JP2007316044A

JP2007316044A - フォトキャパシタンス法を用いたテラヘルツ光センシングシステム

Info

Publication number: JP2007316044A
Application number: JP2006173094A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】フォトキャパシタンス測定技術、テラヘルツ光発生技術および計測技術などを組み合わせて、テラヘルツ光の微弱光計測、高速イメージング計測、広帯域・高分解能計測などを可能にする、特に、強い低温がなくても長波長が測れるという長所をもつセンシング手段を提供する。
【解決手段】所定の波長と強度をもつテラヘルツ光を受光すると、所定のエネルギー準位がイオン化するフォトダイオードと、該イオン化により変化する該フォトダイオードのフォトキャパシタンスを計測する手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ光センシング及びその応用システムに関わる。

テラヘルツ光は未踏領域の電磁波だったために、その応用は殆んど進展していなかったが、最近、当発明者等により、０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚなどと広範囲にわたって連続している周波数帯で、極めて周波数純度が高く、且つ、高エネルギーのテラヘルツ光が得られるようになった。
しかしながら、テラヘルツ光のセンシング手段において、高感度・高速・広帯域及び画像技術などに課題が多く残っている。
従って、テラヘルツ光の被照射でエネルギーを得て、相応する静電容量の変化を捉える手法、所謂、当発明者による下記文献４などのフォトキャパシタンス法の適用は、従来無かった新しいテラヘルツ光センシング技術を構築し、多くの学術理論や産業分野などへの展開が期待される。
特願２００５−１６３２３９ＡｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｆＴＨｚｓｐｅｃｔｒａ（Ｐｒｏｃ．Ｊａｐａｎ．Ａｃａｄ．，８１，Ｓｅｒ．Ｂ（２００５）ＧａＰＴＨｚ−ｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄＴＨｚｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｕｓｉｎｇＣｒ．Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅｌａｓｅｒｓ（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｕｒｕｍｅｎｔｓ７６２００５１２３１０９）Ａｕｔｏｍａｔｉｃｋｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｈｏｔｏｃａｐａｃｉｔｏｍｅｔｒｙａｎａｌｙｓｉｓ（Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｕｒｕｍ．５７．（３），Ｍａｒｃｈ１９８６）ＥｘｉｔａｔｉｏｎｐｈｏｔｏｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓｔｕｄｙｏｆＥＬ２ｉｎｎ−ＧａＡｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｎｎｅａｌｉｎｇｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｒｓｅｎｉｃｖａｐｏｒｐｒｅｓｓｕｒｅｓ（ＪＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ９７，０３３７０５（２００５））

本発明は、上記特許文献１〜５に示すフォトキャパシタンス測定技術、テラヘルツ光発生技術および計測技術などを組み合わせて、テラヘルツ光の微弱光計測、高速イメージング計測、広帯域・高分解能計測などを可能にする、特に、強い低温がなくても長波長が測れるという長所をもつセンシング手段を提供することを目的としている。

以下、特許請求の範囲の項で記述したフォトダイオードについて説明するが、ヘテロ接合、フォトトランジスタ、高抵抗層などの形態の素子にも同様に適用可能である。

請求項１記載の発明は、所定の波長と強度をもつテラヘルツ光を受光すると、所定のエネルギー準位がイオン化するフォトダイオードと、該イオン化により変化する該フォトダイオードのフォトキャパシタンスを計測する手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によると、例えば、半導体ｐｎ接合の空乏層容量で形成されているキャパシタンスに、０．１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ、即ち、０．４１ｍｅＶ〜４１０ｍｅＶ近傍の所定のテラヘルツ光を照射すると、所定のエネルギー準位にトラップされているキャリアは、該照射光と該エネルギー準位に相応して励起されイオン化するので、受光したテラヘルツ光と空乏層容量の変化、即ち、フォトキャパシタンスから、テラヘルツ光の波長及び強度を計測することが出来る。

つまり、フォトダイオードがテラヘルツ光を受光し、エネルギー準位Ｅｘにある担体が励起されイオン化された数Ｎｘと、空乏層容量Ｃｘ及びその変化ｄＣｘの関係は、数式１、数式２で表される。
ここで、Ｘは空乏層端ｘ点における空乏層厚さ、κ_１、κ_２は定数、ｄＶはそのときのＣｘ−Ｖｘ曲線における印加電圧の変化である。

テラヘルツ光の波長は所定のエネルギー準位Ｅｘに対応し、強度はイオン化数Ｎｘに対応している。

請求項２記載の発明は、該フォトキャパシタンス計測の前に、該フォトダイオードに順方向電圧を印加して担体を注入する初期条件の設定手段を備えたことを特徴とする。

この発明によると、例えば、ｐｎダイオードを暗黒に近い状態で順方向バイアスして担体を注入するので、迷光の侵入などでイオン化しているエネルギー準位が中性化され、フォトキャパシタンスの高精度測定ができる。

請求項３記載の発明は、該フォトダイオードの受光窓にフルーロゴールド、フォトニック結晶、メタルメッシ、液晶などの熱遮断フィルタ手段を備えたことを特徴とする。

この発明によると、例えば、常温にある周辺機器からの放射熱などは、これらの熱を遮断するフィルタを用いると、テラヘルツ光より高エネルギーの熱雑音を大幅に低減できる。

請求項４記載の発明は、平面上に複数個配置した該フォトダイオードが、夫々異なるエネルギー準位を有しており、且つ、該フォトダイオードの受光位置を移動機構により移動可能にしたことを特徴とする。

この発明によると例えば、同一平面上で波長の異なるテラヘルツ光を広い領域にわたって高速にセンシングできる。

請求項５記載の発明は、該フォトダイオードが、エネルギー準位の異なる層を１層以上有しており、該フォトダイオードに印加する電圧の増減により、空乏層端が所定のエネルギー準位の層に設定される様にしたことを特徴とする。

この発明によると、例えば、ｐｎ接合の静電容量を一定に保つと、空乏層端の位置が定まるので、該位置にある層が有する所定のエネルギー準位に相応する波長のテラヘルツ光がセンシングされる。印加電圧を変えると、その大きさに応じて空乏層端の位置が移り、同様に、その層が有する所定のエネルギー準位に相応するテラヘルツ光がセンシングされる。

請求項６記載の発明は、該フォトダイオードをマトリックスに配列して、所定の波長のテラヘルツ光に相応するイメージング装置、テラヘルツ分光カメラを形成していることを特徴とする。

この発明によると、例えば、複数の波長のテラヘルツ発光、反射光、散乱光がある被写体の像は、該フォトダイオードマトリックス上のフォトキャパシタンスで夫々計測され、その強度はイオン化数に応じて写し出される。
つまり、エネルギー準位の異なる複数のテラヘルツ光の像は、相応する空乏層端で夫々計測され、該フォトダイオードマトリックスから分光イメージングとして夫々画像化される。

請求項７記載の発明は、該層の１層にエネルギー準位を複数混在させて、該１層でも複数の波長のテラヘルツ波をセンシング可能にしたことを特徴とする。

この発明によると、例えば、該フォトダイオードの印加電圧を調整して静電容量を一定に保つと、複数のエネルギー準位が形成されている空乏層端の位置で、波長の異なるテラヘルツ光のセンシングが可能となる。

請求項８記載の発明は、タンネットダイオード、ＧａＰ結晶、ＧａＳｅ結晶を用いている夫々のテラヘルツ光源を、単独に、あるいは組み合わせて、波長がほぼ連続的に変えられるテラヘルツ光源と、同一及び異種不純物を多くドーピングして、エネルギー準位をほぼ連続的に形成したフォトダイオードセンサを用いたことを特徴とする。

この発明によると、従来無かったコヒーレント光で、高出力、高分解能、広帯域のテラヘルツ光源及び高感度、高分解能、広帯域、超小型のテラヘルツセンサが得られるので、例えば、０．５ｍｅＶ〜４１０ｍｅＶの範囲の半導体結晶のエネルギー準位が精密に計測できる。

請求項９記載の発明は、フォトキャパシタンスの代わりにフォトフォトコンダクタンスを計測する手段を備えたことを特徴とする。

この発明によると、例えば、伝導帯端近傍に不純物準位、即ち、極低温下においてもイオン化しているエネルギー準位を設置しておくと、テラヘルツ光を受光して更に励起される電子を外部回路に容易に取り出すことができるので、所定のテラヘルツ光あるいは微弱なテラヘルツ発光即ちパッシブなテラヘルツ光などもフォトフォトコンダクタンスの変化として計測できる様になる。

請求項１０記載の発明は、上記、請求項１〜請求項９記載の手段を複数組み合わせて備えたことを特徴とする。

複数組み合わせることにより、複数の機能がより有効に作用するので、高水準の計測ができる様になる。

本発明によるテラヘルツ光のセンシングはエネルギー準位の励起現象を利用するため、従来の熱感知型センシングの様に、受光素子が有している熱容量で応答速度が制限されない利点がある。
また、本発明によるフォトキャパシタンス法あるいはフォトコンダクタンス法は受光素子の構造が単純なので、微細加工も容易であり集積化・小型化、従って、テラヘルツ光の撮像デバイスとしても利点がある。
更に、一般的に量子型センサは波長選択の範囲が狭いが、当発明では、例えば、請求項８記載のフォトダイオード、あるいは、請求項４記載の多数のフォトダイオードを用いて、所定のエネルギー準位を厳密に設定できる利点があり、選択できる波長範囲を大幅に拡げられる。

室温中に在る試料のテラヘルツ分光イメージングを撮る場合において、ＧａＰなどを用いて発生させた波長可変のテラヘルツ光を試料に照射して、その透過光・反射光・散乱光などを室温カットフィルターを通して冷凍機中にある該フォトダイオードマトリックス上に結像させると、分光データがマッピンッグされる。テラヘルツ光の波長は該空乏層端位置で設定され、受光強度を現すフォトン数はフォトキャパシタンス測定で精密計測される。このとき、テラヘルツ光は同期検波方式で測定すると雑音特性が良い。

図１は、請求項１〜請求項３、請求項５について説明するもので、テラヘルツ光の波長と強度をフォトダイオード列で計測する一実施例の模式図である。
最初、ｐｎダイオードＤ_１〜Ｄ_４に、初期化のため順方向に直流バイアスＶ_ｆを印加するが、その後、スイッチＳ_ｆで逆方向の直流バイアスＶ_ａに切り替える。
直流バイアスＶ_ａの大きさによってｐｎダイオードの空乏層容量（接合容量）Ｃ_１〜Ｃ_４が変わり、その空乏層端は、エネルギー準位Ｅ_１〜Ｅ_４を有するｌ_１〜ｌ_４の４層を移動するが、該準位に捕獲されている担体は、波長λ_１〜λ_４のテラヘルツ光を受けて、相応する該準位の層で励起され該準位はイオン化する。その数は、前記の数１、数２で計測される。
ここで、高周波容量計Ｃで測定されるＣｘが空乏層端Ｘにおける静電容量値、該イオン化数Ｎｘは、そのときの直流バイアスＶ_ａと容量Ｃｘの関係式で表される。
従って、本実施例では、空乏層端Ｘからテラヘルツ波のλ_１〜λ_４、イオン化数からテラヘルツ光の強度即ちフォトン数が計測される。

この例では、ｐｎダイオードアレーが４°Ｋの冷凍室に入っていて、ＦＬＵＯＲＯＧＯＬＤなどの熱遮断フィルタＦ_１〜Ｆ_４（波長２００μｍ以下カット）で熱線の侵入を低減させている。受光するテラヘルツ光の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４は夫々１ＴＨｚ、２ＴＨｚ、３ＴＨｚ、４ＴＨｚである。Ｓ_１〜Ｓ_４は、フォトダイオードの切り替えスイッチである。
ｐｎダイオード中Ｄ_１〜Ｄ_４の層、エネルギー準位、空乏層容量の符号で同一部分は重複するので図示していない。

請求項４記載の発明は、図１においてはｐｎダイオードＤ_１〜Ｄ_４が同じエネルギー準位であるが、この部分が異なっていて、且つ、該ダイオードが個別あるいは一緒に移動可能にしている。

請求項６記載の発明は、図１において、ｐｎダイオードを並べて、行と列の数を増やしたものである。

請求項７記載の発明は、図１において、例えば、ｐｎダイオードＤ_１において、ｌ_４層に２以上の不純物準位を形成するものである。

請求項８記載の発明は、図１において、例えば、該テラヘルツ光の波長λ_１と該エネルギー準位Ｅ_１を連続的なものに変える方法として、該波長λ_１は、ＹＡＧレーザとＣｒ；Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅレーザを用いてＧａＰからテラヘルツ光の波長分解能を高く、広帯域のテラヘルツ光を発振させる。
該エネルギー準位Ｅ_１は、シリコン結晶中にＳｂ、Ｐ、Ａｓ、Ｂｉ、あるいは、Ｂａ、Ａｌ、Ｂを多く混在させて連続的に形成するものである。

請求項９記載の発明は、図１において、高周波静電容量計Ｃと並列に図示しない電流計を配置するとフォトコンダクタンスが計測できるものである。

図２は、本発明の１実施例で、方向Ｖから障害物Ｆ_Ｔがあるために目視できない物体Ｉｏにテラヘルツ光Ｔ_１を照射し、フォトキャパシタンス法によるテラヘルツ光センシングシステムを用いて画像で捉えるものである。
ＧａＰを用いたテラヘルツ光源Ｔｓから、変調したテラヘルツ光が物体Ｉｏに照射されると、その散乱光Ｔ_２がレンズＬと熱遮断フィルターＦ_５を通過して当発明によるフォトダイオードマトリックスＩ_Ｔに結像する。
フォトダイオードマトリックスは、液体冷媒を使用していない小型冷凍器Ｃｚで極低温に冷却されていて、専用の電磁及び熱遮蔽されたホルダーＣｈで固定されているので、テラヘルツ光の波長と強度はフォトキャパシタンス信号として明確に測定できる。ここでは、変調光であるテラヘルツ光Ｔ_１に同期検波かけられる様に、エネルギー準位からの励起速度が速い不純物を選定している。

０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの間の周波数範囲に亘って、テラヘルツ光の微弱光計測、高速イメージング計測、広帯域・高分解能計測などが可能となるので、工業・農業などの産業上のみならず、学術上・安全対策上の利用可能性が高い。

本発明装置の１実施例で、テラヘルツ光の波長と強さのセンシング手段について説明した図である。（実施例１）本発明装置の１実施例で、繊維密度の計測方法を説明した図である。（実施例２）

符号の説明

Ｄ_１〜Ｄ_４ダイオード
Ｖ_ｆ、Ｖ_ｆ直流バイアス
Ｓ_ｆ、Ｓ_１〜Ｓ_４スイッチ
Ｅ_１〜Ｅ_４エネルギー準位
Ｃ_１〜Ｃ_４空乏層容量
ｌ_１〜ｌ_４層
λ_１〜λ_４波長
Ｃ高周波容量計
Ｃｘ静電容量
Ｘ空乏層端
Ｎｘイオン化数
Ｆ_１〜Ｆ_４熱遮断フィルタ
Ｖ方向
Ｆ_Ｔ障害物
Ｉｏ物体
Ｔ_１テラヘルツ光
Ｔ_２散乱光
Ｌレンズ
Ｆ_５熱遮断フィルター
Ｉ_Ｔオードマトリックス
Ｃｚ小型冷凍器

Claims

０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの間のテラヘルツ光の波長・強度などを計測する場合において，所定の波長と強度をもつテラヘルツ光を受光すると、所定のエネルギー準位がイオン化するフォトダイオードと、該イオン化により変化する該フォトダイオードのフォトキャパシタンスを計測する手段とを備えたことを特徴とするテラヘルツ光センシングシステム。
該フォトキャパシタンス計測の前に、該フォトダイオードに順方向電圧を印加して担体を注入する初期条件の設定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ光センシングシステム。
該フォトダイオードの受光窓にフルーロゴールド、フォトニック結晶、メタルメッシ、液晶などの熱遮断フィルタ手段の少なくとも一つを備えたことを特徴とする請求項１、請求項２記載のテラヘルツ光センシングシステム。
平面状に複数個配置した該フォトダイオードが、夫々異なるエネルギー準位を有しており、且つ、該フォトダイオードの受光位置を移動機構により移動可能にしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３記載のテラヘルツ光センシングシステム。
該フォトダイオードが、エネルギー準位の異なる層を１層以上有しており、該フォトダイオードに印加する電圧の増減により、空乏層端が所定の該エネルギー準位の層に設定される様にしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３記載のテラヘルツ光センシングシステム。
該フォトダイオードをマトリックスに配列して、イメージング装置・テラヘルツ分光カメラを形成したことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項５記載のテラヘルツ光センシングシステム。
請求項５において、
該層の１層にエネルギー準位を複数混在させて、該１層でも複数の波長のテラヘルツ波をセンシング可能にしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６記載のテラヘルツ光センシングシステム。
タンネットダイオード、ＧａＰ結晶、ＧａＳｅ結晶を用いている夫々のテラヘルツ光源を、単独に、あるいは組み合わせて、波長がほぼ連続的に変えられるテラヘルツ光源と、同一及び異種不純物を多くドーピングして、エネルギー準位をほぼ連続的に形成したフォトダイオードセンサを用いたことを特徴とする請求項１〜請求項７記載のテラヘルツ光センシングシステム及びテラヘルツ分光システム。
フォトキャパシタンスの代わりにフォトコンダクタンスを計測する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項８記載のテラヘルツ光センシングシステム及びテラヘルツ分光システム。
上記、請求項１〜請求項９記載の機能を複数備えたことを特徴とするテラヘルツ光センシングシステム及びテラヘルツ分光システム。