JP2014102233A - 電磁波計測装置および電磁波計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波を簡便に計測する。
【解決手段】本発明による電磁波計測装置（１００）は、ＰＮ接合構造を有する半導体素子（１０）と、半導体素子（１０）のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波の入射された半導体素子（１０）において、電磁波の電界強度に応じた半導体素子（１０）の変化を測定する測定部（２０）とを備える。電磁波は３０μｍよりも長い波長を有していることが好ましく、また、測定部（２０）は室温下であっても電磁波を測定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波計測装置および電磁波計測方法に関する。

電磁波は対象物の観察に用いられる。例えば、周波数１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ、波長３０μｍ〜３ｍｍの範囲の電磁波はテラヘルツ（ＴＨｚ）の電磁波とも呼ばれ、このような電磁波は、プラスチック、布および紙等を透過し、物質固有の吸収スペクトルを有している。このため、テラヘルツの電磁波を利用した物性分析および検査等が、現在検討されている。また、非破壊で成分を分析できるため、従来の内部透視手段（Ｘ線、超音波他）に替わる新たな内部透視手段として期待されている。例えば、テロ対策や犯罪対策として、手荷物検査における爆発物（プラスチック爆弾、引火性液体他）、または、郵便封書内の禁止薬物（麻薬、覚醒剤他）といった従来の検査では検出不可能であった測定対象に対して、特徴的なテラヘルツ吸収を利用した分光イメージングの利用が提案されている。

テラヘルツの電磁波を計測する手法として、インコヒーレントな電磁波を計測する手法およびコヒーレントな電磁波を計測する手法がある。インコヒーレントな電磁波は、例えば、ボロメータ、ゴレイセル、パイロメータ等で計測される。しかしながら、これらの計測手法では、電磁波を熱に変換して計測するため、周囲の環境に影響を受けやすく、適切な計測が困難である。

一方、コヒーレントな電磁波を計測する手法として、例えば、電気光学サンプリング（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）や、光電導アンテナ（Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ａｎｔｅｎｎａ：ＰＣＡ）などの手法が知られている（特許文献１、２参照）。電気光学サンプリングでは、電磁波を電気光学結晶に入射して結晶の複屈折を誘起し、電磁波によって誘起された複屈折による影響を、短光パルス（プローブ光）を用いて測定することにより、電磁波を計測する。また、光電導アンテナでは、光伝導膜を短波パルス（プローブ光）で励起して光伝導膜中にキャリアを生成させ、電磁波を短波パルスと重なるタイミングで入射することにより、電磁波の強度に比例した電流を計測する。

特開２００１−１８５５９０号公報 特開２０１１−１１２６０２号公報

しかしながら、上述したコヒーレントな電磁波の計測手法では、いずれも、プローブ光の照射が必要である。このため、アライメントおよび同期が必要となり、装置が複雑になることがあった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁波を簡便に計測可能な電磁波計測装置および電磁波計測方法を提供することにある。

本発明による電磁波計測装置は、ＰＮ接合構造を有する半導体素子と、前記半導体素子のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波の入射された前記半導体素子において、前記電磁波の電界強度に応じた前記半導体素子の変化を測定する測定部とを備える。

ある実施形態において、前記電磁波は３０μｍよりも長い波長を有している。

ある実施形態において、前記測定部の測定は室温下で行われる。

ある実施形態において、前記電磁波計測装置は、前記ＰＮ接合構造に対して順バイアス電圧を印加する電圧印加部をさらに備える。

ある実施形態において、前記測定部は、前記ＰＮ接合構造からの発光の強度を測定する。

ある実施形態において、前記測定部は、前記ＰＮ接合構造を流れる電流の変化を測定する。

ある実施形態において、前記半導体素子の前記ＰＮ接合構造はアレイ状に配列されている。

本発明による電磁波計測方法は、ＰＮ接合構造を有する半導体素子を用意する工程と、前記半導体素子のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波の入射された前記半導体素子において、前記電磁波の電界強度に応じた前記半導体素子の変化を測定する工程とを包含する。

ある実施形態において、前記測定する工程では、前記電磁波は３０μｍよりも長い波長を有している。

ある実施形態において、前記測定する工程では、前記測定は室温下で行われる。

ある実施形態において、前記測定する工程は、前記ＰＮ接合構造に対して順バイアス電圧を印加する工程を含む。

ある実施形態において、前記測定する工程では、前記ＰＮ接合構造からの発光の強度を測定する。

ある実施形態において、前記測定する工程では、前記ＰＮ接合構造を流れる電流の変化を測定する。

ある実施形態において、前記用意する工程では、前記半導体素子の前記ＰＮ接合構造はアレイ状に配列されている。

本発明によれば、電磁波を簡便に計測できる。

本発明による電磁波計測装置の実施形態を示す模式図である。 本実施形態の電磁波計測装置の模式図である。 （ａ）は本実施形態の電磁波計測装置の模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した電磁波計測装置における半導体素子の電場変化を示すグラフである。 本実施形態の電磁波計測装置の模式図である。 本実施形態の電磁波計測装置による電磁波の計測を説明するための模式図である。 （ａ）は図５において用いたＬＥＤに印加したパルスを模式的に示すグラフであり、（ｂ）および（ｃ）は図５において用いたＬＥＤの応答特性を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、図５に示した電磁波計測装置における測定結果を示す像である。 （ａ）は図５に示した電磁波計測装置における電磁波の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は電磁波の電界強度に応じたＤＣバイアス電圧に対する発光強度を示すグラフである。 本実施形態の電磁波計測装置の模式図である。

以下、図面を参照して本発明による電磁波計測装置および電磁波計測方法の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。

図１に、本実施形態の電磁波計測装置１００の模式図を示す。電磁波計測装置１００は、半導体素子１０と、測定部２０とを備えている。

半導体素子１０はＰＮ接合構造を有している。半導体素子１０は、ｐ型半導体層１０ｐおよびｎ型半導体層１０ｎを有している。ｐ型半導体層１０ｐには正孔（ホール）ｈが存在しており、ｎ型半導体層１０ｎには電子ｅが存在している。ｐ型半導体層１０ｐとｎ型半導体層１０ｎとの境界には、ｎ型半導体層１０ｎからｐ型半導体層１０ｐに向かう拡散電位Ｄが形成されている。半導体素子１０は、例えば、ＧａＮ、または、ＧａＡｌＡｓから形成されている。例えば、半導体素子１０として発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）が用いられる。

測定部２０は、半導体素子１０のＰＮ接合構造に入射した電磁波Ｅの電界強度に応じた半導体素子１０の変化を測定する。半導体素子１０のＰＮ接合構造に電磁波Ｅが入射すると、半導体素子１０のＰＮ接合構造内のｎ型半導体層１０ｎ内の電子ｅは、電磁波Ｅの電場にしたがって加速され、ｐ型半導体層１０ｐ内にあった正孔ｈと再結合し、半導体素子１０に変化が生じる。このときの半導体素子１０の変化量は電磁波Ｅの電界強度に比例する。測定部２０は半導体素子１０の変化を測定する。測定部２０は、室温下であっても電磁波Ｅを測定できる。

図２に示すように、測定部２０は、一例として、ＰＮ接合構造からの発光の強度を測定してもよい。例えば、測定部２０として、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）が用いられる。半導体素子１０のＰＮ接合構造に電磁波Ｅが入射されると、ＰＮ接合構造内のｎ型半導体層１０ｎ内の電子ｅは、電磁波Ｅの電場に応じて加速され、ｐ型半導体層１０ｐ内の正孔ｈと再結合する。電子ｅが正孔ｈと再結合する際に、ＰＮ接合構造から発光が生じる。半導体素子１０からの発光の強度は電磁波Ｅの電界強度に比例する。あるいは、図４を参照して後述するように、測定部２０は、電磁波Ｅの入射に応じた半導体素子１０を流れる電流の変化を測定してもよい。

例えば、電子ｅと正孔ｈとを再結合させるためには、電磁波Ｅの電界強度は比較的高いことが好ましく、電磁波Ｅの電界強度が１００ｋＶ／ｍを超えていることが好ましい。しかしながら、半導体素子１０および測定部２０の感度および／または効率を高くできれば、電磁波Ｅの電界強度はそれほど高くなくてもよい。

本実施形態の電磁波計測装置１００では、半導体素子１０のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波の入射された半導体素子１０において、電磁波Ｅの電界強度に応じた半導体素子１０の変化を測定する。このため、電磁波計測装置１００は、プローブ光を用いることなく、コヒーレントな電磁波Ｅを低コストで計測できる。なお、電磁波のフォトンエネルギーが半導体素子のバンドギャップエネルギーよりも大きい場合（例えば、電磁波の波長が比較的短い場合）、半導体素子に電磁波が入射すると、電磁波のフォトンエネルギーによってｎ型半導体層内の電子が励起されてしまい、半導体素子の変化が生じることになる。なお、この場合、電磁波の電界強度に応じた半導体素子の変化が生じていたとしても、実質的には、電磁波のフォトンエネルギーに起因する半導体素子の変化量が大きいため、電磁波の電界強度に応じた半導体素子の変化を測定することが困難である。これに対して、本実施形態の電磁波計測装置１００では、半導体素子１０には、半導体素子１０のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波が入射されるため、測定部２０は、フォトンエネルギーによる励起ではなく、電磁波Ｅの電界強度に応じた半導体素子１０の変化を測定できる。

また、例えば、電磁波の周波数がＴＨｚのオーダである場合、電磁波のフォトンエネルギーはｍｅＶのオーダである。このため、電磁波のフォトンエネルギーによって励起させた素子の変化を検出しようとする場合、このような素子はノイズの影響を受けやすく、計測装置を冷却しなければ、電磁波を適切に計測することが困難である。これに対して、本実施形態の電磁波計測装置１００によれば、電磁波Ｅの電界強度に応じた半導体素子１０の変化を測定するため、室温下であっても、電磁波Ｅを適切に計測することができる。

本実施形態の電磁波計測装置１００は、電磁波Ｅとしてミリ波から遠赤外波までの広範囲の電磁波を計測可能である。なお、一般的な計測装置では、波長３０μｍよりも長い電磁波Ｅを簡単には計測できないため、電磁波計測装置１００は、波長３０μｍよりも長い電磁波Ｅの計測に好適に用いられる。波長３０μｍの電磁波Ｅのエネルギーは約４１．４ｍｅＶに相当する。例えば、半導体素子１０がＧａＮから形成されている場合、バンドギャップエネルギーは約３．４ｅＶであり、また、ＧａＡｌＡｓから形成されている場合、バンドギャップエネルギーは約１．５〜２．５ｅＶである。なお、電磁波計測装置１００は、バンドギャップの比較的大きい半導体素子１０を用いた上で、波長の比較的短い電磁波（例えば、赤外光や可視光）を計測してもよい。

上述したように、電磁波の電界強度が比較的弱い場合、電磁波が半導体素子に入射しただけでは、電子の加速が十分ではなく、半導体素子内の電子と正孔との再結合が生じず、半導体素子の特性が変化しないことがある。しかしながら、この場合も、電磁波Ｅが入射する前に、半導体素子１０に電圧を印加しておくことにより、測定部２０は、半導体素子１０の変化に基づいて電磁波Ｅを計測できる。

図３（ａ）に、本実施形態の電磁波計測装置１００の模式図を示す。本実施形態の電磁波計測装置１００は、ＰＮ接合構造に対して順バイアス電圧を印加する電圧印加部３０をさらに備える点を除いて図２を参照して上述した電磁波計測装置１００と同様の構成を有しており、冗長を避ける目的で重複する記載を省略する。

本実施形態の電磁波計測装置１００において、電圧印加部３０は、半導体素子１０に電圧を印加する。半導体素子１０のｎ型半導体層１０ｎ側には電極３０ｎが陰極として設けられており、半導体素子１０のｐ型半導体層１０ｐ側には電極３０ｐが陽極として設けられている。電圧印加部３０は、半導体素子１０に対して電極３０ｐから電極３０ｎに向かう一定の電圧を印加する。この電圧は、電磁波Ｅが入射しないと仮定した場合に、半導体素子１０に印加しても、半導体素子１０の変化が生じないが、さらに若干の電圧を加えたと仮定すると、半導体素子１０の変化が生じるような電圧である。このような電圧はＤＣバイアス電圧とも呼ばれる。ＤＣバイアス電圧は、半導体素子１０の拡散電位Ｄを打ち消すように印加される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した電磁波計測装置１００において、電圧印加部３０がＤＣバイアス電圧を半導体素子１０に印加した状態で半導体素子１０に電磁波Ｅが入射した場合の半導体素子１０の電場変化を模式的に示したグラフである。ＤＣバイアス電圧が印加された状態で半導体素子１０に電磁波Ｅが入射されることにより、電磁波Ｅの電界強度が比較的弱くても、測定部２０は半導体素子１０の変化（ここでは、半導体素子１０からの発光）を測定できる。

なお、図２および図３を参照して説明した電磁波計測装置１００では、測定部２０は、電磁波に応じた半導体素子１０からの発光の強度に基づいて電磁波Ｅを測定したが、本発明はこれに限定されない。測定部２０は、電磁波Ｅの電界強度に応じて半導体素子１０の流れる電流を測定してもよい。

図４に、本実施形態の電磁波計測装置１００の模式図を示す。本実施形態の電磁波計測装置１００でも、半導体素子１０のｐ型半導体層１０ｐに電極３０ｐが取り付けられており、半導体素子１０のｎ型半導体層１０ｎに電極３０ｎが取り付けられており、電極３０ｐ、３０ｎは電圧印加部３０に接続されている。ここでは特に限定されないが、電圧印加部３０は、図３を参照して上述したように、半導体素子１０に対して順方向に電圧を印加することが好ましい。

本実施形態の電磁波計測装置１００では、電圧印加部３０から半導体素子１０に電圧を印加するための配線に、測定部２０として直流電流計が設けられている。半導体素子１０に電磁波Ｅが入射すると、半導体素子１０のｎ型半導体層１０ｎの電子ｅが加速され、半導体素子１０の抵抗が変化し、電流量が変化する。半導体素子１０を流れる電流の変化量は、電磁波Ｅの電界強度に応じて異なるため、直流電流計２０により、電磁波Ｅを計測できる。

以下に、図５〜図８を参照して、本実施形態の電磁波計測装置１００による電磁波の計測をより具体的に説明する。図５に、本実施形態の電磁波計測装置１００による電磁波の計測を説明するための模式図を示す。ここでは、半導体素子１０として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いており、図３を参照して上述したように、電圧印加部３０がＬＥＤ１０に順バイアス電圧を印加している。

図５に示した構成では、電磁波生成部１１０が、電磁波計測装置１００に対してＴＨｚの電磁波Ｅを照射する。電磁波生成部１１０は、レーザ光Ｌａを用いてＴＨｚの電磁波を生成する。例えば、レーザ光Ｌａは、チタンサファイアレーザから出射され、波長約８００ｎｍ、フェムト秒オーダの光である。例えば、レーザ光Ｌａのパルス幅は１００ｆｓである。

電磁波生成部１１０は、周波数ωのレーザ光ＬａをレンズＬ１で集光する過程において非線形光学結晶ＮＯを用いて２倍高調波を生成する。例えば、非線形光学結晶ＮＯとしてＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）が用いられる。

その後、レーザ光Ｌａおよび２倍高調波を混合させることにより、大気中でプラズマチャンネルＰＣを発生させる。プラズマチャンネルＰＣから、ＴＨｚの電磁波を含む電磁波が放出される。

プラズマチャンネルにおいて生成した電磁波のうち、ＴＨｚの電磁波を取り出す。具体的には、プラズマにおいて発生した電磁波のうちＴＨｚの電磁波は、ポリマーフィルタＰＬを通過し、軸外し放物面鏡ＯＡＰ（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ）にて方向を曲げられるとともに集光される。軸外し放物面鏡ＯＡＰの集光位置にはＬＥＤ１０が配置されている。

軸外し放物面鏡ＯＡＰからＬＥＤ１０に到達する前に、ＴＨｚの所定の電磁波Ｅを通過させるバンドパスフィルタＢＦが配置されている。ここでは、バンドパスフィルタＢＦはローパスフィルタである。

ここでは、電圧印加部３０としてデジタルジェネレータが用いられ、ＬＥＤ１０には、デジタルジェネレータ３０からＤＣバイアス電圧が印加される。例えば、ＬＥＤ１０として、株式会社東芝製の赤外ＬＥＤ ＴＬＮ１１０８を用いており、このＬＥＤ１０の立ち上がり時間、立ち下がり時間の標準値は１５ｎｓである。

上述した説明から理解されるように、ＬＥＤ１０に、ＴＨｚの電磁波Ｅが入射すると、ＬＥＤ１０から発光が生じる。この電磁波計測装置１００では、測定部２０として、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）を用いており、測定部２０は、ＬＥＤ１０からの発光を直接的に測定する。デジタルジェネレータ３０は、ＤＣバイアス電圧を印加するとともに、パルス状のレーザ光Ｌａと合わせてＣＣＤ２０が撮像を行うようにＣＣＤ２０をトリガする。

図５に示した構成で測定を行う前に、まず、ＬＥＤ１０の応答特性を測定した。ここで、図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照して、ＬＥＤ１０の応答特性を説明する。ＬＥＤ１０に対して、図６（ａ）に示すように、所定のＤＣバイアス電圧を印加した状態で、所定のパルス波を印加する。ここでは、パルス幅は５ｎｓから１０００ｎｓを超えるまで変化させる。ＤＣバイアス電圧に対する矩形パルス波の電圧は最大０．３Ｖである。

図６（ｂ）に、ＤＣバイアス電圧が０Ｖ、０．５７Ｖ、１．４８Ｖである場合のパルス幅に対するＬＥＤ１０の発光強度を示す。ＤＣバイアス電圧が０Ｖの場合、パルス幅が約３０ｎｓよりも広いとＬＥＤ１０は発光し、パルス幅が広くなるほどＬＥＤ１０の発光強度は増加し、パルス幅が３００ｎｓを超える付近でＬＥＤ１０の発光強度は飽和する。

ＤＣバイアス電圧が０．５７Ｖの場合、パルス幅が約５ｎｓよりも広いと、ＬＥＤ１０は発光し、パルス幅が広くなるほど、ＬＥＤ１０の発光強度は増加し、パルス幅が３００ｎｓを超える付近でＬＥＤ１０の発光強度は飽和する。また、ＤＣバイアス電圧が１．４８Ｖの場合、パルス幅が約５ｎｓであってもＬＥＤ１０は比較的強く発光しており、パルス幅が広くなるほどＬＥＤ１０の発光強度は増加し、パルス幅が３００ｎｓを超える付近でＬＥＤ１０の発光強度は飽和する。このように、ＬＥＤ１０において、ＤＣバイアス電圧が高いほど、パルス幅が狭くても発光する。

また、図６（ｂ）から理解されるように、ＤＣバイアス電圧が０Ｖの場合、パルス幅が狭くなるとともに発光強度が急激に低下する一方で、ＤＣバイアス電圧を印加する場合には、パルス幅が比較的狭くなっても、発光強度の低下をある程度抑制することができる。

さらに、図６（ｂ）から理解されるように、同一のＤＣバイアス電圧で比較する場合、パルス幅が約３００ｎｓよりも狭い場合、パルス幅が広いほどＬＥＤ１０の発光強度は高くなる。また、同一のパルス幅で比較する場合、ＤＣバイアス電圧が高いほどＬＥＤ１０の発光強度は高い。以上から、ＬＥＤ１０は、ナノ秒オーダのパルス幅を有する電磁波に対して応答することが理解される。

図６（ｃ）に、パルス幅が５ｎｓ、１０ｎｓ、２０ｎｓの場合のＤＣバイアス電圧に対するＬＥＤ１０の発光強度を示す。パルス幅が５ｎｓの場合、ＤＣバイアス電圧が１Ｖよりも高くなるとＬＥＤ１０は発光し、ＤＣバイアス電圧がさらに高くなるにつれてＬＥＤ１０の発光強度は増加する。ＤＣバイアス電圧が約２Ｖを超える付近でＬＥＤ１０の発光強度は飽和する。

パルス幅が１０ｎｓの場合、ＤＣバイアス電圧が約０．５Ｖよりも高くなるとＬＥＤ１０は発光し、ＤＣバイアス電圧がさらに高くなるにつれてＬＥＤ１０の発光強度は増加する。ＤＣバイアス電圧が約２Ｖを超える付近でＬＥＤ１０の発光強度は飽和する。

パルス幅が２０ｎｓの場合、ＤＣバイアス電圧が０ＶでもＬＥＤ１０は発光しており、ＤＣバイアス電圧が高くなるにつれてＬＥＤ１０の発光強度は増加し、ＤＣバイアス電圧が約２Ｖを超える付近でＬＥＤ１０の発光強度は飽和する。

なお、このような応答特性を有するＬＥＤ１０を用いた場合、ＤＣバイアス電圧を３．５Ｖ未満にすると、ＬＥＤ１０のみでは発光せず、ＬＥＤ１０の発光は電磁波Ｅが入射した場合に生じることになる。なお、ＤＣバイアス電圧が３．５Ｖ以上であると、電磁波Ｅの入射に関わらずＬＥＤ１０が発光するため、図６（ｃ）では、発光強度を示していない。ただし、この場合であっても、厳密には、比較的高いＤＣバイアス電圧を一定値で印加した状態で電磁波Ｅの入射前後のＬＥＤ１０の発光強度の差を求めることにより、電磁波Ｅの電界強度に応じたＬＥＤ１０の発光強度を測定できる。

図７（ａ）〜図７（ｄ）に、図５に示した構成において、異なるＤＣバイアス電圧に応じたＬＥＤ１０からの発光強度分布を示したＣＣＤ像を示す。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、ＤＣバイアス電圧をそれぞれ３．７８Ｖ、５．６１Ｖ、５．８１Ｖ、５．８３Ｖとした場合のＣＣＤ像である。

図７（ａ）〜図７（ｄ）の比較から理解されるように、ＤＣバイアス電圧が増加するほどＬＥＤ１０の発光強度は増加し、特に、ＤＣバイアス電圧が５．６〜５．８Ｖ付近では、ＤＣバイアス電圧のわずかな増加により、ＬＥＤ１０からの発光強度が大きく増加する。

図８（ａ）は、図７のＣＣＤ像における発光強度を示したグラフである。ＤＣバイアス電圧が３．７８Ｖ、５．６１Ｖ、５．８１Ｖおよび５．８３Ｖのそれぞれの場合の横方向に沿った画素の強度の積算結果を示す。図８（ａ）から明らかであるように、ＤＣバイアス電圧が３．７８Ｖの場合、発光強度はかなり低く、ＤＣバイアス電圧が５．６１Ｖ、５．６３Ｖおよび５．８３Ｖである場合、ＤＣバイアス電圧が大きいほど、発光強度が増大する。

図８（ｂ）は、電磁波の電界強度に応じたＤＣバイアス電圧に対する発光強度を示すグラフである。ここでは、電磁波Ｅが照射されない場合（電磁波Ｅの電界強度０）、電磁波Ｅの電界強度が０．４５ＭＶ／ｃｍ、０．７７ＭＶ／ｃｍの場合の発光強度を示す。図５を参照して上述したように、電磁波はレーザ光Ｌａから形成され、レーザ光Ｌａのエネルギーは電磁波Ｅの電界強度に対応する。ここでは、レーザ光Ｌａのエネルギーが１８ｍＪの場合、集光位置における電磁波Ｅの電界強度は０．４５ＭＶ／ｃｍとなり、また、レーザ光Ｌａのエネルギーが３０ｍＪの場合、集光位置における電磁波Ｅの電界強度は０．７７ＭＶ／ｃｍとなる。

電磁波Ｅの電界強度が０．４５ＭＶ／ｃｍの場合、ＤＣバイアス電圧の増加に対する発光強度の増加の割合は比較的小さく、電磁波Ｅの電界強度が０．７７ＭＶ／ｃｍの場合、ＤＣバイアス電圧の増加に対する発光強度の増加の割合は比較的大きい。このように、レーザ光の強度が比較的高い場合、ＤＣバイアス電圧の増加に対する発光強度の増加の割合は比較的大きくなる。以上のようにして、本実施形態の電磁波計測装置１０により、電磁場Ｅの電界強度に応じた半導体素子１０の変化を測定できることが確認された。

なお、上述した説明では、半導体素子１０は１か所で発光したが、本発明はこれに限定されない。半導体素子１０は複数個所で発光してもよい。

図９に、本実施形態の電磁波計測装置１００の模式図を示す。電磁波計測装置１００においてＰＮ接合構造を有する半導体素子１０がアレイ状に配列されている。例えば、アレイ状の半導体素子１０としてＬＥＤアレイが用いられ、アレイ状の測定部２０としてＣＣＤアレイが用いられる。各ＬＥＤからの発光強度は、ＣＣＤアレイの各画素が測定する。このように、半導体素子１０および測定部２０をアレイ状に設けることにより、電磁波Ｅを広い面積で短時間に計測できる。本実施形態の電磁波計測装置１００は、イメージングデバイスとして好適に用いられる。本実施形態のようにアレイ化することにより、走査型イメージングデバイスと比べて、テラヘルツ像の取得をより高速に行うことができる。

なお、電磁波計測装置１００は、コヒーレントな電磁波Ｅを対象物に照射した後、対象物の物性の反映された電磁波Ｅを計測してもよい。この場合、計測結果から、位相情報を取得でき、さらに、対象物の物性（例えば、屈折率等）を計測することができる。例えば、ＤＣバイアス電圧を印加するタイミングを少しずつずらしながら計測した結果を処理することによって電磁波の時間波形を計測でき、時間波形の計測された電磁波を用いることにより、対象物の物性の反映された位相情報を取得できる。また、本実施形態の電磁波計測装置１００では、電磁波Ｅを熱等に変換することなく検出しているため、半導体素子１０に向かう電磁波Ｅの偏光および／または位相に応じて分離することにより、対象物の偏光等に対する特性を測定することができる。

本発明によれば、電磁波を簡便に計測できる。例えば、本実施形態の電磁波計測装置は、研究・分析用機器としてだけでなく、郵便物または空港等の検査装置として好適に用いられる。

１０ 半導体素子
２０ 測定部
１００ 電磁波計測装置

Claims (14)

1. ＰＮ接合構造を有する半導体素子と、
   前記半導体素子のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波の入射された前記半導体素子において、前記電磁波の電界強度に応じた前記半導体素子の変化を測定する測定部と
   を備える、電磁波計測装置。
2. 前記電磁波は３０μｍよりも長い波長を有している、請求項１に記載の電磁波計測装置。
3. 前記測定部の測定は室温下で行われる、請求項１または２に記載の電磁波計測装置。
4. 前記ＰＮ接合構造に対して順バイアス電圧を印加する電圧印加部をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の電磁波計測装置。
5. 前記測定部は、前記ＰＮ接合構造からの発光の強度を測定する、請求項１から４のいずれかに記載の電磁波計測装置。
6. 前記測定部は、前記ＰＮ接合構造を流れる電流の変化を測定する、請求項１から４のいずれかに記載の電磁波計測装置。
7. 前記半導体素子の前記ＰＮ接合構造はアレイ状に配列されている、請求項１から６のいずれかに記載の電磁波計測装置。
8. ＰＮ接合構造を有する半導体素子を用意する工程と、
   前記半導体素子のバンドギャップエネルギーよりも小さいフォトンエネルギーを有する電磁波の入射された前記半導体素子において、前記電磁波の電界強度に応じた前記半導体素子の変化を測定する工程と
   を包含する、電磁波計測方法。
9. 前記測定する工程において、前記電磁波は３０μｍよりも長い波長を有している、請求項８に記載の電磁波計測方法。
10. 前記測定する工程において、前記測定は室温下で行われる、請求項８または９に記載の電磁波計測方法。
11. 前記測定する工程は、前記ＰＮ接合構造に対して順バイアス電圧を印加する工程を含む、請求項８から１０のいずれかに記載の電磁波計測方法。
12. 前記測定する工程において、前記ＰＮ接合構造からの発光の強度を測定する、請求項８から１１のいずれかに記載の電磁波計測方法。
13. 前記測定する工程において、前記ＰＮ接合構造を流れる電流の変化を測定する、請求項８から１１のいずれかに記載の電磁波計測方法。
14. 前記用意する工程において、前記半導体素子の前記ＰＮ接合構造はアレイ状に配列されている、請求項８から１３のいずれかに記載の電磁波計測方法。