JP2010060284A - テラヘルツ光検出装置とその検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】極低温を必要することなく、小規模の装置で、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テラヘルツ光検出装置とその検出方法を提供する。
【解決手段】表面から一定の位置に２次元電子ガス１３が形成された半導体チップ１２と、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１４、導電性のソース電極１５、ドレイン電極１６及びゲート電極１７とを備える。カーボンナノチューブ１４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１７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する。さらに、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１８と、ソース電極とゲート電極の間に可変電圧を印加しその間のゲート電圧を検出するゲート電圧印加回路１９と、半導体チップに可変磁場を印加する磁場発生装置２０とを備える。
【選択図】図２
【解決手段】表面から一定の位置に２次元電子ガス１３が形成された半導体チップ１２と、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１４、導電性のソース電極１５、ドレイン電極１６及びゲート電極１７とを備える。カーボンナノチューブ１４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１７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する。さらに、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１８と、ソース電極とゲート電極の間に可変電圧を印加しその間のゲート電圧を検出するゲート電圧印加回路１９と、半導体チップに可変磁場を印加する磁場発生装置２０とを備える。
【選択図】図２
Description
本発明は、微弱なテラヘルツ光の強度と周波数を検出するテラヘルツ光検出装置とその検出方法に関する。
本発明において、「テラヘルツ光」とは周波数が１〜１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）の領域、すなわち波長が０．０３ｍｍ〜０．３ｍｍのサブミリ波から遠赤外線領域の電磁波を意味する。
テラヘルツ光は、電波天文学、材料科学、生体分子分光学などの基礎学術分野からセキュリティ、情報通信、環境、医療などの実用分野に至る幅広い分野での応用が期待されている。
しかし、テラヘルツ光は、赤外線、可視光、紫外線などの光（周波数１０１３〜１０１５Ｈｚ）と電波（周波数１０３〜１０１２Ｈｚ）の間に挟まれた周波数帯域の電磁波であり、光学と電子工学という既存の技術がそのままでは適用できない問題点がある。
テラヘルツ光を検出する検出器は、種々のものが既に提案されている。そのうち、テラヘルツ光の強度が数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光を検出できる検出器として、非特許文献１，２が既に報告されている。
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。
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１は、表面にシリコン酸化膜があるシリコン基板上のカーボンナノチューブによりテラヘルツ光を検出するものである。
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。
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。
特許文献１は、周波数分解の良い測定においてＳ／Ｎ比の良いスペクトルを得ることを目的とする。
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。
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。
Ｔ．Ｆｕｓｅ，ｅｔ．ａｌ，"Ｃｏｕｌｏｍｂ ｐｅａｋ ｓｈｉｆｔｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ−ｗａｖｅ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ" Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９０，０１３１１９（２００７）．
Ｃ．Ｏｔａｎｉ，ｅｔ．ａｌ，"Ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｗａｖｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ Ｎｂ−ｂａｓｅｄ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ" Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ： Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ， ｖｏｌ．４３， ｐｐ．１３０３−１３０６（２００６）．
非特許文献１のテラヘルツ光検出器は、シリコン酸化膜中の不純物準位に捕獲されている電子のテラヘルツ応答を用いる。そのため検出器作製の際に、不純物に対して所望の位置にカーボンナノチューブを配置することができない。また、不純物準位にはシャープな波長選択性がないため、テラヘルツ光の周波数測定ができない。
非特許文献２のテラヘルツ光検出器は、高感度性を得るのに０．３〜０．４Ｋの極低温を必要とするため、高価で大規模なヘリウム３クライオスタットを使用しなければならない。
特許文献１のテラヘルツ光検出器は、部材２０によりテラヘルツ光が吸収されるので、強度が数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光の検出はできない。
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、極低温を必要することなく、小規模の装置で、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テラヘルツ光検出装置とその検出方法を提供することにある。
本発明によれば、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、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、
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、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。
本発明の好ましい実施形態によれば、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。
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、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、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。
また本発明によれば、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。
本発明の好ましい実施形態によれば、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。
上記本発明の構成によれば、テラヘルツ光を照射することで、ゲート電圧に対するＳＤ電流のピーク（クーロンピーク）が正のゲート電圧側にシフトし、このシフト（クーロンピークシフト）が最大となる磁場から、テラヘルツ光の周波数を求めることができることが、後述する温度２．５Ｋの試験結果から確認された。
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。
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。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明で使用する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の説明図である。
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。
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。
図２は、本発明によるテラヘルツ光検出装置の構成図である。この図において、（Ａ）はテラヘルツ光検出装置の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図（平面図）である。
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。
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。
半導体チップ１２は、表面から一定の位置（距離）に２次元電子ガス１３が形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。なお、図１におけるゲート、ソース及びドレインがないＨＥＭＴをここでは半導体チップ１２と呼ぶ。
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。
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、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層又は多層の同軸管状になった物質である。かかるカーボンナノチューブ１４は、銅の１０００倍以上の高電流密度耐性を有しており、テラヘルツ光１による少数個の光子により長さ方向の電流が大きく変化する特性を有し、検出部として２次元電子ガス１３よりも高い高感度検出が可能である。
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。
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。
ソース電極１５及びドレイン電極１６は、１本のカーボンナノチューブ１４を挟んでその長さ方向外側に間隔を開けて位置し、半導体チップ１２の表面に密着して設けられる。また、この例ではソース電極１５は接地され、０Ｖに保持される。
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。
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。
ゲート電極１７は、カーボンナノチューブ１４の側面から一定の間隔（後述する実施例では、５００ｎｍ）を隔てて位置し、半導体チップ１２の表面に密着して設けられる。
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。
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。
ＳＤ電流検出回路１８は、ソース電極１５とドレイン電極１６を電気的に接続する導電線１８ａと、導電線１８ａの途中に設けられた直流電源１８ｂ及び電流計１８ｃとからなる。直流電源１８ｂはソース電極１５とドレイン電極１６の間にドレイン電極１６をプラス（＋）とする所定の電圧を印加する。また、電流計１８ｃはソース電極１５とドレイン電極１６の間に流れる電流（以下、「ソース−ドレイン電流」または「ＳＤ電流」と呼ぶ）を検出する。所定の電圧は後述の実施例では１．５ｍＶ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。
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。
ゲート電圧印加回路１９は、ソース電極１５とゲート電極１７を電気的に接続する導電線１９ａと、導電線１９ａの途中に設けられた直流電源１９ｂとからなる。直流電源１９ｂはソース電極１５とゲート電極１７の間にゲート電極１７をマイナス（−）とする可変ゲート電圧を印加する。以下、ソース電極１５とゲート電極１７の間の電圧を「ゲート電圧」と呼ぶ。
図３は、図２の磁場発生装置の模式図（Ａ）とテラヘルツ光検出原理の説明図（Ｂ）である。
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。
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。
図３（Ｂ）は、磁場印加によるランダウ準位の形成を示す図である。この図において、横軸は状態密度、縦軸は電子のエネルギーである。
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。
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。
サイクロトロン吸収が生じる際のテラヘルツ光の光子エネルギーｈｆは、サイクロトロン吸収が生じる際のランダウ準位のエネルギー間隔に等しくなる。
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。
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。
図２及び図３において、本発明のテラヘルツ光検出装置１０は、さらに検出制御装置２２を備える。検出制御装置２２は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、ＳＤ電流検出回路１８、ゲート電圧印加回路１９及び磁場発生装置２０を制御し、かつ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機能を有する。
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。
上述した本発明によるテラヘルツ光検出装置を用い、温度を２．５Ｋ、ドレイン電極１６に１．５ｍＶの電圧を印加し、数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光１を照射した。なおこの試験では、電流計１８ｃにノイズカットフィルター１８ｄを取り付け、変動の激しいノイズを除去した。
図４は、１．６ＴＨｚのテラヘルツ光１を検出した試験結果である。各図において、横軸はゲート電圧（Ｖ）であり、縦軸はソース−ドレイン電流（ｐＡ）である。
図４において、各データの右端に記載した数字は、磁場Ｂ（Ｔ）の強度である。また各データは、図面の明瞭化のため、上下にシフトして記載しており、各データの水平部は０（ｐＡ）である。
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。
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。
このシフト（クーロンピークシフトと呼ぶ）の大きさは、検出されたテラヘルツ光の２次元電子ガス１３による吸収効率に比例すると考えられる。すなわち、クーロンピークシフトが最大となる磁場Ｂは、照射したテラヘルツ光１の波長１８４μｍ（１．６ＴＨｚ）とＧａＡｓ中の電子の有効質量０．０６６５ｍ０（ｍ０：自由電子の質量）から導出されるサイクロトロン共鳴時の値と一致している。
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。
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。
図５は、２．５ＴＨｚのテラヘルツ光１を検出した試験結果である。この例では、磁場Ｂが０に対し、磁場Ｂが６．１３（Ｔ）までは、各データの信号検出位置が右方にシフトし、６．１３（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。
図４と図５からテラヘルツ光１の波長を変えると、ピークシフトが最大となる磁場もそれに比例して変化することが分かった。以上の事実は、２ＤＥＧ中でテラヘルツ光１で励起されたキャリアを、間近にあるＣＮＴがエレクトロメータとして読み取っていることを意味する。
上述した本発明によるテラヘルツ光検出装置を用い、温度を２．５Ｋ、ドレイン電極１６に１．５ｍＶの電圧を印加し、数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光１を照射した。なおこの試験では、電流計１８ｃからノイズカットフィルター１８ｄを取り外した。
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。
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。
図６は、本発明のテラヘルツ光検出装置による１．６ＴＨｚのテラヘルツ光１の検出結果である。この図において、横軸は時間、縦軸は電流（ソース−ドレイン電流）である。
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。
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。
図７は、本発明によるテラヘルツ光検出方法のフロー図である。この図は、上述したテラヘルツ光検出装置を用いてテラヘルツ光１の周波数を求める方法を示している。
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）。
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）。
図８は、本発明によるテラヘルツ光検出方法の別のフロー図である。この図は、上述したテラヘルツ光検出装置を用いて数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光１を検出する方法を示している。
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。
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。
上述した本発明の構成によれば、テラヘルツ光を照射することで、ゲート電圧に対するＳＤ電流のピーク（クーロンピーク）が正のゲート電圧側にシフトし、このシフト（クーロンピークシフト）が最大となる磁場から、テラヘルツ光の周波数を求めることができることが、温度２．５Ｋの試験結果から確認された。
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。
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。
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
１ テラヘルツ光、
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
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 (6)
- 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、を備えることを特徴とするテラヘルツ光検出装置。 - 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、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２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３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５に記載のテラヘルツ光検出方法。
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