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.

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1 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

2 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 Optics Electronics TH ｚ・ MIR λ = 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

3 Vg V SD 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 V SD Reservoir 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 )

4 μ (N+1) μ (N － 1) μ (N ) SET リード SET リード 量子ドットとリード線のエネルギー準位 N-1 N N-2 μ (N － 1) =E F μ (N ) =E F μ (N+1) =E F N+1 クーロン振動 SET （単電子トランジスタ） 伝導度共鳴 μ (N+1) ＝ E F 電子のポテンシャ ルエネルギーが減 少 e-e- e-e- μ (N+1) μ (N － 1) μ (N ) ENEN ENEN EFEF EFEF e 2 /2C ≫ k B T クーロンブロッケイド ゲート｣電圧を＋に印加

5 Photon Counting LL0 LL1 EFEF 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 VGVG N N+1 N―1N―1 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

6 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。

7 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

8 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 )

9 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

10 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 (C st ＝ 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 (C st ＝ 300pF/m)

11 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

12 -0.6V -1.0V 低温アンプ作製準備 ①各電気素子の 4.2K 測定 1.3 1.4 2.3 1.0 300K 150Ω 470Ω 100kΩ 1kΩ 厚膜 薄膜 4.2K 200Ω 670Ω 230kΩ 1kΩ ・コンデンサ［チップコンデン サ］ 大容量 小容量 300K 0.1μF 100pF 4.2K 6nF 100pF 0.06 1.0 ・抵抗素子［チップ抵抗］ ・トランジスタ［ FET ］ 変化率

13 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

14 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

15 出力抵抗の決定 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

16 EFEF EFEF EFEF Si 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）