(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光の照射により光励起キャリアを発生する半導体材料からなる光伝導層と、前記光伝導層に配置された複数の電極と、を備えたテラヘルツ波の発生と検出の少なくとも一方を行う光伝導素子であって、
前記光伝導層の材料は、前記光伝導層に生ずる空乏層の厚さが前記励起光の波長における前記光伝導層の光学吸収長より小さい材料であって、
前記光伝導層の膜厚は、前記光伝導層の前記複数の電極の間の少なくとも一部分において前記空乏層が膜厚方向全体に形成される様に調整され、
前記励起光の照射部位において、前記励起光を反射する反射部が、前記励起光の入射側とは反対の前記光伝導層の面側に配置されていることを特徴とする光伝導素子。
【請求項２】
前記光伝導層は、低温成長された半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光伝導素子。
【請求項３】
前記光伝導層に生ずる前記空乏層の厚さＷが、εを前記光伝導層の誘電率、Ｖｂｉを前記光伝導層の表面のビルトインポテンシャル、ｅを素電荷、ｎを前記光伝導層のキャリア密度として、
Ｗ＝（２εＶｂｉ／ｅｎ）０.５
で表される様な前記光伝導層の材料において、前記光伝導層の膜厚は、前記光伝導層に生ずる前記空乏層の厚さに調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光伝導素子。
【請求項４】
前記光伝導層の材料は、３種類以上の元素からなる化合物半導体であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光伝導素子。
【請求項５】
励起光を発生する励起光発生部と、
テラヘルツ波を発生するための発生側光伝導素子と、
前記発生側光伝導素子から出射され検体を経て来たテラヘルツ波を検出するための検出側光伝導素子と、
発生側光伝導素子におけるテラヘルツ波発生時と前記検出側光伝導素子におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整するための遅延部と、
前記検出側光伝導素子の電流信号から検体の情報を分析するための処理部と、
を備えたテラヘルツ波分析装置であって、
前記発生側光伝導素子と前記検出側光伝導素子の少なくとも一方が、前記励起光が照射される請求項１から４の何れか１項に記載の光伝導素子であることを特徴とするテラヘルツ波分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光の照射によってテラヘルツ波の発生と検出の少なくとも一方を行う光伝導素子、及びこの光伝導素子を用いたテラヘルツ波分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、０．０３ＴＨｚから３０ＴＨｚのうちの任意の周波数帯域の成分を有する電磁波である。テラヘルツ波帯域には、生体分子を始めとして、様々な物質の構造や状態に由来する特徴的な吸収が多く存在する。この様な特徴を活かして、非破壊にて物質の分析や同定を行う検査技術が開発されている。また、Ｘ線に替わる安全なイメージング技術や、高速な通信技術への応用が期待されている。テラヘルツ波の発生と検出の少なくとも一方を行う発生・検出素子として、光伝導素子がある。通常、光伝導素子は、基板に接して形成された光伝導層と、光伝導層に接して形成された電極とを有する。電極は、典型的には電極対（２電極）である。光伝導層としては、従来、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が広く使用されている。光伝導素子を発生素子として用いる場合、典型的には、電極間に電圧を印加し、電極間の間隙に励起光（光伝導層に吸収される波長を持つフェムト秒レーザ光）を照射する。励起光の照射により発生した光励起キャリアは、電極間の電界で加速され、テラヘルツ波を発生する。また、光伝導素子を検出素子として用いる場合、典型的には、電極間の間隙にテラヘルツ波と励起光を照射する。励起光の照射により発生した光励起キャリアは、テラヘルツ波の電界で加速され電極間に電流を生じさせる。この電流を測定することで、テラヘルツ波の電界強度を測定できる。
【０００３】
特許文献１は光伝導素子の一例を開示する。特許文献１の光伝導素子では、光ファイバ技術で一般に広く使用されている１.５μｍ帯の励起光を効率良く吸収できるＩｎＧａＡｓを光伝導層として用いている。この様な光伝導素子を使用する場合、光伝導素子は比較的低抵抗になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８６２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光伝導素子が低抵抗であると、テラヘルツ波の発生素子若しくは検出素子として、以下の様な点が指摘される。発生素子として上記の様な光伝導素子を使用する場合、低抵抗であると、電圧印加によって流れる電流が大きくなり易い。そこで、電流による光伝導素子の損傷を避けるために、光伝導素子に印加する電圧を小さく設定することがあった。しかし、光伝導素子に印加する電圧が小さいと、光励起キャリアの加速度も小さくなり、テラヘルツ波の発生強度が小さくなり易い。なぜなら、光伝導層内の電界で光励起キャリアが加速されることで生じる電極間の電流の時間変化率に応じて、テラヘルツ波が発生するからである。また、検出素子として上記の様な光伝導素子を使用する場合、低抵抗であると、励起光の非照射時においても光伝導素子の電極間に生じる電流が大きくなり易い。こうした電流はテラヘルツ波の検出にとってノイズとなり、テラヘルツ波の電界強度検出のＳＮ比が低下しがちとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、テラヘルツ波の発生と検出の少なくとも一方を行う本発明の光伝導素子は、励起光の照射により光励起キャリアを発生する半導体材料からなる光伝導層と、光伝導層に配置された複数の電極を備える。そして、前記光伝導層の材料は、光伝導層に生ずる空乏層の厚さが前記励起光の波長における光伝導層の光学吸収長より小さい材料である。また、前記光伝導層の膜厚は、光伝導層の前記複数の電極の間の少なくとも一部分において前記空乏層が膜厚方向全体に形成される様に調整されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光伝導素子によれば、複数の電極の間の少なくとも一部分において光伝導層の厚さを空乏層の厚さよりも小さくなる様に調整することにより、光伝導素子を比較的高抵抗にできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１の光伝導素子の構成例を説明する図。
【図２】光伝導層の厚さに対するアンテナ部の抵抗と励起光吸収量の変化の一例を説明するグラフ。
【図３】実施形態２の光伝導素子の構成例及び励起光の光路の一例を説明する図。
【図４】実施形態３のテラヘルツ波分析装置の構成例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の光伝導素子は、光伝導層に生ずる空乏層が光伝導層の少なくとも一部分において膜厚方向全体に達する様に光伝導層の厚さを調整することを特徴とする。励起光の吸収を考えた場合、通常、光伝導膜を厚くする。なぜなら、励起光の吸収が増えて、励起光により発生するキャリアが増え、これにより、発生するテラヘルツ波のパワーが増大するからである。これに対して、本発明の光伝導素子では、通常とは逆に、空乏層の厚さが励起光の波長における光学吸収長より小さい材料の光伝導層の厚さを薄くする方向に調整する。この考え方に基づき、本発明の光伝導素子の基本的な構成は、上記した様な構成を有する。
【００１０】
以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
本発明の光伝導素子の実施形態１を図１と図２を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態の概略構成を示した上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ'断面図であり、図１（ｃ）は本実施形態の全体図である。図１（ａ）は、図１（ｃ）の中で、励起光（４）が照射されてテラヘルツ波（５）を発生または検出する点線で示す部分（テラヘルツ波発生・検出領域（７））を拡大して示す。図１に示す様に、本実施形態の光伝導素子は、高抵抗基板（１）、光伝導層（２）、複数の電極（３）を有する。
【００１１】
本実施形態の構成要素の材料、配置等について説明する。高抵抗基板（１）は、絶縁性の高い材料からなることが望ましい。これは、高抵抗基板（１）を流れる電流を小さくして、光伝導素子の抵抗を高くするためである。ここで、光伝導素子の抵抗とは、図１（ｃ）に示す様な電極（３）のパッド（３ａ）間の抵抗である。高抵抗基板（１）の抵抗率は、典型的には１０３ｏｈｍ・ｃｍ以上である。高抵抗基板（１）の材料としては、半絶縁性インジウムリン（ＳＩ−ＩｎＰ）や半絶縁性ガリウムヒ素（ＳＩ−ＧａＡｓ）等がある。また、テラヘルツ波（５）の周波数領域において吸収の少ないシリコン（Ｓｉ）等の材料や、樹脂材料を用いることもできる。
【００１２】
本実施形態では、光伝導層（２）は高抵抗基板（１）の上面に配置される。光伝導層（２）は、励起光（４）の照射により光励起キャリアを発生する材料からなる。この様な材料として、例えば、波長１.５μｍ帯の励起光（４）に対しては、分子線エピタキシャル成長法により３００℃以下で成長された低温成長インジウムガリウムヒ素（Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ）等がある。励起光（４）としては、パルス光や連続光を用いることができる。パルス光の光源としては、典型的にはパルス幅５０ｆｓのエルビウムファイバーレーザ光源を用いることができる。この場合、ＴＨｚ−ＴＤＳ（Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって、周波数帯域の広いテラヘルツ波を発生若しくは検出することができる。連続光では、周波数差がテラヘルツ領域となる２種類の周波数の光を励起光（２）として用いる。この場合、周波数帯域の狭いテラヘルツ波を発生若しくは検出することができる。
【００１３】
光伝導層（２）の材料は、励起光（４）の波長における吸収係数の高い材料を用いる場合、三元系の半導体材料を用いることができる。例えば、上記波長１．５μｍ帯の励起光（４）に対するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの他に、波長１μｍ帯の励起光（４）に対してＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓなどが好適に用いられる。この様な材料は一般に欠陥が多く、低抵抗になり易い。しかしながら、本実施形態では、空乏層（６）を後述する様に形成するので、こうした問題点は後述する如く克服できる。また、光伝導層（２）は、高抵抗基板（１）の上面全体を覆う必要は必ずしも無く、励起光（４）を照射して光励起キャリアを発生させる領域にあればよい。光伝導層（２）と励起光（４）の組み合わせは、励起光のフォトンエネルギーより光伝導層の半導体材料のバンドギャップが小さくなっていて、光励起キャリアは光照射によるバンド間遷移で発生する。
【００１４】
電極（３）は、光伝導層（２）の上に配置される。電極（３）は、光伝導層（２）に直接接していても、絶縁層やコンタクト層等を挟んで光伝導層（２）に接していてもよい。本実施形態では、複数の電極（３）は、光伝導層（２）の上に形成された電極対である。ただし、光伝導層（２）に、或る程度の範囲に亘って電界の発生領域を生じさせることができれば、電極の数、形状、配置形態などは問わない。例えば、光伝導素子の外部にテラヘルツ波（５）を放射するために、図１（ａ）に示す様にテラヘルツ波（５）の発生領域の近傍で電極（３）はアンテナ形状を有してもよい。アンテナ形状としては、ダイポールアンテナやボウタイアンテナ等を用いることができる。電極（３）の材料としては、金−ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）やチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）等を用いることができる。また、本実施形態では、図１（ｃ）に示す様に電極（３）は、光伝導素子の外部から電圧を供給するためのパッド（３ａ）を有する。電極（３）に関しては、電極（３）の対の片方が光伝導層（２）の高抵抗基板（１）側にあってもよい。また、電極（３）の対の両方が光伝導層（２）の高抵抗基板（１）側にあってもよい。更には、光伝導層（２）内に電極（３）があってもよい。
【００１５】
光伝導層（２）の材料は、光伝導層（２）に生ずる空乏層（６）の厚さが励起光（４）の波長における光伝導層（２）の光学吸収長より小さい材料である。光伝導層（２）による励起光（４）の吸収量は、次式の様に表される。
Ｉ＝Ｉ０（１−ｅｘｐ（−ｚ／Ｌ））          （式１）
ここで、Ｉ：光伝導層（２）による励起光（４）の吸収量、Ｉ０：光伝導層（２）への励起光（４）の入射量、Ｌ：光学吸収長、ｚ：光伝導層（２）の厚さである。この式によると、光伝導層（２）の厚さが増すに伴い、光伝導層（２）による励起光（４）の吸収量は大きくなる。
【００１６】
一方、光伝導層（２）に形成される空乏層（６）の厚さは次式で表される。
Ｗ＝（２εＶｂｉ／ｅｎ）０.５          （式２）
ここで、Ｗ：空乏層（６）の厚さ、ε：光伝導層（２）の誘電率、Ｖｂｉ：光伝導層（２）の表面のビルトインポテンシャル、ｅ：素電荷、ｎ：光伝導層（２）のキャリア密度である。例えば、２５０℃で成長された低温成長Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓにおける波長１．５μｍの励起光（４）に対する光学吸収長は１.２５μｍである。光伝導層（２）のキャリア密度が１０１５ｃｍ−３では、光伝導層（２）に形成される空乏層（６）の厚さは（式２）によって０.８μｍと見積もられる。すなわち、空乏層（６）の厚さが光学吸収長より小さい。この様な材料を光伝導層（２）の材料として用いることができ、光伝導層（２）の膜厚を空乏層（６）の厚さに調整すれば、光伝導素子を更に高抵抗にできる。よって、光伝導素子から発生されるテラヘルツ波の発生強度を更に向上でき、テラヘルツ波の検出のＳＮ比を更に向上できる。
【００１７】
次に、光伝導素子がテラヘルツ波（５）を発生する原理について説明する。本実施形態では、励起光（４）は電極対（３）の間隙にある光伝導層（２）に照射される（図１（ｂ）参照）。励起光（２）はここではパルス光とするが、連続光でもほぼ同様である。励起光（４）は光伝導層（２）に吸収されて、光伝導層（２）の内部に光励起キャリアを発生させる。発生した光励起キャリアは、電極（３）によって間隙に印加されている電界により加速される。この挙動は、励起光（４）が光伝導層（２）に照射されるタイミングで起こる。従って、励起光（４）の照射によって、光伝導層（２）に流れる電流が時間変化することになる。この様に時間変化する電流を起源として、テラヘルツ波（５）のパルスが発生する。こうして発生するテラヘルツ波（５）の電界強度は、遠方界において次式の様になる。
ＥＴＨｚ∝μＥｂｉａｓｄｎ／ｄｔ          （式３）
ここで、ＥＴＨｚ：テラヘルツ波（５）の電界強度、μ：光伝導層（２）におけるキャリア移動度、Ｅｂｉａｓ：電極（３）に印加された電圧による光伝導層（２）内部の電界、ｄｎ／ｄｔ：キャリア数の時間変化である。励起光（４）としてパルス光を用いる場合、この励起光（４）によって光励起キャリアが発生し、瞬間的に導通する。（式３）によると、光伝導層（２）におけるキャリア移動度、電極（３）に印加された電圧による光伝導層（２）内の電界、キャリア数の時間変化が大きいほど、テラヘルツ波（５）の電界強度が大きくなる。
【００１８】
次に、光伝導素子がテラヘルツ波（５）を検出する原理について説明する。本実施形態では、テラヘルツ波（５）による電界で、励起光（４）が光伝導層（２）の内部に発生させる光励起キャリアは電極対（３）の間隙において動かされる。電子とホールは反対方向に動かされ、電極（３）間に正味の電流が発生する。電流の大きさは次式で表される。
Ｉ∝μ∫ＥＴＨｚｎｄｔ          （式４）
ここで、Ｉ：電流、μ：光伝導層（２）におけるキャリア移動度、ＥＴＨｚ：テラヘルツ波（５）の電界強度、ｎ：キャリア数、ｔ：時間である。この電流を電極（３）で検出することにより、テラヘルツ波（５）の電界強度を検出できる。
【００１９】
光伝導層（２）の膜厚に対する励起光（４）の吸収量と光伝導素子のアンテナ部の抵抗の関係の一例を示す図２を用いて本実施形態の効果を説明する。まず、光伝導素子をテラヘルツ波（５）の発生素子として使用する場合を説明する。励起光（４）の入射光量に対する吸収量（比率）は、図２に示す様に光伝導層（２）の膜厚が大きくなるにつれて大きくなる。励起光（４）の吸収量は、励起光（４）により発生するキャリア数と比例する傾向がある。（式３）によると、キャリア数の時間変化はテラヘルツ波（５）の電界強度と比例する傾向がある。従って、励起光（４）により発生するキャリア数の観点からは、光伝導層（２）の膜厚を薄くするとテラヘルツ波（５）の電界強度が低下する傾向がある。
【００２０】
一方、光伝導素子の抵抗は、図２に示す様に光伝導層（２）の膜厚が大きくなるにつれて小さくなる。光伝導素子の抵抗が大きいと、電極（３）への印加電圧を上げても電流を小さくすることができる。よって、光伝導素子の抵抗が大きいと電極（３）への印加電圧を大きくできる。（式３）によると、光伝導層（２）の内部の電界が大きいほどテラヘルツ波（５）の電界強度を大きくすることができる。従って、光伝導素子の抵抗の観点からは、光伝導層（２）の膜厚を薄くするとテラヘルツ波（５）の電界強度が向上する傾向がある。
【００２１】
以上の様に、テラヘルツ波（５）の電界強度に対する光伝導層（２）の膜厚の影響は、励起光（４）の吸収量の観点と光伝導素子の抵抗の観点とでは、効果が反対となる。本実施形態では、例えば図２から、空乏層（６）の厚さである０．８μｍ以下の膜厚では、抵抗が大きく増大することが分かる。光伝導層（２）の厚さを０．８μｍとした場合、光伝導素子のアンテナ部における抵抗は約４００ｋΩである。従来では、例えば光伝導層（２）の厚さは１．６μｍ程度であり、このときの光伝導素子のアンテナ部における抵抗は約５０ｋΩである。本実施形態では、これに比較して抵抗が約４００ｋΩと大きいので、電極間に流れる電流を小さく保ちつつ高い電圧を印加できる。そのため、光励起キャリアの加速度が大きくなり電極間の電流の時間変化率を向上でき、光伝導素子から発生されるテラヘルツ波の発生強度が向上する。また、テラヘルツ波（５）の発生に寄与しない電流を低減することができ、テラヘルツ波（５）を効率的に発生できる。光伝導層（２）の厚さを更に薄くすると励起光（４）の吸収量が小さくなってしまうため、光伝導層（２）の厚さは（式２）で表される空乏層（６）の厚さ程度が好ましい。
【００２２】
次に、光伝導素子をテラヘルツ波（５）の検出素子として使用する場合を説明する。検出素子では、光伝導素子への励起光（４）の非照射時に流れる電流がノイズとなるため、テラヘルツ波（５）の検出のＳＮ比が抑制される。本実施形態に示す素子形態により光伝導素子の抵抗を向上できるので、この様な電流を抑制できる。従って、ノイズを低減でき、テラヘルツ波（５）の検出のＳＮを向上することができる。
【００２３】
また、本実施形態では、ＩｎＧａＡｓの光伝導層（２）を例にとって説明した。この様な３種類以上の元素からなる低温成長化合物半導体（ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ等）は、従来から光伝導素子に使用されてきたＧａＡｓに比べて欠陥密度が多く、空乏層が薄くなる。しかし、この様な材料にも、本発明を適用することができ、こうした場合、次の様な効果が得られる。比較的欠陥密度が多い化合物半導体は、自由キャリアが多くなり、光伝導層の表面に形成される空乏層の厚さが小さくなり易い。空乏層の厚さが光伝導層の厚さに達していないと抵抗は低くなるため、３種類以上の元素からなる化合物半導体は一般に低抵抗となり易い。上記特許文献１でも、光ファイバ技術で使用される１.５μｍ帯の励起光を効率良く吸収できるＩｎＧａＡｓを光伝導層として用いていて、光伝導層の厚さは、例えば１．５μｍと設定されている。光伝導層の厚さは一般に励起光の吸収量の関係から設定される。故に、上記特許文献１では、ＩｎＧａＡｓの１．５μｍ帯の波長に対する光学吸収長は約１．２５μｍであるため、励起光を多く吸収するために光伝導層の厚さは光学吸収長以上に設定される。上述した様に、光伝導素子が低抵抗であると、テラヘルツ波の発生強度が小さくなり易く、テラヘルツ波の電界強度検出のＳＮ比が低下し易い。そこで、特許文献１では更に、光伝導素子の抵抗を向上するために、光伝導層に鉄（Ｆｅ）イオンを注入する例を示している。こうすれば、１.５μｍ帯の励起光に適した光伝導素子において、高強度なテラヘルツ波を発生したり、テラヘルツ波をＳＮ比良く検出したりできる可能性がある。しかし、光伝導層に鉄イオンを注入することで光伝導素子を高抵抗とできるが、鉄イオンの注入によってキャリア移動度が低下するという別の課題が発生する。移動度は、光伝導素子から発生するテラヘルツ波の電界強度の向上や光伝導素子で検出するテラヘルツ波のＳＮ比の向上に寄与するため、移動度の低下は好ましくない。これに対して、本実施形態の光伝導素子では、鉄イオンの注入などは行わず、電極間の少なくとも一部分において光伝導層の厚さを空乏層の厚さよりも小さくするので、移動度の低下を招くことなく光伝導素子を比較的高抵抗にできる。
【００２４】
（実施形態２）
本発明の光伝導素子に係る実施形態２は、上述した光伝導素子の変形例に関する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図３を用いて、本実施形態について具体的に説明する。本実施形態の光伝導素子は、励起光（４）の照射部位において、励起光の入射側と反対側の光伝導層（２）の面側に反射部（８）を配置している。すなわち、光伝導層（２）を挟んで励起光（４）の入射側と反対の面に、光伝導層（２）に接して反射部（８）を配置している。反射部（８）は、光伝導層（２）を通過した励起光（４）を反射して光伝導層（２）に入射させる。図３（ｃ）は、本実施形態の光伝導素子における励起光（４）の光路の一例を示している。
【００２５】
反射部（８）としては、光伝導層（２）と屈折率が異なる材料を用いることができる。例えば、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーを用いることができる。ＤＢＲミラーは、高抵抗基板（１）として例えばＩｎＰを用いる場合、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓの多層構造により形成できる。例えば、高抵抗基板（１）の上に分子線エピタキシャル成長法によってＩn０．５３Ｇa０．４７Ａs層／ＩnＰ層を１０ペア作製することによって構成できる。各層の厚さは、層内における励起光（4）の波長をλとして、λ／４の厚さとする。また、反射部（８）として、金属材料を用いてもよい。この様な光伝導素子を作製するには、例えばチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）からなる反射部（８）を高抵抗基板（１）と光伝導層（２）の間に配置する。これには、いわゆる転写プロセスを適用できる。例えば、ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓからなる光伝導層（２）が形成されている場合、まず、光伝導層（２）の上に蒸着法によってチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）等からなる反射部（８）を０．２μｍ程度形成する。次に、１００μｍ程度の厚さになる様に光伝導層（２）の反対側から基板を研磨する。次に、反射部（８）が形成されている面を、コンタクトのアライメントを行いながら、適当な方法で高抵抗基板（１）に接着する。接着方法としては、樹脂からなる接着剤を用いる方法や、ＡｕＳｎボンディングを用いる方法などがある。次に、基板をエッチングで除去した後に、光伝導層（２）の上に電極（３）を形成する。
【００２６】
こうした反射部（８）によって、光伝導層（２）を通過した励起光（４）を、再度光伝導層（２）に入射させることができる（図３（ｃ）参照）。従って、光伝導層（２）における励起光（４）の光路長を約２倍にすることができる。ここでも、実施形態１と同様、光伝導層（２）の厚さを０．８μｍとすれば、励起光（４）の光路長が１．６μｍ程度となって、図２から分かる様に、励起光（４）の入射光量に対する吸収量を約５０％から約８０％に向上させられる。テラヘルツ波（５）の発生において、励起光（４）の吸収量の増加は、（式３）から分かる様に、テラヘルツ波（５）の電界強度を向上させる。また、テラヘルツ波（５）の検出において、励起光（４）の吸収量の増加は、（式４）から分かる様に、テラヘルツ波（５）の電界強度検出のＳＮ比を向上させる。従って、本実施形態によれば、励起光（４）の吸収量の増大により、電極間の電流の時間変化率を増大できて、発生するテラヘルツ波（５）の電界強度を更に向上できる。また、励起光の照射時に生じる光励起キャリア数を大きくできて、検出するテラヘルツ波の電界によって加速される励起キャリア数、すなわち電極間に流れる電流を大きくできる。この様に、励起光の照射時における電流（信号成分）を大きくできるので、テラヘルツ波（５）の電界強度検出のＳＮ比を更に向上できる。
【００２７】
（実施形態３）
本発明による実施形態３は、テラヘルツ波を用いて検体の情報を分析するテラヘルツ波分析装置に関する。本実施形態では、テラヘルツ波を用いたＴＨｚ−ＴＤＳによって検体の情報を分析する。これまでの説明と共通する部分の説明は省略する。図４を用いて、本実施形態について具体的に説明する。
【００２８】
励起光（５２）は、励起光発生部である励起光源（５１）から発生する。励起光源（５１）にはフェムト秒レーザが好適に使用される。フェムト秒レーザのパルス幅は典型的には５０ｆｓ、繰り返し周波数は５０ＭＨｚである。励起光（５２）はビームスプリッターによって、テラヘルツ波（５７）を発生するための光伝導素子（５３）へ向かうものと、テラヘルツ波（５７）を検出するための検出側光伝導素子（５４）へ向かうものへと分割される。光伝導素子（５３）には、実施形態１または２に記載した様な光伝導素子を使用し、テラヘルツ波（５７）の強度を向上させる。光伝導素子（５３）の電極（３）には電圧源（５６）によって電圧が印加されている。例えば１０Ｖ程度の電圧が印加される。この光伝導素子（５３）に励起光（５２）を照射することで、テラヘルツ波（５７）が発生する。ここで、励起光（５２）の入射方法は、実施形態１または２に記載した方法を使用することができる。光伝導素子（５３）から出射されたテラヘルツ波（５７）は、放物面鏡やレンズなどの光学系を経て検体（５８）に照射される。一方で、光伝導素子（５４）へ向かう励起光（５２）は、遅延部（５５）によって時間遅延を受ける。遅延部は、発生側光伝導素子におけるテラヘルツ波発生時と検出側光伝導素子におけるテラヘルツ波検出時との間の遅延時間を調整できれば、どの様なものでもよい。この時間遅延を受けた励起光（５２）と、検体（５８）を透過または反射したテラヘルツ波（５７）が光伝導素子（５４）に照射される。検出側光伝導素子（５４）では、励起光（５２）と同じタイミングで光伝導素子（５４）に到達したテラヘルツ波（５７）の電界強度に比例した電流が発生する。
【００２９】
処理部（５９）はこの電流信号を用いて検体（５８）の情報を分析する。例えば、遅延部（５５）で励起光（５２）に与える遅延時間を一定にして検体（５８）を動かした時の電流信号の大きさを記録して、検体（５８）の厚さの情報を取得することができる。或いは、検体（５８）を固定して遅延時間を変化させ、一般的な時間領域分光法を用いてテラヘルツ波（５７）の時間波形を取得してもよい。時間波形からフーリエ変換によってスペクトルを計算し、検体（５８）の吸収帯をデータベースと比較して物質同定することもできる。処理結果は、表示部（６０）に表示して、欠陥品のスクリーニングなどに使用する。
【００３０】
この様な分析装置において、発生側光伝導素子（５３）若しくは検出側光伝導素子（５４）に、実施形態１または２で説明した光伝導素子を使用することができる。発生側に光伝導素子を用いると、テラヘルツ波（５７）の電界強度を向上できる。また、検出側に光伝導素子を用いると、テラヘルツ波（５７）の電界強度検出のＳＮ比を向上できる。本実施形態の分析装置のうち、テラヘルツ波（５７）の発生部分のみ、テラヘルツ波（５７）の検出部分のみを独立して使用することも可能である。以上に述べた如く、本実施形態によれば、電界強度が向上されたテラヘルツ波（５７）を用いて検体（５８）を分析することができる。また、テラヘルツ波（５７）の電界強度検出のＳＮ比を良くして検体（５８）を分析することができる。これにより、分析装置の分析精度を向上でき、例えば工程分析欠陥検査の高精度化やセキュリティ画像取得の高速化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１…基板、２…光伝導層、３…電極、４、５２…励起光、５、５７…テラヘルツ波、６…空乏層、５３…発生側光伝導素子、５４…検出側光伝導素子、５５…遅延部、５８…検体、５９…処理部
【図１】
0005610793.tif 000002
【図２】
0005610793.tif 000003
【図３】
0005610793.tif 000004
【図４】
0005610793.tif 000005