JPWO2017104697A1 - テラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1の技術は、表面から一定位置に2次元電子ガス(後述)が形成された半導体チップを用い、この半導体チップに磁場を印加しながらテラヘルツ光を照射する。この照射によりカーボンナノチューブに流れる電流を計測することで、微弱なテラヘルツ光の強度と周波数を検出するものである。なお「2次元電子ガス」とは、半導体と絶縁体との接合界面、又は異種半導体同士の接合界面に沿った2次元平面を運動する電子をいう。つまり、キャリアとなる電子が平面状に分布する状態を2次元電子ガスという。なお、本明細書において、異種半導体とは、異なる種類の半導体や、反転層等を利用した異なる構造の半導体をいう。
<実施形態の構成>
図1は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ検出センサを用いたテラヘルツ画像測定装置の構成を示す図である。
アパーチャの径が5μmの場合、テラヘルツ光が透過した近接場光の量が他のアパーチャ(0.9μm,2μm)の場合よりも多いので、近接場光検出により検出されるテラヘルツ検出信号Ts1の立ち下がりエッジは、他のアパーチャ(0.9μm,2μm)の場合よりも緩やかになる。この場合、テラヘルツ検出信号Ts1(又は、後述のTs2,Ts3)の最大値100%の90%〜10%の間の距離が分解能となる。この分解能は、アパーチャの大きさ(この場合、5μm)で決まる。従って、アパーチャの径が5μmの場合は、分解能が他のアパーチャ(0.9μm,2μm)の場合よりも低くなる。
(h/2π)eB/m* …(1)
この現象はサイクロトロン吸収、或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であれば、自由電子の質量の約0.0665倍)である。
hf=(h/2π)eB/m* …(2)
この式(2)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。
以上説明したように、本実施形態のテラヘルツ検出センサ13とテラヘルツ画像測定装置10によれば、次のような効果が得られる。
図9は、他例のテラヘルツ検出センサ13Aの構成を示す斜視図である。図9に示すセンサ13Aは、図1に示すテラヘルツ画像測定装置10のセンサ13として用いられるものである。
このような特殊なバンド構造により、グラフェン32中の電子移動度は、室温であっても非常に高速(通常の半導体の10倍〜100倍以上)であることが知られている。
半導体:En=(n+0.5)h*eB/m* …(3)
グラフェン:En=c*(2eh*B|n|)0.5 …(4)
式(3)及び(4)において、c*はディラックフェルミオンの速度、eは電荷素量、h*はプランク定数hの1/(2π)、Bは印加磁場、nはランダウ準位の指数、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。
半導体:En=C1(n+0.5)B・・・(5)
グラフェン:En=C2(B|n|)0.5・・・(6)
図12Aに示すように、Si基板31aの上に積層されたSiO2基板31bの上面にグラフェン32Aが積層された素子を用いる。
次に、図12Cに示すように、金等の導電材料をGaAs基板21の上に蒸着等により固着させて各電極23a〜23d(図9参照)を形成し、センサ13Aを製作する。この後、各電極23a〜23dを導電線24で測定制御部20A(図9)に接続する。
磁場発生部19は、試料18から発生され、センサ13に照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回されるコイル19aと、コイル19aに流される電流(コイル電流)を表示する電流計19bと、コイル19aの両端の電圧を計測する電圧計19cとを備えて構成される。そして、コイル19aに電流を流すことにより磁場Bを発生させて、グラフェン32を備えるセンサ13Aに印加する。磁場Bは、コイル電流から一義的に求めることが可能となっている。
hf=(C2(B|2|)0.5−C2(B|1|)0.5 …(7)
この式(7)から磁場B以外のC2(即ち、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。
例えば、測定制御部20Aの制御により、磁場発生部19で発生される磁場Bを、図13Aに示すように、信号レベルが6と急峻に高くなる磁場値0.1[T]として、特定周波数f=0.76THzを選択し、この特定周波数f=0.76THzのテラヘルツ光を発する試料18の分子のテラヘルツ画像を表示することができる。
図15は本実施形態のテラヘルツ検出センサ13(図2)の他例1によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図15に示す他例1による検出ポイントは、2次元電子ガス部22の上に、先端が針状に尖ったプローブ51を合体させて形成したものである。
このプローブ51は、先端が針状に尖っているので空間上のテラヘルツ光の検出サイズが小さくなり、このため、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
図16は本実施形態のテラヘルツ検出センサ13の他例2によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図16に示す他例2による検出ポイントは、2次元電子ガス部22のAlGaAs層22aの表面の一部を尖って針状22a1としたものである。この針状22a1においても、上述したプローブ51と同様に、試料18が発するテラヘルツ光の近接場光を検出することにより2次元電子ガス22g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。この針形状22a1でも、プローブ51と同様に、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
図17は本実施形態のテラヘルツ検出センサ13A(図9)の他例3によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図17に示す他例3による検出ポイントは、Si基板31a上のSiO2基板31bの上面一隅部分に形成されたグラフェン32の表面に、垂直に針状(又は線状)のカーボンナノチューブによるプローブ53を立てたものである。このようにカーボンナノチューブによるプローブ53を立てた場合でも、プローブ53が針状(又は線状)に形成されているので空間上のテラヘルツ光の検出サイズが小さくなり、このため、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
図18は本実施形態のテラヘルツ検出センサ13A(図9)の他例4によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図18に示す他例4による検出ポイントは、SiO2基板31bの上面一隅部分の一部を針状31b1に尖らせて、この針状31b1を含む一隅部分にグラフェン32Bを形成したものである。この構成においては、グラフェン32Bの表面が上述したプローブ53と同様に針状に尖っているので、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
図19はテラヘルツ画像測定装置10における振動部(図1ではGaAs振動部11)の他例としてのSi振動部62の構成を示す図である。
Si振動部62は、GaAs振動部11と同様に、直方体形状の基端部62aと、この基端部62aの下面に沿って面一に突き出た板状部62bとが一体形成されている。板状部62bの先端部下面にはセンサ13が固定されている。基端部62aは、ピエゾ基板61を介してピエゾ基板10aに固定されている。ピエゾ基板61には電源電圧V2が印加されることによって、ピエゾ効果によりSi振動部62を一定の振動周波数で振動し、これに応じて板状部62bを同じ振動周波数で上下に振動するようになっている。また、Si振動部62の振動に応じた電圧は電圧検出部14で検出されるようになっている。
10a ピエゾ基板
11 GaAs振動部
12 交流電源
13,13A テラヘルツ検出センサ
14 電圧検出部
15 Z層のピエゾ基板(Zピエゾ基板)
16 Y層のピエゾ基板(Yピエゾ基板)
17 X層のピエゾ基板(Xピエゾ基板)
18 試料
19 磁場発生部
19a コイル
19b 電流計
19c 電圧計
20 測定制御部
21 GaAs基板
22 2次元電子ガス部(検出ポイント)
22a AlGaAs層
22g 2次元電子ガス
23a〜23d 電極
31a Si基板
31b SiO2基板
32 グラフェン(検出ポイント)
51 プローブ
53 プローブ(カーボンナノチューブ)
61 ピエゾ基板
62 Si振動部
B 磁場
Claims (12)
- テラヘルツ光を検出するテラヘルツ検出センサにおいて、
テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状であって、前記テラヘルツ光の近接場光を検出する検出ポイントと、
前記検出ポイントが表面に形成された半導体基板と
を備えることを特徴とするテラヘルツ検出センサ。 - 前記半導体基板の表面に、前記検出ポイントに電流を流すための第1電極と、当該第1電極を介して電流が流された当該検出ポイントに、前記近接場光の照射時に検出される電圧を出力する第2電極とが形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記第1電極及び前記第2電極の各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端が前記検出ポイントに接合された1対の電極を含んで成る
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記半導体基板は、上下に積層される半導体の種類や構造が異なる異種半導体同士の界面に2次元電子ガスが分布した高電子移動度トランジスタ構造であり、
前記検出ポイントは、前記積層された最上層の半導体層が前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形された半導体層と、この下の半導体層との界面に2次元電子ガスが分布した構造である
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記半導体基板は、GaAs層上にAlGaAs層が積層され、当該AlGaAs層と当該GaAs層との界面に2次元電子ガスが分布した高電子移動度トランジスタ構造であり、
前記検出ポイントは、前記AlGaAs層が前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形されたAlGaAs層と前記GaAs層との界面に2次元電子ガスが分布した構造である
ことを特徴とする請求項4に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記検出ポイントは、当該検出ポイントの上に先端が尖った針状又は線状の金属及び半導体の何れか一方によるプローブが合体して備えられている
ことを特徴とする請求項4に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記半導体基板は、上下に種類が異なる半導体を積層した構造であり、
前記検出ポイントは、前記積層された最上層の半導体層の上に、前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成されたグラフェンである
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記半導体基板は、Si層上にSiO2層を積層した構造であり、
前記検出ポイントは、前記SiO2層の上に、前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成されたグラフェンである
ことを特徴とする請求項7に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記検出ポイントは、当該検出ポイントの上に先端が尖った針状又は線状のカーボンナノチューブによるプローブが合体して備えられている
ことを特徴とする請求項7に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 前記第1電極及び前記第2電極の各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端に前記検出ポイントに接合された1対の電極を含み、当該電極は、長さがテラヘルツ波の波長以上で、且つ、テラヘルツ波の波長未満の電界が集中する領域でテラヘルツ波を受信する
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。 - 試料から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する請求項1又は2に記載のテラヘルツ検出センサと、
前記試料から前記テラヘルツ検出センサに照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、当該試料及び当該テラヘルツ検出センサの周囲に配置されるコイルを有し、当該コイルに電流が流されて発生する磁場を当該テラヘルツ検出センサへ印加する磁場発生部と、
前記コイルに電流を流し、この流れる電流値を変えることにより前記磁場の強さを、当該テラヘルツ検出センサで検出される前記試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる測定制御部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ画像測定装置。 - 基端部から延びる板状の先端部に固定した前記テラヘルツ検出センサを、当該基端部への電圧印加により前記試料との間隔方向に振動させる振動部と、
前記テラヘルツ検出センサと前記試料との間に間隙を介して当該試料を載置固定し、前記振動部の振動を検出した電圧に応じて、前記載置固定された試料を、前記間隙が一定となるように当該間隙方向に移動させるピエゾ基板と
を備えることを特徴とする請求項11に記載のテラヘルツ画像測定装置。
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