卒研発表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M１西村夏奈研究背景① テラヘルツ光領域 THｚ・MIR Electronics Photon energy Frequency 0.1 meV 10 GHz Optics λ = 1mm ～ 6μm 1 meV 100 GHz 10 meV 1 THz 100 meV 10 THz 1 eV 10 eV 100 THz T=300K 分子の回転・固体の格子振動宇宙の３K輻射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研究背景② 量子ドットSET検出器 GaAlAs(90nm) SET(単電子トランジスタ) 2次元電子層 (10nm) GaAs Vg VSD SET顕微鏡写真 QD（~ 300 electrons） Reservoir Reservoir ・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・抵抗が変化 Controlled gate Vg VSD 200KΩ (暗状態) 5MΩ (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）クーロンブロッケイド e2/2C≫kBT e- μ(N+1) EF eμ(N+1) EF μ(N ) μ(N ) μ(N－1) EN μ(N－1) EN e N (VG ) リード μ(N+1)＝EF SET ゲート｣電圧を＋に印加 e N (VG ) 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伝導度共鳴伝導度 μ(N－1) =EF N-2 μ(N ) =EF N-1 μ(N+1) =EF N クーロン振動 N+1 リード電子のポテンシャルエネルギーが減少 Photon Counting 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 N N―1 N+1 B=9T ドレインソース伝導度 VG Photoexcitation 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 +e THz光照射 -e 光子検出時：電子が励起し瞬間的に分極 THzPhoton LL1 Conductance 1.0 0.5 0 0 2 4 Time (sec) EF 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 LL0 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仕様Ⅰ.低温(2K)・強磁場(9T)下で使用可能であること。真空バルブ写真2-B クライオスタット内超伝導マグネット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を入れる写真2-E 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) 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 Line10 Line3 Coax1 Coax2 写真2-A BNCコネクタトグルスイッチ検出器の高速化 2端子測定(DC測定) 応答速度（時定数） τ＝RC 2メートル程度(Cst＝300pF/m) （C：同軸ケーブルの浮遊キャパシタンス） 20~30μsec S/N比より、42kΩが妥当とされている低温アンプの導入低温下にアンプを組み込む 2メートル程度(Cst＝300pF/m) 時定数の改善が期待される。この抵抗の値は変えない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エミッタフォロア 63% ・時定数の変化アンプなし : 5μs アンプあり： 70ns (2ケタ改善) 70ns 5μs 低温アンプ作製準備 ①各電気素子の4.2K測定・抵抗素子［チップ抵抗］厚膜薄膜 300K 150Ω 470Ω 100kΩ 1kΩ 4.2K 200Ω 670Ω 230kΩ 1kΩ ・トランジスタ［FET］変化率 1.3 1.4 2.3 1.0 ・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 変化率 0.06 1.0 -1.0V -0.6V ②低温アンプの設計 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）逆バイアス抵抗分割低温用FETソースフォロア回路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) 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 I SD iSD   0.18  10-3 Vg vg ・・・ゲート特性における動作点(-0.6V)での傾き vout  iSD RL vin  v g  vout 3式から vg、・・・ソースフォロアなので電圧利得は１ vout を消去して 3 iSD  0.18 10 (iSD RL ) したがって、 1 RL   5.6[k] 3 0.18 10 ２DEG（二次元電子層） EF Si ドナー EF EF (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