JP7062481B2 - 電磁波計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測用の電磁波を発生させる光伝導素子及び当該電磁波を検出する光伝導素子を含む電磁波計測装置に関する。

従来から、電波と赤外光との間の周波数帯（例えば０．１～１０ＴＨｚ）の電磁波であるテラヘルツ波を対象物に照射し、当該対象物からの反射波又は透過波を時間領域分光法によって計測（分析）する技術が知られている。このような分析システムは、テラヘルツ波を発生させる光伝導素子と、当該発生素子によって発生したテラヘルツ波の対象物からの反射波又は透過波を検出する光伝導素子と、を含む。例えば、特許文献１には、テラヘルツ波を発生するエミッタとしての光スイッチと、テラヘルツ波を検出するためのディテクタとしての光スイッチと、を備えるテラヘルツ波発生検出システムが開示されている。

特開2006-86227号公報

例えば、電磁波の計測を行う場合、電磁波発生素子としての光伝導素子は高出力の電磁波を発生させること、また、検出素子としての光伝導素子は高感度且つ高精度で電磁波を検出することが好ましい。

例えば、テラヘルツ時間領域分光法を用いて対象物の分析を行う場合、発生素子が高い出力のテラヘルツ波を発生させること、並びに、検出素子が高感度でテラヘルツ波を検出できること、検出素子によるテラヘルツ波の検出結果を示すＳ／Ｎ比やダイナミックレンジが大きいことが好ましい。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高出力の電磁波を発生させ、かつ高感度かつ高ダイナミックレンジで電磁波を検出することが可能な電磁波計測装置を提供することを課題の１つとしている。

請求項１に記載の発明は、第１の基板と第１の基板上にエピタキシャル成長した第１の光伝導層とを含む電磁波発生素子と、第２の基板と第２の基板上にエピタキシャル成長した第２の光伝導層とを含む電磁波検出素子と、を含み、電磁波発生素子における第１の基板と第１の光伝導層との間の格子定数のずれ度合は、電磁波検出素子における第２の基板と第２の光伝導層との間の格子定数のずれ度合よりも小さいことを特徴としている。

実施例１に係る電磁波計測装置の斜視図である。 実施例１に係る電磁波計測装置における電磁波発生素子及び電磁波検出素子の構成を示す図である。 実施例１に係る電磁波計測装置を含む光学測定システムの模式的な回路図である。 実施例１に係る電磁波計測装置の電磁波発生素子及び電磁波検出素子の構成例を示す図である。 実施例１に係る電磁波計測装置の電磁波発生素子及び比較例に係る電磁波発生素子から発生した電磁波のダイナミックレンジを示す図である。 実施例１に係る電磁波計測装置の電磁波検出素子及び比較例に係る電磁波検出素子によって検出された電磁波のダイナミックレンジを示す図である。 実施例１に係る電磁波計測装置の電磁波発生素子における格子定数のずれ度合の好ましい範囲を示す図である。 実施例１に係る電磁波計測装置の電磁波検出素子における格子定数のずれ度合の好ましい範囲を示す図である。 実施例１の変形例１に係る電磁波計測装置における電磁波発生素子及び電磁波検出素子の斜視図である。 実施例１の変形例１に係る電磁波計測装置における電磁波発生素子及び電磁波検出素子の上面図である。

以下に本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る電磁波計測装置（以下、単に計測装置と称する場合がある）１０の斜視図である。計測装置１０は、パルス光Ｐ１を受けて電磁波Ｗ１を発生させる電磁波発生素子（第１の光伝導素子、以下、発生素子と称する場合がある）２０と、パルス光Ｐ２を受けて電磁波Ｗ２を検出する電磁波検出素子（第２の光伝導素子、以下、検出素子と称する場合がある）３０と、を含む。

本実施例においては、検出素子３０は、発生素子２０によって発生された電磁波Ｗ１が試料Ｓに照射された後、試料Ｓによって反射又は透過された電磁波を電磁波Ｗ２として検出する。すなわち、計測装置１０は、テラヘルツ波を発生させ、テラヘルツ波を用いて試料Ｓの分析を行う分析装置である。

まず、発生素子２０は、半導体結晶からなる基板（以下、第１の基板と称する）２１と、第１の基板２１を成長基板として第１の基板２１上にエピタキシャル成長した半導体結晶からなるバッファ層２２と、バッファ層２２上にエピタキシャル成長した光伝導性の半導体結晶からなる光伝導層（以下、第１の光伝導層と称する）２３と、を有する。

第１の基板２１は、例えば、単結晶のＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉなどからなる。また、バッファ層２２及び第１の光伝導層２３は、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどからなる。また、本実施例においては、第１の基板２１、バッファ層２２及び第１の光伝導層２３は、矩形の上面形状を有する。

第１の光伝導層２３は、パルス光Ｐ１が照射される領域であるパルス光Ｐ１の被照射領域２３Ｇを有する。発生素子２０は、第１の光伝導層２３上に形成され、パルス光Ｐ１の被照射領域２３Ｇ上において互いに離間する一対の駆動電極２４Ａ及び２４Ｂ（以下、第１の電極対２４と称する）を有する。第１の電極対２４は、例えば第１の光伝導層２３上にパターニングされた金属膜又は透明導電膜からなる。また、第１の電極対２４には、電圧源などの電源ＰＳが接続される。

なお、第１の光伝導層２３におけるパルス光Ｐ１の被照射領域２３Ｇは、第１の光伝導層２３の上面における第１の電極対２４の駆動電極２４Ａ及び２４Ｂ間の領域に対応する。以下においては、パルス光Ｐ１の被照射領域２３Ｇを第１の光伝導層２３の電極間領域と称する。

第１の電極対２４によって電圧が印加された状態で第１の光伝導層２３の電極間領域２３Ｇにパルス光（ポンプ光）Ｐ１が照射されると、第１の光伝導層２３内に光励起キャリア（すなわち光電流）が生ずる。そして、第１の光伝導層２３は、パルス光Ｐ１のパルス幅に応じた波長（周波数）の電磁波Ｗ１を放出する。

また、本実施例においては、発生素子２０は、第１の光伝導層２３の電極間領域２３Ｇにパルス光Ｐ１としてフェムト秒のパルス幅を有するレーザ光が照射されることで、テラヘルツ波を放出するテラヘルツ波発生素子である。

次に、検出素子３０は、半導体結晶からなる基板（以下、第２の基板と称する）３１と、第２の基板３１を成長基板として第２の基板３１上にエピタキシャル成長した半導体結晶からなるバッファ層３２と、バッファ層３２上にエピタキシャル成長した光伝導性の半導体結晶からなる光伝導層（以下、第２の光伝導層と称する）３３と、を有する。

第２の基板３１は、例えば、単結晶のＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉなどからなる。また、バッファ層３２及び第２の光伝導層３３は、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂなどからなる。本実施例においては、第２の基板３１、バッファ層３２及び第２の光伝導層３３は、矩形の上面形状を有する。

また、第２の光伝導層３３は、パルス光Ｐ２が照射される領域であるパルス光Ｐ２の被照射領域３３Ｇを有する。検出素子３０は、第２の光伝導層３３上に形成され、パルス光Ｐ２の被照射領域３３Ｇ上において互いに離間する一対の検出電極３４Ａ及び３４Ｂ（以下、第２の電極対３４と称する）を有する。第２の電極対３４は、例えば第２の光伝導層３３上にパターニングされた金属膜又は透明導電膜からなる。また、第２の電極対３４には、電流計などの計測器ＭＥが接続される。

なお、第２の光伝導層３３におけるパルス光Ｐ２の被照射領域３３Ｇは、第２の光伝導層３３の上面における第２の電極対３４の駆動電極３４Ａ及び３４Ｂ間の領域に対応する。以下においては、パルス光Ｐ２の被照射領域３３Ｇを第２の光伝導層３３の電極間領域と称する。

第２の光伝導層３３の電極間領域３３Ｇにパルス光（プローブ光）Ｐ２が照射された状態で第２の光伝導層３３内に電磁波Ｗ２が入射すると、第２の光伝導層３３内に光励起キャリア（すなわち光電流）が変動する。この光励起キャリアは、第２の電極対３４に電流（検出信号）として表れる。すなわち、検出素子３０は、第２の光伝導層３３の電極間領域３３Ｇへのパルス光Ｐ２の照射によって電磁波Ｗ２を検出する。

また、本実施例においては、検出素子３０は、第２の光伝導層３３の電極間領域３３Ｇにパルス光Ｐ２としてフェムト秒のパルス幅を有するレーザ光が照射されることで、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子である。

このように、本実施例においては、発生素子２０は、パルス光Ｐ１としてフェムト秒のパルス幅を有するようにパルス化されたレーザ光を受けて、電磁波Ｗ１としてテラヘルツ波を放出する。また、検出素子３０は、パルス光Ｐ２としてパルス光Ｐ１と同様のレーザ光を受けて、電磁波Ｗ２としてテラヘルツ波を検出する。

なお、本実施例においては、発生素子２０及び検出素子３０は、パルス光Ｐ１及びＰ２として、第１及び第２の光伝導層２３及び３３のバンドギャップよりも大きな光エネルギを有する光が第１及び第２の光伝導層２３及び３３に照射されることで、それぞれ電磁波Ｗ１の発生動作及び電磁波Ｗ２の検出動作を行う。

具体的には、第１及び第２の光伝導層２３及び３３内では、それぞれパルス光Ｐ１及びＰ２の光エネルギーによって光電効果が生じ、これによって電磁波Ｗ１及びＷ２を発生及び検出するための光励起キャリアが生成される。なお、本実施例においては、発生素子２０及び検出素子３０は、パルス光Ｐ１及びＰ２として、１．４５～１．６５μｍの範囲内の波長の光が第１及び第２の光伝導層２３及び３３に照射されることで、それぞれ電磁波Ｗ１の発生動作及び電磁波Ｗ２の検出動作を行う。

図２は、発生素子２０及び検出素子３０の構成の関係を示す図である。本実施例においては、発生素子２０の第１の基板２１は、格子定数ａ₁の立方晶系の半導体結晶からなる。また、発生素子２０の第１の光伝導層２３は、格子定数ａ₂の立方晶系の半導体結晶からなる。なお、発生素子２０のバッファ層２２は、格子定数ａ₁と格子定数ａ₂との間の範囲内の格子定数の立方晶系の半導体結晶からなる。

また、検出素子３０の第２の基板３１は、格子定数ａ₃の立方晶系の半導体結晶からなる。また、検出素子３０の第２の光伝導層３３は、格子定数ａ₄の立方晶系の半導体結晶からなる。また、検出素子３０のバッファ層３２は、格子定数ａ₃と格子定数ａ₄との間の範囲内の格子定数の立方晶系の半導体結晶からなる。

ここで、本実施例においては、発生素子２０における第１の基板２１と第１の光伝導層２３との格子定数のずれ度合Ｄ₁を、以下の式１で定義する。

また、検出素子３０における第２の基板３１と第２の光伝導層３３との間の格子定数のずれ度合Ｄ₂を、以下の式２で定義する。

そして、計測装置１０においては、発生素子２０における上記した格子定数のずれ度合Ｄ₁は、検出素子３０における上記した格子定数のずれ度合Ｄ₂よりも小さくなる（Ｄ₁＜Ｄ₂の関係を満たす）ように構成されている。

なお、本実施例においては、格子定数のずれ度合は、各格子定数の平均値を基準とした場合の格子定数の差の大きさを示すものとして定義される。また、本実施例においては、上記式で示したように、格子定数のずれ度合を百分率で数値化した。本実施例においては、発生素子２０及び検出素子３０は、この格子定数のずれ度合の数値が上記した関係を満たすように構成されている。

図３は、計測装置１０を含むテラヘルツ時間領域分光法を用いた光学測定システム（以下、単に測定システムと称する）６０の構成を模式的に示す回路図である。図３を参照して、この測定システム６０について説明する。以下においては、発生素子２０から放出される電磁波Ｗ１をテラヘルツ波として説明し、検出素子３０に入射する電磁波Ｗ２をテラヘルツ波として説明する。

測定システム６０は、発生素子２０によって発生されたテラヘルツ波Ｗ１が伝播する経路中に試料（測定対象物）Ｓを配置し、試料Ｓを透過した（又は試料Ｓなどによって反射された）テラヘルツ波Ｗ２の時間波形と、試料Ｓの無い状態でのテラヘルツ波Ｗ２の時間波形と、をフーリエ変換して、テラヘルツ波Ｗ２の振幅と位相の情報を得るように構成されている。測定システム６０によって、例えば、試料Ｓの複素屈折率や複素誘電率などの詳細な物性を測定することができる。

測定システム６０は、パルス光Ｐ１及びＰ２としてフェムト秒のパルスレーザ光を発生するレーザ照射装置６１と、レーザ照射装置６１からのパルス光Ｐ１及びＰ２を分離するビームスプリッタ６２と、発生素子２０及び検出素子３０と、検出素子３０に入射するパルス光Ｐ２を遅延させる遅延回路６３と、発生素子２０に電圧を印加する電源ＰＳと、検出素子３０からの検出信号を計測する計測器ＭＥ及びこれを含む信号処理回路６８と、を備えている。

また、測定システム６０は、時間領域分光法を用いた測定システムとして一般的な構成を有している。例えば、測定システム６０は、発生素子２０に接合され、テラヘルツ波Ｗ１を効率良く取り出す半球レンズ等の第１の光学系６４と、検出素子３０に接合され、テラヘルツ波Ｗ２を効率よく取り込む半球レンズ等の第２の光学系６５を含む。

まず、レーザ照射装置６１から発せられたパルス光Ｐ１及びＰ２を含むレーザ光は、ビームスプリッタ６２により、ポンプ光（パルス光Ｐ１）とプローブ光（パルス光Ｐ２）とに分けられる。

パルス光Ｐ１は、集光レンズＣＬ１により集光され、発生素子２０の電極間領域２３Ｇに入射する。発生素子２０は、第１の電極対２４に電圧を印加しておくことで、テラヘルツ波Ｗ１を発生させる。テラヘルツ波Ｗ１は、第１の光学系６４を通過して第３の光学系６６で集光され、試料Ｓに照射される。試料Ｓを透過したテラヘルツ波Ｗ２は、第４の光学系６７で集光され、第２の光学系６５を介して検出素子３０に入射される。

一方、パルス光Ｐ２は、複数の反射鏡Ｍを有する遅延回路６３によって時間遅延を与えられ、集光レンズＣＬ２により集光されて検出素子３０の電極間領域３３Ｇに入射する。検出素子３０によって検出された信号は、計測器ＭＥによって計測され、信号処理回路６８に入力される。

信号処理回路６８は、試料Ｓを透過したテラヘルツ波Ｗ２の時間波形及び試料Ｓが無い状態でのテラヘルツ波Ｗ２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。このようにして、測定システム６０は、試料Ｓからのテラヘルツ波Ｗ２の強度振幅や位相の分光スペクトルを得る。

図４は、発生素子２０及び検出素子３０の詳細な構成例を示す図である。本実施例においては、発生素子２０の第１の基板２１は、ＩｎＰの組成を有する。この場合、第１の基板２１の格子定数ａ₁は、約５．８６８７Åである。また、発生素子２０の第１の光伝導層２３は、Ｉｎ₅₃Ｇａ₄₇Ａｓの組成を有する。この場合、第１の光伝導層２３の格子定数ａ₂は、約５．８６８７Åである。従って、格子定数ａ₁と格子定数ａ₂とのずれ度合Ｄ₁は、約０％である。また、本実施例においては、発生素子２０のバッファ層２２は、第１の基板２１及び第１の光伝導層２３と同一の格子定数（約５．８６８７Å）の半導体結晶からなり、例えばＩｎＧａＡｓの組成を有する。

また、本実施例においては、検出素子３０の第２の基板３１は、ＧａＡｓの組成を有する。この場合、第２の基板３１の格子定数ａ₃は、約５．６５３２５Åである。また、検出素子３０の第２の光伝導層３３は、Ｉｎ₅₃Ｇａ₄₇Ａｓの組成を有し、Ｂｅをドーパントとして含む。この場合、第２の光伝導層３３の格子定数ａ₄は、約５．８６８７Åである。従って、格子定数ａ₃と格子定数ａ₄とのずれ度合Ｄ₂は、約３．７％である。また、本実施例においては、検出素子３０のバッファ層３２は、第２の基板３１と第２の光伝導層３３との間の格子定数の半導体結晶からなり、例えばＩｎＡｌＡｓの組成を有する。

図５は、発生素子２０によって発生した電磁波Ｗ１であるテラヘルツ波Ｗ１のダイナミックレンジと、比較例に係る発生素子１１０によって発生したテラヘルツ波のダイナミックレンジと、を示す図である。なお、比較例に係る発生素子１１０は、第１の基板２１としてのＩｎＰ基板に代えて、ＧａＡｓの組成を有するＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長したバッファ層２２及び第１の光伝導層２３を有する。発生素子１１０においては、ＧａＡｓ基板と第１の光伝導層２３との間の格子定数のずれ度合Ｄ₀₁は、発生素子２０と同様の式１を用いて計算すると、約３．７％である。

図５に示すように、発生素子２０は、比較例に係る発生素子１１０よりも高いダイナミックレンジでテラヘルツ波を発生させたことがわかる。これは、発生素子２０においては、第１の基板２１の格子定数ａ₁に対してずれ度合Ｄ₁が小さい格子定数ａ₂の第１の光伝導層２３を成長させたことで、高い結晶性の第１の光伝導層２３が形成されたことに起因すると考えられる。

具体的には、結晶性の高い第１の光伝導層２３にほとんど結晶欠陥（例えば転位）が生じず、これによって、第１の光伝導層２３内では高い移動度のキャリアが多く発生することとなる。従って、発生素子２０から高出力なテラヘルツ波が発生したと考えられる。

次に、図６は、検出素子３０による電磁波（テラヘルツ波）Ｗ２の検出結果を示すダイナミックレンジと、比較例に係る検出素子１２０によるテラヘルツ波の検出結果を示すダイナミックレンジと、を示す図である。

なお、比較例に係る検出素子１２０は、第２の基板３１としてのＧａＡｓ基板に代えてＩｎＰの組成を有するＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長したバッファ層３２及び第２の光伝導層３３を有する。検出素子１２０においては、ＩｎＰ基板と第２の光伝導層３３との間の格子定数のずれ度合Ｄ₀₂は、検出素子３０と同様の式２を用いて計算すると、約０％である。また、図６に示す結果を得るために、測定システム６０内において検出素子３０と検出素子１２０とを置き換えた測定システムを準備し、当該測定システムによって得られたテラヘルツ波を検出した。

図６に示すように、検出素子３０は、比較例に係る検出素子１２０よりも高いダイナミックレンジでテラヘルツ波を検出したことがわかる。これは、検出素子３０においては、第２の基板３１の格子定数ａ₃に対して、ずれ度合Ｄ₂が比較的大きな格子定数ａ₄の第２の光伝導層３３を成長させたことで、比較的低い結晶性の第２の光伝導層３３が形成されたことに起因すると考えられる。

具体的には、比較的低い結晶性の第２の光伝導層３３は、比較的短いキャリア寿命を有する。すなわち、テラヘルツ波の入射によって発生したキャリアが比較的短時間で消滅する。これによって、検出素子３０から高いダイナミックレンジでテラヘルツ波を検出できたと考えられる。

また、本実施例においては、第１の基板２１及び第１の光伝導層２３との間の単純な格子定数ａ₁及びａ₂の差ではなく、より第１の光伝導層２３の結晶性に直結する指標として格子定数のずれ度合Ｄ₁を用い、発生素子２０の構成が定められている。同様に、検出素子３０についても格子定数のずれ度合Ｄ₂を用いて第２の基板３１及び第２の光伝導層３３の構成が定められている。これは、結晶性を示す定量値が格子定数間の比に強く依存していたためである。従って、発生素子２０は、電磁波Ｗ１を高出力で発生させるのに確実に好ましい構成を有することとなる。また、検出素子３０は、高い精度及びダイナミックレンジで電磁波Ｗ２を検出するのに確実に好ましい構成を有することとなる。

なお、本実施例においては、発生素子２０が約０％のずれ度合Ｄ₁を有する第１の基板２１及び第１の光伝導層２３によって構成されている場合について説明した。また、本実施例においては、検出素子３０が約３．７％のずれ度合Ｄ２を有する第２の基板３１及び第２の光伝導層３３によって構成されている場合について説明した。しかし、発生素子２０及び検出素子３０の構成はこれに限定されない。

図７は、発生素子２０における格子定数のずれ度合Ｄ₁の好ましい範囲を示す図である。図７は、ずれ度合Ｄ₁と、発生したテラヘルツ波の検出信号の振幅との関係を示す図である。図７に示すように、例えば、１．４５～１．６５μｍの範囲内の波長のパルス光Ｐ１を受けて３０～３０００μｍの波長帯の高出力なテラヘルツ波を発生させかつ高振幅な検出信号を得ることを考慮すると、発生素子２０における第１の基板２１と第１の光伝導層２３との格子定数のずれ度合Ｄ₁は、１．３％以下であることが好ましく、さらには０～０．９％の範囲内であることが好ましいことがわかる。

また、図８は、検出素子３０における格子定数のずれ度合Ｄ２の好ましい範囲を示す図である。図８は、ずれ度合Ｄ２と、テラヘルツ波の検出信号の振幅との関係を示す図である。図８に示すように、１．４５～１．６５μｍの範囲内の波長のパルス光Ｐ２を受けて高い検出感度及びダイナミックレンジで３０～３０００μｍの波長帯のテラヘルツ波を検出することを考慮すると、検出素子３０における第２の基板３１と第２の光伝導層３３との格子定数のずれ度合Ｄ₂は、２．５％以上であることが好ましく、さらには２．８～４．２％の範囲内であることが好ましいことがわかる。

しかし、発生素子２０の第１の光伝導層２３として用いる半導体結晶は比較的高い結晶性を有することが好ましく、検出素子３０の第２の光伝導層３３として用いる半導体結晶はこれよりも低い結晶性を有していることが好ましい。従って、上記したように、発生素子２０における第１の基板２１と第１の光伝導層２３との格子定数のずれ度合Ｄ₁は、検出素子３０における第２の基板３１と第２の光伝導層３３との格子定数のずれ度合Ｄ₂よりも小さければよい。

また、第１の光伝導層２３及び第２の光伝導層３３を好ましい範囲内の結晶性を有するように安定して成長させることを考慮すると、発生素子２０及び検出素子３０は、バッファ層２２及び３２をそれぞれ有することが好ましい。

特に、検出素子３０は、安定して高い検出感度及び高い検出ダイナミックレンジを有することが好ましい。従って、検出素子３０は、第２の基板３１と第２の光伝導層３３との間に設けられ、第２の基板３１（格子定数ａ₃）と第２の光伝導層３３（格子定数ａ₄）との間の格子定数を有する半導体結晶からなるバッファ層３２を有することが好ましい。

同様に、発生素子２０にバッファ層２２を設ける場合、バッファ層２２は、第１の基板２１と第１の光伝導層２３との間の格子定数を有する半導体結晶から構成されていることが好ましい。

また、本実施例においては、発生素子２０の第１の基板２１、バッファ層２２及び第１の光伝導層２３は、それぞれＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓの組成を有する場合について説明した。また、本実施例においては、検出素子３０の第２の基板３１、バッファ層３２及び第２の光伝導層３３は、それぞれ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ及びＩｎＧａＡｓの組成を有する場合について説明した。

しかし、発生素子２０及び検出素子３０は、格子定数のずれ度合の関係を満たす範囲内で、上記した種々の半導体材料を用いて構成することができる。なお、テラヘルツ波を発生及び検出する素子として発生素子２０及び検出素子３０を構成し、また、好ましい結晶性を得ることを考慮すると、上記した組成の第１の基板２１、第１の光伝導層２３、第２の基板３１及び第２の光伝導層３３を用いることが好ましい。

また、上記した第１の電極対２４及び第２の電極対３４の構成は一例に過ぎない。例えば、本実施例においては、第１の電極対２４及び第２の電極対３４がダイポールアンテナを形成するように構成されている。しかし、第１の電極対２４及び第２の電極対３４は、例えば、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を形成するように構成及び配置されていてもよい。

上記したように、本実施例においては、計測装置１０は、格子定数ａ₁の半導体結晶からなる第１の基板２１と格子定数ａ₂の半導体結晶からなりかつ第１の基板２１上にエピタキシャル成長した第１の光伝導層２３とを含む電磁波発生素子２０と、格子定数ａ₃の半導体結晶からなる第２の基板３１と格子定数ａ₄の半導体結晶からなりかつ第２の基板３１上にエピタキシャル成長した第２の光伝導層３３とを含む電磁波検出素子３０とを含む。

また、電磁波発生素子２０における第１の基板２１と第１の光伝導層２３との間の格子定数のずれ度合Ｄ₁を、

の式１で定義し、電磁波検出素子３０における第２の基板３１と第２の光伝導層３３との間の格子定数のずれ度合Ｄ₂を、

の式２で定義した場合、当該ずれ度合Ｄ₁は、当該ずれ度合Ｄ₂よりも小さい。従って、高出力の電磁波Ｗ１を発生させ、かつ高感度かつ高ダイナミックレンジで電磁波Ｗ２を検出することが可能な電磁波計測装置１０を提供することができる。

図９は、実施例１の変形例に係る計測装置１０Ａにおける発生素子２０及び検出素子３０Ａの斜視図である。また、図１０は、発生素子２０及び検出素子３０Ａの模式的な上面図である。図９及び図１０を用いて、計測装置１０Ａについて説明する。

計測装置１０Ａは、検出素子３０Ａの構成を除いては、計測装置１０と同様の構成を有する。本変形例においては、検出素子３０Ａは、第２の光伝導層３５の構成を除いては、検出素子３０と同様の構成を有する。第２の光伝導層３５は、第１の光伝導層２３よりも小さな上面サイズを有する。

より具体的には、図１０に示すように、第１の光伝導層２３は、パルス光Ｐ１の被照射領域２３Ｇを有する上面２３Ｓを有する。一方、第２の光伝導層３５は、パルス光Ｐ２の被照射領域３５Ｇを有し、かつ第１の光伝導層２３の上面２３Ｓよりも小さな上面３５Ｓを有する。

本変形例においては、検出素子３０Ａの第２の基板３１は、発生素子２０の第１の基板２１と同様の形状を有し、同程度の上面サイズを有する。また、発生素子２０の第１の光伝導層２３は、第１の基板２１上の全体に形成されている。

一方、検出素子３０Ａの第２の光伝導層３５は、第２の基板３１上の一部の領域のみに形成されている。例えば、第２の光伝導層３５の上面３５Ｓは、パルス光Ｐ２の被照射領域３５Ｇを除いてそのほとんどが第２の電極対３６（第１及び第２の検出電極３６Ａ及び３６Ｂ）に覆われている。本変形例においては、バッファ層３２の上面が部分的に露出している。

検出素子３０Ａの第２の光伝導層３５が発生素子２０の第１の光伝導層２３よりも小さな上面３５Ｓを有することで、検出素子３０Ａによるテラヘルツ波の検出結果を示すダイナミックレンジが高くなる。

具体的には、第２の光伝導層３５は、電磁波Ｗ２の検出領域であるパルス光Ｐ２の被照射領域３５Ｇを残し、他の領域が部分的に除去された構造を有する。これによって、パルス光Ｐ２が照射されない被照射領域３５Ｇ以外の領域での励起キャリアの発生が抑制される。なお、この被照射領域３５Ｇ以外の領域での励起キャリアの発生は、ノイズの発生につながる可能性がある。

一方、発生素子２０においては、多くの電磁波Ｗ１を発生させることを考慮すると、第１の光伝導層２３は大きな体積を有していることが好ましい。従って、第２の光伝導層３５の上面３５Ｓを小さくしてその面積（体積）を第１の光伝導層２３よりも小さくすることで、検出素子３０Ａからの出力におけるノイズの発生が抑制され、検出感度及び検出精度が向上することとなる。

また、図１０に示すように、本変形例においては、検出素子３０Ａは、第２の光伝導層３５上に形成され、第２の光伝導層３５におけるパルス光Ｐ２の被照射領域３５Ｇ上において互いに離間する第１及び第２の検出電極３６Ａ及び３６Ｂからなる第２の電極対３６を有する。また、第２の電極対３６は、発生素子２０の第１の電極対２４の離間距離よりも小さな距離だけ離間している。

より具体的には、本変形例においては、図１０に示すように、発生素子２０における第１及び第２の駆動電極２４Ａ及び２４Ｂは、それぞれ、互いに対向する第１及び第２の対向部２４Ａ１及び２４Ｂ１を有する。また、第１及び第２の対向部２４Ａ１及び２４Ｂ１は、第１の距離Ｇ１をおいて互いに対向して配置されている。

また、第１の駆動電極２４Ａは、第１の対向部２４Ａ１に接続された第１の接続部２４Ａ２を有する。また、第２の駆動電極２４Ｂは、第２の対向部２４Ｂ１に接続された第２の接続部２４Ｂ２を有する。

換言すれば、発生素子２０は、第１の光伝導層２３上に形成されかつ第１の光伝導層２３におけるパルス光Ｐ１の被照射領域２３Ｇ上において第１の距離Ｇ１をおいて互いに離間する第１の電極対２４を有する。

また、検出素子３０Ａにおける第１及び第２の検出電極３６Ａ及び３６Ｂは、それぞれ、
第２の距離Ｇ２をおいて互いに対向する第１及び第２の対向部３６Ａ１及び３６Ｂ１を有する。また、第１の検出電極３６Ａは、第１の対向部３６Ａ１に接続された第１の接続部３６Ａ２を有する。また、第２の検出電極３６Ｂは、第２の対向部３６Ｂ１に接続された第２の接続部３６Ｂ２を有する。

換言すれば、検出素子３０Ａは、第２の光伝導層３５上に形成されかつ第２の光伝導層３５におけるパルス光Ｐ２の被照射領域３５Ｇ上において第１の距離Ｇ１よりも小さな第２の距離Ｇ２をおいて互いに離間する第２の電極対３６を有する。

発生素子２０における第１の電極対２４の離間距離よりも検出素子３０Ａにおける第２の電極対３６の離間距離を小さくすることで、発生素子２０では電磁波Ｗ１の発生量が向上し、検出素子３０Ａでは電磁波Ｗ２の検出精度が向上する。

具体的には、発生素子２０においては、第１の電極対２３を比較的大きく離間させることでキャリアの発生領域が大きくなり、電磁波Ｗ１の出力が向上する。また、検出素子３０Ａにおいては、第２の電極対３６の離間距離を小さくすることで検出精度を妨げ得る不要なキャリアの発生が抑制される。従って、検出におけるノイズ発生が抑制される。

このように、本変形例においては、発生素子２０及び検出素子３０Ａ間で、格子定数のずれ度合のみならず、第１及び第２の光伝導層２３及び３５の上面形状、並びに、第１及び第２の電極対２４及び３６の離間距離が調節されている。これによって、高出力の電磁波Ｗ１を発生させ、かつ高感度かつ高ダイナミックレンジで電磁波Ｗ２を検出することが可能な電磁波計測装置１０Ａを提供することができる。

なお、本変形例においては、発生素子２０は第１の基板２１の全面上に形成された第１の光伝導層２３を有し、検出素子３０Ａは部分的に除去された第２の光伝導層３５を有する場合について説明した。

しかし、第１及び第２の光伝導層２３及び３５の構成はこれに限定されない。検出素子３０Ａの第２の光伝導層３５の上面３５Ｓの面積が発生素子２０の第１の光伝導層２３の上面２３Ｓの面積よりも小さければよい。

１０、１０Ａ 電磁波計測装置
２０ 電磁波発生素子
２１ 第１の基板
２２ バッファ層
２３ 第１の光伝導層
３０、３０Ａ 電磁波検出素子
３１ 第２の基板
３２ バッファ層
３３、３５ 第２の光伝導層

Claims (6)

1. 格子定数ａ_１の半導体結晶からなる第１の基板と、格子定数ａ_２の半導体結晶からなりかつ前記第１の基板上にエピタキシャル成長した第１の光伝導層と、前記第１の基板と前記第１の光伝導層との間に形成され、前記格子定数ａ _１ と前記格子定数ａ _２ との間の範囲内の格子定数の半導体結晶からなる第１のバッファ層と、を含む電磁波発生素子と、
   格子定数ａ_３の半導体結晶からなる第２の基板と、格子定数ａ_４の半導体結晶からなりかつ前記第２の基板上にエピタキシャル成長した第２の光伝導層と、前記第２の基板と前記第２の光伝導層との間に形成され、前記格子定数ａ _３ と前記格子定数ａ _４ との間の範囲内の格子定数の半導体結晶からなる第２のバッファ層と、を含む電磁波検出素子と、を含み、
   前記第１の基板および前記第２の基板のそれぞれは、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、またはＳｉのいずれかの組成を有し、かつ前記第１の光伝導層、前記第１のバッファ層、前記第２の光伝導層、および前記第２のバッファ層のそれぞれは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ、またはＩｎＳｂのいずれかの組成を有し、
   前記第１の基板と前記第２の基板とは互いに異なる組成を有し、
   前記電磁波発生素子における前記第１の基板と前記第１の光伝導層との間の格子定数のずれ度合Ｄ_１を、
   

   

   
   の式で定義し、前記電磁波検出素子における前記第２の基板と前記第２の光伝導層との間の格子定数のずれ度合Ｄ_２を、
   

   

   
   の式で定義した場合、前記ずれ度合Ｄ_１は、前記ずれ度合Ｄ_２よりも小さいことを特徴とする電磁波計測装置。
2. 前記第１の基板及び前記第１の光伝導層は、前記ずれ度合Ｄ_１が１．３％以下となる格子定数の半導体結晶からなり、
   前記第２の基板及び前記第２の光伝導層は、前記ずれ度合Ｄ_２が２．５％以上となる格子定数の半導体結晶からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁波計測装置。
3. 前記電磁波発生素子の前記第１の基板はＩｎＰの組成を有し、
   前記電磁波発生素子の前記第１の光伝導層はＩｎＧａＡｓの組成を有し、
   前記電磁波検出素子の前記第２の基板はＧａＡｓの組成を有し、
   前記電磁波検出素子の前記第２の光伝導層は、ＩｎＧａＡｓの組成を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波計測装置。
4. 前記電磁波発生素子及び前記電磁波検出素子は、１．４５～１．６５μｍの範囲内の波長のパルス光が照射されることで、それぞれ電磁波の発生動作及び検出動作を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の電磁波計測装置。
5. 前記電磁波発生素子の前記第１の光伝導層は、前記パルス光の被照射領域を有する上面を有し、
   前記電磁波検出素子の前記第２の光伝導層は、前記パルス光の被照射領域を有しかつ前記第１の光伝導層の前記上面よりも小さな上面を有することを特徴とする請求項４に記載の電磁波計測装置。
6. 前記電磁波発生素子は、前記第１の光伝導層上に形成されかつ前記パルス光の前記被照射領域上において第１の距離をおいて互いに離間する第１の電極対を有し、
   前記電磁波検出素子は、前記第２の光伝導層上に形成されかつ前記パルス光の前記被照射領域上において前記第１の距離よりも小さな第２の距離をおいて互いに離間する第２の電極対を有することを特徴とする請求項５に記載の電磁波計測装置。

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