テラヘルツ光検出器試作試験用サンプルホルダーの作製

高島研 M １　西村夏奈

卒研発表

研究背景①　テラヘルツ光領域

0.1 meV 1 meV 10 meV 100 meV 1 eV 10 eV

10 GHz 100 GHz 1 THz 10 THz 100 THz

Photon energy

Frequency

分子の回転・固体の格子振動

宇宙の３ K 輻射

T=300K

OpticsElectronicsTH ｚ・ MIRλ = 1mm ～ 6μm

電波天文学や生体分子分光学など多くの分野においてテラヘルツ光検出技術の発展が期待されている。

我々の研究室ではこの技術を利用して、テラヘルツ顕微鏡システムの開発や生体系ダイナミクスの可視化に挑む

VgVSD

GaAlAs(90nm)

GaAs

2 次元電子層　 (10nm)

QD （ ~ 300 electrons ）

研究背景②　量子ドット SET 検出器

SET 顕微鏡写真

・ SD 電流をゲート電圧で制御

・光子が入ってくると電流が流れなくなるようにゲート電圧を設定する

Vg

VSD

ReservoirReservoir

Controlled gate

・抵抗が変化

　 200KΩ 　　　　　　　　5MΩ

( 暗状態 ) 　　　　　 ( 光子検出時 )

高インピーダンスなデバイス

SET( 単電子トランジスタ )

μ(N+1)

μ(N － 1)

μ(N )

SETリード リードSETリード リード

量子ドットとリード線のエネルギー準位

N-1 NN-2

μ(N － 1) =EF

μ(N ) =EF μ(N+1) =EF

N+1伝導度

クーロン振動

SET （単電子トランジスタ）

伝導度共鳴

μ(N+1) ＝ EF

電子のポテンシャルエネルギーが減少

e- e-μ(N+1)

μ(N － 1)

μ(N )

EN

)( GN Ve

EN

)( GN Ve

EF EF

e2/2C k≫ BT クーロンブロッケイド

ゲート｣電圧を＋に印加

Photon Counting

LL0

LL1

EF

THzPhoton

B=9T

+e

-e

Photoexcitation

ソース ドレイン

磁場をかけることで量子ドット内のエネルギー準位が分裂

VG

伝導度

N N+1N―1

　

Time　(sec)　

Conductance　　

0　

0.5　

1.0　

0　 2　 4　 6　 8　

遠赤外光子吸収による伝導度変化と実際のスイッチング

光子検出時：電子が励起し瞬間的に分極

トンネル電流が流れるように設定された電圧からずれる

THz 光照射

本研究の目的

量子ドット SET 検出器を代表とする、微小デバイスの試作試験用サンプルホルダーの作製

サンプルホルダーの仕様

Ⅰ. 低温 ( ＜ 2K) ・強磁場 (9T) 下で使用可能なこと。

Ⅱ. サンプル近傍に、低温アンプ・保護回路・フィルター等を組み込めること。

Ⅲ. サンプルの静電対策として、配線を接地スイッチに繋げること。

サンプルホルダーの構造

写真 2-B

仕様Ⅰ . 低温 (2K) ・強磁場 (9T) 下で使用可能であること。

写真 2-E

クライオスタット内超伝導マグネット

真空バルブ

インジウムシール用フランジ

内側を真空引きしながら先端に液体 He を入れる

仕様Ⅱ . 低温サンプル近傍に、低温アンプ・保護回路・フィルター等を組み込めること。

ターミナル

写真 2-D

アンプスペース

配線基板( リソグラフィ加工 )

写真 2-A

仕様Ⅲ . 静電対策として、配線を接地スイッチに繋げること。

スイッチBOX

Line1

Line2

Line3

Line10

Coax1

Coax2

BNC コネクタ

トグルスイッチ

2 端子測定 (DC 測定 )

検出器の高速化応答速度（時定数）　 τ ＝ RC（ C ：同軸ケーブルの浮遊キャパシタンス）

20~30μsec

2メートル程度 (Cst ＝300pF/m)

S/N比より、 42kΩが妥当とされている

低温下にアンプを組み込む低温アンプの導入

時定数の改善が期待される。

この抵抗の値は変えない

2メートル程度 (Cst ＝ 300pF/m)

汎用常温アンプでの動作確認バイポーラトランジスタ　

テスト回路

・時定数の変化

　アンプなし : 5μs

　アンプあり ： 70ns (2 ケタ改善 )

エミッタフォロア

63%

5μs70ns

-0.6V-1.0V

低温アンプ作製準備①各電気素子の 4.2K 測定　　　　　

1.31.42.31.0

300K150Ω 470Ω

100kΩ 1kΩ

厚膜

薄膜

4.2K 　

200Ω670Ω230kΩ

1kΩ・コンデンサ［チップコンデンサ］

大容量小容量

300K0.1μF100pF

4.2K6nF

100pF0.061.0

・抵抗素子［チップ抵抗］ ・トランジスタ［ FET］変化率

変化率

②低温アンプの設計

インピーダンスの変化 ： 入力時 42kΩ → 出力時 5kΩ時定数の変化 ： 30μs→3.6μs (1桁程 度 改善される見込み )

低温用 FET ソースフォロア回路

抵抗分割

DCカット

ドレイン接地・ ACノイズカット（ 0.1μF のコンデンサは常温部分）逆バイア

ス

結論

★量子ドット SET 検出器の試作試験用サンプルホルダーが完成。

　 (従来より小型化、ノイズ・静電気に強い )★検出器高速化のための低温アンプの設計および動

作確認を行った。・・・がうまく動作しなかった。

今後の展望★0.3Kまで冷却するための引き口の作製。★低温アンプの不具合の原因究明。　　・低温はんだの接合チェック　　・ FET の動作確認　　・配線の導 通チェック　など

出力抵抗の決定

][6.51018.0

1

)(1018.0

1081.0

3

3

3-

kR

Rii

vvv

Riv

v

i

V

I

L

LSDSD

outgin

LSDout

g

SD

g

SD

3式から　　　　　　　を消去して

したがって、

・・・ソースフォロアなので電圧利得は１

・・・ゲート特性における動作点 (-0.6V) での傾き

outg vv 、

EFEF

EFSi ドナー

(a)接合前の AlGaAsとGaAsのエネルギー準位　 (b)接合後の AlGaAsとGaAsのエネルギー準位

２ DEG （二次元電子層）