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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

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 M １　西村夏奈. Optics. 研究背景①　テラヘルツ光領域. TH ｚ・ MIR λ = 1mm ～ 6 μm. Electronics. 10 eV. 10 meV. 100 meV. 1 eV. 0.1 meV. 1 meV. Photon energy. 100 THz. 10 THz. 10 GHz. 100 GHz. 1 THz. Frequency. T =300K. 分子の回転・固体の格子振動 宇宙の３ K 輻射.

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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

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. Optics 研究背景①　テラヘルツ光領域 THｚ・MIR λ = 1mm ～ 6μm Electronics 10 eV 10 meV 100 meV 1 eV 0.1 meV 1 meV Photon energy 100 THz 10 THz 10 GHz 100 GHz 1 THz Frequency 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

  3. Reservoir Reservoir Controlled gate Vg VSD 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 ・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 QD（~ 300 electrons） ・抵抗が変化 200KΩ5MΩ (暗状態)(光子検出時) 高インピーダンスなデバイス

  4. クーロンブロッケイド e2/2C≫kBT e- e- μ(N+1) EF EF μ(N ) μ(N－1) EN EN ゲート｣電圧を＋に印加 μ(N ) =EF μ(N+1) =EF μ(N－1) =EF 伝導度 N-2 N-1 N N+1 SET（単電子トランジスタ） μ(N+1)＝EF μ(N+1) μ(N ) μ(N－1) SET SET リード リード リード リード 電子のポテンシャルエネルギーが減少 量子ドットとリード線のエネルギー準位 伝導度共鳴 クーロン振動

  5. THzPhoton LL1 EF LL0 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 B=9T ドレイン ソース Photoexcitation +e N N―1 N+1 -e 伝導度 VG Photon Counting 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 光子検出時：電子が励起し瞬間的に分極 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

  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. 写真2-E 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

  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。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 配線基板 (リソグラフィ加工) アンプスペース

  9. 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。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

  10. 検出器の高速化 2端子測定(DC測定) 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） 2メートル程度(Cst＝300pF/m) 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

  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 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

  12. 低温アンプ作製準備 ・抵抗素子［チップ抵抗］ ・トランジスタ［FET］ ①各電気素子の4.2K測定　　　　　 変化率 300K 150Ω 470Ω 100kΩ 1kΩ 4.2K200Ω 670Ω 230kΩ 1kΩ 厚膜 薄膜 1.3 1.4 2.3 1.0 ・コンデンサ［チップコンデンサ］ 変化率 300K 0.1μF 100pF 4.2K 6nF 100pF 大容量 小容量 0.06 1.0 -1.0V -0.6V

  13. DCカット ②低温アンプの設計 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)

  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 ・・・ゲート特性における動作点(-0.6V)での傾き ・・・ソースフォロアなので電圧利得は１ 3式から　　　　　　　を消去して したがって、

  16. (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(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 EF Si ドナー EF EF ２DEG（二次元電子層）

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