WO2021186653A1 - 電流電圧変換装置 - Google Patents

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昌幸 橋坂
康二 村木
貴史 秋保
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日本電信電話株式会社
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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 in a wide band 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 an electronic element, the target current is supplied to the first stage, and the final stage is A source follower that feeds back an output signal to the first stage and converts the target current into a voltage, and a source follower that is connected to the amplification unit and is composed of the electronic element are configured and converted.
  • the electronic element is a current-voltage conversion device including a buffer unit for outputting a voltage, which is a field effect transistor (FET) suitable for operation at a temperature of 150 K or less.
  • FET field effect transistor
  • the following disclosure relates to a current-voltage converter that measures a minute current in a wide band 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 low-temperature operation
  • a source follower circuit is added to the output stage of the current-voltage conversion circuit to eliminate the influence of stray capacitance added to the output side of the current-voltage conversion circuit and realize a wide band.
  • 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 measurement system configuration including a current-voltage converter that operates at a low temperature. Another problem with prior art current-voltage converters is the limitation of operating bandwidth that arises when the current-voltage converter is used in cold 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 voltage output terminal 14 and the voltage measuring device 24 are connected by a coaxial cable 23 in order to prevent noise from being mixed during minute current measurement.
  • 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. External mechanisms such as pumps and compressors for helium circulation not shown in FIG. 2 may also be included.
  • 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.
  • FIG. 2 shows that the coaxial cable 23 is used from the outside of the case 21 of the cooling device.
  • a signal may be taken out from the inside of a can (case) in a low temperature environment to a voltage measuring device 24 in a room temperature environment by using a coaxial cable. If the cooling device becomes large, the length of the coaxial cable may reach 1 m or more.
  • the phase shift of the output signal occurs in the current-voltage conversion circuit due to the influence. Since the stray capacitance constitutes a low-pass filter together with the output impedance of the current-voltage conversion circuit, the phase shift amount becomes more remarkable as the frequency becomes higher. As a result, an upper limit is given to the operating frequency of the current-voltage converter. In order to extend the operating frequency to the higher frequency side, the stray capacitance of the coaxial cable may be reduced. However, in a current-voltage converter, it is usually difficult to reduce the stray capacitance because the required coaxial cable length is determined by the size of the cooling device. In order to widen the bandwidth of the current-voltage converter, it is necessary to take unique measures to reduce the influence of stray capacitance on the output side.
  • the operating frequency is limited during the above-mentioned low-temperature operation by using an electronic element (FET) specially configured for low-temperature operation and by the peculiar configuration of the current-voltage conversion circuit. Solve a problem.
  • FET electronic element
  • 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 constitutes a source follower in which the target current is supplied to the first stage and the output signal is fed back to the first stage in the final stage, and functions as an amplification unit that converts the target current into a voltage.
  • the output stage source follower unit 102 has a configuration that the current-voltage conversion circuit 10 of the prior art of FIG. 1 does not have. 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 current-voltage conversion circuit depending on the stray capacitance of the cable when a coaxial cable or the like is connected to the rear stage side of the output voltage terminal 104. Prevents the frequency band of 100 from narrowing. Generally, a source follower in an electronic circuit output is used to lower the output impedance of the electronic circuit and avoid fluctuations in the operation of the electronic circuit itself received by connection with a circuit in the next stage.
  • the output stage source follower unit 102 has an isolation action that separates the stray capacitance of the coaxial cable so that it cannot be seen from the current-voltage conversion unit 101 side, rather than lowering the output impedance of the current-voltage conversion circuit. .. Therefore, the output stage source follower unit 102 constitutes a source follower composed of electronic elements and functions as a buffer unit that outputs a voltage converted from the target current.
  • each FET (H1 to H5) of the current-voltage conversion circuit of FIG. 3 uses an FET 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.
  • FIG. 4 is a diagram showing the frequency characteristics of the current-voltage conversion efficiency in the current-voltage converter of the present disclosure in comparison with the prior art.
  • FIG. 4B shows the current-voltage conversion efficiency A at a temperature of 4K when the conventional current-voltage conversion circuit 10 shown in FIG. 1 is configured by using FETs that can operate at room temperature and low temperature. ing. Specifically, ATF35143 manufactured by AVAGO, which is generally used in low temperature experiments, was used. The feedback resistance is adjusted to adjust the current-voltage conversion efficiency A to 2.82 ⁇ 10 4 V / A. From (b) of FIG. 4, the maximum frequency (referred to as the operation upper limit frequency) at which the deviation from the set value of A is ⁇ 2.5% was 1 MHz. Both of the two samples (TA1 and TA2) have a maximum frequency of approximately 1 MHz.
  • FIG. 4A shows the current-voltage conversion efficiency at a temperature of 4K when the current-voltage conversion circuit 100 of the present disclosure shown in FIG. 3 is configured by using an FET specialized for low-temperature operation.
  • GaAs-AlGaAs HEMT having a channel width of 3 mm is used.
  • the feedback resistor 107 is adjusted to adjust the current-voltage conversion efficiency A to 3.0 ⁇ 10 4 V / A in the same manner as in FIG. 4 (b).
  • the maximum frequency (operating upper limit frequency) at which the deviation from the set conversion efficiency value is ⁇ 2.5% is 5 MHz. Comparing the two characteristics of (a) and (b) of FIG. 4 in which the current-voltage conversion efficiency A is set to substantially the same value, the operating band is further increased by the configuration in which the output stage source follower portion 102 of the present disclosure is added. You can see that it is getting wider.
  • FIG. 5 is a diagram showing the frequency characteristics of the input / output phase difference in the current-voltage converter of the present disclosure in comparison with the prior art.
  • (A) and (b) of FIG. 5 correspond to the characteristics of (a) and (b) of FIG. 4, and the input signal to the element H1 of the first stage and the output signal of the final stage The phase difference between them is shown in degrees (°).
  • the values of the feedback resistor and the feedback capacitor are set so that negative feedback occurs under normal operating conditions at the center frequency of the band in use, and input / output under normal operating conditions.
  • the phase difference between them is 180 °. Due to the stray capacitance added to the output side of the current-voltage conversion circuit by a cable or the like, the phase rotation amount gradually increases from 180 ° in normal operation together with the operating frequency.
  • the phase difference of the upper limit operating frequency at 5 MHz is 130 ° as shown in FIG. 5 (a), and the phase rotation of 50 ° from the normal operation is achieved. It is happening.
  • the phase difference of the same frequency of 5 MHz has reached 0 °, and the phase rotation amount from the normal operation has expanded to 180 °. From (a) and (b) of FIG. 5, it can be seen that the operating band of the current-voltage conversion circuit is wider due to the configuration in which the output stage source follower unit 102 of the present disclosure is added.
  • the current-voltage converter of the present disclosure 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 is a source that feeds back an output signal to the first stage.
  • An amplification unit that constitutes a follower and converts the target current into a voltage
  • a buffer unit that is connected to the amplification unit and constitutes a source follower composed of the electronic element and outputs the converted voltage.
  • the electronic device can be implemented as being a field effect transistor (FET) adapted for operation at temperatures below 150 K.
  • FET field effect transistor
  • 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 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, as compared with the prior art. Achieves outstanding current-voltage conversion characteristics. At the same time, a wide band has been realized by adding the output stage source follower unit 102.
  • 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 is achieved as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the thickness of the gate insulating layer is 100 nm or less, preferably 55 nm or less, and the doping amount is equivalent to a channel carrier density of 4 ⁇ 10 11 cm- 2. It can be said that it exceeds.
  • the current-voltage converter of the present disclosure can realize measurement of a minute current in a wide band with high sensitivity in an extremely low temperature state.
  • the present invention can be used for highly sensitive and wideband measurement of minute currents.

Abstract

電流電圧変換装置を低温で使用する場合、測定可能な微小電流の周波数帯域が制限される問題があった。電流電圧変換装置の出力電圧を冷却装置内から外部へ取り出す同軸ケーブルの浮遊容量が、電流電圧変換装置の動作周波数帯域を狭めていた。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、従来技術のよりも格段に優れた感度の電流電圧変換特性を実現する。さらに、電流電圧変換回路の出力段にソースフォロア回路を追加して、電流電圧変換回路の出力側に付加される浮遊容量の影響を切り離して広帯域化を実現する。

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、電流電圧変換装置を低温で使用する場合、測定可能な微小電流の周波数帯域が制限されてしまう問題があった。後述するように、低温で高感度に微小電流を測定する場合には、冷却装置と組み合わせて用いることが前提となる。このとき、出力電圧を冷却装置内から外部へ取り出すために同軸ケーブルなどを使用する。電流電圧変換回路の出力側に接続される同軸ケーブルの浮遊容量は、電流電圧変換装置の動作周波数帯域を狭めていた。
　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広帯域に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、最終段は出力信号を前記初段へ帰還するソースフォロアを構成し、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、前記電子素子で構成されたソースフォロアを構成し、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、感度良く広帯域に微小電流を測定することができる。
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。 低温で動作させる電流電圧変換装置を含む測定系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。 電流電圧変換効率の周波数特性を従来技術と比較して示した図である。 入出力間位相差の周波数特性を従来技術と比較して示した図である。
　以下の開示は、極めて低温の状態であっても、感度良く広帯域で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感度の電流電圧変換特性を実現する。さらに、電流電圧変換回路の出力段にソースフォロア回路を追加して、電流電圧変換回路の出力側に付加される浮遊容量の影響を切り離して広帯域化を実現する。
　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・低温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だけ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、低温動作させる電流電圧変換装置を含む測定系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に生じる動作帯域幅の制限である。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。
　電流電圧変換回路１０を冷却装置と組み合わせて用いる場合、微小電流測定時のノイズ混入を防ぐため、電圧出力端子１４と電圧測定装置２４との間を、同軸ケーブル２３によって接続する。
　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。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が変わることに留意されたい。
　簡単のため図２では、冷却装置のケース２１の外部から同軸ケーブル２３を使用したものとして示している。比較的大掛かりな希釈冷凍機などの場合には、低温環境の缶（ケース）の内部側から同軸ケーブルを使用して、常温環境の電圧測定装置２４へ信号を取り出す場合もある。冷却装置が大型のものになれば、同軸ケーブルの長さは１ｍ以上にも及ぶ場合がある。
　同軸ケーブルは浮遊容量を持つため、その影響により電流電圧変換回路において出力信号の位相シフトが起こる。浮遊容量は、電流電圧変換回路の出力インピーダンスと共にローパスフィルタを構成するため、位相シフト量は周波数が高いほど顕著になる。結果として、電流電圧変換装置の動作周波数に上限を与える。動作周波数をより高周波側へ伸ばすためには、同軸ケーブルの浮遊容量を小さくすれば良い。しかしながら、電流電圧変換装置では冷却装置のサイズによって必要な同軸ケーブル長さが決まるため、通常、浮遊容量を小さくすることは難しい。電流電圧変換装置の広帯域化するためには、出力側の浮遊容量の影響を減らす独自の工夫が必要となる。
　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動作周波数の制限の問題を解決する。
　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。電流電圧変換部１０１は、初段に対象電流が供給され、最終段は出力信号を初段へ帰還するソースフォロアを構成し、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が備えていない構成である。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の後段側に同軸ケーブル等を接続する場合に、ケーブルの浮遊容量により電流電圧変換回路１００の周波数帯域が狭くなるのを防ぐ。一般に電子回路出力におけるソースフォロアは、電子回路の出力インピーダンスを下げ、次段の回路との接続によって受けるその電子回路自身の動作の変動を避けるため使用される。
　消費電流の制限がない常温における微小電流測定の場合、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を使用して極低温において電流電圧変換装置を使用する場合、１段構成のソースフォロアだけでは不十分と判った。図１の従来技術の構成でソースフォロアのＦＥＴ（Ｈ４）に割り当てることのできる消費電流には制限があり、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、同軸ケーブルの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。出力段ソースフォロア部１０２は、電流電圧変換回路の出力インピーダンスを下げることよりも、同軸ケーブルの浮遊容量が電流電圧変換部１０１側から見えないように切り離す、アイソレーション作用をしていると考えられる。したがって、出力段ソースフォロア部１０２は、電子素子で構成されたソースフォロアを構成し、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。
　低温動作に特化された低電流のＦＥＴを使用することで、増幅段の数の増加（４→５段）を補って、電流電圧変換回路全体でもより小さい消費電力を実現できる。同時に、極低温測定における広帯域な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。
　図４は、本開示の電流電圧変換装置における電流電圧変換効率の周波数特性を、従来技術と比較して示した図である。図４の（ｂ）は、図１に示した従来技術の電流電圧変換回路１０を、常温および低温で動作可能なＦＥＴを使用して構成した場合の、温度４Ｋにおける電流電圧変換効率Ａを示している。具体的には、低温実験で一般に用いられるＡＶＡＧＯ製ＡＴＦ３５１４３を使用した。帰還抵抗を調整して、電流電圧変換効率Ａを２．８２×１０４Ｖ／Ａに調整している。図４の（ｂ）から、設定したＡの値からの偏差が±２．５％となる最高周波数（動作上限周波数と呼ぶ）は１ＭＨｚであった。２つのサンプル（ＴＡ１、ＴＡ２）いずれも、概ね１ＭＨｚの最高周波数となっている。
　一方で図４の（ａ）は、図３に示した本開示の電流電圧変換回路１００を、低温動作に特化したＦＥＴを使用して構成した場合の温度４Ｋにおける電流電圧変換効率を示している。具体的には、チャネル幅３ｍｍのＧａＡｓ-ＡｌＧａＡｓＨＥＭＴを使用している。帰還抵抗１０７を調整して、図４の（ｂ）と同様に電流電圧変換効率Ａを３．０×１０４Ｖ／Ａに調整している。図４の（ａ）から、設定した変換効率値からの偏差が±２．５％となる最高周波数（動作上限周波数）は５ＭＨｚとなっている。電流電圧変換効率Ａを概ね同じ値に設定した図４の（ａ）、（ｂ）の２つの特性を比較すれば、本開示の出力段ソースフォロア部１０２を追加した構成で、動作帯域がより広くなっていることがわかる。
　図５は、本開示の電流電圧変換装置における入出力位相差の周波数特性を、従来技術と比較して示した図である。図５の（ａ）、（ｂ）は、図４の（ａ）、（ｂ）の各特性に対応したものであって、初段の素子Ｈ１への入力信号と、最終段の出力信号との間の位相差を度（°）で示している。図１および図３の電流電圧変換回路はいずれも、使用帯域の中央周波数における通常動作条件で負帰還となるように帰還抵抗および帰還コンデンサの値が設定されており、通常動作条件での入出力間位相差は１８０°となる。電流電圧変換回路の出力側にケーブル等で付加される浮遊容量等によって、動作周波数とともに位相回転量が通常動作の１８０°から次第に増加していく。
　本開示の出力段ソースフォロア部１０２を追加した構成では、図５の（ａ）に示したように上限動作周波数の５ＭＨｚにおける位相差は１３０°であり、通常動作時から５０°の位相回転が生じている。一方、従来技術の構成では、図５の（ｂ）に示したように同じ周波数５ＭＨｚの位相差は０°に達しており、通常動作時からの位相回転量が１８０°にまで広がっている。図５の（ａ）、（ｂ）からも、本開示の出力段ソースフォロア部１０２を追加した構成で、電流電圧変換回路の動作帯域がより広くなっていることがわかる。
　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段を有する増幅部であって、初段に対象電流が供給され、最終段は出力信号を前記初段へ帰還するソースフォロアを構成し、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、前記電子素子で構成されたソースフォロアを構成し、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）であるものとして実施できる。
　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、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。
　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することで、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。同時に、出力段ソースフォロア部１０２を追加した構成で広帯域化も実現した。
　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に示したように出力段ソースフォロア部を追加する構成とすることで、図４、図５に示したよう高感度、広帯域で低消費電力な測定を実現できる。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以下であり、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く、広帯域に微小電流の測定を実現できる。
　本発明は、微小電流の高感度で広帯域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
　２３　同軸ケーブル
　２４　電圧測定装置
　２５　浮遊容量
　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、最終段は出力信号を前記初段へ帰還するソースフォロアを構成し、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、前記電子素子で構成されたソースフォロアを構成し、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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