JP7376828B2 - 測定装置、オンチップ計測デバイス、および測定方法 - Google Patents

Description

本願は、電子デバイスの開発に資する電気輸送特性の定量的評価に関し、より具体的には、広帯域で周波数分解能が高い電流を測定するための測定装置、オンチップ計測デバイス、および測定方法に関する。

エレクトロニクスの更なる高速化のためには、既存の高周波デバイスの動作領域であるＧＨｚ帯から未開拓領域であるＴＨｚ帯に渡る広帯域な電流応答を、同一の測定系で、かつ高い周波数分解能で評価する手法の開発が必要である。

従来のエレクトロニクスでは到達困難なＴＨｚ領域での超高速輸送特性を評価する手法として、フェムト秒レーザーパルスを用いたポンププローブ分光法を利用したオンチップ計測が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

図1は、フェムト秒レーザーパルスを用いたポンププローブ分光法を利用したオンチップ計測を行うための測定装置の構成を示す図である。測定装置１０は、フェムト秒パルスレーザー光源１１を用いた光学系と、オンチップ計測デバイス１６との組み合わせにより構成されている。

光学系は、フェムト秒パルスレーザー光源１１と、光分波器１３と、遅延ステージ１２とを含む。

光分波器１３は、例えば、ハーフミラーまたは１入力２出力の光カプラ（１×２光カプラとも称する）とすることができるが、これに限定されない。

遅延ステージ１２は、例えば、電動直進ステージとすることができるが、これに限定されない。

オンチップ計測デバイス１６は、それぞれ基板上に形成された、発生用光伝導アンテナ１８ａと、検出用光伝導アンテナ１８ｄと、一対の導波路１７ａおよび１７ｂとを含む。

発生用光伝導アンテナ１８ａは、光伝導性半導体膜１８ｂと、離間して配置された電極対１８ｃとを含む。光伝導性半導体膜１８ｂは、例えば、低温成長させたガリウムヒ素（ＧａＡｓ）とすることができる、これに限定されない。電極対１８ｃは、一対の金属線により構成される。電極対１８ｃは、ダイポール型またはボータイ型等とすることができるが、これに限定されない。電極対１８ｃは、一端が光伝導性半導体膜１８ｂに重なるように配置される。電極対１８ｃは、他端に電源（不図示）が接続され、直流電圧が印加される。

検出用光伝導アンテナ１８ｄは、発生用光伝導アンテナ１８ａと同様に、光伝導性半導体膜１８ｅと、離間して配置された電極対１８ｆとを含む。電極対１８ｆは、一対の金属線により構成される。電極対１８ｆは、ダイポール型またはボータイ型等とすることができるが、これに限定されない。電極対１８ｆは、電極対１８ｃと同様に、離間して配置された一対の金属線を含む。電極対１８ｆは、一端が光伝導性半導体膜１８ｅに重なるように配置される。電極対１８ｆは、他端に電流計（不図示）が接続される。

発生用光伝導アンテナ１８ａと検出用光伝導アンテナ１８ｄとは、離間して配置される。導波路１７ａは、光伝導性半導体膜１８ｂおよび光伝導性半導体膜１８ｅと接しておよび／または重ねて配置され、発生用光伝導アンテナ１８ａと検出用光伝導アンテナ１８ｄとを接続する。

導波路１７ａおよび１７ｂは、ストリップライン導波路を構成する。導波路１７ａおよび１７ｂは共に接地されていてもよい。

電極および導波路の材料は、金とすることができるが、これに限定されない。

フェムト秒パルスレーザー光源１１からのフェムト秒パルスレーザーは、光分波器１３によりポンプ光とプローブ光とに分波される。

フェムト秒パルスレーザーであるポンプ光は、電極対１８ｃの間へ照射され、光伝導性半導体膜１８ｂを励起する。このとき、電極対１８ｃの間に瞬時電流を流れ、その結果、テラヘルツ電磁波パルスが発生する。発生したテラヘルツ電磁波パルス１９は、導波路１７ａおよび導波路１７ｂを導波する。

フェムト秒パルスレーザーであるプローブ光は、遅延ステージ１２に導かれ、遅延ステージ１２を介して、電極対１８ｆの間へ照射され、光伝導性半導体膜１８ｅを励起する。このとき、電極対１８ｆに瞬時電流が流れる。テラヘルツ電磁波パルス１９がプローブ光と重なるタイミングで検出用光伝導アンテナ１８ｄに入射すると、テラヘルツ電磁波パルスの強度に比例した瞬時電位差が電極対１８ｆの間に発生する。電極対１８ｆに接続された電流計により電流値が計測される。電極対１８ｆに流れる瞬時電流の大きさは、テラヘルツ電磁波パルスが検出用光伝導アンテナ１８ｄに入射しているときと、入射していないときとで異なる。

遅延ステージ１２は、プローブ光の光路長を変えるように機械的に動作して、ポンプ光に対するプローブ光の時間遅延を制御することで、測定装置１０におけるＴＨｚ帯での実時間計測を可能する。

ＴＨｚ領域での超高速輸送特性は、測定信号（すなわち、測定した電流値）をフーリエ変換して高周波電流のスペクトルを得ることで、評価することができる。

図２は、非特許文献１において測定された高周波電流スペクトルを示す図である。０．１ＴＨｚ（１００ＧＨｚ）以下のデータは定量的評価が難しい。また、周波数分解能は数十ＧＨｚ程度である。

C. Russell, C. D. Wood, A. D. Burnett, L. Li, E. H. Linfield, A. G. Davies, and J. E. Cunningham, "Spectroscopy of polycrystalline materials using thinned-substrate planar Goubau line at cryogenic temperatures", Lab Chip, 13, 4065 (2013)

図１に示す測定装置は、フェムト秒パルスレーザー光源１１と、遅延ステージ１２の利用が不可欠であり、その結果として以下の欠点の１つまたは複数が存在する。
・光学系が高価かつ複雑になるため、汎用性や安定性が低下する。
・実時間信号をフーリエ変換することで電流スペクトルを得るため、１００ＧＨｚ以下の電流応答を定量的に評価することが困難である。よって、従来のエレクトロニクスの帯域であるＧＨｚ帯からＴＨｚ帯までの広帯域な応答を測定することはできない。
・周波数分解能は測定時間窓の逆数によって決まるため、遅延ステージの動作範囲によって限定される結果、数ＧＨｚより高い周波数分解能を得ることは困難である。
・電流スペクトルを得るためには実時間信号全体を計測する必要があるため、特定の周波数領域のみに着目したい場合も全エネルギースペクトルを測定することになり、目的に応じてスループットを向上させることが出来ない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、本発明の一実施形態は、測定装置である。測定装置は、第１のＣＷレーザー光源と、第２のＣＷレーザー光源と、第１のＣＷレーザー光源からの第１のレーザー光と第２のＣＷレーザー光源からの第２のレーザー光とをミキシングしてＧＨｚからＴＨｚまでの領域でビートする干渉光を生成する光混合器と、干渉光を分波してポンプ光とプローブ光を出力する光分波器と、オンチップ計測デバイスとを備える。オンチップ計測デバイスは、発生用光伝導アンテナ、検出用光伝導アンテナ、発生用光伝導アンテナと検出用光伝導アンテナとを接続する導波路、および検出用光伝導アンテナに接続された電流計を備える。ポンプ光が発生用光伝導アンテナに照射され、プローブ光が検出用光伝導アンテナに照射され、電流計が導波路を伝搬して検出用光伝導アンテナに到達した電磁波の電流値を測定するように構成されている。

本発明の別の実施形態は、オンチップ計測デバイスである。オンチップ計測デバイスは、発生用光伝導アンテナ、検出用光伝導アンテナ、および、発生用光伝導アンテナと検出用光伝導アンテナとを接続する導波路を備える。ポンプ光が発生用光伝導アンテナに照射され、プローブ光が検出用光伝導アンテナに照射され、電磁波が、発生用光伝導アンテナから検出用光伝導アンテナまで導波路を伝搬するように構成されている。導波路は、一組の第１の導波路、第２の導波路、および第３の導波路を含み、第２の導波路は、第１の部分と第２の部分に分割され、第１の部分と第２の部分との間にギャップが設けられており、ギャップが、電磁波に含まれる直流成分のノイズをカットするフィルタとし機能する。

本発明のさらに別の実施形態は、測定方法であって、２つのＣＷレーザー光をミキシングして、ＧＨｚからＴＨｚまでの領域でビートする干渉光を生成することと、干渉光をポンプ光とプローブ光とに分波することと、ポンプ光を発信用光伝導アンテナに照射すること、および、プローブ光を検出用光伝導アンテナに照射することと、検出用光伝導アンテナに接続された電流計により前記検出用光伝導アンテナに到達した電磁波の電流値を計測することと、を含む。

本発明の実施形態によれば、フェムト秒パルスレーザー光源および遅延ステージを用いない測定装置、および測定方法を提供することが可能となり、または、広帯域で周波数分解能の高い測定が可能となり、または、調べたい周波数領域のみに着目した測定を行うことが可能となる。

図１は、フェムト秒レーザーパルスを用いたポンププローブ分光法を利用したオンチップ計測を行うための測定装置の構成を示す図である。 図２は、非特許文献１において測定された高周波電流スペクトルを示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。 図５は、図４に示す測定装置において測定された電流値を示す図である。 図６は、図４に示す測定装置において測定された高周波電流スペクトルを示す図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る測定方法のフローチャートである。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示すものとし、繰り返しの説明は省略する。また、以下の説明で使用する具体的な数値は例示であり、発明を限定することを意図するものではない。

以下に説明する本発明の実施形態にかかる測定装置および測定方法は、図１を参照して説明したような従来手法で用いられていたフェムト秒パルスレーザー光源１１および遅延ステージ１２を用いない。代わりに、本発明の実施形態にかかる測定装置および測定方法は、２台の連続発振動作（Continuous Wave（ＣＷ）Operation）レーザー（ＣＷレーザー）光源を用いる。２つのＣＷレーザー光の干渉光を利用することで、上述の欠点を解決す
る。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。図３に示す測定装置３０は、２つのＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂと、光混合器３２と、光分波器３３と、オンチップ計測デバイス１６とを備える。

２台のＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂはそれぞれ、波長を７８３ｎｍ～７８５ｎｍの間で変調可能な分布帰還型（Distributed Feedback（ＤＦＢ）レーザーデバイスとすることができる。２台のＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂはそれぞれ、出力するＣＷレーザー光の中心周波数を変化させて掃引することができる。

光混合器３２は、例えば、２入力１出力の光ファイバカプラ（２×１光ファイバカプラ）とすることができるが、これに限定されない。光混合器３２は、２台のＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂによりそれぞれ中心周波数が変化された２つのＣＷレーザー光を入力し、互いの中心周波数が異なる２つのＣＷレーザー光をミキシングすることで、ＧＨｚ~ＴＨｚ領域でビートする干渉光を出力する。

光分波器３３は、例えば、ハーフミラー、プリズムまたは方向性結合器のような、１入力２出力の光カプラ（１×２光カプラ）とすることができるが、これに限定されない。光分波器３３は、光混合器３２から出力されたＧＨｚ~ＴＨｚ領域でビートする干渉光を入力し、干渉光を２つに分波したポンプ光およびプローブ光を出力する。

オンチップ計測デバイス１６は、図１を参照して説明した構成と同じであるので、説明を省略する。図１と同様に、電極対１８ｃは、他端に電源（不図示）が接続され、直流電圧が印加される。また、電極対１８ｆは、他端に電流計（不図示）が接続され、電極対１８ｆの電流値が計測される。オンチップ計測デバイス１６は、非測定対象物である任意のデバイスの高周波電流のスペクトルを得るために、当該任意のデバイスの表面等に配置される。高周波電流のスペクトルは、当該非測定対象物におけるＧＨｚ帯からＴＨｚ帯までの広帯域な電流応答を評価するために用いられる。

ＧＨｚ~ＴＨｚ領域でビートする干渉光から分波されたポンプ光は、電極対１８ｃへ照射され、光伝導性半導体膜１８ｂを励起する。このとき、電極対１８ｃにポンプ光のビート周波数に応じた瞬時電流が流れ、その結果、ポンプ光のビート周波数に応じたＧＨｚ~ＴＨｚの周波数を有する電磁波３９が発生する。発生した電磁波３９は、導波路１７ａおよび導波路１７ｂを導波する。

ＧＨｚ~ＴＨｚ領域でビートする干渉光から分波されたプローブ光は、電極対１８ｆへ照射され、光伝導性半導体膜１８ｅを励起する。プローブ光が電極対１８ｆに照射されている間に電極対１８ｆに接続された電流計により電流値が計測される。瞬時電流値は、ＧＨｚ~ＴＨｚの周波数を有する電磁波３９が検出用光伝導アンテナ１８ｄに到達しているときと、到達していないときとで異なる。

（第２の実施形態）
図３を参照して上述した測定装置３０では、ＣＷレーザー光の干渉光を用いるために、高周波の電磁波３９に直流成分がノイズとして多く含まれてしまうことが分かった。このことは、ＣＷレーザー光の干渉光が常に発生用光伝導アンテナ１８ａの電極対１８ｃに当たり続けるため、図１に示す測定装置に比べ電極対１８ｃの間のオフ特性が悪化することに起因する。

そこで、本実施形態は、電磁波３９に含まれた直流成分のノイズを取り除くことができる測定装置を提供する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。図４に示す測定装置４０は、２つのＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂと、光混合器３２と、光分波器３３と、オンチップ計測デバイス２０とを備える。

２つのＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂ、光混合器３２、ならびに光分波器３３は、図３を参照して説明した構成と同じであるので、説明を省略する。

オンチップ計測デバイス２０は、それぞれ基板上に形成された、発生用光伝導アンテナ１８ａと、検出用光伝導アンテナ１８ｄと、一組の導波路１７ｃ、１７ｄおよび１７ｅとを含む。

発生用光伝導アンテナ１８ａおよび検出用光伝導アンテナ１８ｄは、図１を参照して説明した構成と同じであるので、説明を省略する。

電磁波３９の伝搬方向に延伸する一組の導波路１７ｃ、１７ｄおよび１７ｅは、コプレーナ導波路を構成する。導波路の材料は、金とすることができるが、これに限定されない。導波路１７ｃ、１７ｄおよび１７ｅは接地されていてもよい。

一組の導波路１７ｃ、１７ｄおよび１７ｅは、発生用光伝導アンテナ１８ａと検出用光伝導アンテナ１８ｄとを電気的に接続し、発生用光伝導アンテナ１８ａで発生した電磁波３９が検出用光伝導アンテナ１８ｄまで伝搬する。

導波路１７ｃは３つに分割されている。２つの導波路１７ｃの間に発生用光伝導アンテナ１８ａが配置され、別の２つの導波路１７ｃの間に検出用光伝導アンテナ１８ｄが配置されている。各導波路１７ｃは、その一部が光伝導性半導体膜１８ｂまたは１８ｅに重なるように配置されている。各導波路１７ｃは、電極対１８ｃおよび電極対１８ｆと離間して配置されている。

導波路１７ｄは２つに分割され、離間して配置されている。２つに分割された導波路１７ｄの間隔２１（電磁波３９の伝搬方向の長さ、ギャップとも称する）は、例えば、２μｍ～３μｍである。各導波路１７ｄは、その一部が光伝導性半導体膜１８ｂまたは１８ｅに重なるように配置されている。各導波路１７ｄは、電極対１８ｃおよび電極対１８ｆと離間して配置されている。

導波路１７ｅは分割されず、光伝導性半導体膜１８ｂまたは１８ｅに重ならず、電極対１８ｃおよび電極対１８ｆと離間して配置されている。

例えば、導波路１７ｄの幅（電磁波３９の伝搬方向に直交する方向の長さ）は３０μｍであるが、これに限定されない。また、例えば、導波路１７ｃと導波路１７ｄとの間隔および導波路１７ｄと導波路１７ｅとの間隔は等しく２０μｍであるが、これに限定されない。

２つに分割された導波路１７ｄの間隔２１は、電磁波３９に含まれた直流成分のノイズを取り除くフィルタとして機能する。

図５は、本実施形態の測定装置４０において干渉光のビート周波数をスキャンさせながら計測した電流応答を示す図であり、本実施形態の測定装置４０の電極対１８ｆに接続された電流計（不図示）において１０ＭＨｚステップで測定した電流値を示す図である。図５には、９００ＧＨｚから９０３Ｇｈｚの電流値の拡大図も示している。拡大図からわかるように約２００ＭＨｚの細かい振動がみられる。この約２００ＭＨｚの細かい振動は、９００ＧＨｚから９０３Ｇｈｚに限らず、全帯域に亘ってみられる。この振動信号の搬送波が高周波電流の位相を示し、振動信号の包絡線が強度を示している。

このように、本実施形態の測定装置４０によれば、直流成分のノイズをカットし高周波電流のみを計測することが可能になり、図５に示したように高いＳＮ比で信号を検出することが可能となる。

図６は、Hilbert変換により図５に示す電流値の包絡線を抽出した結果である、高周波電流のスペクトルを示す図である。図６の高周波電流のスペクトルは、図２に示す従来手法で得られた高周波電流のスペクトルと同一である。図６に示すように、本実施形態の測定装置４０では、５ＧＨｚ～約１．５ＴＨｚ以上に亘る広帯域で測定ができている。この測定での周波数分解能は、測定のステップ幅で決まる１０ＭＨｚである。なお、図６に見られる細かい振動構造はファブリ・ペロー干渉によるものである。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る測定方法のフローチャートである。本実施形態の測定方法は、図３を参照して説明した測定装置３０または図４を参照して説明した測定装置４０で実施することができる。

ステップＳ７１において、２つのＣＷレーザー光源３１ａおよび３１ｂで、少なくとも１つの発信周波数を掃引しながら、２つＣＷレーザー光を発信する。掃引する発信周波数の範囲、掃引するＣＷレーザー光源の数は、調べたい周波数領域によって決定すればよい。

ステップＳ７２において、光混合器３２で、２つのＣＷレーザー光をミキシングして、ＧＨｚ～ＴＨｚ領域でビートする干渉光を生成する。

ステップＳ７３において、光分波器３３で、干渉光をポンプ光とプローブ光とに分波する。

ステップＳ７４において、ポンプ光を発生用光伝導アンテナ１８ａの電極対１８ｃの光伝導性半導体膜１８ｂに照射し、プローブ光を検出用光伝導アンテナ１８ｄの電極対１８ｆの光伝導性半導体膜１８ｅに照射する。

ステップＳ７５において、検出用光伝導アンテナ１８ｄに到達した電磁波の電流を電極対１８ｆに接続された電流計で計測する。

ステップＳ７６において、コンピュータで、計測した電流値をHilbert変換する。

上述した本発明の実施形態の測定装置および測定方法の効果は、次のとおりである。
・フェムト秒レーザー光源および遅延ステージを用いないため、光学系が安価かつシンプルになり、よりコンパクトでロバストな装置設計が可能となる。
・測定帯域は２台のＣＷレーザー光源からのＣＷレーザー光の周波数差で決まるため、１０ＧＨｚ以下の周波数領域でも定量的な測定が可能であり、ＧＨｚ帯からＴＨｚ帯までの広帯域な電流応答を評価すること可能となる。
・測定装置の周波数分解能はＣＷレーザー光の線幅によって決まるため、数ＭＨｚの高い周波数分解能を達成することが可能となる。
・測定周波数を選択的に制御することができるため、調べたい周波数領域のみに着目した測定を行うことでスループットを向上させること可能となる。

Claims (7)

1. 第１のＣＷレーザー光源と、
   第２のＣＷレーザー光源と、
   前記第１のＣＷレーザー光源からの第１のレーザー光と前記第２のＣＷレーザー光源からの第２のレーザー光とをミキシングしてＧＨｚからＴＨｚまでの領域でビートする干渉光を生成する光混合器と、
   前記干渉光を分波してポンプ光とプローブ光を出力する光分波器と、
   発生用光伝導アンテナ、検出用光伝導アンテナ、前記発生用光伝導アンテナと前記検出用光伝導アンテナとを接続する導波路、および前記検出用光伝導アンテナに接続された電流計を有するオンチップ計測デバイスであって、前記ポンプ光が前記発生用光伝導アンテナに照射され、前記プローブ光が前記検出用光伝導アンテナに照射され、前記電流計は前記導波路を伝搬して前記検出用光伝導アンテナに到達した電磁波の電流値を測定するように構成されている、前記オンチップ計測デバイスと
   を備えた、測定装置。
2. 前記第１のＣＷレーザー光源および前記第２のＣＷレーザー光源の少なくとも１つは、波長を変調可能である、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記導波路は、一組の第１の導波路、第２の導波路、および第３の導波路を含み、
   前記第２の導波路は、第１の部分と第２の部分に分割され、前記第１の部分と前記第２の部分との間にギャップが設けられており、
   前記ギャップが、前記電磁波に含まれる直流成分のノイズをカットするフィルタとし機能する、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記第１の導波路は、第１の部分、第２の部分、および第３の部分に分割されており、
   前記発生用光伝導アンテナは、前記第１の導波路の前記第１の部分と前記第１の導波路の前記第２の部分の間に配置され、
   前記検出用光伝導アンテナは、前記第１の導波路の前記第２の部分と前記第１の導波路の前記第３の部分の間に配置されている、請求項３に記載の測定装置。
5. 発生用光伝導アンテナ、検出用光伝導アンテナ、および、前記発生用光伝導アンテナと前記検出用光伝導アンテナとを接続する導波路を備えたオンチップ計測デバイスであって、
   ポンプ光が前記発生用光伝導アンテナに照射され、プローブ光が前記検出用光伝導アンテナに照射され、電磁波が、前記発生用光伝導アンテナから前記検出用光伝導アンテナまで前記導波路を伝搬するように構成され、
   前記導波路は、一組の第１の導波路、第２の導波路、および第３の導波路を含み、
   前記第２の導波路は、第１の部分と第２の部分に分割され、前記第１の部分と前記第２の部分との間にギャップが設けられており、
   前記ギャップが、前記電磁波に含まれる直流成分のノイズをカットするフィルタとし機能する、オンチップ計測デバイス。
6. ２つのＣＷレーザー光をミキシングして、ＧＨｚからＴＨｚまでの領域でビートする干渉光を生成することと、
   前記干渉光をポンプ光とプローブ光とに分波することと、
   前記ポンプ光を発信用光伝導アンテナに照射すること、および、前記プローブ光を検出用光伝導アンテナに照射することと、
   前記検出用光伝導アンテナに接続された電流計により前記検出用光伝導アンテナに到達した電磁波の電流値を計測することと
   を含む、測定方法。
7. 計測した前記電流値をHilbert変換することをさらに含む、請求項６に記載の測定方法。

Images