JP2012023134A - Terahertz electromagnetic wave generation source and terahertz electromagnetic wave generation device - Google Patents

Terahertz electromagnetic wave generation source and terahertz electromagnetic wave generation device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a terahertz electromagnetic wave generation source capable of generating a terahertz electromagnetic wave with a simple element configuration while the generation is maintained for a long period of time.SOLUTION: A terahertz electromagnetic wave generation source 101 includes an nipi laminate 110 having a semiconductor layered structure comprising at least three layers of an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer which are laminated alternately. A terahertz electromagnetic wave is generated by irradiating the nipi laminate 110 with an ultrashort pulse laser beam. Thereby, the terahertz electromagnetic wave can be generated by a simple configuration while the generation is maintained for a long period of time.

Description

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。   The present invention relates to a terahertz electromagnetic wave generation source and a terahertz electromagnetic wave generation device that generate a terahertz electromagnetic wave by irradiation with a pulse laser.

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。   In recent years, as one of the electromagnetic waves attracting attention, there is an electromagnetic wave having a wavelength of 30 μm to 3 mm (hereinafter referred to as a terahertz electromagnetic wave) that is an intermediate wavelength between light and radio waves.

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。   Although terahertz electromagnetic waves do not pass through water, they cannot be used as a substitute for human X-ray inspection, but are attracting attention in other nondestructive inspection fields.

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。   As generation methods of terahertz electromagnetic waves, two types of generation methods are known.

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。   For example, as disclosed in Patent Documents 1 to 3, Non-Patent Document 1, etc., by irradiating the surface of the semiconductor layer with a pulse laser, electrons and holes are diffused on the surface of the semiconductor layer. This is a method for generating a terahertz electromagnetic wave (hereinafter referred to as “pulse laser irradiation method”).

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。   The other is, for example, as disclosed in Patent Documents 4 and 5, Non-Patent Document 2 and the like, in a junction layer constituting a semiconductor, a cascade is formed from a layer having a high electron potential to a layer having a low electron potential. In which electrons are caused to flow to generate terahertz electromagnetic waves (hereinafter referred to as “cascade method”).

特開2005−019472号公報(2005年01月20日公開)JP 2005-019472 A (published January 20, 2005) 特表2005−519458号公報(2005年06月30日公表)JP 2005-519458 A (published on June 30, 2005) 特開2005−332954号公報(2005年12月02日公開)JP-A-2005-332954 (published on December 02, 2005) 特開2006−310784号公報(2006年11月09日公開)JP 2006-310784 A (published on November 09, 2006) 特開2001−320136号公報(2001年11月16日公開)JP 2001-320136 A (published November 16, 2001)

"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"Generation of femtosecond electromagnetic pulses from semiconductor surfaces" X. -C. Zhang et. Al., APPL, p.1011-1013, published March 12, 1990 "Terahertz semiconductorheterostructure laser" Rudeger Kohler et. al.,NATURE VOL 417,p.156-157,2002年3月9日発行"Terahertz semiconductorheterostructure laser" Rudeger Kohler et. Al., NATURE VOL 417, p.156-157, published March 9, 2002

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。   However, in the conventional pulsed laser irradiation method, the semiconductor surface is irradiated with a pulsed laser, and electrons or holes are diffused to generate terahertz electromagnetic waves. There is a problem that terahertz electromagnetic waves can be generated only for a second (about ps).

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。   In addition, in the conventional cascade method, in order to allow electrons to move from a layer with a high electron potential to a layer with a low electron potential by the tunnel effect, the layer with a high electron potential is made thin or an electron potential gradient is formed in the stacking direction. There is a problem that the degree of difficulty in element configuration, such as, is extremely high.

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a terahertz electromagnetic wave generation source and a terahertz electromagnetic wave generator that can generate terahertz electromagnetic waves for a long time with a simple element configuration. Is to provide.

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。   As a result of intensive investigations to solve the above problems, the inventors of the present application, as a plasma wave having a uniform phase, for a stacked body in which P-type semiconductors and N-type semiconductors doped with impurities are alternately stacked. By irradiating an ultrashort pulse laser with a pulse width of 100 femtoseconds (fs) or less, coherent plasma oscillation (coherent plasmon) of carriers such as electrons or holes is generated for a long time inside the semiconductor. I observed that. As a result, it is considered that an electromagnetic wave (terahertz electromagnetic wave) having the same period as the period of the coherent plasmon is generated while the coherent plasmon continues.

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。   Accordingly, a terahertz electromagnetic wave generation source of the present invention is a terahertz electromagnetic wave generation source that generates a terahertz electromagnetic wave by irradiating an ultrashort pulse laser beam in order to solve the above-described problem, and includes a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor It has a semiconductor stacked structure in which at least three layers are alternately stacked.

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。   In the semiconductor stacked structure in which at least three P-type semiconductor layers and N-type semiconductor layers are alternately stacked as in the above configuration, at least one semiconductor layer has a polarity different from that of the semiconductor layer. The structure is sandwiched between the remaining semiconductor layers. When this semiconductor laminated structure is irradiated with an ultrashort pulse laser, electrons or holes doped as impurities in all the semiconductor layers are subjected to coherent plasma oscillation (coherent plasmon) at a frequency represented by the following formula according to the carrier concentration. )

Figure 2012023134
Figure 2012023134

上記式でω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。 In the above equation, ω p is the plasma frequency, e is the elementary charge, n is the electron or hole concentration, ε is the dielectric constant of the semiconductor, and m * is the effective mass of the electron or hole.

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。   In the semiconductor stacked structure, of the stacked semiconductor layers, a semiconductor layer sandwiched between the semiconductor layers, that is, a semiconductor layer other than the two semiconductor layers on the outermost surface has a polarity different from that of the semiconductor layer. Since the electric field of an arbitrary magnitude is formed by being surrounded by the layers, the coherent plasmon of electrons or holes in the semiconductor layer is stabilized by this electric field.

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。   Here, the ultrashort pulse laser is a laser having a very short pulse whose width (time width) of one pulse is several picoseconds (ps) to several femtoseconds (fs). Therefore, when this ultrashort pulse laser is irradiated, the period of the coherent plasmon of electrons or holes in the semiconductor layer becomes very short terahertz. That is, the electromagnetic wave generated from this semiconductor laminated structure becomes a terahertz electromagnetic wave. Therefore, while coherent plasmons are sustained in the semiconductor multilayer structure, terahertz electromagnetic waves are continuously generated from the semiconductor multilayer structure.

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。   As described above, the terahertz electromagnetic wave generation source configured as described above can generate terahertz electromagnetic waves continuously for a long time with a simple element configuration in which P-type semiconductor layers and N-type semiconductor layers are alternately stacked. Yes.

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。   Here, the long time means a time longer than 2 picoseconds (ps) to 3 picoseconds (ps), which is a duration of generation of terahertz electromagnetic waves in the conventional pulsed laser irradiation method. According to the terahertz electromagnetic wave generation source configured as described above, it is possible to continuously generate the terahertz electromagnetic wave, for example, for 40 picoseconds (ps) to 100 picoseconds (ps).

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。   In addition, the period of coherent plasmon oscillation generated in the semiconductor layer varies depending on the concentration (doping concentration) of the impurity doped in the semiconductor layer. That is, if the concentration of impurities contained in the semiconductor layer increases, the number of electrons or holes that vibrate in the semiconductor layer increases, so the period of coherent plasmons is shortened, and terahertz electromagnetic waves on the higher frequency side are generated, On the contrary, if the impurity concentration is lowered, the number of electrons or holes that vibrate in the semiconductor layer is reduced, so that the period of coherent plasmons becomes longer, and a terahertz electromagnetic wave on the lower frequency side is generated.

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。   Therefore, in the semiconductor stacked structure as described above, the frequency of the terahertz electromagnetic wave can be easily adjusted only by adjusting the impurity doping concentration of the semiconductor layer.

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。   Further, in the semiconductor multilayer structure, terahertz electromagnetic waves are generated from the respective semiconductor layers. Therefore, if the number of stacked semiconductor layers is increased, the signal intensity of the terahertz electromagnetic waves is increased accordingly. Conversely, if the number of stacked semiconductor layers is small, the signal intensity of the terahertz electromagnetic wave is reduced accordingly.

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。   In particular, by making the impurity doping concentration in each semiconductor layer the same, the signal intensity of the terahertz electromagnetic wave having a frequency corresponding to the impurity doping concentration at this time can be adjusted only by the number of stacked semiconductor layers. That is, if the doping concentration of impurities in each semiconductor layer is adjusted so as to generate a terahertz electromagnetic wave having a desired frequency, the signal intensity of the terahertz electromagnetic wave having the desired frequency adjusts the number of stacked semiconductor layers. It becomes possible to carry out by the simple method.

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。   It is preferable that an I layer not doped with impurities is formed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer.

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。   As described above, an I layer that is not doped with impurities is formed between the N type semiconductor layer and the P type semiconductor layer. By adjusting the thickness of the I layer, the N type semiconductor layer is adjusted. The intensity of the electric field formed between the layer and the P-type semiconductor layer can be adjusted. That is, by increasing the thickness of the I layer, the strength of the electric field can be reduced, and by reducing the thickness of the I layer, the strength of the electric field can be increased.

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。   As a result, if the thickness of the I layer is increased, the intensity of the above-described electric field is weakened, so that it is difficult to stably maintain the vibration of electrons or holes, which occurs in the N-type semiconductor layer or the P-type semiconductor layer. The duration of the coherent plasmon is shortened. On the other hand, if the thickness of the I layer is reduced, the intensity of the electric field is increased, so that the vibration of electrons or holes can be stably maintained. As a result, it occurs in the N-type semiconductor layer or the P-type semiconductor layer. The duration of the coherent plasmons you are doing is longer. As described above, it is possible to easily adjust the duration of coherent plasmon only by adjusting the thickness of the I layer formed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer.

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。   Therefore, it is possible to easily adjust the generation duration of the terahertz electromagnetic wave simply by adjusting the thickness of the I layer.

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。   Each of the N-type semiconductor layer, the I-layer, and the P-type semiconductor layer is preferably formed of the same semiconductor material.

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。   As described above, each of the N-type semiconductor layer, the I-layer, and the P-type semiconductor layer is formed of the same semiconductor material, so that there is no need to switch the semiconductor material when the semiconductor layers are stacked. In addition, since the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer are formed using the same semiconductor material, impurities can be easily doped into the semiconductor layer.

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。   The terahertz electromagnetic wave generation device of the present invention is characterized by including the terahertz electromagnetic wave generation source having the above-described configuration and a laser irradiation device that irradiates the terahertz electromagnetic wave source with an ultrashort pulse laser.

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。   Thereby, the terahertz electromagnetic wave generator which can generate a terahertz electromagnetic wave for a long time with a simple configuration can be realized.

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。   The wavelength of the ultrashort pulse laser is preferably shorter than the band gap energy of the semiconductor layer constituting the terahertz electromagnetic wave generation source.

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。   Since the wavelength of the ultrashort pulse laser is shorter than the band gap energy of the semiconductor layer constituting the terahertz electromagnetic wave generation source, carriers can be generated by optical transition, and the terahertz electromagnetic wave generation source can reliably Terahertz electromagnetic waves can be generated.

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。   In the laser irradiation apparatus, the pulse width of the ultrashort pulse laser is equal to or less than one cycle on the low frequency side of the frequency indicating two types of peaks of the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave generation source, and 1 on the high frequency side. It is preferable to set a value longer than the period.

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。   In this case, the pulse width of the ultrashort pulse laser is equal to or less than one cycle on the low frequency side of the frequency showing two types of peaks of the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave generation source 101 and from one cycle on the high frequency side. By setting the value to a long value, the peak on the high frequency side of the terahertz electromagnetic wave is not detected, and only the peak on the low frequency side is detected.

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。   Therefore, if necessary, the detection of the high-frequency peak in the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave source is suppressed by a simple method of adjusting the pulse width of the ultrashort pulse laser, and only the low-frequency peak is detected. Can be detected.

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。   The terahertz electromagnetic wave generation source is preferably cooled to 130 k (Kelvin) or less.

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。   As described above, the terahertz electromagnetic wave generation source can cool the coherent plasmon for a long time by being cooled to 130 k (Kelvin) or less.

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。   In addition, the lower the cooling temperature of the terahertz electromagnetic wave generation source, the more stable the coherent plasmon is generated and the longer the duration.

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。   The terahertz electromagnetic wave generation source of the present invention is a terahertz electromagnetic wave generation source that generates a terahertz electromagnetic wave by irradiating an ultrashort pulse laser, and at least three layers of P-type semiconductor layers and N-type semiconductor layers are alternately stacked. This is a configuration having a semiconductor stacked structure. This produces an effect that the terahertz electromagnetic wave can be generated for a long time with a simple configuration.

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。It is a schematic block diagram of a terahertz electromagnetic wave generation source according to an embodiment of the present invention. 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。It is a schematic sectional drawing of the nip laminated body in the terahertz electromagnetic wave generation source shown in FIG. 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。It is a graph which shows the relationship between reflectance change and time obtained by using the nipi laminated body shown in FIG. 2 as a semiconductor sample. 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。3 is a graph showing the relationship between signal intensity and frequency obtained using the nip laminate shown in FIG. 2 as a semiconductor sample. 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。It is a graph which shows the relationship between reflectance change and time obtained by using the nipi laminated body shown in FIG. 2 as a semiconductor sample. 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。It is a schematic block diagram of the nondestructive inspection apparatus provided with the terahertz electromagnetic wave generator which has the terahertz electromagnetic wave generation source shown in FIG.

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。   An embodiment according to the present invention will be described as follows.

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。   The terahertz electromagnetic wave generation source according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS.

<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。
<Terahertz electromagnetic wave source structure>
As shown in FIG. 1, the terahertz electromagnetic wave generation source 101 has a structure in which a nip stack 110 in which three or more semiconductor layers made of GaAs are stacked is stacked on a Si substrate 130 via a buffer layer 120. .

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。   In the terahertz electromagnetic wave generation source 101, the surface opposite to the contact surface with the buffer layer 120 in the nip laminate 110 is a pulse laser incident surface 101 a, and the contact surface with the buffer layer 120 in the Si substrate 130. The surface on the opposite side is a terahertz electromagnetic wave emitting surface 101b.

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。   In the above configuration, the essential structure for generation of the terahertz electromagnetic wave is the nip laminate 110. Moreover, the nipi laminate 110 can generate the terahertz electromagnetic wave continuously for a long time compared to the conventional terahertz electromagnetic wave generation source (the semiconductor layer has a single layer structure). This mechanism will be described below.

<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。
<Nipi laminate>
The nip stack 110 is formed by epitaxially growing GaAs, which is a semiconductor material, on the buffer layer 120. In the present embodiment, the nip laminate 110 is
As shown in FIG. 2, 20 sets are formed by laminating four layers of an N-type semiconductor layer 1, an I layer 3, a P-type semiconductor layer 2, and an I layer 3.

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。   The N-type semiconductor layer 1 is formed by doping Be as an impurity into GaAs epitaxially grown to a layer thickness of 10 nm. Thereby, in the N-type semiconductor layer 1, when an ultrashort pulse laser is irradiated from the outside, electrons are diffused inside to generate coherent plasma oscillation (coherent plasmon).

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。   The P-type semiconductor layer 2 is formed by doping Si as an impurity into GaAs epitaxially grown to a layer thickness of 10 nm. Thereby, in the P-type semiconductor layer 2, when an ultrashort pulse laser is irradiated from the outside, holes are diffused inside to generate coherent plasma oscillation (coherent plasmon).

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。   The I layer 3 is a GaAs layer epitaxially grown to a thickness of 10 nm on the N-type semiconductor layer 1 or the P-type semiconductor layer 2, but is not doped with impurities. The I layer 3 is formed when switching from the N-type semiconductor layer 1 to the P-type semiconductor layer 2 or when switching from the P-type semiconductor layer 2 to the N-type semiconductor layer 1. That is, the I layer 3 is formed while switching the type of impurities doped in the semiconductor layer. Therefore, the thickness of the I layer 3 can be adjusted or eliminated by adjusting the switching time.

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。   In the nip stacked body 110 having the above-described configuration, 20 sets are stacked with the four layers of the N-type semiconductor layer 1, the I-layer 3, the P-type semiconductor layer 2, and the I-layer 3 as one set. The N-type semiconductor layer 1 or the P-type semiconductor layer 2 other than the semiconductor layer 1 or the P-type semiconductor layer 2 has a structure sandwiched between semiconductor layers having different polarities.

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。   For example, the N-type semiconductor layer 1 is sandwiched between the P-type semiconductor layers 2, and conversely, the P-type semiconductor layer 2 is sandwiched between the N-type semiconductor layers 1. For this reason, the electron layer inside the N-type semiconductor layer 1 is sandwiched between the hole layers of the two P-type semiconductor layers 2, and a certain electric field strength is formed between the P-type semiconductor layers 2. An electric field having the following characteristic is formed, and electrons can stably oscillate in the electric field. That is, the coherent plasmon duration due to the diffusion of electrons inside the N-type semiconductor layer 1 can be increased. Similarly, the hole layer inside the P-type semiconductor layer 2 is sandwiched between two electron layers of the N-type semiconductor layer 1, and a certain electric field strength is formed between the N-type semiconductor layers 1. Thus, holes can be stably vibrated in the electric field. That is, the coherent plasmon duration due to the diffusion of holes inside the P-type semiconductor layer 2 can be increased.

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。   By irradiating the nipi stack 110 with an ultrashort pulse laser having a pulse width of about 100 femtoseconds or less as a plasma wave having the same phase, the period of the coherent plasmon is in the terahertz band (30 μm to 3 mm wavelength). Is equal to the period. Therefore, it means that terahertz electromagnetic waves are generated from the nip laminate 110.

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。   Here, the period of coherent plasmon changes according to the impurity concentration (doping concentration) doped in the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2. If the impurity concentration is high, the movement of electrons or holes in the semiconductor layer becomes active, the period of coherent plasmons is shortened, and if the impurity concentration is low, the movement of electrons or holes in the semiconductor layer is reduced. Since the period of coherent plasmon becomes long, the frequency of the terahertz electromagnetic wave increases when the impurity concentration is increased, and the frequency of the terahertz electromagnetic wave decreases when the impurity concentration is decreased. Therefore, the frequency of the terahertz electromagnetic wave can be easily adjusted by changing the impurity concentration of the semiconductor layer.

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。   Here, in the nip laminated body 110 having the above configuration, coherent plasma oscillation (coherent plasmon) is performed at a frequency represented by the following formula.

Figure 2012023134
Figure 2012023134

上記式でω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。 In the above equation, ω p is the plasma frequency (frequency of the terahertz electromagnetic wave), e is the elementary charge, n is the electron or hole concentration, ε is the dielectric constant of the semiconductor, and m * is the effective mass of the electron or hole. is there.

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。   Therefore, it can be seen from the above formula that the frequency of the terahertz electromagnetic wave increases as the value of n indicating the electron or hole concentration in the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 increases.

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。   In addition, since the terahertz electromagnetic wave is generated from the semiconductor layer sandwiched between the semiconductor layers in the nip multilayer body 110 as described above, the signal intensity of the terahertz electromagnetic wave is increased as much as the number of stacked semiconductor layers is increased. Can do.

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。   Therefore, in order to set the signal intensity of the terahertz electromagnetic wave to a necessary value, it is only necessary to adjust the number of stacked semiconductor layers in the nip stacked body 110.

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。   Further, according to the terahertz electromagnetic wave generation source 101 having the above-described configuration, the coherent plasmon vibration is stably maintained in the semiconductor layer, so that the generated terahertz electromagnetic wave has high monochromaticity.

<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。
<Each condition for generation of terahertz electromagnetic waves>
In order to generate a terahertz electromagnetic wave, an ultrashort pulse laser that irradiates the terahertz electromagnetic wave generation source 101 will be discussed.

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。   Here, as the semiconductor sample, the above-described nip stack 110 is used, and the thickness of the buffer layer 120 is 500 nm. Incidentally, the layer thickness of the nip multilayer body 110 is (10 + 10 + 10 + 10) × 20 = 800 nm as 20 sets of four layers of the N-type semiconductor layer 1, the I-layer 3, the P-type semiconductor layer 2, and the I-layer 3.

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。 The doping concentration in the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 in the nip stack 110 is set to 3.0 × 10 17 cm −3 .

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。   Furthermore, the environmental temperature for measuring coherent plasmon vibration in the semiconductor sample is set to 8 k (Kelvin).

励起光子エネルギーは、1.520evであり、励起強度は、0.028〜0.552uJ/cmである。 The excitation photon energy is 1.520 ev and the excitation intensity is 0.028 to 0.552 uJ / cm 2 .

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。   The pulse laser to be irradiated is an ultrashort pulse laser having a pulse width of 100 femtoseconds or less, and the semiconductor sample is irradiated by changing the output value to three types of 1 mW, 10 mW, and 20 mW.

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。   The relationship between the reflectance of the pulse laser by the semiconductor sample and the time obtained as a result is the graph shown in FIG.

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。   From the results shown in FIG. 3, it can be seen that when a pulse laser with output values of 10 mW and 20 mW is irradiated, the reflectance change from the semiconductor sample continues for 40 psec or more. However, the degree of amplitude of the change in reflectance increases as the output value of the pulse laser increases. That is, the degree of amplitude of the change in reflectance when a pulse laser with an output value of 20 mW is used is greater than the degree of amplitude of the change in reflectance when a pulse laser with an output value of 10 mW is used. . This is because electrons or holes in the semiconductor layer vibrate more actively as the output value of the pulse laser increases.

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。   From the results shown in FIG. 3, the degree of amplitude of the change in reflectivity when a pulse laser with an output value of 1 mW is used is hardly seen. That is, it can be seen that with a pulse laser with an output value of 1 mW, coherent plasmons that can generate terahertz electromagnetic waves cannot be obtained, or even if they are generated, they cannot be detected by a detector. This is clear from the results shown in FIG.

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。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between signal intensity and frequency between 1.0 and 100 psec. In FIG. 4, the result of examining the signal intensity of each frequency by Fourier transforming the reflectance in the graph shown in FIG. 3 is shown as a graph. FIG. 4 shows only the peak (low frequency side) of the terahertz electromagnetic wave caused by the P-type semiconductor layer.

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。   From the results shown in FIG. 4, when the output value of the pulse laser is 10 mW and 20 mW, a signal intensity peak is observed between 1.0 and 2.0 THz, but when the output value of the pulse laser is 1 mW, the signal intensity peak is obtained. It can be seen that is hardly seen.

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。   As described above, from FIG. 3 and FIG. 4, in order to generate a terahertz electromagnetic wave, an output value of 1 mW is insufficient as an ultrashort pulse laser to be irradiated to a terahertz electromagnetic wave generation source, and a value larger than 1 mW is required. In particular, it was found that a value of 10 mW or more is necessary.

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。   When the semiconductor sample at room temperature is irradiated with an ultrashort pulse laser, coherent plasmon can be generated, but the duration is extremely short. On the other hand, when the ultrashort pulse laser is irradiated in a state where the semiconductor sample is cooled to a temperature lower than room temperature, the duration of the coherent plasmon is extended. This is because the lower the temperature of the semiconductor, the more the carrier scattering due to lattice vibration is suppressed, and the carrier scattering due to impurities and lattice defects that are not ionized can be suppressed. Therefore, in order to maintain the coherent plasmon for a long time, it is necessary to irradiate the ultrashort pulse laser with the semiconductor sample cooled as much as possible.

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。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the reflectance of the pulse laser by the semiconductor sample and time due to the difference in temperature of the semiconductor sample.

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。   From the result shown in FIG. 5, it can be seen that when the temperature of the terahertz electromagnetic wave generation source is lower than 130 k (Kelvin), the coherent plasmon lasts for a long time of 40 psec or more. As described above, in the terahertz electromagnetic wave generation source (semiconductor sample) having the above configuration, in order to generate the terahertz electromagnetic wave for a long time, the temperature of the terahertz electromagnetic wave generation source (semiconductor sample) needs to be considerably lower than room temperature. It turns out that it is.

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。
The following three types of cooling methods for the semiconductor sample are conceivable. The semiconductor sample can be cooled to 200 k (Kelvin) or less by any of the following cooling methods (1) to (3).
(1) Use a fan. In this case, the wind generated by the fan is applied to the semiconductor sample. In this method, it can cool to about 200 k (Kelvin).
(2) Use liquid nitrogen. In this case, the semiconductor sample is covered with liquid nitrogen. In this method, it can be cooled to about 77 k (Kelvin).
(3) A Peltier element is used. In this case, the Peltier device is brought into contact with the semiconductor sample and cooled. In this method, it is possible to cool to 150 k (Kelvin).

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。   Although any of the above cooling methods can generate carrier coherent plasmons in the terahertz electromagnetic wave generation source 101, the temperature of the terahertz electromagnetic wave generation source 101 is 130 k (Kelvin) or less in order to maintain the coherent plasmons for a long time. It is preferable to cool it down. Therefore, the method (2) is preferable as the cooling method.

<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。
<Description of each effect by the terahertz electromagnetic wave generation source configured as described above>
In the terahertz electromagnetic wave generation source 101 having the above-described configuration, the case where GaAs (gallium arsenide) is used as a semiconductor material for both the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 constituting the nip stack 110 has been described. In addition to GaAs, InAs, GaSb, and InSb can be used.

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。   Here, regardless of which semiconductor material is used, if the nipi stack 110 is irradiated with an ultrashort pulse laser having a wavelength shorter than the band gap energy of the semiconductor material, the coherent plasmon vibrates for a long time. As a result, terahertz electromagnetic waves can be generated for a long time.

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。   At this time, if the band gap energy of the semiconductor material is the same as the wavelength of the ultrashort pulse laser, the loss of carriers can be suppressed by suppressing the in-band relaxation due to lattice vibration. As a result, the coherent plasmon The vibration intensity increases. That is, it is preferable to use an ultrashort pulse laser having a wavelength as close as possible to the band gap energy of the semiconductor material.

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。   Therefore, in this embodiment using GaAs as the semiconductor material, titanium sapphire having an ultrashort pulse laser wavelength of 800 nm is used as the laser source. As the semiconductor material, InAs, GaSb, and InSb, which have a lighter effective mass than GaAs, have a lower band gap energy than GaAs. Therefore, using an ultrashort pulse laser having a wavelength longer than 800 nm can reduce the vibration intensity of coherent plasmons. Necessary to secure.

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。   In the terahertz electromagnetic wave generation source 101, the N-type semiconductor layer 1, the P-type semiconductor layer 2, and the I layer 3 all use the same GaAs. That is, the same semiconductor material is used. Thus, when the same semiconductor material is used, it is not necessary to change the semiconductor material when stacking semiconductor layers in the manufacturing process. Further, if the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 are the same semiconductor material, there is also an advantage that the impurity with a required concentration can be easily doped.

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。   Further, in the terahertz electromagnetic wave generation source 101 having the above-described configuration, the I layer 3 is provided between the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 in the nip laminate 110. Although the I layer 3 is not an essential component as described above, the duration of the coherent plasmon can be easily adjusted by adjusting the thickness of the I layer 3.

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。   For example, if the thickness of the I layer 3 is reduced, the electric field formed between the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 becomes stronger, so that the vibration of electrons or holes can be stably maintained. it can. That is, as the thickness of the I layer 3 becomes thinner, the electric field becomes stronger, and the vibration of electrons or holes is stably maintained, so that the duration of the coherent plasmon becomes longer.

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。   On the other hand, if the thickness of the I layer 3 is increased, the electric field formed between the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 is weakened, so that the vibration of electrons or holes is stably maintained. It becomes difficult to let you. That is, as the thickness of the I layer 3 is increased, the electric field is weakened, and the oscillation of electrons or holes is not stably maintained, so that the coherent plasmon duration is shortened.

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。   For example, in the nip laminate 110, the thickness of the I layer 3 is 10 nm. However, when the thickness is 30 nm, the electric field formed between the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 is weakened. The Coulomb force acting on the carriers of the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 is about 1/10 of the Coulomb force when the thickness of the I layer 3 is 10 nm. As a result, the vibration of electrons or holes is stabilized. The duration of coherent plasmons is shortened because they no longer last.

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。   Furthermore, if the thickness of the I layer 3 is increased to 300 nm, the Coulomb force acting on the carriers of the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2 becomes about 1/100 of the Coulomb force when the thickness of the I layer 3 is 10 nm. The vibration of electrons or holes becomes unstable, and the duration of coherent plasmons becomes extremely short.

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。   Therefore, if the thickness of the I layer 3 in the nip laminate 110 is made as thick as 300 nm, the effect of sustaining coherent plasmons may not be obtained, so the thickness of the I layer 3 is made thinner than 300 nm. Is preferred.

<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。
<Non-destructive inspection equipment>
A nondestructive inspection apparatus using the terahertz electromagnetic wave generation source 101 having the above configuration will be described below with reference to FIG.

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。   As shown in FIG. 6, the nondestructive inspection apparatus includes a terahertz electromagnetic wave generator 100 and a detector 200 arranged in the direction in which the terahertz electromagnetic wave is emitted from the terahertz electromagnetic wave generator 100. This is an apparatus that performs a destructive inspection by irradiating a test object 300 disposed between the generator 100 and the detector 200 with a terahertz electromagnetic wave.

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。   The terahertz electromagnetic wave generation apparatus 100 includes the above-described terahertz electromagnetic wave generation source 101 and a laser apparatus 102 that generates a pulse laser that irradiates the terahertz electromagnetic wave generation source 101.

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。   The laser device 102 generates an ultrashort pulse laser having a pulse width of 100 femtoseconds or less.

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。   Since the terahertz electromagnetic wave generation device 100 having the above-described configuration includes the nip stack 110 in the terahertz electromagnetic wave generation source 101, the terahertz electromagnetic wave is continuously generated for 40 picoseconds (ps) to 100 picoseconds (ps). be able to.

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。   Here, in order to avoid interference of terahertz electromagnetic waves, it is necessary to set the irradiation interval of the ultrashort pulse laser to 12.5 nanoseconds (nsec). For this reason, since the duration of generation of terahertz electromagnetic waves is as short as 2 picoseconds (ps) to 3 picoseconds (ps) by one pulse of an ultrashort pulse laser as in the conventional case, the laser irradiation interval is 12.5 nanometers. During the second (ns), the terahertz electromagnetic wave is generated only for 2 to 3 periods.

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。   However, according to the terahertz electromagnetic wave generating apparatus 100 having the above-described configuration, the generation duration of the terahertz electromagnetic wave is as long as 40 picoseconds (ps) to 100 picoseconds (ps) by one pulse of the ultrashort pulse laser. Terahertz electromagnetic waves are generated for 40 to 100 cycles or more during 12.5 nanoseconds.

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。   Therefore, it takes a very long time to obtain a necessary amount of terahertz electromagnetic waves. In other words, as in the present invention, when the terahertz electromagnetic wave is generated for 40 to 100 periods in 12.5 nanoseconds (ns), the time required for the inspection and observation using the terahertz electromagnetic wave becomes longer. Arise. For example, the observation time by the terahertz electromagnetic wave can be significantly shortened as compared with the case where the terahertz electromagnetic wave is generated only for 2 to 3 periods during the laser irradiation interval of 12.5 nanoseconds (ns).

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。   Thereby, according to said nondestructive inspection apparatus, since it becomes possible to continuously irradiate the to-be-inspected object 300 with the terahertz electromagnetic wave for a long time, the inspection time with respect to the to-be-inspected object can be shortened.

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。   In the nondestructive inspection apparatus, the frequency of the terahertz electromagnetic wave according to the type of the object to be inspected 300 can be easily changed. For example, a terahertz electromagnetic wave generation source 101 that generates a terahertz electromagnetic wave having a frequency corresponding to the type of the object to be inspected is prepared, and the terahertz electromagnetic wave generation device 100 uses the terahertz electromagnetic wave generation source 101 corresponding to the type of the object 300 to be inspected. Replace it.

<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。
<Terahertz electromagnetic wave peak detection suppression on the high frequency side>
In the terahertz electromagnetic wave generation device 100, the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave generation source 101 has peaks detected on the low frequency side and the high frequency side. This is due to the difference in carriers in the N-type semiconductor layer 1 and the P-type semiconductor layer 2. In other words, since the effective mass of electrons that are carriers of the N-type semiconductor layer 1 is smaller than that of holes that are carriers of the P-type semiconductor layer 2, the peak of the terahertz electromagnetic wave generated from the N-type semiconductor layer 1 is detected on the high frequency side. On the contrary, the peak of the terahertz electromagnetic wave generated from the P-type semiconductor layer 2 is detected on the low frequency side.

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。   Here, if the pulse width of the ultrashort pulse laser irradiated to the terahertz electromagnetic wave generation source 101 is narrower than one period at the peak frequency on the high frequency side, two peaks on the low frequency side and the high frequency side can be detected. . On the other hand, if the pulse width of the ultrashort pulse laser applied to the terahertz electromagnetic wave generation source 101 is wider than one period at the peak frequency on the high frequency side, the peak on the high frequency side cannot be detected. Only the peak on the low frequency side is detected.

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。   Therefore, when detecting only the low frequency side peak among the terahertz electromagnetic waves generated from the terahertz electromagnetic wave generation source 101, the pulse width of the ultrashort pulse laser is set to be the same as that of the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave generation source 101. It is set to a value not longer than one cycle on the low frequency side of the frequency showing two types of peaks and longer than one cycle on the high frequency side. This setting is performed in the laser device 102.

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。   As described above, by adjusting the pulse width of the ultrashort pulse laser as necessary, the peak on the high frequency side of the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave generation source 101 may be detected or may not be detected. it can.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

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。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for fields and devices that use terahertz electromagnetic waves, and is particularly useful as an alternative light beam for X-rays, so that it can be used for the field of observing the internal structure of substances that do not contain water. .

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 N type semiconductor layer 2 P type semiconductor layer 3 I layer 100 Terahertz electromagnetic wave generator 101 Terahertz electromagnetic wave source 102 Laser apparatus 110 nipi laminated body (semiconductor laminated structure)
120 Buffer layer 130 Si substrate 200 Detector 300 Inspected object

Claims (7)

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。
A terahertz electromagnetic wave source that generates a terahertz electromagnetic wave by irradiating an ultrashort pulse laser,
A terahertz electromagnetic wave generation source having a semiconductor stacked structure in which at least three N-type semiconductor layers and P-type semiconductor layers doped with impurities are alternately stacked.
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。   2. The terahertz electromagnetic wave generation source according to claim 1, wherein an I layer not doped with impurities is formed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer. 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。   The terahertz electromagnetic wave generation source according to claim 2, wherein each of the N-type semiconductor layer, the I-layer, and the P-type semiconductor layer is formed of the same semiconductor material. 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。
The terahertz electromagnetic wave generation source according to any one of claims 1 to 3,
A terahertz electromagnetic wave generation apparatus comprising: a laser irradiation apparatus that irradiates the terahertz electromagnetic wave source with an ultrashort pulse laser.
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。   5. The terahertz electromagnetic wave generation device according to claim 4, wherein a wavelength of the ultrashort pulse laser is shorter than a band gap energy of a semiconductor layer constituting the terahertz electromagnetic wave generation source. 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。
The laser irradiation device is
The pulse width of the ultrashort pulse laser is set to a value not longer than one cycle on the low frequency side and longer than one cycle on the high frequency side, showing the two types of peaks of the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz electromagnetic wave generation source. The terahertz electromagnetic wave generator according to claim 4, wherein the terahertz electromagnetic wave generator is set.
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。   The terahertz electromagnetic wave generation device according to any one of claims 4 to 6, wherein the terahertz electromagnetic wave generation source is cooled to 130 k (Kelvin) or less.
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