(57)【要約】【課題】グラフェンの特異な電子特性を利用して、極低温を必要することなく、小規模の装置で、非常に微弱なテラヘルツ光の強度を明確に検出でき、かつその周波数を非常に広い周波数範囲で正確に測定することができるテラヘルツ電磁波検出装置とその検出方法を提供する。【解決手段】表面に酸化層が形成された半導体チップ１２と、半導体チップの表面に密着して設けられた２次元グラフェン１４、導電性のソース電極１５、及びドレイン電極１６と、半導体チップの裏面に密着して設けられたゲート電極１７とを備える。２次元グラフェン１４は、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続されている。さらに、ソース電極とドレイン電極の間に所定の電流を流し、その間のＳＤ電圧Ｖ１を検出するＳＤ電圧検出回路１８と、ゲート電極に可変ゲート電圧Ｖ２を印加するゲート電圧印加回路１９と、２次元グラフェンに可変磁場Ｂを印加する磁場発生装置２０とを備える。【選択図】図５
2010206176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に酸化層が形成された半導体チップと、
該半導体チップの表面に密着して設けられた２次元グラフェン、導電性のソース電極、及びドレイン電極と、
半導体チップの裏面に密着して設けられたゲート電極とを備え、
前記２次元グラフェンは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電流を流し、その間のＳＤ電圧を検出するＳＤ電圧検出回路と、
前記ゲート電極に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記２次元グラフェンに可変磁場を印加する磁場発生装置と、を備えることを特徴とするテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項２】
前記ＳＤ電圧検出回路、ゲート電圧印加回路及び磁場発生装置を制御し、かつ前記ＳＤ電圧、ゲート電圧及び磁場値からテラヘルツ光の周波数と強度を演算する検出制御装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項３】
前記検出制御装置により、テラヘルツ光を照射しながら、ＳＤ電圧のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、ゲート電圧と磁場の変化に対してテラヘルツ光照射によるＳＤ電圧変化が最も大きくなる時の磁場値を検出し、この磁場値とＳＤ電圧変化からテラヘルツ光の強度と周波数を求める、ことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ電磁波検出装置。
【請求項４】
表面に酸化層が形成された半導体チップと、
該半導体チップの表面に密着して設けられた２次元グラフェン、導電性のソース電極、及びドレイン電極と、
半導体チップの裏面に密着して設けられたゲート電極とを備え、
前記２次元グラフェンは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電流を流し、その間のＳＤ電圧を検出するＳＤ電圧検出回路と、
前記ゲート電極に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記２次元グラフェンに可変磁場を印加する磁場発生装置と、を備えるテラヘルツ電磁波検出装置を準備し、
テラヘルツ光を照射しながら、テラヘルツ光照射によるＳＤ電圧変化のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、ゲート電圧と磁場に対するＳＤ電圧変化が最も大きくなる時の磁場値を検出し、この磁場値とＳＤ電圧変化からテラヘルツ光の強度と周波数を求める、ことを特徴とするテラヘルツ電磁波検出方法。
【請求項５】
テラヘルツ光を照射しない状態で、ソース−ドレイン電流を一定値に固定し、ランダウ準位におけるフェルミエネルギーの相対的な位置が一定になるようにゲート電圧を変えながら、磁場を変化させ、ＳＤ電圧Ｖ１を計測し、ＳＤ電圧Ｖ１の磁場Ｂに対する依存性Ｖ１＝ｆ１（Ｂ）を求め、
一定のテラヘルツ光を照射しながら、ソース−ドレイン電流は固定したまま、ランダウ準位におけるフェルミエネルギーの相対的な位置が一定になるようにゲート電圧を変えながら、磁場を変化させ、ＳＤ電圧Ｖ１’を計測し、ＳＤ電圧Ｖ１’の磁場Ｂに対する依存性Ｖ１’＝ｆ２（Ｂ）を求め、
ＳＤ電圧Ｖ１とＳＤ電圧Ｖ１’の差ΔＶ（Ｂ）を求め、
差ΔＶ（Ｂ）におけるピークを検出し、それぞれのピーク時における磁場ＢとΔＶ（Ｂ）の値を特定し、
ＳＤ電圧の変化量ΔＶ（Ｂ）から、テラヘルツ光の強度を検出し、
検出されたピーク時における磁場Ｂがどの準位間の電子遷移なのかを特定し、これからテラヘルツ光の周波数を演算する、ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ電磁波検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱なテラヘルツ電磁波の強度と周波数を検出するテラヘルツ電磁波検出装置とその検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明において、「テラヘルツ電磁波」（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅ）とは周波数が１〜５０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）の領域、すなわち波長が０．００６ｍｍ〜０．３ｍｍのサブミリ波から遠赤外線領域の電磁波（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｗａｖｅ）を意味する。以下では、「テラヘルツ電磁波」をテラヘルツ光と記す。
【０００３】
テラヘルツ光は、電波天文学、材料科学、生体分子分光学などの基礎学術分野からセキュリティ、情報通信、環境、医療などの実用分野に至る幅広い分野での応用が期待されている。
【０００４】
しかし、テラヘルツ光は、近赤外線、可視光、紫外線などの光（周波数５×１０１３〜１０１５Ｈｚ）と電波（周波数１０３〜１０１２Ｈｚ）の間に挟まれた周波数帯域の電磁波であり、光学と電子工学という既存の技術がそのままでは適用できない問題点がある。
【０００５】
テラヘルツ光を検出する検出器は、種々のものが既に提案されている。そのうち、テラヘルツ光の強度が数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光を検出できる検出器として、非特許文献１，２が既に報告されている。
また、テラヘルツ光の周波数を検出できる検出器として、特許文献１が既に提案されている。
【０００６】
一方、「グラフェン」とは２次元炭素結晶の単原子層であり、６角形状に配置された各連鎖に炭素原子を持つ。近年、グラフェンの特異な電子特性が注目されており、非特許文献３，４が報告され、特許文献２が既に提案されている。
【０００７】
非特許文献１は、表面にシリコン酸化膜があるシリコン基板上のカーボンナノチューブによりテラヘルツ光を検出するものである。
非特許文献２は、超伝導を用いたテラヘルツ光検出器である。
また、非特許文献３は、本発明の関連技術である。
【０００８】
特許文献１は、周波数分解の良い測定においてＳ／Ｎ比の良いスペクトルを得ることを目的とする。
そのため、特許文献１の検出器本体５１は、図１に示すように、基板５３と、基板５３の＋Ｚ側の面に形成された光スイッチ素子による検出素子部（金属膜５５，５６間の間隔ｇの部分）と、を有する。基板５３と略同じ屈折率を有する部材６０が、基板５３の−Ｚ側に、部材６０の−Ｚ側の面と基板５３の＋Ｚ側の面との間にテラヘルツパルス光の反射面を形成しないように、設けられる。部材６０の−Ｚ側の面の形状及び部材６０の厚さは、部材６０の−Ｚ側の面の所定領域から入射して間隔ｇの領域（有効領域）の付近に集光したテラヘルツ光のうち、基板５３の＋Ｚ側の面で反射された光が、最初に部材６０の−Ｚ側の面で反射した後に、間隔ｇの領域に実質的に入射しないかあるいは更に２回以上反射した後にのみ間隔ｇの領域に入射するように、設定される。
【０００９】
特許文献２は、グラフェントランジスタ及びその製造方法に関し、通常の安定したカーボンナノチューブの成長方法により作成したグラフェンを用いてトランジスタを構成することを目的とする。
そのため、特許文献２のグラフェントランジスタは、図２に示すように、カーボンナノチューブの成長過程においてその先端に形成されたグラフェン７３を接着作用を有する絶縁体７２によって基板７１に貼り付け、グラフェン７３をチャネルとしてその一方の端部にソース電極７４を形成し且つ他方の端部にドレイン電極７５を形成するとともに、ゲート電極７６を設けたものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｔ.Ｆｕｓｅ,ｅｔ.ａｌ,“Ｃｏｕｌｏｍｂ  ｐｅａｋ  ｓｈｉｆｔｓ  ｕｎｄｅｒ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ-ｗａｖｅ  ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｓｉｎｇｌｅ-ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９０，０１３１１９（２００７）.
【非特許文献２】Ｃ.Ｏｔａｎｉ,ｅｔ.ａｌ,“Ｄｉｒｅｃｔ  ａｎｄ  Ｉｎｄｉｒｅｃｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｗａｖｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｎｂ-ｂａｓｅｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ：  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｓｅｒｉｅｓ,  ｖｏｌ.４３,  ｐｐ.１３０３-１３０６（２００６）.
【非特許文献３】Ｍ.Ｌ.Ｓａｄｏｗｓｋｉ,ｅｔ.ａｌ,“Ｌａｎｄａｕ  Ｌｅｖｅｌ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ  Ｌａｙｅｒｓ”  ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ,  ＰＲＬ  ９７，２６６４０５（２００６）
【非特許文献４】Ｚ.Ｊｉａｎｇ,ｅｔ.ａｌ,“Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  Ｌａｎｄａｕ  Ｌｅｖｅｌ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ”  ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ,  ＰＲＬ  ９８，１９７４０３（２００７）
【非特許文献５】Ｓ.Ｍａｓｕｂｕｃｈｉ,ｅｔ.ａｌ,“Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｌｆ-Ｉｎｔｅｇｅｒ  Ｑｙａｎｔｕｍ  Ｈａｌｌ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ-Ｌａｙｅｒ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｐｕｌｓｅ  Ｍａｇｎｅｔ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ,  Ｖｏｌ.７７,  Ｎｏ．１１，  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ．  ２００８，  １１３７０７
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２３２７３０号公報、「テラヘルツ光検出器」
【特許文献２】特開２００８−２０５２７２号公報、「グラフェントランジスタ及びその製造方法」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
非特許文献１のテラヘルツ光検出器は、シリコン酸化膜中の不純物準位に捕獲されている電子のテラヘルツ応答を用いる。そのため検出器作製の際に、不純物に対して所望の位置にカーボンナノチューブを配置することができない。また、不純物準位にはシャープな波長選択性がないため、テラヘルツ光の周波数測定ができない。
【００１３】
非特許文献２のテラヘルツ光検出器は、高感度性を得るのに０．３〜０．４Ｋの極低温を必要とするため、高価で大規模なヘリウム３クライオスタットを使用しなければならない。
【００１４】
特許文献１のテラヘルツ光検出器は、部材６０によりテラヘルツ光が吸収されるので、強度が数ｆＷ（１０−１５Ｗ）の非常に微弱なテラヘルツ光の検出はできない。
さらに従来のテラヘルツ光検出器は、検出可能なテラヘルツ光の周波数範囲が狭い問題点があった。
【００１５】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、グラフェンの特異な電子特性を利用して、極低温を必要することなく、小規模の装置で、非常に微弱なテラヘルツ光の強度を明確に検出でき、かつその周波数を非常に広い周波数範囲で正確に測定することができるテラヘルツ電磁波検出装置とその検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、表面に酸化層が形成された半導体チップと、
該半導体チップの表面に密着して設けられた２次元グラフェン、導電性のソース電極、及びドレイン電極と、
半導体チップの裏面に密着して設けられたゲート電極とを備え、
前記２次元グラフェンは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電流を流し、その間のＳＤ電圧を検出するＳＤ電圧検出回路と、
前記ゲート電極に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記２次元グラフェンに可変磁場を印加する磁場発生装置と、を備えることを特徴とするテラヘルツ電磁波検出装置が提供される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ＳＤ電圧検出回路、ゲート電圧印加回路及び磁場発生装置を制御し、かつ前記ＳＤ電圧、ゲート電圧及び磁場値からテラヘルツ光の周波数と強度を演算する検出制御装置を備える。
【００１８】
また、前記検出制御装置により、テラヘルツ光を照射しながら、ＳＤ電圧のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、ゲート電圧と磁場に対してテラヘルツ光照射によるＳＤ電圧変化が最も大きくなる時の磁場値を検出し、この磁場値とＳＤ電圧からテラヘルツ光の強度と周波数を求める。
【００１９】
また本発明によれば、表面に酸化層が形成された半導体チップと、
該半導体チップの表面に密着して設けられた２次元グラフェン、導電性のソース電極、及びドレイン電極と、
半導体チップの裏面に密着して設けられたゲート電極とを備え、
前記２次元グラフェンは、半導体チップの表面に沿って延び、かつその両端部がソース電極とドレイン電極に接続され、
さらに、前記ソース電極とドレイン電極の間に所定の電流を流し、その間のＳＤ電圧を検出するＳＤ電圧検出回路と、
前記ゲート電極に可変ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路と、
前記２次元グラフェンに可変磁場を印加する磁場発生装置と、を備えるテラヘルツ電磁波検出装置を準備し、
テラヘルツ光を照射しながら、ＳＤ電圧のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、ゲート電圧と磁場に対してテラヘルツ光照射によるＳＤ電圧変化が最も大きくなる時の磁場値を検出し、この磁場値とＳＤ電圧からテラヘルツ光の強度と周波数を求める、ことを特徴とするテラヘルツ電磁波検出方法が提供される。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態によれば、テラヘルツ光を照射しない状態で、ソース−ドレイン電流を一定値に固定し、ランダウ準位におけるフェルミエネルギーの相対的な位置が一定になるようにゲート電圧と磁場を変化させ、ＳＤ電圧Ｖ１を計測し、ＳＤ電圧Ｖ１の磁場Ｂに対する依存性Ｖ１＝ｆ１（Ｂ）を求め、
一定のテラヘルツ光を照射しながら、ソース−ドレイン電流は固定したまま、ランダウ準位におけるフェルミエネルギーの相対的な位置が一定になるようにゲート電圧と磁場を変化させ、ＳＤ電圧Ｖ１’を計測し、ＳＤ電圧Ｖ１’の磁場Ｂに対する依存性Ｖ１’＝ｆ２（Ｂ）を求め、
ＳＤ電圧Ｖ１とＳＤ電圧Ｖ１’の差ΔＶ（Ｂ）を求め、
差ΔＶ（Ｂ）におけるピークを検出し、それぞれのピーク時における磁場ＢとΔＶ（Ｂ）の値を特定し、
ＳＤ電圧の変化量ΔＶ（Ｂ）から、テラヘルツ光の強度を検出し、
検出されたピーク時における磁場Ｂがどの準位間の電子遷移なのかを特定し、これからテラヘルツ光の周波数を演算する。
【発明の効果】
【００２１】
上記本発明の構成によれば、サイクロトロン吸収が生じる際のテラヘルツ光の光子エネルギーｈｆは、サイクロトロン吸収が生じる際のランダウ準位のエネルギー間隔に等しい。グラフェンにおけるこのエネルギー間隔は、通常の半導体と比較して１〜２桁以上に広いので、テラヘルツ光の周波数を非常に広い周波数範囲、例えば１〜５０ＴＨｚ程度の範囲で正確に測定することができる。
【００２２】
また、電流を導くグラフェン電子の能力は、室温のシリコンのような通常の半導体の１０倍〜１００倍以上となるので、極低温を必要することなく、小規模の装置で、非常に微弱なテラヘルツ光の強度を明確に検出できる。かつその周波数を非常に広い周波数範囲で正確に測定することができる。
【００２３】
すなわち、要約すると、
（１）後で説明する電子とホールの対称性ならびに後述する式（２）から示される幅広いランダウ準位の形成により、広帯域検出は可能となる。
（２）電流を導く電子の能力の高さにより、極低温不要ならびに非常に微弱なテラヘルツ光検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】特許文献１の検出器の構成図である。
【図２】特許文献２のグラフェントランジスタの構成図である。
【図３】エネルギーバンドの説明図である。
【図４】磁場Ｂと電子エネルギーＥとの関係図である。
【図５】本発明によるテラヘルツ電磁波検出装置の第１実施形態図である。
【図６】本発明によるテラヘルツ電磁波検出方法のフロー図である。
【図７】本発明によるテラヘルツ電磁波検出装置の第２実施形態図である。
【図８】本発明によるテラヘルツ電磁波検出装置の第３実施形態図である。
【図９】テラヘルツ電磁波照射に対する電気抵抗変化の磁場依存性の第１の実験結果を示す図である。
【図１０】実施例１と同様の第２の実験結果を示す図である。
【図１１】実施例１と同様の第３の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２６】
上述したように、「グラフェン」は、炭素原子とその結合からできた蜂の巣のような単層の六角形格子構造をとっており、１枚の金網状の形態をしている。
シリコンのような半導体や他の３次元材料では電荷キャリアは準粒子を形成するために原子格子の周期的な場と相互作用をするが、グラフェン中の準粒子は、このような３次元材料の特性とは異なる特性を有している。
【００２７】
典型的な３次元半導体のエネルギーバンドは、図３（Ａ）に示すように、下部の放物線の形状をなす価電子帯と、その上部に位置して放物線と上下反対の形状をなす伝導帯を有する。価電子帯と伝導帯の間にはオープンバンドギャップがある。
これに対し、グラフェンのエネルギーバンドは、図３（Ｂ）に示すように、頂点同志が接した２つの円錐の形態を有する。２つの円錐の接点はディラックポイントと呼ばれる。このような形態のエネルギーバンドは、ゼロ質量の電子であるディラックフェルミオンのように振る舞う準粒子のエネルギーと運動量で特徴付けられる。この準粒子は、光速の数％程度で移動する。
この特殊なバンド構造により、グラフェン中の電子移動度は、室温であっても非常に高い（通常の半導体の１０倍〜１００倍以上）ことが知られている。
【００２８】
また半導体のような通常の３次元材料におけるフェルミエネルギー（絶対零度でのフェルミ粒子系の化学ポテンシャル）はキャリアの密度に比例するが、グラフェンにおけるフェルミエネルギーは、キャリア密度の平方根に比例することが確認されている。また価電子帯と伝導帯がディラックポイントで合致する対称的な構造を持つことから、ゲート電圧を印加することで（フェルミエネルギーを上下させることで）、キャリアを電子にもホールにもすることができる（電子とホールの対称性）。
【００２９】
以上のグラフェンの特異的性質から、磁場を印加したときのエネルギー準位が図４に示す関係、すなわち式（１）（２）で記述されることが知られている。この図において、（Ａ）は通常の半導体における磁場Ｂと電子エネルギーＥとの関係、（Ｂ）はグラフェンにおける同様の関係である。
半導体  ：Ｅｎ＝（ｎ＋０．５）ｈ＊ｅＢ／ｍ＊・・・（１）
グラフェン：Ｅｎ＝ｃ＊（２ｅｈ＊Ｂ｜ｎ｜）０．５・・・（２）
式（１）（２）において、ｃ＊はディラックフェルミオンの速度、ｅは電荷素量、ｈ＊はプランク定数ｈの１／（２π）、Ｂは印加磁場、ｎはランダウ準位の指数、ｍ＊は結晶中の電子の有効質量（例えばＧａＡｓならば、自由電子の質量の０．０６６５倍）である。
【００３０】
また、式（２）が１０〜８０ｍｅＶの範囲で正確に成り立つことは上述した非特許文献３で確認され、１００〜５００ｍｅＶの範囲で正確に成り立つことは上述した非特許文献４で確認されている。
【００３１】
式（１）から、ｈ＊，ｅ，ｍ＊は定数であるから、式（３）が導かれる。ここで、Ｃ１は定数である。同様に式（２）から、ｃ＊，ｅ，ｈ＊は定数であるから、式（４）が導かれる。ここでＣ２は定数である。
半導体  ：Ｅｎ＝Ｃ１（ｎ＋０．５）Ｂ・・・（３）
グラフェン：Ｅｎ＝Ｃ２（Ｂ｜ｎ｜）０．５・・・（４）
【００３２】
式（３）から、ｎの増加（ｎ＝０，１，２，３）に対する電子エネルギーＥの変化量ΔＥはＣ１×０．５Ｂであり、印加磁場Ｂに比例し、ｎ＝０，１，２，３の間隔は一定である。
これに対し、式（４）から、ｎの増加（ｎ＝−３，−２，−１，０，１，２，３）に対する電子エネルギーＥの変化量ΔＥは、（Ｂ｜ｎ｜）０．５に比例するため、ｎ＝−３，−２，−１，０，１，２，３の間隔は一定ではないことがわかる。
【００３３】
本発明は、グラフェンにおけるこの特性に着目して創案されたものである。
【００３４】
図５は、本発明によるテラヘルツ電磁波検出装置の構成図である。この図は、本発明のテラヘルツ電磁波検出装置の断面図を模式的に示している。
この図に示すように、本発明のテラヘルツ電磁波検出装置１０は、半導体チップ１２、２次元グラフェン１４、ソース電極１５、ドレイン電極１６、ゲート電極１７、ＳＤ電圧検出回路１８、ゲート電圧印加回路１９、および磁場発生装置２０を備える。
【００３５】
半導体チップ１２は、表面に酸化層１３が形成されたシリコン膜またはＧａＡｓ膜である。
【００３６】
２次元グラフェン１４は、炭素によって作られる六員環ネットワーク（グラフェンシート）が単層になった物質である。この例において２次元グラフェン１４は、半導体チップ１２（酸化層１３）の表面に密着して表面に沿って延び、その両端部がソース電極１５とドレイン電極１６に接続されている。
【００３７】
ソース電極１５及びドレイン電極１６は、２次元グラフェン１４を挟んでその長さ方向外側に間隔を開けて位置し、半導体チップ１２の表面に密着して設けられる。また、この例ではソース電極１５は接地され、０Ｖに保持される。
なおソース電極１５及びドレイン電極１６は、例えば、Ａｕ又はＣｒ／Ａｕの薄膜である。
【００３８】
ゲート電極１７は、２次元グラフェン１４から一定の間隔を隔てて位置し、半導体チップ１２の裏面に密着して設けられる。ゲート電極１７は、例えば、Ａｕ又はＴｉ／Ａｕの薄膜である。
【００３９】
ＳＤ電圧検出回路１８は、ソース電極１５とドレイン電極１６を電気的に接続する導電線１８ａと、導電線１８ａの途中に設けられた直流電源１８ｂと、ソース電極１５とドレイン電極１６の間の電圧Ｖ１を計測する電圧計１８ｃとからなる。直流電源１８ｂはソース電極１５とドレイン電極１６の間にドレイン電極１６をプラス（＋）とする所定の電流Ｉ１を流す。また、電圧計１８ｃはソース電極１５とドレイン電極１６の間の電圧Ｖ１（以下、「ソース−ドレイン電圧」または「ＳＤ電圧」と呼ぶ）を検出する。
また、電圧計１８ｃには、ノイズカットフィルター１８ｄが着脱可能に取り付けられており、電圧計１８ｃの出力信号から変動の激しいノイズを除去するようになっている。
【００４０】
ゲート電圧印加回路１９は、ゲート電極１７を電気的に接地する導電線１９ａと、導電線１９ａの途中に設けられた直流電源１９ｂとからなる。直流電源１９ｂはゲート電極１７にこれをマイナス（−）とする可変ゲート電圧Ｖ２を印加する。以下、ゲート電極１７の電圧Ｖ２を「ゲート電圧」と呼ぶ。
【００４１】
磁場発生装置２０は、半導体チップ１２に入射するテラヘルツ光１の光軸を囲むコイル２０ａと、コイル２０ａの両端に所定の電圧を印加する直流電源２０ｂと、コイル２０ａを流れる電流Ｉ２（以下、「コイル電流」と呼ぶ）を表示する電流計２０ｃとからなり、半導体チップ１２の２次元グラフェン１４に磁場Ｂを印加する。なお、実際の測定では、所定の電流Ｉ２を入力して流し、コイルにかかる電圧Ｖ３が検出される。
磁場Ｂは、コイル電流Ｉ２から一義的に求めることができる。
【００４２】
上述した２次元グラフェン１４にテラヘルツ光１を照射すると光伝導と呼ぶ現象が観測される。「光伝導」とは、絶縁体や半導体に光を照射したときに電気伝導率が変化する現象である。
通常の半導体では、光吸収によって電子が価電子帯から伝導帯、あるいは不純物準位から伝導帯へ励起され、余分の伝導電子または正孔が生じるために起こる。ここでは、フェルミ準位を挟んだ上下のランダウ準位に励起された余分の電子や正孔の伝導が電気伝導率変化をもたらす。磁場中であるため、電気伝導率の上昇は、電気抵抗率の上昇となる。
【００４３】
上述した図４（Ｂ）及び式（４）から、照射する電磁波の光子エネルギーｈｆがランダウ準位のエネルギー間隔（例えばｎ＝１→２の場合、Ｃ２（Ｂ｜２｜）０．５−Ｃ２（Ｂ｜１｜）０．５）と等しい時、電磁波の非常に大きな吸収が生じる。この現象はサイクロトロン吸収あるいはサイクロトロン共鳴と呼ばれる。
【００４４】
サイクロトロン吸収が生じる際のテラヘルツ光の光子エネルギーｈｆは、サイクロトロン吸収が生じる際のランダウ準位のエネルギー間隔に等しくなる。
すなわち、例えばｎ＝１→２の場合、ｈ＊ｆ＝（Ｃ２（Ｂ｜２｜）０．５−Ｃ２（Ｂ｜１｜）０．５・・・（５）が成り立つ。
この式から磁場Ｂ以外のＣ２（すなわちｈ＊，ｅ，ｍ＊）は既知の定数であるので、サイクロトロン吸収が生じる際の磁場Ｂからテラヘルツ光の周波数ｆを求めることができる。
本発明のテラヘルツ電磁波検出装置１０では、２次元グラフェン１４のサイクロトロン吸収を利用する。
【００４５】
図５において、本発明のテラヘルツ電磁波検出装置１０は、さらに検出制御装置２２を備える。検出制御装置２２は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、ＳＤ電圧検出回路１８、ゲート電圧印加回路１９及び磁場発生装置２０を制御し、かつＳＤ電圧Ｖ１、ゲート電圧Ｖ２及び磁場値Ｂからテラヘルツ光１の周波数と強度を演算する機能を有する。
【００４６】
検出制御装置２２は、テラヘルツ光１を照射しながら、ＳＤ電圧Ｖ１のゲート電圧と磁場に対する依存性を測定し、ゲート電圧と磁場変化に対してテラヘルツ光照射によるＳＤ電圧Ｖ１の変化が最も大きくなる時の磁場値を検出し、この磁場値とＳＤ電圧変化からテラヘルツ光の強度と周波数を求めるようになっている。
【００４７】
図６は、本発明によるテラヘルツ電磁波検出方法のフロー図である。この図において、本発明のテラヘルツ電磁波検出方法は、上述した本発明のテラヘルツ電磁波検出装置１０を用い、Ｓ１〜Ｓ１３の各ステップ（工程）からなる。
【００４８】
（１）  ステップＳ１〜Ｓ４では、テラヘルツ光１を照射しない状態（Ｓ１）で、ソース−ドレイン電流Ｉ１を一定値に固定し、ランダウ準位におけるフェルミエネルギーの相対的な位置が一定になるようにゲート電圧Ｖ２を変化させながら、磁場Ｂを変化させ（Ｓ２）、ＳＤ電圧Ｖ１を計測し（Ｓ３）、ＳＤ電圧Ｖ１の磁場Ｂに対する依存性Ｖ１＝ｆ１（Ｂ）を求める（Ｓ４）。
（２）  同様にステップＳ５〜Ｓ８では、一定のテラヘルツ光１を照射した状態で（Ｓ５）、ソース−ドレイン電流Ｉ１は固定したまま、ランダウ準位におけるフェルミエネルギーの相対的な位置が一定になるようにゲート電圧Ｖ２を変化させながら、磁場Ｂを変化させ（Ｓ６）、ＳＤ電圧Ｖ１’を計測し（Ｓ７）、ＳＤ電圧Ｖ１’の磁場Ｂに対する依存性Ｖ１’＝ｆ２（Ｂ）を求める（Ｓ８）。
【００４９】
（３）  ステップＳ９では、ＳＤ電圧Ｖ１とＳＤ電圧Ｖ１’の差、ΔＶ（Ｂ）＝Ｖ１’−Ｖ１＝ｆ２（ｚ）−ｆ１（Ｚ）を求める。この差は、テラヘルツ光１の照射によるものである。
（４）  ステップＳ１０では、ΔＶ（Ｂ）におけるピークを検出し、ステップＳ１１で、それぞれのピーク時における磁場ＢとΔＶ（Ｂ）の値を特定する。
（５）  ＳＤ電圧の変化量ΔＶ（Ｂ）（つまりテラヘルツ光ありの時の値−テラヘルツ光なしの時の値）から、テラヘルツ光の相対強度がわかる。さらに校正された検出器による信号との比較から絶対強度がわかり、テラヘルツ光の強度が検出される（ステップＳ１２）。
（６）  図４（Ｂ）に示した式（２）とサイクロトロン共鳴の式ｈｆ（一定）＝ΔＥ＝Ｅｂ−Ｅａに基づいて（ａ，ｂは図４（Ｂ）のどこかのｎ）、検出されたピーク時における磁場Ｂがどの準位間の電子遷移なのかを特定する。この特定により同時に、ｆ（テラヘルツ光の周波数）がわかる（ステップＳ１３）。
【００５０】
図７は、本発明によるテラヘルツ電磁波検出装置の第２実施形態図である。この図は、図５における半導体チップ１２の表面を示している。
この図において、２次元グラフェン１４は、幅方向に交互に延びるスリット１４ａにより、ソース電極１５とドレイン電極１６の間をジグザクに延び、全体として幅が狭く長さが長く構成され、ソース電極１５とドレイン電極１６の間の電気抵抗率を高めるようになっている。
その他の構成は、図５の第１実施形態と同様である。
【００５１】
図８は、本発明によるテラヘルツ電磁波検出装置の第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は図８（Ａ）の一部のグラフェンアレイ２４の断面図である。
この例において、複数（この例では８つ）のグラフェンアレイ２４が、同一の半導体チップ１２（酸化層１３）の表面に間隔を隔てて平行に設置され、グラフェン１次元アレイを形成している。各グラフェンアレイ２４は、上述した２次元グラフェン１４、ソース電極１５及びドレイン電極１６からなる。
また、永久磁石２６が、グラフェン１次元アレイの外側に、各グラフェンアレイ２４と平行に設置され、各グラフェンアレイ２４に磁場Ｂを印加するようになっている。各グラフェンアレイ２４に印加される磁場の強さＢは、永久磁石２６からの距離によって相違する。
その他の構成は、図５の第１実施形態と同様である。
【００５２】
この構成により、図６に示した本発明によるテラヘルツ電磁波検出方法において、磁場Ｂを変化させるステップ（Ｓ２、Ｓ６）を省略することができる。
【００５３】
上述した本発明の構成によれば、サイクロトロン吸収が生じる際のテラヘルツ光の光子エネルギーｈｆは、サイクロトロン吸収が生じる際のランダウ準位のエネルギー間隔に等しい。グラフェンにおけるこのエネルギー間隔は、通常の半導体と比較して１〜２桁以上に広いので、テラヘルツ光の周波数を非常に広い周波数範囲、例えば１〜５０ＴＨｚ程度の範囲で正確に測定することができる。
【００５４】
また、電流を導くグラフェン電子の能力は、室温のシリコンのような通常の半導体の１０倍〜１００倍以上となるので、極低温を必要することなく、小規模の装置で、非常に微弱なテラヘルツ光の強度を明確に検出でき、かつその周波数を非常に広い周波数範囲で正確に測定することができる。
【００５５】
従って、要約すると、
（１）電子とホールの対称性ならびに式（２）から示される幅広いランダウ準位の形成により、広帯域検出は可能となる。
（２）電流を導く電子の能力の高さにより、極低温不要ならびに非常に微弱なテラヘルツ光検出が可能となる。
【実施例１】
【００５６】
単層グラフェンでは、キャリアがディラックフェルミオンになるため、磁場によるランダウ準位形成が通常の半導体とは著しく異なっており、準位間隔が遠赤外〜中赤外（１〜５０ＴＨｚ程度）の相当な広帯域にわたる。このため、特異なランダウ準位の構造の探究や、帯域周波数可変のテラヘル検出器の実現などに応用が期待できる。そこで、テラヘルツ電磁波との相互作用下におけるグラフェンの電気伝導特性を調べた。
【００５７】
図９は、テラヘルツ電磁波照射に対する電気抵抗変化の磁場依存性の第１の実験結果を示す図であり（温度４．２Ｋ）、（Ａ）はグラフェン２次元電子ガス（２ＤＥＧ）についての結果であり、（Ｂ）は通常のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ−２ＤＥＧについての結果である。この実験では、波長９．２μｍ（光子エネルギー１３４ｍｅＶ、周波数３３ＴＨｚ）のテラヘルツ電磁波を用い、電磁波照射あり／なしに対する電気抵抗の差分をロックインアンプにより測定した。
【００５８】
図９（Ｂ）から明らかなように、ＧａＡｓ−２ＤＥＧでは応答信号が観測されない。ＧａＡｓ−２ＤＥＧのランダウ準位間エネルギーは、今回の測定した磁場範囲０〜５ＴにおいてＧａＡｓの有効質量（０．０６７ｍ０）を加味して算出すると、０〜８．５ｍｅＶとなる。照射したテラヘルツ電磁波の光子エネルギー（１３４ｍｅＶ）は、上記のランダウ準位間エネルギーよりも大きいので、電磁波の吸収が生じないのは合理的な結果と言える。
【００５９】
これに対し、図９（Ａ）のグラフェン２ＤＥＧでは２．２Ｔにおいて明確にピークが出現している。
１３４ｍｅＶの電磁波を吸収してランダウ準位指数ｎ＝−１→２の遷移を起こす際の静磁場は２．２Ｔであり、図９（Ａ）において観測された静磁場２．２Ｔは、グラフェン２ＤＥＧでのキャリア速度を約１×１０６ｍ／ｓ（非特許文献３，４から）と仮定した場合の上記の遷移を起こす際の静磁場とよく一致する。
【００６０】
以上から図９の結果は、テラヘルツ電磁波の共鳴吸収を通して、ディラックフェルミオンがフェルミエネルギー以上のランダウ準位に励起されたことを示していると理解できる。
【実施例２】
【００６１】
図１０は、実施例１と同様の第２の実験結果を示す図である。この実施例２では、波長７０．６μｍ（光子エネルギー１７．６ｍｅＶ、周波数４．２ＴＨｚ）のテラヘルツ電磁波を用いた。
【００６２】
図１０（Ｂ）から明らかなように、ＧａＡｓ−２ＤＥＧでは電磁波の吸収を示す応答信号（ピーク）が観測されない。
ＧａＡｓ−２ＤＥＧのランダウ準位間エネルギーは、実施例１と同様に、ＧａＡｓの有効質量を０．０６７ｍ０として、０〜８．５ｍｅＶとなる。これに対して、照射したテラヘルツ電磁波の光子エネルギー（１７．６ｍｅＶ）は、ＧａＡｓ−２ＤＥＧのランダウ準位間エネルギーよりも大きいので、電磁波の吸収を示すピークが観測されないのは合理的な結果と言える。
【００６３】
これに対し、図１０（Ａ）のグラフェン２ＤＥＧでは１．２９Ｔにおいて明確にピークが出現している。
１７．６ｍｅＶの電磁波を吸収してランダウ準位指数ｎ＝１→２の遷移を起こす際の静磁場は１．２９Ｔであり、図１０Ａの結果は、実施例１と同様に上記の遷移を起こす際の静磁場とよく一致する。
【００６４】
以上から図１０の結果も、テラヘルツ電磁波の共鳴吸収を通して、ディラックフェルミオンがフェルミエネルギー以上のランダウ準位に励起されたことを示していると理解できる。
【実施例３】
【００６５】
図１１は、実施例１と同様の第３の実験結果を示す図である。この実施例３では、波長１８４μｍ（光子エネルギー６．７ｍｅＶ、周波数１．６ＴＨｚ）のテラヘルツ電磁波を用いた。
【００６６】
図１１（Ｂ）から明らかなように、この例では、ＧａＡｓ−２ＤＥＧでは電磁波の吸収を示す応答信号（ピーク）が観測された。
ＧａＡｓ−２ＤＥＧのランダウ準位間エネルギーは、実施例１と同様に、ＧａＡｓの有効質量を０．０６７ｍ０として、０〜８．５ｍｅＶとなる。これに対して、照射したテラヘルツ電磁波の光子エネルギー（６．７ｍｅＶ）は、上記のランダウ準位間エネルギーの範囲内にあるので、電磁波の吸収を示すピークが観測されるのは合理的な結果と言える。
【００６７】
これに対し、図１１（Ａ）のグラフェン２ＤＥＧでは０．１９Ｔにおいてピークが出現している。
６．７ｍｅＶの電磁波を吸収してランダウ準位指数ｎ＝１→２の遷移を起こす際の静磁場は０．１９Ｔであり、図１１（Ａ）の結果は、実施例１と同様に上記の遷移を起こす際の静磁場とよく一致する。
【００６８】
以上から図１１の結果も、テラヘルツ電磁波の共鳴吸収を通して、ディラックフェルミオンがフェルミエネルギー以上のランダウ準位に励起されたことを示していると理解できる。
【００６９】
上述した実施例１〜３の結果から、温度４．２Ｋにおいて、周波数１．６ＴＨｚ〜３３ＴＨｚの範囲において、本発明により、従来の０．３〜０．４Ｋよりも高い温度（４．２Ｋ）で、テラヘルツ光の強度を明確に検出でき、かつその周波数を正確に測定することができることが確認された。
また、本発明は、上記周波数範囲に限定されず、周波数が１〜５０ＴＨｚのテラヘルツ光の検出にもそのまま適用できると推定される。
【００７０】
また、本発明のテラヘルツ光検出の基となる式（２）で記述されるランダウ準位構造、ならびにディラックフェルミオンの高い移動度は、非特許文献５から常温近傍（１１０Ｋ〜２９０Ｋ）においても成り立つことが知られている。従って、本発明により、４．２Ｋ以上の常温近傍においても、微弱なテラヘルツ光の強度及び周波数を正確に測定することができる。
【００７１】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００７２】
１  テラヘルツ光、
１０  テラヘルツ電磁波検出装置、
１２  半導体チップ、１３  酸化層、
１４  ２次元グラフェン、１５  ソース電極、１６  ドレイン電極、
１７  ゲート電極、１８  ＳＤ電流検出回路、
１８ａ  導電線、１８ｂ  直流電源、１８ｃ  電圧計、
１９  ゲート電圧印加回路、１９ａ  導電線、１９ｂ  直流電源、
２０  磁場発生装置、
２０ａ  コイル、２０ｂ  直流電源、２０ｃ  電流計、
２２  検出制御装置、２４  グラフェンアレイ、２６  永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010206176.tif 000008
【図７】
2010206176.tif 000009
【図８】
2010206176.tif 000010
【図９】
2010206176.tif 000011
【図１０】
2010206176.tif 000012
【図１１】
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