:奇モード、ｆm:ファブリペローモード）。

【図53】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、捕獲効果（時間領域）とバンド端効果（周波数領域）を同時に観測するＴＨｚＴＤＳのスペクトログラムの比較であって、（ａ）フォトニック結晶がなく、吸収が無い高抵抗スラブの例、（ｂ）フォトニック結晶を有し、吸収が無い高抵抗スラブの例、（ｃ）フォトニック結晶および反射鏡を有し、吸収が無い高抵抗スラブの例、（ｄ）フォトニック結晶がなく、吸収がある低抵抗スラブの例、（ｅ）フォトニック結晶を有し、吸収がある低抵抗スラブの例、（ｆ）フォトニック結晶および反射鏡を有し、吸収がある低抵抗スラブの例。

【図54】吸収率と周波数ｆとの関係であって、（ａ）比較例としてフォトニック結晶がないスラブの場合、（ｂ）比較例として２次元フォトニック結晶スラブの場合、（ｃ）第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の場合。

【図55】（ａ）比較例としての送信器と受信器間の近接無線通信システムの模式的鳥瞰構成図、（ｂ）第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器と受信器間の近接無線通信システムの模式的鳥瞰構成図。

【図56】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器と受信器間の近接無線通信システムの模式的ブロック構成図。

【図57】第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器と受信器の間のアンテナ間隔ＳＡＮに対するビット誤り率の関係（Ａ:比較例として送受信用アンテナと金属の筐体（反射鏡）のみの場合、Ｂ：送受信用アンテナと金属の筐体（反射鏡）＋フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体の構成の場合）。

【発明を実施するための形態】

【0024】

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0025】

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【0026】

[第１の実施の形態]
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の模式的鳥瞰構造は、図１（ａ）に示すように表され、別の模式的鳥瞰構造は、図１（ｂ）に示すように表される。

【0027】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、半導体材料からなる２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のバンド端における電磁波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内で共振させることで、外部から入射された電磁波を捕獲可能な共振状態形成用格子点１２Ａとを備える。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２は、不純物ドーピングされ、捕獲された電磁波をバンド端共振周波数において吸収可能である。

【0028】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、共振状態形成用格子点１２Ａは、図１（ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の主面に対して上下対称の貫通孔を備えていても良い。

【0029】

また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、共振状態形成用格子点１２Ａは、図１（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の主面に対して上下非対称の非貫通孔を備えていても良い。

【0030】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、２次元フォトニック結晶スラブ１２は所定の不純物密度でドーピングされ、捕獲された電磁波を２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内で共振させる共振周波数において吸収可能である。フォトニック結晶スラブ１２によって捕獲された電磁波が、半導体中の自由キャリア吸収と効果的に相互作用し、吸収率が高めることができ、キャリア密度を最適化すれば、吸収率を最大化することができる。

【0031】

また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の共振状態形成用格子点１２Ａは、波長と同程度の周期構造を備えるため、２次元フォトニック結晶スラブ１２に対して入射された電磁波は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内において、大面積の共振を起こす。

【0032】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、単純な構造を備えるため、作製が容易である。

【0033】

また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、波長の１／５以下の厚さに形成可能であり、平面型・薄型化が可能である。

【0034】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、電波、テラヘルツ波、光波など、さまざまな電磁波吸収体として適用可能である。作製上、共振状態形成用格子点１２Ａの格子定数ａを波長と同程度に設定すれば良く、波長に応じたスケーリング則を適用可能である。以下では、主としてテラヘルツ波帯域について説明する。

【0035】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、フォトニック結晶スラブ１２の材料として、単一材料、若しくは複数の材料を組み合わせて、キャリア密度によって物性制御が可能な半導体材料を用いる。

【0036】

半導体材料としては、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系、ＳｉＣ、ダイヤモンドなどを適用可能である。

【0037】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、特に、Ｓｉをフォトニック結晶スラブ１２の材料として適用し、ドーピングされる不純物密度を制御することによって、テラヘルツ波の材料吸収が可能となることが実証されている。

【0038】

２次元フォトニック結晶スラブに対するドーピング不純物としては、一般的な材料、例えば、Ｓｉでは、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂなど、ＧａＡｓでは、Ｚｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｅなど、ＩｎＰでは、Ｚｎ、Ｓなど、ＧａＮでは、Ｍｇ、Ｓｉなど、ＳｉＣでは、Ｎ、Ａｌ、Ｂなど、ダイヤモンドでは、Ｐ、Ｂなどが適用可能である。

【0039】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、適切な吸収率が得られるようにキャリア密度を調整すれば良く、上記に限らず、フォトニック結晶スラブ材料およびドーピング不純物を選択可能である。

【0040】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、２次元フォトニック結晶スラブの基板面直方向の不純物密度分布は、２次元フォトニック結晶スラブの基板全体に均一であっても、あるいはイオン注入技術や拡散技術を用いて、ドーピング領域を基板表面部分や所定の深さ領域に形成しても良い。

【0041】

２次元フォトニック結晶スラブの基板表面近傍にドーピング層を設ける構造は、表面に電界分布が強い電磁界分布をもつ奇モードで吸収効果が得られるため、適用可能である。表面のドーピング量を高くすることで、表面のみを金属的にすることで、干渉効果により、内部のフォトニック結晶層での吸収を強くすることも可能である。

【0042】

すなわち、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、２次元フォトニック結晶スラブのドーピング濃度を構造内で変化させる（表面を高ドープで金属的、その他は適切な吸収量、もしくは徐々に断熱的にドーピングを変化させることで余計な反射を低減するなど）構造も適用可能である。

【0043】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、例えば、空気孔として形成しても良く、或いは屈折率の異なる半導体層で充填しても良い。例えば、ＧａＡｓ層に対してＡｌＧａＡｓ層を充填して形成しても良い。

【0044】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、空気の孔を空けるだけでなく、孔（の一部）を低屈折率（誘電率）の媒質で埋める構造も適用可能である。低屈折率（誘電率）の媒質としては、例えば、テフロン、フッ素樹脂、ポリイミド、アクリル、ポリエステル、エポキシ樹脂、液晶、ポリウレタンなどのポリマー材料を適用可能である。さらに、低屈折率（誘電率）の媒質としては、例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、アルミナ、サファイアなどの誘電体も適用可能である。さらに、低屈折率（誘電率）の媒質としては、エアロゲルなどの多孔質体も適用可能である。

【0045】

（捕獲・吸収の相乗効果）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１における捕獲・吸収の相乗効果を説明する模式図は、図２に示すように表される。

【0046】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に入射された電磁波Ｉ_Iは、フォトニック結晶スラブ１２の面内で共振され、捕獲される。このため、反射される電磁波Ｉ_Rは極めて少ない。さらに、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に入射された電磁波Ｉ_Iは、フォトニック結晶スラブ１２の材料によって、吸収されるため、透過される電磁波Ｉ_Tも極めて少ない。すなわち、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、捕獲＋吸収の相乗効果によって、吸収性能を増大可能である。

【0047】

（フォトニック結晶スラブのバンド端効果）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に適用可能なフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造において、傾きが０となる部分をバンド端と呼ぶ。バンド端においては、電磁波の群速度が０となり、定在波が形成されるため、フォトニック結晶が電磁波の共振器として機能する。共振状態形成用格子点１２Ａの周期構造とバンド構造については、後述する（図４５〜図４８参照）。

【0048】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に適用可能なフォトニック結晶スラブ１２のバンド端効果の説明図であって、透過率（％）と周波数f(ＴＨｚ)との関係は、図３に示すように表される。図３において、破線の丸印で示された部分に対応する周波数がバンド端共振周波数を示す。バンド端においては、電磁波の媒質内波長が、共振状態形成用格子点１２Ａの構造の周期と等しくなる。このため、フォトニック結晶スラブ１２の面内で定在波が発生し、フォトニック結晶スラブ１２の面外のモードと結合可能となる。このため、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に入射された電磁波Ｉ_Iは、フォトニック結晶スラブ１２の面内で共振され、捕獲される。

【0049】

（フォトニック結晶による電磁波の捕獲）
比較例に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１ａにテラヘルツ波が入射した場合の説明図は、図４（ａ）に示すように表される。一方、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１にテラヘルツ波が入射した場合の説明図は、図４（ｂ）に示すように表される。

【0050】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、共振状態形成用格子点１２Ａを有するフォトニック結晶スラブ１２に入射したテラヘルツ波が、フォトニック結晶スラブ１２の面内共振モードに結合されて、テラヘルツ波を捕獲することができる。

【0051】

一方、バルク結晶基板１２Ｂ（ＰＣ構造なし）にテラヘルツ波が入射した場合には、バルク結晶基板１２Ｂ（ＰＣ構造なし）で捕獲されることなく、反射若しくは透過される。

【0052】

（捕獲効果の実証実験）
ターゲット周波数を０．３ＴＨｚとして第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１のサンプルを作製した。また、リファレンスとして、バルク結晶基板１２Ｂ（ＰＣ構造なし）のサンプルも作製した。

【0053】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の捕獲効果の実証実験系（テラヘルツ時間領域分光システム（ＴＨｚＴＤＳ：THz time-domain spectroscopy））の模式図（詳細構成は図４３）は、図５に示すように表される。ここで、サンプルの無い状態でのテラヘルツ波の波形を基準データ（Reference: リファレンス）とする。

【0054】

ＴＨｚＴＤＳを用いて、サンプル／リファレンスに対する入射電磁波Ｉ_Iおよび透過電磁波Ｉ_Tを観測することによって、捕獲効果（時間領域）とバンド端効果（周波数領域）を同時に観測することができる。

【0055】

ＴＨｚＴＤＳにおいて、リファレンスの透過電界の時間波形を観測した結果は、図６に示すように表され、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波を入射して透過電界の時間波形を観測した結果は、図７に示すように表される。

【0056】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、透過電界波形上の窓関数Ｗは図８に示すように表され、透過電界波形上を時間的にシフトする窓関数Ｗは図９に示すように表される。時間的にシフトする窓関数Ｗを用いて、得られた時間波形をフーリエ解析し、透過スペクトログラムを得ることができる。

【0057】

ここで、電磁場解析の一手法である有限差分時間領域法（時間領域差分法）（ＦＤＴＤ：Finite-difference time-domain method）と厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis）を用いることによって、共振周波数とテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cを評価している。

【0058】

（捕獲効果の実証実験結果）
シリコンウェハ上に作製した第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の光学顕微鏡表面写真例およびその拡大写真例は、図１０に示すように表される。

【0059】

入射させたテラヘルツ波自身のスペクトログラム（リファレンス）・フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合の透過電界波形（図６・図７に対応）は、図１１（ａ）・図１１（ｂ）に示すように比較される。

【0060】

入射させたテラヘルツ波自身のスペクトログラム（リファレンス）・フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体にテラヘルツ波が入射した場合のＴＨｚＴＤＳのスペクトログラムは、図１２（ａ）・図１２（ｂ）に示すように比較される。図１２（ａ）・図１２（ｂ）に示すように、ＴＨｚＴＤＳにおいては、捕獲効果（時間領域）とバンド端効果（周波数領域）を同時に観測可能である。図１２（ａ）・図１２（ｂ）は、それぞれ図１１（ａ）・（ｂ）に対応している。

【0061】

バンド端共振周波数（０．３ＴＨｚ）で捕獲された成分は遅れて透過する。すなわち、リファレンスに比較してフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１では、図１２（ａ）・図１２（ｂ）に示すように、バンド端共振周波数（０．３ＴＨｚ）近傍において、捕獲効果（時間領域）による時間遅延成分が観測される。

【0062】

フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１がテラヘルツ電磁波を捕獲している時間（共振ライフタイム）τ_rは、透過電界強度が１／ｅとなるまでの時間で定義される。実験により得られた共振ライフタイムτ_rは、約３０ｐｓｅｃである。このときのテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ（Quality Factor）値Ｑ_cは、約６０である。

【0063】

（吸収効果の導入）
２次元フォトニック結晶スラブ１２に不純物をドーピングすることによって、バンド端共振周波数において、捕獲されたテラヘルツ波の吸収効果を導入可能である。

【0064】

共振状態形成用格子点１２Ａに貫通孔を有し、かつフォトニック結晶スラブ１２Ｄに不純物ドーピングを実施したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の模式的鳥瞰構成は、図１３（ａ）に示すように表される。

【0065】

また、共振状態形成用格子点１２Ａに貫通孔を有し、かつフォトニック結晶スラブ１２Ｄ₁に不純物ドーピング（Ｎ〜１０¹²ｃｍ^-3）を実施したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の模式的鳥瞰構成は、図１３（ｂ）に示すように表される。また、共振状態形成用格子点１２Ａに貫通孔を有し、かつフォトニック結晶スラブ１２Ｄ₂に不純物ドーピング（Ｎ〜１０¹⁵ｃｍ^-3）を実施したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の模式的鳥瞰構成は、図１３（ｃ）に示すように表される。

【0066】

図１３（ｂ）・図１３（ｃ）に示されたフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に０．３ＴＨｚの連続波のテラヘルツ電磁波Ｉ_Iを入射した場合のＴＨｚＴＤＳのスペクトログラムは、図１４（ａ）・図１４（ｂ）に示すように比較される。

【0067】

相対的に低キャリア密度に不純物ドーピング（Ｎ〜１０¹²ｃｍ^-3）された図１３（ｂ）・図１４（ａ）に示されたサンプル例では、共振ライフタイムτ_rは、約３０ｐｓｅｃであり、このときのテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cは、約６０である。一方、相対的に高キャリア密度に不純物ドーピング（Ｎ〜１０¹⁵ｃｍ^-3）された図１３（ｃ）・図１４（ｂ）に示されたサンプル例では、共振ライフタイムτ_rは、約１０ｐｓｅｃであり、このときのテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cは、約２０である。共振ライフタイムτ_rは、約３０ｐｓｅｃから約１０ｐｓｅｃに減少し、テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cも約６０から約２０に減少している。

【0068】

以上の結果より、２次元フォトニック結晶スラブ１２に不純物をドーピングすることによって、バンド端共振周波数において、捕獲されたテラヘルツ波が材料に吸収される吸収効果を導入可能である。

【0069】

（吸収スペクトル）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、フォトニック結晶スラブの共振状態形成用格子点１２Ａの模式的平面パターン構成例は、図１５（ａ）に示すように表され、図１５（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１５（ｂ）に示すように表される。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示された例は、共振状態形成用格子点１２Ａに貫通孔を有する例に対応している。ここで、フォトニック結晶スラブの基板の抵抗率は、約１０オームｃｍ、不純物ドーピングによるキャリア密度は、約１．２×１０¹⁵(ｃｍ^-3)である。また、周期（格子定数ａ）は、４５０μｍ、共振状態形成用格子点１２Ａの直径Ｄは０．６ａ＝２７０μｍ、フォトニック結晶スラブ１２の厚さＴＨ（共振状態形成用格子点１２Ａの深さｄに等しい）は、２００μｍである。

【0070】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に適用可能なフォトニック結晶スラブの吸収率の周波数特性例（ＴＨｚＴＤＳ測定結果とシミュレーション結果の比較）は、図１６に示すように表される。第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体では、図１６に示すように、周波数ｆが０．３０ＴＨｚ近傍で吸収率（％）のピークが得られており、バンド端共振周波数における捕獲・吸収効果の原理検証はなされている。

【0071】

（広帯域化：第１の方法）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、広帯域化を図るための第１の方法は、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように表される。すなわち、第１の方法は、テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cを下げて広帯域化を図る方法である。

【0072】

共振状態形成用格子点１２Ａにフォトニック結晶スラブ１２の主面に対して上下対称の貫通孔を有するフォトニック結晶スラブ１２は、図１７（ａ）に示すように表され、上下非対称の非貫通孔を有するフォトニック結晶スラブは、図１７（ｂ）に示すように表される。

【0073】

テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cを下げて広帯域化を図るためには、共振状態形成用格子点１２Ａに非対称構造を導入することが効果的である。

【0074】

（広帯域化：第２の方法）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、広帯域化を図るための第２の方法は、２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図る方法である。

【0075】

尚、２つの隣り合う共振点を近付けるだけでなく、一致させても良い。

【0076】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、それぞれ異なる共振状態形成用格子点１２Ａの孔形状を有する場合の透過率（％）の周波数ｆ（ＴＨｚ）特性が、曲線Ｐ、Ｑ、Ｒに対応している。

【0077】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図るのに適した図１８の曲線Ｐの拡大図（透過率の周波数特性例）は、図１９に示すように表される。２つの隣り合う共振点（バンド端共振周波数近傍）においては、図１９に示すように、透過率がほぼゼロまで低下している（逆に吸収率が上昇する）。したがって、２つの隣り合う共振点を近付けることによって、吸収率の曲線を重ね合わせることができるため、広帯域化を図ることができる。

【0078】

（共振点の種類）
フォトニック結晶スラブの面内に主として電界成分を有する偶（even）モードと面内に主として磁界成分を有する奇（odd）モードの２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図るための説明図は、図２０に示すように表される。透過率Ｔの周波数ｆ特性上、２つの隣り合う共振周波数は、偶モードの共振周波数ｆ_eと奇モードの共振周波数ｆ_oで表すことができる。このため、偶モードと奇モードを近付けることによって、２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図ることが可能である。

【0079】

フォトニック結晶スラブの面内に主として電界成分を有する偶モードの説明図であって、共振状態形成用格子点１２Ａにおける共振方向（破線矢印方向）の模式図は、図２１（ａ）に示すように表され、共振状態形成用格子点１２Ａにおける電界分布（破線）および磁界分布（実線）の模式図は、図２１（ｂ）に示すように表される。

【0080】

一方、フォトニック結晶スラブの面内に主として磁界成分を有する奇モードの説明図であって、共振状態形成用格子点１２Ａにおける共振方向（実線矢印方向）の模式図は、図２２（ａ）に示すように表され、共振状態形成用格子点１２Ａにおける電界分布（破線）および磁界分布（実線）の模式図は、図２２（ｂ）に示すように表される。

【0081】

２つの隣り合う共振点を近付けて広帯域化を図るパラメータには、フォトニック結晶スラブ１２の厚さＴＨ、共振状態形成用格子点１２Ａの周期ａ・孔径（孔の直径Ｄ）・孔の深さｄがあり、これらのパラメータを総合的に調節することによって、２つの隣り合う共振点を近付けることができる。

【0082】

（テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cの低減化：非対称（非貫通孔）構造）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に適用可能なフォトニック結晶スラブ１２の共振状態形成用格子点１２Ａの断面の模式図であり、深さｄ₁（８０％）の例は図２３（ａ）に示すように表され、深さｄ₂（９０％）の例は図２３（ｂ）に示すように表され、深さｄ₃（１００％）の例は図２３（ｃ）に示すように表される。

【0083】

また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１における透過率（％）の周波数特性例は、図２４に示すように表される。図２４において、曲線Ａは、図２３（ａ）に示された共振状態形成用格子点１２Ａが深さｄ₃（１００％）を有する例、曲線Ｂは、図２３（ｂ）に示された共振状態形成用格子点１２Ａが深さｄ₂（９０％）を有する例、曲線Ｃは、図２３（ｃ）に示された共振状態形成用格子点１２Ａが深さｄ₁（８０％）を有する例に対応する。また、曲線Ａ上の点Ａ₁・Ａ₂は、２つの隣り合う偶モード共振点・奇モード共振点を表す。同様に、曲線Ｂ上の点Ｂ₁・Ｂ₂は、２つの隣り合う偶モード共振点・奇モード共振点を表し、曲線Ｃ上の点Ｃ₁・Ｃ₂は、２つの隣り合う偶モード共振点・奇モード共振点を表す。

【0084】

図２３および図２４に示すように、非対称（非貫通孔）構造を導入することによって、矢印ＡＰ₃およびＡＰ₁に示すように、偶モード共振点は、シフト方向Ａ₁→Ｂ₁→Ｃ₁に示すように、相対的に大きく低周波数側にシフトしている。一方、奇モード共振点は、シフト方向Ａ₂→Ｂ₂→Ｃ₂に示すように、シフト量は相対的に小さい。

【0085】

図２３および図２４に示すように、非対称（非貫通孔）構造を導入することによって、偶モードのテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cを低減することができ、結果として吸収率の周波数特性上、広帯域化を図ることができる。

【0086】

（共振点を近付けるための孔の直径Ｄの調整）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に適用可能なフォトニック結晶スラブ１２の共振状態形成用格子点１２Ａの断面の模式図であり、直径Ｄ₁（＝０．３ａ）を有する例は図２５（ａ）に示すように表され、直径Ｄ₂（＝０．３５ａ）を有する例は図２５（ｂ）に示すように表され、直径Ｄ₃（＝０．４０ａ）を有する例は図２５（ｃ）に示すように表される。ここで、ａは共振状態形成用格子点１２Ａの周期（格子定数）である。

【0087】

また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１における透過率（％）の周波数特性例は、図２６に示すように表される。図２６において、曲線Ｓは、図２５（ａ）に示された共振状態形成用格子点１２Ａが直径Ｄ₁（＝０．３ａ）を有する例、曲線Ｔは、図２５（ｂ）に示された共振状態形成用格子点１２Ａが直径Ｄ₂（＝０．３５ａ）を有する例、曲線Ｕは、図２５（ｃ）に示された共振状態形成用格子点１２Ａが直径Ｄ₃（＝０．４０ａ）を有する例に対応する。

【0088】

図２５および図２６に示すように、共振状態形成用格子点１２Ａの直径Ｄを調整して、Ｄ₁→Ｄ₂→Ｄ₃と相対的に大きく設定することによって、曲線Ｓ→Ｔ→Ｕに示されるように、偶モード共振点と奇モード共振点の２つの共振点を相対的に近付けることができ、結果として吸収率の周波数特性上、広帯域化を図ることができる。

【0089】

（テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cの低減化および共振点を近付けるための孔の直径Ｄの調整構造）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１における透過率の周波数特性例は、図２７に示すように表される。

【0090】

図２７において、曲線Ｊは、図１５に示された貫通孔を有する例に対応する。

【0091】

一方、曲線Ｋは、共振状態形成用格子点１２Ａの孔の深さＨを調整して非対称構造の非貫通孔を導入することで、テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cの低減化により広帯域化を図った例である。

【0092】

さらに、曲線Ｌは、共振状態形成用格子点１２Ａの孔の直径Ｄを調整して２つの隣接する共振点を近付けて、広帯域化を図った例である。

【0093】

図２７において、矢印ＪＰ₃は、曲線Ｊ→曲線Ｋへのシフトを表し、矢印ＪＰ₂は、曲線Ｋ→曲線Ｌへのシフトを表す。

【0094】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、曲線Ｊ→曲線Ｋへのシフトによって、相対的に低周波側にピークシフトが見られるが、テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cの低減化により、広帯域化を図ると共に吸収率を相対的に高くすることができる。

【0095】

また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、曲線Ｋ→曲線Ｌへのシフトによって、相対的に高周波側にピークシフトが見られ、２つの隣接する共振点を近付けて、広帯域化を図ることによって、広帯域で相対的に高い吸収率を得ることができる。特に、曲線Ｌでは、約０．３１ＴＨｚ−約０．３３ＴＨｚの広い帯域幅ｆｗにおいて、約９０％以上の高い吸収率が得られている。

【0096】

（材料吸収の最適化）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、フォトニック結晶スラブ１２の材料基板に適切なドーズ量の不純物をドーピングすることによって、材料吸収の最適化、キャリア密度の最適化を図ることができる。

【0097】

捕獲効果と整合がとれた材料吸収を導入するためにキャリア密度を変化させたフォトニック結晶スラブ１２Ｄを有する第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の模式的鳥瞰構成は、図２８（ａ）に示すように表され、シミュレーションで材料の誘電率虚部を最適化し、ドルーデモデル（Drude Model）を用いて得られた吸収率（％）とキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）との関係は、図２８（ｂ）に示すように表される。図２８（ｂ）は、キャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）からドルーデモデルによって算出した複素誘電率を用い、周波数０．３ＴＨｚで共振効果を持つフォトニック結晶の吸収率のシミュレーションを行った結果である。

【0098】

図２８（ｂ）に示すように、キャリア密度Ｎが約２×１０¹⁵ｃｍ^-3で吸収率が最大となった。この条件では、材料の吸収効果(intrinsic material absorption)で決まるＱ値Ｑ_aと、フォトニック結晶スラブ１２Ｄの構造のテラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cの整合がとれ、フォトニック結晶スラブ１２Ｄによって捕獲されたテラヘルツ波が、半導体（ここではＳｉ）中の自由キャリア吸収と効果的に相互作用し、吸収率が最大化されている。

【0099】

（作製したサンプル）
得られた設計をもとに、キャリア密度Ｎ＝２×１０¹⁵(ｃｍ^-3)のシリコンウェハをフォトリソグラフィー、プラズマエッチングで加工し、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体のサンプルを作製した。

【0100】

作製した第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１のサンプルの表面チップの光学顕微鏡写真例は、図２９に示すように表される。また、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の模式的鳥瞰構成および対応した表面ＳＥＭ写真例および端面ＳＥＭ写真例は、図３０に示すように表される。

【0101】

（吸収率、透過率、反射率の割合）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、ＴＨｚＴＤＳで透過率ＴＲと反射率ＲＥを測定し、吸収率ＡＢ＝１−（ＴＲ＋ＲＥ）で得られた吸収率ＡＢ、透過率ＴＲ、反射率ＲＥの割合（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）の関係は、図３１に示すように表される。

【0102】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、図３１に示すように、最大吸収率約９６％、９０％吸収帯域約１９ＧＨｚ、半値全幅（ＦＷＨＭ：Full-Width Half-Maximum）約０．１ＴＨｚの特性が得られている。

【0103】

（他の周波数帯域への拡張）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、捕獲効果を得るために波長に応じてスケーリングし、他の周波数帯域への拡張可能性を説明する相対的な模式的鳥瞰構成であって、電波を対象とした例は、図３２（ａ）に示すように表され、テラヘルツ帯を対象とした例は、図３２（ｂ）に示すように表され、光波領域を対象とした例は、図３２（ｃ）に示すように表される。図３２（ａ）〜図３２（ｃ）の各図において、共振状態形成用格子点１２Ａの周期が媒質内波長程度に等しい。

【0104】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体は、フォトニック結晶のスケーリング則と半導体のドーピング技術を用いることで、約１００ＭＨｚ〜約１００ＴＨｚまでの電磁波に対応可能である。

【0105】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、フォトニック結晶スラブ１２に対して吸収効果を得るために不純物ドーピングして得られるキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係（ドルーデモデルを用いて得られた理論解析結果）は、図３３に示すように表される。同じ誘電率虚部が得られるように、ドーピングされるキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）を調節している。

【0106】

（ドルーデモデル）
キャリアドーピングによる吸収を記述するドルーデモデルに関して、複素誘電率ε（ω）の周波数分散関係は、次式で表される。すなわち、

ε（ω）＝ε_r∞[１−ω_p²／（ω²＋ｉωτ）]＝ε₁（ω）−ｉε₂（ω） （１）

ここで、ω_pはプラズマ周波数、τは緩和時間、ε_r∞は光領域（高周波）での誘電率、ε₁（ω）は誘電率実部、ε₂（ω）は誘電率虚部を表す。

【0107】

プラズマ周波数ω_pと緩和時間τは、自由キャリアのキャリア密度Ｎによって決まり、次式で表される。すなわち、

τ（Ｎ）＝μ（Ｎ）×ｍ^*／ｑ （２）

ω（Ｎ）＝[Ｎｑ²／(ε_r∞ε₀ｍ^*)]^1/2 （３）

ここで、μはキャリアの移動度、ｍ^*は有効質量、ｑは素電荷、Ｎはキャリア密度、ε₀は真空での誘電率を表す。

【0108】

複素誘電率ε（ω）＝ε₁（ω）−ｉε₂（ω）を用いて、複素屈折率ｎは、次式で求めることができる。すなわち、

ｎ＝[{ε₁＋（ε₁²＋ε₂²）^1/2}／２]^1/2−ｉ[{−ε₁＋（ε₁²＋ε₂²）^1/2}／２]^1/2＝ｎ_r−ｉκ
（４）
ここで、ｎ_rは屈折率実部、κは屈折率虚部（消衰係数）を表す。

【0109】

（キャリア密度と消衰係数）
材料による吸収損失を表すのは消衰係数（複素屈折率の虚部）κである。角周波数ωで振動し、ｚ方向に伝播する電磁波の電界強度Ｅは、振幅Ｅ₀、複素屈折率ｎ、光速ｃを用いて、

Ｅ＝Ｅ₀ｅｘｐ[ｉω（ｔ−ｎ／ｃ・ｚ）]＝Ｅ₀ｅｘｐ[−ωκ／ｃ・ｚ]・ｅｘｐ[ｉω（ｔ−ｎ_r／ｃ・ｚ）] （５）

で表される。ここで、ｅｘｐ[−ωκ／ｃ・ｚ]は減衰項を表す。

【0110】

ドルーデモデルのパラメータはキャリア密度Ｎに依存する。したがって、キャリア密度Ｎの値を変化させることによって、消衰係数κを調節することができる。

【0111】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、キャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）と消衰係数κとの関係のドルーデモデルを用いて得られた理論解析結果は図３４に示すように表される。図３４においては、フォトニック結晶スラブ１２Ｄとしてシリコンを適用し、共振周波数は、０．３ＴＨｚとしている。図３４に示すように、キャリア密度Ｎを増加すると、消衰係数κが上昇する。したがって、フォトニック結晶スラブ１２Ｄへの不純物ドーピングによって、半導体材料に吸収損失を導入することができる。

【0112】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、材料の吸収効果で決まるＱ値Ｑ_aと、フォトニック結晶スラブ１２Ｄの構造、すなわち、テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_cの整合がとれ、フォトニック結晶スラブ１２Ｄによって捕獲されたテラヘルツ波が、半導体（ここではＳｉ）中の自由キャリア吸収と効果的に相互作用し、吸収率が最大化可能である。

【0113】

（共振周波数における共振とキャリア吸収効果）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、キャリア吸収効果の無い場合における入射波に対する反射率ＲＥおよび透過率ＴＲの割合（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）の関係は、図３５（ａ）に示すように表される。一方、フォトニック結晶スラブ材料に不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入した場合における入射波に対する反射率ＲＥ、透過率ＴＲ、および吸収率ＡＢの割合（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）の関係は、図３５（ｂ）に示すように表される。

【0114】

フォトニック結晶スラブ材料に不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入すると、図３５（ｂ）の吸収率ＡＢの曲線で示されるように、共振周波数において、吸収率のピークが現われている。

【0115】

（捕獲効果とキャリア吸収効果）
バルク結晶基板（ＰＣ構造なし）１２Ｂにテラヘルツ波ｈνを入射する比較例は図３６（ａ）に示すように表され、フォトニック結晶スラブ１２にテラヘルツ波ｈνを入射する実施例は図３６（ｂ）に示すように表される。

【0116】

バルク結晶基板（ＰＣ構造なし）１２Ｂにテラヘルツ波を入射した場合、図３６（ｃ）に示すように入射電磁波Ｉ_Iがバルク結晶基板（ＰＣ構造なし）１２Ｂを透過し、透過電磁波Ｉ_Tが観測される。この場合、捕獲効果・キャリア吸収効果ともに存在しない。

【0117】

フォトニック結晶スラブ１２にテラヘルツ波を入射した場合、図３６（ｄ）に示すように、入射電磁波Ｉ_Iがフォトニック結晶スラブ１２に捕獲されるが、キャリア吸収効果は存在しないため、透過電磁波Ｉ_Tが観測される。

【0118】

不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入したバルク結晶基板（ＰＣ構造なし）にテラヘルツ波を入射した場合、図３６（ｅ）に示すように、入射電磁波Ｉ_Iのキャリア吸収効果は存在するが、捕獲効果は存在しないため、透過電磁波Ｉ_Tが観測される。

【0119】

不純物ドーピングし、キャリア吸収効果を導入したフォトニック結晶スラブにテラヘルツ波を入射した場合、図３６（ｆ）に示すように、入射電磁波Ｉ_Iがフォトニック結晶スラブ１２に捕獲され、かつキャリア吸収効果も存在するため、透過電磁波Ｉ_Tは観測されない。また、反射電磁波Ｉ_Rも観測されない。

【0120】

（最適な吸収効果）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、最適な吸収効果を得るための説明図であって、消衰係数κ＝０．００１の場合の吸収率ＡＢ（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係は、図３７（ａ）に示すように表され、消衰係数κ＝０．０１の場合の吸収率ＡＢ（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係は、図３７（ｂ）に示すように表され、消衰係数κ＝０．１の場合の吸収率ＡＢ（％）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係は、図３７（ｃ）に示すように表される。

【0121】

消衰係数κ＝０．００１の場合には、フォトニック結晶スラブ１２のキャリア密度Ｎが相対的に低いため、自由キャリアの数が相対的に少ない。このため、吸収率ＡＢ（％）のピーク値は相対的に小さい。

【0122】

一方、消衰係数κ＝０．０１の場合には、フォトニック結晶スラブ１２のキャリア密度Ｎが適正値に近付くため、自由キャリアの数も適正量となる。このため、吸収率ＡＢ（％）のピーク値は相対的に高くなる。

【0123】

さらに、消衰係数κ＝０．１の場合には、フォトニック結晶スラブ１２のキャリア密度Ｎが相対的に高くなるため、自由キャリアの数が相対的に多くなりすぎて、フォトニック結晶スラブ１２が金属的になる。このため、反射成分が増大し、吸収率ＡＢ（％）のピーク値はなだらかな形状となり、かつ相対的に低下する。

【0124】

フォトニック結晶スラブ１２のキャリア密度Ｎを変化させて消衰係数κの値を変化させた場合、吸収率ＡＢ（％）のピーク値には、最適値が存在する。

【0125】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、吸収率ＡＢ（％）と屈折率虚部（消衰係数κ）との関係の理論解析結果は、図３８に示すように表される。図３８に示すように、吸収率ＡＢ（％）のピーク値を得るためには、屈折率虚部（消衰係数κ）には、最適値が存在し、消衰係数κが約０．００８近傍において、単一共振点では最大吸収率５０％程度が得られる。

【0126】

（高吸収率化および広帯域化を実現する方法）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、高吸収率化および広帯域化を実現する方法の説明図であって、共振状態形成用格子点に上下対称の貫通孔を備えるフォトニック結晶スラブの吸収スペクトルＳ１・Ｓ２は、模式的に図３９（ａ）に示すように表される。

【0127】

一方、共振状態形成用格子点に上下非対称の非貫通孔を備え、かつ孔の直径Ｄを大きくしてフォトニック結晶の共振のＱ値（テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値Ｑ_c）を下げたフォトニック結晶スラブの吸収スペクトルＳ１・Ｓ２は、模式的に図３９（ｂ）に示すように表される。

【0128】

さらに、フォトニック結晶スラブ１２の厚さＴＨ、共振状態形成用格子点１２Ａの周期（格子定数ａ）、孔の直径Ｄ、孔の深さｄを総合的に調節して隣り合う共振点を近付けたフォトニック結晶スラブ１２の吸収スペクトルは、模式的に図３９（ｃ）に示すように、吸収スペクトルＳ１・Ｓ２が重なり合った吸収スペクトルＳ１＋Ｓ２で表される。

【0129】

さらにフォトニック結晶スラブ１２にドーピングされるキャリア密度Ｎを最適化し、屈折率虚部（消衰係数κ）の最適化を実施することによって、図３１に示したように、最大吸収率約９６％、９０％吸収帯域約１９ＧＨｚ、半値帯域０．１ＴＨｚを有するフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体が得られている。

【0130】

すなわち、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１においては、共振状態形成用格子点１２Ａに非対称構造を導入し、かつ隣り合う共振点を近付けるか若しくは一致させ、かつフォトニック結晶スラブ１２に対してドーピングされるキャリア密度Ｎを最適化し、屈折率虚部（消衰係数κ）の最適化を実施することによって、図２７および図３１に示したように、吸収率５０％を超える高い吸収率を広帯域で得ることができる。

【0131】

（他の周波数帯域への展開方法：自由キャリア効果）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、他の周波数帯域への展開方法を説明する図であって、キャリア密度Ｎをパラメータとする消衰係数κと周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係の理論解析結果は、図４０に示すように表される。

【0132】

周波数ｆ（ＴＨｚ）が変化すると、同じキャリア密度Ｎ（ｃｍ^-3）で得られる消衰係数κの値が変化する。したがって、他の周波数で同じ屈折率虚部（消衰係数κ_I）を得るためには、図４０に示すように、キャリア密度Ｎを変更する必要がある。

【0133】

（他の周波数帯域への展開方法：捕獲効果）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、他の周波数帯域への展開方法を説明する図であって、フォトニック結晶スラブ１２の共振状態形成用格子点１２Ａの模式的平面パターン構成は、図４１（ａ）に示すように表され、図４１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図４１（ｂ）に示すように表される。図４１（ａ）および図４１（ｂ）には、共振状態形成用格子点１２Ａに非貫通孔を有する例が示されている。図４１（ａ）および図４１（ｂ）に示された構成例では、共振状態形成用格子点１２Ａの直径Ｄは０．７８ａ、フォトニック結晶スラブ１２の厚さＴＨは０．４ａ、共振状態形成用格子点１２Ａの深さｄは０．３４ａに等しい。

【0134】

格子定数ａに対して、図４１（ａ）および図４１（ｂ）に示すように、共振状態形成用格子点１２Ａの直径Ｄ・フォトニック結晶スラブ１２の厚さＴＨ・共振状態形成用格子点１２Ａの深さｄの比率が設定される場合には、スケール則が適用可能であることから、他の周波数帯域においても同様の特性を得ることができる。

【0135】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１において、他の周波数帯域への展開方法を説明する図であって、格子定数a（μｍ）と周波数ｆ（ＴＨｚ）との関係の理論解析結果は、図４２に示すように表される。図４２においては、数値例として、格子定数ａ＝５００μｍにおいて、周波数ｆ＝０．３（ＴＨｚ）が得られる。

【0136】

（テラヘルツ時間領域分光システム）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１の評価システム構成であって、テラヘルツ時間領域分光システム（ＴＨｚＴＤＳ）は、図４３に示すように、パルスレーザ２０と、ビームスプリッタ２６と、複数のミラー２１と、テラヘルツパルスエミッタ２２と、複数の放物面鏡２３と、遅延ステージ２８と、ディテクタ２４とを備える。

【0137】

パルスレーザ２０からのレーザ光は、ビームスプリッタ２６において、検出パルスＰ_Dと励起パルスＰ_Eに分かれる。

【0138】

励起パルスＰ_Eはミラー２１を介してテラヘルツパルスエミッタ２２を励起する。

【0139】

テラヘルツパルスエミッタ２２より放出されたテラヘルツ波は、複数の放物面鏡２３を介して反射され、フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に入射される。

【0140】

フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１を透過したテラヘルツ波は、複数の放物面鏡２３を介して反射され、ディテクタ２４に到達する。

【0141】

検出パルスＰ_Dは、遅延ステージ２８に入力される。

【0142】

遅延された検出パルスＰ_Dは、複数のミラー２１を介して反射され、ディテクタ２４に到達する。

【0143】

遅延ステージ２８の移動に伴って少しずつ検出パルスＰ_Dと励起パルスＰ_Eが出会うタイミングが遅くなる。検出パルスＰ_Dと励起パルスＰ_Eが出会った時の強度に応じて流れる電流をディテクタ２４により検出し、透過波の時間波形を得る。

【0144】

得られた時間波形をフーリエ解析し、透過スペクトルを得る。

【0145】

（高周波金属配線回路）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、高周波金属配線回路２に適用可能である。

【0146】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１を適用した高周波金属配線回路２の模式的鳥瞰構成は、図４４（ａ）に示すように表され、第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１上に金属配線５０を配置した積層構造の模式的断面構造は、図４４（ｂ）に示すように表される。

【0147】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１を高周波金属配線回路２の基板に用いることで、回路中で発生する不要モード（放射）の抑制が可能である。

【0148】

（電子部品）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、様々な電子部品に適用可能である。第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１は、例えば、薄型・平面型のテラヘルツ波電磁波吸収体、フレキシブルに設計可能なテラヘルツ波フィルタ、テラヘルツ波変調器、テラヘルツ波遅延線、テラヘルツ波集積回路への入出力インタフェース、高感度テラヘルツ波検出器などに適用可能である。

【0149】

（共振状態形成用格子点の周期構造とバンド構造）
第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の共振状態形成用格子点１２Ａの周期構造であって、正方格子・三角格子・長方格子・菱型格子（面心長方格子）の配置例は、図４５（ａ）・図４６（ａ）・図４７（ａ）・図４８（ａ）に示すように模式的に表され、対応する２次元フォトニック結晶スラブ１２のバンド構造は、図４５（ｂ）・図４６（ｂ）・図４７（ｂ）・図４８（ｂ）に示すように表される。

【0150】

共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。

【0151】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における電磁波をフォトニック結晶スラブ面内で共振可能である。

【0152】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における電磁波をフォトニック結晶スラブ面内で共振可能である。

【0153】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの孔形状を備えていても良い。

【0154】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体によれば、フォトニック結晶の電磁波捕獲効果を用いることで、加工が容易な薄型・平面電磁波吸収体を提供することができる。

【0155】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体によれば、共振モードのＱ値を下げ、共振周波数を近付けるか若しくは一致させることで、９０％以上の吸収率をもつ電磁波吸収体を広帯域で提供することができる。

【0156】

第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体は、フォトニック結晶のスケーリング則と半導体のドーピング技術を用いることで、約１００ＭＨｚ〜約１００ＴＨｚまでの電磁波に対応可能である。

【0157】

第１の実施の形態によれば、捕獲・吸収効果の高く、加工が容易な薄型・平面型のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体およびそのフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した高周波金属配線回路、電子部品を提供することができる。

【0158】

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体であって、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏側に反射鏡３０を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３における捕獲・吸収効果を説明する模式図は、図４９に示すように表される。

【0159】

図４９に示すように、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３においても第１の実施の形態と同様に、入射された電磁波Ｉ_Iは、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの面内で共振され、捕獲される。また、入射された電磁波Ｉ_Iは、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの材料によって吸収される。すなわち、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３においても、捕獲＋吸収の相乗効果によって、吸収性能を増大可能である。

【0160】

さらに、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３は、図４９に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏側に反射鏡３０を導入することによって、透過された電磁波Ｉ_Tを反射している。この反射された電磁波Ｉ_RRは、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏面に入射され、捕獲＋吸収の相乗効果によって吸収される。この結果、反射電磁波Ｉ_RRTは、入射された電磁波Ｉ_Iの例えば、約０．０１４％以下の強度となる。すなわち、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３においては、捕獲＋吸収＋捕獲＋吸収の相乗効果によって、さらに吸収性能を増大可能である。

【0161】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体であって、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏側に、スペーサ３２を介して、反射鏡３０を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３の模式的鳥瞰構成および表面電子顕微鏡写真例および端面電子顕微鏡写真例は、図５０に示すように表される。図５０に示された表面電子顕微鏡写真例および端面電子顕微鏡写真例は、図３０に示された第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１と同様である。また、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３における２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄも第１の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体１における２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの構成と同様の構成が適用可能である。このため、重複説明は省略する。

【0162】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３は、図４９および図５０に示すように、半導体材料からなる２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄのフォトニックバンド構造のバンド端における電磁波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの面内で共振させることで、外部から入射された電磁波Ｉ_Iを捕獲可能な共振状態形成用格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏面に平行に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄを透過した電磁波Ｉ_Tを反射する反射鏡３０とを備える。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄは、不純物ドーピングされ、捕獲された電磁波をバンド端の共振周波数において吸収可能である。また、反射された電磁波Ｉ_RRは、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏面に入射可能である。

【0163】

反射鏡３０は、金属板、金属薄膜を形成した基板、誘電体多層膜、フォトニック結晶のいずれかで形成可能である。

【0164】

また、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０は、離隔して配置される。

【0165】

２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０との間の離隔距離Ｓには最適値ＳＡが存在し、このＳＡの値としては、例えば、電磁波の波長に対して、例えば、波長／４プラスマイナス波長／８に等しいことが望ましい。

【0166】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３において、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏側に反射鏡３０を導入した結果、フォトニック結晶由来の面内共振モード（偶モードおよび奇モード）に加え、反射鏡とフォトニック結晶に由来する第３のファブリーペロー共振モードが導入され、吸収率および吸収帯域が増大する。ここで、吸収スペクトルの変化する様子を説明する。

【0167】

初期状態のスペクトル強度分布は図５１（ａ）に示すように表される。初期状態では、偶モードの共振スペクトルＳＰ１と奇モードの共振スペクトルＳＰ２が存在する。

【0168】

次に、共振状態形成用格子点１２Ａの孔の径寸法を最適化した状態のスペクトル強度分布は図５１（ｂ）に示すように表される。共振状態形成用格子点１２Ａの孔の径寸法を最適化することによって、偶モードの共振スペクトルＳＰ１および奇モードの共振スペクトルＳＰ２の帯域は広帯域化される。

【0169】

さらに、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの厚さを最適化した状態のスペクトル強度分布は図５１（ｃ）に示すように表される。２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの厚さを最適化することによって、偶モードと奇モードの共振点を近付けて、偶モードの共振スペクトルＳＰ１と奇モードの共振スペクトルＳＰ２とを重ね合わせ、広帯域化を図ることができる。

【0170】

さらに、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏側に反射鏡３０を導入した結果のスペクトル強度分布は図５１（ｄ）に示すように表される。２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏側に反射鏡３０を導入することによって、フォトニック結晶由来の面内共振モード（偶モード、奇モード）に加え、反射鏡３０とフォトニック結晶に由来する第３のファブリーペロー共振モードが導入される。偶モードの共振スペクトルＳＰ１と奇モードの共振スペクトルＳＰ２に加え、第３のファブリーペロー共振モードの共振スペクトルＳＰ３が加わることで、さらに広帯域化を図ることができる。

【0171】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３においては、反射鏡３０と２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄとの離隔距離Ｓを調整することによって、吸収体の性能（最高吸収率、吸収帯域）を増大させることができる。

【0172】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３においては、反射鏡３０の反射率は高い方が望ましい。

【0173】

反射鏡３０としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミ二ウム（Ａｌ）などの金属やそれらの金属薄膜を形成したガラス、半導体、プラスチック、ポリマー等の基板、若しくはＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂などからなる誘電体多層膜、さらには、例えば、多層化構成し高い反射率をもつように設計されたフォトニック結晶などを適用可能である。

【0174】

（反射鏡とフォトニック結晶の距離の調整）
第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３において、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０との離隔距離Ｓと周波数ｆとの関係における吸収率の周波数ｆ＝０．３ＴＨｚ(波長λ＝１ｍｍ)付近でのシミュレーション結果（ｆe:偶モード、ｆo:奇モード、ｆm:ファブリペローモード）は、図５２に示すように表される。

【0175】

２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０との離隔距離Ｓには、最適値ＳＡが存在する。２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０との離隔距離Ｓが小さくなると、フォトニック結晶のモードが乱されてしまう。一方で離隔距離Ｓが大きすぎるとフォトニック結晶由来のモードとの合成ができずに、帯域や最大吸収率の増大には寄与できなくなる。よって、離隔距離Ｓとしては、電磁波の波長に対して、例えば、約波長／４プラスマイナス波長／８程度の大きさが望ましい。図５２において、ｆeがフォトニック結晶由来の偶モード、ｆoが奇モード、ｆmが新たに発生するファブリペローモードに対応している。離隔距離Ｓが１００μｍ以上では、確かに、ｆe とｆoは反射鏡３０の影響を受けずに一定である。一方、ｆm は離隔距離Ｓで変化する。

【0176】

（実験結果１：スペクトログラム）
第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体において、捕獲効果（時間領域）とバンド端効果（周波数領域）を同時に観測するＴＨｚＴＤＳのスペクトログラムの比較であって、フォトニック結晶がなく、吸収が無い高抵抗スラブの例は図５３（ａ）に示すように表され、フォトニック結晶スラブを有し、吸収が無い高抵抗スラブの例は図５３（ｂ）に示すように表され、フォトニック結晶スラブおよび反射鏡を有し、吸収が無い高抵抗スラブの例は図５３（ｃ）に示すように表され、フォトニック結晶スラブがなく、吸収がある低抵抗スラブの例は図５３（ｄ）に示すように表され、フォトニック結晶スラブを有し、吸収がある低抵抗スラブの例は図５３（ｅ）に示すように表され、フォトニック結晶スラブおよび反射鏡を有し、吸収がある低抵抗スラブの例は図５３（ｆ）に示すように表される。

【0177】

ここで、実験に使用した２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの共振状態形成用格子点１２Ａの周期は５００μｍ、孔径は３９０μｍ、孔の深さは、１７０μｍであり、２次元フォトニック結晶スラブ１２の厚さは、１９０μｍである。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０との離隔距離Ｓは、２２０μｍである。また、吸収有の場合の２次元フォトニック結晶スラブ１２ＤのＳｉ基板の抵抗率は、約６Ωｃｍ、キャリア密度は、約１．８×１０¹⁵ｃｍ^-3である。また、吸収なしの場合の２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの基板抵抗率は、約１００００Ωｃｍである。

【0178】

図５３（ａ）〜図５３（ｆ）は、反射特性の時間発展を周波数に関してプロットしたスペクトログラムに対応している。２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄに吸収がない場合には、図５３（ａ）・図５３（ｂ）・図５３（ｃ）に示すように、時間的に遅れた成分がフォトニック結晶の捕獲効果により捕獲される様子が観察される。図５３（ｃ）に示すように、反射鏡３０を導入することにより、フォトニック結晶の捕獲成分が確かに増えている。

【0179】

さらに２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄに吸収がある場合には、図５３（ｄ）、図５３（ｅ）および図５３（ｆ）に示すように、自由キャリアによる吸収効果を導入することで捕獲効果の周波数での反射成分がなくなり、フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３で略電磁波が吸収されていることが観測される。

【0180】

（実験結果２：吸収スペクトル）
比較例としてフォトニック結晶がないバルク結晶基板１２Ｂ（ＰＣ構造なし）の場合の吸収率と周波数ｆとの関係は、図５４（ａ）に示すように表され、比較例としてフォトニック結晶スラブの場合の吸収率と周波数ｆとの関係は、図５４（ｂ）に示すように表され、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３の場合の吸収率と周波数ｆとの関係は、図５４（ｃ）に示すように表される。ここで、実線はシミュレーション結果、プロットは実験結果を表している。実験に使用した２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの共振状態形成用格子点１２Ａの周期は例えば、約５００μｍ、孔径は例えば、約３９０μｍ、孔の深さは例えば、約１７０μｍであり、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの厚さは、１９０μｍである。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄと反射鏡３０との離隔距離Ｓは例えば、約２２０μｍである。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２ＤのＳｉ基板の抵抗率は例えば、約６Ωｃｍ、キャリア密度は例えば、約１．８×１０¹⁵ｃｍ^-3である。

【0181】

吸収率９０％で比較すると、フォトニック結晶スラブの場合には、図５４（ｂ）に示すように、帯域幅は約１９ＧＨｚであるのに対して、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３の場合には、図５４（ｃ）に示すように、帯域幅は約５０ＧＨｚとなる。さらにフォトニック結晶スラブの場合には、図５４（ｂ）に示すように、最大吸収率は約９６％である。また、９０％帯域は中心周波数の約６．３％である。これに対して、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３の場合には、図５４（ｃ）に示すように、最大吸収率は約９９．９％である。９０％帯域も中心周波数の約１６．７％と拡大している。すなわち、フォトニック結晶と反射鏡をともに備える第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３の場合が、吸収率も高く、帯域も広い。

【0182】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体によれば、フォトニック結晶スラブの裏面に反射鏡を導入し、反射鏡とフォトニック結晶との距離を調整することにより、吸収率および吸収帯域の増大が可能である。

【0183】

（実験結果３：近接無線通信システム）
比較例としての送信器１００Ａと受信器２００Ａ間の近接無線通信システム４Ａの模式的鳥瞰構成は、図５５（ａ）に示すように表され、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３を適用した送信器１００と受信器２００間の近接無線通信システム４の模式的鳥瞰構成は、図５５（ｂ）に示すように表される。

【0184】

また、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器１００と受信器２００間の近接無線通信システム４の模式的ブロック構成は、図５６に示すように表される。２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）・１２Ｄ（２）には、共振状態形成用格子点１２Ａが配置されている。送信用アンテナ１０６Ａを介して送信される電磁波Ｉ（Ｔ）は、受信用アンテナ１０８Ａを介して電磁波Ｉ（Ｒ）として受信される。

【0185】

比較例としての送信器１００Ａは、図５５（ａ）に示すように、金属板３０Ａと、金属板３０Ａの中央部を貫通して配置された送信用アンテナ１０６Ａとを備える。また、比較例としての受信器２００Ａは、図５５（ａ）に示すように、金属板３０Ｂと、金属板３０Ｂの中央部を貫通して配置された受信用アンテナ１０８Ａとを備える。

【0186】

ここで、送信用アンテナ１０６Ａ、受信用アンテナ１０８Ａとしては、実験の都合上、ホーンアンテナを使用したが、ホーンアンテナ以外にも平面アンテナを含む一般のアンテナも適用可能である。例えば、スロットアンテナ、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ボータイアンテナ、八木宇田アンテナ、スパイラルアンテナ、ループアンテナ、アレイアンテナ、フェーズドアレイアンテナ、パラボラアンテナ、レンズアンテナ等が適用可能である。

【0187】

比較例としての送信器１００Ａと受信器２００Ａ間の近接無線通信システム４Ａにおいては、図５５（ａ）に示すように、送信器１００Ａと受信器２００Ａの間に定在波ＳＴＷが発生する。例えば、受信器２００Ａの位置が定在波ＳＴＷの節に来ると、受信パワーが弱くなることで品質の良い通信ができなくなってしまう。

【0188】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器１００は、図５５（ｂ）および図５６に示すように、第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３₁と、第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３₁を貫通して配置された送信用アンテナ１０６とを備える。ここで、第１フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３₁は、半導体材料からなる２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）と、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）のフォトニックバンド構造のバンド端における電磁波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）の面内で共振させることで、外部から入射された電磁波を捕獲可能な共振状態形成用格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）の裏面に平行に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）を透過した電磁波を反射する反射鏡３０₁とを備える。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）は、不純物ドーピングされ、捕獲された電磁波をバンド端の共振周波数において吸収可能である。また、反射された電磁波は、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）の裏面に入射可能である。

【0189】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した受信器２００は、図５５（ｂ）および図５６に示すように、第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３₂と、第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３₂を貫通して配置された受信用アンテナ１０８とを備える。ここで、第２フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３₂は、半導体材料からなる２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）と、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）のフォトニックバンド構造のバンド端における電磁波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）の面内で共振させることで、外部から入射された電磁波を捕獲可能な共振状態形成用格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）の裏面に平行に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）を透過した電磁波を反射する反射鏡３０₂とを備える。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（２）は、不純物ドーピングされ、捕獲された電磁波をバンド端の共振周波数において吸収可能である。また、反射された電磁波は、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの裏面（２）に入射可能である。

【0190】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３を適用した送信器１００と受信器２００間の近接無線通信システム４においては、図５５（ｂ）および図５６に示すように、送信器１００と受信器２００の間に定在波の発生する現象は観測されない。

【0191】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した近接無線通信システム４においては、送信用アンテナ１０６Ａを介して送信される電磁波Ｉ（Ｔ）は、定在波の影響を殆んど受けることなく、受信用アンテナ１０８Ａを介して電磁波Ｉ（Ｒ）として受信可能である。

【0192】

本実験では、送信器１００Ａおよび受信器２００Ａ表面が金属の筐体（金属板３０Ａ・３０Ｂ）となる場合を模擬した比較例（図５５（ａ））と、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３を金属表面に付加した場合を比較することで、吸収体の効果で定在波が低減され、結果として、通信が安定することを実験系（図５６）で実証した。

【0193】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器１００と受信器２００間の近接無線通信システム４においては、図５６に示すように、送信器１００と受信器２００は、互いに対向して配置される。送信器１００と受信器２００との間のアンテナ間隔ＳＡＮは、例えば、約３０ｍｍ〜約３３ｍｍの範囲で可変である。

【0194】

また、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した近接無線通信システム４は、図５６に示すように、信号発生器４２と、パルスパターン発生器４０と、信号発生器４２およびパルスパターン発生器４０の出力を混合するミキサ３８と、ミキサ３８の出力信号を増幅する増幅器３６と、増幅器３６の出力信号を逓倍する９逓倍器３４を備えていても良い。ここで、９逓倍器３４の出力信号は、電磁波Ｉ（Ｔ）として、送信用アンテナ１０６を介して送信される。

【0195】

また、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した近接無線通信システム４は、受信用アンテナ１０８を介して受信された電磁波Ｉ（Ｒ）を検波するショットキーバリアダイオード検出器４４と、ショットキーバリアダイオード検出器４４に接続され、受信信号を増幅する信号増幅器４４と、信号増幅器４４に接続され、信号増幅器４４において増幅された受信信号を制限する波形整形増幅器４８と、波形整形増幅器４８に接続され、ビット誤り率を測定するビット誤り計測器５２とを備えていても良い。

【0196】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３を適用した近接無線通信システム４において、送信器１００と受信器２００との間のアンテナ間隔ＳＡＮに対するビット誤り率の関係は、図５７に示すように表される。ここで、曲線Ａは、図５５（ａ）に対応する比較例として送信用アンテナ１０６・受信用アンテナ１０８と金属の筐体（反射鏡３０₁・３０₂）のみの場合である。一方、曲線Ｂは、図５５（ｂ）および図５６に対応する第２の実施の形態として送信用アンテナ１０６・受信用アンテナ１０８と金属の筐体（反射鏡３０₁・３０₂）＋２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）・１２Ｄ（２）の構成の場合である。

【0197】

比較例として金属筐体を模擬した場合には、図５７に示すように、アンテナ間隔ＳＡＮが、０．５ｍｍ、すなわち半波長ごとにビット誤り率が大きくなっている。これは定在波の影響を表している。一方、２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄ（１）・１２Ｄ（２）を導入した場合には、アンテナ間隔ＳＡＮを変化させてもビット誤り率の変化は見られず、吸収体の効果で定在波が低減されている。すなわち、第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３の有効性が、実システムで示された。

【0198】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３も、第１の実施の形態と同様に、高周波金属配線回路２に適用可能である。第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３を高周波金属配線回路２の基板に用いることで、回路中で発生する不要モード（放射）の抑制が可能である。

【0199】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３も、第１の実施の形態と同様に、様々な電子部品に適用可能である。第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３は、例えば、薄型・平面型のテラヘルツ波電磁波吸収体、フレキシブルに設計可能なテラヘルツ波フィルタ、テラヘルツ波変調器、テラヘルツ波遅延線、テラヘルツ波集積回路への入出力インタフェース、高感度テラヘルツ波検出器などに適用可能である。

【0200】

第２の実施の形態に係るフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体３に適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２Ｄの共振状態形成用格子点１２Ａの周期構造は、第１の実施の形態と同様に表される。すなわち、正方格子・三角格子・長方格子・菱型格子（面心長方格子）の配置例は、図４５（ａ）・図４６（ａ）・図４７（ａ）・図４８（ａ）と同様に表され、対応する２次元フォトニック結晶スラブ１２のバンド構造は、図４５（ｂ）・図４６（ｂ）・図４７（ｂ）・図４８（ｂ）と同様に表される。

【0201】

共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。

【0202】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における電磁波をフォトニック結晶スラブ面内で共振可能である。

【0203】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における電磁波をフォトニック結晶スラブ面内で共振可能である。

【0204】

また、共振状態形成用格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの孔形状を備えていても良い。

【0205】

以上説明したように、本発明によれば、捕獲・吸収効果の高く、加工が容易な薄型・平面型のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体およびそのフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した高周波金属配線回路、電子部品を提供することができる。

【0206】

また、本発明によれば、フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体に反射鏡を導入し、反射鏡とフォトニック結晶との距離を調整することにより、吸収率および吸収帯域の増大が可能なフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を提供することができる。

【0207】

また、本発明によれば、反射鏡を導入したフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体を適用した送信器、受信器および近接無線通信システムを提供することができる。

【0208】

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【0209】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【産業上の利用可能性】

【0210】

本発明のフォトニック結晶スラブ電磁波吸収体は、薄型・平面型の電磁波吸収体、フレキシブルに設計可能なフィルタ、変調器、遅延線、集積回路への入出力インタフェース、高感度検出器などさまざまな応用分野に適用可能である。さらに、テラヘルツ波集積回路、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用、情報通信機器、信号処理機器における光（テラヘルツ領域を含む）集積回路の構成部品など幅広い応用分野に適用可能である。

【符号の説明】

【0211】

１、 １ａ、３、３₁、３₂…フォトニック結晶スラブ電磁波吸収体
２…高周波金属配線回路
４、４Ａ…近接無線通信システム
１２、１２Ｄ、１２Ｄ₁、１２Ｄ₂、１２Ｄ（１）、１２Ｄ（２）…２次元フォトニック結晶スラブ
１２Ａ…共振状態形成用格子点
１２Ｂ…バルク結晶基板
２０…パルスレーザ
２１…ミラー
２２…テラヘルツパルスエミッタ
２３…放物面鏡
２４…ディテクタ
２６…ビームスプリッタ
２８…遅延ステージ
３０、３０₁、３０₂…反射鏡
３２…スペーサ
３４…９逓倍器
３６…増幅器
３８…ミキサ
４０…パルスパターン発生器
４２…信号発生器
４４…ショットキーバリアダイオード検出器
４６…信号増幅器
４８…波形整形増幅器
５０…金属配線
５２…ビット誤り計測器
１００、１００Ａ…送信器
１０６、１０６Ａ…送信用アンテナ
１０８、１０８Ａ…受信用アンテナ
２００、２００Ａ…受信器
ａ…格子定数
Ｑ_c…テラヘルツ波捕獲効果で決まるＱ値
Ｑ_a…材料の吸収効果で決まるＱ値
ω…角周波数
ω_p…プラズマ周波数
τ…緩和時間
τ_r…共振ライフタイム
ε_r∞…光領域（高周波）での誘電率
Ｎ…（自由キャリアの）キャリア密度
μ…キャリアの移動度
ｍ^*…有効質量
ｑ…素電荷、
ε…複素誘電率（ε₁−ｉε₂）
ｎ…複素屈折率（ｎ_r−ｉκ）
κ…消衰係数（複素屈折率の虚部）
ｆ…周波数
ｄ、ｄ₁、ｄ₂、ｄ₃…孔の深さ
Ｄ、Ｄ₁、Ｄ₂、Ｄ₃…孔の直径
ＴＨ…２次元フォトニック結晶スラブの厚さ
Ｓ…離隔距離
ＳＡ…最適値
ＳＡＮ…アンテナ間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】

【図42】

【図43】

【図44】

【図45】

【図46】

【図47】

【図48】

【図49】

【図50】

【図51】

【図52】

【図53】

【図54】

【図55】

【図56】

【図57】