專利名稱：光學(xué)元件以及包含它的光學(xué)器件和太赫茲時(shí)域分光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生或檢測(cè)包含從毫米波長(zhǎng)帶到太赫茲波長(zhǎng)帶(30GHz 30THz)的頻域中的成分的太赫茲波的光學(xué)元件、使用該光學(xué)元件的光學(xué)器件和使用該光學(xué)元件的裝置。更特別地，本發(fā)明涉及通過光學(xué)脈沖照射來產(chǎn)生或檢測(cè)包含太赫茲頻帶中的傅立葉成分的電磁波脈沖的光學(xué)元件、使用該光學(xué)元件的光學(xué)器件和使用該光學(xué)元件的太赫茲時(shí)域分光裝置(THz-TDS裝置)。
背景技術(shù)：
近年來，已開發(fā)了使用太赫茲波的無損成像技術(shù)。由于太赫茲波具有優(yōu)于X射線的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因此，太赫茲頻帶中的電磁波的應(yīng)用已被證明是提供遠(yuǎn)比用于執(zhí)行成像的X 射線裝置安全的透視成像裝置的高效技術(shù)。例如，太赫茲波具有非常低的光子能量(例如， 在ITHz處為^ieV)，該光子能量比典型的X射線光子能量(例如，在keV的范圍中)低約一百萬倍。因此，太赫茲波不使生物組織經(jīng)受有害的輻射。并且，例如，已基于太赫茲時(shí)域分光技術(shù)的異常噪聲抑制和極高信噪比，開發(fā)了通過獲得物質(zhì)內(nèi)部的吸收譜和復(fù)介電常數(shù)來確定諸如分子的結(jié)合狀態(tài)的物質(zhì)的物理性能的分光技術(shù)；和對(duì)于生物分子的分析技術(shù)。公知的用于產(chǎn)生太赫茲波的方法是使用光電導(dǎo)元件的方法。光電導(dǎo)元件一般包含特殊的半導(dǎo)體和布置于半導(dǎo)體之上的兩個(gè)電極。該特殊的半導(dǎo)體特征是相對(duì)大的遷移率和相對(duì)少的皮可秒或更短的載流子壽命持續(xù)時(shí)間。如果當(dāng)在電極之間施加電壓的同時(shí)用超短脈沖光照射電極之間的間隙，那么激勵(lì)的光載流子瞬時(shí)地承載電極之間的電流，并且，輻射太赫茲波。上述的測(cè)量和成像技術(shù)正得到研究，而這種光電導(dǎo)元件也被用作太赫茲波的檢測(cè)器以提供THz-TDS。在以上的技術(shù)的狀況下，鈦-藍(lán)寶石激光器一般被用作產(chǎn)生在SOOnm的中心波長(zhǎng)處的光的超短脈沖的激勵(lì)源。但是，為了減小尺寸并降低成本，希望使用具有在通信波帶中的中心波長(zhǎng)的光纖激光器。在這種情況下，激勵(lì)光的波長(zhǎng)為Iym 或更長(zhǎng)。被用于光電導(dǎo)元件的低溫生長(zhǎng)(LT-)GaAs對(duì)于該波長(zhǎng)表現(xiàn)為透明體。由此，不能使用GaAs。因此，作為代替GaAs的光電導(dǎo)材料，正在研究LT-InGaAs (參見日本專利公開 No. 2006-086227)。但是，InGaAs具有比GaAs小的帶隙，這意味著這種類型的本征半導(dǎo)體的載流子濃度會(huì)增加。并且，隨著晶體缺陷增加，剩余載流子濃度增加。由此，難以增加電阻。由此， 與GaAs相比，不能增加施加電壓，并且，難以增加光載流子數(shù)的時(shí)間微分變化量。因此，太赫茲波產(chǎn)生效率受到限制。太赫茲波的產(chǎn)生效率的限制是對(duì)于開發(fā)通信波帶的光電導(dǎo)元件的明顯瓶頸。由此，已提出新的光控開關(guān)系統(tǒng)。提出的新系統(tǒng)使用不使用光電導(dǎo)性的肖特基(Schottky)結(jié)。#JAL 2008Conference on Quantum Electronics and Laser Science, Conferenceon Lasers and Electro-Optics,CLEO/QELS 2008,Article number4551244。禾用在圖6中再現(xiàn)其基本概念的該系統(tǒng)，用激勵(lì)光73照射被布置在半絕緣InP基板70和Ti/ Au電極71之間的肖特基結(jié)部分72。從而，獲得用于跨越肖特基勢(shì)壘的能量的電子瞬時(shí)地從電極71移動(dòng)到hP基板70，并且，產(chǎn)生太赫茲波。在這種情況下，激勵(lì)光73具有1. 5 μ m帶中的波長(zhǎng)。該光不被InP基板70吸收，但是具有比肖特基勢(shì)壘的高度大的光學(xué)能量。由于使用半絕緣hP，因此元件具有比InGaAs類型高的電阻，并且由此可向其施加更高的電場(chǎng)。因此，可以以高度有效的方式產(chǎn)生太赫茲波。但是，通過在 2008Conference on Quantum Electronics and LaserScience, Conference on Lasers and Electro-Optics, CLE0/QELS 2008, Article number 4551244 中描述的肖特基型元件，難以有效地用激勵(lì)光照射電極和半導(dǎo)體之間的界面。這是由于，參照?qǐng)D6，基本上電極71和半導(dǎo)體70的端部72被光73照射并且只有在端部附近形成的肖特基結(jié)被用作太赫茲波產(chǎn)生區(qū)域。即，由于從電極之上發(fā)射激勵(lì)光73，因此，被光照射的肖特基結(jié)區(qū)域的面積變小，從而導(dǎo)致太赫茲波的產(chǎn)生效率受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于這些情況，本發(fā)明提供這樣的光學(xué)元件，該光學(xué)元件被配置為被光照射并且響應(yīng)于此產(chǎn)生或檢測(cè)太赫茲波，并且包含以下的配置。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的光學(xué)元件包含具有比所述光的光子能量大的能量帶隙的半導(dǎo)體層；和在與半導(dǎo)體層的電氣接觸中形成的多個(gè)電極。所述電極中的至少一個(gè)形成在該電極和半導(dǎo)體層之間的肖特基結(jié)，該肖特基結(jié)具有比所述光的光子能量小的勢(shì)壘高度。形成肖特基結(jié)的電極和半導(dǎo)體層之間的結(jié)表面的至少一部分包含光照射表面，該光照射表面被布置為從半導(dǎo)體層的沒有電極的表面用光照射；和耦合結(jié)構(gòu)的一部分，該耦合結(jié)構(gòu)的一部分被布置為與用光的照射而產(chǎn)生或檢測(cè)的太赫茲波耦合。通過該配置，從半導(dǎo)體層用光照射形成肖特基結(jié)的結(jié)表面，作為結(jié)果，結(jié)表面處的光照射區(qū)域擴(kuò)展。因此，可以增加太赫茲波的產(chǎn)生效率和檢測(cè)效率。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下說明，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。


圖IA IC是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖2A和圖2B是解釋肖特基結(jié)的示圖。圖3A和圖;3B是表示根據(jù)本發(fā)明的第二和第三實(shí)施例的光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖4A和圖4B是表示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)圖。圖5是表示使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)器件的、根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的分光裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖6是表示現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)元件是肖特基型元件。在典型的光電導(dǎo)元件中，用激勵(lì)光照射電極之間的區(qū)域，并且，通過帶間遷移產(chǎn)生載流子。相反，在根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的光學(xué)元件的情況下，用激勵(lì)光照射電極和作為光電導(dǎo)膜的半導(dǎo)體層之間的結(jié)表面，以使電極的載流子跨越勢(shì)壘。并且，在現(xiàn)有技術(shù)的肖特基型元件的情況下，從上側(cè)(電極側(cè))將激勵(lì)光發(fā)射到電極和光電導(dǎo)膜之間的結(jié)表面附近的區(qū)域上。相反，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)元件的情況下，從半導(dǎo)體層的沒有電極的表面(從半導(dǎo)體層的沒有電極的平面表面或側(cè)表面)發(fā)射激勵(lì)光。因此，結(jié)表面處的光照射區(qū)域擴(kuò)展。并且，在光照射表面附近形成耦合結(jié)構(gòu)的配置部分。因此，太赫茲波與耦合結(jié)構(gòu)耦合，以便太赫茲波的有效輻射或檢測(cè)。基于該前提，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)元件的基本結(jié)構(gòu)具有以上的配置。以下將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例和例子。第一實(shí)施例參照?qǐng)DIA中的透視圖和沿圖IA中的線IB-IB截取的圖IB中的截面圖，描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的光學(xué)元件。本實(shí)施例提供這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許從基板1用激勵(lì)光6照射在與天線組合的電極3和半導(dǎo)體層2之間的結(jié)表面，該與天線組合的電極3包含多個(gè)電極，所述多個(gè)電極包含具有希望的頻率特性的電磁波耦合結(jié)構(gòu)。因此，基板1不是當(dāng)半導(dǎo)體層2經(jīng)受外延生長(zhǎng)時(shí)獲得的基板，而是由對(duì)于照射的激勵(lì)光6透明并具有小的波長(zhǎng)分散(dispersion)的材料制成的基板。半導(dǎo)體層2被轉(zhuǎn)印到基板1上。即，半導(dǎo)體層2是通過去除外延層的生長(zhǎng)基板并將去除后的部分轉(zhuǎn)印到另一基板1上而獲得的外延層。通過在具有比激勵(lì)光6的光子能量大的帶隙的半導(dǎo)體層2上形成與天線組合的電極3，設(shè)置被布置于金屬和半導(dǎo)體之間并形成肖特基結(jié)的接觸部分。形成肖特基結(jié)的電極用作與天線組合的電極3，該與天線組合的電極3包含被激勵(lì)光6照射的光照射表面和與在其中產(chǎn)生的太赫茲波耦合的耦合結(jié)構(gòu)。利用該配置，光到達(dá)光照射表面之前的激勵(lì)光6的透射區(qū)域包含半導(dǎo)體層2的區(qū)域和在激勵(lì)光6的波長(zhǎng)帶中具有比半導(dǎo)體層2的波長(zhǎng)分散小的波長(zhǎng)分散的基板1的區(qū)域。換句話說，激勵(lì)光6在透過與天線組合的電極3的光照射表面正下方的半導(dǎo)體層2的區(qū)域和基板1的區(qū)域之后到達(dá)光照射表面。基板1的區(qū)域在激勵(lì)光6的波長(zhǎng)帶中具有比半導(dǎo)體層2的波長(zhǎng)分散小的波長(zhǎng)分散。在本實(shí)施例中，電磁波耦合結(jié)構(gòu)是這樣的與天線組合的電極3，其包含用于通過與產(chǎn)生的太赫茲波的耦合進(jìn)行再輻射的間隙部分并具有希望的頻率特性。作為替代方案，電磁波耦合結(jié)構(gòu)可以是典型的耦合結(jié)構(gòu)。在圖IA中， 附圖標(biāo)記4表示用于向與天線組合的電極3供給偏壓的導(dǎo)線和焊盤。將參照?qǐng)D2A和圖2B描述用于產(chǎn)生太赫茲波的原理。圖2A示出在金屬和半導(dǎo)體之間的接觸部分附近的能量帶結(jié)構(gòu)。附圖標(biāo)記M表示結(jié)部分。左側(cè)表示金屬(在以上的結(jié)構(gòu)中，為與天線組合的電極3)，右側(cè)表示半導(dǎo)體(在以上的結(jié)構(gòu)中，為半導(dǎo)體層2)。附圖標(biāo)記50是金屬的費(fèi)米能級(jí)(level)。通過結(jié)，金屬的費(fèi)米能級(jí)50與半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)52 一致。在該解釋圖中，附圖標(biāo)記51和53分別表示半導(dǎo)體的導(dǎo)帶(conduction band)和價(jià)帶(valence band)。例如，該圖示出由于使用半絕緣半導(dǎo)體因此費(fèi)米能級(jí)基本上被布置在中心處的情況。并且，附圖示出金屬的功函數(shù)Φπι與半導(dǎo)體的功函數(shù)—致，從而使得形成平帶(flat band)的情況。此時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶51被布置于比金屬的費(fèi)米能級(jí)50高 q(c5m-X)(q是元電荷)的能量位置處。差值定義肖特基勢(shì)壘qOb。這里，χ是半導(dǎo)體的電子親和勢(shì)，并且代表真空能級(jí)和導(dǎo)帶51之間的能量差的量。理想地以這種方式確定肖特基勢(shì)壘。但是，實(shí)際上根據(jù)表面條件會(huì)出現(xiàn)釘扎(pinning)，由此Ob趨于變小。必須通過實(shí)際的測(cè)量獲得肖特基勢(shì)壘。當(dāng)通過將陽極與半導(dǎo)體連接并使陰極與金屬連接對(duì)上述的配置施加偏壓時(shí)，由于肖特基勢(shì)壘，因此電流一般幾乎不流動(dòng)。如圖2B所示，如果用具有比勢(shì)壘高度q。b大的光子能量的光陽照射肖特基結(jié)附近的區(qū)域，那么獲取能量的電子跨越具有比光的光子能量小的能量的勢(shì)壘。另外，通過向半導(dǎo)體施加的電場(chǎng)，加速電子。如果此時(shí)瞬時(shí)地執(zhí)行光照射，那么瞬時(shí)承載電流流動(dòng)，偶極子變化，并且由此產(chǎn)生太赫茲帶中的電磁波。如果以毫微微秒量級(jí)的光學(xué)脈沖執(zhí)行光照射，那么可以產(chǎn)生包含太赫茲帶中的傅立葉頻率成分的電磁波脈沖。該光學(xué)元件與上述的光電導(dǎo)元件的不同在于，代替通過具有大于或等于半導(dǎo)體的能量帶隙的光子能量的光的照射獲取的光載流子，使用具有跨越肖特基勢(shì)壘的能量的光電子。由此，照射光55的光子能量可比半導(dǎo)體層的帶隙能量小，并且，在這種情況下，照射光 55可透過半導(dǎo)體層。并且，沿圖2B所示的方向的電場(chǎng)的施加可保持高的電阻?？梢允┘痈叩碾妶?chǎng)，直到出現(xiàn)擊穿。相反，利用上述的InGaAs光電導(dǎo)元件，由于電阻低，因此，在出現(xiàn)擊穿之前電流會(huì)增加。因此，施加電壓的大小受到限制。如果穿過半導(dǎo)體的電子由于例如半導(dǎo)體中的散射而損失能量，那么不再產(chǎn)生電磁波。一般地，如果光學(xué)脈沖為幾百毫微微秒或更短，那么電子由于縱向光學(xué)光子散射而消失。與在載流子再耦合時(shí)消失的載流子的壽命相比，該值對(duì)于典型的半導(dǎo)體足夠短。因此， 可以產(chǎn)生太赫茲脈沖。在上述的配置中，向與天線組合的電極對(duì)3中的用作電子的發(fā)射極的電極部分，施加光陽的照射。即，在本實(shí)施例中，光照射表面是用作發(fā)射極的電極部分。 此時(shí)，如果在布置有間隙部分的與天線組合的電極3的其它電極部分(其不被光照射)處形成類似的肖特基結(jié)，那么，由于其它電極部分的條件與圖2B所示的條件相反地被施加偏壓，因此，半導(dǎo)體層的傳導(dǎo)電子可傳導(dǎo)到其它電極部分。應(yīng)當(dāng)注意，可以在用作集電極的其它電極部分處形成肖特基結(jié)或歐姆結(jié)。如上所述，如果用毫微微秒量級(jí)的超短脈沖照射肖特基結(jié)部分附近的區(qū)域，那么產(chǎn)生太赫茲波。此時(shí)，如果如典型的光電導(dǎo)元件那樣偶極天線等被設(shè)置在電磁波產(chǎn)生部分附近，那么產(chǎn)生的太赫茲波7與天線暫時(shí)耦合，并且然后沿如圖IB中的向上指示的方向所示的方向被輻射。產(chǎn)生的太赫茲波具有根據(jù)天線特性的方向性和頻率特性。為了提高輻射方向性，希望使用如圖IB所示的由高電阻硅制成的超半球形透鏡5。但是，可以省略超半球形透鏡5。在以上的描述中，已描述了平帶類型。但是，可根據(jù)金屬、半導(dǎo)體材料和傳導(dǎo)類型的組合，設(shè)想各種情況。因此，如果形成肖特基勢(shì)壘，那么作為本實(shí)施例的變更方式可應(yīng)用這樣的各種情況。例如，即使利用相同的半導(dǎo)體材料，如果執(zhí)行雜質(zhì)摻雜，那么費(fèi)米能級(jí)可改變并且功函數(shù)可改變。因此，可適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)肖特基勢(shì)壘的形式。并且，如果正空穴用作載流子，那么上述的陽極和陰極可被交換。此時(shí)，由于正空穴具有與電子不同的有效質(zhì)量，因此，必須根據(jù)有效質(zhì)量設(shè)計(jì)金屬和半導(dǎo)體之間的接觸部分附近的能帶結(jié)構(gòu)。利用本實(shí)施例，可提供在肖特基結(jié)部分處具有擴(kuò)展的光照射區(qū)域的結(jié)構(gòu)。可通過光的激勵(lì)有效地產(chǎn)生或檢測(cè)太赫茲波。特別地，可以提供用作對(duì)于Iym或更長(zhǎng)的通信波長(zhǎng)帶中的激勵(lì)光有效的光學(xué)元件的太赫茲波產(chǎn)生和檢測(cè)元件、使用該元件的測(cè)量裝置和使用該元件的成像裝置。在這種情況下，使用光纖的激勵(lì)激光器可用作照射單元，并由此可減小裝置的尺寸并降低其成本。并且，由于如果通過減小電極的厚度來增加光透射率則不必?cái)U(kuò)展肖特基結(jié)部分處的光照射區(qū)域，因此，可以防止出現(xiàn)電阻增加和太赫茲波的損失增加的現(xiàn)象。例子 1將描述與第一實(shí)施例對(duì)應(yīng)的例子1。本例子具有基本上與第一實(shí)施例相同的配置。
6在本例子中，提供圖IA或圖IB所示的配置?；?可由對(duì)于照射的激光透明并具有小的波長(zhǎng)分散的材料制成。該材料一般可為石英、藍(lán)寶石或樹脂?；?的光入射表面可例如通過非反射涂覆被處理(未示出)。半導(dǎo)體層2可使用半絕緣hP?？梢岳缤ㄟ^利用Au/ Ti膜的氣相沉積，形成與天線組合的電極3。通過材料的這種組合，Au具有約5. IeV的功函數(shù)，Ti具有約4. 3eV的功函數(shù)，并且，InP具有4. 4eV的電子親和勢(shì)。InP具有1. 35eV的能量帶隙。如果材料是半絕緣材料，那么其費(fèi)米能級(jí)處于比導(dǎo)帶低1. 35/2 ^ 0. 68eV的位置處，并且，該能級(jí)基本上與Au的費(fèi)米能級(jí)一致。由此，可以形成圖2A所示的平帶。事實(shí)上，存在其中Au/Ti和InP之間的肖特基勢(shì)壘具有約0. 5eV的高度的實(shí)際測(cè)量例子。肖特基結(jié)部分的導(dǎo)帶彎曲。即使在這種情況下，直到光到達(dá)光照射表面為止(之前)的光6的透射區(qū)域包含半導(dǎo)體層2的區(qū)域和在光6的波長(zhǎng)帶中具有比半導(dǎo)體層2的波長(zhǎng)分散小的波長(zhǎng)分散的基板1(例如，石英)的區(qū)域。肖特基勢(shì)壘的高度為約2. 4 μ m，并且，具有與hP的能隙對(duì)應(yīng)的光子能量的光的波長(zhǎng)為約0. 91 μ m。例如，如果使用具有1. 55 μ m帶的通信波長(zhǎng)帶的光纖型毫微微秒激光器，那么可在肖特基結(jié)部分處激勵(lì)光電子，而不在半導(dǎo)體層2中激勵(lì)光電子。因此，這種毫微微秒激光器的使用適于減小系統(tǒng)的尺寸并降低其成本。在本例子中，如圖IC所示，與天線組合的電極3具有間隙為5 μ m、天線長(zhǎng)度為15 μ m且寬度為10 μ m的天線形狀。但是，形狀不限于此。半絕緣InP膜的半導(dǎo)體層2由狗摻雜形成并具有1 μ m的厚度。通過以外延轉(zhuǎn)印技術(shù)在InP基板上重定位(relocate)外延膜使得在其間布置InGaAs犧牲層，在基板 1上設(shè)置InP膜。該膜可通過直接接合或通過使用粘接劑的方法，與諸如石英的保持基板1 結(jié)合。在半絕緣InP基板與保持基板1接合之后，如果通過拋光等留下薄膜，那么可以在沒有外延層的膜沉積的情況下形成半導(dǎo)體層2。如果在與天線組合的電極3的其它電極部分處形成歐姆結(jié)，那么可設(shè)想以下方法 (未示出)，使得雜質(zhì)可以在電極區(qū)域中擴(kuò)散，電極區(qū)域可通過使用AuGe/Ni/Au電極變?yōu)楹辖?，或者，可以在電極下面選擇性地設(shè)置n-hGaAs外延層。在圖IA或圖IB中，半導(dǎo)體層2 具有比基板1的尺寸小的尺寸。但是，這些部件可具有相同的形狀，或者，可僅在被與天線組合的電極3的天線占據(jù)的區(qū)域中形成半導(dǎo)體層2。如果基板1為InP基板，那么，由于出現(xiàn)波長(zhǎng)分散，那么，即使激勵(lì)光入射到基板上，也不能獲得希望窄的脈沖寬度。相反，本例子提供適于從基板1的光的入射的結(jié)構(gòu)。可以用光照射在結(jié)表面處的其中電極與半導(dǎo)體接觸并由此形成肖特基結(jié)的寬區(qū)域。因此，可以高度有效地產(chǎn)生和檢測(cè)太赫茲脈沖。其它的點(diǎn)與第一實(shí)施例類似。第二實(shí)施例將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D3A，與天線組合的電極22與保持基板20結(jié)合。在外延生長(zhǎng)中使用的半導(dǎo)體從半導(dǎo)體層21被去除并將半導(dǎo)體層21轉(zhuǎn)印到保持基板20上。如果在保持基板20的表面上形成用于偏壓施加的電極布線，那么半導(dǎo)體層21的表面上的與天線組合的電極22可與保持基板20結(jié)合，使得與天線組合的電極 22與電極布線電氣接觸。通過該結(jié)構(gòu)，具有對(duì)于太赫茲波的良好透過性的高電阻硅、石英、 或諸如石蠟、特氟綸(Teflon，注冊(cè)商標(biāo))或聚乙烯的樹脂適用于保持基板20。在這種情況下，激勵(lì)激光23從沒有電極(即，沒有與天線組合的電極22)的側(cè)入射到半導(dǎo)體層21上。 對(duì)于半導(dǎo)體層21使用與第一實(shí)施例中的材料類似的材料，并且，基于相同的原理產(chǎn)生和輻射太赫茲脈沖對(duì)。保持基板20可具有透鏡形狀，或者另外包含用于提高太赫茲波的輻射的方向性的透鏡。在本實(shí)施例中，直到光到達(dá)光照射表面為止的激勵(lì)激光23的透明區(qū)域僅包含半導(dǎo)體層21的區(qū)域。即，為了到達(dá)光照射表面，激勵(lì)激光23僅需要穿過對(duì)于激勵(lì)激光 23透明的半導(dǎo)體層21的區(qū)域。通過本實(shí)施例，激勵(lì)光23僅透過薄半導(dǎo)體層21，并且在沒有分散損失的情況下被發(fā)射到肖特基結(jié)部分上?？砂l(fā)射不受分散影響并由此具有大的帶寬的光，并且，可以擴(kuò)展太赫茲波的帶。其它的點(diǎn)與第一實(shí)施例類似。第三實(shí)施例將描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D:3B，在保持基板30的一部分處制作孔穴33，使得激勵(lì)激光34可通過半導(dǎo)體層31直接入射到與天線組合的電極32與半導(dǎo)體層31之間的肖特基結(jié)部分上。因此，產(chǎn)生并輻射太赫茲脈沖35。在該元件中，基板僅需要為具有孔穴的保持基板30。基板可以為絕緣基板或經(jīng)由絕緣層附接到半導(dǎo)體層31的基板。基板30的材料不被特別限制。由此，可直接使用當(dāng)半導(dǎo)體層31經(jīng)受外延生長(zhǎng)時(shí)獲得的基板。在本實(shí)施例中，直到光到達(dá)光照射表面為止的激勵(lì)激光34的透明區(qū)域僅包含半導(dǎo)體層31的區(qū)域。當(dāng)制作孔穴時(shí)，如果在半導(dǎo)體基板和半導(dǎo)體層31之間設(shè)置蝕刻阻止層，那么可提高可控性。例如，在InP型的情況下，使用MGaAs等的蝕刻阻止層。本實(shí)施例提供激勵(lì)激光34和太赫茲波在真空中或在空氣中傳播但基本上不穿過物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。光和太赫茲波幾乎不受材料的波長(zhǎng)分散影響。其它的點(diǎn)與第一實(shí)施例類似。第四實(shí)施例將描述本發(fā)明的第四實(shí)施例。在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D4A或圖4B，在半導(dǎo)體層41的上表面和下表面上形成用作電極的與天線組合的電極42和與天線組合的電極43。在這些電極之間具有間隙，該間隙由半導(dǎo)體層41的膜厚限定。一個(gè)電極線43被設(shè)置在保持基板 40的表面上，半導(dǎo)體層41如第一實(shí)施例那樣被轉(zhuǎn)印到其上面，并且，在其上面形成也用作天線的另一電極線42。在這種情況下，例如，與電極線43平行地延伸的電極線42被設(shè)計(jì)為用作天線。在本實(shí)施例中，參照?qǐng)D4A，激勵(lì)激光44入射到被布置在與天線組合的電極42和與天線組合的電極43之間的半導(dǎo)體層41的端部的側(cè)端面上。即，用激勵(lì)激光44照射的光照射表面位于相對(duì)于半導(dǎo)體層41的端部處的電極的結(jié)表面處。如果基板40使用諸如石蠟的樹脂，那么，由于半導(dǎo)體層41具有小的光吸收率和比樹脂基板40的折射率高的折射率， 因此被布置在空氣和樹脂之間的半導(dǎo)體層41用作沿相對(duì)于與天線組合的電極42和與天線組合的電極43的結(jié)表面延伸的板片波導(dǎo)(slab waveguide)。因此，入射到半導(dǎo)體層41的側(cè)端表面上的激勵(lì)激光44可以在傳播通過板片波導(dǎo)的同時(shí)高度有效地在肖特基結(jié)上產(chǎn)生光電子。與第一實(shí)施例類似，可以設(shè)置由高電阻硅制成的超半球形透鏡45以提高太赫茲波 46的方向性。其它的點(diǎn)與第一實(shí)施例類似。第五實(shí)施例將參照?qǐng)D5描述太赫茲時(shí)域分光系統(tǒng)(THz-TDS系統(tǒng))的第五實(shí)施例。在這種情況下，通過使用包含根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的任一個(gè)的光學(xué)元件、光源和光學(xué)單元的光學(xué)器件作為太赫茲脈沖產(chǎn)生單元，構(gòu)建時(shí)域分光裝置。這種分光系統(tǒng)基本上與已知的系統(tǒng)相
8同。分光系統(tǒng)包含用作光源的短脈沖激光器830、半反射鏡910、用作延遲單元的光學(xué)延遲系統(tǒng)920、電磁波產(chǎn)生元件800和電磁波檢測(cè)元件940，作為主要元件。被半反射鏡910分割的泵浦光931和探針光932分別通過用作光學(xué)單元的透鏡990和980發(fā)射到電磁波產(chǎn)生元件800以及電磁波檢測(cè)元件940上。附圖標(biāo)記800是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的任一個(gè)的光學(xué)元件，并且形成電磁波產(chǎn)生元件，使得穿過透鏡990的泵浦光931發(fā)射到具有肖特基結(jié)的電極的光照射表面上。只要延遲單元可調(diào)整通過電磁波產(chǎn)生元件800的太赫茲波的產(chǎn)生和通過電磁波檢測(cè)元件940的太赫茲波的檢測(cè)之間的延遲時(shí)間，延遲單元可為任意類型的單元。從電磁波產(chǎn)生元件800(從電壓源820對(duì)其施加電壓)產(chǎn)生的太赫茲波通過太赫茲波導(dǎo)933和935被引向樣品950。包含諸如樣品950的吸收譜的信息的太赫茲波被太赫茲波導(dǎo)934和936引導(dǎo)并被電磁波檢測(cè)元件940檢測(cè)。在這種情況下，電磁波檢測(cè)元件940 是現(xiàn)有技術(shù)的LT-GaAs的光電導(dǎo)元件。與電磁波檢測(cè)元件940連接的安培計(jì)960提供與檢測(cè)的太赫茲波的振幅成比例的檢測(cè)的電流值。為了執(zhí)行時(shí)間分解(resolution)(即，獲取電磁波的時(shí)間波形)，可以例如通過對(duì)改變探針光932的光路長(zhǎng)度的光學(xué)延遲系統(tǒng)920進(jìn)行移動(dòng)，控制泵浦光931和探針光932的照射定時(shí)。在本實(shí)施例中，短脈沖激光器830(激勵(lì)激光源)可采用1.5μπι帶光纖型毫微微秒激光器，并且，根據(jù)本發(fā)明的本實(shí)施例的產(chǎn)生元件800可采用使用由半絕緣hP和Au/Ti 限定的肖特基結(jié)的例子1中的元件。雖然檢測(cè)部分中的部件的數(shù)量增加，但是，如果對(duì)于探針光932插入第二諧波產(chǎn)生器(SHG晶體)970并且電磁波檢測(cè)元件940采用低溫生長(zhǎng)GaAs 的光電導(dǎo)元件，那么可以提高信噪比。如上所述，可通過使用作為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的光學(xué)器件的太赫茲脈沖產(chǎn)生單元，形成太赫茲時(shí)域分光系統(tǒng)。作為替代方案，可通過使用包含根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的任一個(gè)的光學(xué)元件、光源和光學(xué)單元的光學(xué)器件作為太赫茲脈沖檢測(cè)單元，形成時(shí)域分光裝置。例子2將描述與第五實(shí)施例對(duì)應(yīng)的例子2。在本例子中，向根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電磁波產(chǎn)生元件800施加20V的電壓，并且，作為泵浦光931，從具有1. 56 μ m的波長(zhǎng)的短脈沖激光器830 (光纖激光器)照射具有30fsec的脈沖寬度和20mW的平均功率的超短脈沖光。在檢測(cè)部分中，通過具有5mW的功率的探針光932的照射檢測(cè)的電流通過具有約IO7的放大因子和IOkHz的帶的跨阻抗放大器被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并且，如果必要的話，插入濾波器。因此，一般觀察具有約IOOmV的峰值的太赫茲脈沖。通過由光學(xué)延遲系統(tǒng)920調(diào)制探針光932 的光路長(zhǎng)度，可基于采樣的原理測(cè)量產(chǎn)生的太赫茲波脈沖的時(shí)間波形。通過對(duì)于獲得的時(shí)間波形執(zhí)行傅立葉變換，可以獲得超過5THz的帶中的譜。驅(qū)動(dòng)條件僅是例子，向電磁波產(chǎn)生元件800的施加電壓和照射光的功率不限于上述值。作為替代方案，可以用IOkHz調(diào)制向電磁波產(chǎn)生元件800的施加電壓，或者，可通過使用光學(xué)斬波器調(diào)制光強(qiáng)度，并且，可通過鎖入放大器的檢測(cè)來檢測(cè)信號(hào)。第六實(shí)施例作為太赫茲波產(chǎn)生元件，描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的任一個(gè)的光學(xué)元件。但是， 光學(xué)元件可被用作檢測(cè)元件。檢測(cè)元件可具有與當(dāng)描述第一實(shí)施例時(shí)參照的圖IA或圖IB 所示的配置相同的配置。太赫茲波7的傳播方向瞄準(zhǔn)該元件。對(duì)于太赫茲波的檢測(cè)原理如下。通過激勵(lì)光6的照射獲取能量的電子跨越由于輸入的太赫茲波7的電場(chǎng)產(chǎn)生的勢(shì)壘， 并且穿過半導(dǎo)體層2。因此，電流在電極之間流動(dòng)，并且，通過檢測(cè)電流，可以檢測(cè)太赫茲波的電場(chǎng)強(qiáng)度。在這種情況下，太赫茲波7耦合到與天線組合的電極3并被有效地獲取。激勵(lì)光6有效地向電子施加能量。即，在用光6照射光照射表面的定時(shí)，激勵(lì)光電子。如果施加由于太赫茲波7導(dǎo)致的電場(chǎng)，那么根據(jù)極性獲得圖2B所示的能帶結(jié)構(gòu)。因此，由于光電子流動(dòng)，可以檢測(cè)由于太赫茲波7導(dǎo)致的電場(chǎng)。但是，與光電導(dǎo)元件不同，該配置不是雙極性的。當(dāng)分析輸出波形時(shí)， 必須通過諸如先前獲得的校準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。雖然已參照示例性實(shí)施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有的變更方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種被配置為被光照射并且響應(yīng)于此產(chǎn)生或檢測(cè)太赫茲波的光學(xué)元件，該光學(xué)元件包含具有比所述光的光子能量大的能量帶隙的半導(dǎo)體層；和在與半導(dǎo)體層的電氣接觸中形成的多個(gè)電極，其中，所述電極中的至少一個(gè)形成在該電極和半導(dǎo)體層之間的肖特基結(jié)，該肖特基結(jié)具有比所述光的光子能量小的勢(shì)壘高度，并且，其中，形成肖特基結(jié)的電極和半導(dǎo)體層之間的結(jié)表面的至少一部分包含 被布置為從半導(dǎo)體層的沒有電極的表面用光照射的光照射表面；和被布置為與用光的照射而產(chǎn)生或檢測(cè)的太赫茲波耦合的耦合結(jié)構(gòu)的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中，所述光在透過半導(dǎo)體層的區(qū)域和在光的波長(zhǎng)帶中具有比半導(dǎo)體層的波長(zhǎng)分散小的波長(zhǎng)分散的基板的區(qū)域之后，到達(dá)光照射表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中，所述光在僅透過半導(dǎo)體層的區(qū)域或僅透過在光的波長(zhǎng)帶中具有比半導(dǎo)體層的波長(zhǎng)分散小的波長(zhǎng)分散的基板的區(qū)域之后到達(dá)光照射表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中，光照射表面被設(shè)置在半導(dǎo)體層的端部處并限定所述光的波導(dǎo)的一部分，該波導(dǎo)沿結(jié)表面延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中，耦合結(jié)構(gòu)是由電極形成的天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件，其中，半導(dǎo)體層是通過去除外延層的生長(zhǎng)基板并將去除后的部分轉(zhuǎn)印到另一基板上而獲得的外延層。
7.一種被布置為產(chǎn)生或檢測(cè)太赫茲波的光學(xué)器件，該光學(xué)器件包含 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)元件；被布置為輸出激勵(lì)光學(xué)元件的光的光源；和被布置為從半導(dǎo)體層的沒有電極的表面通過光源的光照射光照射表面的光學(xué)單元。
8.一種太赫茲時(shí)域分光裝置，包括產(chǎn)生單元，所述產(chǎn)生單元被布置為產(chǎn)生太赫茲波；檢測(cè)單元，所述檢測(cè)單元被布置為檢測(cè)從產(chǎn)生單元輻射的、被發(fā)射到樣品上并到達(dá)檢測(cè)單元的太赫茲波；和延遲單元，所述延遲單元被布置為調(diào)整通過產(chǎn)生單元的太赫茲波的產(chǎn)生和通過檢測(cè)單元的太赫茲波的檢測(cè)之間的延遲時(shí)間，其中，產(chǎn)生單元和檢測(cè)單元中的至少一個(gè)是根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)元件以及包含它的光學(xué)器件和太赫茲時(shí)域分光裝置。該光學(xué)元件包含具有比光的光子能量大的能量帶隙的半導(dǎo)體層；和與半導(dǎo)體層電氣接觸的多個(gè)電極。所述電極中的至少一個(gè)形成在該電極和半導(dǎo)體層之間的肖特基結(jié)；該肖特基結(jié)具有比光的光子能量小的勢(shì)壘高度。形成肖特基結(jié)的電極和半導(dǎo)體層之間的結(jié)表面的至少一部分包含被布置為從半導(dǎo)體層的沒有電極的表面用光照射的光照射表面；和被布置為與用光的照射而產(chǎn)生或檢測(cè)的太赫茲波耦合的耦合結(jié)構(gòu)的一部分。
文檔編號(hào)G01N21/00GK102194914SQ201110049029
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月2日
發(fā)明者尾內(nèi)敏彥 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社