JPH05226431A - 電気信号測定装置 - Google Patents
電気信号測定装置Info
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- JPH05226431A JPH05226431A JP5925792A JP5925792A JPH05226431A JP H05226431 A JPH05226431 A JP H05226431A JP 5925792 A JP5925792 A JP 5925792A JP 5925792 A JP5925792 A JP 5925792A JP H05226431 A JPH05226431 A JP H05226431A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、光導電素子の評価方法に関するも
のである。反転対称性のない結晶あるいは結晶表面で発
生する共鳴第２高調波を利用することによって超高速電
気信号を高感度で測定することができる。 【構成】 フェムト秒レーザー１の光は、ビームスプリ
ッター２で時間遅延をつけたパルス３とパルス４に分け
られ、レンズ５で集光される。パルス３は、波長変換素
子１３を通った後光導電素子のギャップ上に集光され、
フェムト秒の電圧パルスが発生させられる。パルス４
は、伝送線間に照射され、第２高調波が発生する。この
とき、伝送線間に電位が存在することによって、分極が
生じ発生する第２高調波の強度が変化する。レーザーの
波長が基板材料の吸収帯の２倍になるようにレーザー、
基板材料を選ぶことによって共鳴を起こし、発生する第
２高調波の強度を増加させる。
のである。反転対称性のない結晶あるいは結晶表面で発
生する共鳴第２高調波を利用することによって超高速電
気信号を高感度で測定することができる。 【構成】 フェムト秒レーザー１の光は、ビームスプリ
ッター２で時間遅延をつけたパルス３とパルス４に分け
られ、レンズ５で集光される。パルス３は、波長変換素
子１３を通った後光導電素子のギャップ上に集光され、
フェムト秒の電圧パルスが発生させられる。パルス４
は、伝送線間に照射され、第２高調波が発生する。この
とき、伝送線間に電位が存在することによって、分極が
生じ発生する第２高調波の強度が変化する。レーザーの
波長が基板材料の吸収帯の２倍になるようにレーザー、
基板材料を選ぶことによって共鳴を起こし、発生する第
２高調波の強度を増加させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子計測技術分野に係
り、光導電素子の電気信号を非接触で測定する装置に関
する。
り、光導電素子の電気信号を非接触で測定する装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子デバイスの高速化の流れはめ
ざましく、研究レベルでは動作速度が１ｐｓ以下のデバ
イスも実現されつつある。この様な電子デバイスから出
力される電気信号を測定することは、デバイス開発を促
進する上で非常に重要であるが、従来の電気的なサンプ
リングオシロスコープでは、内部に使われているゲート
素子の応答時間で時間分解能が決定されるため、最先端
の超高速電子デバイスから出力される１０ｐｓ以下の電
気信号測定は不可能であった。
ざましく、研究レベルでは動作速度が１ｐｓ以下のデバ
イスも実現されつつある。この様な電子デバイスから出
力される電気信号を測定することは、デバイス開発を促
進する上で非常に重要であるが、従来の電気的なサンプ
リングオシロスコープでは、内部に使われているゲート
素子の応答時間で時間分解能が決定されるため、最先端
の超高速電子デバイスから出力される１０ｐｓ以下の電
気信号測定は不可能であった。
【０００３】そのため、ゲート信号にフェムト秒レーザ
ー光を利用し、時間分解能１ｐｓ以下を実現した電気光
学（Ｅ−Ｏ）サンプリング技術が考案された。それは、 （１）電気光学結晶（LiTaO3,LiNbO3,GaAs等）を被測定
デバイス近傍に配置する方法 Rochester大 J.A.Valdm
anis等による「特開昭５９−５００１８６号公報記載の
ピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定」 （２）被測定デバイスを作製した基板自身の電気光学効
果を利用する方法 Stanford大 K.J.Weingarten等によ
るIEEE J.Quantum Electron. 24 p198 (1988) の２つに分類されるが、それらはそれぞれ重大な問題点
を持つ。
ー光を利用し、時間分解能１ｐｓ以下を実現した電気光
学（Ｅ−Ｏ）サンプリング技術が考案された。それは、 （１）電気光学結晶（LiTaO3,LiNbO3,GaAs等）を被測定
デバイス近傍に配置する方法 Rochester大 J.A.Valdm
anis等による「特開昭５９−５００１８６号公報記載の
ピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定」 （２）被測定デバイスを作製した基板自身の電気光学効
果を利用する方法 Stanford大 K.J.Weingarten等によ
るIEEE J.Quantum Electron. 24 p198 (1988) の２つに分類されるが、それらはそれぞれ重大な問題点
を持つ。
【０００４】（１）は、電気信号から外部に発生する電
界中に電気光学結晶を挿入し、電界により電気光学結晶
内の複屈折を変化させ（ポッケルス効果）、その複屈折
変化量をフェムト秒レーザー光により検出する。この方
法では、被測定デバイスの材質、形状に依らず、同一の
光学系で測定でき、また時間分解能は、電気光学効果の
応答時間で決定され、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウ
ム）を使用した場合、およそ３００ｆｓである。しか
し、この方法では、必ず外部電界中に空気よりも誘電率
の大きな物質を挿入しなければならないため、その箇所
でインピーダンスの変化が生じ、電気信号を変化させて
しまい、正確な電気信号の測定は不可能である。
界中に電気光学結晶を挿入し、電界により電気光学結晶
内の複屈折を変化させ（ポッケルス効果）、その複屈折
変化量をフェムト秒レーザー光により検出する。この方
法では、被測定デバイスの材質、形状に依らず、同一の
光学系で測定でき、また時間分解能は、電気光学効果の
応答時間で決定され、ＬｉＴａＯ3（タンタル酸リチウ
ム）を使用した場合、およそ３００ｆｓである。しか
し、この方法では、必ず外部電界中に空気よりも誘電率
の大きな物質を挿入しなければならないため、その箇所
でインピーダンスの変化が生じ、電気信号を変化させて
しまい、正確な電気信号の測定は不可能である。
【０００５】（２）は、別の電気光学結晶を使用しない
ため、（１）に比べ正確な電気波形の測定が可能であ
り、また化合物半導体の電気光学効果の応答時間は１０
０ｆｓ前後と非常に高速である。しかしこの方法では、
電気光学効果を有する基板上に作製されたデバイス以外
測定不可能であり、現在主流であるＳｉ基板上のデバイ
スの測定は不可能である。さらに、複屈折変化量を検出
するフェムト秒レーザー光の取り出しは、伝送線側
（表面）からレーザー光を入射し、裏面で反射させる方
法、表面からレーザー光を入射し、裏面を透過させる
方法、裏面からレーザー光を入射し、伝送線で反射さ
せる方法、裏面からレーザー光を入射し、表面を透過
させる方法、の４種類が考えられるが、は、基板の厚
みがおよそ５００μｍと厚く、電界中を光が通る時間が
長くなり、時間分解能を低下させる。は、被測定
デバイスのホールド方法やＥ−Ｏサンプリング装置の光
学系が複雑になり、汎用性が乏しくなる。
ため、（１）に比べ正確な電気波形の測定が可能であ
り、また化合物半導体の電気光学効果の応答時間は１０
０ｆｓ前後と非常に高速である。しかしこの方法では、
電気光学効果を有する基板上に作製されたデバイス以外
測定不可能であり、現在主流であるＳｉ基板上のデバイ
スの測定は不可能である。さらに、複屈折変化量を検出
するフェムト秒レーザー光の取り出しは、伝送線側
（表面）からレーザー光を入射し、裏面で反射させる方
法、表面からレーザー光を入射し、裏面を透過させる
方法、裏面からレーザー光を入射し、伝送線で反射さ
せる方法、裏面からレーザー光を入射し、表面を透過
させる方法、の４種類が考えられるが、は、基板の厚
みがおよそ５００μｍと厚く、電界中を光が通る時間が
長くなり、時間分解能を低下させる。は、被測定
デバイスのホールド方法やＥ−Ｏサンプリング装置の光
学系が複雑になり、汎用性が乏しくなる。
【０００６】また、将来電子の波動性を利用した量子効
果デバイスが実現した場合、その応答時間は１００ｆｓ
以下になる可能性があるため、電気光学効果での測定は
困難になると予想される。
果デバイスが実現した場合、その応答時間は１００ｆｓ
以下になる可能性があるため、電気光学効果での測定は
困難になると予想される。
【０００７】本発明者らが既に出願した特願平３−３１
５１９１「超高速電気信号の測定方法及び装置」はこれ
らの問題点を解決するものであるが、第２高調波発生強
度が小さい物質に関しては電界測定に十分なＳ／Ｎが得
られないことが考えられる。
５１９１「超高速電気信号の測定方法及び装置」はこれ
らの問題点を解決するものであるが、第２高調波発生強
度が小さい物質に関しては電界測定に十分なＳ／Ｎが得
られないことが考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】前項のような現状を踏
まえ、本発明は、光導電素子から出力される電気信号の
波形測定において、主として次の３つの課題を解決しよ
うとするものである。 （１）電気光学効果を持たない基板上に作られたデバイ
スに対しても、別の電気光学結晶を使わず、非接触な電
気信号の測定を可能にすること。 （２）電気信号波形測定の時間分解能を１００ｆｓ以下
にすること。 （３）本来第２高調波発生の強度が小さい物質に対して
も、感度よく電気信号波形測定を行うことを可能にす
る。
まえ、本発明は、光導電素子から出力される電気信号の
波形測定において、主として次の３つの課題を解決しよ
うとするものである。 （１）電気光学効果を持たない基板上に作られたデバイ
スに対しても、別の電気光学結晶を使わず、非接触な電
気信号の測定を可能にすること。 （２）電気信号波形測定の時間分解能を１００ｆｓ以下
にすること。 （３）本来第２高調波発生の強度が小さい物質に対して
も、感度よく電気信号波形測定を行うことを可能にす
る。
【０００９】本発明は、上記課題を解決することによっ
て、フェムト秒の時間分解能を有する超高速電気信号波
形の測定方法を提供することを目的とするものである。
て、フェムト秒の時間分解能を有する超高速電気信号波
形の測定方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に関わる電気信号
波形の測定方法は、結晶から発生する第２高調波を利用
する。その際に、光導電素子を作製した基板材料の吸収
帯の２倍の波長のレーザー光を用いることによって、そ
の共鳴効果を引き起こし信号強度を増強させることを特
徴としている。
波形の測定方法は、結晶から発生する第２高調波を利用
する。その際に、光導電素子を作製した基板材料の吸収
帯の２倍の波長のレーザー光を用いることによって、そ
の共鳴効果を引き起こし信号強度を増強させることを特
徴としている。
【００１１】
【作用】反転対称性のない結晶に光を照射すると偶数次
の高調波発生が引き起こされることが知られている。特
に２次の高調波は高次の高調波に比べて発生強度が大き
く物質の電位勾配によって変化するので，Ｅ−Ｏサンプ
リングの代わりとして用いることができる。本発明者ら
は、この際第２高調波発生に関与する光子のエネルギー
が物質の電子遷位の終状態と始状態とのエネルギー差の
半分に等しい波長を選ぶと、電子準位間で共鳴効果を起
こし第２高調波強度は通常の１０〜１００倍程度増強さ
れることから、電圧検出感度が向上することを見いだし
た。又、シリコン結晶等反転対称性のある結晶について
も、物質が本質的に持っている表面での非対称性を利用
した表面第２高調波を検出することにより同様の感度向
上を行うことができる。本発明の実現は以下の要領で行
われる。非線形光学素子を通して光導電素子の基板材料
の吸収波長に変換した超短パルスレーザー光を光導電素
子に照射することによって伝送線に超高速な電圧パルス
が発生し、伝送線間に誘起分極を引き起こす。このとき
光導電素子を作製した基板の吸収帯の２倍の波長を持つ
別のレーザー光を伝送線間に照射することによって共鳴
第２高調波が発生する。この第２高調波の発生効率は、
電圧パルスによって生じた誘起分極によって変化する。
そこでフェムト秒レーザー等の超短パルスレーザーを用
いて、この誘起分極によって変化する共鳴第２高調波を
検出することによって、光導電素子内を伝播する超高速
電気信号の波形測定が可能となる。
の高調波発生が引き起こされることが知られている。特
に２次の高調波は高次の高調波に比べて発生強度が大き
く物質の電位勾配によって変化するので，Ｅ−Ｏサンプ
リングの代わりとして用いることができる。本発明者ら
は、この際第２高調波発生に関与する光子のエネルギー
が物質の電子遷位の終状態と始状態とのエネルギー差の
半分に等しい波長を選ぶと、電子準位間で共鳴効果を起
こし第２高調波強度は通常の１０〜１００倍程度増強さ
れることから、電圧検出感度が向上することを見いだし
た。又、シリコン結晶等反転対称性のある結晶について
も、物質が本質的に持っている表面での非対称性を利用
した表面第２高調波を検出することにより同様の感度向
上を行うことができる。本発明の実現は以下の要領で行
われる。非線形光学素子を通して光導電素子の基板材料
の吸収波長に変換した超短パルスレーザー光を光導電素
子に照射することによって伝送線に超高速な電圧パルス
が発生し、伝送線間に誘起分極を引き起こす。このとき
光導電素子を作製した基板の吸収帯の２倍の波長を持つ
別のレーザー光を伝送線間に照射することによって共鳴
第２高調波が発生する。この第２高調波の発生効率は、
電圧パルスによって生じた誘起分極によって変化する。
そこでフェムト秒レーザー等の超短パルスレーザーを用
いて、この誘起分極によって変化する共鳴第２高調波を
検出することによって、光導電素子内を伝播する超高速
電気信号の波形測定が可能となる。
【００１２】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。
ながら説明する。
【００１３】図１は本発明における一実施例として光導
電素子の基板材料をＧａＡｓに選んだときのフェムト秒
の時間分解能を有する電気信号の測定方法を示す模式図
である。
電素子の基板材料をＧａＡｓに選んだときのフェムト秒
の時間分解能を有する電気信号の測定方法を示す模式図
である。
【００１４】パルス幅１００ｆｓ、繰り返し１００ＭＨ
ｚ、出力１０ｍＷ、波長０．９μｍ以上の短パルスレー
ザー１光は、ビームスプリッター２で分割されコーナー
キューブリフレクタで時間遅延をつけたパルス３とパル
ス４に分けられ、レンズ５で集光される。パルス３は、
ＢＢＯ（β-BaB2O4）結晶等の波長変換素子１３によっ
て基板材料の吸収域に波長変換が行われた後、光導電素
子のギャップ上に集光される。光導電素子は、図２に示
すように２本の伝送線からなりその一方にギャップを持
った形状をしておりバイアスをかけた状態で使用する。
このとき、ギャップ間にレーザー光を照射するとキャリ
アが生じてその寿命の間だけ導通状態になり電圧パルス
が発生する。パルス４は、電圧パルスを伝送中の伝送線
間に照射され基板から共鳴第２高調波が発生する。この
とき、伝送線間に電位が発生しているため結晶に分極が
生じ、発生する第２高調波の強度がこの分極によって変
化する。この第２高調波はレーザーからの基本波をカッ
トし第２高調波成分だけを通過させるようなフィルター
６を通して光検出器７に入射させられる。このとき電圧
の変化によって生じる第２高調波の変化は微弱なので、
図１に示すように光チョッパー８及び、ロックインアン
プ９を用いたロックイン検出が行われる。パルス３によ
って発生させられた超高速電気信号の時間変化をパルス
４の第２高調波強度として捕らえるためには、コーナー
キューブリフレクタからなる光遅延ライン１０を用いて
パルス３とパルス４とに光路差を与えることによって時
間遅延をつければよい。
ｚ、出力１０ｍＷ、波長０．９μｍ以上の短パルスレー
ザー１光は、ビームスプリッター２で分割されコーナー
キューブリフレクタで時間遅延をつけたパルス３とパル
ス４に分けられ、レンズ５で集光される。パルス３は、
ＢＢＯ（β-BaB2O4）結晶等の波長変換素子１３によっ
て基板材料の吸収域に波長変換が行われた後、光導電素
子のギャップ上に集光される。光導電素子は、図２に示
すように２本の伝送線からなりその一方にギャップを持
った形状をしておりバイアスをかけた状態で使用する。
このとき、ギャップ間にレーザー光を照射するとキャリ
アが生じてその寿命の間だけ導通状態になり電圧パルス
が発生する。パルス４は、電圧パルスを伝送中の伝送線
間に照射され基板から共鳴第２高調波が発生する。この
とき、伝送線間に電位が発生しているため結晶に分極が
生じ、発生する第２高調波の強度がこの分極によって変
化する。この第２高調波はレーザーからの基本波をカッ
トし第２高調波成分だけを通過させるようなフィルター
６を通して光検出器７に入射させられる。このとき電圧
の変化によって生じる第２高調波の変化は微弱なので、
図１に示すように光チョッパー８及び、ロックインアン
プ９を用いたロックイン検出が行われる。パルス３によ
って発生させられた超高速電気信号の時間変化をパルス
４の第２高調波強度として捕らえるためには、コーナー
キューブリフレクタからなる光遅延ライン１０を用いて
パルス３とパルス４とに光路差を与えることによって時
間遅延をつければよい。
【００１５】図３は、上記方法及びＥ−Ｏサンプリング
を用いて測定された光導電素子の電気信号波形測定結果
である。本発明の方法の方がＥ−Ｏサンプリングを用い
た方法より急峻な立ち上がりを示している。時間遅延０
ｆｓからの第２高調波強度の立ち上がり変化より、１０
０ｆｓ以下の時間分解能を有する電気信号波形の測定が
可能であることがわかる。
を用いて測定された光導電素子の電気信号波形測定結果
である。本発明の方法の方がＥ−Ｏサンプリングを用い
た方法より急峻な立ち上がりを示している。時間遅延０
ｆｓからの第２高調波強度の立ち上がり変化より、１０
０ｆｓ以下の時間分解能を有する電気信号波形の測定が
可能であることがわかる。
【００１６】図４は、上記方法及び非共鳴な第２高調波
を用いて測定された光導電素子の電気信号測定結果であ
る。本発明の方法の方が遷移準位間での共鳴効果により
検出強度が著しく大きくなることが示されており、高感
度な測定が可能であることがわかる。
を用いて測定された光導電素子の電気信号測定結果であ
る。本発明の方法の方が遷移準位間での共鳴効果により
検出強度が著しく大きくなることが示されており、高感
度な測定が可能であることがわかる。
【００１７】また、この方法は従来のＥ−Ｏサンプリン
グ法と比較して光学系が非常に簡単になるので従来法を
上記方法に置き換えることによって装置構成が簡単にな
るという利点をもつ。
グ法と比較して光学系が非常に簡単になるので従来法を
上記方法に置き換えることによって装置構成が簡単にな
るという利点をもつ。
【００１８】
【発明の効果】本発明は上記の通り超高速の電場変化を
第２高調波を利用して測定する手法において、照射レー
ザーの波長を光導電素子を作製した基板の吸収帯の２倍
に選び共鳴効果を起こすことによって、通常の第２高調
波を用いた測定に比べて検出感度が１０〜１００倍向上
することが可能となる。
第２高調波を利用して測定する手法において、照射レー
ザーの波長を光導電素子を作製した基板の吸収帯の２倍
に選び共鳴効果を起こすことによって、通常の第２高調
波を用いた測定に比べて検出感度が１０〜１００倍向上
することが可能となる。
【図１】本発明に関わる共鳴第２高調波を用いた超高速
電気信号の測定方法の一実施例を示す全体図である。
電気信号の測定方法の一実施例を示す全体図である。
【図２】光導電素子を示す図である。
【図３】本発明及びＥ−Ｏサンプリングにより得られた
測定結果を示す図である。
測定結果を示す図である。
【図４】本発明及び非共鳴第２高調波により得られた測
定結果を示す図である。
定結果を示す図である。
１ フェムト秒レーザー ２ ビームスプリッター ３，４ パルス ５ レンズ ６ フィルター ７ 光検出器 ８ 光チョッパー ９ ロックインアンプ １０ 光遅延ライン １１ 半導体基板 １２ 電極 １３ 波長変換素子
Claims (1)
- 【請求項１】 測定対象である光導電素子が作られてい
る結晶の遷移周波数の２倍の周波数を持つ短パルスレー
ザー発生装置と、パルス光を２つのビームに分離しその
一方に時間遅延を与える遅延素子と、一方のパルス光を
基板材料の吸収帯に波長変換し光導電素子を駆動させる
ための励起光を発生させる波長変換素子と、他方のパル
ス光を該電極間より発生した共鳴第２高調波を検出する
光学系とを備えたことを特徴とする電気信号測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5925792A JPH05226431A (ja) | 1992-02-14 | 1992-02-14 | 電気信号測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5925792A JPH05226431A (ja) | 1992-02-14 | 1992-02-14 | 電気信号測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05226431A true JPH05226431A (ja) | 1993-09-03 |
Family
ID=13108148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5925792A Withdrawn JPH05226431A (ja) | 1992-02-14 | 1992-02-14 | 電気信号測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05226431A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001255354A (ja) * | 2000-01-13 | 2001-09-21 | Schlumberger Technol Inc | パルス状レーザビームによる半導体集積回路の精査装置 |
| EP2546634A1 (en) * | 2011-07-14 | 2013-01-16 | Dainippon Screen Mfg., Co., Ltd. | Inspection apparatus and inspection method |
| EP2574906A1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-04-03 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Semiconductor inspection method and semiconductor inspection apparatus |
| EP2631635A1 (en) * | 2012-02-24 | 2013-08-28 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Inspection apparatus and inspection method |
-
1992
- 1992-02-14 JP JP5925792A patent/JPH05226431A/ja not_active Withdrawn
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001255354A (ja) * | 2000-01-13 | 2001-09-21 | Schlumberger Technol Inc | パルス状レーザビームによる半導体集積回路の精査装置 |
| EP2546634A1 (en) * | 2011-07-14 | 2013-01-16 | Dainippon Screen Mfg., Co., Ltd. | Inspection apparatus and inspection method |
| US8872114B2 (en) | 2011-07-14 | 2014-10-28 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Inspection apparatus and inspection method |
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| JP2013072843A (ja) * | 2011-09-29 | 2013-04-22 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | 半導体検査方法および半導体検査装置 |
| US8941824B2 (en) | 2011-09-29 | 2015-01-27 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Semiconductor inspection method and semiconductor inspection apparatus |
| EP2631635A1 (en) * | 2012-02-24 | 2013-08-28 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Inspection apparatus and inspection method |
| US9103870B2 (en) | 2012-02-24 | 2015-08-11 | SCREEN Holdings Co., Ltd. | Inspection apparatus and inspection method |
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