KR20010079803A - 밀리파-원적외선 검출기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탁월한 감도와 응답시간을 갖는 밀리파-원적회선 검출기를 제공한다. 상기 검출기는 검출기 안테나에 밀리파-원적외선(2)을 유도하는 광 도입부(1); 반도체 양자 도트(12)를 통과하는 전류를 제어하는 단일 전자 트랜지스터(14)가 형성되어 있는 반도체 기판(4); 및 단일 전자 트랜지스터(14)에 형성된 1미크론 이하 크기의 미세한 공간 영역인 반도체 양자 도트에 밀리파-원적외선(2)을 집중시키는 보타이 안테나(6, 6a, 6b, 6c)를 포함한다. 2차원 전자 시스템을 형성하는 상기 양자 도트는 상기 집중된 전자파를 효과적으로 흡수하고, 이로 인한 여기상태를 10나노초 이상 유지하여 하나의 광자에 대하여 1백만개 이상의 전자가 이송되고 흡수될 수 있다.

Description

밀리파-원적외선 검출기 {MILLIMETER WAVE AND FAR-INFRARED DETECTOR}
일반적으로, 전자기파의 검출기에는 위상민감(phase sensing) 검파를 행하는 주파수 혼합기(믹서)와 비간섭성의 검파를 행하는 비디오신호 검출기가 있으며, 미약광(微弱光)의 검출에는 후자의 비디오신호 검출기 쪽이 감도가 우수하다.
밀리파 및 원적외 영역에서의 종래의 비디오 검출기 중에, 가장 감도가 우수한 것은 파장범위가 0.1㎜∼1㎜의 0.3K 이하의 극저온에서 사용되는 게르마늄 복합 볼로미터와, 파장범위가 0.06㎜∼1㎜의 2K 정도의 저온에서 사용되는 도핑된(doped) 게르마늄에 의한 광전도 검출기이다.
그 잡음등가출력(Noise Equivalent Power; 이하, "NEP"라 함)은 10-18WHz-1/2에 달한다.
전자기파의 에너지 양자, 즉 광양자로 본 경우, 상기 감도는 1초 동안의 측정시간을 고려하였을 때, 1백만개 이상의 광자속이 검출기에 입사되지 않는 한 잡음 이상의 신호로서 검출할 수 없는 것을 의미한다.
또한, 이러한 검출기에서는 응답속도가 100밀리초 정도로 매우 느리다. 응답속도가 빠른 검출기로서, 초전도 볼로미터, 초전도 터널접합, 반도체(InSb) 중의 고온전자 등이 이용되고 있으나, 감도는 게르마늄 복합 볼로미터에 비해 떨어진다.
상술한 검출기와는 별개로, 통상의 단일 전자 트랜지스터에 마이크로파를 조사하면, 광자 보조 터널효과(photon assisted tunneling)에 의한 신호가 얻어지는 것을 알 수 있으나, 이 효과에서는 전자기파 광자 1개의 흡수에 의해 전자가 1개밖에 전극간을 이동하지 않으므로, 검출기로서의 감도는 낮다.
이와 같이, 종래의 검출기에는 감도 및 응답속도 모두 우수한 것이 존재하지 않았다. 그 이유는, 어떠한 검출기도 전도 전자가 연속적 에너지 준위대 구조 내에 있기 때문에, 전자기파에 의해 여기된 상태의 수명이 짧은 것, 또한, 검출기 내의 모든 전자에 의한 평균 전도도의 변화에 의해 전자기파를 검출하기 때문에, 소수의 전자의 여기에 의한 효과가 압도적 다수의 다른 전자에 의해 엷어져버리는 효율이 낮은 것, 또한, 광자 보조 터널효과와 같이 전자기파 광자 1개의 흡수에 의해 전자가 1개밖에 전극 사이를 이동하지 않는 것 때문이었다.
그러므로, 본 발명은 상술한 모든 기구와는 전혀 상이한 기구에 기초한 종래의 검출기에 관련한 해결해야할 과제를 근본적으로 제거함으로써, 현저히 감도가 우수하고, 응답속도가 빠른 밀리파-원적외선 검출기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 밀리파(millimeter wave) 및 원적외선(far-infrared) 계측기에 이용되고, 특히, 반도체 양자 도트를 제어하여 밀리파 및 원적외 영역의 비디오 신호를 검출하기 위한 밀리파-원적외선 검출기에 관한 것이다.
도 1은 집광 시스템을 포함한 본 발명에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기의개략구성단면도이다.
도 2는 본 발명에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기를 도시하며, (a)는 보타이 안테나와 양자 도트에 의한 단일 전자 트랜지스터의 단면도이고, (b)는 메사 구조부의 일부 개략단면도이다.
도 3은 본 발명에 관련되는 보타이 안테나의 노드 영역에서의 평면구조를 도시하는 개략도이며, (a)는 자장 무인가에서 사용하고, 파장 0.5∼10㎜의 밀리파-원적외선 검출기에 사용되는 것이고, (b)는 1∼7T의 자장 하에서 사용하고, 파장 0.1∼0.4㎜의 밀리파-원적외선 검출기에 사용되는 것이고, (c)는 1∼13T의 자장 하에서 사용하고, 파장 0.35∼10㎜의 밀리파-원적외선 검출기에 사용되는 것을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 있어서, 자장 하에서 양자 도트 내부에서의 밀리파-원적외단일광자 흡수에 의한 준위 사이의 전자여기를 도시하는 전기적인 천이의 개념도이며, (a)는 전기적인 천이(magnetoplasma resonance)에 의한 란다우 준위 사이의 여기, (b)는 여기된 전자 및 정공의 안정상태로의 완화, (c)는 양자 도트 내의 분극, (d)는 정전 전위의 변화 ΔU 및 전기화학적 전위의 변화 Δμo↑를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 있어서, 자장 하에서 양자 도트 내부에서의 밀리파-원적외단일광자 흡수에 의한 준위 사이의 전자여기를 도시하는 자기적인 천이의 개념도이며, (a)는 자기적인 천이(magnetic resonance)에 의한 스핀 상태 사이의 여기, (b)는 여기된 전자 및 정공의 안정상태로의 완화, (c)는 양자 도트 내의 분극, (d)는정전 전위의 변화 ΔU를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 관련되는 다른 실시예의 동작원리를 도시하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기를 도시하는 도면이며, (a)는 A형 구조의 평면도이고, (b)는 B형 구조의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 관련되는 쌍극자 안테나 노드 영역의 요부확대도로서, (a)는 A형 구조의 제2 양자 도트를 게이트 전극에 의해 제1 양자 도트로부터 분리하는 구조이고, (a')는 A형 구조의 제1 양자 도트와 제2 양자 도트의 형성되는 전자계 메사 구조가 분리되어 형성되는 구조이고, (b)는 B형 구조의 요부확대를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 관련되는 밀리파-원적외 단일 검출의 측정예를 도시하는 도면이며, (a)는 원적외선이 조사되지 않는 경우, (b)는 발광소자의 전류가 2㎂인 경우, (c)는 발광소자의 전류가 3.5㎂인 경우의 SET 전도도의 제어 게이트 전압에 대한 의존성을 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 있어서, 밀리파-원적외 단일 검출의 측정예를 도시하는 도면으로, 단일 광자 흡수에 의해 야기되는 SET 동작의 스위칭을 도시하며, (d)는 발광소자의 전류가 2㎂, (e)는 발광소자의 전류가 3㎂, (f)는 발광소자의 전류가 4㎂일 때이다. 또한 (g)는 여기된 상태확률의 발광소자 전류에 대한 의존성을 도시한다.
도 11은 본 발명에서, 밀리파-원적외 단일 검출의 측정예를 도시하는 도면으로, 여기상태의 수명의 자장강도 의존성을 도시한다.
도 12는 본 발명에서, 밀리파-원적외 단일 검출의 측정예를 도시하는 도면으로, 단일 광자 흡수에 의해 야기되는 SET 동작의 스위칭의 온도 의존성을 도시한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 밀리파-원적외선 검출기의 일 양태는, 전자기파를 1미크론 크기 이하의 미세 공간영역에 집중하는 전자기파 결합수단과, 집중한 전자기파를 흡수하여 전자 준위 사이에 여기상태를 발생하는 양자 도트와, 반도체 양자 도트를 포함한 단일 전자 트랜지스터를 갖는 구성으로 하였다.
본 발명에 관계되는 밀리파-원적외선 검출기는, 바람직하게는 상기 구성 외에, 양자 도트의 여기상태에 따라 단일 전자 트랜지스터의 전도도가 변화한 상태를 유지하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 밀리파-원적외선 검출기는, 양자 도트의 여기상태로부터 기저상태로 복귀할 때까지의 수명이 10나노초∼1000초이다.
본 발명은, 전자 준위 사이의 에너지 간격이 양자 도트의 크기변화, 외부자장 및 바이어스전압의 어느 하나, 또는 이들의 조합에 의해 제어 가능하도록 할 수 있다.
본 발명은, 여기상태를 양자 도트의 크기 효과에 따른 전자의 공명여기, 자장인가에 따른 란다우 준위(Landau level) 간의 전자의 공명여기 및 스핀상태에 의한 자기적 에너지 분리에 따른 스핀상태 간의 여기의 어느 하나, 또는 이들의 조합이 가능하다.
상기 전자파 결합수단으로서, 양자 도트와 전자기파를 전기적인 결합을 하는 표준적 보타이(BOTAI) 안테나를 적용할 수 있다.
또한, 이 전자기파 결합수단은, 전자 도트와 전자기파를 전기적인 결합을 하는, 노드(node)를 단락한 변칙적인 보타이 안테나이어도 무방하다.
바람직하게는, 상기 전자기파 결합수단의 노드의 단락 유무와 양자 도트의 크기는 인가하는 자장과 상기 전자기파의 파장에 따라 결정된다.
상기 전자기파 결합수단은 단일 전자 트랜지스터의 게이트 전극을 겸할 수도 있다.
본 발명의 밀리파-원적외선 검출기의 제2 양태는, 전자기파를 1미크론 크기 이하의 미세 공간영역에 집중하는 전자기파 결합수단과, 전자기파 결합수단에 집중한 전자기파를 흡수하여 이온화를 일으키는 제1 양자 도트와, 제1 양자 도트에 정전기적으로 결합한 제2 양자 도트를 포함하는 단일 전자 트랜지스터를 갖고, 제1 양자 도트의 이온화에 따른 제2 양자 도트의 정전기적 상태의 변화에 의해 단일 전자 트랜지스터의 전기 전도도가 변화하는 것에 따라 전자기파를 검출하는 구성으로 한 것을 특징으로 한다.
상기 제1 양자 도트의 이온화는 제1 양자 도트의 양자화 속박상태의 전자를 제1 양자 도트 외부의 전자계의 자유전자 상태로 여기함으로써 발생되도록 하여 얻어진다.
상기 제1 양자 도트의 이온화 에너지는, 바람직하게는 제1 양자 도트 게이트에 인가하는 바이어스 전압의 크기에 의해 제어가 가능하다.
상기 제1 양자 도트의 이온화 상태로부터 중성상태로 되돌아올 때까지의 수명은 1마이크로초∼1000초이다.
상기 제1 양자 도트 및 제2 양자 도트는, 바람직하게는 동일한 반도체 구조상이며, 각각에 인가하는 바이어스 전압에 의해 정전기적으로 분리되어 형성되어있다.
바람직하게는, 상기 제1 양자 도트와 제2 양자 도트는, 반도체 중에 있어서 간극을 통해 인접하여 형성된다.
상기 제2 양자 도트는, 바람직하게는 제1 양자 도트 상에 형성된 금속 도트이며, 금속 도트에 형성된 금속 리드선과 터널접합하여 단일 전자 트랜지스터를 형성한 것이다.
상기 제2 양자 도트는, 바람직하게는 알루미늄 금속 도트이며, 터널접합하는 부분을 산화알루미늄으로 형성한 것이다.
상기 전자기파 결합수단은 제1 양자 도트와 전자기파를 전기적으로 결합하는 표준적 쌍극자 안테나일 수도 있다.
상기 전자기파 결합수단은 제1 양자 도트 및 제2 양자 도트를 형성하는 바이어스전압 인가를 위한 게이트를 겸하도록 할 수도 있다.
상기 전자기파 결합수단의 리드 부분의 길이방향을 전자기파 결합수단의 분극 축방향으로 수직하게 형성하면 좋다.
상기 전자기파 결합수단의 노드의 크기와 양자 도트의 최대 크기는, 바람직하게는 대략 동일하다.
상기 전자기파 결합수단의 전극 직경은 전자기파 파장의 약 1/2로 할 수 있다.
상기 단일 전자 트랜지스터는 2차원 전자계를 형성하는 단일 헤테로(hetero) 구조를 갖고, 양자 도트를 단일 전자 트랜지스터의 게이트 전극에 의해 2차원 전자가스를 전기적으로 제한하도록 할 수도 있다.
상기 단일 전자 트랜지스터는, 바람직하게는 2차원 전자계를 형성하는 단일 헤테로 구조와, 2차원 전자계 내에 터널접합하는 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 소스 전극 및 드레인 전극을 가지고 있다.
상기 단일 전자 트랜지스터는, 바람직하게는 소스 및 드레인 전류를 제어하는 게이트 전극과, 양자 도트를 형성하기 위한 게이트 전극을 가지고 있다.
상기 단일 전자 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 거리는, 바람직하게는 전자기파 결합수단의 분극 축방향 길이 이상이다.
상기 단일 전자 트랜지스터는 화합물 반도체로 할 수도 있으며, 특히, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 하는 것이 바람직하다.
상기 단일 전자 트랜지스터는, 바람직하게는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 선택 도핑된 단일 헤테로 구조를 가지고 있다.
상기 단일 전자 트랜지스터는, 바람직하게는 알루미늄-갈륨 비소/갈륨 비소의 선택 도핑된 단일 헤테로 구조를 가지고 있다.
상기 단일 전자 트랜지스터는, 바람직하게는 Ⅳ족 반도체이다.
상기 단일 전자 트랜지스터는, 양자 도트에 대하여 대칭으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 양태에서는, 바람직하게는 상기 구성 외에, 전자기파 결합수단에 전자기파를 안내하는 광 도입부를 가지고 있다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 밀리파-원적외선 검출기는 검출하려고 하는전자기파를 전자기파 결합수단에 의해 양자 도트에 효과적으로 집중시키고, 이 전자기파를 흡수하여 발생한 양자 도트 내의 전자 준위 사이의 공명여기를 단일 전자 트랜지스터의 증폭작용을 통해 검출한다.
전자기파 검출수단이 표준적 보타이 안테나에서는 양자 도트 내에 전기적인 천이에 의한 여기를 일으키고, 변칙적 보타이 안테나에서는 양자 도트 내에 자기적인 여기를 일으킨다.
또한, 단일 전자 트랜지스터의 양자 도트가 알루미늄-갈륨 비소/갈륨 비소의 선택 도핑된 헤테로 구조의 결정인 경우, 2차원 전자계의 유효직경이 0.02㎛∼0.6㎛의 미세한 도트이다.
단일 전자 트랜지스터가 전자기파 결합수단을 게이트 전극으로 겸용함으로써, 양자 도트를 외부의 2차원 전자계에 약하게 터널접합하여 형성한다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 전자기파의 파장에 비해 100분의 1 이하 크기의 양자 도트에 효과적으로 전자기파의 에너지를 집중하여 흡수한 결과, 발생하는 여기상태를 10나노초 이상 유지할 수 있다.
그 결과, 하나의 전자기파 광자의 흡수에 의해 발생한 전도도의 변화가 10나노초 이상 유지된다. 단일 전자 트랜지스터 동작의 시정수(time constant)는 실질적으로는 사용하는 증폭기에 의한 제약을 받지만, 헬륨 온도로 냉각한 HEMT 증폭기와 LC 탱크 회로를 조합하여 전류 증폭회로를 구성함으로써, 시정수 3나노초로 전도도 변화를 측정할 수 있다. 그러므로, 실제 조건 하에서, 단일 광자의 검출을 행할 수 있다.
또한, 전자기파를 흡수하는 제1 양자 도트와, 이것을 검출하는 전도성의 제2 양자 도트를 분리하고 있는 경우에는, 전자기파 흡수에 의해 여기되는 정공(positive hole)과 전자가 각각 제1 양자 도트의 내부와 외부로 분리되기 때문에, 자장을 인가하지 않고 매우 장시간 여기상태, 즉 이온화 수명을 실현할 수 있다. 그러므로, 자장의 인가 없이 감도를 보다 향상시킬 수 있으며, 단일 광자를 용이하게 검출할 수 있다.
또한, 제1 양자 도트를 형성하는 전자계에서는 이산 준위로부터 연속대 준위로의 여기를 이용하기 위한 임계값, 즉 이온화 에너지 이상의 에너지를 갖는 연속적인 파장 대역에서 양호한 검출감도를 갖는다. 또한, 검출의 임계치 파장, 즉 이온화 에너지가 게이트 전압에 의한 전위 장벽의 높이 조절을 통해 직접적으로 제어가 가능하다.
또한, 제2 양자 도트를 미세하게 함으로써 동작온도를 최고 2K까지 상승시킬 수 있다.
본 발명의 밀리파-원적외선 검출기는, 반도체 양자 도트에 의한 단일 전자 트랜지스터(Single Electron Transistor, 이하 "SET"라 함)를 사용한다. SET는, 예를 들면 2차원 전자 가스를 형성하는 반도체 초격자의 단일 헤테로 구조를 가지며, 소스 전극 및 드레인 전극에 의해, 소스 영역과 드레인 영역에 약하게 터널접합한 대단히 작은 고립된 전도성 영역의 도트와, 그 도트의 정전기적 전위를 제어하는 제어 게이트 전극으로 형성된다.
또한, SET는 화합물 반도체, 특히 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체, Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체 초격자의 선택 도핑된 단일 헤테로 구조를 가질 수도 있다. 또한, 복수의 양자 도트를 갖는 밀리파-원적외선 검출기의 경우, Ⅳ족 반도체일 수도 있다.
제어 게이트 전극의 바이어스 전압을 변화시키면 도트 내의 전도전자의 전기화학적 전위가 변화하고, 이것이 소스 및 드레인 전극의 페르미(Fermi) 에너지와 동일하게 되는 조건 하에서만 소스-드레인 전류 ISD가 흐른다.
SET의 이러한 도통상태에서의 전도도, G = ISD/ VSD는 대략 [200∼400㏀]-1이 된다. 단, VSD는 소스-드레인 전압이고, 본 발명에서 사용되는 SET에서는 100㎶ 이하로 해야 한다.
전도성 도트로서, 유효적인 크기가 0.02㎛ 내지 0.6㎛인 반도체 양자 도트를 사용하면, 그 내부의 전자계의 에너지 준위는 크기 효과 또는 외부로부터 인가되는 자장에 따라 양자화되고, 그 에너지 간격이 밀리파-원적외선 영역의 광양자에 대응한다. 상기 에너지 간격은 양자 도트의 크기 변화 또는 외부 자장, 바이어스 전압의 인가에 의해 제어될 수 있다. 그러므로, 밀리파-원적외선을 조사함으로써 양자 도트 내부에서 전자를 공명적으로 여기할 수 있다. 단, 여기되는 상태는 후술하는 바와 같이 여기방법 및 자장인가의 유무에 따라 상이하다.
어떠한 경우에도, 여기된 전자의 파동함수는 그 공간대칭성과 공간분포가 기저상태에 비해 변화하기 때문에, 양자 도트의 전기화학적 전위 및 소스-드레인 영역과의 터널접합 강도가 크게 변화한다. 이로 인해, 반도체 양자 도트 내의 하나의 전자가 여기되는 것만으로, SET의 전도도가 20%∼99% 정도로 크게 변화하고, 그전도도가 변화한 상태가, 여기상태가 감소하여 기저상태로 돌아올 때까지, 즉 여기상태 및 그 완화된 상태의 수명 사이에서 유지된다.
한편, 여기된 양자 도트의 상태는, 그 에너지의 이산 준위 구조로 인해, 기저상태로 돌아올 때까지의 수명이 10나노초 내지 1000초로 길기 때문에, 매우 감도가 높은 검출기로 된다. 전도도 G가 X% 변화하여 이것이 T초 동안 지속되는 경우의 소스 전극으로부터 드레인 전극으로 보내지는 전자 수의 변화, N=GVSDT(X/100)/e는, 대표적인 조건인 G=1/300㏀, X=50%, T=1밀리초, VSD=0.05㎷에서, 106에 달하는 다수이다. 즉, 하나의 광자를 흡수함으로써 1백만개 정도 이상의 전자를 전극 사이에 이송할 수 있다.
또한, SET 동작의 원리적 시정수, CSD/G는 수십 피코초(pico-second) 정도로 매우 짧다. 여기서, CSD는 소스-드레인 사이의 정전용량이다. 그러므로, 전류의 고속 시간분해 측정을 통해 단일의 밀리파-원적외선을 검출할 수 있다.
본 발명은 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 실시예를 도시하는 첨부도면에 의해 보다 잘 이해될 것이다. 첨부도면에 도시되는 실시예는 본 발명을 특정 또는 한정하는 것을 의미하는 것이 아니고, 단지 발명의 설명 및 이해를 용이하게 하기 위해서만 사용되는 것이다.
이하, 본 발명에 의한 밀리파-원적외선 검출기를 구체적인 적절한 실시예에 따라 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 밀리파-원적외선 검출기의 구성에 대하여 설명한다.
도 1은 집광 시스템을 포함한 본 발명에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기의 개략구성단면도이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기는 입사하는 밀리파-원적외선을 검출기의 안테나로 유도하기 위한 밀리파-원적외선 도입부(1)와, 반도체 양자 도트를 통해 전류를 제어하는 단일 전자 트랜지스터가 형성되어 있는 반도체 기판(4)과, 단일 전자 트랜지스터에 형성된 1미크론 크기 이하의 미세 공간영역에 있는 반도체 양자 도트에 밀리파-원적외선을 집중하는 보타이 안테나(6)를 구비하고, 반도체 기판(4)은 IC칩용의 패키지(7)에 장착되어 있다. 밀리파-원적외선 도입부(1)는 밀리파-원적외선(2)을 유도하는 광 도입관(3)과, 밀리파-원적외선(2)을 집광하는 유전체 렌즈(5)와, 집광을 보조하는 유전체 대물렌즈(9)를 가지고 있다. 유전체 대물렌즈(9)에는 실리콘의 반구 렌즈를 사용하고, 유전체 대물렌즈(9)는 보타이 안테나(6) 또는 후술하는 반도체 양자 도트 표면에 직접 접촉되지 않도록 이들에 대하여 10㎛ 정도의 간극을 남기고 고정되어 있다. 또한, 도 1에서 참조부호 (8)은 반도체 기판(4)에 형성되는 단일 전자트랜지스터 이면 쪽의 이면 게이트 전극을 나타낸다.
도 1에 도시된 광 도입부(1)를 포함하는 밀리파-원적외선 검출기(10)는 0.3K 이하로 냉각되며, 필요에 따라서 반도체 기판(4)(양자 도트)에 수직으로 자장(B)을 인가한다.
도 2는 본 발명에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기를 도시하며, (a)는 보타이 안테나와 양자 도트에 의한 단일 전자 트랜지스터의 단면도이고, (b)는 메사 구조부의 일부 개략단면도이다. 도 2(a)에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 밀리파-원적외선 검출기(10)는 보타이 안테나(6)와, 반도체 양자 도트(12)와, 상기 반도체 양자 도트를 포함하는 단일 전자 트랜지스터(14)를 일체로 하여 반도체 기판(4) 상에 형성되고, 단일 전자 트랜지스터(14)는 옴 전극(16, 17)에 의해 소정 조건하의 소스-드레인 전류가 흐르도록 되어 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 반도체 기판(4)의 이면에는 금속 박막이 증착되어서 이면 게이트 전극이 형성되어 있다.
단일 전자 트랜지스터(14)의 구조는 도 2(b)에 도시되는 바와 같이, 반 절연(semi-insulating) GaAs 단일 결정 반도체 기판(4) 상에 변조 도핑된 GaAs/Al0.3Ga0.7As 단일 헤테로 구조로 적층되고, 도 2(a)에 도시되는 단일 전자 트랜지스터(14)의 메사 구조가 리소그래피(lithography) 기술을 사용하여 형성되어 있다.
GaAs/Al0.3Ga0.7As 단일 헤테로 구조 결정으로는, 4.2K에서의 2차원 전자 이동도가 60m2/Vs 이상, 전자 농도가 2 ×1015/m2내지 4.5 ×1015/m2인 것을 사용한다.
헤테로 구조는 도 2(b)의 단면도에 도시되는 바와 같이, 결정 표면으로부터 1018/cm3정도 도핑한 두께가 10㎚ 정도의 GaAs층(22)과, Si를 1 ×1018/cm3도핑한 두께가 70㎚ 정도의 Al0.3Ga0.7As층(24)과, 두께가 20㎚ 이상의 스페이서 층인 순수한 Al0.3Ga0.7As층(26)과, 두께가 100㎚ 정도의 도핑되지 않은 GaAs층(28)이 GaAs 반도체 기판(4) 상에 분자선 에피택시법 등에 의해 선택적으로 도핑되어 적층되어 있다. 또한, 도 2(b)에서의 사선부(25)는 2차원 전자 시스템이 형성되는 것을 나타내는 것으로, 두께는 10㎚ 정도이다. 반도체 기판(4)은 표준적인 반 절연 GaAs 단일 결정으로 전체 두께는 0.5㎜ 정도로서, 평면 크기는 1㎜ 내지 3㎜ 정도이다.
본 발명에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기의 각 구성부분에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 도 2(a)에 도시되는 바와 같이, 반도체 양자 도트(12)를 포함하는 단일 전자 트랜지스터(14)는 GaAs 반도체 기판(4) 상에 형성된 2차원 전자 시스템의 가느다란 메사 구조를 갖고, 이 메사 구조의 중앙부 부근이 반도체 양자 도트(12)(상세한 설명은 후술됨) 외부의 2차원 전자 시스템에 의해 밀리파-원적외선이 여분으로 흡수되는 것을 방지하기 위해 길이 200㎛ 정도에 걸쳐서 폭 4㎛ 정도로 가느다랗게 형성되어 있다. 즉, 양자 도트가 형성되는 중앙부는 양단의 메사 구조 부분보다도 가늘다. 또한, 양자 도트에 의한 단일 전자 트랜지스터는 중앙부에 형성되는 양자 도트에 대하여 대칭으로 형성되는 것이 좋다.
메사 구조의 양단에는 Au/Ge 합금화에 의한 표준적인 옴 전극의 소스 전극(16)과, 드레인 전극(17)이 형성되어 있다. 양 전극 간의 거리는 반도체 양자도트(12)로 전자파를 집광하는 것을 방해하지 않도록 보타이 안테나(6)의 길이(H) 정도 이상의 거리만큼 서로 이격되어 있다. 보타이 안테나(6)는 증착 금속 박판으로 형성되며, 예를 들면 두께가 20㎚인 Ti과 두께가 60㎚인 Au로 형성되어 있다. 보타이 안테나(6)는 도 2(a)에 도시되는 바와 같이, 단일 전자 트랜지스터(14)의 폭 4㎛ 정도로 가늘게 형성된 메사 구조에서 서로 마주보거나 걸쳐져서 반대방향으로 2개의 정삼각형을 이루는 형태로 넓어지고, 메사 구조의 중앙에서 노드를 만들고 있다. 보타이 안테나(6)의 길이, 즉, 전극의 직경(H)은 피측정 밀리파-원적외선 파장의 약 절반이다. 그러나, 집광 과정에서 광선이 다양한 입사각으로 입사하기 때문에, 실제로 보타이 안테나(6)는 파장이 2H만이 아닌 광대역의 밀리파-원적외선을 검출할 수 있다.
보타이 안테나(6)는 후술하는 바와 같이, 반도체 양자 도트(12)의 형성을 위한 게이트 전극(32, 34)과 제어 게이트 전극(36)을 겸하도록, 보타이 안테나(6) 날개의 한 쪽이 3개로 분할되어 있다. 분할된 각 게이트 전극(32, 34, 36)에 바이어스 전압을 인가하기 위해, 분할된 각 부분은 5∼10㎛ 폭의 리드 부분(33, 35, 37)을 통해 충분히 이격된 금속 패드 부분(43, 45, 47)(20㎚: Ti, 150㎚: Au)으로 접속되어 있다. 또한, 다른 쪽 날개는 게이트 전극(30)으로 이루어지며, 5~10㎛ 폭의 리드 부분(31)을 통해 금속 패드 부분(41)으로 접속되어 있다.
리드 부분(31, 33, 35, 37)의 길이방향은 전자기파로의 영향을 감소시키기 위해 보타이 안테나(6)의 분극 축방향으로 수직이다. 옴 전극(16, 17) 및 각 게이트 전극(30, 32, 34, 36)은 패드 부분을 이용하고, 금선(gold wire)을 사용하여표준적 IC칩용 패키지의 단자로 보타이 안테나에 의해 배선되어 있다.
다음에, 보타이 안테나의 노드에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명에 관련되는 보타이 안테나의 노드 영역에서의 평면 구조를 나타내는 개략도이며, (a)는 자장 무인가에서 사용하고, 파장 0.5∼10㎜의 밀리파-원적외선 검출기에 사용되는 것이고, (b)는 1∼7T의 자장 하에서 사용하고, 파장 0.1∼0.4㎜의 밀리파-원적외선 검출기에 사용되는 것이고, (c)는 1∼13T의 자장 하에서 사용하고, 파장 0.35∼10㎜의 밀리파-원적외선 검출기에 사용되는 것을 도시하는 도면이다.
도 3(a),(b),(c)에 도시되는 바와 같이, 보타이 안테나(6a, 6b, 6c)의 노드에 양자 도트(12a, 12b, 12c)가 형성되고, 보타이 안테나의 노드에서의 단락 유무와, 양자 도트의 크기는 사용조건 및 피측정 전자기파의 파장범위에 따라서 이하에 나타내는 3개의 상이한 것을 사용하는 것이 좋다. 또한, 도 3에서 참조부호 (14a, 14b, 14c)는 2차원 전자 시스템 메사 구조를 나타낸다.
제1의 경우는, 자장을 사용하지 않는 조건으로, 검출 파장범위가 0.5∼10㎜, 보타이 안테나의 형식이 표준의 전기결합, 양자 도트 전극 크기(양자 도트의 2차원 전자 시스템의 유효직경)가 0.2∼0.4㎛(0.02∼0.2㎛)인 경우이다.
제2의 경우는, 1T∼7T의 자장인가를 사용하는 조건으로, 검출 파장범위가 0.1∼0.4㎜, 보타이 안테나의 형식이 표준의 전기결합, 양자 도트 전극 크기(양자 도트의 2차원 전자 시스템의 유효직경)가 0.6∼0.8㎛(0.4∼0.6㎛)인 경우이다.
제3의 경우는, 4T∼13T의 자장인가를 사용하는 조건으로, 검출 파장범위가 3∼10㎜, 보타이 안테나의 형식이 노드단락의 전기결합, 양자 도트 전극 크기(양자도트의 2차원 전자 시스템의 유효직경)가 0.6∼0.8㎛(0.4∼0.6㎛)인 경우이다.
도 3(a),(b),(c)는 상술한 제1, 제2 및 제3 각각의 경우에 대응하는 보타이 안테나의 노드 영역에서의 평면 구조를 나타내는 도면이다. 또한, 양자 도트를 형성하는 노드 영역이 상술한 양자 도트 전극 크기이다. 도 3(a)에 도시되는 상술의 제1 경우는, 자장을 인가하지 않고 사용하기 위한 구성으로, 양자 도트(12a)는 보타이 안테나(6a)에 의해 전자기파에 전기적으로 결합한다. 피측정 전자기파의 파장범위는 0.5㎜∼10㎜이다. 자장을 인가하지 않는 경우, 양자 도트(12a)의 여기상태의 수명은 10나노초∼1마이크로초로 비교적 짧으나, 상술한 바와 같이, 헬륨 온도로 냉각한 HEMT 증폭기와 LC 탱크 회로를 조합한 전류 증폭회로를 사용하여 단일 광자를 검출한다.
보타이 안테나(6a)의 한 쪽 날개는 3분할되어 게이트 전극(32a, 34a, 36a)으로 되며, 다른 쪽 날개는 게이트 전극(30a)으로 되어 있다. 게이트 전극(30a) 선단의 2개의 돌기부(52a, 52a)의 각 폭은 0.15㎛이고, 게이트 전극(32a, 34a) 선단부분(54a, 54a)의 각 폭은 0.15㎛이다. 또한, 각각의 돌기부의 마주하는 간극(55a)은 0.15㎛이다. 도 3(a)에서 Wa는 2㎛, La는 0.4㎛, Ma는 0.35㎛를 나타낸다.
3개의 게이트 전극(32a, 34a, 30a)을 -0.6V 정도, 또한, 게이트 전극(36a)을 -0.2V 내지 -3V의 음전압으로 바이어스 함으로써, 게이트 전극의 아래의 2차원 전자 시스템이 따라서 제거되고, 중심의 0.3㎛ 정사각형 부분의 내측에 2차원 전자 시스템이 속박되어 양자 도트(12a)가 형성된다. 그러나, 전자 도트가 외측의 2차원 전자 시스템에 약하게 터널접합하도록 게이트 전극(34a)과 게이트 전극(30a)의 바이어스 전압을 미세조정한다. 또한, 게이트 전극(36a)은 제어 게이트 전극으로서 동작하고, 양자 도트에 의한 단일 전자 트랜지스터가 형성된다. 제어 게이트 전극의 바이어스 전압(VCG)을 -0.2V 내지 -3V 사이로 변화시킴으로써, 양자 도트 중 2차원 전자 시스템의 유효직경이 약 0.2㎛ 내지 0.02㎛까지 변화한다.
다음에, 도 3(b),(c)는 각 자장 1T∼7T 및 4T∼13T를 인가하여 사용하기 위한 구성이다. 자장을 인가한 경우, 양자 도트의 여기상태의 수명은 자장의 값과 양자 도트 중의 전자농도에 따라 1밀리초 내지 1000초 정도에 달하고, 고속의 전류 증폭회로를 사용하지 않고 매우 용이하게 단일 광자를 검출할 수 있다. 도 3(b)에 도시되는 상술한 제2의 경우에는, 양자 도트(12b)가 보타이 안테나(6b)에 의해 전자기파에 전기적으로 결합하는 구성으로, 피측정 전자기파의 파장범위가 0.05㎜∼0.4㎜인 것이다. 보타이 안테나(6b)를 구성하는 각 게이트 전극의 기하학적 구성과 각각의 역할은 도 3(a)의 것과 동일하나, 각 부분의 크기가 이하와 같이 상이하다. 즉, 게이트 전극(30b)의 2개의 돌기부(52b, 52b)의 각 폭은 0.3㎛이고, 게이트 전극(32b, 34b)의 선단부분(54b, 54b)의 각 폭은 0.3㎛이다. 또한, 각각의 돌기부의 마주보는 간극(55b)을 0.3㎛로 하고 있다. 또한, 도 3(b)에서, Wb는 4㎛, Lb는 0.7㎛, Mb는 0.7㎛를 나타낸다. 이와 같이, 중심부의 0.7㎛ 정사각형의 내측에 2차원 전자 시스템이 속박되어, 유효직경이 0.4㎛∼0.6㎛의 양자 도트가 형성되어 있다. 게이트 전극(36b)이 제어 게이트 전극으로서 동작하고, 양자 도트에의한 단일 전자 트랜지스터가 형성되고, 제어 게이트 전극의 바이어스 전압(VCG)은 -0.3V 내지 -1.5V 사이에서 변화시키고 있다.
도 3(c)에 도시되는 상술한 제3의 경우에는, 양자 도트(12c)가 보타이 안테나(6c)에 의해 전자기파에 전기적으로 결합하는 구성으로, 피측정 전자기파의 파장범위가 3㎜∼10㎜인 것이다. 2차원 전자 시스템의 메사 구조부분의 폭 Lc 및 Mc를 0.7㎛로 하고, 또한, 0.7㎛ 이격된 2개소에 폭 0.4㎛의 수축부분(56, 56)을 형성하고 있다.
보타이 안테나(6c)의 한 쪽 날개는 3분할되어 게이트 전극(32c, 34c, 36c)이 형성되어 있다. 이 중 게이트 전극(36c)은 보타이 안테나(6c)의 다른 쪽 날개의 게이트 전극(30c)에 폭 0.2㎛의 브리지로 단락되어 있다. 게이트 전극(32c)과 게이트 전극(34c)을 음전압으로 바이어스 함으로써, 수축부분(56, 56)과 게이트 전극(32c, 34c)에 끼워진 0.8㎛ 정도 정사각형 영역의 내측에 2차원 전자 시스템이 속박되어, 유효직경이 0.4㎛∼0.6㎛의 양자 도트(12c)가 형성되어 있다. 게이트 전극(36c)이 제어 게이트 전극으로서 동작하고, 양자 도트에 의한 단일 전자 트랜지스터가 형성된다. 제어 게이트 전극의 바이어스 전압(VCG)은 양자 도트 중의 전자농도에 커다란 변화를 주지 않도록 +0.1V 내지 -0.1V 사이에서 변화시키고 있다.
다음에, 본 발명의 밀리파-원적외선 검출기의 작용에 대하여 설명한다. 실시예의 상세 및 작용은 상술한 제1, 제2 및 제3의 각 경우에 의해 상이하다.
도 3(a)에 도시되는 제1 경우의 작용에 대하여 설명한다. 제1의 경우, 양자도트는 크기가 작고, 10개 내지 50개 정도의 전도 전자밖에 포함되지 않으므로, 전자 준위가 크기효과 및 교환 상호작용에 의해 이산적 에너지 준위(εn)로 분열한다.
우선, 페르미 준위 근방에서의 에너지 분열, Δεnm= εn- εm,이 피측정 밀리파-원적외선에 대하여 다음의 공명조건을 만족하도록 제어 게이트 전압(VCG)을 조절한다.
ω= 2 πΔεnm/ h ···(1)
단, (1)식에서, ω는 피측정 밀리파-원적외선의 각진동수(angular frequency), h는 플랑크 상수이다. 일반적으로, εnm은 양자 도트 유효직경의 제곱에 반비례하고, 예를 들면, 피측정 밀리파-원적외선의 파장 0.5㎜에 대하여 VCG= -3V∼-2V(양자 도트 유효직경 약 0.02㎛), 피측정 밀리파-원적외선의 파장 10㎜에 대하여 VCG= -0.5V∼-0.2V(양자 도트 유효직경 약 0.2㎛)로 된다.
다음에, SET를 전도도가 최대인 상태로 놓는다. 즉, 도 2의 2개의 옴 전극 사이에 소스-드레인 전압(VSD)(100㎶ 이하)을 인가하여도 통상은 쿨롱 폐쇄(Coulomb occlusion)가 형성되어 소스-드레인 전극 사이에 전류(ISD)가 흐르지 않으나, 도 3(a)의 제어 게이트 전극(36a)의 바이어스 전압(VCG)을 미세하게 변화시키면, VCG의값이 3㎷∼20㎷ 변화할 때에 유한의 ISD가 가파른 피크를 가지고 나타나는 쿨롱 진동이 발생한다.
VCG를 미세조절하여 ISD의 하나의 피크 위치에 도달하도록 고정한다. 이 때의 미세한 VCG의 조정은 상술한 공명조건 (1)식에 실질적으로 영향을 주지 않는다. 상기 쿨롱 진동의 피크 상태에서, 피측정 밀리파-원적외선을 입사시키면, 입사한 밀리파-원적외선은 보타이 안테나에 의해 양자 도트 부분에 진동 전계(oscillating electric field)를 형성하고, 전자의 공명여기 εn→εm을 일으킨다.
여기상태는 일반적으로 기저상태에 비해 전자파동 함수의 공간대칭성이 상이하므로, 양자 도트의 터널접합 강도 및 전기화학적 전위가 함께 변화하고, SET의 전도도(G)에 10%∼90% 정도의 커다란 변화가 생긴다. 이러한 전도도의 변화는 여기가 포논 방출(phonon emission)에 의해 소멸될 때까지 대략 10나노초∼1마이크로초 유지되어, 이것이 고속의 전류 증폭기에 의해 측정된다.
다음에, 도 3(b)에 도시되는 제2 경우의 작용에 대하여 설명한다. 도 4는 자장 하에서의 양자 도트 내부에서의 밀리파-원적외단일광자 흡수에 의한 준위간의 전자여기를 나타내는 전기적 천이의 개념도이며, (a)는 란다우 준위 사이의 여기, (b)는 여기된 전자 및 정공의 안정상태로의 완화, (c)는 양자 도트 내의 분극, (d)는 정전 전위의 변화 ΔU 및 전기화학적 전위의 변화 Δμo↑를 도시하는 도면이다. 또한, 도 4에서, 0 및 1은 전자의 에너지 준위를 나타내고, ↑는 업스핀(up spin), ↓는 다운스핀(down spin)을 나타낸다.
상기 제2의 경우는, 양자 도트는 크기가 크고, 200개 내지 400개의 전도전자를 포함하기 때문에 전자 준위에 대한 크기효과 Δεnm은 작으나, 도 4(a)에 도시되는 바와 같이, 자장인가에 의해 에너지 구조가 간격(h/2π) ωc≒ (h/2π)eB/m*의 란다우 준위로 분열한다. 여기서, ωc는 페르미 준위 근방에서의 에너지 분열이, 피측정 밀리파-원적외선에 대하여 공명조건을 만족했을 때의 각진동수, e는 기본전하량으로서 1.6 ×10-19쿨롱, B는 자속밀도, m*은 유효질량으로서 0.068m, m은 전자의 질량을 나타낸다.
상기 제2 구성의 경우, 먼저 밀리파-원적외선의 각진동수 ω가, 다음의 플라즈마 진동의 영향을 포함한 공명조건을 만족하도록 자장을 인가한다.
ω= [ωp 2+ (ωc/ 2)2]1/2+ (ωc/ 2) ···(2)
여기서, ωp는 양자 도트의 플라즈마 각진동수이며, 플라즈마 파장 λp= 2πc/ωp로 나타내면, 도 3(b)의 양자 도트에 대하여는 약 0.43㎜이다. 또한, c는 진공 중의 광선의 속도이다.
식(2)을 구체적으로 만족하는 자장은, 피측정 파장 0.1㎜에 대하여 대략 B = 6T∼7T, 피측정 파장 0.4㎜에 대하여 B = 1T∼1.5T로 된다. 또한, T는 자속밀도의 단위 기호로 테슬라(tesla)를 나타낸다.
다음에, 상술한 제1의 경우와 동일한 요령으로, SET를 쿨롱 진동의 피크상태로 발생하는 피측정 밀리파-원적외선을 입사시킨다. 입사된 밀리파-원적외선은 보타이 안테나에 의해 양자 도트 부분에 진동 전계를 형성하고, 도 4(a)에 화살표로 표시되는 바와 같이, 란다우 준위 사이의 전자의 공명여기, 즉마그네토플라즈마(magnetoplasma) 공명을 일으킨다. 여기된 전자(도 4(a)의 검은 원)와 정공(도 4(a)의 흰 원)은 도 4(b)에 도시되는 바와 같이, 각각 잉여의 에너지를 격자 시스템으로 빼앗김으로써 10나노초 정도의 시간 내에 완화된다. 그리고 나서, 도 4(c)에 도시되는 바와 같이, 양자 도트를 형성하는 정전 전위의 영향에 의해 전자 및 정공이 각각 양자 도트의 내부와 외부로 이동하고, 공간적으로 분리되기 위해 양자 도트 내부에 환형의 분극이 형성된다. 그 결과, 양자 도트의 가장 바깥쪽 셸의 전자 준위의 전기화학적 전위가 분극에 의한 정전 전위 변화량은 ΔU = 30∼60 μeV로 변화한다.
그 결과, SET의 작동은 전도 피크, 즉 전도도(G)가 최대의 상태로부터 쿨롱 폐쇄, 즉 G≒0으로 변화한다. 전도 단절의 상태는 양자 도트 내에서 전자 및 정공이 재결합 할 때까지 지속되나, 그 재결합 수명은 전자-정공 간의 공간적 거리 때문에 길고, 용이하게 단일 광자의 흡수를 검출할 수 있다. 이 경우, 제어 게이트 전압(VCG) 및 이면 게이트(도 1 및 도 3)의 바이어스 전압에 의해 양자 도트 중의 평균 전자 농도(Nd)를 조절하여 도트 중의 란다우 준위의 점유지수(υ)를 짝수 근방, 예를 들면 υ= 2.4∼1.9, 4.6∼4.0 및 6.6∼6.0 등으로 함으로써, 특별히 긴 수명의 상태를 실현할 수 있다.
여기서, 란다우 준위의 점유지수 υ는 다음의 (3)식으로 나타낸다.
υ= Nd/ (2πeB/h) ···(3)
다음에, 도 3(c)에 도시되는 제3 경우의 작용에 대하여 설명한다. 도 5는자장 하에서의 양자 도트 내부에서의 밀리파-원적외단일광자 흡수에 의한 준위 사이의 전자여기를 나타내는 자기적 천이의 개념도로, (a)는 자기적인 천이(magnetic resonance)에 의한 스핀 상태 사이의 여기, (b)는 여기된 전자 및 정공의 안정상태로의 완화, (c)는 양자 도트 내의 분극, (d)는 정전 전위의 변화 ΔU를 도시하는 도면이다.
상기 제3의 경우는 양자 도트가 제2 경우의 구조와 마찬가지로, 크기효과는 작고, 자장인가에 의해 란다우 준위로의 분열 외에, 도 5(a)에 도시되는 바와 같이 스핀상태에 의한 자기적인 에너지 분리 ΔεM= g* μBB가 일어난다. 여기서, g*는 유효 g인자, μB는 자자(magneton)를 나타낸다.
먼저, 피측정 밀리파-원적외선의 각주파수(ω)에 대하여 다음의 공명조건을 만족하도록 자장을 인가한다.
ω= 2πΔεM/h ···(4)
유효 g인자는 대략 g* = 0.44이다.
다음에, 상술한 제1의 경우와 동일한 요령으로 SET를 쿨롱 진동의 피크 상태로 놓고, 피측정 밀리파-원적외선을 입사시킨다. 입사된 밀리파-원적외선은 보타이 안테나의 단락된 노드에 진동 전류를 발생시키고, 양자 도트 부분에 진동 자장을 만든다. 그 결과, 도 5(a)에 화살표로 표시하는 바와 같이, 전자의 자기 공명여기를 일으킨다. 여기된 전자 및 정공은 도 5(b)에 도시되는 바와 같이, 각 잉여 에너지를 격자 시스템으로 빼앗김으로써 10나노초 정도의 시간 내에 완화된다. 이때, 도 5(c)에 도시되는 바와 같이, 양자 도트를 형성하는 정전 전위의 영향에 의해 전자 및 정공이 각 양자 도트 내부에서 공간적으로 분리되고, 양자 도트 내부에 환형의 분극이 형성된다. 이 때문에 양자 도트의 가장 바깥쪽 셸의 전자 준위의 전기화학적 전위가 분극에 의한 정전 전위 변화량, ΔU = 10∼50μeV 만큼 변화한다.
그 결과, SET의 동작은 전도 피크, 즉 전도도(G)가 최대의 상태로부터 쿨롱 폐쇄의 상태, 즉 G≒0으로 변화한다. 전도 차단의 상태는 양자 도트 내에서 전자 및 정공이 재결합할 때까지 지속되나, 그 재결합 수명은 스핀 반전의 산란 확률이 낮으므로 길고, 용이하게 단일 광자의 흡수를 검출할 수 있다.
다음에, 복수의 양자 도트를 갖는 다른 적절한 실시예를 설명한다.
상술한 하나의 양자 도트를 갖는 경우에서는, 자장을 인가하지 않는 한, 여기상태의 수명이 1마이크로초 이하로 비교적 짧다. 따라서, 단일 광자를 검출하기 위해서는, 헬륨 온도로 냉각한 HEMT 증폭기와 LC 회로를 조합한 전류 증폭기를 사용하거나, 자장을 인가하여 여기상태의 수명을 1밀리초 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, 양자 도트를 복수 개 갖는 다른 실시예에서는 자장인가 없이 감도를 보다 향상시킬 수 있다.
다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기에서는, 서로 전기적으로 결합된 제1 및 제2 각 1미크론 이하 크기의 2개의 전도성 양자 도트를 구성요소로 한다. 제1 양자 도트가 전자기파를 흡수하고, 제2 양자 도트가 단일 전자 트랜지스터(SET)로서 동작하며, 상기 SET가 제1 양자 도트에서의 전자기파 흡수를 검지한다.
이하, 동작원리를 도 6의 개념도를 참조하여 설명한다. 도 6은 다른 실시예의 동작원리를 나타내는 개념도이며, 전자 시스템 내에 2개의 인접하는 양자 도트가 형성된 에너지구조 개념도이다.
정전 전위 (Ua)에 의해 특징지어지는 제1 양자 도트(61)로서 유효 크기가 직경 0.02㎛ 내지 0.3㎛인 반도체 양자 도트를 사용하면, 도 6에 도시되는 바와 같이, 인가된 게이트 전압에 의해 정해지는 에너지 임계치, 즉 이온화 에너지에 의해 낮은 전자상태는 양자화되고, 제1 양자 도트(61)에 속박된 이산적 속박 준위(59)가 형성된다.
한편, 에너지가 그 임계치보다도 큰 전자 준위는 제1 양자 도트(61)의 외부로 확산된 전자 시스템(63)의 연속적인 자유 준위(58)를 형성한다.
상기 이온화 에너지는 제1 양자 도트(61)를 형성하는 전위 장벽(57)의 높이에 의해 전압으로 환산되면 100㎶ 내지 20㎷의 값으로 된다. 전위 장벽(57)의 높이는 제1 양자 도트(61)의 게이트 전극에 인가되는 바이어스 전압에 의해 제어가 가능하다. 그러므로, 도 6에 화살표로 표시되는 바와 같이, 이온화 에너지 이상의 전자기파 광자 에너지를 갖는 밀리파-원적외선을 조사함으로써, 제1 양자 도트(61) 중의 전자를 이산적인 속박 준위(59)로부터 전위 장벽(57) 외부의 전자 시스템(63)의 연속적인 자유 준위(58)로 여기될 수 있다. 또한, 도 6에서, 검은 원은 여기된 전자, 흰 원은 전자가 빠져나간 구멍, 즉 정공을 나타낸다.
연속적인 자유 준위(58)로 여기되는 전자는 1나노초 이내로 신속하게 제1 양자 도트(61)의 전위 장벽(57)으로부터 외부의 전자 시스템(63)으로 탈출하고, 제1 양자 도트(61)는 기본전하 +e 만큼 양으로 대전, 즉 이온화된다.
한편, 전위 장벽(57)의 외부로 탈출한 전자는 전자-전자 상호작용 및 전자-격자 상호작용 때문에 10나노초 정도 이내로 여분의 에너지를 빼앗겨 신속하게 전자 시스템(63)의 페르미 준위로 완화되므로, 전위 장벽(57)에 방해가 되어 제1 양자 도트(61)로 돌아갈 수 없다. 따라서, 제1 양자 도트(61)의 이온화 상태는 장시간, 예를 들면 10마이크로초 내지 1000초 동안 유지된다.
제1 양자 도트(61)에 인접한 제2 양자 도트(62)는 전자를 이산적인 준위로 속박한 정전 전위(Ub)를 가지고 SET를 형성한다. 제2 양자 도트(62)는 반도체 양자 도트 또는 금속 양자 도트의 어느 하나로 형성된다. 제2 양자 도트(62)는 제1 양자 도트(61)에 대하여 전기적 도통성을 갖지 않으나, 정전 장벽을 통해 인접하고 있으므로 정전기적으로 결합한다. 이로 인해, 제1 양자 도트(61)의 대전, 즉 이온화에 의해 제2 양자 도트(62)의 정전 전위가 변화되고, 그 결과 SET의 전도도가 커지며, 예를 들면 20% 내지 99% 정도 변화한다. 이 때, 전도도의 변화한 상태는 제1 양자 도트(61)의 이온화가 소멸되어 중성상태로 돌아갈 때까지 유지된다.
한편, 상술한 바와 같이, 제1 양자 도트(61)의 이온화 상태의 수명은 10마이크로초 내지 1000초로 길어서, 감도가 매우 높은 검출기가 된다. 특히, 전류의 시간분해 측정을 통해 단일의 밀리파-원적외 광자를 검출할 수 있다.
다음에, 다른 실시예의 구성을 설명한다. 다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기에는 기본적으로 2가지 유형의 적절한 실시예가 가능하다. 다른실시예에 있어서도 도 1 및 도 2에 도시된 구조와 기본적으로 동일하지만, 다른 실시예에서는 정전기적으로 분리된 2개의 양자 도트를 갖고, 게이트 전극을 겸하는 쌍극자 안테나의 노드로 형성되며, 전자기파를 흡수하는 제1 양자 도트와 상기 제1 양자 도트의 전자기파 흡수를 검출하여 SET를 형성하는 제2 양자 도트를 갖는 점이 상이하다.
도 7(a),(b)는 다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기를 도시하는 도면이며, (a)는 A형 구조의 평면도이고, (b)는 B형 구조의 평면도이다. 어느 쪽 구조에 있어서도 제1 양자 도트가 전자기파에 대하여 쌍극자 안테나에 의해 전기적으로 결합한다. 도 7(a),(b)를 참조하면, 다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기는 도 2(b)에 도시된 것과 마찬가지로, A형 구조 및 B형 구조 모두 변조 도핑된 GaAs/Al0.3Ga0.7As 단일 헤테로 구조 기판 상에 리소그래피 기술을 사용하여 제조된다. 또한, A형 구조 및 B형 구조 모두 전자 시스템의 헤테로 구조를 메사-에칭(mesa-etching) 하여 대칭인 소정형상으로 형성한다. 또한, 동등한 구조를 Ⅳ족 반도체, 예를 들면 Si기판 상에 리소그래피 기술을 사용하여 동일하게 제작하는 것도 가능하다.
또한, 쌍극자 안테나(65a, 65b)의 한 쪽 날개(67a, 67b)와 다른 쪽 날개(68a, 68b)는 각 금속 리드선(69a, 69b)과 금속 리드선(69a' 69b')에 의해 바이어스 전압을 인가하기 때문에 금속 패드(71a, 71b)와 금속 패드(72a, 72b)에 접속된다. 본 실시예에서는 금속 리드선 및 금속 패드는 Ti가 20㎚, Au가 150㎚의증착막으로 합금화되어 형성된다.
도 7(a)에 도시되는 바와 같이, A형 구조에서는 전자 시스템 메사 구조(63a)가 쌍극자 안테나(65a)의 노드 영역(70a)에 수축을 갖도록 형성되고, 그 노드 영역(70a)으로부터 2갈래로 나누어진 대칭의 전자 시스템 메사 구조(76a, 77a)가 형성된다. 전자 시스템 메사 구조(63a)의 일단에는 옴 전극(66a)이 형성되고, 2갈래로 나누어진 타단에는 옴 전극(81a, 82a)이 형성된다. 옴 전극(81a)은 후술하는 SET(64a)의 소스 전극이며, 옴 전극(82a)은 SET(64a)의 드레인 전극이다.
쌍극자 안테나(65a)의 노드 영역(70a)에 제1 양자 도트(61a) 및 제2 양자 도트(62a)가 형성된다. 쌍극자 안테나(65a)는 노드 영역(70a)에서 제1 양자 도트(61a)와 전자기파를 결합한다. 또한, 제1 양자 도트(61a)는 쌍극자 안테나(65a)의 한쪽 날개의 역할을 하는 게이트 전극(67a)과 다른 쪽 날개의 역할을 하는 게이트 전극(68a)의 선단부가 만드는 정전 전위 장벽에 의해, 양자 도트 외부의 전자 시스템과 격리되어 있다.
제2 양자 도트(62a)는 전자 시스템 내에서 제1 양자 도트(61a)에 인접하게 형성된다. 제2 전자 도트(62a)는 금속 리드선(73a, 74a, 75a)에 의해 게이트 전극(78a, 79a, 80a)으로부터 바이어스 전압이 인가되어 형성되고, 전자 시스템 메사 구조(76a, 77a)의 전자 시스템에 약하게 터널접합된다.
제2 양자 도트(62a), 전자 시스템 메사 구조(76a, 77a), 옴 전극(81a, 82a)에 의해 SET(64a)가 형성된다.
또한, 금속 리드선(73a, 74a, 75a)은 각 게이트 전극(78a, 79a, 80a)에 접속된다. 또한 본 실시예에서는 옴 전극(66a, 81a, 82a)은 Au/Ge의 합금화에 의해 형성된다.
또한, 전자 시스템 메사 구조(63a)(전자 시스템 메사 구조(76a, 77a)도 포함됨) 및 게이트에 바이어스 전압을 인가하기 위한 금속 리드선(69a, 69a', 73a, 74a, 75a)은 전자기파의 흡수를 피하기 위해 각각의 폭이 5㎛ 이하로 형성되고, 그 길이방향이 쌍극자 안테나(65a)의 축방향에 대하여 직각으로 형성된다.
다음에, 도 7(b)에 도시되는 B형 구조의 밀리파-원적외선 검출기는, 전자 시스템 메사 구조(63b)의 수축된 부분의 단부가 쌍극자 안테나(65b)의 노드 영역(70b)으로 되며, 노드 영역(70b)에 제1 양자 도트(61b)가 형성된다. 여기서, 쌍극자 안테나(65b) 및 제1 양자 도트(61b)의 구성은 A형 구조와 마찬가지이다.
또한, B형 구조의 밀리파-원적외선 검출기에서의 제2 양자 도트(62b)는, 제1 양자 도트(61b)의 상면에 제공된 금속막에 의해 형성되며, 제1 양자 도트(61b)와 정전기적으로 결합하나, 전기적 도통(터널접합)은 차단되어 있다. 상기 금속막에 의해 형성된 제2 양자 도트(62b)는 소스 전극(81b)과 드레인 전극(82b)에 각각 접속된 금속 리드선(76b)과 금속 리드선(77b)에 약하게 터널접합되어 SET(64b)가 형성된다.
다음에, 쌍극자 안테나, 제1 양자 도트 및 제2 양자 도트에 대하여 상세히 설명한다. 도 8은 쌍극자 안테나 노드 영역의 요부확대도로서, (a)는 A형 구조의 제2 양자 도트를 게이트 전극에 의해 제1 양자 도트로부터 분리하는 구조이고, (a')는 A형 구조의 제1 양자 도트와 제2 양자 도트의 형성되는 전자계 메사 구조가분리되어 형성되는 구조이고, (b)는 B형 구조의 요부확대를 도시하는 도면이다.
도 8(a)를 참조하면, 제1 양자 도트(61a)는 바이어스 전압의 인가에 의해 게이트 전극(67a) 돌기부(83a)와 게이트 전극(68a) 돌기부(84a)의 간극에 형성된다. 간극(L1a)은 대략 0.5㎛이다. 전자 시스템 메사 구조(63a)의 노드 영역(70a)의 폭(Ma)은 0.4㎛ 내지 0.5㎛ 정도이다.
제2 양자 도트(62a)는 게이트 전압의 인가에 의해 게이트 전극(68a)의 돌기부(84a)와 게이트 전극으로부터 연장된 금속 리드선(73a, 74a, 75a)의 선단부가 만드는 간극에 형성되며, 간극(L2a)은 0.3㎛ 내지 0.5㎛의 정도이다.
게이트 전극(67a, 68a)은 쌍극자 안테나(65a)의 각 날개 역할을 하며, 전자기파를 전기적으로 제1 양자 도트(61a)에 결합하는 역할도 한다.
돌기부(83a)는 폭이 0.3㎛, 길이가 0.7㎛ 정도로서, 전자 시스템 메사 구조의 노드 영역(70a)을 통과하여 형성되며, 돌기부(84a)는 폭이 0.1㎛, 길이가 0.3㎛ 정도로서, 노드 영역(70a)을 통과하지 않고 그 일부에 겹쳐져 형성된다. 이것은 제1 양자 도트(61a)와 제2 양자 도트(62a) 사이에 충분한 크기의 정전용량 결합을 확보하기 위함이다. 그러나, 게이트 전극(68a)(돌기부(84a))으로의 음의 바이어스 전압인가에 의해, 제1 양자 도트(61a)와 제2 양자 도트(62a) 사이의 전기적 도통(터널접합)은 차단되어 있다.
본 실시예에서, 게이트 전극으로부터 연장된 금속 리드선(73a, 74a, 75a)의 선단부분은 각각 0.1㎛ 정도의 폭이며, 상호간의 간극은 0.1㎛ 정도로 형성된다.
게이트 전극(67a)을 -0.3V 내지 -2V 정도, 게이트 전극(68a)을 -0.7V 정도의 음전압으로 바이어스 함으로써, 제1 양자 도트(61a)가 형성된다.
게이트 전극의 금속 리드선(73a) 및 금속 리드선(75a)을 -0.7V 정도, 제어 게이트 전극의 금속 리드선(74a)을 -0.3V 내지 -0.7V 정도의 음전압으로 바이어스 함으로써 제2 양자 도트(62a)가 형성된다.
여기서, 게이트 전극(67a)(돌기부(83a))의 바이어스 전압은 제1 양자 도트(61a)가 전자기파를 흡수할 때의 이온화 에너지를 결정한다. 예를 들면, -0.3V에서 이온화 에너지는 0.2meV 정도, 임계치 검출파장에서는 5㎜에 대응하고, 그 값은 음전압 변화와 함께 연속적으로 변화하여, -2V에서 30meV 정도, 임계치 검출파장에서는 대략 30㎛ 정도에 달한다.
제2 양자 도트(62a)를 SET(64a)로 하여 동작시키기 위해, 게이트 전극의 금속 리드선(73a)과 금속 리드선(75a)의 바이어스 전압을 미세조정하여, 제2 양자 도트(62a)를 전자 시스템 메사 구조(76a, 77a)의 전자 시스템에 약하게 터널접합시킨다. 게이트 전극(68a)(돌기부(84a))의 바이어스 전압은 제1 양자 도트(61a)와 제2 양자 도트(62a) 사이의 터널접합이 소실되는 임계치 전압 근방으로 선택되어 정전기적 결합이 최대가 되도록 한다.
다음에, 도 8(a')는 제2 양자 도트(62a')가 제1 양자 도트(61a')로부터 메사-에칭에 의해 분리되어 형성되고, 게이트 전극(68a')에 돌기부가 형성되어 있지 않는 점이 도 8(a)의 구조와 상이하다. 대응되는 각 부분의 크기(Ma', L1a',L2a') 및 바이어스 전압 등은 도 8(a)와 동일하다. 또한, 도 8(a)와 대응되는 부재는 동일 부호에 「'」를 추가하여 구별하였다. 본 실시예에서는 제1 양자 도트(61a')와 제2 양자 도트(62a')의 간극이 대략 0.1㎛ 정도로 형성된다.
다음에, 도 8(b)에 도시되는 B형 구조의 밀리파-원적외선 검출기에서는, 전자 시스템 메사 구조(63b)의 수축된 부분의 단부가 노드 영역(70b)에 있고, 상기 영역에 제1 양자 도트(61b)가 형성된다. 제1 양자 도트(61b), 그 외부의 전자 시스템 메사 구조(63b) 및 게이트 전극(67b, 68b)에 대하여는, 각각 도 8(a')에 도시된 대응되는 부재의 크기 및 형상과 마찬가지로 동일하다.
제2 양자 도트(62b)에 의한 SET는 제1 양자 도트(61b)의 위에 돌란 브리지 법(Dolan bridge method)에 의해 제공된다. 돌란 브리지 법을 설명하는 문헌으로, 1987년에 T. A. Fulton과 G. J. Dolan이 저술한 Phys. Rev. Lett. 59권 109페이지를 참조할 수 있다. 구체적으로는, 먼저 알루미늄 증착에 의해 두께가 0.06㎛, 폭이 0.1㎛, 길이가 0.3㎛인 제2 양자 도트(62b)를 형성한 후, 그 표면을 10mTorr 정도의 산소가스 분위기 내에서 산화하여 산화알루미늄 막으로 덮는다. 상기 표면의 산화에 있어서는 후술하는 금속 리드선(76b)과 금속 리드선(77b) 사이의 상혼에서의 전기저항이 100㏀ 내지 400㏀ 사이로 유지되도록 산화시간을 조절한다.
이어서, 제1 양자 도트(61b) 위에 겹쳐서, 경사증착(skew or oblique vapor deposition)에 의해 금속 리드선(76b, 77b)을 알루미늄 증착에 의해 제작한다. 금속 리드선(76b, 77b)의 두께는 0.06㎛, 선단부 폭은 0.1㎛ 정도이다. 단, 본 실시예에서는 금속 리드선 선단부의 간극(85b)을 0.1㎛로 하였다. 이 때, 금속 리드선(76b, 77b)의 선단부는 제2 양자 도트(62b)와 0.05㎛ 정도 겹쳐지도록 형성된다. 이 때, 금속 리드선(76b)은 소스 전극(81b)에 접속되고, 금속 리드선(77b)은 드레인 전극(82b)에 접속되며, 금속 리드선(76b, 77b)과 제2 양자 도트(62b) 사이에 개재되는 산화알루미늄 층이 터널접합되어 SET가 형성된다.
다음에, 다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기의 작용을 설명한다. 도 8(a)에 도시된 구조의 밀리파-원적외선 검출기의 작용에 대하여 설명한다. 도 7(a) 및 도 8(a)를 참조하면, 먼저, 게이트 전극(67a), 즉 돌기부(83a)와 게이트 전극(68a), 즉 돌기부(84a)로 바이어스 전압을 인가하여 제1 양자 도트(61a)를 형성한다.
다음에, 그 상태에서 추가로 게이트 전극(78a, 79a, 80a)을 바이어스, 즉 금속 리드선(73a, 74a, 75a)에 바이어스 전압을 인가하여 제2 양자 도트(62a)를 형성하고, 제2 양자 도트(62a)가 SET로서 형성된다. 즉, 전자 시스템 메사 구조(76a)와 전자 시스템 메사 구조(77a) 사이에 VSD=100㎶ 이하의 소스-드레인 전압을 인가하여 흐르는 전류를 측정한다. 쌍극자 안테나(65a)에 전자기파가 입사되지 않을 때에 SET의 전도도가 최대로 되도록 제어 게이트 전극(79a), 즉 금속 리드선(74a)의 바이어스 전압을 미세조정한다. 또한 전자 시스템 메사 구조(63a)의 전위와 전자 시스템 메사 구조(76a)를 동등한 전위로 유지한다.
쌍극자 안테나(65a)에 의해 잡힌 전자기파가 제1 양자 도트(61a)에 의해 흡수됨으로써, 제1 양자 도트(61a)가 +e로 이온화되고, 제2 양자 도트(62a)의 정전 전위가 변화하여 SET의 전도도가 크게 감소한다. 이것을 전류 증폭기로 검지함으로써 전자기파 광자 1개의 흡수를 검출할 수 있다. 또한, 이온화에 의해 제1 양자 도트(61a)로부터 외부의 전자 시스템 메사 구조(63a)의 전자 시스템으로 탈출한 전자는 거기에서 흡수된다.
다음에, 도 8(a')에 도시된 구조의 밀리파-원적외선 검출기의 작용에 대하여 설명한다. 도 7(a) 및 도 8(a')을 참조하면, 먼저, 제1 양자 도트(61a')를 게이트 전극(67a'), 즉 돌기부(83a')로의 바이어스 전압인가에 의해 형성한다. 또한, 게이트 전극(68a')은 전자 시스템 메사 구조(63a')와 동등한 전위로 한다.
다음에, 그 상태에서 추가로 게이트 전극(78a', 79a', 80a')을 바이어스, 즉 금속 리드선(73a', 74a', 75a')에 바이어스 전압을 인가하여 제2 양자 도트(62a')를 형성하고, 제2 양자 도트(62a')가 SET로서 동작한다. 그 외에는 도 8(a)의 구조와 동일하게 작용을 한다.
최종적으로, 도 8(b)에 도시된 구조의 밀리파-원적외선 검출기의 작용에 대하여 설명한다. 제1 양자 도트(61b)의 형성에 대하여는 도 8(a')에 도시된 구조에서의 제1 양자 도트(61a')의 형성과 동일하다. 제2 양자 도트(62b)는 별개로 SET로서 제1 양자 도트(61b) 위에 형성되어 있다. 도 7(b) 및 도 8(b)를 참조하면, 소스 전극(81b), 즉 금속 리드선(76b)과 드레인 전극(82b), 즉 금속 리드선(77b) 사이에 VSD=100㎶ 이하의 소스-드레인 전압을 인가하여 흐르는 전류를 측정한다.단, 전자 시스템 메사 구조(63b)와 게이트 전극(68b)을 동등한 전위로 하고, 그 전위를 알루미늄으로 형성된 금속 리드선(76b)에 대하여 ±1㎷ 이내로 미세하게 조절함으로써, 전자기파가 입사되지 않을 때의 SET의 전도도를 최대로 한다.
제1 양자 도트(61b)가 전자기파를 흡수하여 +e로 이온화되면, 제2 양자 도트(62b)의 정전 전위가 변화하여 상술한 바와 같이 SET의 전도도가 크게 감소한다. 이것을 전류 증폭기로 검지함으로써 전자기파 광자 1개의 흡수를 검출할 수 있다. 또한, 이온화에 의해 제1 양자 도트(61b)로부터 외부의 전자 시스템 메사 구조(63b)의 전자 시스템으로 탈출한 전자는 그곳에서 흡수된다.
이상 도시된 3종류의 구조에 있어서, 전자기파 흡수에 의해 여기되는 정공과 전자가 각각 제1 양자 도트의 내부와 외부로 분리되어 형성되므로, 자장을 인가하지 않고 매우 장시간의 여기상태, 즉 이온화 수명을 실현할 수 있다. 제1 양자 도트(61a, 61a', 61b)의 이온화 상태의 수명은 10마이크로초 이상이며, 매우 용이하게 전자기파 단일 광자를 검출할 수 있다. 그러므로, 다른 실시예에 관련되는 밀리파-원적외선 검출기에서는, 보다 감도가 높게 되고, 보다 고온에서 동작하는 검출기를 자장의 인가 없이 실현할 수 있다.
또한, 이산 준위 사이의 여기를 이용하는 경우, 전자기파의 검출에 파장 선택성이 발생하나, 상기 다른 실시예에서는 이산 준위로부터 연속대 준위로의 여기를 이용하기 때문에 임계치, 즉 이온화 에너지 이상의 에너지를 갖는 연속적인 파장대역에서 검출가능한 감도를 가질 수 있다.
또한, 동작온도는 SET를 형성하는 제2 양자 도트(62a, 62a' 62b)의 대전 에너지에 의해 상한선이 정해지며, 도 8(b)의 구조에서는 대략 1K까지, 도 8(a')의 구조에서는 대략 1.3K까지, 도 8(a)의 구조에서는 대략 2K까지로 된다. 그러므로, 제2 양자 도트를 미세하게 함으로써 동작온도를 최고 2K까지로 상승시킬 수 있다.
또한, 이온화 에너지가 제1 양자 도트의 게이트 전압에 의한 전위 장벽 높이의 조절을 통해 직접적으로 제어 가능하므로, 이온화 에너지의 제어, 즉 검출의 임계치 파장을 제어할 수 있다. 그러므로, 검출가능 전자기파의 최장 파장 한계는 모든 구조에서의 제1 양자 도트를 형성하는 게이트 전극(67a, 67a', 67b)의 바이어스 전압에 의해 결정될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 기반으로 하여 여러 가지 변형이 가능하며, 이들을 본 발명의 범위로부터 제외하는 것은 아니다.
다음에, 본 발명의 밀리파-원적외단일광자 검출기를 상술한 제2 경우의 사용조건 하에서 사용한 실제의 단일 광자 검출의 측정결과를 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다.
도 9 내지 도 12는 2차원 전자 이동도가 80m2/Vs, 전자 농도가 2.3 ×1015/m2인 GaAs/Al0.3Ga0.7As 헤테로 구조 결정을 이용하여 도 3(b)의 형상 및 크기로 작성한 밀리파-원적외단일광자 검출기의 측정예를 도시한다.
도 9 및 도 10은 측정온도 0.07K, VSD=25㎶, VCG=0V, B=3.67T의 조건 하에서, 양자 홀 효과(Hall effect) 소자로부터의 극히 미약한 원적외선, 즉 파장이 0.19㎜, 발광소자의 전류가 Iemit=4㎂일 때 보타이 안테나 위치에서의 전력이 대략 10-18W인 원적외선을 입사시킬 때의 SET 전도도의 측정예이다. 단, 측정의 시정수는 3밀리초이다.
도 9(a),(b),(c)는 SET 전도도의 제어 게이트 전압(VCG)에 대한 의존성을 나타내며, 원적외선의 조사가 없을 때의 VCG= -0.6881V 근방의 가파른 쿨롱 진동의 정점(도 9(a))이 극히 미약한 원적외선의 조사에 의해 산란되고(도 9(b)), 광선의 강도가 증가함에 따라 여기상태에 대응된 VCG= -0.6886V 근방의 정점으로 이행한다.
도 10(d)∼(f)는, 제어 게이트 전압(VCG)을 조사하지 않은 정점 위치, VCG= -0.6881V, 로 고정하였을 때의 전도도(G)의 시간변화이다. 단일 광자의 흡수가 일어났을 때에 전도 차단의 상태로 스위칭하고, 원적외선 강도의 증대에 의해 스위칭의 빈도(광자가 날아드는 빈도)가 증대되는 것을 나타낸다.
도 11은 여기상태의 수명이 강한 자장 의존성을 나타내고, 자장(B)이 3.8T일 때 υ= 2 근방에서 최대치를 갖고, 그 값이 1000초의 오더(order)에 달하는 것을 나타낸다. 자장 의존성의 세부 구조는 상위의 란다우 준위에 존재하는 전자수가 자장변화에 의해 1개씩 변화함으로써 일어난다.
도 12는 도 9 및 도 10과 동일한 조건 하에서 온도를 0.37K 까지 상승시켜도 단일 광자의 검출이 가능한 것을 나타낸다.
본 실시예의 밀리파-원적외단일광자 검출기는 반도체 양자 도트 내의 전자준위 사이의 공명여기를 단일 전자 트랜지스터의 증폭작용을 통해 측정한다. 이로 인해, 100초 동안에 1개 정도의 극히 미약한 광자속을 검출할 수 있다. 100초의 측정시간을 고려하면, 이 감도는 NEP=10-23W/Hz1/2에 대응하고, 종래의 최고 감도의 검출기에 비해 1천만배 정도 우수하다. 또한, 감도를 떨어뜨리지 않고, 3나노초 정도의 시정수로 고속의 측정이 가능하다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 기초로 하여 여러 가지의 변형이 가능하며, 이들을 본 발명의 범위로부터 제외하는 것은 아니다.
이상, 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명의 밀리파-원적외선 검출기는 종래의 밀리파-원적외선 검출기에 비해 현저히 감도가 높고, 고속으로 동작하는 우수한 효과를 가지며, 매우 유용하다.

Claims (33)

  1. 전자기파를 1미크론 이하 크기의 미세한 공간 영역에 집중하는 전자기파 결합수단과, 상기 집중된 전자기파를 흡수하여 전자 준위 사이에 여기상태를 생성하는 양자 도트와, 상기 양자 도트를 포함한 단일 전자 트랜지스터를 갖는 밀리파-원적외선 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양자 도트의 여기상태에 따라 상기 단일 전자 트랜지스터의 전도도가 변화한 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 양자 도트의 여기상태로부터 기저상태로 돌아갈 때까지의 수명이 10나노초 내지 1000초인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 준위 사이의 에너지 간격이 상기 양자 도트의 크기 변화, 외부 자장 및 바이어스 전압 중 어느 하나, 또는 이들의 조합에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 여기상태가 양자 도트의 크기효과에 따른 전자의 공명여기, 자장인가에 따른 란다우 준위 사이의 전자의 공명여기 및 스핀 상태에 의한 자기적 에너지 분리에 따른 스핀 상태 사이의 여기 중 어느 하나, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단이, 상기 양자 도트와 상기 전자기파를 전기적인 결합을 하는 표준적 보타이 안테나인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단이, 상기 양자 도트와 상기 전자기파를 자기적인 결합을 하며, 노드(node)를 단락한 변칙적 보타이 안테나인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단의 노드 단락 유무와 상기 양자 도트의 크기를, 인가하는 자장과 상기 전자기파의 파장에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  9. 제1항, 제6항, 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단이 상기 단일 전자 트랜지스터의 게이트 전극을 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  10. 전자기파를 1미크론 이하 크기의 미세한 공간 영역에 집중하는 전자기파 결합수단과, 상기 전자기파 결합수단에 집중된 전자기파를 흡수하여 이온화를 일으키는 제1 양자 도트와, 상기 제1 양자 도트에 정전기적으로 결합한 제2 양자 도트를 포함하는 단일 전자 트랜지스터를 갖고,
    상기 제1 양자 도트의 이온화에 따른 상기 제2 양자 도트의 정전기적 상태의 변화에 의해 상기 단일 전자 트랜지스터의 전기 전도도가 변화함에 따라 상기 전자기파를 검출하는 밀리파-원적외선 검출기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 양자 도트의 이온화가, 상기 제1 양자 도트의 양자화 속박상태의 전자를 제1 양자 도트 외부의 전자 시스템의 자유전자 상태로 여기함으로써 발생하는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 양자 도트의 이온화 에너지가, 상기 제1 양자 도트의 게이트에 인가하는 바이어스 전압의 크기에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 양자 도트의 이온화 상태로부터 중성상태로 돌아올 때까지의 수명이 1마이크로초 내지 1000초인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 양자 도트 및 상기 제2 양자 도트가 동일한 반도체 구조 상에 있고, 각각의 게이트에 인가하는 바이어스 전압에 의해 정전기적으로 분리되어 형성된 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 양자 도트와 상기 제2 양자 도트를 반도체 내에서 간극을 통해 인접하여 형성한 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 양자 도트가 상기 제1 양자 도트 상에 형성된 금속 도트이고, 상기 금속 도트에 형성된 금속 리드선과 터널접합하여 상기 단일 전자 트랜지스터를 형성한 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 양자 도트가 알루미늄 금속 도트이고, 터널접합하는 부분을 산화알루미늄으로 형성한 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단이, 상기 제1 양자 도트와 상기 전자기파를 전기적으로 결합하는 표준적 쌍극자 안테나인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단이, 상기 제1 양자 도트 및 상기 제2 양자 도트를 형성하는 바이어스 전압인가를 위한 게이트를 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  20. 제1항, 제6항, 제7항, 제10항, 제18항, 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단의 리드 부분의 길이방향을 상기 전자기파 결합수단의 분극 축방향으로 수직하게 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  21. 제1항, 제6항 내지 제10항, 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단의 노드 크기와 상기 양자 도트의 최대 크기가 동일한 정도인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  22. 제1항, 제6항 내지 제10항, 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자기파 결합수단의 전극 직경이 상기 전자기파 파장의 약 1/2인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  23. 제1항 내지 제5항, 제10항, 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가 2차원 전자 시스템을 형성하는 단일 헤테로 구조를 갖고, 상기 양자 도트를 상기 단일 전자 트랜지스터의 게이트 전극에 의해 2차원 전자 가스를 전기적으로 속박하여 형성한 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  24. 제1항 내지 제5항, 제10항, 제14항, 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가, 2차원 전자 시스템을 형성하는 단일 헤테로 구조와, 상기 2차원 전자 시스템 내에 터널결합 하는 상기 양자 도트의 정전 전위를 제어하는 게이트 전극과, 상기 양자 도트와 터널결합 하는 소스 영역 및 드레인 영역을 형성하는 소스 전극 및 드레인 전극을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  25. 제1항 내지 제5항, 제10항, 제14항, 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가, 소스-드레인 전류를 제어하는 게이트 전극과, 상기 양자 도트를 형성하기 위한 게이트 전극을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  26. 제1항, 제6항 내지 제10항, 제14항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터의 소스 전극과 드레인 전극의 거리가, 상기 전자기파 결합수단의 분극 축방향의 길이 이상인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  27. 제1항, 제10항, 제14항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  28. 제1항, 제10항, 제14항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  29. 제1항, 제10항, 제14항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 초격자를 선택적으로 도핑한 단일 헤테로 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  30. 제1항, 제10항, 제14항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가 알루미늄-갈륨 비소/갈륨 비소의 선택적으로 도핑된 단일 헤테로 구조를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  31. 제10항 내지 제15항, 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터가 Ⅳ족 반도체인 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  32. 제1항, 제10항, 제14항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 전자 트랜지스터를 상기 양자 도트에 대하여 대칭으로 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구성 외에, 상기 전자기파 결합수단에 전자기파를 유도하는 광 도입부를 가진 것을 특징으로 하는 밀리파-원적외선 검출기.
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