JP5392888B2 - 近接場テラヘルツ光検出器 - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ光における回折限界を超える空間分解能を有する近接場テラヘルツ光検出器に関する。
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。
特にテラヘルツ光を用いた画像形成技術（以下、「ＴＨｚイメージング技術」という）は、テラヘルツ光が可視光では不透明な物質を適度に透過すること、光子エネルギーがｍｅＶという様々な物質・材料の重要なエネルギー領域に属すること、等の特有の特性を有することから、人体検査や材料評価などの分野で強力な計測ツールとなることが期待されている。
特にテラヘルツ光を用いた画像形成技術（以下、「ＴＨｚイメージング技術」という）は、テラヘルツ光が可視光では不透明な物質を適度に透過すること、光子エネルギーがｍｅＶという様々な物質・材料の重要なエネルギー領域に属すること、等の特有の特性を有することから、人体検査や材料評価などの分野で強力な計測ツールとなることが期待されている。
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。
特に、ＴＨｚイメージング技術では、テラヘルツ光の波長が可視光等と比較して長く、かつ空間分解能は回折限界により波長の１／２程度に制限されるため、空間分解能が可視光等と比較して低い問題点がある。
特に、ＴＨｚイメージング技術では、テラヘルツ光の波長が可視光等と比較して長く、かつ空間分解能は回折限界により波長の１／２程度に制限されるため、空間分解能が可視光等と比較して低い問題点がある。
そこで、この回折限界を突破し空間分解能の高いＴＨｚイメージングを実現する手段として、近接場光の利用が考えられている。
「近接場光」とは、物体の表面に極めて薄くまとわりついている光であり、通常の光のように空間中を伝播しない特性を有する。例えばブリズム内の全反射点において、全反射される光が境界面から空気側に滲みだしていることが知られておい、この空気側に滲みだした光を近接場光又はエバネッセント光（Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）と呼ぶ。
「近接場光」とは、物体の表面に極めて薄くまとわりついている光であり、通常の光のように空間中を伝播しない特性を有する。例えばブリズム内の全反射点において、全反射される光が境界面から空気側に滲みだしていることが知られておい、この空気側に滲みだした光を近接場光又はエバネッセント光（Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）と呼ぶ。
通常の光学顕微鏡は、レンズを用いて対象物からの光を拡大するが、光の波長（可視光の波長は、約０．３８〜０．７７μｍ）で制限され、ほぼ０．５μｍの大きさまでしか解像できない。これを光波の「回折限界」という。
しかし、近接場光は、通常の光のように空間中を伝播しないため、回折限界を生じない特性がある。そこで、近接場光を用いることで回折限界を超える分解能を有する顕微鏡が可能となる。
しかし、近接場光は、通常の光のように空間中を伝播しないため、回折限界を生じない特性がある。そこで、近接場光を用いることで回折限界を超える分解能を有する顕微鏡が可能となる。
なお、近接場光を利用したＴＨｚイメージングの例として、非特許文献１〜３が既に報告されている。
Ｓ．Ｈｕｎｓｃｈｅ ｅｔ ａｌ．，"ＴＨｚ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｉｍａｇｉｎｇ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １５０（１９９８）２２−２６
Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， "Ａｎｔｅｎｎａ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ａｐｅｒｔｕｒｅｌｅｓｓ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ"，Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８５，Ｎｏ．１４，４ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００４
Ｃｈｅｎ，Ｋｅｒｓｔｉｎｇｍ ａｎｄ Ｃｈｏ， "Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ"，Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８３，Ｎｏ．１５，１３ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００３
可視光・近赤外光領域では、先鋭化された光ファイバーあるいはＳＴＭ／ＡＦＭ探針などを用いた微小開口や微小散乱体を利用した確立された技術がある。しかしテラヘルツ光の領域では、可視光と比較して波長が２，３桁長いことや光ファイバーに相当する実用的な導波路が存在しないこと等の理由から、近接場光の利用が困難であった。
上述した従来の近接場光を利用したＴＨｚイメージングは、アパーチャ型（非特許文献１）とアパーチャレス型（非特許文献２、３）に大別される。
アパーチャ型では、導波路を用いてテラヘルツ光を微小開口に集光させ、微小開口で近接場光を形成し、この近接場光に近接した対象物を透過する近接場光を検出器で検出し、これから対象物の画像を形成している。
また、アパーチャレス型では、探針の先端にテラヘルツ光を照射し、その先端に近接場光を形成し、この近接場光に近接した対象物を透過又は反射する近接場光を検出器で検出し、これから対象物の画像を形成している。
アパーチャ型では、導波路を用いてテラヘルツ光を微小開口に集光させ、微小開口で近接場光を形成し、この近接場光に近接した対象物を透過する近接場光を検出器で検出し、これから対象物の画像を形成している。
また、アパーチャレス型では、探針の先端にテラヘルツ光を照射し、その先端に近接場光を形成し、この近接場光に近接した対象物を透過又は反射する近接場光を検出器で検出し、これから対象物の画像を形成している。
しかし、かかる従来の近接場光を利用したＴＨｚイメージングは、微弱な近接場光と同時に強いｆａｒ ｆｉｅｌｄ光（自由空間中を伝播する電磁波）を検出器で検出するため、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響でＳ／Ｎ比が低下し、高効率な検出ができない問題点があった。
また、近接場光を利用しているにも係わらず、その分解能は波長の１／４程度にすぎず、１桁以上高い分解能は安定して得られなかった。
また、近接場光を利用しているにも係わらず、その分解能は波長の１／４程度にすぎず、１桁以上高い分解能は安定して得られなかった。
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、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響を大幅に低減してＳ／Ｎ比を高め、これにより近接場光を高効率に検出でき、かつ近接場光による対象物の分解能を波長の１／１０以下まで高めることができる近接場テラヘルツ光検出器を提供することにある。
本発明によれば、外部からのテラヘルツ光で内部に発生する近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する半導体チップと、
該半導体チップの表面を覆う絶縁被膜と、
該絶縁被膜の表面を覆いテラヘルツ光を遮光可能な導電性被膜とを備え、
前記導電性被膜は、最大寸法がテラヘルツ光の波長よりも１桁以上短いアパーチャを有し、
さらに、導電性被膜と半導体チップの間に平面状の１対の導電性プローブを備え、該導電性プローブは、前記絶縁被膜により導電性被膜から絶縁され、かつ内側の先端部が前記アパーチャの内側に位置しており、
前記導電性プローブが、前記半導体チップの表面に沿って密着して設けられ、かつ先端部がテラヘルツ光の波長よりも１桁以上短い間隔で対向して位置し、
前記導電性プローブによりアパーチャ近傍の電界分布が変化して、大きな電場引込み効果が生じ、近接場の電場分布が空間的に変調され、導電性プローブの先端部を超える遠方まで伸びる、ことを特徴とする近接場テラヘルツ光検出器が提供される。
該半導体チップの表面を覆う絶縁被膜と、
該絶縁被膜の表面を覆いテラヘルツ光を遮光可能な導電性被膜とを備え、
前記導電性被膜は、最大寸法がテラヘルツ光の波長よりも１桁以上短いアパーチャを有し、
さらに、導電性被膜と半導体チップの間に平面状の１対の導電性プローブを備え、該導電性プローブは、前記絶縁被膜により導電性被膜から絶縁され、かつ内側の先端部が前記アパーチャの内側に位置しており、
前記導電性プローブが、前記半導体チップの表面に沿って密着して設けられ、かつ先端部がテラヘルツ光の波長よりも１桁以上短い間隔で対向して位置し、
前記導電性プローブによりアパーチャ近傍の電界分布が変化して、大きな電場引込み効果が生じ、近接場の電場分布が空間的に変調され、導電性プローブの先端部を超える遠方まで伸びる、ことを特徴とする近接場テラヘルツ光検出器が提供される。
本発明の好ましい第１実施形態によれば、前記半導体チップは、表面から一定の位置に２次元電子ガスが形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
更に、前記１対の導電性プローブを挟んでその長さ方向外側に間隔を開けて位置し、半導体チップの表面に密着して設けられた導電性のソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間に一定の電流を流してその間の電圧変化を検出する電圧計測器を備える。
更に、前記１対の導電性プローブを挟んでその長さ方向外側に間隔を開けて位置し、半導体チップの表面に密着して設けられた導電性のソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間に一定の電流を流してその間の電圧変化を検出する電圧計測器を備える。
本発明の好ましい第２実施形態によれば、 前記半導体チップは、半導体基板と、該半導体基板の表面に位置し、テラヘルツ光の近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化するカーボンナノチューブとからなり、
更に、前記カーボンナノチューブの長さ方向両端に接続し、半導体基板の表面に密着して設けられた導電性のソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間に一定の電圧を印加してその間の電流変化を検出する電流計測器を備える。
更に、前記カーボンナノチューブの長さ方向両端に接続し、半導体基板の表面に密着して設けられた導電性のソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間に一定の電圧を印加してその間の電流変化を検出する電流計測器を備える。
また、前記半導体チップ、ソース電極及びドレイン電極、導電性プローブ、絶縁被膜、および導電性被膜は、この順に一体に成形され集積化される、ことが好ましい。
上記本発明の構成によれば、テラヘルツ光の近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する半導体チップの表面がテラヘルツ光を遮光する導電性被膜で覆われており、導電性被膜のアパーチャの最大寸法が、テラヘルツ光の波長よりも１桁以上短くなっている。
そのため、導電性被膜のアパーチャに向けてテラヘルツ光を照射しても、回折限界により波長の長いテラヘルツ光はアパーチャを通過できず、近接場光がアパーチャ近傍に局在する状態となる。
そのため、導電性被膜のアパーチャに向けてテラヘルツ光を照射しても、回折限界により波長の長いテラヘルツ光はアパーチャを通過できず、近接場光がアパーチャ近傍に局在する状態となる。
さらに、本発明では、導電性被膜と半導体チップの間に平面状の導電性プローブを備え、該導電性プローブは、前記絶縁被膜により導電性被膜から絶縁され、かつ先端部が前記アパーチャの内側に位置するので、導電性プローブの存在により、アパーチャ近傍の電界分布が変化して、大きな電場引込み効果が生じる。この電場引込み効果は、後述する解析及び実験により確認されている。
その結果、最大寸法が波長よりも１桁以上小さいアパーチャ近傍に発生した近接場光（エバネッセント光の電場分布）をその内側下方に位置するプローブ先端まで引込み、その下に位置する２次元電子ガス（又はカーボンナノチューブ）の抵抗変化を検出することができる。
従って、本発明の構成では、近接場光以外のｆａｒ ｆｉｅｌｄ光は、アパーチャをほとんど透過できず、ごくわずかな透過光は２次元電子ガスの下を通過するだけであるため、２次元電子ガス（又はカーボンナノチューブ）の抵抗変化に影響しないので、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響を大幅に低減してＳ／Ｎ比を高め、これにより近接場光を高効率に検出できる。
また、アパーチャの最大寸法は、テラヘルツ光の波長よりも１桁以上短く設定でき、この寸法で近接場光による対象物の分解能が決まるので、分解能をテラヘルツ光の波長の１／１０以下まで高めることができることが実験により確認された。
また、アパーチャの最大寸法は、テラヘルツ光の波長よりも１桁以上短く設定でき、この寸法で近接場光による対象物の分解能が決まるので、分解能をテラヘルツ光の波長の１／１０以下まで高めることができることが実験により確認された。
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、電子移動速度が大きい特徴がある。従って、ソースからドレインに流れる電子電流を、高い電子移動速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、電子移動速度が大きい特徴がある。従って、ソースからドレインに流れる電子電流を、高い電子移動速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、本発明による近接場テラヘルツ光検出器の第１実施形態図である。
この図に示すように、本発明の近接場テラヘルツ光検出器１０は、半導体チップ１２、１対の導電性プローブ１４、ソース電極１５及びドレイン電極１６、絶縁被膜１８、導電性被膜２０を備える。
この図に示すように、本発明の近接場テラヘルツ光検出器１０は、半導体チップ１２、１対の導電性プローブ１４、ソース電極１５及びドレイン電極１６、絶縁被膜１８、導電性被膜２０を備える。
半導体チップ１２は、テラヘルツ光１の近接場光２により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する特性を有する。
この例で、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が形成された上述し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。
この例で、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が形成された上述し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。
また、半導体チップ１２は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に限定されず、テラヘルツ光１の近接場光２により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する特性を有する限りで、その他の半導体チップであってもよい。
１対の導電性プローブ１４は、平面状であり、半導体チップ１２の表面に密着して位置し、先端部１４ａがテラヘルツ光１の波長λよりも１桁以上短い間隔で対向して位置する。
後述の実施例において、導電性プローブ１４は、１００ｎｍ厚のＡｕ薄膜である。なお、導電性プローブ１４は１対に限定されず、絶縁被膜１８により導電性被膜２０から絶縁され、かつ先端部１４ａがアパーチャ２１（後述する）の内側に位置するかぎりで、１つでも、３つ以上でもよい。
後述の実施例において、導電性プローブ１４は、１００ｎｍ厚のＡｕ薄膜である。なお、導電性プローブ１４は１対に限定されず、絶縁被膜１８により導電性被膜２０から絶縁され、かつ先端部１４ａがアパーチャ２１（後述する）の内側に位置するかぎりで、１つでも、３つ以上でもよい。
ソース電極１５及びドレイン電極１６は、１対の導電性プローブ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の表面及び長さ方向両端面に密着して設けられる。
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、１２０ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの合金膜である。
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、１２０ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの合金膜である。
絶縁被膜１８は、導電性プローブ１４、ソース電極１５及びドレイン電極１６の表面を覆う電気抵抗の高い被膜である。
後述の実施例において、絶縁被膜１８は、５０ｎｍ厚のＳｉＯ２被膜である。
後述の実施例において、絶縁被膜１８は、５０ｎｍ厚のＳｉＯ２被膜である。
導電性被膜２０は、絶縁被膜１８の表面を覆いテラヘルツ光１を遮光する。
後述の実施例において、導電性被膜２０は、２００ｎｍ厚のＡｕ薄膜である。
後述の実施例において、導電性被膜２０は、２００ｎｍ厚のＡｕ薄膜である。
図２において、導電性被膜２０は、テラヘルツ光１の近接場光を形成するアパーチャ２１を導電性プローブ１４の先端部１４ａを囲む位置に有する。すなわち、アパーチャ２１の中心位置が、１対の先端部１４ａの中心と一致し、アパーチャ２１の外縁が１対の先端部１４ａの外側に位置する。この場合、アパーチャ２１と導電性プローブ１４の間には、絶縁被膜１８が存在する。
また、アパーチャ２１の最大寸法は、テラヘルツ光１の波長λよりも１桁以上短く、かつ導電性プローブ１４の先端部１４ａの間隔よりも大きく設定されている。
後述の実施例において、アパーチャ２１は、直径８μｍの円形穴であり、導電性プローブ１４の先端部１４ａの間隔は、２〜３μｍである。なお、アパーチャ２１は円形穴に限定されず、矩形穴でもその他の形状であってもよい。
後述の実施例において、アパーチャ２１は、直径８μｍの円形穴であり、導電性プローブ１４の先端部１４ａの間隔は、２〜３μｍである。なお、アパーチャ２１は円形穴に限定されず、矩形穴でもその他の形状であってもよい。
上述した近接場テラヘルツ光検出器１０は、周知の半導体製造プロセスにより、半導体チップ１２、ソース電極１５及びドレイン電極１６、導電性プローブ１４、絶縁被膜１８、および導電性被膜２０の順に一体に成形され集積化される。
図２において、本発明の近接場テラヘルツ光検出器１０は、さらに、ソース電極１５とドレイン電極１６の間に一定の電流を流してその間の電圧変化を検出する電圧計測器２２を備える。
（製造方法）
図２に示した近接場テラヘルツ光検出器１０を以下の方法で製造した。
（１）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造ウェハから、長さ３ｍｍ，幅２ｍｍの半導体チップ１２を切り出した。このウェハは、７７Ｋ（３００Ｋ）において、電子移動度１８（０．５）ｍ２／Ｖｓ，シート電子密度４．４（１１）×１０１５ｍ−２の特性を有する。
（２）２次元電子ガス１３は、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチングにより、長さ１ｍｍ，幅０．１ｍｍの矩形形状に形成した。
（３）２つの電極（ソース電極１５及びドレイン電極１６）は、１２０ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの合金膜からなり、半導体チップ１２の両端と１対の導電性プローブ１４を挟んでその長さ方向外側に積層させた。２つの電極は、チップの長さ方向両端まで延ばし、アニールすることで２次元電子ガスに対するオーミックな電極になる。
（４）次いで、チップ表面を、１対の導電性プローブ１４（１００ｎｍ厚のＡｕ薄膜）、絶縁被膜１８（５０ｎｍ厚のＳｉＯ２被膜）、アパーチャ２１のある導電性被膜２０（２００ｎｍ厚のＡｕ薄膜、直径８μｍの円形穴）で順に被覆した。
（５）２つの電極は、それぞれを電線で電圧計測器２２に接続した。
図２に示した近接場テラヘルツ光検出器１０を以下の方法で製造した。
（１）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造ウェハから、長さ３ｍｍ，幅２ｍｍの半導体チップ１２を切り出した。このウェハは、７７Ｋ（３００Ｋ）において、電子移動度１８（０．５）ｍ２／Ｖｓ，シート電子密度４．４（１１）×１０１５ｍ−２の特性を有する。
（２）２次元電子ガス１３は、通常のフォトリソグラフィとウェットエッチングにより、長さ１ｍｍ，幅０．１ｍｍの矩形形状に形成した。
（３）２つの電極（ソース電極１５及びドレイン電極１６）は、１２０ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの合金膜からなり、半導体チップ１２の両端と１対の導電性プローブ１４を挟んでその長さ方向外側に積層させた。２つの電極は、チップの長さ方向両端まで延ばし、アニールすることで２次元電子ガスに対するオーミックな電極になる。
（４）次いで、チップ表面を、１対の導電性プローブ１４（１００ｎｍ厚のＡｕ薄膜）、絶縁被膜１８（５０ｎｍ厚のＳｉＯ２被膜）、アパーチャ２１のある導電性被膜２０（２００ｎｍ厚のＡｕ薄膜、直径８μｍの円形穴）で順に被覆した。
（５）２つの電極は、それぞれを電線で電圧計測器２２に接続した。
図３は、製造した検出器１０のアパーチャ近傍の断面拡大図である。また、図４（Ａ）は、製造した検出器１０のアパーチャ近傍の平面図、図４（Ｂ）はその斜視図である。なお、図４（Ｃ）は、比較例として、導電性プローブ１４のない図４（Ａ）と同様の図を示している。
図４（Ａ）は、実際に製造した検出器１０のアパーチャ近傍の顕微鏡写真に基づいている。
図４（Ａ）（Ｂ）において、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ単一ヘテロ構造基板の表面上にプローブ１４が蒸着されており、その上はＳｉＯ２の絶縁膜１８を挟んでアパーチャ２１のある導電性被膜２０で覆われている。
図４（Ａ）（Ｂ）において、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ単一ヘテロ構造基板の表面上にプローブ１４が蒸着されており、その上はＳｉＯ２の絶縁膜１８を挟んでアパーチャ２１のある導電性被膜２０で覆われている。
この素子では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ界面中の２次元電子ガス１３が検出部となる。波長よりも十分小さなサイズのアパーチャ２１に発生した近接場光の電場をプローブ１４で２次元電子ガス側へ引き込み、表面からすぐ下（６０ｎｍ下）にある２次元電子ガス１３の抵抗変化により読み取る仕組みになっている（図２参照）。
この素子では、近接場光２をすぐ間近にある検出器（２次元電子ガス１３の抵抗変化）で直接的に検出する。そのため、従来の近接場プローブを用いて透過あるいは散乱されたＴＨｚ光を離れた位置で検出器により検出する場合に比べて、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響を受けず、高効率な検出が可能となる。
この素子では、近接場光２をすぐ間近にある検出器（２次元電子ガス１３の抵抗変化）で直接的に検出する。そのため、従来の近接場プローブを用いて透過あるいは散乱されたＴＨｚ光を離れた位置で検出器により検出する場合に比べて、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響を受けず、高効率な検出が可能となる。
なお、図４（Ａ）から、アパーチャ２１は、直径８μｍの円形穴であり、１対の導電性プローブ１４は、長さ約８μｍ、幅約７μｍ、先端半径１〜１．５μｍの三角形形状であった。また、先端部１４ａの間隔は、２〜３μｍであった。
（数値解析）
図５は、図２のアパーチャ近傍の電界分布の解析結果である。この数値解析は、有限要素に基づく周知の電界解析用ソフトウェアを用いて行った。なおこの数値解析は、テラヘルツ光１の波長を波長２００μｍとして計算した。
図５（Ａ）は、本発明のアパーチャ近傍の電界分布であり、図５（Ｂ）は、図４（Ｃ）の比較例の場合のアパーチャ近傍の電界分布である。なお、この図は実際の解析結果に基づき、電界強度の強い範囲（すなわち検出可能な電界強度の範囲）を破線で示している。
図５（Ａ）と図５（Ｂ）の比較から、本発明の場合（図５（Ａ））には、プローブ１４の存在によって近接場２の電場分布が空間的に変調され、遠方（半導体チップ１２の内部）まで伸びていることがわかる。
図５は、図２のアパーチャ近傍の電界分布の解析結果である。この数値解析は、有限要素に基づく周知の電界解析用ソフトウェアを用いて行った。なおこの数値解析は、テラヘルツ光１の波長を波長２００μｍとして計算した。
図５（Ａ）は、本発明のアパーチャ近傍の電界分布であり、図５（Ｂ）は、図４（Ｃ）の比較例の場合のアパーチャ近傍の電界分布である。なお、この図は実際の解析結果に基づき、電界強度の強い範囲（すなわち検出可能な電界強度の範囲）を破線で示している。
図５（Ａ）と図５（Ｂ）の比較から、本発明の場合（図５（Ａ））には、プローブ１４の存在によって近接場２の電場分布が空間的に変調され、遠方（半導体チップ１２の内部）まで伸びていることがわかる。
（試験）
製造した本発明の検出器１０と比較例の検出器（図４（Ｃ）参照）を４Ｈｅで１３Ｋに冷却保持したクライスタット（低温保持装置）内に取付け、Ｍｙｌａｒシートからなる光学窓を通してサンプルにテラヘルツ光を照射した。
テラヘルツ光の光源として、ＣＯ２ガスレーザで励起されたテラヘルツガスレーザを用いた。このテラヘルツガスレーザの出力は１０ｍＷであった。
テラヘルツ光はレンズで集光し、サンプルに照射した。また、光学窓は可視光を遮断するために、黒いポリエチレンフィルタで覆った。
テラヘルツ光の焦点寸法は約１ｍｍ２であり、サンプルに照射されたテラヘルツ光の強度は約６３０μＷ／ｍｍ２と見積られる。
本発明の検出器１０と比較例の２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を通して、８０μＡの一定電流を流し、その間の電圧変化を検出した。
なお、サンプルとして、透過部５０μｍ幅／不透過部８０μｍ幅のＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ試料を用い、検出器の表面から一定の位置に保持して検出器をサンプルの表面に沿って移動し、テラヘルツ光の透過強度分布を測定した。
製造した本発明の検出器１０と比較例の検出器（図４（Ｃ）参照）を４Ｈｅで１３Ｋに冷却保持したクライスタット（低温保持装置）内に取付け、Ｍｙｌａｒシートからなる光学窓を通してサンプルにテラヘルツ光を照射した。
テラヘルツ光の光源として、ＣＯ２ガスレーザで励起されたテラヘルツガスレーザを用いた。このテラヘルツガスレーザの出力は１０ｍＷであった。
テラヘルツ光はレンズで集光し、サンプルに照射した。また、光学窓は可視光を遮断するために、黒いポリエチレンフィルタで覆った。
テラヘルツ光の焦点寸法は約１ｍｍ２であり、サンプルに照射されたテラヘルツ光の強度は約６３０μＷ／ｍｍ２と見積られる。
本発明の検出器１０と比較例の２ＤＥＧ（２次元電子ガス）を通して、８０μＡの一定電流を流し、その間の電圧変化を検出した。
なお、サンプルとして、透過部５０μｍ幅／不透過部８０μｍ幅のＬｉｎｅ＆Ｓｐａｃｅ試料を用い、検出器の表面から一定の位置に保持して検出器をサンプルの表面に沿って移動し、テラヘルツ光の透過強度分布を測定した。
図６は、この試験で得られた試験結果である。本発明と比較例の検出器を以下、「ＴＨｚ−ＮＩ ｄｅｖｉｃｅ」と呼ぶ。
図６（Ａ）はテラヘルツ光の波長λが１１８．８μｍの場合、図６（Ｂ）はテラヘルツ光の波長λが２１４．６μｍの場合である。各図において、横軸はＴＨｚ−ＮＩ ｄｅｖｉｃｅの位置、すなわちＴＨｚ−ＮＩ ｄｅｖｉｃｅの移動距離、縦軸はテラヘルツ光の透過強度である。なおテラヘルツ光の透過強度は、２次元電子ガスの電圧変化に相当する。
また、各図において、下側のほぼ水平な直線データは、アパーチャのみの比較例の検出器のデータであり、上側の周期的に変化しているデータは、本発明の検出器１０のデータである。
この図から、アパーチャのみ（下側データ）の場合と比べて、アパーチャ＋プローブ（上側データ）では、明確なプロファイルが観測でき、計算結果から予想される大きな電場引き込み効果を確認することができた。
図６（Ａ）はテラヘルツ光の波長λが１１８．８μｍの場合、図６（Ｂ）はテラヘルツ光の波長λが２１４．６μｍの場合である。各図において、横軸はＴＨｚ−ＮＩ ｄｅｖｉｃｅの位置、すなわちＴＨｚ−ＮＩ ｄｅｖｉｃｅの移動距離、縦軸はテラヘルツ光の透過強度である。なおテラヘルツ光の透過強度は、２次元電子ガスの電圧変化に相当する。
また、各図において、下側のほぼ水平な直線データは、アパーチャのみの比較例の検出器のデータであり、上側の周期的に変化しているデータは、本発明の検出器１０のデータである。
この図から、アパーチャのみ（下側データ）の場合と比べて、アパーチャ＋プローブ（上側データ）では、明確なプロファイルが観測でき、計算結果から予想される大きな電場引き込み効果を確認することができた。
図７は、図６の試験結果の基づく分解能を示す図である。この図において、両矢印は、図６（Ａ）（Ｂ）の本発明の検出器１０のデータにおいて信号出力が１０〜９０％の範囲を示している。
この図から、本発明の検出器１０の空間分解能は、テラヘルツ光の波長λが１１８．８μｍ、２１４．６μｍの両方の場合において約９μｍであり、テラヘルツ光の波長には依存しないことがわかる。
また、この約９μｍの値は、２１４．６μｍの波長の約２４分の１に相当し、アパーチャ径にほぼ一致する。これらの事実から、本発明の検出器１０は、テラヘルツ光の波長に依存せず、回折限界を突破した近接場ＴＨｚイメージングが実現されたことを示している。
この図から、本発明の検出器１０の空間分解能は、テラヘルツ光の波長λが１１８．８μｍ、２１４．６μｍの両方の場合において約９μｍであり、テラヘルツ光の波長には依存しないことがわかる。
また、この約９μｍの値は、２１４．６μｍの波長の約２４分の１に相当し、アパーチャ径にほぼ一致する。これらの事実から、本発明の検出器１０は、テラヘルツ光の波長に依存せず、回折限界を突破した近接場ＴＨｚイメージングが実現されたことを示している。
上述したように、本発明の検出器の特徴は、近接場光測定に必要なすべてのコンポーネント（半導体チップ、ソース電極及びドレイン電極、導電性プローブ、絶縁被膜、および導電性被膜）が１つの半導体チップに集積化されていることにある。
ここでは、波長よりも十分小さなサイズのアパーチャ部に発生した近接場２の電場分布（本来は一部分に局在している）をプローブ先端で遠方まで伸ばし、そこからすぐ下（６０ｎｍ下）にある２次元電子ガス１３の抵抗変化により読み取る仕組みになっている。この素子では、近接場光２をすぐ間近にある検出器（２次元電子ガス１３の抵抗変化）で直接的に検出することができる。そのため、従来の近接場プローブを用いて透過あるいは散乱された電磁波を遠方の検出器で読み出す場合に比べて、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響を受けず、高効率な検出が期待できる。
ここでは、波長よりも十分小さなサイズのアパーチャ部に発生した近接場２の電場分布（本来は一部分に局在している）をプローブ先端で遠方まで伸ばし、そこからすぐ下（６０ｎｍ下）にある２次元電子ガス１３の抵抗変化により読み取る仕組みになっている。この素子では、近接場光２をすぐ間近にある検出器（２次元電子ガス１３の抵抗変化）で直接的に検出することができる。そのため、従来の近接場プローブを用いて透過あるいは散乱された電磁波を遠方の検出器で読み出す場合に比べて、ｆａｒ ｆｉｅｌｄ光の影響を受けず、高効率な検出が期待できる。
図８は、本発明による近接場テラヘルツ光検出器の第２実施形態図である。
この例において、半導体チップ１２は、半導体基板２４とカーボンナノチューブ２５からなる。半導体基板２４は、例えばＳｉ基板である。またカーボンナノチューブ２５は、半導体基板２４の表面に位置し、テラヘルツ光の近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する特性を有する。
更に、この例において、導電性のソース電極２６及びドレイン電極２７と電流計測器２８を備える。
ソース電極２６及びドレイン電極２７は、この例では、カーボンナノチューブ２５の長さ方向両端に接続し、半導体基板２４の表面に密着して設けられる。
また、電流計測器２８は、ソース電極２６とドレイン電極２７の間に一定の電圧を印加し、その間の電流変化を検出する。
その他の構成は、第２実施形態と同様である。
この例において、半導体チップ１２は、半導体基板２４とカーボンナノチューブ２５からなる。半導体基板２４は、例えばＳｉ基板である。またカーボンナノチューブ２５は、半導体基板２４の表面に位置し、テラヘルツ光の近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する特性を有する。
更に、この例において、導電性のソース電極２６及びドレイン電極２７と電流計測器２８を備える。
ソース電極２６及びドレイン電極２７は、この例では、カーボンナノチューブ２５の長さ方向両端に接続し、半導体基板２４の表面に密着して設けられる。
また、電流計測器２８は、ソース電極２６とドレイン電極２７の間に一定の電圧を印加し、その間の電流変化を検出する。
その他の構成は、第２実施形態と同様である。
この構成により、カーボンナノチューブは、検出部として２次元電子ガスよりも高い高感度検出が可能であるため、上述したアパーチャの最大寸法をさらに小さくして、高空間分解能の向上と高感度検出を同時に達成することができる。
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、２ 近接場光（エバネッセント光））、
１０ 近接場テラヘルツ光検出器（検出器）、
１２ 半導体チップ（ＨＥＭＴ、半導体基板）、
１３ ２次元電子ガス（２ＤＥＧ）、
１４ 導電性プローブ、１４ａ 先端部、
１５ ソース電極、１６ ドレイン電極、
１８ 絶縁被膜、２０ 導電性被膜、
２１ アパーチャ、２２ 電圧計測器、
２４ 半導体基板（Ｓｉ基板）、
２５ カーボンナノチューブ、
２６ ソース電極、２７ ドレイン電極、
２８ 電流計測器
１０ 近接場テラヘルツ光検出器（検出器）、
１２ 半導体チップ（ＨＥＭＴ、半導体基板）、
１３ ２次元電子ガス（２ＤＥＧ）、
１４ 導電性プローブ、１４ａ 先端部、
１５ ソース電極、１６ ドレイン電極、
１８ 絶縁被膜、２０ 導電性被膜、
２１ アパーチャ、２２ 電圧計測器、
２４ 半導体基板（Ｓｉ基板）、
２５ カーボンナノチューブ、
２６ ソース電極、２７ ドレイン電極、
２８ 電流計測器
Claims (4)
- 外部からのテラヘルツ光で内部に発生する近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化する半導体チップと、
該半導体チップの表面を覆う絶縁被膜と、
該絶縁被膜の表面を覆いテラヘルツ光を遮光可能な導電性被膜とを備え、
前記導電性被膜は、最大寸法がテラヘルツ光の波長よりも１桁以上短いアパーチャを有し、
さらに、導電性被膜と半導体チップの間に平面状の１対の導電性プローブを備え、該導電性プローブは、前記絶縁被膜により導電性被膜から絶縁され、かつ内側の先端部が前記アパーチャの内側に位置しており、
前記導電性プローブが、前記半導体チップの表面に沿って密着して設けられ、かつ先端部がテラヘルツ光の波長よりも１桁以上短い間隔で対向して位置し、
前記導電性プローブによりアパーチャ近傍の電界分布が変化して、大きな電場引込み効果が生じ、近接場の電場分布が空間的に変調され、導電性プローブの先端部を超える遠方まで伸びる、ことを特徴とする近接場テラヘルツ光検出器。 - 前記半導体チップは、表面から一定の位置に２次元電子ガスが形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
更に、前記１対の導電性プローブを挟んでその長さ方向外側に間隔を開けて位置し、半導体チップの表面に密着して設けられた導電性のソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間に一定の電流を流してその間の電圧変化を検出する電圧計測器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の近接場テラヘルツ光検出器。 - 前記半導体チップは、半導体基板と、該半導体基板の表面に位置し、テラヘルツ光の近接場光により表面に沿う長さ方向の電気抵抗が変化するカーボンナノチューブとからなり、
更に、前記カーボンナノチューブの長さ方向両端に接続し、半導体基板の表面に密着して設けられた導電性のソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極の間に一定の電圧を印加してその間の電流変化を検出する電流計測器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の近接場テラヘルツ光検出器。 - 前記半導体チップ、ソース電極及びドレイン電極、導電性プローブ、絶縁被膜、および導電性被膜は、この順に一体に成形され集積化される、ことを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の近接場テラヘルツ光検出器。
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