(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルスレーザーを照射することによりテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生源であって、
不純物をドーピングしたＮ型半導体層とＰ型半導体層とが交互に少なくとも３層積層された半導体積層構造を有することを特徴とするテラヘルツ電磁波発生源。
【請求項２】
上記Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間に、不純物がドーピングされていないＩ層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生源。
【請求項３】
上記Ｎ型半導体層、Ｉ層、Ｐ型半導体層の各層は、同じ半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ電磁波発生源。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のテラヘルツ電磁波発生源と、
上記テラヘルツ電磁波発生源に対して、超短パルスレーザーを照射するレーザー照射装置とを備えたことを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項５】
上記超短パルスレーザーの波長は、上記テラヘルツ電磁波発生源を構成している半導体層のバンドギャップエネルギーよりも短い波長であることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項６】
上記レーザー照射装置は、
上記超短パルスレーザーのパルス幅を、上記テラヘルツ電磁波発生源から発生するテラヘルツ電磁波の２種類のピークを示す周波数の低周波数側の１周期以下で、且つ高周波数側の１周期よりも長い値に設定することを特徴とする請求項４または５に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項７】
上記テラヘルツ電磁波発生源は、１３０ｋ（ケルビン）以下に冷却されていることを特徴とする請求項４〜６の何れか１項に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスレーザーの照射によりテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生源、テラヘルツ電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、注目されている電磁波の一つとして、光と電波との中間の波長である、３０μｍ〜３ｍｍ波長を有する電磁波（以下、テラヘルツ電磁波と称する）がある。
【０００３】
テラヘルツ電磁波は、水を通過しないため、人体のＸ線検査の代用にすることができないものの、他の非破壊検査の分野で注目されている。
【０００４】
テラヘルツ電磁波の発生方法としては、大きく分けて２種類の発生方法が知られている。
【０００５】
一つは、例えば特許文献１〜３、非特許文献１等に開示されているように、半導体層の表面にパルスレーザーを照射することで、半導体層の表面において電子や正孔を拡散させてテラヘルツ電磁波を発生させる方法（以下、「パルスレーザー照射法」と称する）である。
【０００６】
他の一つは、例えば特許文献４及び５、非特許文献２等に開示されているように、半導体を構成する接合層において、電子ポテンシャルの高い層から低い層へと滝（カスケード）のように電子を流してテラヘルツ電磁波を発生させる方法（以下、「カスケード法」と称する）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０１９４７２号公報（２００５年０１月２０日公開）
【特許文献２】特表２００５−５１９４５８号公報（２００５年０６月３０日公表）
【特許文献３】特開２００５−３３２９５４号公報（２００５年１２月０２日公開）
【特許文献４】特開２００６−３１０７８４号公報（２００６年１１月０９日公開）
【特許文献５】特開２００１−３２０１３６号公報（２００１年１１月１６日公開）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】"Generation of femtosecond electromagnetic pulses from semiconductor surfaces" X. -C. Zhang et. al.，APPL，p.1011-1013, 1990年3月12日発行
【非特許文献２】"Terahertz semiconductorheterostructure laser" Rudeger Kohler et. al.，NATURE VOL 417，p.156-157，2002年3月9日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のパルスレーザー照射法では、半導体表面に対してパルスレーザーが照射されることにより、電子または正孔がそれぞれ拡散してテラヘルツ電磁波を発生させているので、わずかな時間（２〜３ピコ秒（ｐｓ）程度）しか持続してテラヘルツ電磁波を発生させることができないという問題がある。
【００１０】
また、従来のカスケード法では、電子ポテンシャルの高い層から低い層へと電子がトンネル効果で移動可能とするために、電子ポテンシャルの高い層を薄くすることや、積層方向に電子ポテンシャルの傾斜を形成すること等の素子構成の困難度が極めて高いという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記の各問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、簡単な素子構成で、テラヘルツ電磁波を長時間持続させて発生させることのできるテラヘルツ電磁波発生源及びテラヘルツ電磁波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、不純物をドープしたＰ型半導体とＮ型半導体とを交互に積層させた積層体に対して、位相を揃えたプラズマ波として、パルス幅が１００フェムト秒（ｆｓ）以下の超短パルスレーザーを照射することで、半導体内部で電子または正孔等のキャリアのコヒーレントプラズマ振動（コヒーレントプラズモン）が長時間持続して発生していることを観測した。この結果、コヒーレントプラズモンの周期と同じ周期の波長の電磁波（テラヘルツ電磁波）が、当該コヒーレントプラズモンが継続している間、発生すると考えられる。
【００１３】
従って、本発明のテラヘルツ電磁波発生源は、上記課題を解決するために、超短パルスレーザー光を照射することによりテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生源であって、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に少なくとも３層積層された半導体積層構造を有することを特徴としている。
【００１４】
上記の構成のように、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に少なくとも３層積層された半導体積層構造では、少なくとも１層の半導体層が、当該半導体層の極性とは異なる極性の、残りの半導体層により挟み込まれた構造となる。この半導体積層構造に対して、超短パルスレーザーを照射すると、全ての半導体層内で不純物としてドーピングされた電子または正孔がキャリア濃度に応じて下記の式で示す周波数でコヒーレントプラズマ振動（コヒーレントプラズモン）する。
【００１５】
【数１】
0005610203.tif 000002
【００１６】
上記式でωｐがプラズマ周波数であり、ｅは電荷素量、ｎが電子または正孔の濃度、εは半導体の誘電率、ｍ＊は電子または正孔の有効質量である。
【００１７】
上記半導体積層構造において、積層された半導体層のうち、半導体層によって挟持された半導体層、すなわち、最表面の２つの半導体層以外の半導体層は、当該半導体層の極性とは異なる極性の、半導体層により囲まれた状態となり任意の大きさの電界が形成されるので、この電界により、半導体層内の電子または正孔のコヒーレントプラズモンは安定したものとなる。
【００１８】
ここで、上記超短パルスレーザーは、１つのパルスの幅（時間幅）が数ピコ秒（ｐｓ）から数フェムト秒（ｆｓ）の非常に短いパルスのレーザーである。従って、この超短パルスレーザーが照射されると半導体層内部での、電子または正孔のコヒーレントプラズモンの周期は非常に短いテラヘルツとなる。つまり、この半導体積層構造から発生している電磁波は、テラヘルツ電磁波となる。従って、半導体積層構造においてコヒーレントプラズモンが持続している間、当該半導体積層構造からテラヘルツ電磁波が発生しつづけることになる。
【００１９】
このように、上記構成のテラヘルツ電磁波発生源は、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とを交互に積層するだけという簡単な素子構成によって、テラヘルツ電磁波を長時間持続して発生させることを可能としている。
【００２０】
ここで、上記長時間とは、従来のパルスレーザー照射法におけるテラヘルツ電磁波発生の持続時間である、２ピコ秒（ｐｓ）から３ピコ秒（ｐｓ）よりも長い時間をいう。上記構成のテラヘルツ電磁波発生源によれば、例えば４０ピコ秒（ｐｓ）から１００ピコ秒（ｐｓ）の間、テラヘルツ電磁波を持続して発生させることが可能である。
【００２１】
また、半導体層内で生じるコヒーレントプラズモン振動の周期は、半導体層にドーピングされている不純物の濃度（ドーピング濃度）により変わる。つまり、半導体層に含まれる不純物の濃度が高くなれば、半導体層内で振動する電子または正孔の数が多くなるので、コヒーレントプラズモンの周期が短くなり、より高周波側のテラヘルツ電磁波が発生し、逆に、不純物の濃度が低くなれば、半導体層内で振動する電子または正孔の数が少なくなるので、コヒーレントプラズモンの周期が長くなり、より低周波側のテラヘルツ電磁波が発生する。
【００２２】
従って、上記のような半導体積層構造においては、半導体層の不純物のドーピング濃度を調整するだけで、容易に、テラヘルツ電磁波の周波数を調整することができる。
【００２３】
また、半導体積層構造において、各半導体層からテラヘルツ電磁波が発生しているので、半導体層の積層数が多くなれば、その分だけテラヘルツ電磁波の信号強度が増すことになる。逆に、半導体層の積層数が少なければ、その分だけテラヘルツ電磁波の信号強度が減ることになる。
【００２４】
特に、各半導体層における不純物のドーピング濃度を同じにすることで、この時の不純物のドーピング濃度に対応した周波数のテラヘルツ電磁波の信号強度を、半導体層の積層数のみによって調整可能となる。つまり、各半導体層における不純物のドーピング濃度を調整して、所望の周波数のテラヘルツ電磁波を発生させるように調整していれば、当該周波数のテラヘルツ電磁波の信号強度は、半導体層の積層数を調整するという簡単な方法で行うことが可能となる。
【００２５】
上記Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間に、不純物がドーピングされていないＩ層が形成されていることが好ましい。
【００２６】
上記構成のように、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間に、不純物がドーピングされていないＩ層が形成されていることで、このＩ層の厚みを調整することにより、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間で形成される電界の強度を調整することができる。つまり、Ｉ層の厚みを厚くすることで、上記電界の強度を弱め、Ｉ層の厚みを薄くすることで、上記電界の強度を強めることが可能となる。
【００２７】
これにより、Ｉ層の厚みを厚くすれば、上記の電界の強度が弱まるので、電子または正孔の振動を安定して持続させることが難しくなり、Ｎ型半導体層またはＰ型半導体層において発生しているコヒーレントプラズモンの持続時間が短くなる。一方、Ｉ層の厚みを薄くすれば、上記の電界の強度が強まるので、電子または正孔の振動を安定して持続させることができ、この結果、Ｎ型半導体層またはＰ型半導体層において発生しているコヒーレントプラズモンの持続時間が長くなる。このように、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間に形成されたＩ層の厚みを調整するだけで、容易に、コヒーレントプラズモンの持続時間を調整することが可能となる。
【００２８】
従って、Ｉ層の厚みを調整するだけで、テラヘルツ電磁波の発生持続時間を容易に調整することができるという効果を奏する。
【００２９】
上記Ｎ型半導体層、Ｉ層、Ｐ型半導体層の各層は、同じ半導体材料で形成されていることが好ましい。
【００３０】
このように、Ｎ型半導体層、Ｉ層、Ｐ型半導体層の各層は、同じ半導体材料で形成されていることで、半導体層を積層する際に、半導体材料を切り替える手間がなくなる。また、同じ半導体材料を使用してＮ型半導体層とＰ型半導体層とを形成するので、不純物の半導体層へのドーピングがし易い。
【００３１】
本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は、上記構成のテラヘルツ電磁波発生源と、上記テラヘルツ電磁波発生源に対して、超短パルスレーザーを照射するレーザー照射装置とを備えたことを特徴としている。
【００３２】
これにより、簡単な構成で、テラヘルツ電磁波を長時間持続して発生させることのできるテラヘルツ電磁波発生装置を実現できる。
【００３３】
上記超短パルスレーザーの波長は、上記テラヘルツ電磁波発生源を構成している半導体層のバンドギャップエネルギーよりも短い波長であることが好ましい。
【００３４】
超短パルスレーザーの波長は、上記テラヘルツ電磁波発生源を構成している半導体層のバンドギャップエネルギーよりも短い波長であることで、光学遷移によりキャリアを生成することができテラヘルツ電磁波発生源から確実にテラヘルツ電磁波を発生させることができる。
【００３５】
上記レーザー照射装置は、上記超短パルスレーザーのパルス幅を、上記テラヘルツ電磁波発生源から発生するテラヘルツ電磁波の２種類のピークを示す周波数の低周波数側の１周期以下で、且つ高周波数側の１周期よりも長い値に設定することが好ましい。
【００３６】
この場合、上記超短パルスレーザーのパルス幅を、上記テラヘルツ電磁波発生源１０１から発生するテラヘルツ電磁波の２種類のピークを示す周波数の低周波数側の１周期以下で、且つ高周波数側の１周期よりも長い値に設定することで、テラヘルツ電磁波の高周波側のピークが検出されず、低周波側のピークのみが検出されることになる。
【００３７】
従って、必要に応じて、超短パルスレーザーのパルス幅を調整するという簡単な方法によって、テラヘルツ電磁波発生源から発生するテラヘルツ電磁波における高周波側のピークの検出を抑制して、低周波側のピークのみを検出することができる。
【００３８】
上記テラヘルツ電磁波発生源は、１３０ｋ（ケルビン）以下に冷却されていることが好ましい。
【００３９】
このように、テラヘルツ電磁波発生源は、１３０ｋ（ケルビン）以下に冷却されていることで、コヒーレントプラズモンを長時間持続させることができる。
【００４０】
なお、テラヘルツ電磁波発生源の冷却温度は、低ければ低いほど安定した状態でコヒーレントプラズモンが発生して、長時間持続する。
【発明の効果】
【００４１】
本発明のテラヘルツ電磁波発生源は、超短パルスレーザーを照射することによりテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生源であって、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが交互に少なくとも３層積層された半導体積層構造を有する構成である。これにより、簡単な構成で、テラヘルツ電磁波を長時間持続して発生させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態に係るテラヘルツ電磁波発生源の概略構成ブロック図である。
【図２】図１に示すテラヘルツ電磁波発生源におけるｎｉｐｉ積層体の概略断面図である。
【図３】図２に示すｎｉｐｉ積層体を半導体試料として得られた、反射率変化と時間との関係を示すグラフである。
【図４】図２に示すｎｉｐｉ積層体を半導体試料として得られた、信号強度と周波数との関係を示すグラフである。
【図５】図２に示すｎｉｐｉ積層体を半導体試料として得られた、反射率変化と時間との関係を示すグラフである。
【図６】図１に示すテラヘルツ電磁波発生源を有するテラヘルツ電磁波発生装置を備えた非破壊検査装置の概略構成ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明に係る実施の形態について説明すれば以下の通りである。
【００４４】
本実施の形態に係るテラヘルツ電磁波発生源について図１〜図５を参照しながら以下に説明する。
【００４５】
＜テラヘルツ電磁波発生源の構造＞
図１に示すように、テラヘルツ電磁波発生源１０１は、ＧａＡｓからなる３層以上の半導体層を積層したｎｉｐｉ積層体１１０がバッファ層１２０を介してＳｉ基板１３０上に積層された構造となっている。
【００４６】
上記テラヘルツ電磁波発生源１０１では、ｎｉｐｉ積層体１１０における、上記バッファ層１２０との接触面とは反対側の面をパルスレーザーの入射面１０１ａとし、Ｓｉ基板１３０における、上記バッファ層１２０との接触面とは反対側の面をテラヘルツ電磁波の出射面１０１ｂとしている。
【００４７】
上記構成において、テラヘルツ電磁波の発生に必須の構成は、ｎｉｐｉ積層体１１０である。しかも、ｎｉｐｉ積層体１１０は、従来のテラヘルツ電磁波発生源（半導体層が１層構造）に比べて、テラヘルツ電磁波を長時間持続して発生させることができる。この仕組みについて、以下に説明する。
【００４８】
＜ｎｉｐｉ積層体＞
上記ｎｉｐｉ積層体１１０は、半導体材料であるＧａＡｓをバッファ層１２０上でエピタキシャル成長させて形成される。本実施の形態では、上記ｎｉｐｉ積層体１１０は、
図２に示すように、Ｎ型半導体層１、Ｉ層３、Ｐ型半導体層２、及びＩ層３の４つの層を１組として、２０組積層された構造となっている。
【００４９】
上記Ｎ型半導体層１は、層厚１０ｎｍまでエピタキシャル成長させたＧａＡｓに、不純物としてＢｅをドーピングして形成される。これにより、Ｎ型半導体層１では、外部から超短パルスレーザーが照射されると、内部で電子が拡散してコヒーレントプラズマ振動（コヒーレントプラズモン）が生じる。
【００５０】
上記Ｐ型半導体層２は、層厚１０ｎｍまでエピタキシャル成長させたＧａＡｓに、不純物としてＳｉをドーピングして形成される。これにより、Ｐ型半導体層２では、外部から超短パルスレーザーが照射されると、内部で正孔が拡散してコヒーレントプラズマ振動（コヒーレントプラズモン）が生じる。
【００５１】
上記Ｉ層３は、Ｎ型半導体層１またはＰ型半導体層２上で、層厚１０ｎｍまでエピタキシャル成長させたＧａＡｓの層であるが、不純物はドーピングされていない。このＩ層３は、Ｎ型半導体層１からＰ型半導体層２への切り替え、またはＰ型半導体層２からＮ型半導体層１への切り替えの際に形成される。つまり、Ｉ層３は、半導体層にドーピングする不純物の種類を切り替える間に形成される。従って、この切り替え時間を調整することで、Ｉ層３の厚みを調整したり、あるいは、無くすことも可能である。
【００５２】
上記構成のｎｉｐｉ積層体１１０では、Ｎ型半導体層１、Ｉ層３、Ｐ型半導体層２、Ｉ層３の４つの層を１組として、２０組積層されているので、最表面のＮ型半導体層１またはＰ型半導体層２以外のＮ型半導体層１またはＰ型半導体層２は、それぞれ極性の異なる半導体層に挟まれた構造となる。
【００５３】
例えば、Ｎ型半導体層１は、Ｐ型半導体層２に挟持された状態となり、逆に、Ｐ型半導体層２は、Ｎ型半導体層１に挟持された状態となる。このため、Ｎ型半導体層１の内部の電子の層は、２つのＰ型半導体層２の正孔の層により挟み込まれた状態となり、当該Ｐ型半導体層２間で形成される一定の電界強度を有する電界が形成され、当該電界内において電子が安定して振動することが可能となる。つまり、Ｎ型半導体層１内部での電子の拡散によるコヒーレントプラズモンの持続時間を長くできる。同様に、Ｐ型半導体層２の内部の正孔の層は、２つのＮ型半導体層１の電子の層により挟み込まれた状態となり、当該Ｎ型半導体層１間で形成される一定の電界強度を有する電界が形成され、当該電界内において正孔が安定して振動することが可能となる。つまり、Ｐ型半導体層２内部での正孔の拡散によるコヒーレントプラズモンの持続時間を長くできる。
【００５４】
上記ｎｉｐｉ積層体１１０に対して、位相を揃えたプラズマ波として、パルス幅が１００フェムト秒程度以下の超短パルスレーザーを照射することにより、コヒーレントプラズモンの周期は、テラヘルツ帯（３０μｍ〜３ｍｍ波長）の周期に等しくなる。従って、ｎｉｐｉ積層体１１０からテラヘルツ電磁波が発生していることを意味する。
【００５５】
ここで、コヒーレントプラズモンの周期は、Ｎ型半導体層１、Ｐ型半導体層２にドーピングされた不純物濃度（ドーピング濃度）に応じて変化する。不純物の濃度が高くなれば、半導体層内での電子または正孔の移動が活発となり、コヒーレントプラズモンの周期が短くなり、不純物の濃度が低くなれば、半導体層内での電子または正孔の移動が鈍くなり、コヒーレントプラズモンの周期が長くなるので、不純物の濃度を高くすれば、テラヘルツ電磁波の周波数が高くなり、不純物の濃度を低くすれば、テラヘルツ電磁波の周波数が低くなる。従って、テラヘルツ電磁波の周波数は、半導体層の不純物濃度を変えることにより、容易に調整することが可能となる。
【００５６】
ここで、上記構成のｎｉｐｉ積層体１１０では、下記の式で示す周波数でコヒーレントプラズマ振動（コヒーレントプラズモン）する。
【００５７】
【数２】
0005610203.tif 000003
【００５８】
上記式でωｐがプラズマ周波数（テラヘルツ電磁波の周波数）であり、ｅは電荷素量、ｎが電子または正孔の濃度、εは半導体の誘電率、ｍ＊は電子または正孔の有効質量である。
【００５９】
よって、上記の式から、Ｎ型半導体層１、Ｐ型半導体層２における電子または正孔の濃度を示すｎの値が大きくなれば、テラヘルツ電磁波の周波数は大きくなることが分かる。
【００６０】
また、テラヘルツ電磁波は、上述のように、ｎｉｐｉ積層体１１０における半導体層に挟み込まれた半導体層から発生するので、半導体層の積層数を増加させれば、それだけ、テラヘルツ電磁波の信号強度を強めることができる。
【００６１】
従って、テラヘルツ電磁波の信号強度を必要な値にするためには、ｎｉｐｉ積層体１１０における半導体層の積層数を調整するだけでよいことになる。
【００６２】
また、上記構成のテラヘルツ電磁波発生源１０１によれば、コヒーレントプラズモン振動が半導体層内で安定して持続されるので、発生するテラヘルツ電磁波は単色性が強くなる。
【００６３】
＜テラヘルツ電磁波発生のための各条件について＞
テラヘルツ電磁波を発生させるために、上記テラヘルツ電磁波発生源１０１に対して照射する超短パルスレーザーについて検討する。
【００６４】
ここで、半導体試料としては、上述したｎｉｐｉ積層体１１０を用い、バッファ層１２０の層厚は５００ｎｍとする。ちなみに、ｎｉｐｉ積層体１１０の層厚は、Ｎ型半導体層１、Ｉ層３、Ｐ型半導体層２、Ｉ層３の４層の２０組分として、（１０＋１０＋１０＋１０）×２０＝８００ｎｍである。
【００６５】
ｎｉｐｉ積層体１１０内のＮ型半導体層１及びＰ型半導体層２におけるドーピング濃度は、３．０×１０１７ｃｍ−３とする。
【００６６】
さらに、半導体試料におけるコヒーレントプラズモン振動を測定するための、環境温度を８ｋ（ケルビン）とする。
【００６７】
励起光子エネルギーは、１．５２０ｅｖであり、励起強度は、０．０２８〜０．５５２ｕＪ／ｃｍ２である。
【００６８】
照射するパルスレーザーは、パルス幅が１００フェムト秒以下の超短パルスレーザーとし、出力値を１ｍＷ、１０ｍＷ，２０ｍＷの３種類に変化させて、半導体試料に照射するものとする。
【００６９】
この結果得られた、半導体試料によるパルスレーザーの反射率と時間との関係は、図３に示すグラフとなる。
【００７０】
図３に示す結果から、出力値が１０ｍＷ，２０ｍＷのパルスレーザーを照射した場合、半導体試料からの反射率の変化は４０ｐ秒以上継続していることが分かる。但し、反射率の変化の振幅の度合いについては、パルスレーザーの出力値が高いほど大きくなっている。すなわち、出力値が２０ｍＷのパルスレーザーを用いた場合の反射率の変化の振幅の度合いが、出力値が１０ｍＷのパルスレーザーを用いた場合の反射率の変化の振幅の度合いよりも大きくなっている。これは、パルスレーザーの出力値が大きくなればなるほど、半導体層内の電子または正孔が活発に振動するためである。
【００７１】
なお、図３に示す結果から、出力値が１ｍＷのパルスレーザーを用いた場合の反射率の変化の振幅の度合いは、殆どみられない。つまり、出力値が１ｍＷのパルスレーザーでは、テラヘルツ電磁波を発生し得るだけのコヒーレントプラズモンを得ることができないか、あるいは発生していても検出器により検出できないことが分かる。このことは、図４に示す結果からも明らかである。
【００７２】
図４は、１．０〜１００ｐ秒の間の信号強度と周波数との関係を示すグラフである。なお、図４では、図３に示すグラフにおける反射率をフーリエ変換して各周波数の信号強度を調べた結果をグラフとして示している。また、図４では、Ｐ型半導体層に起因するテラヘルツ電磁波のピーク（低周波数側）のみを示している。
【００７３】
図４に示す結果から、パルスレーザーの出力値が１０ｍＷと２０ｍＷとでは、１．０〜２．０ＴＨｚの間に信号強度のピークが見られるが、パルスレーザーの出力値が１ｍＷでは信号強度のピークは殆ど見られないことが分かる。
【００７４】
以上、図３及び図４から、テラヘルツ電磁波を発生させるには、テラヘルツ電磁波発生源に対して照射する超短パルスレーザーとしては、出力値が１ｍＷでは不十分であり、１ｍＷよりも大きな値が必要であり、特に、１０ｍＷ以上の値が必要であることが分かった。
【００７５】
上記常温の半導体試料に超短パルスレーザーを照射した場合、コヒーレントプラズモンを発生させることができるが、持続時間が極めて短い。これに対して、常温よりも低い温度にまで半導体試料を冷却させた状態で超短パルスレーザーを照射した場合、コヒーレントプラズモンの持続時間が延びる。これは、半導体の温度が低くなればなるほど、格子振動によるキャリアの散乱が抑制され、またイオン化されていない不純物や格子欠陥によるキャリアの散乱を抑制できるためである。従って、コヒーレントプラズモンを長時間持続させるには、半導体試料をできるだけ冷やした状態で、超短パルスレーザーを照射する必要がある。
【００７６】
図５は、上記の半導体試料の温度の違いによる、当該半導体試料によるパルスレーザーの反射率と時間との関係を示すグラフである。
【００７７】
図５に示す結果から、テラヘルツ電磁波発生源の温度は１３０ｋ（ケルビン）よりも低い温度のときに、コヒーレントプラズモンが４０ｐ秒以上という長時間持続することが分かる。このように、上記構成のテラヘルツ電磁波発生源（半導体試料）において、テラヘルツ電磁波を長時間持続させて発生させるには、当該テラヘルツ電磁波発生源（半導体試料）の温度が常温よりもかなり低いことが必要であることが分かる。
【００７８】
上記半導体試料の冷却方法としては、以下の３種類が考えられる。以下の（１）〜（３）の何れもの冷却方法によっても、半導体試料を２００ｋ（ケルビン）以下に冷却できる。
（１）ファンを用いる。この場合、ファンにより生じる風を半導体試料に当てるようにする。この方法では、２００ｋ（ケルビン）程度まで冷却できる。
（２）液体窒素を用いる。この場合、半導体試料を液体窒素で覆うようにする。この方法では、７７ｋ（ケルビン）程度まで冷却できる。
（３）ペルチェ素子を用いる。この場合、半導体試料にペルチェ素子を接触させて冷却する。この方法では、１５０ｋ（ケルビン）まで冷却できる。
【００７９】
上記の何れの冷却方法によっても、テラヘルツ電磁波発生源１０１においてキャリアのコヒーレントプラズモンを発生させることができるものの、コヒーレントプラズモンを長時間持続させるには、テラヘルツ電磁波発生源１０１の温度を１３０ｋ（ケルビン）以下に冷却するのが好ましい。よって、冷却方法としては、上記（２）の方法が好ましい。
【００８０】
＜上記構成のテラヘルツ電磁波発生源による各効果の説明＞
上記構成のテラヘルツ電磁波発生源１０１では、ｎｉｐｉ積層体１１０を構成するＮ型半導体層１、Ｐ型半導体層２の何れも半導体材料としてＧａＡｓ（ガリウム砒素）を用いた場合について説明したが、半導体材料としては、ＧａＡｓの他に、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂを用いることが可能である。
【００８１】
ここで、何れの半導体材料を用いた場合であっても、半導体材料のバンドギャップエネルギーよりも短い波長の超短パルスレーザーを、ｎｉｐｉ積層体１１０に照射すれば、コヒーレントプラズモンが長時間振動して、その結果、テラヘルツ電磁波を長時間持続して発生させることができる。
【００８２】
このとき、半導体材料のバンドギャップエネルギーと、超短パルスレーザーの波長とが同じである場合には、格子振動によるバンド内緩和を抑制で、キャリアの損失を抑制できるので、この結果、コヒーレントプラズモンの振動強度が強くなる。つまり、半導体材料のバンドギャップエネルギーにできるだけ近い波長の超短パルスレーザーを用いるのが好ましい。
【００８３】
従って、半導体材料としてＧａＡｓを用いた本実施形態では、超短パルスレーザーの波長として８００ｎｍとなるチタンサファイヤをレーザー発生源として使用している。半導体材料として、ＧａＡｓよりも有効質量の軽い、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂでは、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さいので、８００ｎｍよりも波長の長い超短パルスレーザーを用いるのが、コヒーレントプラズモンの振動強度を確保するうえで必要である。
【００８４】
また、上記テラヘルツ電磁波発生源１０１では、Ｎ型半導体層１、Ｐ型半導体層２、Ｉ層３の何れも同じＧａＡｓを用いている。つまり、同じ半導体材料を用いている。このように、同じ半導体材料を用いた場合、製造過程における半導体層を積層する場合に、半導体材料を変更する必要がない。また、Ｎ型半導体層１とＰ型半導体層２とが同じ半導体材料であれば、必要とする濃度の不純物のドーピングがし易いというメリットもある。
【００８５】
さらに、上記構成のテラヘルツ電磁波発生源１０１では、ｎｉｐｉ積層体１１０において、Ｎ型半導体層１とＰ型半導体層２との間にＩ層３が設けられている。このＩ層３は、上述したように必須の構成要素ではないが、このＩ層３の厚みを調整することにより、コヒーレントプラズモンの持続時間を容易に調整することができる。
【００８６】
例えば、Ｉ層３の厚みが薄くなれば、Ｎ型半導体層１とＰ型半導体層２との間で形成される電界が強くなるので、電子または正孔の振動を安定して持続させることができる。つまり、Ｉ層３の厚みが薄くなればなるほど、電界が強くなり、電子または正孔の振動が安定して持続するようになるので、コヒーレントプラズモンの持続時間は長くなる。
【００８７】
これに対して、Ｉ層３の厚みが厚くなれば、Ｎ型半導体層１とＰ型半導体層２との間で形成される電界が弱くなるので、電子または正孔の振動を安定して持続させることが難しくなる。つまり、Ｉ層３の厚みが厚くなればなるほど、電界が弱くなり、電子または正孔の振動が安定して持続しなくなるので、コヒーレントプラズモンの持続時間は短くなる。
【００８８】
例えば上記ｎｉｐｉ積層体１１０において、Ｉ層３の厚みは１０ｎｍとしていたが、その厚みを３０ｎｍにした場合、Ｎ型半導体層１とＰ型半導体層２との間で形成される電界が弱くなり、Ｎ型半導体層１及びＰ型半導体層２のキャリアに働くクーロン力がＩ層３の厚みが１０ｎｍの場合のクーロン力の約１／１０となり、この結果、電子または正孔の振動が安定して持続しなくなるので、コヒーレントプラズモンの持続時間は短くなる。
【００８９】
さらに、Ｉ層３の厚みを３００ｎｍまで厚くすれば、Ｎ型半導体層１及びＰ型半導体層２のキャリアに働くクーロン力がＩ層３の厚みが１０ｎｍの場合のクーロン力の約１／１００となり、電子または正孔の振動が安定しなくなり、コヒーレントプラズモンの持続時間が極端に短くなる。
【００９０】
したがって、ｎｉｐｉ積層体１１０におけるＩ層３の厚みは、３００ｎｍのように厚くすれば、コヒーレントプラズモンを持続させるという効果を奏することができない虞が生じるので、Ｉ層３の厚みは３００ｎｍよりも薄くするのが好ましい。
【００９１】
＜非破壊検査装置＞
上記構成のテラヘルツ電磁波発生源１０１を用いた非破壊検査装置について図６を参照しながら以下に説明する。
【００９２】
上記非破壊検査装置は、図６に示すように、テラヘルツ電磁波発生装置１００と、当該テラヘルツ電磁波発生装置１００からのテラヘルツ電磁波の出射方向に配置された検出器２００とを含んでおり、上記テラヘルツ電磁波発生装置１００と検出器２００との間に配置された被検査体３００に対してテラヘルツ電磁波を照射して被破壊検査を行う装置である。
【００９３】
上記テラヘルツ電磁波発生装置１００は、上述したテラヘルツ電磁波発生源１０１と、このテラヘルツ電磁波発生源１０１に照射するパルスレーザーを発生するレーザー装置１０２とで構成されている。
【００９４】
上記レーザー装置１０２は、パルス幅が１００フェムト秒以下の超短パルスレーザーを発生するようになっている。
【００９５】
上記構成のテラヘルツ電磁波発生装置１００は、テラヘルツ電磁波発生源１０１にｎｉｐｉ積層体１１０を備えているので、４０ピコ秒（ｐｓ）〜１００ピコ秒（ｐｓ）の間、テラヘルツ電磁波を持続して発生させることができる。
【００９６】
ここで、テラヘルツ電磁波の干渉を回避するために、超短パルスレーザーの照射間隔を１２．５ナノ秒（ｎｓｅｃ）とする必要がある。このため、従来のように、超短パルスレーザーの１パルスによりテラヘルツ電磁波の発生持続時間が２ピコ秒（ｐｓ）〜３ピコ秒（ｐｓ）と短いので、レーザーの照射間隔である１２．５ナノ秒（ｎｓ）の間に、テラヘルツ電磁波は２〜３周期しか発生しない。
【００９７】
ところが、上記構成のテラヘルツ電磁波発生装置１００によれば、超短パルスレーザーの１パルスによりテラヘルツ電磁波の発生持続時間が４０ピコ秒（ｐｓ）〜１００ピコ秒（ｐｓ）と長いので、レーザーの照射間隔である１２．５ナノ秒の間に、テラヘルツ電磁波は４０〜１００周期以上発生する。
【００９８】
従って、必要な量のテラヘルツ電磁波を得るには、非常に長い時間かかるという問題が生じる。つまり、本願発明のように、１２．５ナノ秒（ｎｓ）の間に、テラヘルツ電磁波を４０〜１００周期発生した場合のほうが、テラヘルツ電磁波を利用した検査や観測に係る時間が長くなるという問題が生じる。例えば、従来のように、レーザーの照射間隔である１２．５ナノ秒（ｎｓ）の間に、テラヘルツ電磁波を２〜３周期しか発生しない場合よりも、テラヘルツ電磁による観測時間を大幅に短くできる。
【００９９】
これにより、上記の非破壊検査装置によれば、被検査体３００に対して、テラヘルツ電磁波を長時間持続して照射し続けることが可能となるので、被検査体に対する検査時間を短くできる。
【０１００】
上記非破壊検査装置では、被検査体３００の種類に応じたテラヘルツ電磁波の周波数を容易に変更することができる。例えば、被検査体の種類に応じた周波数のテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波発生源１０１を用意しておき、テラヘルツ電磁波発生装置１００において、被検査体３００の種類に応じたテラヘルツ電磁波発生源１０１に置き換えるようにすればよい。
【０１０１】
＜テラヘルツ電磁波の高周波側のピーク検出抑え＞
上記テラヘルツ電磁波発生装置１００において、テラヘルツ電磁波発生源１０１から発生するテラヘルツ電磁波は、低周波側と高周波側にピークが検出される。これは、Ｎ型半導体層１とＰ型半導体層２におけるキャリアの違いによる。つまり、Ｎ型半導体層１のキャリアである電子のほうがＰ型半導体層２のキャリアである正孔よりも有効質量が小さいので、Ｎ型半導体層１から発生するテラヘルツ電磁波のピークは高周波側で検出され、逆に、Ｐ型半導体層２から発生するテラヘルツ電磁波のピークは低周波側で検出される。
【０１０２】
ここで、テラヘルツ電磁波発生源１０１に照射する超短パルスレーザーのパルス幅が高周波側のピークの周波数における１周期よりも狭ければ、低周波側と高周波側の２つのピークを検出することができる。これに対して、テラヘルツ電磁波発生源１０１に照射する超短パルスレーザーのパルス幅が高周波側のピークの周波数における１周期よりも広ければ、高周波側のピークを検出することができず、結果として、低周波側のピークのみを検出することになる。
【０１０３】
従って、テラヘルツ電磁波発生源１０１から発生するテラヘルツ電磁波のうち、低周波側のピークのみを検出する場合には、上記超短パルスレーザーのパルス幅を、上記テラヘルツ電磁波発生源１０１から発生するテラヘルツ電磁波の２種類のピークを示す周波数の低周波数側の１周期以下で、且つ高周波数側の１周期よりも長い値に設定することになる。この設定は、レーザー装置１０２において行われる。
【０１０４】
このように、必要に応じて、超短パルスレーザーのパルス幅を調整することにより、テラヘルツ電磁波発生源１０１から発生するテラヘルツ電磁波における高周波側のピークを検出したり、検出しないようにしたりすることができる。
【０１０５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、テラヘルツ電磁波を利用する分野、装置等に好適であり、特に、Ｘ線の代替光線として有用であることから、水を含まない物質の内部構造を観察する分野に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１  Ｎ型半導体層
２  Ｐ型半導体層
３  Ｉ層
１００  テラヘルツ電磁波発生装置
１０１  テラヘルツ電磁波発生源
１０２  レーザー装置
１１０  ｎｉｐｉ積層体（半導体積層構造）
１２０  バッファ層
１３０  Ｓｉ基板
２００  検出器
３００  被検査体
【図１】
0005610203.tif 000004
【図２】
0005610203.tif 000005
【図３】
0005610203.tif 000006
【図４】
0005610203.tif 000007
【図５】
0005610203.tif 000008
【図６】
0005610203.tif 000009