半導体表面にフェムト秒レーザーを照射すると、サブピコ秒領域において電子や原子の様々な超高速過渡現象が励起されます。超高速過渡現象はテラヘルツ波放射や誘電率変調など多彩な応答をもたらすことから、光機能デバイスへの応用の観点から注目を集めています。本研究室では、結晶の表面状態に基づいた独自のアプローチから、超高速過渡現象のダイナミクスとテラヘルツ波放射特性を探究しています。
テラヘルツ波は、周波数が1テラヘルツ（波長0.3ミリ）前後の電磁波の呼称であり、光科学、センシング、バイオなど応用が広く検討されています。テラヘルツ波の発生には様々な方法がありますが、半導体結晶における超高速過渡現象を利用する方法は簡便さという点で高いアドバンテージがあります。また、超高速過渡現象のテラヘルツ波放射が結晶表面の状態に強く依存することを利用して、近年テラヘルツ波放射をプローブとした物性評価が盛んにあります。本研究室では、結晶表面状態の観点から、独自の分光手法を用いて超高速過渡現象のダイナミクスを観測し、テラヘルツ波放射特性との関係性を探究しています。
テラヘルツ波を放射する超高速過渡現象は、電子系および格子系の様々な相互作用により生じるものであり、ダイナミクスの解明には多面的な調査が必要不可欠です。そこで、2種類の超高速分光法（テラヘルツ波時間波形計測法, 時間分解ポンプ・プローブ計測法）を組み合わせた分光システムを開発して調査を行っています。また、半導体結晶表面の重要な性質の一つは、表面電場の形成です。そこで、表面電場強度を精密に見積もることが可能な光変調反射分光システムを整備しています。
■テラヘルツ波時間波形計測システム
図1はテラヘルツ波時間波形計測システムの主要部分を撮影したものです。半導体試料から放射されるテラヘルツ波を放物面鏡を用いて集め、もう一方の放物面鏡によって電気光学結晶に照射させます。そして、テラヘルツ電場によって生じる電気光学結晶の屈折率変化を、近赤外光パルスを用いて検出します（挿入図は光パルスが電気光学結晶を通るようす）。
テラヘルツ波は水分子に強く吸収される性質があるため、精密な調査を行うためにはテラヘルツ波の経路中の水蒸気を取り除く（除湿する）必要があります。図2は、手作りの除湿ボックスです。図1に示した光学実験部品をボックス内に設置し、レーザー光はボックス側面に取り付けた光学窓から入射させます。そして、ボックス内部を乾燥空気で満たした後、テラヘルツ波を測定します。図3はテラヘルツ波時間波形の測定結果の一例です。
図1
■光変調反射分光システム
図4は光変調反射分光システムを撮影したものです。励起光は半導体レーザーで、メカニカルチョッパーを通して周期的な強度変調を与えます。診断光はランプ光源を分光器で単色化した微弱光です。励起光と診断光は、ミラーとレンズを用いて試料の同じ位置に照射します。ここで診断光の波長を変化させながら反射強度を測定すると、励起光の変調周波数に同期した成分が観測されます。この成分を波長ごとに（スペクトルとして）取得して解析することで、表面電場強度を見積もることできます。本研究室では、さらにもう一つの励起光（制御光）を導入し、光励起キャリアによる電場遮蔽効果を精密に調べています。
図4
本研究が達成すれば、テラヘルツ波の放射特性（周波数や強度）を幅広く制御することや、テラヘルツ波を利用した新たな物性評価の指針を得ることができるものと考えています。これらの成果は、身の回りの道具として即座に実装されるものではありませんが、テラヘルツ波の応用分野に広く貢献するものと期待されます。
また、本研究活動から創出された装置は、半導体に限らず多様な物質のテラヘルツ波研究に適用できるものです。他分野の研究者との共同研究を通じて、計測システムを広く役立たせることが可能です。
論文
「Effects of electric field screening induced by photogenerated carriers on terahertz wave measurement in a GaAs epitaxial structure」(2024)『Applied Physics Express』17p.051006.
「超高速過渡現象の調査にむけた光励起キャリア電場遮蔽効果の制御」(2023)『日本赤外線学会誌』32p.52-57.
「Electric field dependence of terahertz wave emission in temperature-controlled GaAs epitaxial films」(2022)『Applied Physics Express』15p.051001.
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