WO2021186652A1 - 電流電圧変換装置 - Google Patents

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    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]

Definitions

  • the present invention relates to an electronic circuit that converts an electric current into a voltage.
  • Non-Patent Document 1 For current signals in the very low frequency to short wave band (1 kHz to 30 MHz), a current-voltage converter using a low power consumption field effect transistor (FET) that operates at a low temperature has been reported (Non-Patent Document 1).
  • FET field effect transistor
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a current-voltage conversion circuit of a conventional current-voltage converter (Non-Patent Document 1).
  • a terminal current source
  • the conversion voltage corresponding to the target current is measured at the output terminal 14.
  • Signal amplification is performed using four FETs (H1 to H4), and the source output signal of H4 in the final stage is fed back to the gate of H1 on the input side to realize current-voltage conversion.
  • FETs In the current-voltage conversion circuit of the prior art, generally available FETs operating at room temperature have been used.
  • Non-Patent Document 1 uses a pseudomorphic high electron mobility transistor (HEMT).
  • HEMT pseudomorphic high electron mobility transistor
  • the present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a means for measuring a minute current with high sensitivity in an extremely low temperature state.
  • one embodiment of the present invention is an amplification unit having at least three stages in which each stage is composed of electronic elements, and a target current is supplied to the first stage and the final stage.
  • the electronic element includes an amplification unit that returns an output signal to the first stage and converts the target current into a voltage, and a buffer unit that is connected to the amplification unit and outputs the converted voltage.
  • a field effect transistor (FET) adapted for operation at the above temperature, characterized in that the gate of the FET is connected to a ground potential and a single power source common to each of the FETs is supplied. It is a voltage converter. ..
  • the following disclosure relates to a current-voltage converter that measures a minute current with high sensitivity even in an extremely low temperature state.
  • the current-voltage converter of the present disclosure uses an element optimized exclusively for low-temperature operation (for example, HEMT) as an electronic element for current-voltage conversion.
  • HEMT high-temperature operation
  • the current-voltage conversion characteristics that are significantly superior to those of the prior art are realized.
  • the power supply configuration to the current-voltage conversion circuit is simplified, the heat inflow from the outside of the cooling device is suppressed, and the load of the cooling device is reduced.
  • the FETs H1 to H4 used in the current-voltage conversion circuit 10 would operate even at room temperature.
  • the operating performance of electronic elements differs depending on the operating temperature, and in the case of a current-voltage conversion circuit, all characteristics such as the power supply voltage to be supplied to the FET, conversion efficiency, noise characteristics, and operating requirements change with temperature. ..
  • the pseudomorphic FET of the current-voltage converter disclosed in Non-Patent Document 1 is a generally available electronic device that operates at both normal temperature and low temperature. The reason for this is that since it is possible to operate at room temperature in the inspection of electronic devices, it is possible to first perform characteristic evaluation at room temperature and then selectively and arbitrarily perform costly low temperature evaluation. From the viewpoints of test efficiency during mass production of electronic devices and ease of use / evaluation at room temperature, both suppliers and users have a great advantage in manufacturing electronic devices that operate at room temperature and low temperature. be.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration for low temperature operation of the current-voltage converter.
  • Another problem with the prior art current-voltage converters is the limited capacity of the cooling device when the current-voltage converters are used in low temperature conditions.
  • the current-voltage conversion circuit 10 shown in FIG. 1 is arranged inside a cooling device including, for example, a cooling stage 22 and a case 21 thereof.
  • the current-voltage conversion circuit 10 is symbolically indicated by an amplifier symbol, it may actually be a package in which a plurality of elements (FETs) and others shown in FIG. 1 are mounted on a substrate. Further, this package may be placed in a case such as oxygen-free copper and placed on the stage 22 together with the case.
  • the current input terminal 11, the voltage output terminal 14, and the two power supply terminals 12 and 13 are taken out from the inside of the case 21 to the outside.
  • the dilution refrigerator has a mechanism in which the above-mentioned flow voltage conversion circuit 10 is mounted in a tubular can having a diameter of 0.5 to 1 m and a height of 2 m, and helium is circulated inside the can.
  • the dilution refrigerator may also include external mechanisms such as pumps and compressors for helium circulation not shown in FIG.
  • diluting refrigerators about 10 mK to 1K
  • 3He refrigerators about 300 mK
  • 4He refrigerators about 1.5K
  • liquid helium 4.2K
  • Refrigerant-free pulse tube refrigerator 1.5K-300K can be used. Note that the form of the case and cooling stage varies depending on the type of cooling system.
  • Cooling capacity is known as an important index of the cooling device, and indicates how many watts or less of heat is required in the cooling device to maintain a certain temperature. In other words, it means the maximum calorific value that can be tolerated by the object to be cooled in the cooling device.
  • a cooling device for achieving a low temperature of about millikelvin, it is a state-of-the-art device and typically has a cooling capacity of about 500 ⁇ W at 100 mK. This means that the power consumption generated in the cooling device must be suppressed to 500 ⁇ W or less in order to maintain a low temperature of 100 mK. Therefore, the index "cooling capacity" may be larger as the temperature set by the cooling device is higher. For example, when the temperature is maintained at 200 mK, the heat generation, that is, the power consumption of the object to be cooled in the cooling device may be twice as large as that at 100 mK.
  • the lower the temperature of an electronic circuit the lower the noise by suppressing thermal noise.
  • Even for current-voltage converters it is advantageous to use them in an environment where the temperature is as low as possible in order to realize the ultimate low noise measurement. Therefore, it is necessary to suppress the power consumption of the current-voltage converter as much as possible and make it smaller than the index "cooling capacity" of the cooling device.
  • the current-voltage converter of the prior art (Non-Patent Document 1) shown in FIG. 1 has a power consumption of 1.5 mW, and can be used only at 500 mK or more even if a state-of-the-art dilution refrigerator is used. In order to reduce the load on the cooling device, it is necessary to reduce the power consumption of the current-voltage converter and suppress the heat inflow from the outside to the cooling device.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a current-voltage conversion circuit in the current-voltage conversion device of the present disclosure.
  • the current-voltage conversion circuit 100 is roughly divided into a current-voltage conversion unit 101 and an output stage source follower unit 102.
  • the current-voltage conversion unit 101 has a basic amplifier configuration similar to that of FIG. 1, and includes three FETs (H1 to H3) constituting a common source voltage amplification stage and a final output stage FET (H4) which is a source follower. To be equipped.
  • the output voltage 108 from the source of H4 is fed back to the gate of H1 via the feedback resistor 107.
  • each FET is grounded by a gate resistor 106, and each FET is self-biased by a source resistor with a power source from a single power supply terminal 105.
  • the current-voltage conversion unit 101 described above functions as an amplification unit that supplies the target current to the first stage, returns the output signal of the final stage to the first stage, and converts the target current into a voltage.
  • the output stage source follower unit 102 has a configuration not found in the current-voltage conversion circuit 10 of the prior art shown in FIG. That is, in the current-voltage conversion circuit 100 of the present disclosure, the FET (H5) of the output stage source follower unit 102 is a cable when a coaxial cable for taking out a voltage output from the cooling device is connected to the rear stage side of the output voltage terminal 104. It is possible to prevent the frequency characteristics of the current-voltage conversion circuit 100 from being deteriorated due to the floating capacitance of the current / voltage conversion circuit 100.
  • a source follower in a circuit output is generally used to lower the output impedance of the circuit and avoid fluctuations in the operation of the circuit itself due to connection with the next stage circuit. That is, the output stage source follower unit 102 is connected to the amplification unit and functions as a buffer unit that outputs the voltage converted from the target current.
  • the power supply voltage is supplied to the gate by the self-bias method for the FETs of each amplification stage of H1 to H5. That is, the gate and ground of each FET are connected by a gate grounding resistance 106, and the gate is fixed at 0V. Since there is also resistance between the source and ground, if a voltage is supplied from the power supply terminal 105 to the drain, the source potential becomes positive. Therefore, when an n-type HEMT is used, it is equivalent to applying a negative voltage between the gate and the source. If appropriate values are selected for the gate resistance and the source resistance, an appropriate power supply voltage is supplied to each FET by a self-bias method by providing only one power supply terminal 105.
  • the power supply terminal 13 for the drain and the power supply terminal 12 for the gate are independently required for the four FETs (H1 to H4). .. Therefore, it is necessary to connect the inside and outside of the cooling device shown in FIG. 2 by at least two systems of electrical wiring. The heat inflow from these two electrical wires to the cooling device was a load on the cooling device. If there are a plurality of measurement targets for minute currents, it is necessary to house a plurality of current-voltage conversion circuits in the cooling device, but the need for at least two wires is also a problem in terms of space inside the refrigerator.
  • the amount of heat inflow per wiring can be estimated from the metal material used for wiring and the length of the wiring determined by the structure of the refrigerator. Copper-nickel alloys, stainless steel, superconducting wires, etc. are generally used as wiring materials at low temperatures. Although the superconducting wire has the lowest thermal conductivity, it is limited to use only at extremely low temperatures of 4K or less, so here we estimate the case of using a widely used coaxial cable of cupronickel (copper nickel alloy). View. In the case of a cable having a thickness (0.86 mm ⁇ ) that is easy to use and is generally used, the thermal conductivity is about 0.07 mW ⁇ m / K, for example.
  • the amount of heat inflow per wiring is about 0.2 mW.
  • the amount of heat inflow of 0.2 mW is not negligible as compared with the power consumption of 0.75 mW in the main body of the current-voltage converter.
  • each FET (H1 to H5) of the current-voltage conversion circuit of FIG. 3 uses FETs having a configuration specialized for low-temperature operation.
  • FETs specialized for low-temperature operation include GaAs-based HEMTs, and specifically, n-Al x Ga 1-x As / GaAs HEMTs and GaAs quantum well HEMTs. Since the GaAs-based HEMT exhibits high electron mobility at low temperatures, it operates as a wideband and noise-free FET, and it is easy to fabricate an element having a large transconductance at low temperatures.
  • the HEMT (FET) used in the current-voltage conversion circuit 100 shown in FIG. 3 is a HEMT having a GaAs-AlGaAs modulated-doped superlattice structure.
  • Other usable ones are pseudomorphic HEMT and InP-based HEMT. These HEMTs can operate at low temperatures and have excellent noise characteristics.
  • the current-voltage converter of the present disclosure is an amplification unit 101 having at least three stages in which each stage is composed of electronic elements, the target current is supplied to the first stage, and the output signal of the final stage is returned to the first stage.
  • the electronic element includes an amplification unit that converts the target current into a voltage and a buffer unit 102 that is connected to the amplification unit and outputs the converted voltage, and the electronic element is suitable for operation at a temperature of 150 K or less. It can be implemented as a field effect transistor (FET) in which the gate of the FET is connected to a ground potential and a single power source 105 common to each of the FETs is supplied.
  • FET field effect transistor
  • the configuration of the channel portion is related to the detection sensitivity for minute currents.
  • a channel is formed between the drain and the source.
  • the current in the channel is controlled by the input signal to the gate.
  • the thickness d of the gate insulating layer needs to be sufficiently large in order to suppress the leakage current between the channel and the gate. Therefore, in a HEMT that can operate at both normal temperature and low temperature, the thickness d of the insulating layer is usually 100 nm or more.
  • the larger the thickness d the smaller the response to the change in the gate voltage, and the lower the detection sensitivity to the input signal to the gate.
  • the insulating layer thickness d is 55 nm, which is 100 nm or less, at a temperature of 4 K.
  • the electrical resistance between the gate and the channel is 200 k ⁇ / mm as an actual measurement value at room temperature, and it cannot be used because the leak operation is large.
  • the electrical resistance between the gate and the channel is 1 G ⁇ / mm or more, so that the leakage current can be ignored.
  • GaAs-AlGaAs HEMT a Schottky barrier is formed, so that the gate and the channel are naturally insulated, but the insulating layer needs to be thickened to some extent.
  • the generally available GaAs-AlGaAs HEMT configuration is disclosed in, for example, Non-Patent Document 2, and although the doping amount is not described, the thickness of the insulating layer is 210 nm. The required thickness of the insulating layer differs depending on the material, but in the case of GaAs-AlGaAs, it is generally considered that the thickness is about 100 nm or more.
  • the current-voltage converter of the present disclosure adopts a configuration specialized for low-temperature operation, in which the gate insulating layer has a thickness of 100 nm or less, which cannot be selected for normal temperature operation, and is used for a current-voltage conversion circuit.
  • the configuration of the HEMT specialized for low temperature operation will be further mentioned.
  • the distance between the gate and the channel is short and the gate insulating layer is thin.
  • the larger the change amount (transconductance) of the channel current with respect to the gate voltage is, the better, the larger the doping amount, the larger the current detection sensitivity.
  • the two conditions of the gate insulating layer thickness and the doping amount can be optimized only within a range in which carriers do not occur in the gate insulating layer. It is known that if this range is exceeded, a gate leak current is generated at room temperature, and the mobility is lowered due to parallel conduction (Parallel Conduction), resulting in deterioration of HEMT characteristics. If carriers are generated in the gate insulating layer of the HEMT and a gate leak current flows, it cannot be used not only as a current-voltage conversion circuit but also as one that does not have the basic operation and performance of an electronic element at room temperature.
  • HEMTs In order to ensure the basic operation of the electronic device described above, most commercially available HEMTs have a thickness of 100 nm or more as a barrier layer that is a part of the gate insulating layer, for example.
  • the barrier layer is 180 nm, and the total gate thickness of the three-layer structure is 210 nm. In a HEMT having such a thick gate insulating layer, it becomes a barrier for highly sensitive measurement at a low temperature.
  • the thickness of the gate insulating layer of the HEMT is 55 nm, and delta doping (6 ⁇ 10 11 cm- 2 ) is performed twice (channel carrier density 4 ⁇ 10 11 cm- 2).
  • a current-voltage conversion circuit was prototyped using (corresponding to), and excellent noise performance was confirmed.
  • These HEMTs have a gate resistance with an measured electrical resistance of 200 k ⁇ / mm at room temperature and cannot be used as a HEMT at room temperature due to leakage current.
  • high sensitivity and low power consumption can be realized by using the above-mentioned HEMT specialized for low temperature operation at an extremely low temperature and simplifying the power supply configuration for the current-voltage conversion circuit as shown in FIG.
  • the thickness of the gate insulating layer is 100 nm or less, preferably 55 nm or less, and the doping amount is equivalent to the carrier density of the channel 4 ⁇ 10 11 cm- 2. It can be said that it exceeds.
  • the current-voltage converter of the present disclosure can realize a highly sensitive measurement of a minute current at an extremely low temperature.
  • the present invention can be used for highly sensitive measurement of minute currents.

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Abstract

従来技術の電流電圧変換装置で使用されたＦＥＴは、極低温で動作させると電流電圧変換効率が不足し、感度の良い電流測定は難しかった。外部から冷却装置内部への熱流入のために、所望の低温環境を実現できない問題もあった。極めて低温の状態であっても、感度良く微小電流を測定する電流電圧変換装置を提供する。本開示の電流電圧変換装置は、電流電圧変換のための電子素子として、低温動作専用に最適化した素子（例えばＨＥＭＴ）を使用する。１５０Ｋ以下の低温または絶対零度近くの極低温の状態で電流電圧変換装置を動作させても、従来技術よりも格段に優れた電流電圧変換特性を実現する。電流電圧変換回路への電源およびバイアス回路を簡略化して、冷却装置の外部からの熱流入を抑えて、冷却装置の負荷を減らす。

Description

電流電圧変換装置
　本発明は、電流を電圧に変換する電子回路に関する。
　電流を測定するために、対象となる電流を電圧に変換し、電圧計を用いて電流を計測することが知られている。微小な電流を正確に読み出すためには、低ノイズの電子回路を用いて電流を電圧に変換する必要がある。これを実現するために、電流電圧変換装置を低温で用いて熱ノイズを低減する手法が利用されている。超長波～短波帯域（１ｋＨｚ～３０ＭＨｚ）の電流信号に対しては、低温動作する低消費電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた電流電圧変換装置が報告されている（非特許文献１）。
　図１は、従来技術の電流電圧変換装置の電流電圧変換回路の概略構成を示す図である（非特許文献１）。電流電圧変換回路１０では、入力端子１１に測定する対象の電流が流れ出す端子（電流ソース）を接続し、出力端子１４において、対象電流に対応した変換電圧の測定を行う。４つのＦＥＴ（Ｈ１～Ｈ４）を用いて信号増幅を行い、最終段のＨ４のソース出力信号を入力側のＨ１のゲートにフィードバックすることで電流－電圧変換を実現する。従来技術の電流電圧変換回路では、一般に入手可能な室温動作するＦＥＴが使用されてきた。例えば非特許文献１の電流電圧変換装置は、シュードモルフィック高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）を用いている。
橋坂他, "Cross-correlation measurement of quantum shot noise using homemade transimpedance amplifiers, ２０１４年, Rev. Sci. Instrum. 85, 054704 ＰＡＭ－ＸＩＡＭＥＮ社  GaAs HEMT Epi wafer 製品カタログページ、［online］令和２年３月６日検索、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.powerwaywafer.com/gaas-hemt-epi-wafer.html＞
　しかしながら、従来技術の室温動作可能なＦＥＴを使用した電流電圧変換装置では、信号増幅部が持つ開ループ利得が十分でない問題があった。電流電圧変換装置において、例えば宇宙線や量子デバイス信号、電流の「量子的な揺らぎ」の測定、低温での物理現象の観測等をする場合は、非常に小さな信号を測定することになる。このような微小電流の測定のためには、最低でも液体窒素の温度（７７Ｋ）から絶対零度近くの非常に低温にして、電流電圧変換装置を動作させる必要がある。従来技術の電流電圧変換装置で使用されていたＦＥＴは、室温および低温で動作することを前提としている。このため、極低温でこのＦＥＴを動作させても、電流電圧変換効率が不足し、感度の良い電流測定は難しかった。さらに、冷却状態で使用する際の電流電圧変換装置の消費電力や外部からの熱流入により、冷却装置で所望の低温環境を実現できない問題もあった。
　本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、極めて低温の状態で感度良く微小電流を測定する手段を提供することにある。
　このような目的を達成するために、本発明の１つの実施態様は、各段が電子素子で構成された少なくとも３段を有する増幅部であって、初段に対象電流が供給され、最終段の出力信号を前記初段へ帰還し、前記対象電流を電圧に変換する、増幅部と、前記増幅部に接続され、前記変換された電圧を出力するバッファ部とを備え、前記電子素子は、１５０Ｋ以下の温度における動作に適合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、前記ＦＥＴのゲートが接地電位に接続され、前記ＦＥＴの各々に共通する単一の電源が供給されることを特徴とする電流電圧変換装置である。　　　　
　極めて低温の状態で、感度良く微小電流を測定する手段を提供する。
従来技術の電流電圧変換回路の概略構成を示す図である。 電流電圧変換装置の低温動作のための構成を説明する図である。 本開示の電流電圧変換装置の電流電圧変換回路の構成を示す図である。
　以下の開示は、極めて低温の状態であっても、感度良く微小電流を測定する電流電圧変換装置に関する。本開示の電流電圧変換装置は、電流電圧変換のための電子素子として、低温動作専用に最適化した素子（例えばＨＥＭＴ）を使用する。これにより、１５０Ｋ以下の低温または絶対零度近くの極低温の状態で電流電圧変換装置を動作させても、従来技術よりも格段に優れた電流電圧変換特性を実現する。さらに、電流電圧変換回路への電源構成を簡略化して、冷却装置の外部からの熱流入を抑え、冷却装置の負荷を減らす。
　再び図１を参照すると、電流電圧変換回路１０で使用されるＨ１～Ｈ４のＦＥＴは、それぞれ室温でも動作することを前提としていた。一般に、電子素子はその使用温度によって動作性能が異なり、電流電圧変換回路であれば、ＦＥＴへ供給すべき電源電圧や、変換効率、ノイズ特性などの全て特性、動作要件が温度と伴に変化する。例えば非特許文献１で開示された電流電圧変換装置のシュードモルフィックＦＥＴは、一般に入手できる電子デバイスであって、常温および低温のどちらでも動作するものを用いている。この理由は、電子素子の検査において常温で動作できることで、まず常温で特性評価を行って、コストの掛かる低温評価を選択的、任意的に実施できるからである。電子素子の量産時の試験の効率、常温時での使用・評価の容易さなどの観点から、供給者および使用者の両方にとって、常温および低温で動作する電子素子を作製することに大きなメリットがある。
　しかしながら、宇宙線や量子デバイス信号、電流の「量子的な揺らぎ」などのような微小電流を測定するため絶対零度近くまでＦＥＴを冷却する状況では、常温および低温の両方で動作するＦＥＴの電流電圧変換特性は不十分なものであった。発明者らは、従来技術の電流電圧変換装置で使用されていた電子素子を、低温での動作および性能に特化したものにすれば、低温状態においてより好ましい低雑音特性が得られるのではないかとの着想に至った。
　図２は、電流電圧変換装置の低温動作のための構成を説明する図である。従来技術の電流電圧変換装置におけるもう１つの問題は、電流電圧変換装置を低温状態で使用する場合の、冷却装置の能力による制限である。図２の電流電圧変換装置２０において、図１に示した電流電圧変換回路１０は、例えば冷却ステージ２２およびそのケース２１からなる冷却装置の内部に配置されている。電流電圧変換回路１０は、増幅器の記号でシンボル的に示しているが、実際には図１に示した複数の素子（ＦＥＴ）他が基板上に実装されたパッケージ状のものであり得る。さらに、このパッケージを無酸素銅等のケースに入れ、ケースごとステージ２２に配置したものであり得る。ケース２１の内部から外部へ、電流入力端子１１、電圧出力端子１４、２つの電源供給端子１２、１３が取り出される。
　冷却装置は様々な形態ものがあり得るが、一例を挙げれば、希釈冷凍機を使用できる。希釈冷凍機は直径０．５～１ｍ×高さ２ｍほどの筒状の缶の中に上記の流電圧変換回路１０を実装して、缶の内部でヘリウムを循環させる機構を持つ。希釈冷凍機は、図２には示していないヘリウム循環のためのポンプやコンプレッサ等の外部機構も含み得る。他のタイプの冷却装置と冷却温度を例示すれば、希釈冷凍機：１０ｍＫ～１Ｋ程度、３Ｈｅ冷凍機：３００ｍＫ程度、４Ｈｅ冷凍機：１．５Ｋ程度、液体ヘリウム：４．２Ｋ、液体窒素：７７Ｋ、無冷媒パルスチューブ冷凍機：１．５Ｋ～３００Ｋを利用できる。冷却装置のタイプに応じて、ケースおよび冷却ステージの形態は変わることに留意されたい。
　電流電圧変換回路によって高感度で微小電流を測定するためには、図２のように冷却装置と組み合わせて用いることが前提となる。上述の冷却装置では、その冷却能力が有限であるため、内部に配置する電流電圧変換装置１０の消費電力を低く保つ必要がある。同時に、外部から冷却装置内へ流入する熱を最小に抑える必要がある。最先端の冷却装置であっても、その内部に消費電力の大きな電子回路を収めたり、外部から冷却装置への熱流入が多かったりすれば、極低温に保つことは難しくなる。
　冷却装置の重要な指標として「冷却能力」が知られており、ある温度を維持するために冷却装置内における発熱が何ワット以下の必要があるかを示す。言い換えると、冷却装置内における冷却対象に許容できる最大発熱量を意味する。例えばミリケルビン程度の低温を実現するための冷却装置（希釈冷凍機）の場合、最先端の装置で、冷却能力は５００μＷ at１００ｍＫ程度が典型的である。これは１００ｍＫの低温を維持するためには冷却装置内で生じる消費電力を５００μＷ以下に抑えなければならないことを意味する。したがって指標「冷却能力」は、冷却装置によって設定する温度が高いほど大きくて良い。例えば２００ｍＫの温度に維持する場合は、１００ｍＫとする場合と比べて、冷却装置内における冷却対象の発熱すなわち消費電力が２倍大きくて良いことになる。
　一般に電子回路は、その温度が低ければ低いほど、熱雑音を抑制して低ノイズにできる。電流電圧変換装置でも、できるだけ温度の低い環境で使うのが究極的な低雑音測定の実現に向け有利である。したがって、電流電圧変換装置の消費電力をできるだけ抑制し、冷却装置の指標「冷却能力」に対して小さくする必要がある。図１に示した従来技術（非特許文献１）の電流電圧変換装置は消費電力が１．５ｍＷであり、最先端の希釈冷凍機を用いても５００ｍＫ以上でしか使用できなかった。冷却装置への負荷を減らすためには、電流電圧変換装置の消費電力を減らし、外部から冷却装置への熱流入を抑える必要がある。
　本開示の電流電圧変換装置では、低温動作に特化して構成された電子素子（ＦＥＴ）を用いること、および、電流電圧変換回路の特有の構成によって、上述の低温動作時の開ループ利得の不足、冷却装置の能力の制限の問題を同時に解決する。
　図３は、本開示の電流電圧変換装置における電流電圧変換回路の構成を示す図である。電流電圧変換回路１００は、大きく分けて電流電圧変換部１０１と、出力段ソースフォロア部１０２とを含む。電流電圧変換部１０１は、基本的な増幅器構成としては図１と類似しており、コモンソース電圧増幅段を構成する３つのＦＥＴ（Ｈ１～Ｈ３）およびソースフォロアである最終出力段ＦＥＴ（Ｈ４）を備える。Ｈ４のソースからの出力電圧１０８を、フィードバック抵抗１０７を介してＨ１のゲートへ帰還させている。各ＦＥＴへのゲートは、ゲート抵抗１０６によって接地電位とされ、各ＦＥＴは単一の電源供給端子１０５からの電源によりソース抵抗によって自己バイアスされる。上述の電流電圧変換部１０１は、初段に対象電流が供給され、最終段の出力信号を初段へ帰還し、対象電流を電圧に変換する、増幅部として機能する。
　出力段ソースフォロア部１０２は、図１の従来技術の電流電圧変換回路１０には無い構成である。すなわち本開示の電流電圧変換回路１００では、出力段ソースフォロア部１０２のＦＥＴ（Ｈ５）は、出力電圧端子１０４の後段側に冷却装置から電圧出力を取り出すための同軸ケーブルを接続する場合に、ケーブルの浮遊容量により電流電圧変換回路１００の周波数特性が悪化するのを防ぐ。一般に回路出力におけるソースフォロアは、その回路の出力インピーダンスを下げ、次段回路との接続によって受けるその回路自身の動作の変動を避けるために使用される。すなわち、出力段ソースフォロア部１０２は、増幅部に接続され、対象電流から変換された電圧を出力するバッファ部として機能する。
　消費電流の制限がない常温における電流測定時には、電流電圧変換部１０１のソースフォロア（Ｈ４）に大きな電流を流すことができる。しかしながら、冷却装置の使用を前提として極低温において電流電圧変換装置を使用する場合には、１段構成のソースフォロアだけでは不十分と判った。ソースフォロアのＦＥＴに割り当てることのできる消費電力には制限があり、ソースフォロアの出力インピーダンスを十分に下げることができない。そこで出力段ソースフォロア部１０２をさらに備えることで、後段側のケーブル浮遊容量による電流電圧変換特性の周波数特性悪化を防ぐことができる。後述する低温動作に特化された低電流のＦＥＴを使用することで、電流電圧変換回路全体でも、増幅段の数の増加（４→５段）を補ってより小さい消費電流を実現できる。このため、極低温測定における冷却装置への負荷を軽減し、同時に広帯域の微小電流測定を実現する。
　本開示の電流電圧変換装置において特徴的な点の１つは、Ｈ１～Ｈ５の各増幅段のＦＥＴに対して自己バイアス方式でゲートに電源電圧を供給している点にある。すなわち、各ＦＥＴのゲートとグランドの間をゲート接地抵抗１０６によって接続し、ゲートは０Ｖに固定される。ソースとグランド間にも抵抗があるため、電源供給端子１０５からドレインに電圧を供給すれば、ソース電位はプラスとなる。したがって、ｎ型のＨＥＭＴを使用する場合には、ゲート－ソース間に負電圧を印可したのと等価になる。ゲート抵抗およびソース抵抗に適切な値を選べば、１つの電源供給端子１０５を備えるだけで各ＦＥＴに対して自己バイアス方式で適切な電源電圧が供給される。
　図１に示した従来技術の電流電圧変換回路１０では、４つのＦＥＴ（Ｈ１～Ｈ４）に対して、ドレイン用の電源供給端子１３と、ゲート用の電源供給端子１２が独立に必要であった。このため、図２に示した冷却装置の内外を少なくとも２系統の電気配線によって接続する必要があった。この２本の電気配線から冷却装置への熱流入が、冷却装置の負荷となっていた。複数の微小電流の測定対象があれば、複数の電流電圧変換回路を冷却装置に収納する必要があるが、配線が少なくとも２本必要なことは、冷凍機内のスペースの点でも問題であった。
　配線に用いる金属材料、および、冷凍機の構造から決まる配線の長さから、配線１本あたりの熱流入量を見積もることができる。配線の材料として低温で一般に用いられるのは、銅ニッケル合金、ステンレス、超電導線などである。超電導線は最も熱伝導度が小さいものの、４Ｋ以下の極低温でのみの使用に限られるので、ここでは広く用いられているキュプロニッケル（銅ニッケル合金）の同軸ケーブルを用いた場合を試算してみる。使いやすく一般に用いられている太さ（０．８６ｍｍφ）のケーブルの場合、一例を挙げれば、熱伝導度は約０．０７ｍＷ・ｍ／Ｋ である。４Ｋまで冷却するものとして、標準的な冷却装置のサイズを例に１ｍの配線を用いたとすると、配線１本あたりの熱流入量は約０．２ｍＷとなる。０．２ｍＷの熱流入量は、電流電圧変換装置本体における消費電力０．７５ｍＷに比べて無視できないほど大きい。
　これに対して、図３の本開示の電流電圧変換回路１００によれば、電源配線は１本のみで済むため、電気配線を経由して外部からら冷却装置内へ流入する熱を半分程度に抑えることができる。重要な指標「冷却能力」の観点からも、冷却装置の負荷を減らすことができるのは明らかである。さらに冷却装置内に複数個の電流電圧変換装置を収納する場合でも、配線スペースおよび熱の流入の抑制の効果がある。
　本開示の電流電圧変換装置においてもう１つの特徴的な点は、図３の電流電圧変換回路の各ＦＥＴ（Ｈ１～Ｈ５）について、低温動作に特化した構成のＦＥＴを使用していることにある。低温動作に特化したＦＥＴの例としてＧａＡｓ系ＨＥＭＴがあり、具体的には、ｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ/ＧａＡｓ ＨＥＭＴ、ＧａＡｓ量子井戸ＨＥＭＴがある。ＧａＡｓ系ＨＥＭＴは低温で高い電子移動度を示すことから、広帯域かつノイズの少ないＦＥＴとして動作し、低温でトランスコンダクタンスの大きな素子の作製も容易である。
　従来技術の電流電圧変換装置で使用されていた常温および低温の両方で動作するＦＥＴと、本開示の電流電圧変換装置で使用した低温動作に特化したＦＥＴの特性について、より具体的に述べておく。図３に示した電流電圧変換回路１００で使用したＨＥＭＴ（ＦＥＴ）は、ＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓ変調ドープ超格子構造を持つＨＥＭＴである。他に使用可能なものとしては、シュードモルフィックＨＥＭＴ、ＩｎＰ系ＨＥＭＴがある。これらのＨＥＭＴは低温で動作可能で、優れた雑音特性を持つ。
　したがって、本開示の電流電圧変換装置は、各段が電子素子で構成された少なくとも３段を有する増幅部１０１であって、初段に対象電流が供給され、最終段の出力信号を前記初段へ帰還し、前記対象電流を電圧に変換する、増幅部と、前記増幅部に接続され、前記変換された電圧を出力するバッファ部１０２とを備え、前記電子素子は、１５０Ｋ以下の温度における動作に適合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、前記ＦＥＴのゲートが接地電位に接続され、前記ＦＥＴの各々に共通する単一の電源１０５が供給されるものとして実施できる。
　ＨＥＭＴでは、チャネル部分の構成が微小電流に対する検出感度に関係している。ＨＥＭＴの断面構造を考えると、ドレインおよびソースの間にチャネルが形成される。チャネルにおける電流は、ゲートへの入力信号によって制御される。常温で動作するＨＥＭＴの場合は、チャネルとゲート間のリーク電流を抑えるために、ゲート絶縁層の厚さｄは十分に大きい必要がある。したがって、常温および低温の両方で動作可能なＨＥＭＴは、絶縁層の厚さｄは通常１００ｎｍ以上ある。一方で、厚さｄが大きいほど、ゲート電圧の変化に対する応答が小さくなり、ゲートへの入力信号に対する検出感度が低下する。
　本開示の電流電圧変換装置で使用した低温動作に特化したチャネル幅３ｍｍのＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓＨＥＭＴでは、温度４Ｋで絶縁層厚さｄは、１００ｎｍ以下の５５ｎｍとした。このＨＥＭＴを増幅素子として利用する場合、室温ではゲート－チャネル間の電気抵抗は実測値で２００ｋΩ／ｍｍとなって、リーク動作が大きいため使用できない。一方で、例えば液体ヘリウム温度（４．２Ｋ）ではゲート－チャネル間の電気抵抗は１ＧΩ／ｍｍ以上のため、リーク電流を無視できる。常温における正常な動作を諦めて、低温動作に特化したＨＥＭＴを使用することで、極低温用の電流電圧変換回路としてＨＥＭＴの電流検出感度を大きく向上させることができる。
　一般に常温動作のＨＥＭＴでは、ゲート－チャネル間のリークを抑えることが重要である。ＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓ ＨＥＭＴでは、ショットキー障壁ができるため、ゲートとチャンネルは自然に絶縁されるものの、絶縁層はある程度厚くする必要がある。一般に入手可能なＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓ ＨＥＭＴの構成は、例えば非特許文献２に開示されており、ドープ量について記載はないが、絶縁層の厚さは２１０ｎｍとなっている。材料が違えば絶縁層の必要な厚さも異なるが、ＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓの場合は概ね１００ｎｍ以上の厚さが一般的だと考えられる。本開示の電流電圧変換装置では、常温動作をさせるためには選択し得ない、ゲート絶縁層が１００ｎｍ以下の厚さを持つ、低温動作に特化した構成を採用し、電流電圧変換回路への電源構成を簡略化して、従来技術よりも格段に優れた電流電圧変換特性を実現した。
　ここで、低温動作に特化したＨＥＭＴの構成についてさらに言及しておく。上述のように、電流電圧変換回路において、電流検出感度を大きくするためにはゲートとチャネルの距離が近く、ゲート絶縁層が薄いほど良い。また、ゲート電圧に対するチャンネル電流の変化量（トランスコンダクタンス）が大きいほど良いので、ドープ量は多いほど電流検出感度が大きくなる。
　しかしながら、ゲート絶縁層厚さおよびドープ量の２つの条件は、ゲート絶縁層にキャリアが生じないような範囲でしか最適化できない。この範囲を超えると、室温ではゲートリーク電流が生じたり、平行伝導（Parallel Conduction）によって移動度が低下しＨＥＭＴの特性が劣化したりすることが知られている。ＨＥＭＴのゲート絶縁層でキャリアが生じ、ゲートリーク電流が流れれば、電流電圧変換回路としてはもちろん、常温で電子素子の基本動作・性能を持たないものとして使用できなくなる。
　上述の電子素子としての基本的な動作を確保するために、市販のＨＥＭＴは、例えばゲート絶縁層の一部であるバリア層として１００ｎｍ以上の厚さを持つものが大半である。非特許文献２によれば、バリア層は１８０ｎｍであり、３層構造のゲート全厚さは２１０ｎｍである。このような厚いゲート絶縁層を持つ構成のＨＥＭＴでは、低温で高感度な測定を行う障壁となる。
　本開示の電流電圧変換装置では、ＨＥＭＴのゲート絶縁層の厚さを５５ｎｍとして、２回のデルタドープ（６×１０１１ｃｍ－２）を行ったもの（チャンネルのキャリア密度４×１０１１ｃｍ－２に相当）を使用して、電流電圧変換回路を試作し、優れた雑音性能を確認した。これらのＨＥＭＴは、室温で電気抵抗の実測値が２００ｋΩ／ｍｍのゲート抵抗を持ち、リーク電流のために室温ではＨＥＭＴとして用いることができない。しかしながら、上述の低温動作に特化したＨＥＭＴを極めて低温で使用し、図３に示したように電流電圧変換回路への電源構成を簡略化することで、高感度で低消費電力を実現できる。低温動作に特化したＨＥＭＴの構成の目安としては、ゲート絶縁層の厚さが１００ｎｍ以下であって好ましくは５５ｎｍ以下であって、かつドープ量はチャンネルのキャリア密度４×１０１１ｃｍ－２相当を越えるものであると言える。
　以上詳細に述べたように、本開示の電流電圧変換装置によって、極めて低温の状態で感度良い微小電流の測定を実現できる。
　本発明は、微小電流の高感度な測定に利用することができる。
　１０、１００　電流電圧変換回路
　１１、１０３　電流入力端子
　１２、１３、１０５　電源端子
　１４、１０４　電圧出力端子　
　１５、１０７　帰還抵抗
　２０　電流電圧変換装置
　２１　ケース
　２２　冷却ステージ
　１０８　ドレイン出力電圧

Claims (5)

  1. 　各段が電子素子で構成された少なくとも３段を有する増幅部であって、初段に対象電流が供給され、最終段の出力信号を前記初段へ帰還し、前記対象電流を電圧に変換する、増幅部と、
    　前記増幅部に接続され、前記変換された電圧を出力するバッファ部と
    　を備え、
    　前記電子素子は、１５０Ｋ以下の温度における動作に適合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、前記ＦＥＴのゲートが接地電位に接続され、前記ＦＥＴの各々に共通する単一の電源が供給されることを特徴とする電流電圧変換装置。
  2. 　前記増幅部は４段のコモンソース電圧増幅段であって、最終段はソースフォロアを構成し、
    　前記バッファ部は、前記電子素子で構成されたソースフォロアであることを特徴とする請求項１に記載の電流電圧変換装置。
  3. 　前記ＦＥＴは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、ゲート絶縁層厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の電流電圧変換装置。
  4. 　前記ＨＥＭＴは、ＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓ変調ドープ超格子構造のＨＥＭＴ、シュードモルフィックＨＥＭＴ、またはＩｎＰ系ＨＥＭＴのいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の電流電圧変換装置。
  5. 　冷却装置内に請求項１乃至４いずれかの電流電圧変換装置を備えた微小電流測定装置。
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