(57)【要約】【課題】  電圧を印加しなくても、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波を放出する光電磁波変換方法および装置を提供する。【解決手段】  本発明の光電磁波変換方法は、強誘電体層３を形成する強誘電体に、前記強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光７を照射し、前記強誘電体からテラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波８を放出させる。前記パルス光がフェムト秒パルス光であってもよい。前記強誘電体が、ペロブスカイト型強誘電体であってもよい。【選択図】      図２
2007049042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体に、前記強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光を照射し、  前記強誘電体からテラヘルツ帯域の電磁波を放出させる
ことを特徴とする光電磁波変換方法。
【請求項２】
前記パルス光がフェムト秒パルス光である
ことを特徴とする請求項１記載の光電磁波変換方法。
【請求項３】
前記強誘電体が、ペロブスカイト型強誘電体である
ことを特徴とする請求項１記載の光電磁波変換方法。
【請求項４】
請求項１記載の光電磁波変換方法により電磁波を放出させ、
放出された電磁波の振幅の向きと強度から、前記強誘電体の分極状態を検出する
ことを特徴とする強誘電体の分極状態検出方法。
【請求項５】
前記パルス光がフェムト秒パルス光である
ことを特徴とする請求項４記載の強誘電体の分極状態検出方法。
【請求項６】
前記強誘電体が、ペロブスカイト型強誘電体である
ことを特徴とする請求項４記載の強誘電体の分極状態検出方法。
【請求項７】
請求項１記載の光電磁波変換方法により電磁波を放出させ、
放出された電磁波の振幅の向きと強度から、前記強誘電体の分極状態を検出し、
検出された分極状態をイメージ化し、
前記強誘電体へのパルス光の照射位置を変更し、
前記パルス光の照射と、前記分極状態の検出と、前記分極状態のイメージ化と、前記照射位置の変更とを繰り返す
ことを特徴とする強誘電体の分極状態イメージング方法。
【請求項８】
請求項１記載の光電磁波変換方法により電磁波を放出させ、
放出された電磁波の振幅の向きに従って、データの論理値を判定する
ことを特徴とする強誘電体メモリの読み出し方法。
【請求項９】
基板と、
前記基板の上に強誘電体により形成された強誘電体層と、
前記強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光を照射する照射手段とを備え、
前記強誘電体層は、前記パルス光を照射されることにより、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波を放出する
ことを特徴とする光電磁波変換装置。
【請求項１０】
強誘電体に、前記強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光を照射する照射手段と、
前記強誘電体から放出されたテラヘルツ帯域の電磁波の振幅の向きと強度から、前記強誘電体の分極状態を検出する検出手段とを備える
ことを特徴とする強誘電体の分極状態検出装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の強誘電体の分極状態検出装置と、
前記検出手段で検出された分極状態をイメージ化するイメージ化手段と、
前記強誘電体へのパルス光の照射位置を変更する変更手段とを備える
ことを特徴とする強誘電体の分極状態イメージング装置。
【請求項１２】
請求項９記載の光電磁波変換装置と、
前記光電磁波変換装置の強誘電体層から放出された電磁波の振幅の向きに従って、データの論理値を判定する判定手段とを備える
ことを特徴とする強誘電体メモリの読出し装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電磁波変換方法に関し、特に、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波を放出する光電磁波変換方法、および、それを用いた強誘電体の分極状態検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ周波数帯域（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）の電磁波（以下「テラヘルツ波」という。）は、例えば、封筒に入っている郵便物の検査や、食品の検査等に用いることができる。そのため、テラヘルツ波を発生する光電磁波変換装置の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下に、従来の光電磁波変換装置の構成を図１３を用いて説明する。図１３は、従来の光電磁波変換装置の斜視図である。図１３に示すように、従来の光電磁波変換装置１０１は、半導体の基板１０２（例えば、結晶ＧａＡｓ。）と、基板１０２上に、例えば、分子線エピタキシャル成長法により低温で形成された半導体層１０３（例えば、ＧａＡｓ層）と、半導体層１０３の上面に対向するように設けられた第一の電極１０４と第二の電極１０５とを備える。
【０００４】
直流電源１０６により、第一の電極１０４と第二の電極１０５との間に電圧が加えられた状態で、第一の電極１０４と第二の電極１０５との間に形成された最狭部に、パルス光１０７が照射されると、光励起によりキャリアが発生する。このキャリアが、第一の電極１０４と第二の電極１０５との間に印加された電圧により発生した電界よって加速される。これにより、放射源として働く過渡光電流が形成される。よって、マックスウェルの方程式にしたがって、テラヘルツ波１０８が、過渡光電流の微分を表すダイポール放射によって基板１０２の裏面から放出される。
【特許文献１】特開２００４−２２８２３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の光電磁波変換装置では、第一の電極１０４と第二の電極１０５との間に電圧を印加しなくてはならない。そのため、使用者は、光照射と電圧印加の二つの制御を行わなければならず、テラヘルツ波を発生させるための制御が煩雑であるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、簡単な制御で、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波を放出する光電磁波変換方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る光電磁波変換方法は、強誘電体に、前記強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光を照射し、前記強誘電体からテラヘルツ帯域の電磁波を放出させる。
【０００８】
これにより、強誘電体に電圧が印加されていない状態でも、強誘電体の自発分極により電界が生成されるので、強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つパルス光を照射することで、強誘電体の分極状態に依存した正または負の振幅をもつテラヘルツ波を放出することを簡単な制御により実現することができる。
【０００９】
また、前記パルス光がフェムト秒パルス光であってもよい。
【００１０】
また、前記強誘電体が、ペロブスカイト型強誘電体であってもよい。
【００１１】
これにより、室温でも強誘電体層の自発分極がおこるので、室温で使用することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る強誘電体の分極状態検出方法は、前記光電磁波変換方法により電磁波を放出させ、放出された電磁波の振幅の向きと強度から、前記強誘電体の分極状態を検出する。
【００１３】
これにより、強誘電体に、その強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光を照射することで、強誘電体の分極状態を検出することができる。また、強誘電体に電圧印加することなく、強誘電体の分極状態を検出することができる。
【００１４】
また、前記パルス光がフェムト秒パルス光であってもよい。
【００１５】
また、前記強誘電体が、ペロブスカイト型強誘電体であってもよい。
【００１６】
さらに、本発明に係る強誘電体の分極状態イメージング方法は、前記光電磁波変換方法により電磁波を放出させ、放出された電磁波の振幅の向きと強度から、前記強誘電体の分極状態を検出し、検出された分極状態をイメージ化し、前記強誘電体へのパルス光の照射位置を変更し、前記パルス光の照射と、前記分極状態の検出と、前記分極状態のイメージ化と、前記照射位置の変更とを繰り返す。
【００１７】
これにより、強誘電体に、その強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光を照射することで、強誘電体の分極状態をイメージ化することができる。また、強誘電体に電圧印加することなく、強誘電体の分極状態をイメージ化することができる。また、パルス光の照射位置を変更することができるので、強誘電体の広い範囲における分極状態をイメージ化することができる。
【００１８】
さらに、本発明に係る強誘電体メモリの読み出し方法は、前記光電磁波変換方法により電磁波を放出させ、放出された電磁波の振幅の向きに従って、データの論理値を判定する。
【００１９】
これにより、データを記憶している強誘電体に電圧を印加する必要がないので、強誘電体メモリの読み出し制御を簡単にすることができる。また、非破壊読み出しができる。さらに、データの‘０’または‘１’の判定は、光電磁波変換方法により放出されたテラヘルツ波の振幅の正または負で判定することができるので、判定は容易である。
【００２０】
なお、本発明は、このような光電磁波変換方法、強誘電体の分極状態検出方法、強誘電体の分極状態のイメージング方法および強誘電体メモリの読み出し方法として実現することができるだけでなく、光電磁波変換方法、強誘電体の分極状態検出方法、強誘電体の分極状態のイメージング方法および強誘電体メモリの読み出し方法に含まれる特徴的なステップを手段とする光電磁波変換装置、強誘電体の分極状態検出装置、強誘電体の分極状態のイメージング装置および強誘電体メモリの読み出し装置として実現することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光電磁波変換方法および装置によれば、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波を放出するための制御を簡単にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（光電磁波変換方法および装置）
以下、本発明に係る光電磁波変換方法および装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
まず、光電磁波変換装置の構成を説明する。
【００２４】
図１Ａは、本実施の形態における光電磁波変換装置１の斜視図である。図１に示すように、光電磁波変換装置１は、基板２と、強誘電体層３とを備える。
【００２５】
基板２は、ＬＳＡＴ（（ＬａＡｌＯ3）0.3（Ｓｒ2ＡｌＴａＯ6）0.7）で形成される。
【００２６】
強誘電体層３は、基板２の上に、パルスレーザ蒸着法で形成される。強誘電体層３は、ペロブスカイト型強誘電体ＢｉＦｅＯ3で形成される。
【００２７】
図１Ａに示す光電磁波変換装置１は、強誘電体に電圧が印加されていない状態でも、強誘電体の自発分極により電界が生成される。これにより、光電磁波変換装置１は、強誘電体に電圧が印加されていない状態でも、強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つパルス光７を強誘電体層３に照射することで、テラヘルツ波８を放出することができる。
【００２８】
図１Ｂは、電極付き光電磁波変換装置の斜視図である。
【００２９】
図１Ｂに示すように、光電磁波変換装置３１は、図１Ａ光電磁波変換装置３１と同様に、基板２と、強誘電体層３とを備え、さらに、第一の電極４と、第二の電極５と、直流電源６とを備える。
【００３０】
第一の電極４および第二の電極５は、強誘電体層３の上面に、対向するように設けられる。第一の電極４および第二の電極５の各形状は「Ｔ」字形である。第一の電極４と第二の電極５との間に形成された最狭部（以下、「ギャップ」という。）の間隔は約１０μｍである。第一の電極４および第二の電極５は、金で形成される。
【００３１】
直流電源６は、第一の電極４と第二の電極５との間に接続される。
【００３２】
光電磁波変換装置３１は、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加することで、強誘電体層３の分極状態を形成することができる。
【００３３】
次に、光電磁波変換装置３１の動作を説明する。
【００３４】
本実施の形態における、光電磁波変換装置３１は、一旦、電圧を印加しておけば、強誘電体層３が分極しており、強誘電体層３のバンドギャップを超えるエネルギーのパルス光７が照射されると、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧印加のない状態でも、テラヘルツ波８を放出する。
【００３５】
図２は、光電磁波変換装置３１の動作を模式的に示す図である。図２に示すように、光電磁波変換装置３１は、波長４００ｎｍのフェムト秒のパルス光７が、ＢｉＦｅＯ3薄膜のギャップに照射されると、ＬＳＡＴ基板２の裏面から、テラヘルツ波８を放出する。
【００３６】
図３は、横軸にパルス光７が照射されてからの時間、縦軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の強度の相対値を示す図である。実線３０は、第一の電極４と第二の電極５との間に＋２００Ｖ印加し、分極状態を形成した後に、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加していない状態で、パルス光７を照射し、発生したテラヘルツ波８の強度の相対値を示す。実線３１は、第一の電極４と第二の電極５との間に−２００Ｖ印加し、分極状態を形成した後に、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加していない状態で、パルス光７を照射し、発生したテラヘルツ波８の強度の相対値を示す。実線３０および実線３１は位相が１８０度反転しており縦軸方向に対称である。図３に示すように、光電磁波変換装置３１は、ギャップにパルス光７が照射されると、数ｐｓの幅を持つ電磁波パルスを発生する。図３に示す実線３０および３１を検出する手段として、例えば、図１３に示す光電磁波変換装置１０１の電圧源１０６を電流計に置き換えた検出装置を用いることができる。前記検出装置を、光電磁波変換装置３１と前記検出装置との電極の向きが等しくなるように配置する。前記検出装置は光電磁波変換装置より放出されたテラヘルツ波８を前記検出装置のギャップに受ける。これにより前記検出装置の電流計に電流が流れる。この電流の向きおよび強度を示したのが図３の実線３０および３１である。また、この電流の向きは、放出されたテラヘルツ波８の振幅の正負に対応している。
【００３７】
強誘電体層３に用いられているペロブスカイト型強誘電体ＢｉＦｅＯ3は、バンドギャップが、約２．５ｅＶであり、青色光パルスで励起可能である。よって、本実施の形態の光電磁波変換装置３１は、容易に得ることのできるパルス光7を用いて、テラヘルツ波８を放出することができる。例えば、市販されているチタンサファイアレーザから発生する基本波（波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ）をＢａＢ2Ｏ4結晶中を透過させることで二倍の波長に変換し、基本波をフィルタで遮断することで、青色光パルスである波長４００ｎｍの第二次高調波だけを取り出すことができる。
【００３８】
強誘電体層３に用いられているＢｉＦｅＯ3のバンドギャップを超えるエネルギーの光、例えば、波長４００ｎｍ程度のフェムト秒のパルス光７が、光電磁波変換装置３１のギャップに照射されると、光励起がおこる。光励起により発生したキャリアが、強誘電体層３の自発分極により発生した電界よって加速される。よって、放射源として働く過渡光電流が形成される。これにより、図３に示すように、テラヘルツ波８が基板２の裏面から放出される。また、テラヘルツ波８は、パルス光７の照射により発生したものであって、強誘電体ＬｉＮｂＯ3およびＬｉＴａＯ3において報告されている非線形光学効果によって発生したものではない。
【００３９】
図４は、横軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の周波数、縦軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の強度の相対値を示す図である。図３に示す波形をフーリエ変換すると、図４に示すスペクトルが得られる。図４に示すように、光電磁波変換装置３１は、パルス光７が照射されると、３ＴＨｚ（テラヘルツ）程度までのテラヘルツ波８を発生する。
【００４０】
光電磁波変換装置３１は、直流電源６により、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加することで、強誘電体層３の分極を設定する（以下、「ポーリング」という。）ことができる。光電磁波変換装置３１は、一旦、ポーリングしてしまえば、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加しなくても、強誘電体層３の自発分極による電場が存在するので、テラヘルツ波８を放出することができる。また、図３に示すように、光電磁波変換装置３１は、このポーリングの向きにより、発生するテラヘルツ波８の位相が１８０度反転する。また、強誘電体層３に用いられているペロブスカイト型強誘電体ＢｉＦｅＯ3は、室温でも強誘電特性を持つ。さらに、ペロブスカイト型強誘電体ＢｉＦｅＯ3は、薄膜形状でも十分な自発分極が起こり、テラヘルツ波８の発生に必要な電界を形成することができる。
【００４１】
図５上段は、印加電界に対するテラヘルツ波８の振幅特性を示す図である。同図は、横軸に第一の電極４と第二の電極５との間に印加された電界、縦軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の振幅の最大値の相対値を示す。なお、図５上段の縦軸に示すテラヘルツ波８の振幅の最大値の相対値は、図３の場合と同様に、検出装置の電流の向きおよび強度の最大値から導かれた値である。
【００４２】
図５上段に示すように、光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８は、印加電圧に対しヒステリシス特性を示す。すなわち、一旦、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧をかけることで、その後に第一の電極４と第二の電極５との間に電圧をかけなくても、テラヘルツ波８が放出される。また、印加電圧の正負により、その後の第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加していない状態での、テラヘルツ波８の振幅の正負が反転する。よって、光電磁波変換装置３１は、放出されるテラヘルツ波８の振幅の向きおよび強度を検出することで、強誘電体層３の分極状態を検出することができる。また、光電磁波変換装置３１は、ポーリングの向きを格納するデータに対応させ、テラヘルツ波８の振幅の正負を判定することで、不揮発性メモリ素子として用いることができる。
【００４３】
また、図５上段に示すように、光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の振幅は、第一の電極４と第二の電極５との間に印加する電界が大きくなると、逆に、光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の振幅は減少するという特性を示す。以下に、この特性の原理について説明する。
【００４４】
図５下段は、横軸に第一の電極４と第二の電極５との間に印加された電界、縦軸に電界を示す図である。図５下段のＥbiasは、第一の電極４と第二の電極５との間に印加された電界を表し、Ｅpolarは、理想的な分極による電界を表し、Ｅpolar=Ｐ／ε0（Ｐ：分極、ε0：電気定数）で表される。Ｅeffは、実際のギャップの電界であり、Ｅeff＝Ｅpolar―Ｅbiasの関係が成り立つ。すなわち、第一の電極４と第二の電極５との間に印加された電界と、分極による電界が相殺されて、図５下段のＥeffで示される電界がギャップに加えられる。図５下段のＥeffの波形と、図５上段の波形は同様の形である。すなわち、第一の電極４と第二の電極５との間に印加された電界と、分極による電界が相殺されて、図５上段に示すような、印加電圧に対する、テラヘルツ波８の特性があらわれることがわかる。
【００４５】
図６上段は、横軸に時間、縦軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の振幅の最大値の相対値を示す図である。図６下段は、横軸に時間、縦軸に第一の電極４と第二の電極５との間に印加された電圧を示す図である。図６に示すように、パルス光７が照射されていない時は（時間２５０ｓ〜３７５ｓおよび７５０ｓ〜８７５ｓ）、光電磁波変換装置３１よりテラヘルツ波８は放出されない。パルス光７が照射され、第一の電極４と第二の電極５との間に２００Ｖが印加されている場合（時間０〜１２５ｓの間）、光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の振幅は、図５上段の横軸２００Ｖに対応する縦軸の値となる。パルス光７が照射され、第一の電極４と第二の電極５との間に２００Ｖが印加されている場合（時間５００ｓ〜６２５ｓの間）、光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の振幅は、図５上段の横軸−２００Ｖに対応する縦軸の値となる。第一の電極４と第二の電極５との間に２００Ｖが印加された後に、パルス光７が照射され、電圧は印加されない場合（時間１２５ｓ〜２５０ｓおよび３７５ｓ〜５００ｓの間）、正の振幅を持つテラヘルツ波８が放出される。第一の電極４と第二の電極５との間に２００Ｖが印加された後に、パルス光７が照射され、電圧は印加されない場合（時間６２５ｓ〜７５０ｓおよび８７５ｓ〜１０００ｓの間）、負の振幅を持つテラヘルツ波８が放出される。すなわち、光電磁波変換装置３１は、パルス光７が照射されていない場合は、テラヘルツ波８を放出せず、パルス光７が照射されている場合は、その前の電圧印加の正負（強誘電体の分極状態の正負）に対応した、正または負の振幅を持つテラヘルツ波８を放出する。
【００４６】
また、強誘電体層３の分極状態は、パルス光７の照射による光励起によって変化することはない。なぜなら、ペロブスカイト単位セルの数に対し、パルス光７の照射により注入される電子の数は微少であるからである。例えば、１ｃｍ2当りのペロブスカイト単位セルの数が１０22オーダであるのに対し、パルス光７の照射により注入される電子の数は１０17オーダである。すなわち、光電磁波変換装置３１は、不揮発性メモリ素子として用いた場合、パルス光７の照射されること（読み出し動作）により、格納しているデータ（強誘電体層３の分極状態）が変化することはない。よって、非破壊読み出しができる。
【００４７】
以上より、本実施の形態の光電磁波変換装置３１は、電圧が印加されていない状態でも、強誘電体層３のバンドギャップを超えるエネルギーを持つフェムト秒のパルス光７を照射することで、テラヘルツ波８を放出する。さらに、本実施の形態の光電磁波変換装置３１は、容易に得ることのできる青色光パルスをパルス光７に用いて、テラヘルツ波８を放出することができる。また、本実施の形態の光電磁波変換装置３１は、放出されるテラヘルツ波８の振幅の向きおよび強度を検出することで、強誘電体層３の分極状態を検出することができる。また、本実施の形態の光電磁波変換装置３１は、強誘電体層３の分極の向きを変えることで、位相の反転したテラヘルツ波８を放出することができる。よって、本実施の形態の光電磁波変換装置３１は、強誘電体層３の分極の向きを格納するデータに対応させ、テラヘルツ波８の振幅の正負を判定することで、不揮発性メモリ素子として用いることができる。また、光電磁波変換装置３１は、不揮発性メモリ素子として用いた場合、パルス光７の照射されることにより、格納しているデータが変化することはない。すなわち、非破壊読み出しができる。
【００４８】
なお、第一の電極４および第二の電極５は、金で形成されているが、他の金属を用いてもよい。例えば、銅またはアルミ等を用いてもよい。
【００４９】
また、強誘電体層３は、ペロブスカイト型強誘電体ＢｉＦｅＯ3で形成されているが、他の強誘電体を用いてもよい。当然、照射するパルス光７は、その強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つ必要がある。
【００５０】
さらに、基板２に、ＬＳＡＴ基板を使用しているが、他の基板を用いてもよい。
【００５１】
（強誘電体の分極状態検出方法および装置）
以下、本発明に係る強誘電体の分極状態検出方法および装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５２】
前述したように、図１Ｂに示す光電磁波変換装置３１は、強誘電体層３の自発分極による電場が存在するので、パルス光７を照射することで、テラヘルツ波８を放出する。また、図３に示すように、光電磁波変換装置３１は、ポーリングにより分極の方向が１８０度反転すれば、発生するテラヘルツ波８の位相が１８０度反転する。すなわち、発生されるテラヘルツ波８の振幅の向きと強度は、強誘電体の分極状態を表している。
【００５３】
このことを利用して、強誘電体に、強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つパルス光７を照射し、強誘電体より発生したテラヘルツ波８の振幅の向きと強度から、強誘電体の分極状態を検出することができる。
【００５４】
以下、一例として、光電磁波変換装置３１の分極状態検出について説明する。
【００５５】
図７Ａは、第一の状態において、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加せず、パルス光７を照射し、放出されたテラヘルツ波８を検出し、強誘電体層３の分極状態をイメージングした図である。第一の状態とは、光電磁波変換装置３１のギャップにパルス光７を照射しながら、第一の電極４と第二の電極５との間に＋２００Ｖを印加し強誘電体層３の分極状態を形成した後の状態である。図７Ｂは、第二の状態において、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加せず、パルス光７を照射し、放出されたテラヘルツ波８を検出し、強誘電体層３の分極状態をイメージングした図である。第二の状態とは、光電磁波変換装置３１のギャップにパルス光７を照射しながら、第一の電極４と第二の電極５との間に−２００Ｖを印加し強誘電体層３の分極状態を形成した後の状態である。図７Ｃは、第三の状態において、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加せず、パルス光７を照射し、放出されたテラヘルツ波８を検出し、強誘電体そう３の分極状態をイメージングした図である。第三の状態とは、光電磁波変換装置３１のギャップにパルス光７の照射を行わず、第一の電極４と第二の電極５との間に＋２００Ｖを印加し強誘電体層３の分極状態を形成した後の状態である。図７Ｄは、第四の状態において、第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加せず、パルス光７を照射し、放出されたテラヘルツ波８を検出し、強誘電体層３の分極状態をイメージングした図である。第四の状態とは、光電磁波変換装置３１のギャップにパルス光７の照射を行わず、第一の電極４と第二の電極５との間に−２００Ｖを印加し強誘電体層３の分極状態を形成した後の状態である。
【００５６】
図中に示す、Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は、正方向の分極領域を示し、Ｍ１、Ｍ２およびＭ３は、負方向の分極領域を示す。なお、図中の実線で囲まれたＴ字型の形状は、第一の電極４および第二の電極５を示している。
【００５７】
図７Ａに示す、領域Ｐ１では正方向の分極が生じ、図３の実線３０に示すようなテラヘルツ波８が検出される。図７Ｂに示す、領域Ｍ１では負方向の分極が生じ、図３の実線３１に示すようなテラヘルツ波８が検出される。同様に図７Ｃの領域Ｐ２および図７Ｄの領域Ｐ３では、正方向の分極が生じ、図３の実線３０に示すようなテラヘルツ波８が検出される。図７Ｃの領域Ｍ２および図７Ｄの領域Ｍ３では、負方向の分極が生じ、図３の実線３１に示すようなテラヘルツ波８が検出される。よって、検出されたテラヘルツ波８の振幅の向きと強度により、分極状態を特定することができる。すなわち、強誘電体に強誘電体のバンドギャップを超えるパルス光７を照射し、強誘電体から発生したテラヘルツ波８の振幅の向きと強度により、強誘電体の分極状態を検出することができる。
【００５８】
また、パルス光７を照射しながら電圧印加し、強誘電体層３の分極状態を決定した後のイメージング像（図７ＡおよびＢ）では、分極状態の反転がＰ１およびＭ１で示す広い範囲で起こっているの。これに対し、パルス光７を照射せず電圧印加し、強誘電体層３の分極状態を決定した後のイメージング像（図７ＣおよびＤ）では、分極状態の反転はＰ２およびＭ３で示すギャップの周辺のみで起こり、Ｍ２およびＰ３で示す領域では起こっていない。これは、光分極反転によるものである。光分極反転は、ＢａＴｉＯ3およびＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3薄膜において既に報告されている原理である。ＢａＴｉＯ3およびＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3薄膜に、光照射と電圧印加とを行うと、電圧印加しか行っていない場合に比べ、分極のスイッチングが容易に起きることが報告されている。
【００５９】
図７Ａ〜Ｄにおける光電磁波変換装置３１の分極状態は、第一の電極４および第二の電極５に電圧を印加することで、図７Ａ〜Ｄの横方向（第一の電極４および第二の電極５が対向する方向）に分極方向が一次元に揃っている。しかし、一般の強誘電体は、分極の向きは一次元的に揃ってない。このような場合には、強誘電体より放射されたテラヘルツ波８の振幅の向きと強度のベクトルの横方向（第一の電極４および第二の電極５が対向する方向）の成分が検出装置の電流計に流れる電流の向きと強度として検出される。よって、横方向（第一の電極４および第二の電極５が対向する方向）と縦方向（第一の電極４および第二の電極５が対向する方向に垂直な方向）の二方向で電流の向きと強度とを検出することで、強誘電体の二次元の分極状態を検出することができる。
【００６０】
また、図７Ａ〜Ｄに示すイメージング像の解像度は、照射された光パルス７の直径によって決まる。すなわち、照射する光パルス７の直径をミクロメートル未満で制御することで、より詳細な分極構造を検出することができる。
【００６１】
以上より、強誘電体に強誘電体のバンドギャップを超えるパルス光７を照射し、強誘電体から発生したテラヘルツ波８の振幅の向きと強度により、強誘電体の分極状態を検出することができる。
【００６２】
（強誘電体メモリの読み出し方法および装置）
以下、本発明に係る強誘電体メモリの読み出し方法および装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６３】
まず、本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の構成を説明する。
【００６４】
図８は、本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置のブロック構成を示す図である。図８に示す読み出し装置は、上記光電磁波変換装置３１を不揮発性メモリ素子として用い、データ‘０’および‘１’の読み出しおよび書き込みを行う。図８に示す読み出し装置は、光パルス発生部１１と、レンズ１２と、ミラー１３と、光向制御部１４と、強誘電体メモリ素子１６と、電磁波検出部１８と、データ判定部１９と、データ出力部２０と、アドレス制御部２１と、直流電源２２とを備える。
【００６５】
光パルス発生部１１は、パルス光１５を発生する。
【００６６】
レンズ１２は、光パルス発生部１１より、発生したパルス光１５を集光する。
【００６７】
ミラー１３は、上記集光されたパルス光１５を反射し、パルス光の向きを変更する。
【００６８】
光向制御部１４は、レンズ１２およびミラー１３の角度を制御する。
【００６９】
強誘電体メモリ素子１６は、図１に示す光電磁波変換装置３１を複数個備えている。各光電磁波変換装置３１は、アドレスに割り当てられている。強誘電体メモリ素子１６は、このアドレスに対応した‘０’または‘１’の情報を格納する不揮発性メモリである。また、強誘電体メモリ素子１６は、パルス光１５が照射されると、電磁波１７を発生する。
【００７０】
電磁波検出部１８は、例えば、電磁波検出ボローメータまたは半導体光スイッチであり、強誘電体メモリ素子１６から放出される電磁波１７を検出する。
【００７１】
データ判定部１９は、電磁波検出部１８で検出された電磁波の振幅の正負により、強誘電体メモリ素子１６に格納されているデータの‘０’または‘１’を判定する。
【００７２】
データ出力部２０は、データ判定部１９より判定されたデータの‘０’または‘１’を出力する。
【００７３】
アドレス制御部２１は、アドレスに対応する光電磁波変換装置３１にパルス光１５を照射するように、光パルス発生部１１および光向制御部１４を制御する。
【００７４】
直流電源２２は、アドレスに対応する光電磁波変換装置３１に電圧を印加し、データ‘０’または‘１’を書き込む。
【００７５】
次に、本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の読み出し動作について説明する。
【００７６】
図９は、本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の読み出し動作の流れを示すフローチャートである。同図では、連続的に全アドレスのデータを読み出している。
【００７７】
まず、アドレス制御部２１が、最初のアドレスに対応する光電磁波変換装置３１にパルス光１５を照射するために、光向制御部１４に命令を送る。その命令に従い、光向制御部１４が、レンズ１２およびミラー１３の角度を制御する（Ｓ１）。
【００７８】
光パルス発生部１１が、青色光パルスである波長約４００ｎｍのパルス光１５を発生する。発生されたパルス光１５は、レンズ１２により集光され、ミラー１３で向きを調整され、強誘電体メモリ素子１６の対応するアドレスの強誘電体層３のギャップに照射される。強誘電体メモリ素子１６は、光パルス１５が照射されることで、対応したアドレスの強誘電体層３の分極の状態により、正または負の振幅を持つ、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波１７を放出する（Ｓ２）。なお、強誘電体層３の自発分極によりギャップには電界が加わっているので、電磁波１７を放出するために、強誘電体メモリ素子１６に電圧を印加する必要はない。
【００７９】
電磁波検出部１８が、強誘電体メモリ素子１６より、放出された電磁波１７を検出する（Ｓ３）。
【００８０】
データ判定部１９が、電磁波検出部１８の検出データの電磁波１７の振幅の正または負によって、強誘電体メモリ素子１６の対応するアドレスに格納されているデータの‘０’または‘１’を判定する（Ｓ４）。データの‘０’または‘１’の判定は、図３に示すように強誘電体メモリ素子１６より放出された、電磁波１７の振幅の正または負で判定することができるので、判定は容易である。
【００８１】
強誘電体メモリ素子１６の全アドレスのデータの読み出しが終わっていない場合（Ｓ５でＮｏ）、アドレス選択ステップ（Ｓ１）に戻り、次の読み出しアドレスが選択される。強誘電体メモリ素子１６の全アドレスのデータの読み出しが終了した場合（Ｓ５でＹｅｓ）、データ出力部２０が、強誘電体メモリ素子１６の全アドレスの読み出しデータを出力する（Ｓ６）。
【００８２】
次に、本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の書き込み動作を説明する。
【００８３】
図１０は、本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の書き込み動作の流れを示すフローチャートである。同図では連続的に全アドレスのデータを書き込んでいる。
【００８４】
まず、アドレス制御部２１が、最初のアドレスに対応する光電磁波変換装置３１に電圧を印加するために、直流電源２２に命令を送る（Ｓ１１）。
【００８５】
その命令に従い、直流電源２２が、強誘電体メモリ素子１６の所定のアドレスに対応する第一の電極４と第二の電極５との間に、電圧を印加する。直流電源２２が印加する電圧は、書き込むデータの‘０’または‘１’に対応した、正または負の電圧である。第一の電極４と第二の電極５との間に電圧を印加することで、強誘電体メモリ素子１６の所定のアドレスに対応する強誘電体層３がポーリングされ、これにより、データ‘０’または‘１’が格納される（Ｓ１２）。
【００８６】
強誘電体メモリ素子１６の全アドレスのデータの書き込みが終わっていない場合（Ｓ１３でＮｏ）、アドレス選択ステップ（Ｓ１１）に戻り、次の書き込みアドレスが選択される。強誘電体メモリ素子１６の全アドレスのデータの書き込みが終了した場合（Ｓ１３でＹｅｓ）、書き込み動作を終了する。
【００８７】
以上より、本実施の形態における読み出し装置は、強誘電体メモリ素子１６に前記光電磁波変換装置を用いることで、強誘電体メモリ素子１６に電圧を印加することなく、データの読み出しを行うことができる。さらに、本実施の形態における読み出し装置は、非破壊読み出しができる。また、データの‘０’または‘１’の判定は、強誘電体メモリ素子１６より放出された、電磁波１７の振幅の正または負で判定することができるので、判定は容易である。さらに、パルス光１５は青色光パルスなので、容易に用いることができる。
【００８８】
なお、本実施の形態では、光パルスの照射位置を移動させる方法を用いるが、光パルスを固定して、強誘電体メモリ素子１６を移動する方法を用いてもよい。
【００８９】
さらに、読み出しデータの出力を、全アドレスの読み出し終了後に行っているが、各アドレスの読み出し毎に、データを出力してもよい。また、全アドレスの読み出しではなく、特定のアドレスを指定し、読み出しを行ってもよい。
【００９０】
さらに、データの書き込みを電圧印加のみで行っているが、電圧印加および光照射を用いてもよい。
【００９１】
さらに、書き込み動作において、全アドレスにデータを書き込んでいるが、特定のアドレスを指定し、書き込みを行ってもよい。また、複数のアドレスに同時に書き込んでもよい。
【００９２】
（強誘電体の分極状態イメージング方法および装置）
前記強誘電体の分極状態検出方法および装置を応用し、強誘電体の分極状態をイメージ化することができる。
【００９３】
以下、本発明に係る強誘電体の分極状態イメージング方法および装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００９４】
まず、本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置の構成を説明する。
【００９５】
図１１は、本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置のブロック構成を示す図である。なお、図８と同一の要素には同一の符号が付されており、それらに関する詳しい説明はここでは省略する。
【００９６】
図１１に示すイメージング装置は、強誘電体試料の分極状態を映像で表示することができる。図１１に示すイメージング装置は、光パルス発生部１１と、レンズ１２と、ミラー１３と、光向制御部１４と、試料２３と、電磁波検出部１８と、画像生成部２５と、画像表示部２６と、制御部２７とを備える。
【００９７】
試料２３は、強誘電体を備えた試料である。
【００９８】
電磁波検出部１８は、例えば、電磁波検出ボローメータまたは半導体光スイッチであり、試料２３から放出される電磁波２４を検出する。
【００９９】
画像生成部２５は、電磁波検出部１８で検出されたデータより、試料２３の強誘電体の分極状態を検出し、その分極状態を映像化する。
【０１００】
画像表示部２６は、画像生成部２５より生成された画像データを表示する。
【０１０１】
制御部２７は、試料２３の選択された位置にパルス光１５を照射するために、光パルス発生部１１および光向制御部１４を制御する。
【０１０２】
次に、本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置の動作について説明する。
【０１０３】
図１２は、本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【０１０４】
まず、制御部２７が、選択された位置にパルス光１５を照射するために、光向制御部１４に命令を送る。その命令に従い、光向制御部１４が、レンズ１２およびミラー１３の角度を制御する（Ｓ２１）。
【０１０５】
光パルス発生部１１が、試料２３の強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つパルス光１５を発生する。発生されたパルス光１５は、レンズ１２により集光され、ミラー１３で向きを調整され、試料２３の対応する位置に照射される。試料２３は、光パルス１５が照射されることで、強誘電体の分極の状態により、正または負の振幅を持つ、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波２４を放出する（Ｓ２２）。
【０１０６】
電磁波検出部１８が、試料２３より、放出された電磁波２４を検出する（Ｓ２３）。
【０１０７】
画像生成部２５が、電磁波検出部１８の検出データの電磁波１７の強度と振幅の向きとによって、試料２３の対応する位置の分極状態を検出し、その分極状態を映像化する。（Ｓ２４）。例えば、図７Ａ〜Ｄに示すように、電磁波の強度と振幅の向きとを色の濃淡で表すなどの方法がある  試料２３の全領域のイメージングが終わっていない場合（Ｓ２５でＮｏ）、位置選択ステップ（Ｓ２１）に戻り、別の位置が選択される。試料２３の全領域のイメージングが終了した場合（Ｓ２５でＹｅｓ）、画像表示部２６が、試料２３の全領域のイメージング画像を表示する（Ｓ２６）。
【０１０８】
以上より、本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置は、強誘電体を備える試料２３に、その強誘電体のバンドギャップを超えるエネルギーを持つパルス光１５を照射することで、試料２３の強誘電体の分極状態を検出し、その分極状態を映像化することができる。また、試料２３に電圧印加することなく、試料２３の強誘電体の分極状態をイメージ化することができる。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、光パルスの照射位置を移動させる方法を用いるが、光パルスを固定して、試料２３を移動する方法を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は、光電磁波変換方法および装置に適用でき、特に、テラヘルツ帯域の周波数成分を含む電磁波を放出する光電磁波変換方法および装置に適用できる。
【０１１１】
また、本発明は、検出方法および装置に適用でき、特に、強誘電体の分極状態の検出方法および装置に適用できる。
【０１１２】
また、本発明は、メモリの読み出し方法および装置に適用でき、特に不揮発性、強誘電体メモリの読み出し方法および装置に適用できる。
【０１１３】
また、本発明は、イメージング方法に適用でき、特に、強誘電体の分極状態のイメージング方法および装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１Ａ】本実施の形態における、光電磁波変換装置の斜視図である。
【図１Ｂ】電極付き光電磁波変換装置の斜視図である。
【図２】光電磁波変換装置３１の動作を模式的に示す図である。
【図３】横軸にパルス光７が照射されてからの時間、縦軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の強度の相対値を示す図である。
【図４】横軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の周波数、縦軸に光電磁波変換装置３１より放出されるテラヘルツ波８の強度の相対値を示す図である。
【図５】印加電界に対するテラヘルツ波８の振幅および電界特性を示す図である。
【図６】時間に対する、テラヘルツ波８の振幅および印加電圧を示す図である。
【図７Ａ】本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング画像を示す図である。（光照射あり、＋２００Ｖ印加後）
【図７Ｂ】本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング画像を示す図である。（光照射あり、−２００Ｖ印加後）
【図７Ｃ】本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング画像を示す図である。（光照射なし、＋２００Ｖ印加後）
【図７Ｄ】本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング画像を示す図である。（光照射なし、−２００Ｖ印加後）
【図８】本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置のブロック構成を示す図である。
【図９】本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の読み出し動作の流れを示すフローチャートである。
【図１０】本実施の形態における強誘電体メモリの読み出し装置の書き込み動作の流れを示すフローチャートである。
【図１１】本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置のブロック構成を示す図である。
【図１２】本実施の形態における強誘電体の分極状態イメージング装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図１３】従来の光電磁波変換装置の斜視図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１、３１、１０１    光電磁波変換装置
２、１０２    基板
３    強誘電体層
４、５、１０４、１０５    電極
６、２２、１０６    直流電源
７、１５、１０７    パルス光
８，１０８    テラヘルツ波
１１    光パルス発生部
１２    レンズ
１３    ミラー
１４    光向制御部
１６    強誘電体メモリ素子
１７、２４    電磁波
１８    電磁波検出部
１９    データ判定部
２０    データ出力部
２１    アドレス制御部
２３    試料
２５    画像生成部
２６    画像表示部
２７    制御部
１０３    半導体層
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３    正方向の分極領域
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３    負方向の分極領域
【図１Ａ】
2007049042.tif 000003
【図１Ｂ】
2007049042.tif 000004
【図３】
2007049042.tif 000005
【図４】
2007049042.tif 000006
【図６】
2007049042.tif 000007
【図８】
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【図９】
2007049042.tif 000009
【図１０】
2007049042.tif 000010
【図１１】
2007049042.tif 000011
【図１２】
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【図１３】
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【図２】
2007049042.tif 000014
【図５】
2007049042.tif 000015
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2007049042.tif 000017
【図７Ｃ】
2007049042.tif 000018
【図７Ｄ】
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