6994384 金属‐金属指組み光伝導アンテナ、及び金属‐金属指組み光伝導アンテナの製造方法

(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】

(24)【登録日】2021-12-15

(45)【発行日】2022-01-14

(54)【発明の名称】金属‐金属指組み光伝導アンテナ、及び金属‐金属指組み光伝導アンテナの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 1/02 20060101AFI20220106BHJP

   G01N 21/3586 20140101ALI20220106BHJP

【ＦＩ】

H01S1/02

G01N21/3586

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2017531624

(86)(22)【出願日】2015-12-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2018-03-15

(86)【国際出願番号】 IB2015059592

(87)【国際公開番号】W WO2016097975

(87)【国際公開日】2016-06-23

【審査請求日】2018-12-14

(31)【優先権主張番号】14307065.4

(32)【優先日】2014-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】506316557

【氏名又は名称】サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィック

(73)【特許権者】

【識別番号】512073725

【氏名又は名称】エコール ノルマル シュペリウール

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディーロン、スクーディープ

(72)【発明者】

【氏名】モーサング、ケネス

【審査官】大西 孝宣

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２２８５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０６２６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８１４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００４８８５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】J.Madeo, et al，Frequency tunable terahertz interdigitated photoconductive antennas，ELECTRONICS LETTERS，THE INSTITUTION OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY，2010年04月29日，Vol.46, No.9，p.611-613

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ １／００ － １／０６

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ － ２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一つの基板（１）と、該基板（１）の前面に少なくとも２つの電極（２）を有する、テラヘルツ波の生成及び／又は検出を行う金属‐金属指組み光伝導アンテナにおいて、
テラヘルツ波を反射する材料からなり、前記基板（１）の内部で当該基板（１）の前面から波長より短い距離下側に延在する層（４）と、
前記基板（１）の前面に指組み構造と、を具備し、
前記指組み構造は、
前記基板（１）の前面に距離Δで等間隔に配置された、前記電極（２）の５ｎｍのＣｒと１５０ｎｍのＡｕからなる第１メタライズ層と、
前記第１メタライズ層上に配置された５００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２層（５）と、
距離Δの２倍の周期性を有し前記電極（２）間のギャップを覆う金属フィンガ（６）からなる第２金属層と、を備えることを特徴とする金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項2】

前記層（４）は、前記基板（１）の前面から距離５～１０μｍ下側に延在することを特徴とする請求項１に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項3】

前記層（４）は金属層であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項4】

前記層（４）の金属は、金、チタン、銀、銅の中から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項３に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項5】

前記基板（１）は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、石英、ＩｎＧａＡｓＰ、ＬＴ－ＧａＡｓ、ＥｒＡｓ：ＧａＡｓ、Ｆｅ：ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮの中から選ばれる半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項6】

λが放出／検出が必要な最大周波数に対応するとしたとき、前記電極（２）と前記層（４）間の基板層の厚さはｄ＝λ／２であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項7】

前記電極（２）間の距離Δが最大ｄ／２であることを特徴とする請求項６に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項8】

前記電極（２）と前記層（４）間の基板層は、ＬＴ－ＧａＡｓ、ＥｒＡｓ：ＧａＡｓ、Ｆｅ：ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮから選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項9】

前記電極（２）と前記層（４）間の基板層は、一番上が超高速応答を有する２μｍの厚さの材料の層であり、その下が３００ｎｍのＡｌＧａＡｓ層、続いてその下が３．７μｍの厚さのＧａＡｓ層である３層から形成され、前記電極（２）間の距離Δは３μｍ未満であることを特徴とする請求項８に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナ。

【請求項10】

選択エッチング停止層を形成する層（１０）を第１基板（１１）に形成する工程と、
前記層（１０）上に層（１２）を形成する工程と、
前記層（１２）上にテラヘルツ波を反射する材料からなる層（１３）を形成する工程と、
前記テラヘルツ波を反射する材料からなる層（１３）に第２基板（１４）を結合する工程と、
前記層（１０）と前記第１基板（１１）とを除去する工程と、
前記層（１２）上に少なくとも一つの電極（１５）を形成する工程と、
を少なくとも具備することを特徴とする請求項１に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナの製造方法。

【請求項11】

前記テラヘルツ波を反射する材料からなる層（１３）は、金属蒸発により前記層（１２）上に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の光伝導アンテナの製造方法。

【請求項12】

前記層（４）は、金、チタン、銀、銅の中から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の光伝導アンテナの製造方法。

【請求項13】

前記第１基板（１１）及び第２基板（１３）は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、石英、ＩｎＧａＡｓＰの中から選ばれる化合物半導体から得られることを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか一項に記載の光伝導アンテナの製造方法。

【請求項14】

前記第１基板（１１）に形成された前記層（１０）及び前記第１基板（１１）は、機械エッチング法及び／又は化学エッチング法により除去されることを特徴とする請求項１０乃至請求項１３のいずれか一項に記載の光伝導アンテナの製造方法。

【請求項15】

前記電極（１５）は、フォトリソグラフィー及び／又は電子ビームリソグラフィーにより形成されることを特徴とする請求項１０乃至請求項１４のいずれか一項に記載の光伝導アンテナの製造方法。

【請求項16】

テラヘルツ波を生成する生成部（１７）と、そのテラヘルツ波を検出する検出部（１８）を具備し、該生成部（１７）と検出部（１８）のうちの少なくとも一つが請求項１に記載の金属‐金属指組み光伝導アンテナを有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光システム（１６）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して、光伝導アンテナ、光伝導アンテナ製造方法及びテラヘルツ時間領域分光法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

マイクロ波領域と中間赤外領域の間にあるテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯域は、医用画像やセキュリティ画像、非破壊検査、サブミリ波天文学、ガス検出を含むさまざまな適応分野において特有の可能性を提供する。

【0003】

過去１０年間で、電磁波スペクトルのこの帯域における装置の不足をカバーするための非常に有望な技術的解決策が出現した。極めて重要で広範に用いられる技術の一つとして、ＴＤＳと呼ばれるテラヘルツ時間領域分光法があり、ＴＨｚパルスの生成や検出を行うための光学超高速レーザに基づくものである。ＴＨｚパルスの生成は、通常、光伝導アンテナの超高速励起により行われる。

【0004】

図１を参照すると、光伝導アンテナは、一般に、通常は半導体である特定の基板（１）と、その基板（１）上に２つの電極（２）を有し、そのメカニズムは以下の通りである。すなわち、電極（２）間に電圧を印加しつつ電極（２）間のギャップに超短パルスレーザー光を照射することによって、励起された光キャリアに瞬時電流を電極（２）間に生じさせ、光伝導アンテナは広周波数スペクトルを有するテラヘルツ波を発する。なお、ＴＨｚ－ＴＤＳシステムでは、テラヘルツ波の検出器として、別の光伝導アンテナや電気光学結晶を使用することも可能である。

【0005】

一般的な半導体アンテナにおいて、特定の半導体はＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体から選択可能である。さらに、キャリア寿命を短くし抵抗を大きくする場合は、結晶形に成長した低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ－ＧａＡｓ）膜が非常によく用いられる（非特許文献１）。ほとんどの場合、ＬＴ－ＧａＡｓは半絶縁性ＧａＡｓ（ＳＩ－ＧａＡｓ）基板上に結晶として成長する。これにより、ＴＨｚ波がＳＩ－ＧａＡｓ基盤を通過するのに伴い、ＴＨｚ波パワーの利用効率の低下やスペクトル狭窄化などの様々な問題が生じる。

【0006】

スペクトル狭窄化の欠点を克服するため、多層アンテナが開発されている。特許文献１は、テラヘルツ波の生成及び検出を行い、屈折率分散のない基板、バッファ層、第１半導体層、第２半導体層、電極をこの順に備える光伝導アンテナを開示している。基板はＳｉからなり、バッファ層はＧｅを含有し、第１及び第２半導体層はいずれもＧａとＡｓを含有する。第２半導体層のＧａ／Ａｓの元素比は、第１半導体層のＧａ／Ａｓの元素比よりも小さい。

【0007】

ダイナミックレンジ、帯域幅、信号対ノイズ比、周波数分解能を含むＴＨｚ－ＴＤＳ特性は、パルス諸元と密接に関係しているので、その性能は主にパルスエミッタの特性と関連がある。

【0008】

すなわち、ＴＨｚ－ＴＤＳは、主に放出されたＴＨｚパルスの不要な妨害エコー（３）に制限される全走査時間に制限される周波数分解能を有する（図２参照）。実際、エコーを有する問題は、元の信号が屈折率の変化などの不連続からビーム路に反射される場合に発生する。

【0009】

上記エコーのほとんどが（例えば、厚みの大きな楔状のサンプルやウィンドウズ電気光学検出結晶を用いて）対処可能であるとすれば、光伝導アンテナの場合、それ自体の基板において元のパルスが反射することによりエコーが生じる。標準サイズのウエハーの距離が短いため、実際にはこのエコーによってシステムのスペクトル分解能が制限される。５００μｍのＧａＡｓウエハー（ＴＨｚレンジの屈折率がｎ＝３．６４）で作られた光伝導アンテナでは、たった１２ｐｓ後にＴＨｚエコーが生じ、分解能が通常９０ＧＨｚ（３ｃｍ^－１）のより低い範囲に制限される。

【0010】

そのような分解能は多くの用途には十分な低い分解能ではあるが、いくつかの用途ではより良い性能が求められる。例えば、ガスの検出及び特定を行うための分光法は、分光法ならではの非侵襲性だけでなく高い選択性を有するため、大いに期待できた。振動遷移や回転振動遷移の複雑なシグネチャーからなる中間赤外スペクトルと比べて、多くの極性分子のＴＨｚ指紋は、固有の分光的特徴を有する単純な回転スペクトルからなり、それにより多くのガスをより効率的かつ正確に検出することが可能となる。ほとんどの純粋な回転スペクトル間隔は一般的に０．１ｃｍ^－１～１０ｃｍ^－１（例えば、ＣＯ分子は、回転定数Ｂ＝２ｃｍ^－１）であるため、そのようなスペクトルの分解にはより高い分解能が必要である。

【0011】

ＴＨｚ－ＴＤＳシステムの高スペクトル分解能化のために、エコー問題に対処する方法がいくつか提案されている。ＴＨｚ反射防止コーティングが開発されているものの、いくつかの欠点がある。誘電性コーティングは波長に依存する（非特許文献２）一方で、薄膜金属コーティングで広帯域設計を実現し得る（非特許文献３）ものの、実現が難しく、重要な損失が生じる。

【0012】

代替的アプローチとしては、基準信号によるデコンボリューションやデコンボリューションアルゴリズムによるエコーキャンセルといった数値的方法を適用する。

【0013】

しかしながら、これらの方法では、前者の場合は基準を用いた慎重なキャリブレーションが必要となり、後者の場合には基板の分散特性の仮定が必要となる。その結果、取得したＴＨｚ信号の複雑性のため、算出したスペクトルにはアーチファクト（加工物）が追加されることがある。

【0014】

最後に、最後の方法は、単に、エコーを時間的に後ろに移動させるように厚い基板上のアンテナを処理することにあり、エコーを取り除くわけではない。また、放出された電力はエコーと主パルスに分散され、ある意味、これが電力損失を引き起こす。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【文献】米国特許出願第２０１４／０２５２３７９号

【非特許文献】

【0016】

【文献】ＩＥＥＥ Ｊ Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔ． ２８ ２４６４、１９９２年

【文献】Ａ．Ｊ．Ｇａｔｅｓｍａｎ、Ｊ．Ｗａｌｄｍａｎ、Ｍ．Ｊｉ、Ｃ．Ｍｕｓａｎｔｅ、Ｓ．Ｙｎｇｖｅｓｓｏｎ著「テラヘルツ周波数でのシリコン光学用反射防止コーティング」、ＩＥＥＥ マイクロ波および導波路通信、第１０巻、第７号、２０００年７月

【文献】Ａｎｄｒｅａｓ Ｔｈｏｍａｎ、Ａｎｄｒｅａｓ Ｋｅｒｎ、Ｈａｎｓｐｅｔｅｒ Ｈｅｌｍ、Ｍａｒｋｕｓ Ｗａｌｔｈｅｒ著「広帯域テラヘルツ反射防止コーティングとしてのナノ構造金膜」、フィジカルレビューＢ ７７、１９５４０５、２００８年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

上記の制限を克服するため、数値的後処理を行うことなく、通常アンテナの基板反射から生じるエコーを本質的に抑制し、損失の影響を受けない新規アンテナ設計が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0018】

従って、本発明は、少なくとも一つの基板と、その基板の前面にある少なくとも一つの電極を有し、テラヘルツ波の生成及び／又は検出を行う光伝導アンテナにおいて、該光伝導アンテナは、テラヘルツ波を反射する材料からなり、基板の前面から波長より短い距離下側に延在する少なくとも一つの層を具備することを特徴とする光伝導アンテナを提供することを目的とする。

【0019】

上記層は、基板の前面から距離５～１０μｍ下側に延在する。

【0020】

また、この層は、金属層であることが好ましい。

【0021】

上記金属は、金、チタン、銀、銅の中から選ばれる。

【0022】

さらに、上記基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、石英、ＩｎＧａＡｓＰの中から選ばれる半導体基板である。

【0023】

本発明の別の目的は、
選択エッチング停止層を形成する層を第１基板に形成する工程と、
選択エッチング停止層上に層を形成する工程と、
上記層上にテラヘルツ波を反射する材料からなる層を形成する工程と、
上記テラヘルツ波を反射する材料からなる層に第２基板を結合する工程と、
上記層と第１基板とを除去する工程と、
上記層上に少なくとも一つの電極を形成する工程と、
を少なくとも具備することを特徴とするテラヘルツ波の生成及び／又は検出を行う光伝導アンテナの製造方法に関する。

【0024】

上記テラヘルツ波を反射する材料からなる層は、金属蒸発によりＧａＡｓ層上に形成される。

【0025】

上記金属は、金、チタン、銀、銅の中から選ばれることが好ましい。

【0026】

さらに、上記第１及び第２基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、石英、ＩｎＧａＡｓＰの中から選ばれる化合物半導体から得られる。

【0027】

また、上記選択エッチング層及び第１基板は、機械エッチング法及び／又は化学エッチング法により除去され、上記電極は、フォトリソグラフィー及び／又は電子ビームリソグラフィーにより形成される。

【0028】

本発明の最後の目的は、テラヘルツ波を生成する生成部と、そのテラヘルツ波を検出する検出部を有し、その生成部と検出部のうちの少なくとも一つが本発明に係る光伝導アンテナを有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光システムに関する。

【0029】

本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の好適な実施形態を図示し、上記説明と共に、本発明の原理を説明する役割を果たすものである。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】従来の光伝導アンテナを示す模式図である。

【図2】従来の光伝導アンテナにより生成された時間領域テラヘルツパルスを示す図である。

【図3】本発明に係る光伝導アンテナを示す模式図である。

【図4】従来の光伝導アンテナにより生成された時間領域テラヘルツパルスと比較して、本発明に係る光伝導アンテナにより生成された時間領域テラヘルツパルスを示す図である。

【図5】本発明に係る光伝導アンテナにより生成されたテラヘルツパルスのスペクトル応答を示す図である。

【図6】従来のアンテナと比べて分解能の増大を示す本発明に係る光伝導アンテナにより生成された時間領域テラヘルツパルスのスペクトル場の拡大図である。

【図7A】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図7B】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図7C】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図7D】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図7E】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図7F】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図7G】本発明に係る光伝導アンテナの製造方法の各工程を示す模式図である。

【図8】本発明に係る光伝導アンテナを少なくとも一つ備えたテラヘルツ時間領域分光システムを示す模式図である。

【図9】本発明に係る光伝導アンテナの一実施例を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図３を参照すると、テラヘルツ波の生成及び／又は検出を行う光伝導アンテナは、基板（１）と、その基板（１）の前面にある２つの電極（２）を有する。この光伝導アンテナは、テラヘルツ波を反射する材料からなり、基板（１）の前面から波長より短い距離下側に延在する層（４）をさらに有する。この層（４）は、金属層であることが好ましく、その材料内のＴＨｚ波の２０μｍを超える波長と比べて、基板（１）の前面から距離５～１０μｍ下側に延在する。基板（１）は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、石英、ＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体から選択可能である。この基板（１）はノンドープＧａＡｓ基板であることが好ましい。なぜなら、ノンドープ基板は金属反射層を浮遊させ、接地接続しないからである。上記層（４）の金属は、金、チタン、銀、銅の中から選ばれる少なくとも一種である。

【0032】

ＴＨｚパルスが挿入された金属面を超えて伝搬する可能性はないので、図４を参照すると、基板と空気の界面から生じるエコーが除去される。さらに、このシステムからはエコーが発生しないので、すべてのＴＨｚ電力が元のＴＨｚパルスにあり、より多くの生成された電力が抽出されることになる。図４は、標準ＴＨｚアンテナと新しいエコーのないＴＨｚアンテナについて得られる放射ＴＨｚ場の一般的なタイムスキャンを示す。標準アンテナ（通常５００μｍの厚さのＧａＡｓ基板を備える）の場合、主なＴＨｚ放射が０ｐｓに見られた後、一連のエコー（３）が１２ｐｓの倍数で基板内の元のＴＨｚパルスの反射から生じる。本発明に係るアンテナについては、主なＴＨｚパルスが０ｐｓに見られるが、エコーは見られない。ＴＨｚ放射はエコーの生成が許されないので、すべてのＴＨｚ電力が表面から抽出され、それにより出力フィールドが増大する。

【0033】

１．２５ＴＨｚ～２．０ＴＨｚのスペクトル領域における上記タイムスキャン（タイムスキャンのフーリエ変換）から得られるスペクトルを示す図５及び図６を参照すると、従来のアンテナ（図６）の場合では吸収ピークが消失していないが、本発明に係るアンテナ（図５及び図６）の場合では１．７ＴＨｚ付近に見られる二重ピーク構造によりピークが明らかに消失している一方、従来のアンテナには一つだけピークが見られることが分かる。

【0034】

図７Ａ～図７Ｇは、本発明に係るテラヘルツ波の生成及び／又は検出を行う光伝導アンテナを製造する方法の各工程を示す。この方法は、選択エッチング停止層を形成するＡｌＧａＡｓ層（１０）を第１ＧａＡｓ基板（１１）に形成する工程（図７Ａ）と、選択エッチング停止ＡｌＧａＡｓ層（１０）上にＧａＡｓ層（１２）を形成する工程（図７Ｂ）と、例えば、金属蒸発により、このＧａＡｓ層（１２）上にテラヘルツ波を反射する材料からなる層（１３）を形成する工程（図７Ｃ）と、このテラヘルツ波を反射する材料からなる層（１３）に第２基板（１４）を結合する工程（図７Ｄ及び図７Ｅ）とを少なくとも有する。また、上記第２基板（１４）は、通常、第１ＧａＡｓ基板（１１）と同じ金属層でコーティングされている。そして、図７Ｆを参照して、上記ＡｌＧａＡｓ層（１０）と第１ＧａＡｓ基板（１１）を機械エッチング法及び／又は化学エッチング法などの任意の適切な方法で除去し、フォトリソグラフィー及び／又は電子ビームリソグラフィーによりＧａＡｓ層（１２）上に少なくとも一つの電極（１５）を形成する。

【0035】

上記テラヘルツ波を反射する材料は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で当業者に周知の任意の適切な方法によりＧａＡｓ層上に形成することができる。また、上記金属は、金、チタン、銀、銅の中から選ばれることが好ましいが、テラヘルツ波を反射する任意の材料で置換することもできる。

【0036】

図８を参照して、本発明に係る光伝導アンテナは、テラヘルツ波を生成する生成部１７と、そのテラヘルツ波を検出する検出部１８を少なくとも有し、その生成部１７と検出部１８のうちの少なくとも一つが本発明に係る光伝導アンテナを有するテラヘルツ時間領域分光システム１６での使用を目的としている。本実施例では、生成部１７が本発明に係る光伝導アンテナを有する。

【0037】

なお、本発明に係る光伝導アンテナは、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、連続波ＴＨｚ分光計などの連続波ＴＨｚシステムにも使用可能である。

【実施例】

【0038】

図９を参照すると、金属‐金属指組み（相互組み合わせ：ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）光伝導アンテナが開示されている。

【0039】

光伝導アンテナは、アンテナギャップにわたって印加されたバイアス磁場において光学的に生成されたキャリアの超高速加減速に基づくものである。これにより、時変電流、ひいては放射電界がその時間導関数に比例して生成される。この電流の時間プロフィールは、光励起パルス長と基板におけるキャリア再結合時間の両方に関連している。光伝導アンテナの変形例は、ＴＨｚパルスを生成する効率的な方法として知られている指組み構造に基づくものである。また、広い面積が照射されるので(～直径５００μｍ)、高い指向性を有する強い放射場が与えられ、電極間隔が小さい可能性があるため、低いバイアスが必要である。

【0040】

いわゆる指組み光伝導（ＩＰＣ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）アンテナの処理は以下のように行われる。ＡＺ５２１４ネガティブフォトレジストを用いたリフトオフ法やＵＶフォトリソグラフィーにより、指組み電極（２）の５ｎｍのＣｒと１５０ｎｍのＡｕからなる第１メタライズ層がノンドープＧａＡＳウエハー上に形成される。電極（２）は４μｍの幅があり、距離Δで等間隔に配置されている。第１メタライズ層の上には、５００ｎｍの厚さのＳｉＯ_２層（５）が配置される。第２金属層は、第１層の２倍の周期性を有するギャップを覆う金属フィンガ（６）からなる。これにより、第１メタライゼーションのギャップの１周期おきに光学的励起を行うことができ、ひいては一つのバイアス磁場方向でのみ励起を行うことができるため、生成されたＴＨｚ遠距離場の相殺的干渉が回避される。電極（２）は、通常１０ｋＶ／ｃｍの電界でＧａＡｓ基板（１）を偏極させる。フェムト秒ＩＲパルスによって基板のキャリアが光励起され、その後、電極（２）により生成された電界によって加速される。標準ＩＰＣアンテナでは、ＴＨｚ放射が空気中とＧａＡｓ基板の両方に放出され、反射の後に不要なエコーが生じる。これを防ぐため、金の面（４）が指組み電極（２）から距離ｄ離れて挿入される。この距離ｄは、ＧａＡｓ層が放出波長より小さくなるように選択され、波長目盛りにおいて限りなく薄いと見なされることでエコーの形成を抑制する。また、時間領域アプローチでは、すべてのエコーが放射の平均振動周期より小さい時間スケールで放出されるほど小さい基板の厚さが選択されると見なされることもある。標準ＩＰＣアンテナでは、通常、スペクトルの範囲が１００ＧＨｚ～４ＴＨｚであり、空気中では７５μｍ～３ｍｍ、ＧａＡｓ中では２２μｍ～９００μｍの波長に対応する。従って、ｄ＝１０μｍの長さは、４ＴＨｚ以下の放射では、ＧａＡｓにおける波動伝搬限界（λ／２基準）に対応する。

【0041】

このようないわゆる金属‐金属（ＭＭ）ＩＰＣの処理は、以下のように行われた。分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）により１０μｍの厚さの非ドープのＧａＡｓ層を成長させた。この成長は、ＡｌＧａＡｓ選択エッチング停止層の後に１０μｍの厚さの非ドープのＧａＡｓ層を成長させたＧａＡｓ基板上で行われた。そして、金の面に対応する金属層（Ｔｉ／Ａｕ）を成長させた層の上に蒸着させた。半絶縁性ＧａＡｓ基板に一般的なウエハーボンディング法を行った後、機械的方法と化学的方法により元のウエハーとＡｌＧａＡｓ層を除去し、エコーを抑制する金属層の上には１０μｍのＧａＡｓ層が残った。そして、この層で標準的なＩＰＣ処理を行う。

【0042】

このようなアンテナは、５００μｍの厚さの非ドープＧａＡｓウエハーに成長させた標準的なＩＰＣのものと比べてその性能を評価するＴＤＳシステムで用いられてきた。上記金の面により基板のＴＨｚ透過が抑えられるので、いずれのアンテナも反射に用いられる。通常１００ｆｓのパルス幅と７７ＭＨｚの繰り返し率を有するＴｉ：サファイアフェムト秒レーザを用いてＴＨｚパルスの生成と放射ＴＨｚの検出の両方が行われる。約１３０ｍＷの平均出力を４Ｖの電圧で偏極したＭＭ－ＩＰＣアンテナに集中させる。ＴＨｚを放物面鏡（直径３’’）で集め、ＴＤＳシステムに接続する。このＴＨｚ－ＴＤＳ機構を低湿度チャンバ（通常、湿度２％）に挿入して、水からのＴＨｚ放射の吸収を防ぐ。放物面鏡でＴＨｚビームとフェムト秒ビームを２００μｍの厚さの＜１１０＞ＺｎＴｅ結晶に集中させて電気光学サンプリング（ＥＯＳ）を行う。比較として、５００μｍの厚さのＧａＡｓ基板を有する標準ＩＰＣが発したＴＨｚ信号の測定を同様の実験条件かつ同じ電気バイアス磁場（１０ｋＶ／ｃｍ）で行った。

【0043】

ＴＨｚパルスはアンテナ基板で部分的に後方反射しないので、すべてのエネルギーが最初で唯一のパルスに集中する。これにより、標準ＩＰＣアンテナで生成されたものに比べてピーク振幅が３倍、ピーク間振幅が４倍のより強力なパルスが得られる。

【0044】

本発明の特定の実施例によれば、図９の金属‐金属指組み光伝導アンテナは、ＧａＡｓ又は前述のその他の材料や層の厚さに対する制限に加えて、ｄ＝λ／２（λは放出／検出が必要な最大周波数に対応する）を示しており、表面接触部の構造も装置の動作には極めて重要である。指組み構造では、接触部の分離Δが最大でもｄ／２である必要がある。これにより、接触部にわたる磁場をアンテナ構造と埋め込まれた金属面間よりも大きくすることができる。よって、装置の大きなスペクトル応答を生じさせることなくエコーを抑制することができる。

【0045】

上記指組み構造を採用することにより、Ｓｉレンズの応用を回避することができる。

【0046】

この指組み構造と埋め込まれた金属層を併用することにより標準ＴＨｚシステムのエコーを抑制する利点が得られる。

【0047】

本発明の特定の実施例において、図９の金属‐金属指組み光伝導アンテナは検出に用いられる。図９のアンテナが検出に用いられると、検出装置からのエコーはまだ存在していた。電極（２）間の厚さｄを有するＧａＡｓ層と反射層（４）の層を、ＬＴ－ＧａＡｓ、ＥｒＡｓ：ＧａＡｓ、Ｆｅ：ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮなどの超高速応答を有する材料の層に置き換えることにより、ＴＨｚシステムからすべてのエコーを取り除くことが可能である。実施例では、ＧａＡｓ層が３層に分離された。一番上の層は２μｍの厚さのＬＴ－ＧａＡｓであり、その下が電子閉塞層としての３００ｎｍのＡｌＧａＡｓ（Ａｌが３０％）、続いてその下が３．７μｍの厚さのＧａＡｓ層である。これにより、全体の厚さがｄ＝６μｍとなる。ソースについて上で取り上げたように、距離Δも３μｍ未満に調整が必要である。この検出用に設計されたアンテナは、ソースとして利用してもよい。なお、ここでは、放出及び検出のいずれにおいても、いわゆるＧａＡｓ層が、例えば、前述のＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、Ｓｉ、石英、ＩｎＧａＡｓＰ、ＬＴ－ＧａＡｓ、ＥｒＡｓ：ＧａＡｓ、Ｆｅ：ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＮなどのいずれかの材料からなってもよい。

【0048】

以上、本開示の実施例を詳細に説明したが、当業者であれば本開示の精神と範囲から逸脱することなくさまざまな変更、置換及び改変を加えることが可能であることが理解されよう。従って、そのような変更、置換及び改変はすべて以下の特許請求の範囲に記載の本開示の範囲に含まれるものとする。

【0049】

例えば、本発明に係る光伝導アンテナは、基板と電極の前にＳｉＯ２層をさらに有してもよく、また、ギャップを覆う金属フィンガからなる第２金属層を有してもよい。

【0050】

特許請求の範囲において、ミーンズ・プラス・ファンクション項は、明記した機能を実行するようにこの中で記載した構造、及び構造的同等物だけでなく同等な構造も包含することを意図するものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図7G】

【図8】

【図9】