JP4107354B2 - Millimeter-wave / far-infrared photodetector - Google Patents
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Description
この発明は、ミリ波・遠赤外光計測器に利用し、特に半導体量子ドットを制御してミリ波・遠赤外領域のビデオ信号を検出するためのミリ波・遠赤外光検出器に関するものである。 The present invention relates to a millimeter-wave / far-infrared light detector for use in a millimeter-wave / far-infrared light measuring instrument, and in particular, for controlling a semiconductor quantum dot to detect a video signal in the millimeter-wave / far-infrared region. Is.
一般に、電磁波の検出器には位相敏感検波を行う周波数混合器(ミキサー)と、非干渉性の検波を行うビデオ信号検出器とがあるが、微弱光の検出には後者のビデオ信号検出器の方が感度が優れている。 In general, electromagnetic wave detectors include a frequency mixer (mixer) that performs phase-sensitive detection and a video signal detector that performs incoherent detection. However, the latter video signal detector is used to detect weak light. The sensitivity is better.
ミリ波・遠赤外領域での従来のビデオ検出器の中で、最も感度が優れているのは、波長範囲が0.1mm〜1mmの0.3K以下の極低温で用いるゲルマニウム複合ボロメーターと、波長範囲が0.06mm〜0.1mmの2K程度の低温で用いるドープしたゲルマニウムによる光伝導検出器である。 Among the conventional video detectors in the millimeter-wave / far-infrared region, the most sensitive is the germanium composite bolometer used at an extremely low temperature of 0.3 K or less with a wavelength range of 0.1 mm to 1 mm. The photoconductivity detector by doped germanium used at a low temperature of about 2K having a wavelength range of 0.06 mm to 0.1 mm.
その雑音等価出力(Noise Equivalent Power、以下「NEP」と記す)は10-16 WHz-1/2から10-18 WHz-1/2に達する。
電磁波のエネルギー量子、すなわち光量子で見た場合、この感度は、1秒間の測定時間を考えたときに、百万個程度以上の光子束が検出器に入射しない限り雑音以上の信号として検出できないことを意味する。
The noise equivalent output (Noise Equivalent Power, hereinafter referred to as “NEP”) reaches from 10 −16 WHz −1/2 to 10 −18 WHz −1/2 .
When viewed in terms of energy quanta of electromagnetic waves, that is, photons, this sensitivity cannot be detected as a signal over noise unless a million photon flux is incident on the detector, considering a measurement time of 1 second. Means.
さらに、このような検出器では応答速度が100m秒程度と極めて遅い。応答速度の速い検出器として、超伝導ボロメーター、超伝導トンネル接合、半導体(InSb)中ホットエレクトロン等が利用されているが、感度はゲルマニウム複合ボロメーターに比べて劣る。 Furthermore, such a detector has a very slow response speed of about 100 milliseconds. A superconducting bolometer, a superconducting tunnel junction, a hot electron in a semiconductor (InSb), or the like is used as a detector having a high response speed, but the sensitivity is inferior to that of a germanium composite bolometer.
上述した検出器とは別に、通常の単一電子トランジスタにマイクロ波を照射すると光子補助トンネル効果(photon assisted tunneling)による信号が得られることが知られているが、この効果では、電磁波光子一つの吸収によって電子が一つしか電極間を移動しないため、検出器としての感度は低い。
このように、従来の検出器には感度及び応答速度の優れたものが存在しなかった。その理由は、いずれの検出器も伝導電子が連続的エネルギー準位帯構造の中にあるために電磁波によって励起された状態の寿命が短いこと、また検出器中の全電子による平均伝導度の変化によって電磁波を検出するため、少数の電子の励起による効果が圧倒的多数の他の電子によって薄められてしまい効率が低いこと、さらに光子補助トンネル効果のように電磁波光子一つの吸収によって電子が一つしか電極間を移動しないためであった。 As described above, none of the conventional detectors has excellent sensitivity and response speed. The reason is that all detectors have a short lifetime in the state excited by electromagnetic waves because conduction electrons are in a continuous energy level band structure, and the change in average conductivity due to all electrons in the detector. Because the effect of excitation of a small number of electrons is overwhelmingly diminished by a large number of other electrons, the efficiency is low, and one electron is absorbed by the absorption of a single electromagnetic photon like the photon-assisted tunneling effect. However, it was because it moved between the electrodes.
そこで、この発明は、上述したすべての機構とは全く異なる機構に基づき従来の検出器に関わる解決すべき課題を根本的に除去することにより、桁違いに感度が優れ、かつ、応答速度の早いミリ波・遠赤外光検出器を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention fundamentally eliminates the problems to be solved related to the conventional detector based on a mechanism that is completely different from all the above-described mechanisms, so that the sensitivity is extremely superior and the response speed is high. It aims at providing a millimeter-wave / far-infrared photodetector.
上記目的を達成するために、本発明のミリ波・遠赤外光検出器は、電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第1の量子ドットと、この第1の量子ドットに静電的に結合した第2の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、単一電子トランジスタは、2次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この2次元電子系内にトンネル結合する量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、第1の量子ドットのイオン化に伴う第2の量子ドットの静電的状態の変化によって単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて電磁波を検出する。 In order to achieve the above object, the millimeter-wave / far-infrared light detector of the present invention causes an electromagnetic wave coupling means for concentrating electromagnetic waves in a submicron-sized minute space region, and ionizes by absorbing the concentrated electromagnetic waves. A single electron transistor including a first quantum dot and a second quantum dot electrostatically coupled to the first quantum dot, the single electron transistor being a single electron forming a two-dimensional electron system A first quantum dot having a heterostructure, a gate electrode for controlling an electrostatic potential of a quantum dot tunnel-coupled in the two-dimensional electron system, and a source electrode and a drain electrode tunnel-coupled to the quantum dot. Electromagnetic waves are detected based on the change in the electrical conductivity of the single-electron transistor due to the change in the electrostatic state of the second quantum dot accompanying the ionization of.
上記構成において、第1の量子ドットのイオン化が、第1の量子ドットの量子化束縛状態の電子を、第1の量子ドット外部の電子系の自由電子状態に励起することによって生ずることを特徴とする。
第1の量子ドットのイオン化エネルギーが、第1の量子ドットのゲートに印加するバイアス電圧の大きさによって制御可能であることを特徴とする。
第1の量子ドット及び前記第2の量子ドットが、同一の半導体構造基板上にあって、それぞれのゲートに印加するバイアス電圧によって静電的に分離して形成されたことを特徴とする。
第1の量子ドットと第2の量子ドットとを半導体中にあって間隙を介して隣接して形成したことを特徴とする。
第2の量子ドットが、第1の量子ドットの上に形成した金属ドットであって、この金属ドットに形成した金属リード線とトンネル接合して単一電子トランジスタを形成したことを特徴とする。
第2の量子ドットがアルミニウム金属ドットであり、トンネル接合する部分を酸化アルミニウムとしたことを特徴とする。
電磁波結合手段が、第1の量子ドットと前記電磁波とを電気的に結合するアンテナであることを特徴とする。
電磁波結合手段が、第1の量子ドット及び第2の量子ドットを形成するバイアス電圧印加のためのゲートを兼ねていることを特徴とする。
電磁波結合手段のリード部分の長さ方向を、この電磁波結合手段の分極軸方向に垂直に形成していることを特徴とする。
電磁波結合手段の結節点の大きさと量子ドットの最大の大きさとが同程度であることを特徴とする。
電磁波結合手段の電極差し渡し長さが電磁波の波長の約1/2であることを特徴とする。
単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極との距離が、電磁波結合手段の分極軸方向の長さ以上であることを特徴とする。
単一電子トランジスタが化合物半導体であることを特徴とする。単一電子トランジスタはIII−V族化合物半導体であることを特徴とする。
単一電子トランジスタが、III−V族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする。単一電子トランジスタが、アルミニウムガリウム砒素/ガリウム砒素の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする。単一電子トランジスタが、IV族半導体であることを特徴とする。
単一電子トランジスタを量子ドットに対して対称に形成していることを特徴とする。
前記構成に加え、電磁波結合手段に電磁波を導く光導入部を備えたことを特徴とする。
In the above-described configuration, the ionization of the first quantum dot is caused by exciting electrons in a quantization bound state of the first quantum dot to a free electronic state of an electron system outside the first quantum dot. To do.
The ionization energy of the first quantum dot can be controlled by the magnitude of the bias voltage applied to the gate of the first quantum dot.
The first quantum dots and the second quantum dots are formed on the same semiconductor structure substrate and are electrostatically separated by a bias voltage applied to each gate.
The first quantum dot and the second quantum dot are formed adjacent to each other through a gap in a semiconductor.
The second quantum dot is a metal dot formed on the first quantum dot, and a single electron transistor is formed by tunnel junction with a metal lead wire formed on the metal dot.
The second quantum dot is an aluminum metal dot, and the tunnel junction is made of aluminum oxide.
The electromagnetic wave coupling means is an antenna that electrically couples the first quantum dot and the electromagnetic wave.
The electromagnetic wave coupling means also serves as a gate for applying a bias voltage for forming the first quantum dot and the second quantum dot.
The length direction of the lead portion of the electromagnetic wave coupling means is formed perpendicular to the polarization axis direction of the electromagnetic wave coupling means.
The size of the nodal point of the electromagnetic wave coupling means and the maximum size of the quantum dot are approximately the same.
The electrode passing length of the electromagnetic wave coupling means is about ½ of the wavelength of the electromagnetic wave.
The distance between the source electrode and the drain electrode of the single electron transistor is not less than the length in the polarization axis direction of the electromagnetic wave coupling means.
The single electron transistor is a compound semiconductor. The single electron transistor is a group III-V compound semiconductor.
The single electron transistor is characterized by having a selectively doped single heterostructure of a III-V compound semiconductor superlattice. The single-electron transistor has an aluminum gallium arsenide / gallium arsenide selectively doped single heterostructure. The single electron transistor is a group IV semiconductor.
A single electron transistor is formed symmetrically with respect to the quantum dot.
In addition to the above-described configuration, a light introducing portion for guiding the electromagnetic wave to the electromagnetic wave coupling means is provided.
上記構成では、電磁波を吸収する第1の量子ドットと、それを検出する伝導性の第2の量子ドットを分離しているので、電磁波吸収によって励起される正孔と電子とがそれぞれ第1の量子ドットの内部と外部とに分離して生ずるため、磁場を印加することなく極めて長時間の励起状態、すなわちイオン化寿命を実現できる。したがって、磁場印加なしに感度をより向上させることができ、また単一光子検出を容易に行うことができる。 In the above configuration, the first quantum dot that absorbs the electromagnetic wave and the conductive second quantum dot that detects the first quantum dot are separated, so that the holes and electrons excited by the electromagnetic wave absorption are the first and second, respectively. Since the quantum dots are generated separately inside and outside the quantum dots, an extremely long excited state, that is, an ionization lifetime can be realized without applying a magnetic field. Therefore, the sensitivity can be further improved without applying a magnetic field, and single photon detection can be easily performed.
さらに、第1の量子ドットを形成する電子系では離散準位から連続帯準位への励起を利用するため閾値、すなわちイオン化エネルギー以上のエネルギーを持つ連続的な波長帯域で良好な検出感度を有する。また検出の閾値波長、すなわちイオン化エネルギーがゲート電圧によるポテンシャル障壁高さの調節を通して直接的に制御可能である。さらに第2の量子ドットを微小にすることによって動作温度を最高2Kまで上昇させることができる。 Furthermore, since the electron system forming the first quantum dot uses excitation from the discrete level to the continuous band level, it has a good detection sensitivity in a continuous wavelength band having energy equal to or higher than the threshold, that is, the ionization energy. . In addition, the threshold wavelength of detection, that is, ionization energy, can be directly controlled through adjustment of the potential barrier height by the gate voltage. Furthermore, the operating temperature can be increased up to 2K by making the second quantum dots minute.
本発明のミリ波・遠赤外光検出器では、従来のミリ波・遠赤外光検出器に比べて桁違いに感度が高く、かつ、高速で動作するという効果を有する。 The millimeter-wave / far-infrared light detector of the present invention has an effect that the sensitivity is orders of magnitude higher than that of the conventional millimeter-wave / far-infrared light detector and operates at a high speed.
この発明のミリ波・遠赤外光検出器は、半導体量子ドットによる単一電子トランジスタ(以下、「SET」と記す。)を用いる。SETは、例えば2次元電子ガスを形成する半導体超格子の単一ヘテロ構造を有し、ソース電極及びドレイン電極により、ソース領域とドレイン領域に弱くトンネル結合した非常に小さな孤立した伝導性領域のドットと、そのドットの静電ポテンシャルを制御する制御ゲート電極とで形成される。
なお、SETは化合物半導体、特にIII−V族化合物半導体、III−V族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有しているものでも良い。さらに複数の量子ドットを有するミリ波・遠赤外光検出器の場合、IV族半導体でもよい。
The millimeter-wave / far-infrared photodetector of the present invention uses a single electron transistor (hereinafter referred to as “SET”) using semiconductor quantum dots. SET, for example, has a single heterostructure of a semiconductor superlattice that forms a two-dimensional electron gas, and is a very small isolated conductive region dot that is weakly tunnel-coupled to the source and drain regions by the source and drain electrodes. And a control gate electrode for controlling the electrostatic potential of the dot.
The SET may have a compound semiconductor, particularly a III-V group compound semiconductor, a III-V group compound semiconductor superlattice selectively doped single heterostructure. Furthermore, in the case of a millimeter wave / far infrared photodetector having a plurality of quantum dots, a group IV semiconductor may be used.
制御ゲート電極のバイアス電圧を変化させるとドット中の伝導電子の電気化学ポテンシャルが変化し、それがソース及びドレイン電極のフェルミエネルギーに等しくなる条件下でのみソース・ドレイン電流ISDが流れる。
SETのこの導通状態での伝導度、G=ISD/VSDは概ね[200〜400kΩ]-1となる。
但し、VSDはソース・ドレイン電圧であり、本発明で使用するSETでは100μV以下にしなければならない。
When the bias voltage of the control gate electrode is changed, the electrochemical potential of conduction electrons in the dot changes, and the source / drain current ISD flows only under the condition that it becomes equal to the Fermi energy of the source and drain electrodes.
The conductivity of SET in this conducting state, G = I SD / V SD is approximately [200 to 400 kΩ] −1 .
However, V SD is a source-drain voltage and must be 100 μV or less in the SET used in the present invention.
伝導性ドットとして、有効的な大きさが直径0.02μmから0.6μmの半導体量子ドットを用いると、その内部の電子系のエネルギー準位はサイズ効果又は外部から印加する磁場に応じて量子化され、そのエネルギー間隔がミリ波・遠赤外光領域の光量子に対応する。そのエネルギー間隔は、量子ドットのサイズ変化や外部磁場、バイアス電圧の印加によって制御可能である。
したがって、ミリ波・遠赤外光を照射することによって量子ドット内部で電子を共鳴的に励起することができる。
但し、励起される状態は、後述するように励起方法及び磁場印加の有無によって異なる。
When a semiconductor quantum dot having an effective size of 0.02 μm to 0.6 μm is used as the conductive dot, the energy level of the internal electron system is quantized according to the size effect or the magnetic field applied from the outside. The energy interval corresponds to the photon in the millimeter wave / far infrared region. The energy interval can be controlled by changing the size of the quantum dots, applying an external magnetic field, or applying a bias voltage.
Therefore, electrons can be resonantly excited inside the quantum dot by irradiation with millimeter wave / far infrared light.
However, the excited state differs depending on the excitation method and whether or not a magnetic field is applied, as will be described later.
いずれの場合も、励起された電子の波動関数はその空間対称性と空間分布が、基底状態のそれに比べて変化するために、量子ドットの電気化学ポテンシャル及びソース・ドレイン領域とのトンネル結合強度が大きく変化する。
このことによって、半導体量子ドット内の一つの電子の励起のみによって、SETの伝導度が20%〜99%程度と大きく変化し、その伝導度が変化した状態が、励起状態が消滅して基底状態に戻るまで、すなわち励起状態及びその緩和した状態の寿命の間保持される。
In either case, the wave function of the excited electron changes in its spatial symmetry and spatial distribution compared to that in the ground state, so the quantum potential of the quantum dot and the tunnel coupling strength with the source / drain region It changes a lot.
As a result, only by the excitation of one electron in the semiconductor quantum dot, the SET conductivity is greatly changed to about 20% to 99%, and the state in which the conductivity is changed becomes the ground state because the excited state disappears. Until the return to, i.e., the lifetime of the excited state and its relaxed state.
一方、励起された量子ドットの状態は、そのエネルギーの離散準位構造のために、基底状態に戻るまでの寿命が10n秒から1000秒と長いため、極めて感度の高い検出器となる。伝導度GがX%変化してそれがT秒間続く場合の、ソース電極からドレイン電極に送り込まれる電子の数の変化、N=GVSDT(X/100)/e、は、代表的な条件下、G=1/300kΩ、X=50%、T=1m秒、VSD=0.05mVで106 と、きわめて多数である。
つまり、一つの光子の吸収によって100万個程度以上の電子を電極間に移送することができる。
On the other hand, the state of the excited quantum dot is a highly sensitive detector because the lifetime until returning to the ground state is as long as 10 to 1000 seconds due to the discrete level structure of the energy. The change in the number of electrons sent from the source electrode to the drain electrode, N = GV SD T (X / 100) / e, when the conductivity G changes by X% and lasts for T seconds is a typical condition. Below, G = 1/300 kΩ, X = 50%, T = 1 msec, V SD = 0.05 mV, 10 6, and so many.
That is, about one million or more electrons can be transferred between the electrodes by absorption of one photon.
さらに、SET動作の原理的時定数、CSD/Gは数十p秒程度と極めて短い。ここで、CSDはソース・ドレイン間静電容量である。
したがって、電流の高速時間分解測定を通して単一のミリ波・遠赤外光子を検出することができる。
Furthermore, the fundamental time constant of the SET operation, C SD / G, is as short as several tens of p seconds. Here, C SD is a source-drain capacitance.
Therefore, a single millimeter wave / far infrared photon can be detected through fast time-resolved measurement of current.
以下、この発明によるミリ波・遠赤外光検出器を具体的な好適な実施の形態に基づいて図を参照しながら詳細に説明する。
まず、この発明のミリ波・遠赤外光検出器の構成について説明する。
図1は集光系を含めた本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の概略構成断面図である。
Hereinafter, a millimeter wave / far infrared photodetector according to the present invention will be described in detail based on a specific preferred embodiment with reference to the drawings.
First, the configuration of the millimeter wave / far infrared photodetector of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a millimeter wave / far infrared photodetector according to the present invention including a condensing system.
図1に示すように、本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器は、入射するミリ波・遠赤外光を検出器のアンテナに導くためのミリ波・遠赤外光導入部1と、半導体量子ドットを貫く電流を制御する単一電子トランジスタが形成されている半導体基板4と、単一電子トランジスタに形成されたサブミクロンサイズの微小空間領域である半導体量子ドットにミリ波・遠赤外光を集中するボータイ・アンテナ6とを備え、半導体基板4はICチップ用のパッケージ7に装着されている。
As shown in FIG. 1, the millimeter-wave / far-infrared light detector according to the present invention includes a millimeter-wave / far-infrared
ミリ波・遠赤外光導入部1は、ミリ波・遠赤外光2を導く光導入管3と、このミリ波・遠赤外光2を集光する誘電体レンズ5と、集光を補助する誘電体対物レンズ9とを有している。
誘電体対物レンズ9にはシリコンの半球レンズを使用し、この誘電体対物レンズ9はボータイ・アンテナ6や後述する半導体量子ドット表面に直接触れないように、それらに対して10μm程度の間隙を残して固定されている。なお、図1中、8は半導体基板4に形成される単一電子トランジスタ裏面側の裏面ゲート電極を示す。
The millimeter wave / far infrared
A silicon hemisphere lens is used as the dielectric
図1に示した光導入部1を含むミリ波・遠赤外光検出器10は、0.3K以下に冷却されており、必要に応じて半導体基板4(量子ドット)に垂直に磁場Bを印加する。
The millimeter-wave / far-
図2は本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、(a)はボータイ・アンテナと量子ドットによる単一電子トランジスタの平面図、(b)はメサ構造部の一部概略断面図である。
図2(a)に示すように、本発明のミリ波・遠赤外光検出器10は、ボータイ・アンテナ6と、半導体量子ドット12と、その半導体量子ドットを含む単一電子トランジスタ14とを一体として半導体基板4の上に形成され、単一電子トランジスタ14はオーミック電極16,17により所定条件下ソース・ドレイン電流が流れるようになっている。
なお、上述したように、この半導体基板4の裏面には金属薄膜が蒸着されており、裏面ゲート電極が形成されている。
2A and 2B are diagrams showing a millimeter-wave / far-infrared photodetector according to the present invention. FIG. 2A is a plan view of a single-electron transistor using a bowtie antenna and quantum dots, and FIG. FIG.
As shown in FIG. 2 (a), the millimeter-wave / far-
As described above, a metal thin film is deposited on the back surface of the
単一電子トランジスタ14の構造は、図2(b)に示すように半絶縁GaAs単結晶半導体基板4上に、変調ドープされたGaAs/Al0.3 Ga0.7 As単一ヘテロ構造を積層し、図2(a)に示す単一電子トランジスタ14のメサ構造がリソグラフィー技術を用いて形成されている。
The
GaAs/Al0.3 Ga0.7 As単一ヘテロ構造結晶としては、4.2Kでの2次元電子移動度が60m2 /Vs以上、電子濃度が2x1015/m2 から4.5x1015/m2 のものを用いる。 The GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As a single heterostructure crystal, two-dimensional electron mobility at 4.2K is 60 m 2 / Vs or more, the electron concentration those from 2x10 15 / m 2 of 4.5 × 10 15 / m 2 Is used.
ヘテロ構造は、図2(b)の断面図に示すように、結晶表面からSiを1018/cm3 程度ドープした厚さが10nm程度のGaAs層22と、Siを1x1018/cm3 ドープした厚さが70nm程度のAl0.3 Ga0.7 As層24と、厚さが20nm以上のスペーサ層である純粋Al0.3 Ga0.7 As層26と、ノンドープの厚さが100nm程度のGaAs層28とがGaAs半導体基板4上に分子線エピタキシー法などで選択ドープされて積層されている。
なお、図2(b)中の斜線部25は2次元電子系が形成されることを示したもので、厚さは10nm程度である。
半導体基板4は標準的な半絶縁GaAs単結晶で全体の厚さが0.5mm程度で、平面サイズが1mmから3mm角程度である。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 2B, the heterostructure includes a
2B shows that a two-dimensional electron system is formed, and the thickness is about 10 nm.
The
この発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の各構成部分についてさらに詳細に説明する。
図2(a)に示すように、半導体量子ドット12を含む単一電子トランジスタ14はGaAs半導体基板4上に形成された2次元電子系の細長いメサ構造を有し、このメサ構造の中央部付近が、半導体量子ドット12(詳細は後述する)外部の2次元電子系によってミリ波・遠赤外光が余分に吸収されるのを防ぐために、長さ200μm程度にわたって幅4μm程度に細く形成されている。つまり、量子ドットが形成される中央部は両端のメサ構造部分よりも細い。
また量子ドットによる単一電子トランジスタは中央部に形成される量子ドットに対して対称に形成するのがよい。
Each component of the millimeter wave / far infrared photodetector according to the present invention will be described in more detail.
As shown in FIG. 2A, the
The single-electron transistor using quantum dots is preferably formed symmetrically with respect to the quantum dot formed at the center.
メサ構造の両端にはAu/Geとの合金化による標準的なオーミック電極のソース電極16と、ドレイン電極17とが形成されている。両電極間の距離は、半導体量子ドット12への電磁波の集光を妨げないよう、ボータイ・アンテナ6の長さH程度以上の距離だけ互いに離されている。
At both ends of the mesa structure, a standard ohmic
ボータイ・アンテナ6は蒸着金属薄膜で形成されており、例えば厚さが20nmのTiと厚さが60nmのAuとで形成されている。
さらにボータイ・アンテナ6は図2(a)に示すように、単一電子トランジスタ14の幅4μm程度に細く形成されたメサ構造で向かい合って又はまたいで、反対方向に2つの正三角形をなす形で広がり、メサ構造の中央で結節点をつくっている。
The
Further, as shown in FIG. 2 (a), the
ボータイ・アンテナ6の長さ、すなわち電極の差し渡しの長さHは被測定ミリ波・遠赤外光波長の約半分である。
但し、集光過程で光が様々な入射角で入射するため、実際にはボータイ・アンテナ6は波長=2Hのみでなく、広帯域のミリ波・遠赤外光を検出することができる。
The length of the
However, since light is incident at various incident angles during the light collection process, the
ボータイ・アンテナ6は、後述するように半導体量子ドット12の形成のためのゲート電極32,34と制御ゲート電極36とを兼ねるように、ボータイ・アンテナ6の羽根の一方が3つに分割されている。
分割された各ゲート電極32,34,36にバイアス電圧を印加するため、分割された各部分は5〜10μm幅のリード部分33,35,37を介して十分離れた金属パッド部分43,45,47(20nm:Ti、150nm:Au)に接続されている。
なお、他方の羽はゲート電極30となっており、5〜10μm幅のリード部分31を介して金属パッド部分41に接続されている。
As will be described later, one of the blades of the
In order to apply a bias voltage to each of the divided
The other wing serves as a
リード部分31,33,35,37の長さ方向は、電磁波への影響を減らすために、ボータイ・アンテナ6の分極軸方向に垂直である。オーミック電極16,17及び各ゲート電極30,32,34,36は、パッド部分を利用し、金線を使って標準的ICチップ用のパッケージの端子にボンディングにより配線されている。
The length directions of the
次に、ボータイ・アンテナの結節点について説明する。
図3はこの発明に係るボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す概略図であり、(a)は磁場無印加で使用し、波長0.5〜10mmのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、(b)は1〜7Tの磁場下で使用し、波長0.1〜0.4mmのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、(c)は4〜13Tの磁場下で使用し、波長3〜10mmのミリ波・遠赤外光検出器で使用するものを示す図である。なお、Tは磁束密度の単位記号でテスラを示す。
Next, the node of the bowtie antenna will be described.
FIG. 3 is a schematic view showing a planar structure in the nodal point region of the bowtie antenna according to the present invention. FIG. 3A shows a millimeter wave / far infrared light having a wavelength of 0.5 to 10 mm, which is used without applying a magnetic field. (B) is used in a magnetic field of 1 to 7T, and is used for a millimeter wave / far-infrared light detector having a wavelength of 0.1 to 0.4 mm, and (c) is 4 to 13T. It is a figure which shows what is used with a millimeter wave and a far-infrared photodetector with a wavelength of 3-10 mm used under a magnetic field. T is a unit symbol of magnetic flux density and indicates Tesla.
図3(a)、(b)、(c)に示すように、ボータイ・アンテナ6a, 6b, 6cの結節点に量子ドット12a, 12b, 12cが形成され、ボータイ・アンテナの結節点での短絡の有無と、量子ドットの大きさは、使用条件及び被測定電磁波の波長範囲に応じて以下に示す3つの異なるものを用いるのがよい。なお、図3中、14a,14b,14cは2次元電子系メサ構造を示す。
As shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C,
第1は、磁場なしの使用条件で、検出波長範囲が0.5〜10mm、ボータイ・アンテナの形式が標準の電気結合、量子ドット電極サイズ(量子ドットの2次元電子系の有効直径)が0.2〜0.4μm(0.02〜0.2μm)の場合である。 The first is a use condition without a magnetic field, the detection wavelength range is 0.5 to 10 mm, the bowtie antenna type is standard electrical coupling, and the quantum dot electrode size (effective diameter of the quantum dot two-dimensional electron system) is 0. .2 to 0.4 μm (0.02 to 0.2 μm).
第2は、1T〜7Tの磁場印加の使用条件で、検出波長範囲が0.1〜0.4mm、ボータイ・アンテナの形式が標準の電気結合、量子ドット電極サイズ(量子ドットの2次元電子系の有効直径)が0.6〜0.8μm(0.4〜0.6μm)の場合である。 The second is a use condition of 1T to 7T magnetic field application, the detection wavelength range is 0.1 to 0.4 mm, the bowtie antenna type is standard electrical coupling, quantum dot electrode size (two-dimensional electron system of quantum dots) Is an effective diameter of 0.6 to 0.8 μm (0.4 to 0.6 μm).
第3は、4T〜13Tの磁場印加の使用条件で、検出波長範囲が3〜10mm、ボータイ・アンテナの形式が結節点短絡の磁気結合、量子ドット電極サイズ(量子ドットの2次元電子系の有効直径)が0.6〜0.8μm(0.4〜0.6μm)の場合である。 The third is the use condition of 4T-13T magnetic field application, the detection wavelength range is 3-10mm, the bowtie antenna type is the magnetic coupling of short-circuited nodal point, quantum dot electrode size (effective of quantum dot two-dimensional electron system) In this case, the diameter is 0.6 to 0.8 μm (0.4 to 0.6 μm).
図3(a)、(b)、(c)は、上述の第1、第2及び第3のそれぞれの場合に対応するボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す図である。
なお、量子ドットを形成する結節点領域が上述した量子ドット電極サイズである。
図3(a)に示す上述の第1の場合は、磁場を印加せずに使用するための構成で、量子ドット12aはボータイ・アンテナ6aによって電磁波に電気的に結合する。
被測定電磁波の波長範囲は0.5mm〜10mmである。磁場を印加しない場合、量子ドット12aの励起状態の寿命は10n秒〜1μ秒と比較的短いが、上述したようにヘリウム温度に冷却したHEMT増幅器とLCのタンク回路とを組み合わせた電流増幅回路を用いて単一光子検出が行われる。
FIGS. 3A, 3B, and 3C are diagrams showing a planar structure in the nodal point region of the bowtie antenna corresponding to each of the first, second, and third cases described above.
In addition, the node area | region which forms a quantum dot is the quantum dot electrode size mentioned above.
In the first case shown in FIG. 3A, the quantum dot 12a is electrically coupled to the electromagnetic wave by the
The wavelength range of the electromagnetic wave to be measured is 0.5 mm to 10 mm. When a magnetic field is not applied, the life of the excited state of the quantum dots 12a is relatively short, 10 ns to 1 μs, but a current amplification circuit combining a HEMT amplifier cooled to a helium temperature and an LC tank circuit as described above. Single photon detection is used.
ボータイ・アンテナ6aの一方の羽は3分割されてゲート電極32a,34a,36aとなっており、他方の羽はゲート電極30aとなっている。
ゲート電極30aの先端の二つの突起部52a,52aの各幅は0.15μmであり、ゲート電極32a,34aの先端部分54a,54aの各幅は0.15μmである。また、それぞれの突起部の向かい合う間隙55aは0.15μmである。
なお、図3(a)中、Waは2μm、Laは0.4μm、Maは0.35μmを示す。
One wing of the
The widths of the two
In FIG. 3A, Wa is 2 μm, La is 0.4 μm, and Ma is 0.35 μm.
3つのゲート電極32a,34a,30aを−0.6V程度、またゲート電極36aを−0.2Vから−3Vの負電圧にバイアスすることによって、ゲート電極の下の2次元電子系が追い払われ(depletion)、中心の0.3μm角四方部分の内側に2次元電子系が閉じ込められて量子ドット12aが形成される。
但し、量子ドットが外側の2次元電子系に弱くトンネル結合するようにゲート電極34aとゲート電極30aのバイアス電圧を微調整する。
By biasing the three
However, the bias voltage of the gate electrode 34a and the
またゲート電極36aは制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成される。
制御ゲート電極のバイアス電圧VCGを−0.2Vから−3Vの間で変化させることにより、量子ドット中2次元電子系の有効直径が約0.2μmから0.02μmまで変化する。
The
The bias voltage V CG of the control gate electrode can vary between -0.2V of -3 V, the effective diameter of the two-dimensional electron system in the quantum dots changes from about 0.2μm to 0.02 [mu] m.
次に、図3(b)、(c)は、それぞれ磁場1T〜7T及び4T〜13Tを印加して使用するための構成である。
磁場を印加した場合、量子ドットの励起状態の寿命は磁場の値と量子ドット中の電子濃度に応じて1m秒から1000秒程度に達し、高速の電流増幅回路を使用することなく、極めて容易に単一光子検出を行うことが可能である。
Next, FIGS. 3B and 3C are configurations for applying the magnetic fields 1T to 7T and 4T to 13T, respectively.
When a magnetic field is applied, the lifetime of the quantum dots in the excited state reaches 1 to 1000 seconds depending on the value of the magnetic field and the electron concentration in the quantum dots, and it is extremely easy to use without using a high-speed current amplification circuit. Single photon detection can be performed.
図3(b)に示す上述の第2の場合は、量子ドット12bがボータイ・アンテナ6bによって電磁波に電気的に結合する構成で、被測定電磁波の波長範囲が0.05mm〜0.4mmのものである。
ボータイ・アンテナ6bをなす各ゲート電極の幾何学的構成とそれぞれの役割は、図3(a)のものと同一であるが、各部分のサイズが以下のように異なる。すなわち、ゲート電極30bの二つの突起部52b, 52bの各幅は0.3μmであり、ゲート電極32b、34bの先端部分54b、54bの各幅は0.3μmである。またそれぞれの突起部の向かい合う間隙55bを0.3μmとしている。
なお、図3(b)中、Wbは4μm、Lbは0.7μm、Mbは0.7μmを示す。
In the second case shown in FIG. 3B, the
The geometric configuration and the role of each gate electrode forming the
In FIG. 3B, Wb is 4 μm, Lb is 0.7 μm, and Mb is 0.7 μm.
このように中心部の0.7μm角四方の内側に2次元電子系が閉じ込められて、有効直径が0.4μm〜0.6μmの量子ドットが形成されている。
ゲート電極36bが制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成され、制御ゲート電極のバイアス電圧VCGは−0.3Vから−1.5Vの間で変化させている。
Thus, the two-dimensional electron system is confined inside the 0.7 μm square in the center, and quantum dots having an effective diameter of 0.4 μm to 0.6 μm are formed.
図3(c)に示す上述の第3の場合は、量子ドット12cがボータイ・アンテナ6cによって電磁波に磁気的に結合する構成で、被測定電磁波の波長範囲が3mm〜10mmのものである。2次元電子系のメサ構造部分の幅、Lc及びMcを0.7μmとし、さらに0.7μm隔たった二カ所に幅0.4μmのくびれ部分56,56を形成している。
ボータイ・アンテナ6cの一方の羽は3分割されてゲート電極32c,34c,36cが形成されている。そのうちのゲート電極36cは、ボータイ・アンテナ6cの他方の羽のゲート電極30cに幅0.2μmの橋で短絡されている。
In the above third case shown in FIG. 3C, the
One wing of the
ゲート電極32cとゲート電極34cを負電圧にバイアスすることによって、くびれ部分56,56とゲート電極32c,34cとで挟まれた0.8μm角程度の領域の内側に2次元電子系が閉じ込められて、有効直径が0.4μm〜0.6μmの量子ドット12cが形成されている。
ゲート電極36cが制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成される。制御ゲート電極のバイアス電圧VCGは、量子ドット中の電子濃度に大きな変化を与えないよう、+0.1Vから−0.1Vの間で変化させている。
By biasing the
The
次に、本発明のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。実施の形態の詳細及び作用は上述した第1、第2及び第3の各場合により異なる。
図3(a)に示す第1の場合の作用について説明する。
第1の場合、量子ドットはサイズが小さく、10個から50個程度の伝導電子しか含まれていないために、電子準位がサイズ効果及び交換相互作用によって離散的エネルギー準位εn に分裂する。
Next, the operation of the millimeter wave / far infrared photodetector of the present invention will be described. Details and operations of the embodiment differ depending on the first, second, and third cases described above.
The operation in the first case shown in FIG.
In the first case, since the quantum dot is small in size and contains only about 10 to 50 conduction electrons, the electron level is split into discrete energy levels ε n by the size effect and exchange interaction. .
先ず、フェルミ準位近傍でのエネルギー分裂、Δεnm=εn −εm 、が被測定ミリ波・遠赤外光に対して次の共鳴条件を満たすように制御ゲート電圧VCGを調節する。 First, the control gate voltage V CG is adjusted so that energy splitting in the vicinity of the Fermi level, Δε nm = ε n −ε m , satisfies the following resonance condition for the measured millimeter wave / far infrared light.
ω=2πΔεnm/h ・・・(1) ω = 2πΔε nm / h (1)
但し、(1)式においてωは被測定ミリ波・遠赤外光の角振動数、hはプランク定数である。概ね、εnmは量子ドット有効直径の二乗に反比例し、例えば被測定ミリ波・遠赤外光の波長0.5mmに対してVCG=−3V〜−2V(量子ドット有効直径約0.02μm)、被測定ミリ波・遠赤外光の波長10mmに対してVCG=−0.5V〜−0.2V(量子ドット有効直径0.2μm)となる。 In equation (1), ω is the angular frequency of the millimeter wave / far infrared light to be measured, and h is the Planck constant. In general, ε nm is inversely proportional to the square of the effective quantum dot diameter. For example, V CG = −3 V to −2 V (quantum dot effective diameter of about 0.02 μm with respect to the wavelength of millimeter wave to be measured / far infrared light of 0.5 mm. ) V CG = −0.5 V to −0.2 V (quantum dot effective diameter 0.2 μm) with respect to a wavelength of 10 mm of measured millimeter wave / far infrared light.
次に、SETを伝導度ピークの状態に置く。つまり、図2の二つのオーミック電極間にソース・ドレイン電圧VSD(100μV以下)を印加しても通常はクーロン閉塞が生じていてソース・ドレイン電極間に電流ISDが流れないが、図3(a)の制御ゲート電極36aのバイアス電圧VCGを微小に変化させると、VCGの値が3mV〜20mV変化するたびに有限のISDが鋭いピークをもって現れるクーロン振動が生じる。
Next, SET is placed in the state of conductivity peak. That is, even if a source / drain voltage V SD (100 μV or less) is applied between the two ohmic electrodes in FIG. 2, normally, Coulomb blockage occurs, and the current I SD does not flow between the source / drain electrodes. When the bias voltage V CG of the
VCGを微調してISDの一つのピーク位置に合わせて固定する。この時の微小なVCGの調整は上述の共鳴条件(1)式に実質上影響を与えない。このクーロン振動のピーク状態で被測定ミリ波・遠赤外光を入射させると、入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナによって、量子ドット部分に振動電場を作り、電子の共鳴励起εn →εm を起こす。 The V CG and the fine fixed in accordance with the one of the peak position of the I SD. The minute VCG adjustment at this time does not substantially affect the above-described resonance condition (1). When the measured millimeter wave / far infrared light is incident in the peak state of this Coulomb vibration, the incident millimeter wave / far infrared light creates a vibrating electric field in the quantum dot portion by the bowtie antenna, and resonance excitation of electrons ε Causes n → ε m .
励起状態は一般に基底状態に比べて電子波動関数の空間対称性が異なるので、量子ドットのトンネル結合強度及び電気化学ポテンシャルがともに変化し、SETの伝導度Gに10%〜90%程度の大きな変化が生ずる。
この伝導度の変化は、励起がフォノン放出により消滅するまでの概ね10n秒〜1μ秒保持され、それが高速の電流増幅器によって測定される。
Since the excited state generally has a different spatial symmetry of the electron wave function compared to the ground state, both the tunnel coupling strength and the electrochemical potential of the quantum dot change, and the SET conductivity G changes greatly by about 10% to 90%. Will occur.
This change in conductivity is held for approximately 10 ns to 1 μs until excitation is extinguished by phonon emission, which is measured by a high speed current amplifier.
次に、図3(b)に示す第2の場合の作用について説明する。
図4は磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す電気的遷移の概念図であり、(a)はランダウ準位間の電子励起、(b)は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、(c)は量子ドット内の分極、(d)は静電ポテンシャルの変化ΔU及び電気化学ポテンシャルの変化Δμ0 ↑を示す図である。
Next, the operation in the second case shown in FIG.
FIG. 4 is a conceptual diagram of an electrical transition showing electronic excitation between levels due to millimeter-wave / far-infrared single photon absorption inside a quantum dot under a magnetic field, and (a) is an electron between Landau levels. Excitation, (b) relaxation of excited electrons and holes to a stable state, (c) polarization within the quantum dot, (d) electrostatic potential change ΔU and electrochemical potential change Δμ 0 ↑ FIG.
なお、図4中、0及び1は電子のエネルギー準位を示し、↑はアップスピン、↓はダウンスピンを示す。 In FIG. 4, 0 and 1 indicate electron energy levels, ↑ indicates up spin, and ↓ indicates down spin.
この第2の場合は、量子ドットはサイズが大きく、200個から400個の伝導電子を含むために電子準位に対するサイズ効果Δεnmは小さいが、図4(a)に示すように磁場印加によってエネルギー構造が間隔(h/2π)ωC ≒(h/2π)eB/m*のランダウ準位に分裂する。 In this second case, the quantum dots are large in size and contain 200 to 400 conduction electrons, so the size effect Δε nm on the electron level is small, but by applying a magnetic field as shown in FIG. energy structure is split into intervals (h / 2π) ω C ≒ (h / 2π) eB / m * of the Landau level.
ここで、ωC は、フェルミ準位近傍でのエネルギー分裂が被測定ミリ波・遠赤外光に対して共鳴条件を満たしたときの角振動数、eは電気素量で1.6x10-19 クーロン、Bは磁束密度、m*は有効質量で0.068m、mは電子の質量を示す。 Here, ω C is the angular frequency when energy splitting in the vicinity of the Fermi level satisfies the resonance condition for the measured millimeter-wave / far-infrared light, and e is the elementary quantity of 1.6 × 10 −19. Coulomb, B is magnetic flux density, m * is an effective mass of 0.068 m, and m is an electron mass.
この第2の構成の場合、先ず被測定ミリ波・遠赤外光の角振動数ωが、次のプラズマ振動の影響を含めた共鳴条件を満たすように磁場を印加する。 In the case of this second configuration, first, a magnetic field is applied so that the angular frequency ω of the millimeter wave / far infrared light to be measured satisfies the resonance condition including the influence of the next plasma vibration.
ω=[ωP 2 +(ωC /2)2 ]1/2 +(ωC /2) ・・・(2) ω = [ω P 2 + (ω C / 2) 2 ] 1/2 + (ω C / 2) (2)
ここで、ωP は量子ドットのプラズマ角振動数であり、プラズマ波長λP =2πc/ωP で表すと、図3(b)の量子ドットに対しては、約0.43mmである。
なお、cは真空中の光の速さを示す。
Here, ω P is the plasma angular frequency of the quantum dot, which is about 0.43 mm for the quantum dot in FIG. 3B when expressed by the plasma wavelength λ P = 2πc / ω P.
In addition, c shows the speed of the light in a vacuum.
式(2)を具体的に満たす磁場は、被測定波長0.1mmに対して概ねB=6T〜7T、被測定波長0.4mmに対してB=1T〜1.5Tとなる。なお、Tは磁束密度の単位記号でテスラを示す。 The magnetic field that specifically satisfies Equation (2) is approximately B = 6T to 7T with respect to the measurement wavelength of 0.1 mm, and B = 1T to 1.5T with respect to the measurement wavelength of 0.4 mm. T is a unit symbol of magnetic flux density and indicates Tesla.
次に、上述した第1の場合と同じ要領で、SETをクーロン振動のピーク状態におき、被測定ミリ波・遠赤外光を入射させる。入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナによって量子ドット部分に振動電場を作り、図4(a)中の矢印で示すようにランダウ準位間に電子の共鳴励起、すなわちマグネトプラズマ共鳴を起こす。 Next, in the same manner as in the first case described above, SET is placed in the peak state of Coulomb oscillation, and the measured millimeter wave / far infrared light is incident. The incident millimeter-wave / far-infrared light creates an oscillating electric field in the quantum dot portion by means of a bowtie antenna, and as shown by the arrow in FIG. 4 (a), resonance excitation of electrons between Landau levels, that is, magnetoplasma resonance is performed. Wake up.
励起された電子(図4(a)中の黒丸)と正孔(図4(a)中の白丸)は図4(b)に示すようにそれぞれ余剰のエネルギーを格子系へ失うことによって10n秒程度の時間内に緩和する。
その際、図4(c)に示すように、量子ドットを形成する静電ポテンシャルの影響で電子及び正孔がそれぞれ量子ドットの内部と外部へ移動し、空間的に分離されるために量子ドット内部に環状の分極が生ずる。
Excited electrons (black circles in FIG. 4 (a)) and holes (white circles in FIG. 4 (a)) lose 10 s by losing excess energy to the lattice system as shown in FIG. 4 (b). Relax in about time.
At that time, as shown in FIG. 4 (c), electrons and holes move to the inside and outside of the quantum dot due to the influence of the electrostatic potential forming the quantum dot, and are separated spatially. Annular polarization occurs inside.
そのために量子ドットの最外殻の電子準位の電気化学ポテンシャルが、分極による静電ポテンシャル変化分、ΔU=30〜60μeV、変化する。
その結果、SETの動作は伝導ピーク、すなわち伝導度Gが最大の状態からクーロン閉塞の状態、すなわちG≒0、に変化する。
伝導遮断の状態は量子ドット内で電子及び正孔が再結合するまで持続するが、その再結合寿命は電子−正孔間の空間的隔たりのために長く、容易に単一光子吸収の検出を行うことができる。
Therefore, the electrochemical potential of the electron level of the outermost shell of the quantum dot changes by the amount of change in electrostatic potential due to polarization, ΔU = 30 to 60 μV.
As a result, the SET operation changes from a conduction peak, ie, a state where the conductivity G is maximum, to a Coulomb blockage state, ie, G≈0.
The conduction blocking state lasts until the electrons and holes recombine in the quantum dot, but the recombination lifetime is long due to the spatial separation between the electrons and holes, making it easy to detect single photon absorption. It can be carried out.
この際、制御ゲート電圧VCG及び裏面ゲート(図1及び図3)のバイアス電圧により量子ドット中の平均電子濃度Nd を調節してドット中のランダウ準位の占有指数νを偶数近傍、例えばν=2.4〜1.9、4.6〜4.0及び6.6〜6.0等にすることで、特別に長寿命の状態を実現することができる。
ここでランダウ準位の占有指数νは次の(3)式で表せる。
At this time, the average electron concentration N d in the quantum dot is adjusted by the control gate voltage V CG and the bias voltage of the back gate (FIGS. 1 and 3), and the Landau level occupation index ν in the dot is set to an even number, for example, By setting ν = 2.4 to 1.9, 4.6 to 4.0, 6.6 to 6.0, etc., a particularly long life state can be realized.
Here, the Landau level occupation index ν can be expressed by the following equation (3).
ν=Nd /(2πeB/h) ・・・(3) ν = N d / (2πeB / h) (3)
次に、図3(c)で示す第3の場合の作用について説明する。
図5は磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す磁気的遷移の概念図であり、(a)はスピン状態間の電子励起、(b)は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、(c)は量子ドット内の分極、(d)は静電ポテンシャルの変化ΔUを示す図である。
Next, the operation in the third case shown in FIG.
FIG. 5 is a conceptual diagram of magnetic transitions showing electronic excitation between levels due to millimeter-wave / far-infrared single-photon absorption inside a quantum dot under a magnetic field, and (a) shows electronic excitation between spin states. (B) is relaxation of excited electrons and holes to a stable state, (c) is polarization in a quantum dot, and (d) is a diagram showing a change ΔU in electrostatic potential.
この第3の場合は量子ドットが第2の場合の構造と同様に、サイズ効果は小さく、磁場印加によってランダウ準位への分裂に加えて、図5(a)に示すようにスピン状態による磁気的エネルギー分離、ΔεM =g*μB B、が生じている。
ここで、g*は有効g因子、μB はボーア磁子を示す。
In the third case, the size effect is small as in the case of the quantum dots in the second case. In addition to the splitting to the Landau level by the application of a magnetic field, as shown in FIG. Energy separation, Δε M = g * μ B B.
Here, g * represents an effective g factor, and μ B represents a Bohr magneton.
先ず、被測定ミリ波・遠赤外光の角周波数ωに対して次の共鳴条件を満たすように磁場を印加する。 First, a magnetic field is applied so as to satisfy the following resonance condition with respect to the angular frequency ω of the millimeter wave / far infrared light to be measured.
ω=2πΔεM /h ・・・(4) ω = 2πΔε M / h (4)
有効g因子は約g*=0.44である。 The effective g factor is about g * = 0.44.
次に、上述した第1の場合と同じ要領でSETをクーロン振動のピーク状態におき、被測定ミリ波・遠赤外光を入射させる。
入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナの短絡された結節点に振動電流を生起し、量子ドット部分に振動磁場を作る。その結果、図5(a)中の矢印で示すように、電子の磁気共鳴励起を起こす。
Next, the SET is placed in the peak state of the Coulomb vibration in the same manner as in the first case described above, and the measured millimeter wave / far infrared light is incident.
The incident millimeter-wave / far-infrared light generates an oscillating current at the short-circuited node of the bowtie antenna and creates an oscillating magnetic field in the quantum dot area. As a result, as shown by the arrow in FIG. 5A, magnetic resonance excitation of electrons occurs.
励起された電子及び正孔は図5(b)に示すように、それぞれ余剰のエネルギーを格子系へ失うことによって10n秒程度の時間内に緩和する。
その際、図5(c)に示すように、量子ドットを形成する静電ポテンシャルの影響で電子及び正孔がそれぞれ量子ドット内部で空間的に分離し、量子ドット内部に環状の分極が生ずる。
As shown in FIG. 5B, the excited electrons and holes are alleviated within about 10 ns by losing excess energy to the lattice system.
At this time, as shown in FIG. 5C, electrons and holes are spatially separated inside the quantum dot due to the influence of the electrostatic potential forming the quantum dot, and annular polarization occurs inside the quantum dot.
そのために量子ドットの最外殻の電子準位の電気化学ポテンシャルが、分極による静電ポテンシャル変化分、ΔU=10〜50μeV、変化する。
その結果、SETの動作は伝導ピーク、すなわち伝導度Gが最大の状態からクーロン閉塞の状態、すなわちG≒0、に変化する。
伝導遮断の状態は量子ドット内で電子及び正孔が再結合するまで持続するが、その再結合寿命は、スピン反転の散乱確率が低いために長く、容易に単一光子吸収の検出を行うことができる。
Therefore, the electrochemical potential of the electron level of the outermost shell of the quantum dot changes by an electrostatic potential change due to polarization, ΔU = 10 to 50 μeV.
As a result, the SET operation changes from a conduction peak, ie, a state where the conductivity G is maximum, to a Coulomb blockage state, ie, G≈0.
The state of conduction interruption continues until electrons and holes recombine in the quantum dot, but the recombination lifetime is long due to the low scattering probability of spin inversion, and single photon absorption can be easily detected. Can do.
次に複数の量子ドットを有する他の好適な実施の形態を説明する。
上述した一つの量子ドットを有する場合では磁場を印加しない限り、励起状態の寿命が1μ秒以下と比較的短い。したがって、単一光子検出を行うためには、ヘリウム温度に冷却したHEMT増幅器とLC回路を組み合わせた電流増幅器を用いるか、又は磁場を印加して励起状態の寿命を1m秒以上にする必要がある。
しかし量子ドットを複数有する他の実施の形態では磁場印加なしに感度をより向上させることができるものである。
Next, another preferred embodiment having a plurality of quantum dots will be described.
In the case of having one quantum dot as described above, unless the magnetic field is applied, the lifetime of the excited state is as short as 1 μsec or less. Therefore, in order to perform single photon detection, it is necessary to use a current amplifier that combines a HEMT amplifier cooled to a helium temperature and an LC circuit, or to apply a magnetic field so that the lifetime of the excited state is 1 ms or more. .
However, in other embodiments having a plurality of quantum dots, the sensitivity can be further improved without applying a magnetic field.
他の実施の形態に係るミリ波・遠赤外光検出器では、互いに静電的に結合した第1と第2のそれぞれサブミクロンサイズの二つの伝導性量子ドットを構成要素とする。第1の量子ドットが電磁波を吸収し、第2の量子ドットが単一電子トランジスター(SET)として動作し、このSETが第1の量子ドットにおける電磁波吸収を検知するものである。 In the millimeter-wave / far-infrared photodetector according to another embodiment, the first and second sub-micron conductive quantum dots that are electrostatically coupled to each other are used as constituent elements. The first quantum dot absorbs electromagnetic waves, the second quantum dot operates as a single electron transistor (SET), and this SET detects electromagnetic wave absorption in the first quantum dots.
以下、動作原理を図6の概念図を参照して説明する。
図6は他の実施形態の動作原理を示す概念図であり、電子系内に二つの隣接する量子ドットが形成されたエネルギー構造概念図である。
静電ポテンシャルUaで特徴づけられる第1の量子ドット61として有効的大きさが直径0.02μmから0.3μmの半導体量子ドットを用いると、図6に示すように、印加されたゲート電圧によって定まるエネルギー閾値、すなわちイオン化エネルギーより低い電子状態は量子化され、第1の量子ドット61に束縛された離散的束縛準位59が形成される。
Hereinafter, the operation principle will be described with reference to the conceptual diagram of FIG.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing an operation principle of another embodiment, and is an energy structure conceptual diagram in which two adjacent quantum dots are formed in an electron system.
When a semiconductor quantum dot having an effective size of 0.02 μm to 0.3 μm is used as the
一方、エネルギーがその閾値よりも大きな電子準位は、第1の量子ドット61の外部に広がった電子系63の連続的自由準位58を形成する。
このイオン化エネルギーは、第1の量子ドット61を形成するポテンシャル障壁57の高さによって電圧換算で100μVから20mVの値をとる。
このポテンシャル障壁57の高さは第1の量子ドット61のゲート電極に印加するバイアス電圧により制御可能である。
したがって、図6の矢印で示すように、イオン化エネルギー以上の電磁波光子エネルギーを持つミリ波・遠赤外光を照射することによって、第1の量子ドット61中の電子を離散的束縛準位59からポテンシャル障壁57外部の電子系63の連続的自由準位58に励起することができる。なお、図6中、黒丸は励起した電子、白丸は電子の抜けた孔、すなわち正孔を示す。
On the other hand, an electron level whose energy is larger than the threshold value forms a continuous
This ionization energy takes a value of 100 μV to 20 mV in terms of voltage depending on the height of the
The height of the
Therefore, as shown by the arrows in FIG. 6, by irradiating millimeter-wave / far-infrared light having electromagnetic photon energy equal to or higher than the ionization energy, electrons in the first
連続的自由準位58に励起される電子は1n秒以内に速やかに第1の量子ドット61のポテンシャル障壁57から外部の電子系63に脱出し、第1の量子ドット61は素電荷+eの分だけ正に帯電、すなわちイオン化する。
一方、ポテンシャル障壁57の外部に脱出した電子は、電子・電子相互作用及び電子・格子相互作用のために10n秒程度以内に余分なエネルギーを失って速やかに電子系63のフェルミ準位に緩和するため、ポテンシャル障壁57に妨げられて第1の量子ドット61に戻ることができない。
したがって、第1の量子ドット61のイオン化状態は長時間、例えば10μ秒から1000秒間保持される。
The electrons excited by the continuous
On the other hand, electrons that have escaped to the outside of the
Therefore, the ionization state of the first
第1の量子ドット61に隣接した第2の量子ドット62は電子を離散的準位に閉じこめた静電ポテンシャルUbを有しSETを形成する。
この第2の量子ドット62は半導体量子ドット又は金属量子ドットのいずれかで形成される。
第2の量子ドット62は第1の量子ドット61に対して電気的導通性を持たないが、ポテンシャル障壁を介して隣接しているために静電的に結合する。
The
The
The
そのために第1の量子ドット61の帯電、すなわちイオン化によって第2の量子ドット62の静電ポテンシャルが変化して、その結果SETの伝導度が大きく、例えば20%から99%程度変化する。
このとき伝導度の変化した状態は第1の量子ドット61のイオン化が消滅して中性状態に戻るまでの間保持される。
一方、上述したように、第1の量子ドット61のイオン化状態の寿命は10μ秒から1000秒と長いため、きわめて感度の高い検出器となる。
特に、電流の時間分解測定をとおして単一のミリ波・遠赤外光子を検出することができる。
Therefore, the electrostatic potential of the
At this time, the state in which the conductivity is changed is maintained until the ionization of the
On the other hand, as described above, the lifetime of the ionization state of the first
In particular, single millimeter-wave / far-infrared photons can be detected through time-resolved measurement of current.
次に、他の実施形態の構成を説明する。
他の実施の形態に係るミリ波・遠赤外光検出器には基本的に二つタイプの好適な実施形態が可能である。他の実施形態においても図1及び図2に示した構造と基本的に同様であるが、他の実施形態においては静電的に分離された二つの量子ドットを有し、ゲート電極を兼ねる双極子アンテナの結節点で形成され、電磁波を吸収する第1の量子ドットと、この第1の量子ドットの電磁波吸収を検出しSETを形成する第2の量子ドットとを有する点が異なる。
Next, the configuration of another embodiment will be described.
Basically, two types of preferred embodiments are possible for the millimeter-wave / far-infrared photodetectors according to other embodiments. In other embodiments, the structure is basically the same as the structure shown in FIGS. 1 and 2, but in another embodiment, the bipolar electrode has two quantum dots that are electrostatically separated and serves also as a gate electrode. The difference is that a first quantum dot that is formed at a node of the child antenna and absorbs electromagnetic waves and a second quantum dot that detects the electromagnetic wave absorption of the first quantum dots and forms a SET are formed.
図7(a)、(b)は他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、(a)はA型構造の平面図、(b)はB型構造の平面図を示す。
いずれの構造においても第1の量子ドットが電磁波に対して双極子アンテナにより電気的に結合する。
7A and 7B are diagrams showing a millimeter wave / far-infrared light detector according to another embodiment, where FIG. 7A is a plan view of an A-type structure, and FIG. 7B is a view of a B-type structure. A plan view is shown.
In any structure, the first quantum dot is electrically coupled to the electromagnetic wave by the dipole antenna.
図7(a)及び(b)を参照すると、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器は、図2(b)に示したのと同様にして、A型構造及びB型構造ともに、変調ドープされたGaAs/Al0.3 Ga0.7 As単一へテロ構造基板上にリソグラフィー技術を用いて作製される。さらにA型構造及びB型構造ともに電子系のヘテロ構造をメサエッチングして対称な所定形状に形成される。
なお、同等の構造をIV族半導体、例えばSi基板上にリソグラフィー技術を用いて同様に作製することも可能である。
Referring to FIGS. 7A and 7B, the millimeter-wave / far-infrared photodetector according to another embodiment is similar to that shown in FIG. Both structures are fabricated using lithographic techniques on a modulation-doped GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As single heterostructure substrate. Further, both the A-type structure and the B-type structure are formed in a symmetric predetermined shape by mesa etching the electronic heterostructure.
An equivalent structure can be similarly manufactured on a group IV semiconductor, for example, a Si substrate by using a lithography technique.
また双極子アンテナ65a、65bの一方の羽67a、67bと他方の羽68a、68bとは、それぞれ金属リード線69a、69bと金属リード線69a’、69b’とにより、バイアス電圧を印加するために金属パッド71a、71bと金属パッド72a、72bとに接続される。この実施形態では金属リード線及び金属パッドはTiが20nm、Auが150nmの蒸着膜で合金化されて形成される。
Further, one
図7(a)に示すようにA型構造では、電子系メサ構造63aが双極子アンテナ65aの結節点領域70aにくびれを有するように形成され、この結節点領域70aから二つに分かれた対称な電子系メサ構造76a、77aが形成される。電子系メサ構造63aの一端にはオーミック電極66aが形成され、二つに分かれた他端にはオーミック電極81a、82aが形成される。このオーミック電極81aは後述するSET64aのソース電極であり、オーミック電極82aはSET64aのドレイン電極である。
As shown in FIG. 7A, in the A-type structure, the
双極子アンテナ65aの結節点領域70aに第1の量子ドット61a及び第2の量子ドット62aが形成される。この双極子アンテナ65aは結節点領域70aにて第1の量子ドット61aと電磁波とを結合する。
さらに第1の量子ドット61aは、双極子アンテナ65aの一方の羽が兼ねるゲート電極67aと他方の羽が兼ねるゲート電極68aの先端部がつくる静電ポテンシャル障壁で、量子ドット外部の電子系と隔てられている。
First quantum dots 61a and second
Further, the first quantum dot 61a is an electrostatic potential barrier formed by the tip of the
第2の量子ドット62aは電子系内にあって第1の量子ドット61aに隣接して形成される。この第2の量子ドット62aは金属リード線73a、74a、75aによりゲート電極78a、79a、80aからバイアス電圧が印加されて形成され、電子系メサ構造76a、77aの電子系に弱くトンネル接合される。
The second
この第2の量子ドット62aと、電子系メサ構造76a、77aと、オーミック電極81a、82aとでSET64aが形成される。
なお、金属リード線73a、74a、75aはそれぞれゲート電極78a、79a、80aに接続される。また本実施形態ではオーミック電極66a、81a、82aはAu/Geの合金化により形成される。
さらに電子系メサ構造63a(電子系メサ構造76a、77aも含まれる)及びゲートにバイアス電圧を印加するための金属リード線69a、69a’、73a、74a、75aは、電磁波の吸収を避けるためにそれぞれ幅が5μm以下に形成され、かつ、その長さ方向が双極子アンテナ65aの軸方向に対して直角に形成される。
The
The
Furthermore, the
次に図7(b)に示すB型構造のミリ波・遠赤外光検出器は、電子系メサ構造63bのくびれた部分の端が双極子アンテナ65bの結節点領域70bになっており、この結節点領域70bに第1の量子ドット61bが形成される。
ここで、双極子アンテナ65b及び第1の量子ドット61bの構成はA型構造と同様である。
さらに、B型構造のミリ波・遠赤外光検出器における第2の量子ドット62bは、第1の量子ドット61bの上面に設けられた金属膜で形成されており、第1の量子ドット61bと静電的に結合するが電気的導通(トンネル接合)は遮断されている。
この金属膜で形成された第2の量子ドット62bは、ソース電極81bとドレイン電極82bとにそれぞれ接続された金属リード線76bと金属リード線77bとに弱くトンネル接合され、SET64bが形成される。
Next, in the millimeter-wave / far-infrared light detector having the B-type structure shown in FIG. 7B, the end of the constricted portion of the
Here, the configuration of the
Further, the second
The second
次に、双極子アンテナ、第1の量子ドット及び第2の量子ドットについて詳細に説明する。
図8は双極子アンテナ結節点領域の要部拡大図であり、(a)はA型構造の第2の量子ドットをゲート電極により第1の量子ドットから分離する構造、(b)はA型構造の第1の量子ドットと第2の量子ドットの形成される電子系メサ構造が分離して形成される構造、(c)はB型構造の要部拡大を示す図である。
Next, the dipole antenna, the first quantum dot, and the second quantum dot will be described in detail.
FIG. 8 is an enlarged view of the main part of the nodal region of the dipole antenna. FIG. 8A is a structure in which the second quantum dot having the A-type structure is separated from the first quantum dot by the gate electrode, and FIG. A structure in which an electronic mesa structure in which a first quantum dot and a second quantum dot having a structure are formed is formed separately, and FIG.
図8(a)を参照して、第1の量子ドット61aは、バイアス電圧の印加によりゲート電極67aの突起部83aとゲート電極68aの突起部84aとの間隙に形成される。
この間隙L1 aは約0.5μmである。電子系メサ構造63aの結節点領域70aの幅Maは0.4μmから0.5μm程度である。
Referring to FIG. 8A, the first quantum dot 61a is formed in the gap between the
This gap L 1 a is about 0.5 μm. The width Ma of the
第2の量子ドット62aは、ゲート電圧の印加によりゲート電極68aの突起部84aとゲート電極から延びた金属リード線73a、74a、75aの先端部とがつくる間隙に形成され、この間隙L2 aは0.3μmから0.5μmの程度である。
ゲート電極67a、68aは双極子アンテナ65aのそれぞれの羽を兼ねており、電磁波を電気的に第1の量子ドット61aに結合する役割をも果たす。
突起部83aは幅が0.3μm、長さが0.7μm程度で電子系メサ構造の結節点領域70aを横断して形成され、突起部84aは幅が0.1μm、長さが0.3μm程度で結節点領域70aを横断せず、その一部に重なって形成される。
The second
The
The
これは第1の量子ドット61aと第2の量子ドット62aとの間に十分な大きさの静電容量結合を確保するためである。
但し、ゲート電極68a(突起部84a)への負のバイアス電圧印加によって、第1の量子ドット61aと第2の量子ドット62aとの間の電気的導通(トンネル接合)は遮断されている。
This is to ensure a sufficiently large capacitance coupling between the first quantum dot 61a and the second
However, the electrical continuity (tunnel junction) between the first quantum dot 61a and the second
本実施形態では、ゲート電極から延びた金属リード線73a、74a、75aの先端部分はそれぞれ0.1μm程度の幅であり、また互いの間の間隙は0.1μm程度に形成される。
In the present embodiment, the tip portions of the
ゲート電極67aを−0.3Vから−2V程度、ゲート電極68aを−0.7V程度の負電圧にバイアスすることによって、第1の量子ドット61aが形成される。
ゲート電極の金属リード線73a及び金属リード線75aを−0.7V程度、さらに制御ゲート電極の金属リード線74aを−0.3Vから−0.7V程度の負電圧にバイアスすることによって第2の量子ドット62aが形成される。
ここで、ゲート電極67a(突起部83a)のバイアス電圧は、第1の量子ドット61aが電磁波を吸収する際のイオン化エネルギーを決定する。
By biasing the
By biasing the
Here, the bias voltage of the
例えば、−0.3Vでイオン化エネルギーは0.2meV程度、閾値検出波長では5mmに対応し、その値は負電圧変化とともに連続的に変化して、−2Vにて30meV程度、閾値検出波長では約30μm程度に達する。 For example, the ionization energy is about 0.2 meV at −0.3 V, the threshold detection wavelength corresponds to 5 mm, and the value continuously changes with a negative voltage change, about 30 meV at −2 V, about the threshold detection wavelength. It reaches about 30 μm.
第2の量子ドット62aをSET64aとして動作させるために、ゲート電極の金属リード線73aと金属リード線75aのバイアス電圧を微調整して、第2の量子ドット62aを電子系メサ構造76a、77aの電子系に弱くトンネル結合させる。
ゲート電極68a(突起部84a)のバイアス電圧は第1の量子ドット61aと第2の量子ドット62aとの間のトンネル結合が消失する閾値電圧近傍に選び、静電的結合が最大となるようにされる。
In order to operate the second
The bias voltage of the
次に図8(a’)は第2の量子ドット62a’が第1の量子ドット61a’からメサエッチングにより分離して形成され、ゲート電極68a’に突起部が形成されていない点が図8(a)の構造と異なる。
対応する各部位の寸法Ma’、L1 a’、L2 a’及びバイアス電圧等は図8(a)と同様である。なお、図8(a)と対応する部材は同一符号に「ダッシュ」を付して区別した。
この実施形態では第1の量子ドット61a’と第2の量子ドット62a’の間隙は、約0.1μm程度に形成される。
Next, FIG. 8A ′ shows that the second
The corresponding dimensions Ma ′, L 1 a ′, L 2 a ′, the bias voltage and the like are the same as those in FIG. Note that members corresponding to those in FIG. 8A are distinguished from each other by adding “dash” to the same reference numerals.
In this embodiment, the gap between the first quantum dot 61a ′ and the second
次に図8(b)に示すB型構造のミリ波・遠赤外光検出器では、電子系メサ構造63bのくびれた部分の端が結節点領域70bにあって、この領域に第1の量子ドット61bが形成される。この第1の量子ドット61b、その外部の電子系メサ構造63b及びゲート電極67b、68bについては、それぞれ図8(a’)に示した対応する部材と寸法及び形状ともに同一である。
第2の量子ドット62bによるSETは第1の量子ドット61bの上にドーランブリッジ法で作製する。ドーランブリッジ法を示す文献として「T.A.Fulton and G.J.Dolan、Phys.Rev.Lett.59,p.109,1987」を挙げることができる。
Next, in the millimeter-wave / far-infrared light detector having the B-type structure shown in FIG. 8B, the end of the constricted portion of the
The SET by the second
具体的には、まずアルミニウムの蒸着により、厚さが0.06μm、幅が0.1μm、長さが0.3μmの第2の量子ドット62bを形成した後、その表面を10mTorr程度の酸素ガス雰囲気中で酸化して酸化アルミニウム膜で覆う。
この表面の酸化にあたっては後述する金属リード線76bと金属リード線77b間の常温での電気抵抗が100kΩから400kΩの間に収まるように酸化時間を調節する。
Specifically, first, after the second
In oxidizing the surface, the oxidation time is adjusted so that the electrical resistance at normal temperature between the
次に第1の量子ドット61b上に重ねて、斜め蒸着により金属リード線76b、77bをアルミニウムの蒸着により作製する。この金属リード線76b、77bの厚さは0.06μm、先端部幅は0.1μm程度である。
但し、本実施形態では金属リード線先端部の間隙85bを0.1μmとした。
Next, the
However, in this embodiment, the
このとき、金属リード線76b、77bの先端部は第2の量子ドット62bと0.05μm程度重なるように形成される。このとき、金属リード線76bはソース電極81bに接続され、金属リード線77bはドレイン電極82bに接続されており、金属リード線76b、77bと第2の量子ドット62bとの間に介在する酸化アルミニウム層がトンネル接合となってSETが形成される。
At this time, the tip portions of the
次に、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器の作用を説明する。
図8(a)に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。 図7(a)及び図8(a)を参照して、先ずゲート電極67a、つまり突起部83aとゲート電極68a、つまり突起部84aとへバイアス電圧を印加して第1の量子ドット61aを形成する。
Next, the operation of the millimeter wave / far infrared photodetector according to another embodiment will be described.
The operation of the millimeter-wave / far-infrared photodetector having the structure shown in FIG. Referring to FIGS. 7A and 8A, first, a bias voltage is applied to the
次にその状態でさらにゲート電極78a、79a、80aをバイアス、つまり金属リード線73a、74a、75aにバイアス電圧を印加して第2の量子ドット62aを形成し、第2の量子ドット62aがSETとして動作する。
つまり、電子系メサ構造76aと電子系メサ構造77aとの間にVSD=100μV以下のソース・ドレイン電圧を印加して流れる電流を測る。双極子アンテナ65aに電磁波の入射がないときにSETの伝導度が最大となるように制御ゲート電極79a、つまり金属リード線74aのバイアス電圧を微調する。さらに電子系メサ構造63aの電位と電子系メサ構造76aとを同電位に保つ。
Next, in this state, the
That is, the current flowing by applying a source / drain voltage of V SD = 100 μV or less between the
双極子アンテナ65aで捕らえられた電磁波が第1の量子ドット61aで吸収されることにより、第1の量子ドット61aが+eにイオン化し、第2の量子ドット62aの静電ポテンシャルが変化してSETの伝導度が大きく減少する。それを電流増幅器で検知することにより電磁波光子一つの吸収を検出することができる。なお、イオン化により第1の量子ドット61aから外部の電子系メサ構造63aの電子系に脱出した電子は、そこで吸収される。
When the electromagnetic wave captured by the
次に図8(a’)に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。
図7(a)及び図8(a’)を参照して、先ず、第1の量子ドット61a’をゲート電極67a’、つまり突起部83a’へのバイアス電圧印加により形成する。さらにゲート電極68a’は電子系メサ構造63a’と同電位とする。
次にその状態でさらにゲート電極78a’、79a’、80a’をバイアス、つまり金属リード線73a’、74a’、75a’にバイアス電圧を印加して第2の量子ドット62a’を形成し、第2の量子ドット62a’がSETとして動作する。その他は図8(a)の構造と同様の作用をする。
Next, the operation of the millimeter wave / far infrared photodetector having the structure shown in FIG.
Referring to FIGS. 7A and 8A ′, first, a first quantum dot 61a ′ is formed by applying a bias voltage to the
Next, in this state, the gate electrodes 78a ′, 79a ′, and 80a ′ are further biased, that is, a bias voltage is applied to the
最後に、図8(b)に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。
第1の量子ドット61bの形成については図8(a’)に示した構造での第1の量子ドット61a’の形成と同様である。
第2の量子ドット62bは既にSETとして第1の量子ドット61b上に形成されている。図7(b)及び図8(b)を参照して、ソース電極81b、つまり金属リード線76bとドレイン電極82b、つまり金属リード線77bとの間にVSD=100μV以下のソース・ドレイン電圧を印加して流れる電流を測る。
Finally, the operation of the millimeter-wave / far-infrared photodetector having the structure shown in FIG. 8B will be described.
The formation of the first quantum dots 61b is the same as the formation of the first quantum dots 61a ′ in the structure shown in FIG.
The second
但し、電子系メサ構造63bとゲート電極68bを同電位とし、その電位をアルミニウムで形成された金属リード線76bに対して±1mV以内で微妙に調節することによって、電磁波入射がないときのSETの伝導度を最大にする。
However, by setting the
第1の量子ドット61bが電磁波を吸収して+eにイオン化すると、第2の量子ドット62bの静電ポテンシャルが変化して上述したようにSETの伝導度が大きく減少する。それを電流増幅器で検知することにより電磁波光子一つの吸収を検出することができる。なお、イオン化により第1の量子ドット61bから外部の電子系メサ構造63bの電子系に脱出した電子は、そこで吸収される。
When the first quantum dot 61b absorbs the electromagnetic wave and is ionized to + e, the electrostatic potential of the second
以上示した3種類の構造において、電磁波吸収によって励起する正孔と電子とがそれぞれ第1の量子ドットの内部と外部に分離して生ずるため、磁場を印加することなく極めて長時間の励起状態、すなわちイオン化寿命を実現できる。この第1の量子ドット61a、61a’、61bのイオン化状態の寿命は10μ秒以上であり、きわめて容易に電磁波単一光子の検出を行うことができる。
したがって、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器では、さらに感度が高くなり、かつ、より高温で動作する検出器を磁場の印加なしで実現できる。
In the three types of structures shown above, holes and electrons excited by electromagnetic wave absorption are generated separately inside and outside the first quantum dot, respectively, so that an extremely long excitation state without applying a magnetic field, That is, an ionization lifetime can be realized. The lifetime of the ionized state of the first quantum dots 61a, 61a ′, 61b is 10 μsec or longer, and the electromagnetic wave single photon can be detected very easily.
Therefore, in the millimeter wave / far-infrared light detector according to another embodiment, the sensitivity is further increased and a detector operating at a higher temperature can be realized without applying a magnetic field.
さらに離散準位間の励起を利用する場合、電磁波の検出に波長選択性が生じるが、この他の実施形態では離散準位から連続帯準位への励起を利用するために閾値、すなわちイオン化エネルギー以上のエネルギーを持つ連続的な波長帯域で検出可能な感度を有することができる。 Furthermore, when using excitation between discrete levels, wavelength selectivity occurs in the detection of electromagnetic waves, but in this other embodiment, a threshold, that is, ionization energy, is used in order to use excitation from discrete levels to continuous band levels. Sensitivity can be detected in a continuous wavelength band having the above energy.
また、動作温度は、SETを形成する第2の量子ドット62a、62a’、62bの帯電エネルギーで上限が決まり、図8(b)の構造では約1Kまで、図8(a’)の構造では約1.3Kまで、図8(a)の構造では約2Kまでとなる。したがって、第2の量子ドットを微小にすることにより動作温度を最高2Kまでに上昇させることができる。
The upper limit of the operating temperature is determined by the charging energy of the
さらに、イオン化エネルギーが第1の量子ドットのゲート電圧によるポテンシャル障壁高さの調節を通して直接的に制御可能であるので、イオン化エネルギーの制御、つまり検出の閾値波長を制御することができる。
したがって、検出可能電磁波の長波長限界はすべての構造において第1の量子ドットを形成するゲート電極67a、67a’、67bのバイアス電圧で決めることができる。
Furthermore, since the ionization energy can be directly controlled through the adjustment of the potential barrier height by the gate voltage of the first quantum dot, the ionization energy, that is, the detection threshold wavelength can be controlled.
Therefore, the long wavelength limit of the detectable electromagnetic wave can be determined by the bias voltage of the
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
次に、本発明のミリ波・遠赤外単一光子検出器を、上述した第2の場合の使用条件下で用いた実際の単一光子検出の測定結果を、図9、図10、図11及び図12を参照して説明する。
図9〜図12は2次元電子移動度が80m2 /Vs、電子濃度が2.3x1015/m2 のGaAs/Al0.3 Ga0.7 Asヘテロ構造結晶を用いて、図3(b)の形状・サイズに作成したミリ波・遠赤外単一光子検出器の測定例を示す。
Next, the measurement results of actual single photon detection using the millimeter-wave / far-infrared single photon detector of the present invention under the use conditions in the second case described above are shown in FIGS. 11 and FIG.
9 to 12 show the shape and the shape of FIG. 3B using a GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As heterostructure crystal having a two-dimensional electron mobility of 80 m 2 / Vs and an electron concentration of 2.3 × 10 15 / m 2 . A measurement example of a millimeter-wave / far-infrared single photon detector created in size is shown.
図9及び図10は、測定温度0.07K、VSD=25μV、VCG=0V、B=3.67Tの条件下で、量子ホール効果素子からの極めて微弱な遠赤外発光、すなわち波長が0.19mm、発光素子の電流がIemit=4μAのときボータイ・アンテナ位置でのパワーが約10-18 Wの遠赤外光を入射させたときのSET伝導度の測定例である。但し、測定の時定数は3m秒である。 FIGS. 9 and 10 show extremely weak far-infrared emission from the quantum Hall effect element, that is, the wavelength under the conditions of measurement temperature 0.07K, V SD = 25 μV, V CG = 0V, B = 3.67T. This is a measurement example of SET conductivity when a far-infrared light having a power of about 10 −18 W at the bowtie antenna position is incident when the current of the light emitting element is 0.19 mm and I emit = 4 μA. However, the measurement time constant is 3 milliseconds.
図9(a)〜(c)はSET伝導度の制御ゲート電圧VCGに対する依存性を示しており、遠赤外光の照射がない時のVCG=−0.6881V近傍の鋭いクーロン振動のピーク(図9(a))が極端に微弱な遠赤外光の照射によって乱され(図9(b))、光強度が増すに従って励起状態に対応したVCG=−0.6886V近傍のピークへ移行する。 FIGS. 9A to 9C show the dependence of the SET conductivity on the control gate voltage V CG . The sharp Coulomb oscillation near V CG = −0.6881 V when there is no irradiation with far-infrared light. The peak (FIG. 9A) is disturbed by extremely weak far-infrared light irradiation (FIG. 9B), and the peak near V CG = −0.6886 V corresponding to the excited state as the light intensity increases. Migrate to
図10(d)〜(f)は、制御ゲート電圧VCGを照射無しのピーク位置、VCG=−0.6881V、に固定した時の伝導度Gの時間変化である。単一光子の吸収が起こるたびに伝導遮断の状態にスイッチングし、遠赤外光強度の増大によってスイッチングの頻度(光子の飛来頻度)が増大することを示す。 FIGS. 10D to 10F show temporal changes in the conductivity G when the control gate voltage V CG is fixed to the peak position without irradiation, V CG = −0.6881V. Each time absorption of a single photon occurs, the state is switched to a conduction cut-off state, indicating that the frequency of switching (the frequency of photons flying) increases as the far-infrared light intensity increases.
図11は、励起状態の寿命が強い磁場依存性を示し、磁場Bが3.8Tのときν=2の近傍で最大値を取り、その値が1000秒のオーダーに達することを示す。
磁場依存性の細部の構造は上位のランダウ準位に存在する電子数が磁場変化によって一つづつ変化することによって起こる。
図12は図9及び図10と同様な条件下で温度を0.37Kまで上昇させても単一光子の検出が可能なことを示す。
FIG. 11 shows the magnetic field dependence in which the lifetime of the excited state is strong. When the magnetic field B is 3.8 T, the maximum value is taken in the vicinity of ν = 2, and the value reaches the order of 1000 seconds.
The structure of the details depending on the magnetic field occurs when the number of electrons existing in the upper Landau level changes one by one due to the magnetic field change.
FIG. 12 shows that single photons can be detected even if the temperature is increased to 0.37 K under the same conditions as in FIGS.
この実施例のミリ波・遠赤外単一光子検出器は、半導体量子ドット内の電子準位間の共鳴励起を単一電子トランジスタの増幅作用を通して測定する。
このため、100秒間に1個程度の極端に微弱な光子束を検出することができる。100秒の測定時間を考えると、この感度はNEP=10-23 W/Hz1/2 に対応し、従来の最高感度の検出器に比べて一千万倍程度優れている。
また、感度を失うことなく、3n秒程度の時定数で高速の測定を行うことができる。
The millimeter wave / far-infrared single photon detector of this embodiment measures resonance excitation between electron levels in a semiconductor quantum dot through the amplification action of a single electron transistor.
For this reason, about 1 extremely weak photon flux can be detected in 100 seconds. Considering a measurement time of 100 seconds, this sensitivity corresponds to NEP = 10 −23 W / Hz 1/2 , which is about 10 million times better than the conventional highest sensitivity detector.
Further, high-speed measurement can be performed with a time constant of about 3 n seconds without losing sensitivity.
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
1 ミリ波・遠赤外光導入部
2 ミリ波・遠赤外光
3 光導入管
4 半導体基板
6,6a,6b,6c ボータイ・アンテナ
7 パッケージ
8 裏面ゲート電極
9 誘電体対物レンズ
10 ミリ波・遠赤外光検出器
12 量子ドット
14 単一電子トランジスタ
16,17 オーミック電極
30a,32a,34a,36a ゲート電極
30b,32b,34b,36b ゲート電極
30c,32c,34c,36c ゲート電極
31,33,35,37 リード部分
41,43,45,47 金属パッド部分
57 ポテンシャル障壁
58 連続的自由準位
59 離散的束縛準位
61,61a,61a’,61b 第1の量子ドット
62,62a,62a’,62b 第2の量子ドット
63 電子系
63a,63a’,63b 電子系メサ構造
76a,77a,76a’,77a’ 電子系メサ構造
64a,64b SET
65a,65a’,65b 双極子アンテナ
67a,67a’,67b ゲート電極
68a,68a’,68b ゲート電極
69a,69a’,69b,69b’ 金属リード線
70a,70b 結節点領域
72a,72b 金属パッド
73a,74a,75a 金属リード線
73a’,74a’,75a’ 金属リード線
78a,79a,80a ゲート電極
81a,81b ソース電極(オーミック電極)
82a,82b ドレイン電極(オーミック電極)
83a,83a’,83b,84a 突起部
DESCRIPTION OF
65a, 65a ',
82a, 82b Drain electrode (ohmic electrode)
83a, 83a ', 83b, 84a Projection
Claims (20)
上記単一電子トランジスタは、2次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この2次元電子系内にトンネル結合する上記量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、上記量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、
上記第1の量子ドットのイオン化に伴う上記第2の量子ドットの静電的状態の変化によって上記単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて上記電磁波を検出することを特徴とする、ミリ波・遠赤外光検出器。 An electromagnetic wave coupling means for concentrating the electromagnetic wave in a sub-micron-size micro space region, a first quantum dot that absorbs the concentrated electromagnetic wave to cause ionization, and a second electrostatically coupled to the first quantum dot A single-electron transistor comprising a quantum dot of
The single electron transistor includes a single heterostructure forming a two-dimensional electron system, a gate electrode for controlling the electrostatic potential of the quantum dot tunnel-coupled in the two-dimensional electron system, the quantum dot and the tunnel A source electrode and a drain electrode to be coupled,
The electromagnetic wave is detected based on a change in electrical conductivity of the single-electron transistor due to a change in electrostatic state of the second quantum dot accompanying ionization of the first quantum dot. , Millimeter wave / far infrared light detector.
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