(57)【要約】【課題】  テラヘルツ電磁波が照射される被測定材料からの反射波の偏光変化によるホール係数などを、非接触、高感度、かつ、高精度で測定できる、テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置を提供する。【解決手段】  テラヘルツ電磁波を発生させる入射光学系１０と、入射光学系１０から被測定材料２へ入射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御し、かつ、被測定材料２から反射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御する偏光子２５と、被測定材料２からの反射テラヘルツ電磁波の偏光を検出する検出光学系３０と、を含み、テラヘルツ電磁波の被測定材料２による反射波の偏光状態の変化を電場の直接測定によって検出し、被測定材料２の物性定数である複素屈折率又は複素伝導度をテラヘルツ電磁波の関数として測定する。また、被観察物２に磁場２８を印加すれば、非接触で、高感度、かつ、高精度でホール係数の測定ができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ電磁波を発生させる入射光学系と、
該入射光学系から被測定材料へ入射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御し、かつ、該被測定材料から反射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御する偏光子と、
上記被測定材料からの反射テラヘルツ電磁波の偏光を検出する検出光学系と、を含み構成され、
上記テラヘルツ電磁波の上記被測定材料による反射波の偏光状態の変化を電場の直接測定によって検出し、上記被測定材料の物性定数である複素屈折率又は複素伝導度を上記テラヘルツ電磁波の関数として測定することを特徴とする、テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項２】
前記テラヘルツ電磁波が、前記被測定材料へ垂直入射され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を用いた物性測定装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ電磁波が、非線形光学結晶による光整流法を用いて発生されるテラヘルツ電磁波パルスであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項４】
前記テラヘルツ電磁波が、光伝導素子による光整流法を用いて発生されるテラヘルツ電磁波パルスであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ電磁波の検出光学系が、非線形光学結晶による電気光学効果を用いる検知器を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項６】
前記テラヘルツ電磁波の検出光学系が、光伝導素子を用いた検知器を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置が、さらに、ホール伝導度を測定するために、前記被測定材料に磁場を印加する磁場系を備えることを特徴とする、請求項１〜６に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項８】
前記磁場系が、磁場の向きを反転させる手段を備えることを特徴とする、請求項７に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項９】
前記磁場の向きが反転及び非反転のときの前記反射テラヘルツ電磁波の電場の差分によって、前記被測定材料のホール効果による偏光成分だけを測定することを特徴とする、請求項７又は８に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【請求項１０】
前記テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置が、さらに、コンピュータ系を備えることを特徴とする、請求項１〜９に記載のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ時間領域分光法を用いて半導体、金属、磁性体などの多様な物質に対して、電気伝導特性及び磁気特性とそれらの応答性能を非接触で精度よく測定できるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、次世代のエレクトロニクスを開拓するために新しい機能性材料の開発が進められている。新規材料の伝導特性を広い周波数領域で決定することは、当該材料の潜在的な能力を評価する上で必須である。この新規機能とは、電場によって伝導特性、磁性、光学的性質を制御することである。このような新規材料として、各種のナノ構造材料、遷移金属酸化物に代表される強相関電子材料、半導体量子構造、機能性ガラスなどが注目されている。
これらの材料の電場に対する応答特性を通常の伝導測定で、直流からピコ秒の領域で調べることは、測定器の帯域、測定のための端子電極の設置など困難な問題があり、汎用性の高い簡便な方法は存在しない。これを解決する方法として、フーリエ変換分光法を応用した測定法の利用が知られている。
【０００３】
さらに、光源として、極超短パルス光によって発生した遠赤外パルス電磁波（以下、テラヘルツ電磁波と呼ぶ）を用いた測定装置が数例報告されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。非特許文献１には、テラヘルツ電磁波を被測定材料に透過させる配置による測定方法が報告されている。
しかしながら、透過法では、テラヘルツ電磁波を透過しない磁性体や金属などの不透明な被測定材料の測定を行うことができない。
【０００４】
そこで、本発明者らにより、反射光のカー効果による偏光面の回転、所謂カー回転角を検出する分光法が提案され、透過法では測定できない磁性体や金属などの不透明な被測定材料の複素誘電率やホール（Ｈａｌｌ）係数などを測定できることが報告されている（非特許文献２参照）。
【０００５】
図９は、非特許文献２で報告されたテラヘルツ電磁波を用いた反射法によるホール係数測定装置を模式的に示す図である。図９において、テラヘルツ電磁波を用いた反射法によるホール係数測定装置１００は、入射光学系１１０と、被測定材料１０２に磁場を印加する磁石１０５と、検出光学系１２０と、から構成されている。
入射光学系１１０は、極短光パルスレーザ１１１を光源として、電気光学結晶（ＺｎＴｅ）１１２の光整流効果によりテラヘルツ電磁波パルスを発生する。このテラヘルツ電磁波パルスはレンズ１１２，１１３により集光され、入力側偏光子１１４を介して被測定材料１０２に照射される。
また、被測定材料１０２の表面で反射したテラヘルツ電磁波パルスは、出射側偏光子１２１を介して、検出光学系１２０へ出射する。この出射側検光子１２１においては、偏光が４５°，−４５°に切り替え可能となっている。出射側検光子１２１を通過した反射テラヘルツ電磁波パルス１２２は、レンズ１２３，１２４により集光され、電気光学結晶（ＺｎＴｅ）１２５に入射し、反射テラヘルツ電磁波パルス１２２の偏光が検出される。
この際、電気光学結晶（ＺｎＴｅ）１２５には、極短光パルスレーザ１１１からの参照光１２６が印加され、所謂電気光学サンプリング（ＥＯサンプリング）により、反射テラヘルツ電磁波１２2 の電場に関する時系列信号が得られる。この信号をフーリエ変換して、被測定材料１０２のテラヘルツ電磁波領域のホール係数を測定している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２１５０３号公報
【非特許文献１】S. Spielman 他７名, "Observation of the Quasiparticle Hall Effect in Superconducting YBa2Cu3O7- δ" 1994, Physical Review Letters, vo1.73, pp.1537-1540
【非特許文献２】R. Shimano, Y. P. Svirko, M. Kuwata-Gonokami, "Teraherz   frequency Hall measurement by magneto-optical Kerr spectroscopy in InAs", 2002, Applied Physics Letters, vol.81, No.2, pp.199-201
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のテラヘルツ電磁波を用いた複素誘電率などの測定装置において透過法を用いた場合には、透明材料や超薄膜などしか測定できず、応用上重要なバルク材料や不透明材料の測定ができないという課題がある。
【０００８】
また、上記従来の反射法においては、偏光子及び検光子の機械的振動により偏光検出感度が１０-2ｒａｄであり、十分な感度が得られないという課題がある。
【０００９】
上記課題に鑑み、本発明は、テラヘルツ電磁波が照射される被測定材料からの反射波の偏光変化によるホール係数などを、非接触で、高感度で、かつ、高精度で測定できる、テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置は、テラヘルツ電磁波を発生させる入射光学系と、入射光学系から被測定材料へ入射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御し、かつ、被測定材料から反射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御する偏光子と、被測定材料からの反射テラヘルツ電磁波の偏光を検出する検出光学系と、を含み構成され、テラヘルツ電磁波の被測定材料による反射波の偏光状態の変化を電場の直接測定によって検出し、被測定材料の物性定数である複素屈折率又は複素伝導度をテラヘルツ電磁波の関数として測定することを特徴とする。
上記構成において、テラヘルツ電磁波は、好ましくは、被測定材料へ垂直入射される。  また、テラヘルツ電磁波は、好ましくは、非線形光学結晶による光整流法を用いて発生されるテラヘルツ電磁波パルスである。または、テラヘルツ電磁波は、光伝導素子による光整流法を用いて発生されるテラヘルツ電磁波パルスであってもよい。
テラヘルツ電磁波の検出光学系は、好ましくは、非線形光学結晶による電気光学効果を用いる検知器を備える。或いは、光伝導素子を用いる検知器をそなえていてもよい。
【００１１】
上記構成によれば、テラヘルツ電磁波パルスを用い、被測定材料からの反射テラヘルツ電磁波の偏光の時間波形を直接測定することで、 電場強度測定の場合の限界を１桁以上超える測定ができる。また、参照測定を加えることで、 複素屈折率又は複素伝導度の実部と虚部を、同時に、高精度で測定できる。 
また、被測定材料へテラヘルツ電磁波を垂直入射させることにより入射側の偏光子と反射側の検光子とを、同一の偏光子はすることができる。このため、偏光子の機械的振動による測定誤差を著しく低減できる。
【００１２】
上記構成において、テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置は、さらに、好ましくは、ホール伝導度を測定するために、被測定材料に磁場を印加する磁場系を備える。
また、磁場系は、好ましくは、磁場の向きを反転させる手段を備える。また、磁場の向きが反転及び非反転のときの反射テラヘルツ電磁波の電場の差分によって、被測定材料のホール効果による偏光成分だけを測定するようにすれば好適である。
上記構成によれば、被測定材料へ磁場を印加することにより、ホール係数の測定を高精度で行うことができる。また、磁場の向きが反転及び非反転の差分測定によって、偏光素子の不完全性による非消光成分の除去を完全に行うことができる。
【００１３】
テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置は、さらに、好ましくは、コンピュータ系を備える。この構成によれば、ホール係数などの物性定数を高速かつ高感度で検出することが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置によれば、電極の設置をせずに非接触で、かつ、非破壊で、被測定材料の各種伝導特性をテラヘルツ電磁波の広帯域で測定できる。また、広い領域における伝導特性の空間分布の評価も可能である。さらに極限環境下（高温、 高磁場、 高圧下など）に配置された被測定材料の遠隔測定も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による第１の実施形態に係るテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置について説明する。図１は第１の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置の構成を示す模式図である。
図１において、テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１は、テラヘルツ電磁波を発生させる入射光学系１０と、入射光学系１０から被測定材料２へのテラヘルツ電磁波の偏光を制御し、かつ、被測定材料２から反射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御する偏光子２５と、被測定材料２に磁場を印加する磁場系２８と、この偏光されたテラヘルツ電磁波を検出する検出光学系３０と、検出光学系３０からの測定データの計算処理などを行うコンピュータ系４０と、を含み構成されている。
【００１６】
入射光学系１０は、パルスレーザ１１と、ミラー１２，１３，１４，１５，１８と、ビームスプリッター１６と、光時間遅延回路１７と、電気光学結晶１９と、レンズ２１、光強度変調器６などから構成されている。
パルスレーザ１１から発生するパルスレーザ光は、ミラー１２，１３，１４，１５と、ビームスプリッター１６と、により、光時間遅延回路１７への入射光と、後述する検出光学系３０への参照光３９と、に分波される。
光時間遅延回路１７を通過したパルスレーザ光は、光強度変調器６により光強度変調されたパルスレーザ光１１ａとなり、二次の非線形光学効果を有する電気光学結晶１９に照射される。また、光強度変調器６は、光強度変調器ドライバ７により駆動される。さらに、光強度変調器ドライバ７の出力の一部が、後述する検出光学系３０内の増幅器３７へ参照信号８として出力される。
【００１７】
パルスレーザ光が照射された非線形光学結晶である電気光学結晶１９に生じる過渡的な光電流、所謂光整流効果により、テラヘルツ電磁波パルス２０（以下、適宜、テラヘルツ電磁波と呼ぶ）が発生する。このテラヘルツ電磁波は、凡そパルスレーザ光のパルス幅の逆数程度の帯域のテラヘルツ電磁波を発生させる。
このテラヘルツ電磁波はレンズ２１ａで集光され、平行光となり、さらに、レンズ２１ｂにより被測定材料２に集光される。これらのレンズ２１（２１ａ，２１ｂ）の間には、フィルタ２２が挿入され、パルスレーザ光１１ａを遮断し、テラヘルツ電磁波パルス２０だけが被測定材料２に照射される。
ここで、パルスレーザ１１は、例えばモード同期されたチタンサファイアレーザによる超短光パルスを発生できる光源を用いることができる。
なお、本発明におけるテラヘルツ電磁波は、波長３ｍｍ以下の短ミリ波からサブミリ波で、遠赤外光とも呼ばれる電磁波であり、周波数としては、０．１〜３０ＴＨｚ程度の電磁波である。
【００１８】
偏光子２５は、上記レンズ２１ｂと被測定材料２との間の光路に配設されている。この偏光子２５は、入射光学系１０から被測定材料２へのテラヘルツ電磁波の偏光を制御し、かつ、被測定材料２から反射されるテラヘルツ電磁波の偏光を制御し、検出光学系３０に出射させる。
また、偏光子２５は、テラヘルツ電磁波、所謂遠赤外光やサブミリ波で使用できる偏光子であり、所謂ワイヤグリッド型偏光子を用いることができる。この偏光子２５により入射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分２３を被測定材料２に照射する。そして、この偏光子２５には、被測定材料２からのテラヘルツ電磁波の反射波が再び入射し、反射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分２４が取り出され、検出光学系３０へ出射される（図１の偏光子２５近傍部分の拡大図参照）。
【００１９】
したがって、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１においては、偏光子２５が被測定材料２からの反射テラヘルツ電磁波の検光子を兼ねているので、被測定材料２にテラヘルツ電磁波２３を垂直に入射させ、反射テラヘルツ電磁波も同一の偏光子２５に出射させる光学配置となる。
このため、被測定材料２に磁化が存在する場合や後述するホール測定のために磁場を印加すると、被測定材料２からの反射テラヘルツ電磁波はホール効果によりその偏波面が傾き、かつ、楕円になり、その垂直の偏光成分２４のみがワイヤグリッド偏光子２５により検出光学系３０へ出射する。
一方、被測定材料２に磁化がない場合や磁場を印加しない場合には、入射テラヘルツ電磁波２３の垂直偏光成分が被測定材料から反射され、偏光子２５によりその垂直偏光成分だけが取り出されるので、偏光の変化は理論的には生じなく、非消光成分のみが、偏光子２５から出射する。
これにより、テラヘルツ電磁波の入射波と反射波にそれぞれ偏光子を設ける場合に比較すると、偏光子の機械的な振動による不安定性がなくなり、測定誤差を飛躍的に減少させることができる。
【００２０】
磁場系２８は、被測定材料２のホール測定を行うために、磁場を印加するのに設けている。磁場系２８は、電磁石や永久磁石などからなり、被測定材料２に垂直、つまり、紙面の水平方向に磁場を印加し、さらに、その磁場を反転する手段を備えている（図１の±Ｂ参照）。磁場の反転は、電磁石を用いる場合には、その磁場発生のために印加する直流電流を反転すればよく、コンピュータ系４０により制御することができる。
【００２１】
次に、被測定材料からのテラヘルツ電磁波の反射光を検出する検出光学系について説明する。
検出光学系３０は、レンズ３１，３２と、テラヘルツ電磁波検知器３３と、位相板３４と、検光子３５と、光検知器３６と、増幅器３７とを、含み構成されている。そして、ミラー１８を介してパルスレーザ１１から分波された参照光３９がテラヘルツ電磁波検知器３３へ入射している。
【００２２】
ここで、テラヘルツ電磁波検知器３３としては、二次の非線形光学効果を有する電気光学結晶３３を用いることができる。また、位相板３４としては直線偏光を円偏光にする１／４波長板を用いることができる。さらに、検光子３５としては、１／４波長板からの円偏光を互いに直交する偏光成分に分解するウォラストンプリズムを用いることができる。これにより、検光子３５で分割された偏光成分３５ａ，３５ｂは、参照光３９の光検知器であるバランスド・フォトダイオード３６に入射して、その差分が検出される。この差分は、ロックインアンプなどの増幅器３７により増幅され、Ａ／Ｄ変換されて、コンピュータ系４０に出力される。この際、ロックインアンプなどの増幅器３７は、光強度変調器ドライバ７から参照信号８が入力され、その位相に基づく信号検出を行うので、雑音成分が減少する。
なお、バランスド・フォトダイオード３６は、パルスレーザ光からの参照光３９に対しての検知器であり、差分測定のために２個の特性の揃ったフォトダイオード３６ａ，３６ｂから成る。
【００２３】
上記検出光学系３０に入射する被測定材料２からの反射テラヘルツ電磁波２４は、被測定材料２への入射電場Ｅ（ω）と被測定材料２の複素反射率ｒsp（ω）との積、すなわち、Ｅ（ω）ｒsp（ω）である。ここで、ｒsp（ω）は、ｐ偏光入射に対する反射テラヘルツ電磁波のｓ偏光成分である。
上記反射テラヘルツ電磁波２４の電場成分は、電気光学結晶３３と入射光学系１０中の光時間遅延回路１７と、による所謂電気光学サンプリング（ＥＯサンプリング）により検出される。この電気光学サンプリングは、例えば光時間遅延回路１７内のレンズを微小変位させるステージ１７ａをコンピュータ系４０から制御し、ビームスプリッター１６から被測定材料２に入射するまでの時間を変化させることにより行うことができる。
【００２４】
次に、検出光学系３０の動作について説明する。
被測定材料２がなく、反射テラヘルツ電磁波２４が検出光学系３０に入射しない場合には、参照光３９だけが検出光学系３０に入射している。この場合には、直線偏光の参照光３９は電気光学結晶３３を通過し、１／４波長板３４により円偏光へと変換される。その後、検光子３５により互いに直交する偏光成分３５ａ，３５ｂに空間的に分解され、それぞれ２つのフォトダイオード３６からなるバランスド・フォトダイオードへと入射する。そして、２つのフォトダイオード３６ａ，３６ｂの出力は、差動検出される。これにより、参照光３９が完全に直線偏光の場合は、それぞれのフォトダイオード３６ａ，３６ｂの出力は等しく、これらを差動検出した出力はゼロとなる。
一方、反射テラヘルツ電磁波２４のパルスが検出光学系３０に入射し、電気光学結晶３３に反射テラヘルツ電磁波２４のパルスが照射される場合には、電気光学結晶３３中のその電界成分による非線形効果により参照光３９の偏光が直線から楕円偏光へと変化する。これにより、２つのフォトダイオード３６ａ，３６ｂの出力は相殺せず、反射テラヘルツ電磁波２４の電場の振幅に比例した信号を出力する。
【００２５】
コンピュータ系４０は、コンピュータと、光時間遅延回路１７のステージ制御部と、ディスプレイ装置と、記憶装置などを備えて構成されている。コンピュータにより、反射テラヘルツ電磁波２４の電場波形である時系列信号の所定の時間を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のアルゴリズムによりフーリエ変換すれば、計算時間の短縮ができる。このフーリエスペクトルを得る手段は、コンピュータによらない専用のＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）やＦＦＴ装置でも良い。
【００２６】
以上のように構成されている本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１によれば、光時間遅延回路１７によりパルスレーザ光に対して時間遅延を加えながら、反射テラヘルツ電磁波２４の電場を測定することにより、この時間遅延に対する反射テラヘルツ電磁波２４の電場波形、すなわち、時系列信号が得られる。
この時系列信号を、Ａ／Ｄ変換によりデジタル変換し、コンピュータによりフーリエ変換をすることで、反射テラヘルツ電磁波２４の周波数領域における振幅及び位相を得ることができる。そして、被測定材料２がない場合に生じる参照光スペクトルを基準として、被測定材料２による反射テラヘルツ電磁波２４の振幅スペクトル及び位相スペクトルを得ることができる。
【００２７】
次に、本発明による第２の実施形態に係るテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置について説明する。
図２は、本発明に係る第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置の構成を示す模式図である。図２において、第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置５０が第１の実施形態のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１と異なるのは、入射光学系１０のテラヘルツ電磁波パルス発生用の光伝導素子２６と、検出光学系３０の光伝導素子５３と、を用いる点である。
【００２８】
図３は、第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波パルス発生用の光伝導素子２６の構造及び動作を模式的に示す図である。図示するように、光伝導素子２６は半導体であるＧａＡｓなどの絶縁性基板から成り、その表面には、中央に幅数μｍの微小ギャップ２６ｃを有する電極２６ａ，２６ｂが設けられている。この微小ギャップ２６ｃには、電極２６ａ，２６ｂへ直流電圧２７が印加されている。このため、微小ギャップ２６ｃを有する電極２６ａ，２６ｂ間には強い直流電界が加わっている。
これにより、微小ギャップ２６ｃ間に超短光パルスであるパルスレーザ光１１ａを照射すると、瞬間的に光キャリアが生成され導電性となる。そして微小ギャップ２６ｃ間には直流強電界が加わっているため、光照射によって瞬時的に電流が流れる。この瞬時電流を源としてテラヘルツ電磁放射が発生する。このようにして、光伝導素子２６による光整流法を用いてテラヘルツ電磁波パルス２０が発生し、ＧａＡｓなどの絶縁性基板の裏面から出射する。
なお、ＧａＡｓなどの絶縁性基板の厚さは、パルスレーザ光１１ａの侵入深さよりも厚くし、テラヘルツ電磁波パルス２０の侵入深さよりも薄くしておけばよい。
【００２９】
図４は、第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波パルス検知用の光伝導素子５３の構造及び動作を模式的に示す図である。
光伝導素子５３は、光伝導素子２６と同様の素子を使用できる。光伝導素子５３は絶縁性の半導体ＧａＡｓなどから成る。図示するように、その表面には、中央に幅数μｍの微小ギャップ５３ｃを有する電極５３ａ，５３ｂが設けられている。光伝導素子２９と異なるのは、この実施形態では、これらの電極５３ａ，５３ｂ間に後述する光電流を検出する電流計５４が接続され、その電流が増幅器３７に出力される点である。
また、図２に示すように、パルスレーザ光は、パルスレーザ１１からミラー１２と、ビームスプリッター１６と、ミラー１８（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）と、により参照光３９として、直接光伝導素子５３の表面側の微小ギャップ５３ｃに入射している。この際、パルスレーザ光のパルス幅はテラヘルツ電磁波パルスの振動周期より約１桁以上短いものを用いる。また、テラヘルツ電磁波パルス検知用の光伝導素子５３の裏面には、反射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分２４が、同時に集光されている。
【００３０】
これにより、光伝導素子５３はパルスレーザ光により生成されるキャリアによって、パルスレーザ光の照射時のみ導電性となる。但し、テラヘルツ電磁波パルス検知用の光伝導素子２６と異なり直流バイアス電界は加えていない。このため、光電流は反射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分２４の電界により誘起されることになる。この光電流信号を、反射テラヘルツ電磁波２４の垂直偏光成分パルスとパルスレーザ光からの参照光３９とが光伝導素子５３に到達する時刻の差の関数として計測することで、反射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分２４の時間波形を計測することができる。この到達時刻の差は入射光学系１０に設置された光時間遅延回路１７を用いることで発生させる。
なお、ＧａＡｓなどの絶縁性基板の厚さは、パルスレーザ光の侵入深さよりも厚くし、テラヘルツ電磁波パルスの侵入深さよりも薄くしておけばよい。
【００３１】
光伝導素子５３は、第１の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１０のテラヘルツ電磁波パルス検知器３６である電気光学結晶１９と置き換えた構成であるが、上記した検知方法により、位相板３４，検光子３５，光検知器３６は不要である。なお、第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置５０において、テラヘルツ電磁波パルスの発生及び検知用の光伝導素子２６，５３以外の構成は、本発明の第１の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１０と同じであるので、説明は省略する。
【００３２】
以上のように構成されている本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置５０によれば、光時間遅延回路１７によりパルスレーザ光に対して時間遅延を加えながら、反射テラヘルツ電磁波２４の電場を測定することにより、この時間遅延に対する反射テラヘルツ電磁波２４の電場波形、すなわち、時系列信号を得ることができる。
この時系列信号を、Ａ／Ｄ変換によりデジタル変換し、コンピュータによりフーリエ変換することにより、反射テラヘルツ電磁波２４の周波数領域における振幅及び位相が得られる。そして、被測定材料２がない場合に生じる参照光スペクトルを基準として、被測定材料２による反射テラヘルツ電磁波２４の振幅スペクトル及び位相スペクトルを得ることができる。
なお、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１，５０において、テラヘルツ電磁波パルスの発生に電気光学結晶１９や光伝導素子２６を用い、また、テラヘルツ電磁波検知器として、電気光学結晶３３や光伝導素子５３を用いたが、これらは、その測定目的に応じて、適宜に組み合わせて使用できる。
【００３３】
次に、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１，５０による被測定材料の伝導度テンソル及びホール係数の導出方法を説明する。
検出光学系３０で観測される信号は、 複素反射率と入射電場との積であるｒsp（ω）Ｅ（ω）に対応する。 ｒsp（ω）は、ｐ偏光入射に対する反射波のｓ偏光成分を意味し、テラヘルツ時間領域分光法では電場の振幅と位相を同時に測定することができるため、 複素反射率ｒsp（ω）の実部、 虚部を同時に決定できる。ただし、 入射波Ｅ（ω）は後述するように、別途参照測定をしておく。
最初に通常のテラヘルツ反射測定により、下記式（１）により複素反射係数から、複素屈折率を計算する。
【数１】
2005315708.tif 000003
ここで、ｒ（ω）は複素反射率、ｎiiは複素屈折率である。ｉ＝ｘ，ｙである。
【００３４】
次に、上記入射波Ｅ（ω）の測定方法を説明する。
第１の方法は、ワイヤグリッド偏光子２５を、ビームスプリッターに交換し、次に、被測定材料２を参照用素子（金ミラー、アルミミラーなど）に置き換える。この際、磁場は印加しない。この場合には、ワイヤグリッド偏光子２５がなく、単にビームスプリッターだけを使用するので、入射テラヘルツ電磁波は偏光せずに、金ミラーによりテラヘルツ電磁波が１００％の強度で反射して、検出光学系３０に出射する。
このようにしてこの波形を測定することにより、磁場を加えることなく入射波Ｅ（ω）の時間波形が得られる。
第２の方法は、ワイヤグリッド偏光子２５の非消光成分スペクトル特性を事前に調べておく方法である。この場合、被測定材料２を既知の参照用素子（金ミラー、アルミミラーなど）に置き換えるだけで、入射波Ｅ（ω）を決定することができる。
第３の方法は、被測定材料２と、ワイヤグリッド偏光子２５との間に、適当な厚みの位相差板（水晶板など）を挿入する方法である。
例えば、特定の波長（λ）でλ／４の位相差を有する位相板を用いた場合に、その固有軸を入射テラヘルツ波２３の偏光面に対して４５度傾けて挿入する。被測定材料に入射するテラヘルツパルスは位相板を往復して、位相板の固有軸方向成分と直交する方向成分にλ／２の位相差を生じ、偏光面は９０度回転する。この結果、被測定材料２を反射して戻ってきた反射テラヘルツ波２４はワイヤグリッド偏光子２５でほぼ１００％反射され、検出光学系３０に出射する。
これにより、被測定材料２を１００％の反射波が得られる参照素子（金ミラー、アルミミラーなど）に切り替えておけば、入射波Ｅ（ω）を決定することができる。
なお、上記被測定材料２及びワイヤグリッド偏光子２５間に挿入する位相板の屈折率と厚さが既知であれば、１／４波長板である必要はなく、任意の厚さで校正は可能である。  
【００３５】
次に、複素屈折率から、下記式（２）により誘電関数（誘電率テンソル）εiiを計算する。
【数２】
2005315708.tif 000004
【００３６】
上記ｒsp（ω）は、下記式（３）で表わされる誘電関数であるので、上記式（２）で求まる誘電率テンソルεii（ω）を用い、非対角誘電率εxy（ω）を求める。
【数３】
2005315708.tif 000005
【００３７】
次に、上記（３）で求めた非対角誘電率εxy（ω）から、下記式（４）により一意的に伝導度テンソルが計算され、複素伝導度を求めることができる。
【数４】
2005315708.tif 000006
ここで、δijはクロネッカのデルタであり、εb は下地の誘電率である。
【００３８】
次に、被測定材料２のホール係数の算出方法について説明する。
被測定材料２に磁場Ｂz を印加し、磁場の強度に対する上記式（４）により伝導度テンソルを求め、下記式（５）によりホール係数ＲH （ω）が求まる。
【数５】
2005315708.tif 000007
【００３９】
被測定材料２が半導体である場合には、その伝導型によりホール係数の符号が異なるので被測定材料２の伝導型を判定することができる。また、下記式（６）及び（７）から、ｎ型及びｐ型の不純物密度を、それぞれ、ｎ、ｐとして計算することができる。
【数６】
2005315708.tif 000008
【数７】
2005315708.tif 000009
ここで、ｅは電子の単位電荷であり、１．６０２×１０-19 Ｃ（クーロン）である。
【００４０】
この際、磁場の向きを反転させると、上記式（３）においてεxyの符号が反転する。このため、磁場の向きが反転及び非反転の場合に、上記式（３）で測定されるｒsp（ω）の値に加えて、さらに偏光子２５の不完全性により重畳して観測される非消光成分は同じであるので、その差分をとると、非消光成分が打ち消され、ホール係数ＲH （ω）に相当する時間系列信号だけが２倍の大きさとなる。
これにより、非消光成分を完全に除去でき、被測定材料２のホール係数ＲH （ω）の測定精度を著しく高めることができる。したがって、本発明のテラヘルツ電磁波による物性測定装置１，５０を用いてホール係数を測定することによって、偏光子２５の機械的な振動による不安定性と、偏光子２５由来の不完全性がなくなり、測定誤差を飛躍的に減少させることができる。また、磁場の反転及び非反転による差分測定を行うことにより測定精度を著しく高めることができる。
【実施例１】
【００４１】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例１として、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置１を製作した。図１を参照して、その主要部分について説明する。
パルスレーザ１１としては、モード同期されたチタンサファイアレーザ（米国コヒーレント社製、ＲｅｑＡ９０００）による再生増幅システムを用い、波長８００ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数２００ｋＨｚのパルスレーザ光を発生させた。このパルスレーザ光には、光強度変調器６により１００ｋＨｚの強度変調を印加した。また、テラヘルツ電磁波パルス発生用及びテラヘルツ電磁波検知器用の電気光学結晶１９，３３は、何れもＺｎＴｅを用いた。テラヘルツ電磁波集光用のレンズ２１，３１，３２は、何れも放物面鏡を使用した。さらに、偏光子２５としては、ワイヤグリッド型偏光子を用いた。
【実施例２】
【００４２】
本実施例のテラヘルツ電磁波による物性測定装置１を用いて、被測定材料２として半導体のＩｎＡｓ基板の室温下でホール効果の検出を行った。ＩｎＡｓ基板２は、市販されているノンドープの単結晶基板を用いた。室温でのキャリア（電子）濃度は、通常の４端子法による直流ホール測定によれば、２×１０16ｃｍ-3であった。
【００４３】
図５は実施例２で測定した反射テラヘルツ電磁波による時間領域での電場波形を示す。図において、横軸は遅延時間（ｐｓ）を示し、縦軸は反射テラヘルツ電磁波２４のテラヘルツ電場強度（任意目盛り）を示している。被測定材料２に磁場を印加しない場合（Ｂ＝０ガウス）を実線で示し、９０ガウスの磁場を加えた場合を点線で示している。
図から明らかなように、磁場がない場合にも観測される信号は、 被測定材料のＩｎＡｓから反射されたテラヘルツ電磁波波２４がワイヤグリッド偏光子２５の不完全性により反射される非消光成分である。また、磁場を加えると、ホール効果による電場成分が生じることが分かる。
【００４４】
図６は、実施例２で測定した反射テラヘルツ電磁波の時間領域での電場波形における印加磁場の方向依存性を示す図である。図において、横軸は遅延時間（ｐｓ）を示し、縦軸は反射テラヘルツ電磁波のテラヘルツ電場強度（任意目盛り）を示している。図では、被測定材料に９０ガウスの磁場を加えた場合を実線で示し、−９０ガウスの磁場を加えた場合を点線で示している。
図から明らかなように、ホール効果によるテラヘルツ波の偏光変化成分の時間軸上の波形において、その符号が磁場により反転していることが分かる。
【００４５】
図７は、実施例２において、磁場の符号を反転させて、それぞれ、反射テラヘルツ時間波形を測定し、その差分を記録して積算した波形を示す図である。図において、横軸は遅延時間（ｐｓ）を、縦軸は反射テラヘルツ電磁波のテラヘルツ電場強度（任意目盛り）を示している。磁場として１１ガウス及び２２ガウスの磁場を印加した。
図から明らかなように、非消光成分が除去され、ホール効果成分だけが明瞭に検知されていることが分かる。磁場強度が１１ガウスと低いにもかかわらず、振幅からその偏光回転角が０．４ｍｒａｄと、従来の反射テラヘルツ電磁波による測定よりも約２０倍以上高感度であることが分かった。
なお、本実施例では、磁場の反転、非反転を交互に行い、それぞれの場合のテラヘルツ時間波形の記録及び積算を５０回繰り返した。そして、これらの時間波形の平均操作により得た時間波形をデータとして、ＦＦＴを行い、後述するホール係数やその導出に必要な誘電関数及び伝導度などの計算を行った。
【００４６】
次に、磁場強度を変化させて、反射テラヘルツ時間波形を測定し、観測されたホール効果信号からホール係数を測定した。
図８は、実施例２で測定したＩｎＡｓのホール係数の周波数依存性を示す図である。図において、横軸は周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸はホール係数の実部（ｍ3 ／Ｃ）を示している。
図から明らかなように、反射テラヘルツ電磁波の約０．５〜２ＴＨｚの領域においてホール係数の実部は、−３００×１０-6ｍ3 ／Ｃとほぼ一定であり、マイナスの符号からその導電型がｎ型であることが分かる。また、ホール係数の値から、キャリア密度が約２．１×１０22ｍ-3、すなわち、約２．１×１０16ｃｍ-3であることが分かる。この値は、直流電流印加による通常のホール効果測定と比較すると、妥当な値である。
【００４７】
上記結果から、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置によれば、被測定材料に非接触で、高感度、かつ、高精度でホール係数の測定ができることが分かる。
【００４８】
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、主としてホール係数の測定について説明したが、複素屈折率や複素伝導度テンソルの測定も行うことができる。
【産業上の利用の可能性】
【００４９】
本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置によれば、ホール伝導度をテラヘルツ周波数領域で非接触、 高感度、 高精度に決定することができる。また、不透明材料を含む様々な物質のホール伝導度、 移動度を高帯域で非接触に評価することが可能となる。さらに、電極の形成が困難な半導体、 種々の強相関電子材料、 磁性体材料、 金属材料、 有機材料等の幅広い材料系の非接触評価が可能となる。 
また、本発明のテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置によれば、被測定材料に非接触で、その物性測定を高速に行うことができる。このため、 産業上、重要な半導体基板材料のホール伝導度を効率よくかつ非破壊で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る第１の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明に係る第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置の構成を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波パルス発生用の光伝導素子の構造及び動作を模式的に示す図である。
【図４】第２の実施形態によるテラヘルツ電磁波パルス検知用の光伝導素子の構造及び動作を模式的に示す図である。
【図５】実施例２で測定した反射テラヘルツ電磁波による時間領域での電場波形を示す図である。
【図６】実施例２で測定した反射テラヘルツ電磁波の時間領域での電場波形における印加磁場の方向依存性を示す図である。
【図７】実施例２において、磁場の符号を反転させて、それぞれ、反射テラヘルツ時間波形を測定し、その差分を記録して積算した波形を示す図である。
【図８】実施例２で測定したＩｎＡｓのホール係数の周波数依存性を示す図である。
【図９】非特許文献２で報告されたテラヘルツ電磁波を用いた反射法によるホール係数測定装置を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，５０：テラヘルツ電磁波を用いた物性測定装置
２：被測定材料
６：光強度変調器
７：光強度変調器ドライバ
８：参照信号
１０：入射光学系
１１：パルスレーザ
１１ａ：パルスレーザ光
１２，１３，１４，１５，１８：ミラー
１６：ビームスプリッター
１７：光時間遅延回路
１７ａ：ステージ
１９：電気光学結晶
２０：テラヘルツ電磁波パルス
２１，３１，３２：レンズ
２２：フィルタ
２３：入射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分
２４：反射テラヘルツ電磁波の垂直偏光成分
２５：偏光子
２６：電磁波パルス発生用の光伝導素子
２６ａ，２６ｂ：光伝導素子の電極
２６ｃ：光伝導素子電極間の微小ギャップ
２７：直流電圧
２８：磁場系
３０：検出光学系
３３：テラヘルツ電磁波検知器（電気光学結晶）
３４：位相板（１／４波長板）
３５：検光子（ウォラストンプリズム）
３５ａ，３５ｂ：偏光成分
３６：光検知器
３６ａ，３６ｂ：光検知器出力
３７：増幅器（ロックインアンプ）
３９：参照光
４０：コンピュータ系
５３：光伝導素子
５３ａ，５３ｂ：光伝導素子の電極
５３ｃ：光伝導素子電極間の微小ギャップ
５４：電流計
【図１】
2005315708.tif 000010
【図２】
2005315708.tif 000011
【図３】
2005315708.tif 000012
【図４】
2005315708.tif 000013
【図５】
2005315708.tif 000014
【図６】
2005315708.tif 000015
【図７】
2005315708.tif 000016
【図８】
2005315708.tif 000017
【図９】
2005315708.tif 000018