방사선 발생 및 검출

방사선 발생 및 검출{GENERATING AND DETECTING RADIATION}

본 발명은 일반적으로 방사선의 발생, 검출 및 용도에 관한 것으로서, 특히, 배타적이지는 않지만, THz 방사선의 발생, 검출 및 용도에 관한 것이다.

THz 방사선(즉, 50 GHz - 20 THz 범위의 주파수를 갖는 방사선)의 발생, 검출 및 용도는 공지되어 있다. THz 방사선의 발생 및 검출을 활용한 하나의 응용분야는 THz 시간-영역 분광법(time-domain spectroscopy)이다. 이는 THz 방사선의 짧은 펄스가 물질의 특성을 프로브(probe)하기 위해 발생되고 이용되는 분광 기술이다. 발생된 THz 펄스들은 프로브될 물질 또는 대상의 샘플 쪽으로 유도되며, 이어서 샘플 또는 대상을 통과하여 투과되거나, 샘플 또는 대상으로부터 반사되는 방사선이 검출된다. THz 방사선의 이용은 다른 유형의 분광법들에 비해 몇 가지 장점이 있다. 이들 장점은 많은 물질들이 THz 방사선에 대해 투시되고, THz 방사선이 생물학적 조직들에 대해 안전하며, THz 방사선에 의해 생성되는 이미지들이 양호한 해상도(예를 들어, 1mm 미만)를 가진다는 사실을 포함한다. 또한, 많은 잠재적으로 흥미로운 물질들은 THz 범위에서 고유한 스펙트럼 지문들(spectral fingerprints)을 갖는데, 이는 THz 방사선이 그 물질들을 확인하는데 이용될 수 있음을 의미한다. 이들 물질은 특정 형태의 폭발물, 및 판매용 의약품과 특정한 불법 약물에 사용되는 화합물을 포함한다. 많은 물질들이 THz 방사선에 의해 투시되기 때문에, 관심 품목들을 포장과 의류와 같은 시각적으로 불투명한 중간 층들을 관통하여 관찰할 수 있다.

일반적으로, THz 펄스들은 짧은 펄스 레이저에 의해 발생되고, 단지 몇 피코초(few picoseconds) 동안만 지속된다. THz 펄스를 발생시키기 위한 공지된 기술은 초단파 광학 펄스에 의해 조사되는 반도체 표면으로부터 표면 방사와 전압 바이어스된 광전도 이미터로부터의 방사를 포함하며, 이들 두 경우에, 광학 레이저 펄스는 THz 방사선을 발생하도록 가속될 수 있는 반도체 물질 내의 전자-홀 쌍들을 생성한다. 다른 기술은 짧은 레이저 펄스들이 어떤 인가되는 전압 없이 THz 펄스를 방출하는 투명 결정 물질을 통해 통과하는 광학 정류(optical rectification)이다.

또한, 한 쌍의 전극들 (또는 안테나 리드들) 사이에서 전류가 발생되는 광전도 검출을 포함하여, THz 펄스의 검출을 위한 다양한 기술들이 공지되어 있다. 이 전류는 반도체 표면에 집중되는 짧은 레이저 펄스에 의해 그들 자신들이 여기 되는 전자/홀 쌍에서 동작하는 THz 전계 펄스에 의해 발생된다. THz 전계는 안테나 리드들 양단에 전류를 발생시킨 이후에, 적당히 배열된 증폭기를 사용하여 증폭될 수 있다. THz 펄스들을 검출하는 다른 방법은 전자-광학 샘플링이다.

테라헤르츠 시간-영역 분광법(THz-TDS)은 많은 시스템들의 연구에 적용될 수 있는 널리 사용되는 기술이며, 물질의 분광, 이미징, 모니터링 및 검출을 위한 비파괴 도구로서의 그 유용성이 많은 응용 분야에 걸쳐 입증되어 왔으나, 실험실-기반 시스템들은 일반적으로 크고 무겁고 고가이다. 이는 THz 방사, 갈륨비소에 이용되는 가장 일반적인 반도체 시스템의 밴드-갭을 초과하기에 충분한 에너지로 펄스화된 여기(pulsed excitation)를 제공하는데 이용되는 Ti:사파이어 레이저(중심 파장 800nm)에 주로 기인한다. 갈륨비소보다 작은 밴드-갭들을 갖는 대안적인 물질로부터 나오는 THz 방사는 보다 이동이 용이한 THz 분광 시스템을 만들 수 있게 하므로 상기 문제점들에 대한 매력적인 해법을 제공할 수 있다.

잠재적으로 적당하면서 작은 밴드-갭을 갖는 물질들은 InAs, InGaAs 및 InAlAs를 포함한다. 그러나 THz 방사의 발생을 위해 상기 물질들을 이용하려는 시도에 있어 문제는, 상기 물질들은 성장 시에, 낮은 저항률(resistivity)을 갖는 경향이 있다는 것이다. 이해될 수 있듯이, THz 방사선을 발생하기 위한 일반적인 기술에 있어서, 상대적으로 큰 바이어스 전압 또는 전위(수십 볼트)를 전극들 사이에 인가하여, 관련된 밴드-갭보다 더 큰 광자 에너지로 방사선을 입사 조사하여 반도체 물질에서 여기되는 전자-홀 쌍들의 전자들 및 홀들을 가속시킨다. 반도체 물질들의 저항률이 낮으면, 이러한 바이어스 전압(또는 동등하게 이들 바이어스 전계)의 인가는 전극들 사이에서 수용 불가능하게 큰 전류를 유도하고, 반도체 물질을 통과함으로써 이의 손상을 야기한다.

상기 문제들의 결과로서, 텔레콤 파장(telecoms wavelengths)에 의해 여기되는 물질들로부터의 THz 방사를 위한 방법 및 장치에 대한 요구가 대두되며, 이는 일 예로, 비교적 저렴한 1.55 미크론 파장 레이저들이 Ti:사파이어 레이저를 대체하도록 해 줄 것이다.

본 발명의 특정 실시예들의 목적은 종래 기술과 관련된 하나 이상의 문제점들을 적어도 부분적으로 제거, 완화 또는 해결하기 위한 것이다.

특정 실시예들은 텔레콤 파장, 특히 1.55 미크론 파장에 의해 여기되는 물질들을 이용하여 THz 방사선을 발생시키기 위한 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 첫번째 양태에 따르면, 방사선을 발생시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은,

도판트로 도핑된 InGaAs, InGaAsP, 또는 InGaAlAs 물질의 층(예를 들어, 철-도핑된 InGaAs 또는 철-도핑된 InGaAsP 물질의 층)을 지지하는 기판을 포함하는 구조물을 제조하는 단계로서, 상기 제조 단계는 상기 층을 성장시키는 단계를 포함하여 상기 층의 성장 동안 상기 도판트가 상기 층에 포함되도록(incorporated) 하는 것인, 구조물 제조 단계;

상기 도핑된 InGaAs, InGaAsP, 또는 InGaAlAs 물질(예를 들어, 철-도핑된 InGaAs 또는 철-도핑된 InGaAsP 물질)의 밴드 갭과 같거나 또는 더 큰 광자 에너지를 갖는 방사선을 상기 구조물의 표면 일부에 조사하여, 상기 도핑된 물질의 층에 전자-홀 쌍들을 생성시키는 단계; 및

전계(electric field)로 상기 쌍들의 전자들 및 홀들을 가속시켜서, 방사선을 발생시키는 단계를 포함한다.

상기 구조물은 웨이퍼 구조, 다층 구조, 다층 반도체 구조, 안테나 구조, 광전도 안테나, 또는 단순히 안테나로 지칭될 수도 있음을 알 수 있다.

일반적으로, 전계는 전자들 및 홀들을 반대 방향으로 가속시켜, 결과적으로 변화하는 쌍극자들(dipoles)은 방사선을 발생한다.

따라서, 본 발명의 제 1 양태의 방법에서 주요 특징은 도핑된 반도체 물질이 성장 기술에 의해 제조되어, 도판트(예를 들어, 철(Fe))가 성장 공정 동안 구조물에 포함되는 것임을 알 수 있다. 상기 방법에서 도판트를 포함함으로써, 층의 물질은 기판과 격자 매칭이 될 수 있다. 상기 방법(성장 동안)에서 도판트의 포함은 소위 "텔레콤 파장"(telcoms wavelengths)(예를 들어, 1550nm)을 이용하여 전자-홀 쌍들의 여기에 적당한 밴드-갭을 여전히 갖는 반도체 물질을 결과로서 나타내지만, 성장된 층에서 도판트(예를 들어, 철)의 존재는 도핑되지 않은 물질에 비하여 실질적으로 증가된 저항성을 갖는 층 물질을 제공한다. 특정 실시예에 있어서, 전극들 양단의 수용 불가능하게 높은 전류를 공급함이 없이 상대적으로 높은 바이어스 전압 또는 전위가 인가될 수 있다.

성장 기술을 이용하는 도핑된 층을 제조하는 장점은 포함된 도판트의 양이 정밀하고 재현 가능하게 제어될 수 있다는 점이다. 이는, 예를 들어 철 주입 또는 무거운 이온 조사에 의해 InGaAsP 또는 InGaAs 물질의 미리 도핑되지 않은 층에, 예를 들어 철을 도입시키기 위한 다른 잠재적인 기술과는 다르다. 이들 대안 기술들은 도판트 물질의 상이한 특성 농도 프로파일들을 유도하는 반도체 구조에 특성 손상을 일으키며, 층의 성장 동안 철을 포함하는 본 발명의 실시예에서 성취할 수 있는 것과 같은 반도체 층에 포함되는 양, 즉 철의 수량과 동일한 정도의 제어를 제공할 수 없다.

성장된 도핑된 웨이퍼(예를 들어 성장된 InGaAs:Fe 웨이퍼)는 후-성장 주입(post-growth implantation)과 같은 대안 기술들에 의해 생산되는 대응하는 웨이퍼에 비해 인식 가능하게 상이한 특성 구조를 갖게 되는 것을 알 수 있다. 이들 상이한 특성들은 일반적으로 상이한 도판트 농도 프로파일 및 상이한 미세 형상을 포함하게 될 것이다. 즉, 숙련된 사람은 Fe-도핑된 InGaAs 또는 InGaAsP 층, 또는 다른 도핑된 반도체 층이 하나 이상의 다양한 공지된 측정 또는 관찰을 통해, 성장 또는 다른 기술에 의해 제조되었는지를 쉽게 확인할 수 있다는 것을 알 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 도판트는 원소가 된다. 특정 실시예에 있어서, 도판트는 전이 금속 원소가 된다, 특정 실시예에 있어서, 도판트는 크롬, 또는 바나듐 및, 또는 철(Fe)이 된다.

특정 실시예들에 있어서, 생성된 캐리어들(예를 들어, 전자-홀 쌍들)은 진성 전계와, 전자 및 홀 이동도의 차이에 의해 가속될 수 있다(소위, 포토-뎀버 효과(photo-Dember effect). 이와 같은 실시예들에 있어서, 본 방법은 구조물에 자계(magnetic field)의 인가를 더 포함할 수 있다, 이는 여기된 캐리어들로부터 방사선, 특히 THz 방사선의 발생을 증가시킬 수 있다. 그러나 어떤 진성 전계에 의존하는 것 이외의 특정 대안 실시예에 있어서, 본 방법은 캐리어들에 전계를 인가하는 단계를 부가적으로 포함하여 방사선을 발생할 수 있다.

특정 실시예들에 있어서, 캐리어들의 가속은 적당히 배열된 전극들 사이의 전압(전위차)을 인가하여 성취될 수 있다. 이들은 구조물의 표면에 또는 표면 상에 배열될 수 있거나, 대안으로 구조물 내에 삽입될 수 있다.

조사 방사선은 직접 물질의 층의 노출된 표면에 조사하도록 배열될 수 있지만, 대안의 실시예들에 있어서, 조사하는 방사선은 관련된 파장(들)에 적어도 부분적으로 투명한 하나 이상의 부가적인 층들을 통해 상기 층에 도달할 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 발생된 방사선은 THz 방사선, 예를 들어, 0.05 THz 내지 20 THz 범위의 주파수를 갖는 방사선을 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 기판은 한 웨이퍼로서 기재될 수도 있는 단결정 물질을 포함한다. 기판/단결정 물질에 적당한 물질들은 InP 또는 Fe-도핑된 InP를 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 상기 층을 성장시키는 단계는 기판상에 상기 층을 에피텍셜 성장시키는 단계를 포함한다. 이는 단결정 자체가 될 수 있거나, 기판상에 성장된 하나 이상의 중간층들 자체가 될 수 있는 기판상에 직접 상기 층을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.

특정 실시예에 있어서, 상기 조사 단계는 800nm 내지 1700nm 범위, 또는 1150 내지 1550nm의 파장을 갖는 방사선을 상기 일부에 조사하는 단계를 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 상기 조사 단계는 상기 층에 실질적으로 수직인 방향으로 방사선을 상기 일부에 조사하는 단계를 포함한다.

특정 대안 실시예들에 있어서, 상기 조사 단계는 상기 층에 실질적으로 평행한 방향으로 방사선을 상기 일부에 조사하는 단계를 포함한다.

특정 다른 실시예들에 있어서, 상기 조사 단계는 상기 층에 수직 및 평행한 성분을 갖는 방향으로 방사선을 상기 일부에 조사하는 단계를 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 상기 전자들 및 홀들을 가속시키기 위해 상기 전계를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 구조물은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함할 수 있고, 상기 전계를 인가하는 단계는 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전위차를 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 상기 전위차는 교류 전위차이다.

특정 실시예들에 있어서, 전극들은 상기 전극들 사이의 갭을 정의하도록 배열되고, 상기 조사 단계는 상기 갭에 조사하는 방사선을 유도하는 단계를 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 상기 전극들은 전극들의 적어도 일부들이 노출되도록 상기 구조물의 표면에 배열된다. 그러나 대안 실시예들에 있어서, 전극들 중 하나 또는 둘 모두가 상기 구조물에 삽입될 수 있다.

특정 실시예들은 측면 기하학 구조를 포함하고 있음을 알 수 있다. 특정 실시예들은 측면 금속-절연체-금속 구조를 포함, 제공 또는 이용한다. 특정 실시예들은 벌크 반도체에 배치된 금속 (안테나) 전극을 포함한다. 특정 실시예들은 포토믹서(photomixers)로서 포함하거나 기재될 수 있다.

본 발명의 다른 양태는 방사선을 발생하는 장치를 제공하는 것이며, 본 장치는,

도판트로 도핑된 InGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlAs 물질의 층(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질의 층)을 지지하는 기판을 포함하는 구조물로서, 상기 층은 성장되며, 상기 층의 성장 동안 상기 도판트가 상기 층에 포함되는, 상기 구조물; 및

상기 도핑된 물질의 층에서 전자-홀 쌍들을 발생하도록 상기 도핑된 물질(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질)의 밴드 갭 이상의 광자 에너지를 갖는 방사선으로 상기 구조물의 표면 일부를 조사하도록 배열된 조사원을 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 본 장치는 여기된 캐리어들을 가속하여 방사선을 발생하도록 상기 층에 적어도 진성 전계를 이용할 수 있다.

특정 실시예들에 있어서, 본 장치는 상기 구조물에 자계를 인가하는 수단을 더 포함할 수 있다.

특정 실시예들에 있어서, 본 장치는 방사선을 발생하도록 상기 쌍들의 전자들 및 홀들을 가속시키기 위해 전계를 인가하는 수단을 더 포함한다. 이러한 전계 인가 수단은, 예를 들어 제 1 전극 및 제 2 전극과, 제 1 및 제 2 전극들 사이에 전위차를 인가하도록 배열된 전압원을 포함할 수 있다.

특정 실시예들에 있어서, 본 장치는 상기 전자-홀 쌍에 의해 발생된 방사선을 집중(focus)하도록 배열된 렌즈를 더 포함한다. 이 렌즈는 분리된 형태로 될 수 있거나, 상기 구조물의 일부를 형성할 수 있다.

특정 실시예들에 있어서, 상기 렌즈는 기판을 통해 투과되어 발생된 방사선을 집중하도록 배열된다.

특정 실시예들에 있어서, 조사원은 800nm 내지 1700nm 또는, 1150 내지 1550nm 범위의 파장을 갖는 방사선으로 상기 일부를 조사하도록 조절된다.

특정 실시예들에 있어서, 조사원은 레이저를 포함한다.

본 발명의 다른 양태는 분광 방법을 제공하는 것이며, 이 분광 방법은,

본 발명의 어떤 한 양태에 따른 방법을 이용하여 방사선을 발생하는 단계;

발생된 방사선을 샘플 또는 대상에 유도하는 단계; 및

전송을 통해 발생된 방사선, 및 샘플 또는 대상으로부터 반사되어 발생된 방사선 중 적어도 하나를 검출하는 단계를 포함하는 분광 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 양태는 분광장치를 제공하는 것이며, 이 분광 장치는,

본 발명의 어느 한 양태에 따라 방사선을 발생하도록 배열된 장치를 장치; 발생된 방사선을 샘플 또는 대상에 유도하는 수단; 및

전송을 통해 발생된 방사선, 및 방사선이 유도되는 샘플 또는 대상으로부터 반사되어 발생된 방사선 중 적어도 하나를 검출하는 수단을 포함하는 분광 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 양태는 방사선 검출 방법을 제공하는 것이며, 이 방사선 검출 방법은,

도판트로 도핑된 InGaAs, InGaAsP, 또는 InGaAlAs 물질의 층(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질의 층)을 지지하는 기판을 포함하는 구조물을 제조하는 단계로서, 상기 제조 단계는 상기 층을 성장시키는 단계를 포함하여 상기 층의 성장 동안 상기 도판트가 상기 층에 포함되도록 하는, 상기 구조물 제조 단계;

상기 도핑된 물질(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질)의 밴드 갭 이상의 광자 에너지를 갖는 상기 방사선의 광자들이 상기 도핑된 물질의 층에서 전자-홀 쌍들을 발생하도록, 검출될 방사선으로 상기 구조물의 표면의 일부를 조사하는 단계; 및

상기 전자-홀 쌍들에 의해 발생된 전계 또는 전류를 검출하는 단계를 포함하는 방사선 검출 방법을 제공한다.

특정 실시예에 있어서, 상기 구조물은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 검출 단계는 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이의 전류를 검출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 양태는 방사선 검출 장치를 제공하는 것이며, 이 방사선 검출 장치는,

도판트로 도핑된 InGaAs, InGaAsP, 또는 InGaAlAs 물질의 층(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질의 층)을 지지하는 기판을 포함하는 구조물로서, 상기 층은 성장되며, 상기 도판트가 상기 층의 성장 동안 상기 층에 포함되는, 상기 구조물;

상기 도핑된 물질의 밴드 갭 이상의 광자 에너지를 갖는 상기 방사선의 광자들이 상기 도핑된 물질의 층에서 전자-홀 쌍들을 발생하도록, 검출될 방사선으로 상기 구조물의 표면의 일부를 조사하는 수단; 및

상기 전자-홀 쌍들에 의해 발생된 전계 또는 전류를 검출하는 수단을 포함한다.

특정 실시예에 있어서, 상기 구조물은 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 검출 수단은 상기 제 1 및 제 2 전극들 사이의 전류를 검출하는 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 양태는 방사선 발생 및/또는 검출 안테나를 제공하는 것이며, 이 안테나는,

도판트로 도핑된 InGaAs, InGaAsP, 또는 InGaAlAs 물질의 층(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질의 층)을 지지하는 기판을 포함하는 구조물로서, 상기 층은 성장되며, 상기 도판트가 상기 층의 성장 동안 상기 층에 포함되는, 상기 구조물; 및

제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고,

상기 전극은 상기 전극들 사이의 갭을 정의하도록 배열되고, 방사선이 상기 갭에 유도될 때, 상기 도핑된 물질의 밴드 갭 이상의 광자 에너지를 갖는 상기 방사선의 광자들이 상기 도핑된 물질의 층에서 전자-홀 쌍들을 발생하도록 상기 층에 대해 더 배열되며, 전계가 상기 전자-홀 쌍을 가속하고 상기 전극들 사이에 전위차의 인가에 의해 방사선을 발생하도록 인가 및/또는 상기 전극들 양단의 전자-홀 쌍들에 의해 발생된 전류가 검출될 수 있다.

또한, 본 발명의 양태들의 특정 실시예에 있어서, 도판트는 원소가 된다. 특정 실시예에 있어서, 도판트는 전이 금속 원소가 된다. 특정 실시예에 있어서, 도판트는 크롬, 또는 바나듐 및, 또는 철(Fe)이 된다.

본 발명의 다른 양태는 방사선과, 특히 THz 방사선의 발생 및 검출에서 성장, 도핑된 InGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlAs 물질(예를 들어, Fe-도핑된 InGaAs 또는 Fe-도핑된 InGaAsP 물질)의 용도를 제공한다.

본 발명의 실시예들은 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 발명을 구체화하는 THz 발생 및 검출 시스템을 예시하며, 도 1a는 동조 가능한 OPO 펌프 신호를 사용하여 샘플들로부터 발생된 THz 신호들의 헬륨 냉각 볼로미터 검출(helium cooled bolometric detection)에 사용되는 THz 광학 셋업을 예시하며, 도 1b는 동조 가능한 OPO 펌프 및 고정된 830nm Ti:사파이어 프로브 신호에 기초하여 본 발명을 구체화하는 THz-TDS 시스템을 예시한 도면;
도 2는 본 발명을 구체화하며, Fe:InGaAs (NQS 1940) 및 Fe:InGaAsP (NQS 2002)의 웨이퍼들 상에 제조된 안테나들로부터 THz 신호들의 볼로미터 측정의 결과와, NQS 1940에 등가인 반복 성장(샘플 NQS 2208)과 NQS 1940 / 2208의 철 함량 ~10%를 갖는 네 번째 웨이퍼(NQS 2213)를 반복하여 성장시켜 이루어진 비교들을 도시한 도면;
도 3은 ~ 0.9μm, ~ 0.7μm, ~ 0.4μm, 및 0.0μm 두께의 Fe-도핑된 층에 대응하는 에치 깊이(AD)에서 (a) NQS 2208 및 (b) NQS 2213(본 발명을 구체화한 안테나들)의 볼로미터 측정의 결과를 도시한 도면;
도 4는 펌프 파장의 함수로서 피크 THz 신호를 나타내는 인서트(inserts)를 갖는 (a) NQS 2208A 및 (b) NQS 2213A(즉, 본 발명의 실시예)에 대한 시간 영역 펄스 형상의 그래프를 도시한 도면;
도 5a는 SI-GaAs 안테나에 대한 등가 데이터(실선)와 비교한 NQS 2213 THz 시간 영역 펄스(점선)(즉, 본 발명의 실시예)의 고속 푸리에 변환을 도시한 도면이고, 도 5b는 바이어스 전압의 함수로서 NQS 2208 (원형), NQS 2213 (사각형) 및 SI-GaAs (삼각형) 안테나로부터 얻어진 피크 THz 신호의 비교들을 도시한 도면;
도 6은 본 발명을 구체화하는 방사선 발생 장치의 개략적인 예시한 도면;
도 7은 본 발명을 구체화하고 방사선을 발생하는데 사용되는 안테나의 개략적인 예시한 도면;
도 8은 본 발명의 다른 실시예에서 THz 방사선의 발생을 예시한 도면;
도 9는 본 발명의 실시예들에서 사용하기 위한 다층 구조를 예시한 도면;
도 10은 본 발명을 구체화하는 분광 장치의 개략적인 예시한 도면;
도 11은 본 발명을 구체화하는 안테나에 이용된 전극 장치를 도시한 도면;
도 12는 본 발명의 다른 실시예들에 이용되는 THz 시간 영역 시스템을 도(프로브 빔들(1 및 2)은 830nm 및 동조 가능한 OPO 빔을 각각 나타냄)한 도면;
도 13은 1550nm에서 광학적으로 여기되고, 830nm에서 프로브되는 NQS2208 및 NQS2213 웨이퍼에 발생되는 본 발명을 구체화하는 안테나들로부터 얻어진 시간 영역 펄스들을 도시한 도면;
도 14는 파장 펌프 빔들을 변화시켜 여기될 때 (a) NQS2208 및 (b) NQS2213에서 본 발명을 구체화하는 Fe-도핑된 InGaAs 광전도 이미터들을 이용하여 발생된 방사 펄스들의 푸리에 변환에 의해 얻어진 주파수 스펙트럼을 도시(검출은 ZnTe 결정에서 830nm 프로브 빔으로 이루어짐) 한 도면;
도 15는 본 발명을 구체화하는 안테나로부터 얻어지며 1550nm 파장 펄스들을 이용하여 (ZnTe에서) 광학적으로 여기 및 검출된 NQS2208 및 NQS2213 웨이퍼 상에 발생되는 시간 영역 펄스들을 도시한 도면;
도 16은 코히런트 긴 파장(1150 - 1550nm) 펄스들을 사용하여 여기 및 프로브될 때 (a) NQS2208, 및 (b) NQS2213에서 (본 발명을 구체화하는) Fe-도핑된 InGaAs 광전도 이미터들을 사용하여 발생된 방사 펄스들의 푸리에 변환에 의해 얻어진 주파수 스펙트럼을 도시한 도면;
도 17은 GaP 검출기에서 등가 파장 프로브 펄스를 사용하여 전자-광학적으로 검출된 3개의 파장 1250nm, 1450nm 및 1550nm에서 NQS2213로부터 발생된 초고속 시간 영역 펄스들의 푸리에 변환을 도시한 도면;
도 18은 본 발명을 구체화하는, 저온 성장 GaAs 구조와 Fe:InGaAs 구조(검출기) 사이의 검출 결과들의 비교를 도시한 도면;
도 19는 상이한 프로브 빔들을 사용하여 Fe:InGaAs 검출기 결과들의 비교를 도시한 도면;
도 20 및 도 21은 도 18 및 도 19에 각각 도시된 데이터의 푸리에 변환을 도시한 도면; 또한
도 22는 본 발명의 특정 실시예들에서 실행된 측정의 결과를 도시한 도면이다.

하기 기술에서는, Fe 도핑이 웨이퍼의 에피텍셜 성장하는 동안 도입되는 Fe: InP 기판과 격자 매칭된 Fe-도핑된 InGaAs 및 InGaAsP 이미터들의 사용을 설명하며, 이는 도핑의 레벨에 대해 정밀하게 제어하고 성장 수행 동안 우수한 재현성을 갖도록 한다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 초기 측정들은 본 발명을 구체화하는 두 개의 웨이퍼 구조들, NQS 1940, Fe:InGaAs 이미터, 및 NQS 2002, Fe:InGaAsP 이미터에서 실행되었다. 이들 기판의 금속 유기 화학 증착(MOCVD) 성장은 수평 수정 반응기에서 810 토르(1065 밀리바) 및 660℃에서 실행되었다(후자는 열결합 측정으로부터 결정되었다). 각각의 성장 이전에, 서셉터 및 반응기는 베이킹 및 크리닝에 의해 재현 가능한 개시 상태를 보장하도록 조절되었다. 전구물은 트리메틸인듐(trimethylindium)(TMI), 트리메틸갈륨(trimethylgallium )(TMG), 및 100% 아르신 (AsH ₃ )이었다. 100% 포스핀(phosphine)은 InP 캡 및 버퍼 층을 발생하기 위해서도 사용되었다. 승화 버블러(sublimation bubbler)로부터의 페로신 (Fe(C ₅ H ₅ ) ₂ )은 이온 도판트 소스로서 사용되었다. 모든 전구물은 반도체 등급 이상이었다. 정제된 H ₂ 는 캐리어 가스로서 사용되었고, 에피텍셜 동안 반응기를 통한 전체 가스 흐름은 약 7.0 slpm가 되었다. H ₂ 는 또한 버블러 픽업(bubbler pickup), 희석(dilution) 및 푸셔 유동(pusher flows)을 위해 사용되었다.

금 전극들(41, 42)은, 400μm의 전극 분리와 함께, 이미터들 상에 보우-타이 패턴(bow-tie pattern)으로 포토리소그래픽으로 정의되었다. THz-TDS 시스템은 14 W Nd:YAG CW 소스(62)에 의해 펌핑된 830nm, 120 fs 펄스폭 Ti:사파이어 레이저(61)를 사용하여 구성되었다. 레이저 출력은 분할되고, 1.3 W 출력은 선형 캐비티 구성으로 의사-위상 정합된, 주기적으로 반전된 리듐 나오베이트 결정을 포함하는 OPO(cavity-tuned optical parametric oscillator)(63)으로 전환되었다. 리듐 나오베이트 결정 내의 비선형 상호 작용에 의해 발생된 아이들러 출력파(idler output wave)는, OPO의 캐비티 길이를 변경하여, 1150nm 내지 1550nm 파장 범위에 걸쳐 이미터들을 펌핑하는데 이용되었다. OPO의 광학 효율은 ~10% 정도가 되었다. 이러한 셋업은 출력 파장의 가능한 범위에 걸쳐 이미터의 효율을 테스트하는데 사용되었다. 비록 명시하지 않았지만, 모든 실험에 대해 50 mW 전력에서 유지되는 OPO 출력은 0 내지 100 V의 10 kHz교류 바이어스가 양단에 인가되는 각각의 이미터(1)에서 광전도 갭(412)에 집중되었다. 이어서 발생되는 THz 방사선은 안테나의 후방에 부착된 실리콘 렌즈를 통해 투과 모드로 집중되었고, 파라볼라 미러에 의해 집중되었다. 초기 측정들은 THz 신호가 먼저 시준되고, 발생된 절대 THz 전력을 측정하기 위해 헬륨 냉각 볼로미터(100)에 집중되는 도 1a에 도시된 배열을 이용하여 실행되었다. 도 1b에 도시된 이어지는 측정들은 전자 광학 검출을 위한 1mm 두꺼운 ZnTe 검출기 결정(800) 상에 THz 신호가 공간적으로 중첩된 프로브와 같은 Ti: 사파이어 소스로부터의 140 mW 출력 전력을 이용하였으며, 이러한 구성에 있어서, 프로브 빔은 ZnTe 검출기 뒤에 월러스턴 프리즘(Wollaston prism)(801)이 뒤에 이어지는 1/4 파장판을 이용하여 직교 편광으로 두 개의 파트로 분할되었고, 각각의 세기(intensities)는 한 쌍의 균형 포토다이오드(802)에서 측정하였다. 지연 스테이지(900)의 펌프 경로로의 도입은 포토다이오드에 접속된 로크-인 증폭기를 사용하여 발생된 THz 신호의 시간-분해 이미지들이 얻을 수 있었다.

펌프 파장은 50nm의 스텝들에서 1150nm에서 1550nm까지 스윕(sweep)되었고, 볼로미터에 투입된 전력은 각각에 대해 측정되었으며, 또한, 830nm에서 기록된 데이터는 Ti:사파이어 레이저로부터 펌핑한다. 도 2에 도시된 결과는 ~ 1250nm의 최적 펌프 파장을 갖는 펌프 파장들의 모든 범위에 대해 THz 출력을 나타낸다. 1450nm에서 보여지는 전력의 약간의 딥(dip)은 정규화 에러(normalization error)를 유도하는 상기 파장에서 OPO 출력 전력의 감소에 의해 야기된다. 출력 신호는 NQS 2002가 출력 전력면에서 명확하게 NQS 1940을 능가하는 두 웨이퍼에 대한 동일한 경향을 따른다.

다음에는, 두 개의 다른 웨이퍼 구조들, NQS 2208, 성장 재현성을 평가하기 위한 NQS 1940의 카피, 및 NQS 2208 및 NQS 1940 모두의 철 함량 10%를 포함하는 NQS 2213이 측정되었다. 도 2의 결과들은 웨이퍼들의 MOCVD 성장 동안 철을 포함함으로써 성취된 정확한 성장 제어를 입증하는 NQS 1940과 그 복제품인 NQS 2208 사이의 비교 가능한 성능을 도시한다. 또한, 철 함량을 감소시키는 것은 장치 전력 출력을 크게 개선한다는 것을 알 수 있다. 이는 안테나 갭에서 인지된 표면 거침의 감소, 또는 철의 과잉 존재로 유도된 전계의 스크리닝의 감소에 부분적으로 기인할 수 있다(적은 결함을 암시). 예를 들어, 딥 억셉터 상태(deep acceptor states)의 수를 감소시켜, 각각의 안테나로부터 발생된 펄스의 대역폭은 수직으로 동일했으며(~ 2.5 THz), 이는 낮은 철 함량이 캐리어 수명을 증가시키지 않는다는 것을 암시한다.

THz 출력 전력상에 Fe-도핑된 InGaAs 층 두께의 효과를 부과하고, 이것이 측정된 THz 전력을 초래한다는 것을 확인하기 위하여, NQS 2208 및 2213 웨이퍼들 각각으로부터 4개의 안테나는 InP 캡핑층(capping layer)과 이후의 n-형 InGaAs 층 (아래 표 I)을 통해 제조 및 화학적 에칭되어 각각의 웨이퍼에 대해 A 내지 D로 표시된 안테나들은 각각의 ~ 0.9 μm, ~ 0.7 μm, ~ 0.4 μm, 및 0.0 μm의 Fe:InGaAs 층 두께들로 되었다.

표(1): 물질 NQS 2208 및 NQS 2213에 대한 층 구조 및 두께, 여기서, NQS 2213은 NQS 2208보다 Fe:InGaAs 층에서 ~10% Fe 도핑을 갖는다.

에칭 깊이(D)는 안테나 갭에서 200 μm 두께로 반-절연 (SI) InP를 드러내기 위하여 안테나 구조로부터 모든 Fe:InGaAs의 제거에 대응한다. 도 3a 및 도 3b에서의 결과들은 4개의 에칭 깊이에서 NQS 2208 및 2213 각각에 대해 얻어진 데이터를 도시하며, Fe:InGaAs 층 두께가 감소됨에 따라 성능의 상당한 감소를 보여준다. 제로 출력 전력은 각각의 깊이(D) 아래의 두 웨이퍼 구조에 대한 긴 파장 펌프들에서 관찰하고, 에칭 깊이(B 및 C)는 웨이퍼 NQS 2213 및 2208 각각에 대해 감소 또는 제로 성능을 보여준다. 각각의 웨이퍼 상의 모든 에칭 깊이는, 아마도 Fe:InGaAs 층 아래의 SI-InP으로부터 방사로 인하여, 830nm 펌프에서 THz 신호를 생성한다.

각각의 물질(에칭 깊이 A에서는 모두)로부터 최적 실행 안테나는 펌프 빔에 대한 동조 가능한 OPO 출력을 사용하는 전체 TDS 시스템과 도 1b에 도시된 프로브 빔과 같은 Ti:사파이어 레이저에서 측정되었다. 프로브 파장은 각각의 측정을 위한 OPO에서 동일한 펌프 및 프로브 파장을 이용하여 발생할 수 있는 검출 효율의 변화를 부정하도록 일정한 830nm에서 유지되었다. 1250nm 펌프에서 각각의 웨이퍼에서 얻은 펄스들의 시간-분해 이미지들은, 이전 볼로미터 측정에서 관찰된 것처럼 펌프 파장의 함수로서 최대 출력 신호에서 유사한 경향을 나타내는 인서트(inserts)와 함께, 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다. 웨이퍼 NQS 2213 에 대한 1250nm 신호의 고속 푸리에 변환(FFT)은 도 5a에 제공되어 있으며, 800nm 펌프/프로브에서 반-절연 GaAs (SI-GaAs) 안테나로부터 얻어진 신호와 비교된다. Fe:InGaAs 안테나는 1000:1을 초과하는 신호-노이즈와, SI-GaAs 안테나보다 약 800 GHz 낮은 2.5 THz의 대역폭을 보여준다. 이러한 감소된 대역폭은 SI-GaAs 안테나를 측정하는데 사용된 800nm 소스로부터의 100 fs 펄스폭과 비교할 때 OPO로부터의 증가된 펌프 펄스폭(~ 200 fs)에 기인한다. 도 5b는 100V 바이어스 및 100mW 펌프 전력에서 측정된 표준 SI-GaAs 웨이퍼와 비교한 NQS 2208 및 2213 웨이퍼에 대한 파장 함수로서 측정된 피크 THz 신호의 비교를 나타낸다. NQS 2213 안테나(낮은 철 도핑을 가짐)는, 심지어 낮은 철 도핑이 향후 작업에서 통상 조사될 수 있는 것을 나타내는, 다른 샘플들 중 어느 하나보다 낮은 바이어스 전압에서 상당히 높은 출력 전력을 보여 준다.

따라서, 발명자들은, InGaAs 및 InGaAsP의 MOCVD 동안 도입되는 철 도핑이 높은 레벨의 재현성 및 제어의 높은 레벨로, 파장의 넓은 범위에 걸쳐 테라헤르츠 방사선을 발생할 수 있는 광전도 물질을 형성할 수 있다는 것을 입증하였다. 더욱이, 발명자들은 철 도핑의 증가된 레벨들이 높은 도핑 밀도에서 물질 내의 증가된 유도 결함 밀도가 원인이 될 수 있는 장치 출력 전력상에 해로운 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견하였다. 이들 광전도 이미터들로부터 달성된 대역폭은, 측정된 ~1000:1의 SNR과 함께, 캐리어 생성에 이동되는 OPO 레이저의 펄스 폭에 의해 주로 제한되는 2.5 THz 정도로 되었다. 입증된 출력 전력은 동일한 기하학 구조로 구성되는 동일한 SI:GaAs 안테나보다 두 물질 시스템에서 크게 되었다. 본 작업은 성장 동안 포함된 철-도핑으로 InGaAs 및 InGaAsP-기반 물질들의 MOCVD 성장이 1.55 μm 레이저 방사에 기초하여 이동이 용이하고 더욱 저렴한 THz 분광 시스템들의 구성에 유용할 수 있다는 것을 나타낸다.

따라서, 에피텍셜로 포함된 철과 함께 MOCVD를 이용하여 성장된 Fe-InGaAs 및 Fe-InGaAsP로부터의 테라헤르츠 방사는 특정 실시예들로 입증되었다.

에피텍셜로 포함된(epitaxially incorporated) 철과 함께 MOCVD를 이용하여 모두 형성되는 Fe:InGaAs 및 Fe:InGaAsP로부터의 펄스화된 THz 방사선의 발생은 800nm 내지 1.55 μm 사이의 펌프 파장들을 사용하여 도시되어 있다. 성장 기술은 철-도핑된 레벨에 대해 정밀한 제어를 허용했다. 각각의 웨이퍼로부터 테라헤르츠 방사는 1000:1을 초과하는 신호-노이즈 비율과 2.5 THz를 초과하는 대역폭을 나타내었다. THz 출력 전력은 철 성분, 반-절연 Fe:InGaAs 층의 두께, 및 이용된 여기 파장에 크게 의존한다는 것을 발견되었다.

도 6을 참조하면, 본 발명을 구체화하는 방사선 발생 장치의 개략적인 표현이다. 본 장치는 성장 및 도핑된 반도체 물질(3)의 층을 지지하는 기판(2)을 포함하는 안테나(1)를 포함한다. 반도체 물질은 예를 들어 InGaAs, InGaAsP, InGaAlAs가 될 수 있으며, 이외에 도판트로 도핑된 다른 적당한 물질이 될 수 있다. 도판트는 예를 들어 원소, 천이 금속 원소, 크롬, 바나듐 또는 철이 될 수 있다. 본 도면에 있어서, 도핑된 반도체 층(3)은 기판(2) 상에 직접 배열되어 도시되어 있다. 그러나 대안 실시예에 있어서, 기판과 도핑된 반도체 층 사이에 하나 이상의 중간층들이 있을 수 있다. 조사원(6)은 반도체 층(3)의 상부 표면의 일부(30)에, 일반적으로 상부 표면상에 이격된 두 개의 전극들(41, 42) 사이의 갭(412)에 조사 방사선(60)을 유도하도록 배열된다. 조사원은 조사 방사선(60)이 도핑된 반도체 물질 층(3)에서 전자-홀 쌍을 여기할 수 있는 충분한 광자 에너지들(즉, 이들 광자 에너지는 도핑된 반도체 물질의 밴드 갭과 적어도 동일하다)를 갖도록 배열된다. 이들 전자들 및 홀들은 전압원(400)에 의해 전극들(41, 42) 사이에 인가되는 전압 또는 전위차에 의해 가속된다. 전자들 및 홀들의 가속은 방사선을 발생하고, 이러한 발생된 방사선은 도핑된 반도체 층으로부터 기판을 통해 투과되어, 렌즈(5)에 의해 집중되어 집중된 방사선(focused radiation, FR)을 발생하는 안테나의 반대측에 나타난다.

도 7을 참조하면, 이는 본 발명을 구체화하는 대안의 형태를 예시한다. 여기서, 성장 및 도핑된 반도체 물질의 층(3)은 기판(2)에 다시 지지된다. 제 1 및 제 2 전극들(41, 42)은 층(3)에 형성되고 캡슐화 층(31)이 전극들 위에 형성된다. 이 캡슐화 층은 캡슐화층의 상부 표면(310) 상에 투사되는 조사 방사선(illuminating radiation, IR)에 적어도 실질적으로 투명한 물질로부터 형성된다. 따라서, 입사된 방사선은 안테나를 관통하여 층(3)에 도달할 수 있으며, 여기서, 전자-홀 쌍들을 생성할 수 있다. 제 1 및 제 2 전극들(41, 42) 사이에 도면에 도시되지 않은 수단에 의해 바이어스가 인가되며, 이는 생성된 전자-홀 쌍들을 가속시켜 기판(2)을 통해 다시 통과하는 THz 방사선(GR)을 발생한다.

도 8은 본 발명의 실시예에서 THz 방사선을 발생하는 대안의 방법을 예시한다. 여기서, 성장 및 도핑된 반도체 물질의 층(3)은 기판(2) 상에 지지된다. 성장 및 도핑된 반도체 물질의 밴드 갭에 적어도 동일한 광자 에너지를 갖는 입사된 방사선(IR)은 표면(300)에 수직 및 평행한 성분들을 갖는 방향으로 구조의 상부 표면(300)에 유도된다. THz 쌍극자들(D)은 벌크 물질(3)에서 발생되고, 이들 THz 쌍극자들은 공지된 메커니즘에 의해 THz 방사선(GR)을 발생한다. 이렇게 발생된 방사선(generated radiation, GR)은 일반적으로 구조물의 표면(300)으로부터 표면(300)에 수직 및 평행한 성분을 또한 갖는 방향으로 방출된다. 본 예에서의 THz 방사선의 발생은 구조물에 자계(B)의 인가에 의해 증가된다. 인가된 자계의 크기 및 방향은 THz 방사선의 방출을 최적화하도록 이미 공지된 기술을 사용하여 조정될 수 있다.

도 9를 참조하면, 이는 본 발명을 구체화하는 광전도 안테나를 제조하기 위한 공정의 일부로서 제조된 다층 구조의 개략적인 표현이다. 다층 구조는 500 미크론의 두께의 InP 기판을 포함한다. 0.3 미크론 두께의 SI-InP의 층(23)은 기판(2) 상에 형성(예를 들어, 성장)된다. 다음은, 1.0 미크론의 두께를 갖는 철-도핑된 InGaAs(3)의 층이 층(23)에 성장된다. 이때, 0.3 미크론 두께의 n-InGaAs의 층(32)은 성장 및 도핑된 반도체 층(3)에 형성(예를 들어, 성장)된다. 최종적으로, n-InP인 0.2 미크론 두께의 캡핑층(33)이 층(32)에 형성된다. 본 발명을 구체화하는 안테나들을 제조하기 위하여, 층들(33 및 32)이 패턴 및 적어도 부분적으로 제거될 수 있고, 전기 접촉들은 본 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 바이어스 전압을 인가하기 위한 전극들은 층들(32 및 33)의 부분들의 제거 이후에 층(3)에서 직접 형성될 수 있고, 대안으로, 전극들은 층(33) 등의 부분들의 적당한 제거 이후에 층(32)의 영역에 형성될 수 있다.

도 10을 참조하면, 이는 본 발명을 구체화하는 분광 장치의 크게 개략적인 표현이다. 본 장치는 반도체 물질(3)의 성장 및 도핑된 층을 지지하는 기판(2)을 자체적으로 포함하는 광전도 안테나(1)를 포함한다. 제 1 및 제 2 전극(41 및 42)은 상기 층(3)에 형성되고, 조사원(6)으로부터 적당한 파장의 입사 방사선은 물질(3)의 층에 전자-홀 쌍들을 발생하도록 전극들 사이에 갭에 유도된다. 바이어스 전압이 전극들(41 및 42) 사이에 인가되어 발생된 캐리어들을 가속시켜 THz 방사선을 발생한다. 이렇게 발생된 방사선(GR)은 구조를 통해 투과되어 샘플(S)에서 유도 수단(본 예에서는 간단히 반사기 또는 미러(7)를 포함)에 의해 유도된다. 상기 발생된 방사선의 일부는 샘플(S)을 통해 투과되고, 투과된 방사선은 적당히 배열된 검출기(82)에 의해 검출된다. 본 특정 실시예에 있어서, 발생된 방사선의 일부는 샘플로부터 반사되고, 이 반사된 방사선(RR)은 다른 검출기(81)에 의해 검출된다. 대안의 실시예에 있어서는 단지 투과된 방사선 또는 실제로 반사된 방사선이 검출될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 검출기(82)에 의해 검출된 투과된 방사선의 스펙트럼은 샘플(S)의 THz 흡수 특성을 나타내게 될 것임을 이해할 수 있을 것이다.

도 11을 참조하면, 이는 본 발명이 실시예들에서 구체화될 수 있는 전극 패턴을 예시한다. 예를 들어, 예시된 형상을 갖는 금속 전극들(예를 들어, 금 전극들)은 성장 및 도핑된 반도체 물질의 층의 표면에 형성될 수 있다. 이때, 적절한 주파수의 광자들을 포함하는 방사선은 전극들 사이에 정의된 갭(412)에 유도된다. 전극들 사이의 바이어스 전위의 인가는 THz 방사를 발생하도록 조사 방사선에 의해 여기된 캐리어들을 가속시킬 수 있다. 도 11에 도시된 전극 패턴은 일반적으로 바우-타이 구성(bow-tie configuration)으로서 기재될 수 있으며, 본 예에서 갭 폭은 약 0.3mm가 된다.

특정 실시예들에서 철이 층의 성장에 포함되는 철-도핑된 층을 포함하지만, 전자 및/또는 홀 트랩(traps)을 제공하도록 반도체 층들에서 중간-대역 상태(mid-band states)를 생기게 하는 대안의 실시예에서는 다른 도판트가 이용될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이들 도판트는 층의 성장 동안 이들 도판트가 InGaAs, InGaAsP 또는 InGaAlAs의 층에 포함될 때 효과적인 THz 발생을 얻을 수 있다. 이러한 도판트는 일반적으로 전이 금속 원소들, 예를 들어, 크롬 또는 바나듐이 된다.

또한, 다양한 성장 기술이 본 발명의 실시예들에서 도핑된 반도체 층들을 성장시키기 위해 이용될 수 있음을 알 수 있다. 이들 기술은 MOCVD, LPE, 및 MBE을 포함한다.

특정 실시예들에 있어서, 안테나들의 제조는 기판에 지지된 성장 및 철-도핑된 층을 포함하는 웨이퍼를 성장시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 기술은 철-도핑된 층에 대해 InGaAs의 N-도핑된 층의 형성(예를 들어, 성장), 접촉 영역들을 한정하는 상기 InGaAs 층의 패턴닝, 및 그들 접촉 영역에 금속 접촉들의 형성을 더 포함할 수 있다. 이들 금속 접촉은 예를 들어 바이어스 전압을 인가하기 위해 또는 발생된 전압 또는 전류를 측정하기 위한 전극들을 정의할 수 있다

도 12 내지 도 17을 참조하면, 다음 설명은 철-도핑된 InGaAs-기반 광전도 안테나들로부터 테라헤르츠(THz)의 효율적인 발생을 입증한다. 근거리 적외선-THz 변환 효율을 최대화하도록 최적화된 두 개의 상이한 웨이퍼에 제조된 안테나들로부터 펄스화된 THz 방사선의 발생을 나타내는 시간-영역 데이터가 제공된다. 검출은, 펌프 및 프로브 파장들이 펄스화된 근거리 적외선 Ti:사파이어 레이저에 의해 펌핑된 캐비티-조정된 OPO를 사용하여 800nm에서 1550nm까지 조정되면서, (110) ZnTe 및 GaP 결정들을 이용하여 실행되었다.

상술한 것처럼, 테라헤르츠 주파수(THz) 방사선은 다양한 물질의 비파괴 분광 뿐만 아니라 농축 물질 시스템의 이미징 및 연구에 널리 사용되고 있다. 이는 저렴하고 소형의 THz 시스템을 설계하고 과거에 주로 사용되었던 Ti:사파이어 레이저 기술로부터 벗어나고자 하는 요구를 불러 일으켰다.

대안으로 최근 개선책인, 1550nm에서 동작하는 Er-도핑된 광섬류 레이저들과 같은 통신용 소형 펄스화된 레이저 소스들은 상기 펌프 파장 범위에서 동작하는 효율적인 THz 이미터들을 제공하고 휴대용 THz 분광기들을 제공하는 본 발명이 실시예들에 포함될 수 있다.

다음 설명에 있어서, 코히런트 검출에 이용되는 1mm 두께의 ZnTe, 또는 150 μm 두께의 GaP의 단결정과 함께, 830nm 내지 1550nm 범위의 파장으로 펌핑하는 InGaAs-기반 광전도 이미터들로부터 THz 발생을 입증한다. 본 장치(도 12)는 의사-위상 정합되고, 주기적으로 분극 반전된 리튬 니오베이트 결정을 포함하는 캐비티 조정된 OPO(Optical Parametric Oscillator)를 펌핑하는 72 MHz, 120 fs, 830nm Ti:사파이어 레이저로 구성된다. 광전도 안테나들을 펌핑하기 위해 사용되는 OPO로부터의 아이들러 출력은 1150nm에서 1550nm까지 조정 가능하다. 본 장치는, OPO 출력 전력의 일부를 사용하여, 830nm (Ti: 사파이어 레이저로부터의 프로브 빔(1)) 또는 펌프 빔(OPO로부터의 프로브 빔(2))과 동일한 파장에서 THz 방사선이 프로브될 수 있도록 설계되어 있다. THz 검출은 한 쌍의 균형 포토다이오드 상에 측정이 이어지는 전자 광학 결정((ZnTe, 또는 GaP)을 사용하여 실행되었다.

Fe:In _O.53 Ga _O.47 As 웨이퍼들은 수평 수정 반응기에서 금속-유기 화학 증착 (MOCVD)을 이용하여 성장되었다. 철은 성장 동안 상기 구조물에 에피텍셜로 포함되었으며, 도판트 레벨 및 우수한 재현성에 대해 정밀한 제어를 제공한다. 두 웨이퍼는 5 x 10 ¹⁸ cm ^-3 및 3x10 ¹⁶ cm ^-3 의 각각의 평균 철 농도를 갖는 NQS2208 및 NQS2213가 이용되었으며, 결과들은 각각으로부터 형성된 광전도 안테나들로부터 제공된다.

보우타이 안테나들은 400 μm의 전극 분리와 함께 각각의 웨이퍼에 리소그래피 정의된다. 금속화는 티타늄 접착 층(20nm)에 앞선 열적 증착된 금(200nm)을 이용하여 성취되었다. 이들 안테나는 투과 모드에서 시간-영역 시스템에 정렬되고, 각각의 장치의 후방에 고정된 반구형 실리콘 렌즈를 사용하는 제 1 파라볼릭 미러에 시준되었다. 전극의 갭은 최대 THz 강도를 제공하기 위해 애노드(anode)에 가까운 펌프 빔을 집중시켜 비대칭으로 조사되었다.

지금, 결과들에 대해서 설명한다. 모든 실험은 안테나에 입사된 50 mW 펌프 전력과 함께, 10 kHz에서 전기적으로 초프(chopped)되는 이미터 전극에 50V 바이어스를 인가하여 실행되었다. THz 경로 및 OPO 캐비티는 물 흡수를 제거하는 울트라-드라이 질소 가스로 정화되었다. 초기 테스트는 전자-광학 샘플링을 위해 ZnTe 결정을 이용하여 실행되었다. 여기 및 검출 모두를 위해 800nm를 포함하는 실험은 별도의 100 fs 펄스폭 Ti:사파이어 레이저를 사용하여 실행되었다.

도 13은 각각의 안테나로부터 얻어지고, 1550nm 펄스로 여기되며, 830nm에서 검출되는 시간 영역 신호들을 도시한다. 제 2 웨이퍼, NQS2213은 NQS2208에 비해 THz 전력이 크게 (~80%) 증가하는 것을 입증한다. 이는 철 농도가 감소될 때 InFe 침전물의 형성을 감소시키며 안테나 갭의 보다 용이한 제조와 보다 큰 표면 균일성을 허용하는 웨이퍼의 표면 품질의 개선으로 인한 것이다. 그러나 도 14는 여기 파장이 변화할 때 두 안테나는 비교 대역폭을 입증하며, 이는 철 농도의 감소가 딥 억셉터 상태(deep acceptor states)를 제거하여 캐리어 수명을 증가시키지 않는다는 것을 암시한다.

대역폭의 감소는 레이저 파장이 800nm에서 1550nm까지 증가할 때 -레이저 펄스폭(~100 fs 내지 ~180 fs, 각각)의 증가의 직접적인 결과- 두 안테나에 대해 분명히 나타난다.

펌프 및 프로브 빔 모두에 대해 광섬유 레이저를 사용하기 위한 시스템의 실행 가능성을 테스트하기 위하여, 시스템은 OPO 출력 신호(포토다이오드에 대해 ~5mW, 도 12에서 프로브 빔(2))의 일부를 이용하여 THz 신호의 검출을 허용하도록 약간 변경되었다. 도 15는 펌프 및 프로브 빔 모두에 대해 1550nm 파장을 이용하여 얻은 시간 영역 펄스들을 도시한다. 또한, 웨이퍼 NQS2213(낮은 철 농도를 가짐)은 NQS2208에 형성된 동일한 안테나보다 상당히 많은 전력을 보여 준다.

도 16은 1150nm 내지 1550nm 범위의 펌프 및 프로브 파장을 이용하여 얻은 시간 영역 데이터의 푸리에 변환을 도시한다. ~2.5 THz에서 ~1.5 THz까지의 대역폭 감소는 120 fs (Ti:사파이어 출력)에서 ~180 fs (OPO 출력)까지의 프로브 빔의 증가된 펄스 폭에 직접 기인한다. 푸리에 변환은 검출 파장이 증가할 때 레드시프트(redshift)하도록 나타나는 주파수 영역에서 흡수를 또한 나타낸다. 이는 830nm 검출을 사용할 때 인위 구조(artifact)가 나타나지 않기 때문에 긴 파장 여기 하에서 ZnTe 검출 결정에 기인할 수 있다. 이는 3개의 파장(1250nm, 1450nm 및 1550nm)에서 실행되지만, 150 μm 두께의 단결정 GaP 전자-광학 검출기를 사용하여 실행한 동일 측정을 도시한 도 17에 의해 지지가 된다. 신호-노이즈 비율의 감소와 각각의 주파수 성분의 신호 세기(시간 영역에서 THz 신호 강도의 큰 감소로서 관찰됨)는 GaP 결정 내의 THz 방사선 및 프로브 빔의 짧은 상호 작용 길이로부터 발생하고, 두꺼운 검출기 결정이 이용되어야 하는 ZnTe으로 얻어진 것들과 비교 가능한 값으로 증가시킬 것이다. 그러나 얇은 갭 검출기 결정은 두꺼운 ZnTe에 비교할 때 얇은 결정에서 높은 주파수 성분의 희석의 감소로 인하여 대역(~2THz까지)폭의 증가를 결과로서 나타낸다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 ZnTe 결정을 사용할 때 관찰된 천이 흡수가 더 이상 존재하지 않는다는 것이다.

따라서, 800nm (전통적인, Ti:사파이어 동작 파장)에서 통신 파장(1550nm)까지의 범위의 파장에서 여기될 수 있는 THz 광전도 이미터들을 제조하기 위해 에피텍셜 성장된 철-도핑된 InGaAs의 이용을 입증하였다. 이것들은 연구 실험실 환경을 넘어서 큰 규모로 적용 가능한 본 발명을 구체화하는 휴대 가능한 광섬유-레이저 기판의 THz-TDS 시스템에 기초로서 이용될 수 있다. 더욱이, 철-도핑 레벨의 제어는 THz 신호 강도의 테일러링(tailoring)을 허용하는 것을 나타내었고, 긴 파장 프로브 빔을 이용하여 THz 검출기들로서 두 ZnTe 및 GaP의 이용을 입증하였다.

도 18 내지 도 21을 참조하면, 본 발명자들은 800nm 및 1550nm 프로브 빔 모두를 이용하여 검출기(광전도 검출기)로서 Fe: InGaAs의 이용을 입증하였다. 도 18은 저온(LT) 성장된 GaAs 및 Fe: InGaAs를 이용하여 800nm 프로브 파장으로 검출의 비교이다. 수직 척도는 "임의의 단위(arbitrary unit)"로 되어 있으며, 이는 유사한 신호-노이즈 비율이 보여지는 것을 주목한다. 도 19는 800nm 및 1550nm 프로브 빔을 이용하는 Fe: InGaAs 검출기들(각각은 본 발명을 구체화한다)의 비교이다. 도 20 및 도 21은 도 18 및 도 19에 도시된 데이터의 푸리에 변환이다. 대역폭은 레이저 펄스 폭에 의해 거의 확실히 제한되며, 전용 짧은 펄스 근거리 적외선 레이저로 개선될 있음을 주목한다. LT-GaAs 대신에 Fe:InGaAs을 이용하는 광전도 검출에서는 먼 거리 낮은 프로브 전력 레벨이 요구됨을 주목한다. 본 발명자들은 Fe:InGaAs을 광전도 검출기로서 사용할 때, 약 3mW가 800nm 또는 1550nm에서 프로브 빔에 대해 필요함을 결정하였다. 사실상, 심지어 1 mW 라도 양호한 신호를 제공한다. 반대로, 800nm 프로브 빔으로 저온 GaAs를 이용할 때, 일반적으로 50 mW 프로브 전력을 필요로 한다. 낮은 전력의 이용은 명백히 유리하다. 예를 들어, Fe:InGaAs 광전도 검출기들에 대해 훨씬 낮은 전력의 이용은 저전력 근거리 적외선 레이저 소스를 이용할 수 있다는 의미이기에 THz 시스템들의 응용에 명확하게 매우 유리하다. 본 발명자들은, 특정 실시예에서, Fe:InGaAs에서 높은 프로브 전력을 사용하면 초래된 큰 광전류로 인하여 검출된 신호의 감소로 유도된다는 것을 또한 발견하였다.

다른 실시예들을 설명한다. Fe:InGaAs 층이 THz 방사선의 발생에 원인이 되는 것을 증명하고, 발생된 THz 전력에 Fe:InGaAs 층 두께의 효과를 확인하기 위하여, 3개의 이미터가 두 개의 웨이퍼(웨이퍼 2208 ₁₀₀ 및 웨이퍼 2213 _0.8 ) 각각으로부터 준비되고, 볼로메트릭 검출을 이용하여 측정되었다. 두 개의 웨이퍼는 각각 5 x 10 ¹⁸ cm ^-3 및 4 x 10 ¹⁶ cm ^-3 의 철 농도와 R _sh = 4.0 x 10 ⁴ 및 6.2 x 10 ⁶ Ohm/sq의 시트 저항(다크 하에 측정(measured in the dark))을 갖는다. 각각의 웨이퍼 번호에 할당된 첨자는 최고 도핑된 웨이퍼, 웨이퍼 2208에 대해 철-도판트의 백분율을 나타낸다. 높은 철-도핑된 물질 22O8 ₁₀₀ 의 표면은 성장 동안 FeAs 침전물의 형성으로 인하여, 2213 _0.8 보다 훨씬 거친 것으로 관찰되었다. 웨이퍼들은 전극들 사이에서 화학적 에칭되어 0.9 micro m, 0.4 micro m, 및 0.0 micro m (A 내지 C로 표시된 샘플들 각각)의 두께를 갖는 Fe:InGaAs를 남긴다. 따라서, 에칭 깊이(C)는 전극 갭에서 300nm 에피텍셜 성장된 SI:InP 버퍼 층을 나타낸다. 이러한 결과들은 약 1250nm에서 성취된 최적의 성능으로 완벽한 펌프 파장 범위에 걸쳐 THz 방사를 입증한다. 1450nm에서 관찰되어 측정된 전력에서 약간의 딥(slight dip)은 상기 파장에서 OPO 펌프 빔 품질(증가된 노이즈 및 펄스 폭으로서 관찰됨)의 감소로 야기되었다. 2213 _0.8 은 22O8 ₁₀₀ 보다 높은 전력을 방출하였지만 THz 전력은 두 웨이퍼들에 대해 동일한 양상을 나타냈다. 각각의 웨이퍼는 Fe:InGaAs 층 두께가 감소하였을 때 THz 방사의 상당한 감소를 나타냈다. (B) 비록, 아래에 놓인 SI-InP 층으로부터의 방사 결과로서, 830nm 파장 여기에서 모든 이미터들로부터 THz 신호를 얻었지만, 0.6 micro m를 초과하는 에칭 깊이에서 어느 한 웨이퍼로부터 >830nm 파장 여기에서 출력 전력이 관찰되지 않았다. 각각의 물질(에칭 깊이 A)로부터 최고 출력 전력을 발생하는 이미터들은 830nm 검출을 이용하는 도 1의 THz-TDS 시스템에서 측정되었다. 1150nm에서 1550nm까지의 여기 파장들에 대한 초래된 주파수 스펙트럼은 1550nm 여기에서 각각의 이미터에 대한 시간-영역 펄스 형상들로서 얻어진다. 전체 펌프 파장 범위에 걸쳐, 이미터들은 신호가 노이즈 플로워(noise floor)에 진입하기 전에 >2 THz의 대역폭을 각각 나타내었다. 이 대역폭은 >200 fs로 측정(자기 상관을 이용)되는 OPO 레이저 여기의 펄스 폭에 의해 제한된다. 이후, 시스템은 긴 (1150 내지 1550nm) 파장을 이용하는 THz 신호의 여기 및 검출을 허용하도록 변경되었다. 초기에, 동일한 ZnTe 결정이 검출을 위해 사용되었다. 웨이퍼 2213 _0.8 에 형성된 이미터로부터 얻어진 주파수-영역 신호들의 고속 푸리에 변환은 펌프/프로브 파장을 증가시키면서 레드시프트하는 강한 스펙트럼 특성과 함께 약 1.5 THz까지 대역폭의 감소를 나타냈다. 이는, 보다 얇고 150-micro m 두께의 GaP 결정으로 후에 대체되는 두꺼운 ZnTe 결정 내에 파괴적인 간섭을 일으키는, THz 신호의 위상 속도와 프로브 레이저 펄스의 그룹 속도의 불일치로부터 발생하는 것으로 생각된다. GaP 결정으로부터의 결과는 ZnTe로 관찰된 천이 형상이 더 이상 존재하지 않고, 증가된 프로브 펄스 폭으로 인하여 830nm를 사용하여 관찰된 것보다 약간 적은 약 2.0 THz로 대역폭이 복원됨을 보여주었다. GaP 검출을 이용하여 관찰된 좋지 못한 신호 품질은 감소된 결정 두께로부터 발생하여, 검출 결정 내의 THz 신호와 프로브 펄스 사이의 낮은 상호 작용 길이로 나타난다.

도 22를 참조하면, 철 농도의 효과를 더 조사하기 위하여, 새로운 웨이퍼들은 다음과 같이 제조되었다. 22O8 ₁₀₀ -2 (22O8 ₁₀₀ 의 반복 제조, Fe-도핑 5x10 ¹⁸ cm ^-3 ); 232O _0.8 (Fe-도핑 4 x 10 ¹⁶ cm ^-3 , 2213 _0.8 의 반복 성장); 및 2321 _0.4 (2 x 10 ¹⁶ cm ^-3 )까지 더 Fe-감소, R _sh =2.1x10 ⁷ Ohm/sq). 도 22는, (a) 동일한 이미터 쌍: 2321 _0.4 및 2321 _0.4 -2 (사각형); 2213 _0.8 및 2320 _0.8 (원형); 및 22O8 ₁₀₀ 및 22O8 ₁₀₀ -2 (삼각형)에 대한 여기 파장의 함수로서 TH 전력; (b) 바이어스 전압으로 광전류의 대응하는 변화(1550nm, 50 mW 여기); 및 (c) 웨이퍼 22O8 ₁₀₀ , 2213 _0.8 , 및 2321 _0.4 (1550nm 여기)에 이미터들에 대한 여기 전력을 갖는 THz 신호, 및 800nm 여기 하의 LT:GaAs 이미터를 도시한다. 더욱 상세히, 도 22a는 모든 웨이퍼의 파장의 함수로서 측정된 피크 THz 신호를 도시한다. 최저 도핑(그리고, 상대적으로 최고 시트 저항)된 웨이퍼 2321 _0.4 는, 대부분 Fe 산란 사이트의 감소된 레벨(그리고, 광여기된 캐리어들의 트래핑(trapping)의 감소)로 인하여, 대역폭이 캐리어 트랩(carrier traps)의 감소에 의해 영향을 받지 않으면서(측정 시스템의 한계 내에서), 최고 THz 강도를 나타낸다. 바이어스 전압(1550nm, 50mW 여기에서)의 함수로서 광전류는 도 22b에 제공되며, Fe-도핑이 감소될 때 캐리어 발생(광전류의 증가로서 관찰됨)의 예측된 증가를 입증한다. 이는 다크 시트 저항값과는 다르지만, 이전에 기술한 것처럼, 감소된 과보상에 대응하는 Fe-도핑에서 감소로 값이 증가한다.

다음으로, 여기 전력의 함수로서 THz 전력은 3개의 Fe 농도(22O8 ₁₀₀ , 2213 _0.8 , 및 2321 _0.4 )의 웨이퍼들에 제조된 이미터들에 대한 1550nm의 의도된 동작 파장에서 측정되었고, 800nm에서 여기된 LT-GaAs에 형성된 동일한 광전도 이미터에 비교되었다. 도 22c의 결과들은 모든 Fe:InGaAs 웨이퍼가 동일한 바이어싱 조건 하에서 LT-GaAs 이미터보다 성능이 뛰어남을 도시한다.

따라서, InGaAs의 MOCVD 성장 동안 도입되는 Fe-도핑은, 웨이퍼 성장 동안 재현성의 고 레벨 및 제어와 함께, 여기 파장의 넓은 범위에 걸쳐 THz를 발생할 수 있는 광전도 물질을 발생할 수 있음을 입증했다. Fe-도핑의 최고 레벨에서, 물질은 성능에 해로운 영향을 주는 FeAs 침전물의 고밀도를 갖는다. 그러나, Fe-도핑의 감소는, 딥 억셉터 상태들의 수에 대응하는 감소와 (다크) dc 시트 저항의 증가에도, 대역폭을 희생시키지 않고 이미터 성능을 향상시킨다. 이들 광전도 이미터들로부터 성취된 대역폭은 캐리어 발생에 이용되는 OPO 레이저의 펄스 폭에 의해 주로 제한되는 >2 THz가 되었다. 모든 경우에 있어서, 1550nm에서 성취되는 출력 전력은 동일한 바이어싱 조건 하에서 800nm에서 여기되는 동일한 LT-GaAs 보다 크게 되었다.