JP6705672B2

JP6705672B2 - 電磁波計測装置

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Publication number: JP6705672B2
Application number: JP2016053620A
Authority: JP
Inventors: 喜彦加茂; 暢之栗田; 孝寛伊田
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: JP2017167025A

Description

本発明は、電磁波計測装置に関し、特にテラヘルツ電磁波の発生及び検出に用いる光伝導基板を用いた電磁波計測装置に関する。

近年、フェムト秒レーザを用いたテラヘルツ時間領域分光法（ＴＤＳ）と呼ばれる計測法についての研究が活発に進められている。ＴＤＳ計測法に用いられる電磁波発生器または電磁波検出器として、光伝導基板を用いられたものが知られている。このような光伝導基板は半導体基板上に半導体層がエピタキシャル成長された光伝導体を有する。

例えば、特許文献１には、光導電性を有する半導体層（光導電性半導体層）をバンドギャップが光導電性半導体層よりも大きい半導体境界層の間に有する積層を用いた光導電アンテナ、または光混合器によるＴＨｚ(テラヘルツ)放射を発生または検出するための光導電体が開示されている。

特許第５２７０５８５号公報

テラヘルツ時間領域分光（ＴＤＳ）計測に用いられる電磁波発生器としては発生出力が大きく、また電磁波検出器としては検出感度が高いものが望まれる。しかしながら、電磁波発生器及び電磁波検出器に従来の光伝導層を適用した場合に、テラヘルツ波時間波形の最大振幅値や、テラヘルツ波時間波形をフーリエ変換したスペクトル（テラヘルツ波スペクトル）のＳ／Ｎ比又はダイナミックレンジが小さくなり、高い計測性能を得ることが困難な場合があった。また、より高い計測性能の電磁波計測装置が強く望まれていること等が、従来の課題の例として挙げられる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、電磁波発生器及び電磁波検出器のそれぞれが最適な構造の光伝導層を有するように構成された電磁波計測装置又はシステムを提供し、テラヘルツ波時間波形の振幅値及びテラヘルツ波スペクトルのダイナミックレンジやＳ／Ｎ比が大きいなど、高感度で高性能な電磁波計測装置を提供することを目的の一つとしている。

請求項１に記載の発明は、少なくとも１の第１半導体層と第１半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第２半導体層とが交互に積層された第１光伝導層を有し、第１光伝導層がパルス光の入射を受けることで、対象物に照射されて対象物を透過した又は対象物で反射された電磁波を検出する検出器と、半導体層からなる第２光伝導層を有し、第２光伝導層にパルス光が入射することで電磁波を発生する発生器と、を有する。

実施例１の電磁波発生器の構成を示す斜視図である。実施例１の電磁波検出器の構成を示す斜視図である。実施例１の電磁波発生器に係る光伝導基板の積層構造を示す断面図である。実施例１の電磁波検出器に係る光伝導基板の積層構造を示す断面図である。実施例１の電磁波検出器に係る積層構造の変形例を示す断面図である。実施例１の電磁波検出器に係る積層構造の変形例を示す断面図である。実施例１の電磁波発生器及び電磁波検出器が適用されたテラヘルツ時間領域分光（ＴＤＳ）計測システムを示す図である。実施例２の電磁波発生器に係る光伝導層の構成を示す断面図である。実施例２の電磁波検出器に係る光伝導層の構成を示す断面図である。実施例２の電磁波発生器に係る光伝導層の構成を示す断面図である。実施例２の電磁波検出器に係る光伝導層の構成を示す断面図である。実施例２の電磁波発生器に係る光伝導層の構成を示す断面図である。実施例２の電磁波検出器に係る光伝導層の構成を示す断面図である。実施例１,２及び比較例の電磁波発生器が用いられたＴＤＳ計測システムの実験結果の一例を示す表である。実施例１,２及び比較例の電磁波検出器が用いられたＴＤＳ計測システムの実験結果の一例を示す表である。実施例１及び２の電磁波発生器及び電磁波検出器を有する電磁波発生検出モジュールの一例を模式的に示す図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１及び図２は、実施例１の電磁波計測装置であるテラヘルツ時間領域分光（ＴＤＳ）計測装置に用いられ、電磁波を発生する電磁波発生器１０及び電磁波を検出する電磁波検出器３０のそれぞれを模式的に示す斜視図である。以下に、図面を参照して電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０の構成について説明する。
[電磁波発生器の構成]
図１に示すように、電磁波発生器１０は、光伝導アンテナ素子であり、光伝導材料の薄膜を積層した光伝導基板１３と、光伝導基板１３上に形成された一対のアンテナ電極（以下、単に一対のアンテナという）２０と、を有している。

光伝導基板１３は、光伝導層を成長するための基板（以下、成長基板と称する）１１と、成長基板１１上に成長された光伝導層（以下、第２光伝導層という）１２と、からなる。

一対のアンテナ２０は、第２光伝導層１２上に設けられている。一対のアンテナ２０は、一対のアンテナ電極部２０Ａと、一対のアンテナ本体２０Ｂと、からなるダイポールアンテナである。一対のアンテナ電極部２０Ａは、配線（図示しない）を介して定電圧源などの電源等が接続されるように構成されている。一対のアンテナ本体２０Ｂは、所定の離間間隔をおいて対向して配置されている。以下においては、当該対向する一対のアンテナ本体２０Ｂの間の第２光伝導層１２の部分をギャップ部２３と称する。

一対のアンテナ本体２０Ｂの間に電圧を印加した状態で、ギャップ部２３にフェムト秒パルスレーザ等の励起光（ポンプ光）を照射すると、光励起キャリアが発生する。そして、一対のアンテナ本体２０Ｂの間にパルス状の電流が流れ、この電流によってテラヘルツ電磁波が発生する。
[電磁波検出器の構成]
また、図２に示すように、電磁波検出器３０は、光伝導アンテナ素子であり、光伝導材料の薄膜を積層した光伝導基板３３と、光伝導基板３３上に形成された一対のアンテナ電極（以下、単に一対のアンテナという。）４０と、を有している。

光伝導基板３３は、成長基板３１と、成長基板３１上に成長された光伝導層（以下、第１光伝導層という）３２と、からなる。

一対のアンテナ４０は、第１光伝導層３２上に設けられている。一対のアンテナ４０は、一対のアンテナ電極部４０Ａと、一対のアンテナ本体４０Ｂと、からなるダイポールアンテナである。一対のアンテナ電極部４０Ａは、配線（図示しない）を介して電流計等が接続されるように構成されている。一対のアンテナ本体４０Ｂは、所定の離間間隔をおいて対向して配置されている。以下においては、当該対向する一対のアンテナ本体４０Ｂの間の第１光伝導層３２の部分をギャップ部４３と称する。

また、ギャップ部４３にプローブ光を照射し、測定試料からのテラヘルツ電磁波を受けたときに一対のアンテナ本体４０Ｂの間に電流が発生する。この電流を電流増幅器等を介して電流計によって測定することによってテラヘルツ電磁波を検出することができる。
［電磁波発生器の光伝導層の構成］
図３は、電磁波発生器１０の光伝導基板１３の積層構造を模式的に示す断面図である。電磁波発生器１０の成長基板１１は、半絶縁性（ＳＩ：Semi-insulating）のＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ）である。成長基板１１上には、光伝導層（第２光伝導層）１２が形成されている。第２光伝導層１２は、ＩｎＧａＡｓなどからなる１層の半導体層として構成されている。

第２光伝導層１２は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ： Molecular Beam Epitaxy）によって成長された結晶層である。より詳細には、通常温度での成長または、いわゆる低温（LT：low-temperature）成長により成長された半導体層である。
［電磁波検出器の光伝導層の構成］
図４は、電磁波検出器３０の光伝導基板３３の積層構造を模式的に示す断面図である。電磁波検出器３０の成長基板３１は、ＳＩ−ＩｎＰ基板である。成長基板３１上には、第２半導体層３７と、第２半導体層３７上に形成された第１半導体層３５と、からなる光伝導層（第１光伝導層）３２が形成されている。

第２半導体層３７、及び第１半導体層３５はＭＢＥ法によって成長された結晶層である。より詳細には、通常温度での成長または、いわゆる低温（LT）成長により成長された半導体層である。
［電磁波発生器の製造工程］
次に、ＭＢＥ装置を用いた電磁波発生器１０の製造工程について説明する。なお、本実施例では、結晶成長法としてＭＢＥ法を用いているが、ＭＢＥ法に代えて、より低廉な結晶成長法であるＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着）法等を用いてもよい。

まず、光伝導基板１３を作製するため、ＭＢＥ装置に成長基板１１をセットする。なお、本実施例では、成長基板１１にはＳＩ−ＩｎＰ単結晶基板を用いたが、ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）やＳｉ（ＳＩ−Ｓｉ）など種々の基板を用いることができる。また、半絶縁性（ＳＩ）ではない基板を用いてもよい。例えば、成長基板１１上に積層する光伝導層１２の材料やその格子定数など、又はＴＤＳ計測装置に用いられるレーザ光の波長などに応じて、適宜選択し得る。

次に、成長基板１１上に第２光伝導層１２を、例えば１〜４μｍ程度の層厚でエピタキシャル成長させる。具体的には、エピタキシャル成長は、例えば、成長基板１１の温度を１００〜６００℃、成長速度を約１μｍ／ｈに設定して第２光伝導層１２を成長させる。その後、必要に応じて光伝導基板１３の熱処理（アニール）を行う。

上記の工程を経て形成された光伝導基板１３上に、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む）等の公知の技術を用いて、アンテナ２０が形成される。一対のアンテナ２０が形成されて、電磁波発生器１０が完成する。なお、一対のアンテナ２０は、ダイポールアンテナに限らず、ボウタイ型アンテナ、ストリップライン型アンテナ又はスパイラル型アンテナ等の任意のアンテナであってもよい。

なお、成長基板１１と第２光伝導層１２との間に、必要に応じて、バッファ層を成長させても良い。
［電磁波検出器の製造工程］
続いて、ＭＢＥ装置を用いた電磁波検出器３０の製造工程について説明する。なお、本実施例では、結晶成長法としてＭＢＥ法を用いているが、ＭＢＥ法に代えて、より低廉な結晶成長法であるＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着）法等を用いてもよい。

まず、光伝導基板３３を作製する。成長基板３１上に第２半導体層３７を例えば数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の層厚でエピタキシャル成長させる。続いて、第２半導体層３７上に第１半導体層３５を例えば１〜４μｍ程度の層厚でエピタキシャル成長させる。なお、成長基板３１上に第１半導体層３５をエピタキシャル成長させ、続いて、第１半導体層３５上に、第２半導体層３７を、エピタキシャル成長させてもよい。

本実施例においては、第１光伝導層３２は、１層の第２半導体層３７上に、１層の第１半導体層３５を成長させた場合について説明するが、必要に応じて交互に繰り返し積層されていてもよい。すなわち、第１光伝導層３２は、少なくとも１の第２半導体層３７と、少なくとも１の第１半導体層３５とが交互に積層されて構成されている。なお、少なくとも１の第１半導体層３５の層厚を合計した総厚は、１．５μｍ以上であることが好ましい。第１光伝導層３２を成長した後、必要に応じて光伝導基板３３の熱処理（アニール）を行う。

上記の工程を経て形成された光伝導基板３３の上に、フォトリソグラフィ法（エッチング処理含む）等の公知の技術を用いて、一対のアンテナ４０が形成される。一対のアンテナ４０が形成されて、電磁波検出器３０が完成する。なお、一対のアンテナ４０は、ダイポールアンテナに限らず、ボウタイ型アンテナ、ストリップライン型アンテナ又はスパイラル型アンテナ等の任意のアンテナであってもよい。

なお、成長基板３１と第１光伝導層３２との間に、必要に応じて、バッファ層を成長させても良い。
［電磁波発生器の光伝導層の半導体材料］
図３及び図４を参照し、本実施例の光伝導層に適用する半導体材料、光伝導層が有するバンドギャップエネルギー（Ｅｇ（ｅＶ）、以下、バンドギャップと称する）及び積層構造について説明する。

一般的に、光伝導層の材料としては、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等の半導体層が挙げられる。電磁波発生器の光伝導層には、一般的な光伝導層の材料から適宜選択して用いることができる。

図３に示す第２光伝導層１２には、ＩｎＧａＡｓの代わりに、一般的な光伝導層の材料から適宜選択して、例えばＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等を用いてもよい。

なお、バッファ層を成長させる場合には、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等を、成長基板１１、第２光伝導層１２の材料及びその格子定数に応じて任意に選択して用いることができる。
［電磁波検出器の光伝導層の材料］
図４に示す第１光伝導層３２は、少なくとも１の第１半導体層３５と、第１半導体層３５よりもバンドギャップが大なる半導体からなる少なくとも１の第２半導体層３７と、が交互に積層されることによって構成されている。

バンドギャップの大きい半導体ほど、キャリア移動度は低い傾向がある。本実施例において、第１半導体層３５としてＩｎＧａＡｓ、第２半導体層３７としてＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップの大なるＩｎＡｌＡｓを採用している。したがって、第２半導体層３７は、第１半導体層３５と比較して低いキャリア移動度、すなわち短いキャリア寿命を有する。

第２半導体層３７の有するバンドギャップは、第１半導体層３５が有するバンドギャップよりも、例えば０．６〜０．８ｅＶ程度大きいことが好ましい。

第１半導体層３５、第２半導体層３７、それぞれの半導体材料については、次の組み合わせが挙げられる。第１半導体層３５、第２半導体層３７の有するバンドギャップをそれぞれＥｇ₁、Ｅｇ₂と表した場合に、例えば、Eg₁(GaAs)<Eg2(AlAs)、Eg₁(InGaAs)<Eg2(AlAs)、Eg₁(GaAs)<Eg2(InAlAs)、Eg₁(In_xGa_1-xAs)<Eg2(In_xAl_1-xAs)、Eg₁(InGaAs)<Eg2(GaAsSb)、Eg₁(InAs)<Eg2(GaAsSb)、Eg₁(InGaAs)<Eg2(InGaP)、Eg₁(AlGaAs)<Eg2(AlAs)、Eg₁(InGaP)<Eg2(AlAs)、Eg₁(GaAsSb)<Eg2(InAlAs)などの半導体の組み合わせを採用することができる。

また、第１光伝導層３２は、第２光伝導層１２と異なる半導体材料から構成されていてもよい。

なお、バッファ層の半導体としては、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等を、成長基板３１、第１光伝導層３２の半導体材料及びその格子定数に応じて任意に選択して用いることができる。
[電磁波発生器の動作]
上述したように、電磁波発生器１０は、ギャップ部２３にポンプ光が照射されることで、光励起キャリアが発生し、一対のアンテナ本体２０Ｂの間にパルス状の電流が流れ、この電流によってテラヘルツ電磁波が発生する。

したがって、電磁波発生器１０の光伝導層（第２光伝導層１２）において、光励起キャリアの発生効率が高く（発生キャリア数が多く）、高いキャリア移動度が得られる場合に、発生するテラヘルツ電磁波の発生効率が高くなる。本実施例においては、例えば第２光伝導層１２の層厚を１．５μｍ以上とすることで、ポンプ光による光励起キャリアの高い発生効率を得ている。

[電磁波検出器の動作]
一方で、電磁波検出器３０は、ギャップ部４３にプローブ光が照射され、測定試料からのテラヘルツ電磁波を受けたときに発生する電流を測定することによってテラヘルツ電磁波を検出する。検出感度を高くするためには、発生キャリア量が多いことに加え、キャリア寿命が短いことが重要となる。つまり、光伝導層における高いキャリア発生効率かつ短いキャリア寿命が得られることでテラヘルツ波検出感度が向上する。

したがって、電磁波検出器３０の光伝導層（第１光伝導層３２）は、第１半導体層３５と、第１半導体層３５よりもバンドギャップの大なる第２半導体層３７とを交互に積層することにより構成されている。このような構成により、高いキャリア発生効率を有する層と、低いキャリア移動度を有する層を交互に設けることができる。そして、第１半導体層３５において発生した光励起キャリアが第２半導体層３７に到達すると、光励起キャリアは捕捉されて高速再結合（高速減衰）する特性を有する。

すなわち、バンドギャップが異なる２種の半導体層を交互に積層することで、電磁波検出器３０の第１光伝導層３２中に、光励起キャリアの発生効率が良く、キャリア移動度の高い第１半導体層３５と、光励起キャリアを捕捉して高速再結合（高速減衰）し、キャリア寿命の短い第２半導体層３７と、の両方を備えることができる。従って、第１光伝導層３２における高いキャリア発生効率かつ短いキャリア寿命が得られる。

そして、電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０をテラヘルツ時間領域分光法（ＴＤＳ）による計測に適用した場合に、電磁波発生器１０のテラヘルツ波発生出力が増大し、かつ、電磁波検出器３０のテラヘルツ波検出感度が高まることで、テラヘルツ波時間波形の最大振幅値、及びダイナミックレンジやＳ／Ｎ比が向上する。

なお、図４において、電磁波検出器３０の第１光伝導層３２が、１層の第１半導体層３５と１層の第２半導体層３７とが積層されて構成されている場合について説明したが、これに限らない。電磁波検出器３０の第１光伝導層３２は、複数の第１半導体層３５および／または複数の第２半導体層３７を有するように構成されていてもよい。第１半導体層３５と第２半導体層３７との積層構造に関する変形例を図５（ａ）及び図５（ｂ）の断面図に示す。

図５（ａ）は、電磁波検出器３０の第１光伝導層３２が、複数の第１半導体層３５と複数の第２半導体層３７とからなる場合を示している。複数の第１半導体層３５の各々は同一の層厚を有し、複数の第２半導体層３７の各々は同一の層厚を有している。第１半導体層３５及び第２半導体層３７は一層ずつ交互に積層されている。

図５（ｂ）は、複数の第１半導体層３５のうち少なくとも２つが互いに異なる層厚を有し、複数の第２半導体層３７のうち少なくとも２つが互いに異なる層厚を有している場合を模式的に示している。
［電磁波計測システム］
図６は、本実施例の電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０が適用されたテラヘルツ時間領域分光（ＴＤＳ）計測システム６０を示す図である。図６を参照して、このＴＤＳ計測システム６０について説明する。

ＴＤＳ計測システム６０は、電磁波発生器１０によって発生されたテラヘルツ電磁波が伝播する経路中に測定試料（測定対象物）Ｓを配置し、測定試料Ｓを透過した（又は測定試料Ｓで反射された）テラヘルツ電磁波の時間波形と、測定試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ電磁波の振幅と位相の情報を得る。これにより、測定試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの詳細な物性測定を行うものである。

ＴＤＳ計測システム６０は、フェムト秒パルスレーザ（以下、単にフェムト秒レーザという。）を発生するレーザ照射装置６１と、レーザ照射装置６１からのフェムト秒レーザを分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）などのビームスプリッタ６２と、電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０と、電磁波検出器３０に入射するフェムト秒レーザを遅延させる遅延光学系６３と、フェムト秒レーザを反射・集光する各種光学系と、電磁波発生器１０に電圧を供給する電圧源６４と、電磁波検出器３０の検出信号を処理する信号処理装置６５と、を備えている。また、その他、ＴＤＳ計測システムとして一般的な構成を有している。各種光学系には、電磁波発生器１０および電磁波検出器３０に接して取り付けられ、テラヘルツ電磁波を効率良く取り出すＳｉ（シリコン）半球レンズ等の第１レンズ６６および第２レンズ６７が含まれている。なお、電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０は、ＴＤＳ計測システム６０に用いられる電磁波計測装置５０として構成されていてもよい。

まず、レーザ照射装置６１から発せられたフェムト秒レーザ（波長１．５μｍ）は、ビームスプリッタ６２により、ポンプ光とプローブ光とに分けられる。そして、ポンプ光は、集光レンズＣＬ１により集光され、電磁波発生器１０に入射する。このとき一対のアンテナ本体２０Ｂ間に電圧を印加しておくことで、電磁波発生器１０によってテラヘルツ電磁波が発生される。この発生テラヘルツ電磁波は、第１レンズ６６を通過し第３レンズ６８で集光され、測定試料Ｓに照射される。測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波は、第４レンズ６９および第２レンズ６７を介して電磁波検出器３０に入射される。

一方、ビームスプリッタ６２により分けられたプローブ光は、複数の反射鏡Ｍを有する遅延光学系６３によって時間遅延を与えられ、集光レンズＣＬ２により集光されて電磁波検出器３０に入射する。電磁波検出器３０によって検出された信号は、信号処理装置６５に入力される。信号処理装置６５は、測定試料Ｓを透過したテラヘルツ電磁波の時間波形および測定試料Ｓが無い状態でのテラヘルツ電磁波の時間波形を各々時系列データとして記憶し、これをフーリエ変換処理して周波数空間に変換する。こうして、測定試料Ｓからのテラヘルツ電磁波の強度振幅や位相の分光スペクトルを得ることで、測定試料Ｓの物性等を調べることができる。

なお、電磁波発生器１０には電圧が印加されるため、ギャップ部２３に対向して配置された一対のアンテナ本体２０Ｂの間の離間間隔（ギャップ長）が長くなるように適宜設計することで、絶縁破壊による破壊を防ぐことができる。

一方で、電磁波検出器３０には電圧は印加されず、微弱なテラヘルツ波の起電力による光励起キャリアの応答によって電流が流れ、その電流を検出するため、絶縁破壊などの懸念はない。むしろ、ギャップ部４３の一対のアンテナ本体４０Ｂの間の離間間隔（ギャップ長）が短くなるように適宜設計し、レーザのビーム径も絞ることで、レーザ光密度を高くし、光励起キャリア密度を高くすることができ、検出感度を向上させることができる。

また、テラヘルツ波の発生効率、検出効率を向上させるような電極構造を採用してもよい。例えば、第２光伝導層及１２及び第１光伝導層３２をメサ構造とし、電極を立体的に配置することができる。ギャップ部２３又はギャップ部４３の近傍を残して周辺をエッチングし、露出した面（光伝導層の積層方向に平行な方向）に電極を配置することで、電流が横方向（積層方向に垂直な方向）に流れやすくなる。

したがって、光伝導層の積層方向の深さによって電流の流れやすさに差がなくなるため、テラヘルツ波の発生効率、検出効率が高くなる。たとえば光伝導層が多数の層により構成されるような場合に、電流がより横方向に流れやすくなるため、テラヘルツ波の発生効率、検出効率の向上がより顕著になる。

以上、詳細に説明したように、本実施例の電磁波発生器１０によれば、１の半導体層からなる光伝導層において光励起キャリアの高い発生効率が得られる。一方で、本実施例の電磁波検出器３０によれば、バンドギャップが異なる半導体層が交互に積層された光伝導層によって、高いキャリア発生効率かつ短いキャリア寿命が得られる。

すなわち、電磁波発生器及び電磁波検出器のそれぞれが最適な構造の光伝導層を有するように構成された電磁波計測装置又はシステムが得られる。すなわち、上記したような電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０を用いることによって、光励起キャリアの発生効率が向上し、かつ、キャリアの高速再結合を実現し、高い検出感度を得ることができる。従って、高感度で高性能な電磁波計測装置又はシステムを提供することができる。

実施例２に係る電磁波計測装置は、実施例１と同様に電磁波発生器１０と電磁波検出器３０を有し、電磁波発生器１０が有する第２光伝導層１２の構成のみが異なる。図７（ａ）乃至図９（ｂ）は、実施例２に係る第２光伝導層１２及び第１光伝導層３２の積層構造を示す断面図である。図７（ａ）乃至図９（ｂ）を参照して、実施例２に係る第２光伝導層１２及び第１光伝導層３２の積層構造について説明する。

実施例２は、第２光伝導層１２が、複数の第３半導体層１５と、第３半導体層１５よりもバンドギャップの大なる複数の第４半導体層１７とを有している例を示している。
すなわち、成長基板１１上に第３半導体層１５及び第４半導体層１７が交互に積層されている。本実施例において、複数の第３半導体層１５はＩｎＧａＡｓ層であり、複数の第４半導体層１７はＩｎＡｌＡｓ層である。また、成長基板１１上に第４半導体層１７であるＩｎＡｌＡｓ層が成長されている場合を示している。

図７（ａ）は、電磁波発生器１０の第２光伝導層１２、図７（ｂ）は、電磁波検出器３０の第１光伝導層３２の積層構造を示す断面図である。図７（ａ）において、当該複数の第４半導体層１７の総厚（Ｔ４とする。）に対する当該複数の第３半導体層１５の総厚（Ｔ３とする。）の比は、図７（ｂ）における複数の第２半導体層３７の総厚（Ｔ２とする。）に対する複数の第１半導体層３５の総厚（Ｔ１とする。）の比よりも大きい（すなわち、（T3/T4）＞（T1/T2））。

換言すれば、電磁波発生器１０の光伝導層（第２光伝導層１２）に比べて、電磁波検出器３０の光伝導層（第１光伝導層３２）の方が、バンドギャップの小なる半導体層の総厚に対するバンドギャップの大なる半導体層の総厚の比が大きい。従って、電磁波検出器３０の光伝導層（第１光伝導層３２）の方が、バンドギャップの大なる半導体層の効果によって、キャリア移動度が低く、かつ顕著にキャリア寿命の短い特性が発現する。

なお、第１半導体層３５及び第３半導体層１５は同一の半導体からなる必要はなく、また第２半導体層３７及び第４半導体層１７は同一の半導体からなる必要はない。第２半導体層３７の方が第１半導体層３５よりもバンドギャップが大きく、第４半導体層１７の方が第３半導体層１５よりもバンドギャップが大きければよい。

図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示した電磁波検出器３０の第１光伝導層３２の変形例であり、図８（ａ）は図７（ａ）と同様の第２光伝導層１２の構造を示す。図８（ａ）における第４半導体層１７の総厚に対する第３半導体層１５の総厚の比は、図８（ｂ）における第２半導体層３７の総厚に対する第１半導体層３５の総厚の比よりも大きい（すなわち、（T3/T4）＞（T1/T2））点は上記した変形例と同じである。本変形例では、電磁波発生器１０の第４半導体層１７の総厚よりも電磁波検出器３０の第２半導体層３７の総厚の方が大きい(T4<T2)。

したがって、図８（ａ）の構造を採用した電磁波発生器１０と、図８（ｂ）の構造を採用した電磁波検出器３０とを、ＴＤＳ計測システムに適用した場合、電磁波発生器１０の光伝導層（第２光伝導層１２）と比較して、電磁波検出器３０の光伝導層（第１光伝導層３２）におけるキャリア移動度が低く、かつ顕著にキャリア寿命の短い特性が発現する。

図９（ｂ）は、図７（ｂ）に示した第１光伝導層３２の変形例であり、図９（ａ）は図７（ａ）と同様の第２光伝導層１２の構造を示す。図９（ａ）における第４半導体層１７の総厚に対する第３半導体層１５の総厚の比は、図９（ｂ）における第２半導体層３７の総厚に対する第１半導体層３５の総厚の比よりも大きい点は上記した変形例と同じである（（T3/T4）＞（T1/T2））。

また、第４半導体層１７の総厚よりも第２半導体層３７の総厚の方が大きい点についても上記した変形例と同じである(T4<T2)。さらに、第４半導体層１７の層数（N4とする）よりも第２半導体層３７の層数（N2とする）の方が多い（N4<N2）。したがって、図９（ｂ）の第１半導体層３５で発生した光励起キャリアは、図９（ａ）の第３半導体層１５で発生した光励起キャリアよりも、バンドギャップの大なる層へ到達しやすくなる。すなわち、図９（ｂ）の構造によって、キャリア移動度が低く、かつ顕著にキャリア寿命の短い特性が得られ易くなる。

図９（ａ）の構造を採用した電磁波発生器１０と、図９（ｂ）の構造を採用した電磁波検出器３０とを、ＴＤＳ計測システムに適用した場合、電磁波発生器１０の光伝導層（第２光伝導層１２）と比較して、電磁波検出器３０の第１光伝導層３２におけるキャリア移動度が低く、かつ顕著にキャリア寿命の短い特性が発現する。

以上、説明したように、本実施例の電磁波検出器３０によれば、電磁波発生器１０の光伝導層に比べて、バンドギャップの大なる層の総厚又は光伝導層全体の厚さに占める割合が大きな光伝導層を採用することによって、高いキャリア発生効率かつ短いキャリア寿命が得られる。

一方で、電磁波発生器１０の光伝導層は、電磁波検出器３０の光伝導層に比べて、バンドギャップの大なる層の総厚又は光伝導層全体の厚さに占める割合が小さな光伝導層を採用することによって、高いキャリア発生効率かつ高いキャリア移動度が得られる。

すなわち、電磁波発生器及び電磁波検出器のそれぞれに適した積層構造によって光伝導層が構成される。すなわち、電磁波発生器及び電磁波検出器のそれぞれが最適な積層構造の光伝導層を有するように構成された電磁波計測装置又はシステムが得られる。すなわち、電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０を用いることによって、光励起キャリアの発生効率が向上し、かつ、キャリアの高速再結合を実現し、高い検出感度を得ることができる。よって、高感度で高性能な電磁波計測装置又はシステムを提供することができる。
［電磁波計測システムの測定結果の例］
実施例１及び実施例２に係る電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０を、図６に示した電磁波計測システム（ＴＤＳ計測システム）に適用した場合の測定結果の一例を図１０,１１に示す。具体的には、実施例１、実施例２、及び比較例のＴＤＳ計測システムにより測定したテラヘルツ波時間波形の最大振幅値、及びテラヘルツ波時間波形をフーリエ変換したスペクトル（テラヘルツ波スペクトル）のダイナミックレンジを示している。

図１０は、電磁波発生器の光伝導層の構造と、テラヘルツ波時間波形の最大振幅値及びダイナミックレンジとの関係を示している。上記したように、実施例１の電磁波発生器１０の光伝導層（第２光伝導層）１２は１層の第３半導体層１５（層厚1,500nm）からなる。

また、実施例２の電磁波発生器１０の光伝導層は、５層の第３半導体層１５（各層厚300nm、総厚1,500nm）と５層の第４半導体層１７（各層厚8nm、総厚40nm）とからなり、総厚1,540nmを有している。第３半導体層１５および第４半導体層１７が交互に５周期（以下、積層周期又は単に周期と称する。）で積層されている。

また、比較例として用いた電磁波発生器１０は、６０層の第３半導体層１５（各層厚25nm、総厚1,500nm）と６０層の第４半導体層１７（各層厚8nm、総厚480nm）とからなる（すなわち、積層周期が60）光伝導層を有している。

なお、ＴＤＳ計測システムの電磁波検出器としては、１００周期のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなる光伝導層（総厚2,000nm）を有する市販の検出器を用いた。

表中に、第３半導体層１５の総厚をＴ３（ｎｍ）、第４半導体層１７の総厚をＴ４（ｎｍ）として示し、また併せて積層周期及びＴ４に対するＴ３の比（Ｔ３／Ｔ４）を示している。なお、用いた電磁波発生器には一定の電圧を印加して測定を実施した。

図１０に示す表から、電磁波発生器１０における、第４半導体層１７の総厚に対する第３半導体層１５の総厚の比（Ｔ３／Ｔ４）が大きいほど、換言すれば、光伝導層におけるバンドギャップのより大なる第４半導体層１７の比率が小さいほど、テラヘルツ波時間波形の最大振幅値、及びテラヘルツ波スペクトルのダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ比）が向上することが分かる。

図１１は、電磁波検出器の光伝導層の構造と、テラヘルツ波時間波形の最大振幅値及びダイナミックレンジとの関係を示している。上記したように、実施例１の電磁波検出器３０の光伝導層（第１光伝導層）３２は１層の第１半導体層３５（層厚1,500nm）と１層の第２半導体層３７（層厚800nm）とからなり、総厚2,300nmを有している。

また、実施例２の電磁波検出器３０の光伝導層（総厚2,300nm）は、１００層の第１半導体層３５（各層厚15nm、総厚1,500nm）と１００層の第２半導体層３７（各層厚8nm、総厚800nm）とからなる。すなわち、第１半導体層３５および第２半導体層３７が交互に１００周期で積層されている。

また、比較例の電磁波検出器としては、図１０に示した、光伝導層（第２光伝導層）１２が１層の第３半導体層１５（層厚1,500nm）からなる実施例１の電磁波発生器１０を用いた。

なお、ＴＤＳ計測システムの電磁波発生器については、図１０に示した計測で用いた検出器と同等のものを発生器として用いた。なお、用いた電磁波発生器には図１０の測定時に印加した電圧とは異なる一定の電圧を印加して測定を実施した。

図１１に示す表から、電磁波検出器３０における、第２半導体層３７の総厚に対する第１半導体層３５の総厚の比（Ｔ１／Ｔ２）が小さいほど、換言すれば、光伝導層におけるバンドギャップのより大なる第２半導体層３７の比率が大きいほど、テラヘルツ波時間波形の最大振幅値、及びテラヘルツ波スペクトルのダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ比）が向上することが分かる。

以上、説明したように、本願発明は、検出性能（計測性能）を向上させるための、電磁波発生器の光伝導層と電磁波検出器の光伝導層とではその設計（最適構造）が異なるという知見に基づいている。すなわち、互いに異なる積層構造の光伝導層を有するように構成された電磁波発生器及び電磁波検出器を用いることによって、従来に無い高い検出性能（計測性能）が得られることが分かった。

より具体的には、電磁波発生器の第４半導体層（バンドギャップのより大きな層）の総厚に対する第３半導体層の総厚の比が、電磁波検出器の第２半導体層（バンドギャップのより大きな層）の総厚に対する第１半導体層の総厚の比より大きくなるように構成された電磁波発生器及び電磁波検出器を用いることにより、極めて良好な検出性能（計測性能）が得られることが分かった。
［電磁波発生検出モジュール］
なお、本実施例の電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０を、電磁波発生検出モジュール（電磁波計測装置）のような部品又は装置として構成してもよい。図１２は、実施例１及び実施例２の改変例として、電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０を有する電磁波発生検出モジュール８０の一例を模式的に示す図である。

電磁波発生検出モジュール８０は、ボード又は筐体などのハウジング８１内に上記実施例の電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０、電磁波発生器１０からの発生テラヘルツ電磁波をハウジング８１の外部に配された測定試料Ｓに導き、また測定試料Ｓからのテラヘルツ電磁波を電磁波検出器３０に導く光学系、が設けられている。当該光学系は、集光レンズＬ、ビームスプリッタＢＳなどの任意の光学素子を含んで構成されていればよい。

また、電磁波発生検出モジュール８０には、光ファイバＦ１，Ｆ２及び電線Ｃ１，Ｃ２を有するケーブルＦＣが接続される。光ファイバＦ１，Ｆ２および光学系（図１２には省略）によって、それぞれ電磁波発生器１０に入射されるポンプ光及び電磁波検出器３０に入射されるプローブ光が導かれる。また、電線Ｃ１，Ｃ２によって、それぞれ電磁波発生器１０及び電磁波検出器３０の一対のアンテナ２０，４０との配線がなされる。

以上、説明したように、上記の構成によれば、テラヘルツ波時間波形の振幅値、及びテラヘルツ波スペクトルのダイナミックレンジやＳ／Ｎ比が大きく、高感度で高性能な電磁波計測装置を実現できる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の改変を行って実施し得る。

１０電磁波発生器
１１、３１成長基板
１２第２光伝導層
１３、３３光伝導基板
１５第３半導体層
１７第４半導体層
２０、４０一対のアンテナ
２３、４３ギャップ部
３０電磁波検出器
３２第１光伝導層
３５第１半導体層
３７第２半導体層
６０電磁波計測システム
８０電磁波発生検出モジュール

Claims

少なくとも１の第１半導体層と前記第１半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第２半導体層とが交互に積層された第１光伝導層を有し、前記第１光伝導層がパルス光の入射を受けることで、対象物に照射されて前記対象物を透過した又は前記対象物で反射された電磁波を検出する検出器と、
少なくとも１の第３半導体層と、前記第３半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第４半導体層と、が交互に積層された第２光伝導層を有し、前記第２光伝導層にパルス光が入射することで前記対象物に照射する電磁波を発生する発生器と、
を有し、
前記少なくとも１の第４半導体層の総厚に対する前記少なくとも１の第３半導体層の総厚の比が、前記少なくとも１の第２半導体層の総厚に対する前記少なくとも１の第１半導体層の総厚の比より大なる電磁波計測装置。
前記少なくとも１の第２半導体層の総厚は、前記少なくとも１の第４半導体層の総厚よりも大なる請求項１に記載の電磁波計測装置。
少なくとも１の第１半導体層と前記第１半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第２半導体層とが交互に積層された第１光伝導層を有し、前記第１光伝導層がパルス光の入射を受けることで、対象物に照射されて前記対象物を透過した又は前記対象物で反射された電磁波を検出する検出器と、
少なくとも１の第３半導体層と、前記第３半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第４半導体層と、が交互に積層された第２光伝導層を有し、前記第２光伝導層にパルス光が入射することで前記対象物に照射する電磁波を発生する発生器と、を有し、
前記少なくとも１の第２半導体層の総厚は、前記少なくとも１の第４半導体層の総厚よりも大なる電磁波計測装置。
前記少なくとも１の第２半導体層の層数は、前記少なくとも１の第４半導体層の層数よりも大なる請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁波計測装置。
少なくとも１の第１半導体層と前記第１半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第２半導体層とが交互に積層された第１光伝導層を有し、前記第１光伝導層がパルス光の入射を受けることで、対象物に照射されて前記対象物を透過した又は前記対象物で反射された電磁波を検出する検出器と、
少なくとも１の第３半導体層と、前記第３半導体層よりもバンドギャップの大なる少なくとも１の第４半導体層と、が交互に積層された第２光伝導層を有し、前記第２光伝導層にパルス光が入射することで前記対象物に照射する電磁波を発生する発生器と、を有し、
前記少なくとも１の第２半導体層の層数は、前記少なくとも１の第４半導体層の層数よりも大なる電磁波計測装置。