JP5107183B2 - テラヘルツ光検出装置とその検出方法 - Google Patents
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Description
また、テラヘルツ光の周波数を検出できる検出器として、特許文献1が既に提案されている。
非特許文献2は、超伝導を用いたテラヘルツ光検出器である。
そのため、特許文献1の検出器本体51は、図9に示すように、基板53と、基板53の+Z側の面に形成された光スイッチ素子による検出素子部(金属膜55,56間の間隔gの部分)と、を有する。基板53と略同じ屈折率を有する部材60が、基板53の−Z側に、部材60の−Z側の面と基板53の+Z側の面との間にテラヘルツパルス光の反射面を形成しないように、設けられる。部材60の−Z側の面の形状及び部材60の厚さは、部材60の−Z側の面の所定領域から入射して間隔gの領域(有効領域)の付近に集光したテラヘルツ光のうち、基板53の+Z側の面で反射された光が、最初に部材60の−Z側の面で反射した後に、間隔gの領域に実質的に入射しないかあるいは更に2回以上反射した後にのみ間隔gの領域に入射するように、設定される。
該半導体チップの表面に密着して設けられたカーボンナノチューブ、導電性のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを備え、
前記カーボンナノチューブは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
前記ゲート電極は、カーボンナノチューブの側面から一定の間隔を隔てて位置し、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電圧を印加し、その間のSD電流を検出するSD電流検出回路と、
前記ソース電極とゲート電極の間に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記半導体チップに可変磁場を印加する磁場発生装置と、
前記SD電流検出回路、ゲート電圧印加回路及び磁場発生装置を制御し、かつ前記SD電流、ゲート電圧及び磁場値からテラヘルツ光の周波数と強度を演算する検出制御装置を備える、ことを特徴とするテラヘルツ光検出装置が提供される。
該半導体チップの表面に密着して設けられたカーボンナノチューブ、導電性のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを備え、
前記カーボンナノチューブは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
ゲート電極は、カーボンナノチューブの側面から一定の間隔を隔てて位置し、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電圧を印加しその間のSD電流を検出するSD電流検出回路と、
前記ソース電極とゲート電極の間に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記半導体チップに可変磁場を印加する磁場発生装置とを備えるテラヘルツ光検出装置を準備し、
テラヘルツ光を照射しながら、SD電流のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、SD電流のピークがゲート電圧に対して最も大きくシフトする時の磁場値を検出し、この磁場値からテラヘルツ光の周波数を求める、ことを特徴とするテラヘルツ光検出方法が提供される。
また、ゲート電圧に対してSD電流のピークが最も大きくシフトする時の磁場値とゲート電圧に固定することにより、例えばフォトン1つのテラヘルツ光1でさえも検出できることが、後述する温度2.5Kの試験結果から確認された。
従って、本発明の装置及び方法によれば、0.3〜0.4Kの極低温を必要することなく、小規模の装置で、数fW(10−15W)の非常に微弱なテラヘルツ光の強度を明確に検出でき、かつその周波数を正確に測定することができる。
HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)は、2次元電子ガス(「2DEG」と略称する)を利用したトランジスタであり、変調ドープにより、2次元電子ガスが形成され、電子移動度が高い特徴がある。従って、ソースからドレインに流れる電子電流を、高い電子移動度を利用して高速に制御することができる。
なお「2次元電子ガス」とは、半導体と絶縁体あるいは異種半導体どうしの接合界面で界面に沿って運動する電子、すなわち、2次元平面にのみ運動量をもつ希薄な電子をいう。
この図に示すように、本発明のテラヘルツ光検出装置10は、半導体チップ12、カーボンナノチューブ14、ソース電極15、ドレイン電極16、ゲート電極17、SD電流検出回路18、ゲート電圧印加回路19、および磁場発生装置20を備える。
2次元電子ガス13の表面からの距離は、後述の実施例では約60nmであるが、60nm未満でも60nm以上でもよい。
カーボンナノチューブ14は、後述する実施例では、長さが600nmであり、半導体チップ12の表面に密着し表面に沿って延び、その両端部がソース電極15とドレイン電極16に接続されている。
なお後述の実施例において、ソース電極15及びドレイン電極16は、Ti/Auの薄膜である。
後述の実施例において、ゲート電極17は、Ti/Auの薄膜である。
また、電流計18cには、ノイズカットフィルター18dが着脱可能に取り付けられており、電流計18cの出力信号から変動の激しいノイズを除去するようになっている。
図3(A)に示すように、磁場発生装置20は、半導体チップ12に入射するテラヘルツ光1の光軸を囲むコイル20aと、コイル20aの両端に所定の電圧を印加する直流電源20bと、コイル20aを流れる電流(以下、「コイル電流」と呼ぶ)を表示する電流計20cとからなり、半導体チップ12に磁場Bを印加する。なお、実際の測定では、所定の電流値を入力して流し、コイルにかかる電圧が検出される。
磁場Bは、コイル電流から一義的に求めることができる。
この図に示すように、照射する電磁波の光子エネルギーhfがランダウ準位のエネルギー間隔(h/2π)eB/m*・・・(1)と等しい時、電磁波の非常に大きな吸収が生じる。この現象はサイクロトロン吸収あるいはサイクロトロン共鳴と呼ばれる。
ここで、hはプランク定数、eは電荷素量、Bは磁場、m*は結晶中の電子の有効質量(例えばGaAsならば、自由電子の質量の0.0665倍)である。
すなわち、hf=(h/2π)eB/m*・・・(2)が成り立つ。
この式から磁場B以外のh,e,m*は既知の定数であるので、サイクロトロン吸収が生じる際の磁場Bからテラヘルツ光の周波数fを求めることができる。
本発明のテラヘルツ光検出装置10では、2次元電子ガス13のサイクロトロン吸収を利用する。
この検出制御装置22により、テラヘルツ光1を照射しながら、SD電流のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、SD電流のピークがゲート電圧に対して最も大きくシフトする時の磁場値を検出し、この磁場値からテラヘルツ光の周波数を求める。
また、この検出制御装置22により、ゲート電圧に対してSD電流のピークが最も大きくシフトする時の磁場値とゲート電圧に固定し、テラヘルツ光を照射しながら、SD電流の時間変化を測定する。
この図から、磁場Bが0に対し、磁場Bが3.95(T)までは、各データの信号検出位置が右方にシフトし、3.95(T)で最大となり、それ以上では7.85(T)までシフト量が徐々に小さくなっている。
すなわち、図4からテラヘルツ光1を照射することで、クーロンピークが正のゲート電圧側にシフトしている様子が見て取れる。また、ピークシフトの大きさ(ゲート電圧差)は、デバイスに垂直に印加した磁場Bに強く依存しており、3.95Tで最大になっている。
従って、クーロンピークシフトが最大となる磁場B(この例では3.95(T))から、式(2)によりテラヘルツ光の周波数fを求めることができる。
また、1.6THzのテラヘルツ光1を照射し、磁場Bは、クーロンピークシフトが最大となる3.95(T)に固定した。また、ゲート電圧は、クーロンピークシフト位置(この例では−1.41V)に固定した。
この図から、テラヘルツ光1が非常に微弱にもかかわらず、テラヘルツ光1の照射(THz on)時に、検出データが上下に激しく変動している。この電流の揺らぎは、少数個のフォトンを検出していることを示している。このことから、本発明のテラヘルツ光検出装置により、非常に微弱なテラヘルツ光1、例えばフォトン1つのテラヘルツ光1でさえも検出できることがわかる。
テラヘルツ光1の周波数を求める場合に、本発明の方法では、電流計18cにノイズカットフィルター18dを挿入し(S1)、テラヘルツ光1を照射しながら(S2)、ソース−ドレイン電流(SD電流)のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定する(S3〜S5)。
次いで、SD電流のピークがゲート電圧に対して最も大きくシフトする時の磁場値Bを検出する(S6〜S7)。
この磁場値Bを上述した式(2)に代入することで、テラヘルツ光1の周波数fを求めることができる(S8)。
微弱なテラヘルツ光1を検出する場合に、本発明の方法では、電流測定系からノイズカットのためのフィルターを取り去り(S11)、クーロンピークシフトが最大となる磁場値Bに固定し(S12)、ゲート電圧をテラヘルツ光1を照射した時の電流ピークに相当する位置に固定し(S13)、テラヘルツ光1を照射しながら(S14)、ソース−ドレイン電流(SD電流)の時間変化を測定する(S15)。
この方法によりテレグラフ的な電流のスイッチングを観測することで、少数個の光子を検出することができ、高感度検出が可能となる。
また、また、ゲート電圧に対してSD電流のピークが最も大きくシフトする時の磁場値とゲート電圧に固定することにより、例えばフォトン1つのテラヘルツ光1でさえも検出できることが、温度2.5Kの試験結果から確認された。
従って、本発明の装置及び方法によれば、0.3〜0.4Kの極低温を必要することなく、小規模の装置で、数fW(10−15W)の非常に微弱なテラヘルツ光の強度を明確に検出でき、かつその周波数を正確に測定することができる。
10 テラヘルツ光検出装置、
12 半導体チップ(HEMT)、13 2次元電子ガス(2DEG)、
14 カーボンナノチューブ、15 ソース電極、16 ドレイン電極、
17 ゲート電極、18SD電流検出回路、
18a 導電線、18b 直流電源、18c 電流計、
19 ゲート電圧印加回路、19a 導電線、19b 直流電源、
20 磁場発生装置、
20a コイル、20b 直流電源、20c 電流計
Claims (5)
- 表面から一定の位置に2次元電子ガスが形成された半導体チップと、
該半導体チップの表面に密着して設けられたカーボンナノチューブ、導電性のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを備え、
前記カーボンナノチューブは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
前記ゲート電極は、カーボンナノチューブの側面から一定の間隔を隔てて位置し、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電圧を印加し、その間のSD電流を検出するSD電流検出回路と、
前記ソース電極とゲート電極の間に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記半導体チップに可変磁場を印加する磁場発生装置と、
前記SD電流検出回路、ゲート電圧印加回路及び磁場発生装置を制御し、かつ前記SD電流、ゲート電圧及び磁場値からテラヘルツ光の周波数と強度を演算する検出制御装置を備える、ことを特徴とするテラヘルツ光検出装置。 - 前記検出制御装置により、テラヘルツ光を照射しながら、SD電流のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、ゲート電圧に対してSD電流のピークが最も大きくシフトする時の磁場値を検出し、この磁場値からテラヘルツ光の周波数を求める、ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ光検出装置。
- 前記検出制御装置により、ゲート電圧に対してSD電流のピークが最も大きくシフトする時の磁場値とゲート電圧に固定し、テラヘルツ光を照射しながら、SD電流の時間変化を測定する、ことを特徴とする請求項2に記載のテラヘルツ光検出装置。
- 表面から一定の位置に2次元電子ガスが形成された半導体チップと、
該半導体チップの表面に密着して設けられたカーボンナノチューブ、導電性のソース電極、ドレイン電極及びゲート電極とを備え、
前記カーボンナノチューブは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
ゲート電極は、カーボンナノチューブの側面から一定の間隔を隔てて位置し、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電圧を印加し、その間のSD電流を検出するSD電流検出回路と、
前記ソース電極とゲート電極の間に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記半導体チップに可変磁場を印加する磁場発生装置とを備えるテラヘルツ光検出装置を準備し、
テラヘルツ光を照射しながら、SD電流のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、SD電流のピークがゲート電圧に対して最も大きくシフトする時の磁場値を検出し、この磁場値からテラヘルツ光の周波数を求める、ことを特徴とするテラヘルツ光検出方法。 - ゲート電圧に対してSD電流のピークが最も大きくシフトする時の磁場値とゲート電圧に固定し、テラヘルツ光を照射しながら、SD電流の時間変化を測定する、ことを特徴とする請求項4に記載のテラヘルツ光検出方法。
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