(57)【要約】  テラヘルツ画像測定装置（２０）は、テラヘルツ検出センサ（１３）と、磁場発生部（１９）と、測定制御部（２０）とを備える。センサ（１３）は、試料（１８）から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する。磁場発生部（１９）は、試料（１８）からセンサ（１３）に照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、試料（１８）及びセンサ（１３）の周囲のコイル（１９ａ）を有し、コイル（１９ａ）に電流が流されて発生する磁場をセンサ（１３）へ印加する。測定制御部（２０）は、コイル（１９ａ）に電流を流し、この電流値を変えて磁場の強さを、当該センサ（１３）で検出される試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる。
2017104697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ光を検出するテラヘルツ検出センサにおいて、
テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状であって、前記テラヘルツ光の近接場光を検出する検出ポイントと、
前記検出ポイントが表面に形成された半導体基板と
を備えることを特徴とするテラヘルツ検出センサ。
【請求項２】
前記半導体基板の表面に、前記検出ポイントに電流を流すための第１電極と、当該第１電極を介して電流が流された当該検出ポイントに、前記近接場光の照射時に検出される電圧を出力する第２電極とが形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項３】
前記第１電極及び前記第２電極の各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端が前記検出ポイントに接合された１対の電極を含んで成る
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項４】
前記半導体基板は、上下に積層される半導体の種類や構造が異なる異種半導体同士の界面に２次元電子ガスが分布した高電子移動度トランジスタ構造であり、
前記検出ポイントは、前記積層された最上層の半導体層が前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形された半導体層と、この下の半導体層との界面に２次元電子ガスが分布した構造である
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項５】
前記半導体基板は、ＧａＡｓ層上にＡｌＧａＡｓ層が積層され、当該ＡｌＧａＡｓ層と当該ＧａＡｓ層との界面に２次元電子ガスが分布した高電子移動度トランジスタ構造であり、
前記検出ポイントは、前記ＡｌＧａＡｓ層が前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形されたＡｌＧａＡｓ層と前記ＧａＡｓ層との界面に２次元電子ガスが分布した構造である
ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項６】
前記検出ポイントは、当該検出ポイントの上に先端が尖った針状又は線状の金属及び半導体の何れか一方によるプローブが合体して備えられている
ことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項７】
前記半導体基板は、上下に種類が異なる半導体を積層した構造であり、
前記検出ポイントは、前記積層された最上層の半導体層の上に、前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成されたグラフェンである
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項８】
前記半導体基板は、Ｓｉ層上にＳｉＯ２層を積層した構造であり、
前記検出ポイントは、前記ＳｉＯ２層の上に、前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成されたグラフェンである
ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項９】
前記検出ポイントは、当該検出ポイントの上に先端が尖った針状又は線状のカーボンナノチューブによるプローブが合体して備えられている
ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項１０】
前記第１電極及び前記第２電極の各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端に前記検出ポイントに接合された１対の電極を含み、当該電極は、長さがテラヘルツ波の波長以上で、且つ、テラヘルツ波の波長未満の電界が集中する領域でテラヘルツ波を受信する
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ検出センサ。
【請求項１１】
試料から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する請求項１又は２に記載のテラヘルツ検出センサと、
前記試料から前記テラヘルツ検出センサに照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、当該試料及び当該テラヘルツ検出センサの周囲に配置されるコイルを有し、当該コイルに電流が流されて発生する磁場を当該テラヘルツ検出センサへ印加する磁場発生部と、
前記コイルに電流を流し、この流れる電流値を変えることにより前記磁場の強さを、当該テラヘルツ検出センサで検出される前記試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる測定制御部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ画像測定装置。
【請求項１２】
基端部から延びる板状の先端部に固定した前記テラヘルツ検出センサを、当該基端部への電圧印加により前記試料との間隔方向に振動させる振動部と、
前記テラヘルツ検出センサと前記試料との間に間隙を介して当該試料を載置固定し、前記振動部の振動を検出した電圧に応じて、前記載置固定された試料を、前記間隙が一定となるように当該間隙方向に移動させるピエゾ基板と
を備えることを特徴とする請求項１１に記載のテラヘルツ画像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱なテラヘルツ光を検出するテラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ光は、一般的な定義では周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）の領域、即ち、波長が０．０３ｍｍ〜３ｍｍのサブミリ波から遠赤外線領域までの電磁波(electromagnetic wave)である。【０００３】
テラヘルツ光は、電波天文学、材料科学、生体分子分光学等の基礎学術分野から、セキュリティ、情報通信、環境、医療等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。例えば、物体にテラヘルツ光を照射し、この反射光や透過光の画像を計測するアクティブ計測を行うと、今迄見えなかった物が見えるようになる。【０００４】
このアクティブ計測を用いれば、封筒内の毒物検査や、カバンや容器内の爆発物や危険物の検知、食品中の異物検査、半導体チップの検査等が実施できる。更に、美術品の劣化度の検査、癌検査等の医療応用、植物のリアルタイム水分のモニタリング、更には、スペースシャトル外壁タイル内部の欠陥検査等も可能となる。【０００５】
この種のテラヘルツ光によるアクティブ計測を用いた技術として特許文献１〜３に記載のものがある。
特許文献１の技術は、表面から一定位置に２次元電子ガス（後述）が形成された半導体チップを用い、この半導体チップに磁場を印加しながらテラヘルツ光を照射する。この照射によりカーボンナノチューブに流れる電流を計測することで、微弱なテラヘルツ光の強度と周波数を検出するものである。なお「２次元電子ガス」とは、半導体と絶縁体との接合界面、又は異種半導体同士の接合界面に沿った２次元平面を運動する電子をいう。つまり、キャリアとなる電子が平面状に分布する状態を２次元電子ガスという。なお、本明細書において、異種半導体とは、異なる種類の半導体や、反転層等を利用した異なる構造の半導体をいう。【０００６】
特許文献２の技術は、表面に酸化層が形成された半導体チップの表面にグラフェン（後述）を密着させ、グラフェンに磁場を印加しながらテラヘルツ光を照射する。この照射により半導体チップに流れる電流を計測することで、微弱なテラヘルツ光の強度と周波数を検出するものである。なお、「グラフェン」とは２次元炭素結晶の単原子層であり、エネルギーバンドギャップがゼロであるため、どんなエネルギー状態の光でも吸収でき、テラヘルツ光や赤外光等のエネルギーが極めて低く殆んどの半導体を透過してしまう光の吸収に適している。【０００７】
特許文献３の技術は、対象物にテラヘルツ照明光（波長４μｍ〜１０ｍｍ）を照射し、対象物の例である電極からの散乱光を散乱光検出器にて信号として検出することにより、電極の表面若しくは電極の中に含まれる異物、例えば、金属異物を検出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−６０２８４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２０６１７６号公報
【特許文献３】国際公開第２０１２／１０８３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上述した特許文献１〜３に示されるようなテラヘルツ光によるアクティブ計測を用いた技術は、例えば試料の分子間の相互作用を知るために有益である。赤外線の場合、特定の分子間検知等に限定されるが、テラヘルツ光では限定されない。但し、テラヘルツ光は、波長が可視光に比べ３桁位長く、テラヘルツ光による分子の画像は、可視光よりも３桁位粗い画像となる。つまり、分子はｎｍ（ナノメートル）サイズなので、ｍｍ（ミリメートル）サイズのテラヘルツ光で分子の画像を検出して見るためには、次のような技術が必要となる。【００１０】
金属皮膜にテラヘルツ光の波長よりも小さな穴を開け、この穴にテラヘルツ光を照射すると、殆んどの光は穴を通過しないが、穴の反対側に近接場光（エバネセント光）が漏れて留まる。この近接場光は種々存在する近接場光の一形態であり、穴を通らなくとも近接場光は存在する。【００１１】
また、近接場光は、テラヘルツ光の半波長よりも狭い領域に閉じ込められているので、近接場光をタングステンの針で突くと、近接場光が針によって散乱され伝搬光に変換される。この伝搬光を検出することで分子の画像を見ることが可能となる。【００１２】
しかし、近接場光を針で突くと、近接場光が持っている情報が乱されることになり、正確な画像の検出ができなくなる。また、アクティブ計測では、バイオテクノロジー系等の試料によっては、外部からのテラヘルツ光の照射で試料が影響を受けてしまう。このように、外部からテラヘルツ光を照射するアクティブ計測では分子（試料）の画像が計測時の影響を受けてしまう。【００１３】
このため、試料が自然に発しているテラヘルツ光を計測するパッシブ計測で分子の画像を計測する必要がある。しかし、テラヘルツ光のパッシブ計測を行う技術が、現時点では見当たらない。【００１４】
また、仮に分子の画像を計測するパッシブ計測が行なえたとしても、このパッシブ計測では、任意のテラヘルツ周波数（例えば１ＴＨｚや１０ＴＨｚ等）を選択する術がない。【００１５】
分子は、全周波数のテラヘルツ光に応答する訳ではない。例えば、ＰＨＢ(細胞内のエネルギー貯蔵物質)では、図２０に矢印Ｙ１で示す２．４ＴＨｚ付近と、矢印Ｙ２で示す２．９ＴＨｚ付近のみに特徴的な共鳴周波数を持っている。２．４ＴＨｚ付近の共鳴周波数は、ＰＨＢ分子の水素結合の画像であり、２．９ＴＨｚ付近の共鳴周波数は、ＰＨＢ分子のヘリカル構造の振動画像である。各共鳴周波数のみで波長が高くなっており、各共鳴周波数に検出動作を合わせることでＰＨＢ分子の各共鳴周波数の画像を見ることができるが、これが現時点では不可能である。【００１６】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、テラヘルツ光によるパッシブ計測を適正に行うことができると共に、パッシブ計測において任意のテラヘルツ周波数を選択することができるテラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記した課題を解決するため、本発明のテラヘルツ検出センサは、テラヘルツ光を検出するテラヘルツ検出センサにおいて、テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状であって、前記テラヘルツ光の近接場光を検出する検出ポイントと、前記検出ポイントが表面に形成された半導体基板とを備えることを特徴とする。【００１８】
本発明のテラヘルツ画像測定装置は、試料から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する請求項１〜９の何れか１項に記載のテラヘルツ検出センサと、前記試料から前記テラヘルツ検出センサに照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、当該試料及び当該テラヘルツ検出センサの周囲に配置されるコイルを有し、当該コイルに電流が流されて発生する磁場を当該テラヘルツ検出センサへ印加する磁場発生部と、前記コイルに電流を流し、この流れる電流値を変えることにより前記磁場の強さを、当該テラヘルツ検出センサで検出される前記試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる測定制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、テラヘルツ光によるパッシブ計測を適正に行うことができると共に、パッシブ計測において任意のテラヘルツ周波数を選択することができるテラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るテラヘルツ検出センサを用いたテラヘルツ画像測定装置の構成を示す図である。
【図２】テラヘルツ検出センサの構成を示す斜視図である。
【図３Ａ】テラヘルツ検出センサの製作方法において、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ層を積層した半導体基板を示す側面図である。
【図３Ｂ】テラヘルツ検出センサの製作方法において、ＡｌＧａＡｓ層をエッチングで削った状態を示す側面図である。
【図３Ｃ】テラヘルツ検出センサの製作方法において、ＧａＡｓ基板の上に各電極を形成した状態を示す側面図である。
【図４】横軸に上述した従来のテラヘルツ検出素子の位置（０〜１４μｍ）と、縦軸にテラヘルツ検出信号レベル（任意スケールＬ０〜Ｌ４）との関係を示す図である。
【図５Ａ】磁場発生部の構成図である。
【図５Ｂ】テラヘルツ光検出原理を説明するための磁場印加によるランダウ準位の形成図である。
【図６Ａ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆのテラヘルツ光の波形を示し、特定周波数ｆ＝０．７ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図６Ｂ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆのテラヘルツ光の波形を示し、特定周波数ｆ＝１．４ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図６Ｃ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆのテラヘルツ光の波形を示し、特定周波数ｆ＝１．８ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図６Ｄ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆのテラヘルツ光の波形を示し、特定周波数ｆ＝２．６ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図６Ｅ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆのテラヘルツ光の波形を示し、特定周波数ｆ＝３．１ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図７Ａ】磁場値を変えてテラヘルツ光の周波数を選択したテラヘルツ光の発光強度の分布を実測した際のテラヘルツ発光強度分布を示し、周波数ｆ＝２．０６ＴＨｚの場合の発光強度分布を示す図である。
【図７Ｂ】磁場値を変えてテラヘルツ光の周波数を選択したテラヘルツ光の発光強度の分布を実測した際のテラヘルツ発光強度分布を示し、周波数ｆ＝２．２５ＴＨｚの場合の発光強度分布を示す図である。
【図８】本実施形態のテラヘルツ画像測定装置でアクティブ計測の実験を行った際の、横軸におけるセンサの位置と、縦軸におけるセンサでのテラヘルツ検出信号レベルとの関係を示す図である。
【図９】他例のテラヘルツ検出センサの構成を示す斜視図である。
【図１０Ａ】グラフェンの蜂の巣状の単層の６角形格子構造を示す図である。
【図１０Ｂ】典型的な３次元半導体のエネルギーバンドを示す図である。
【図１０Ｃ】グラフェンのエネルギーバンドを示す図である。
【図１１Ａ】通常の半導体における磁場Ｂと電子エネルギーＥとの関係を示す図である。
【図１１Ｂ】グラフェンにおける磁場Ｂと電子エネルギーＥとの関係を示す図である。
【図１２Ａ】テラヘルツ検出センサの製作方法を示し、Ｓｉ基板の上に積層されたＳｉＯ２基板の上面にグラフェンが積層された状態を示す側面図である。
【図１２Ｂ】テラヘルツ検出センサの製作方法を示し、グラフェンをエッチングで削った状態を示す側面図である。
【図１２Ｃ】テラヘルツ検出センサの製作方法を示し、Ｓｉ基板の上に各電極を形成した状態を示す側面図である。
【図１３Ａ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝０．７６ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１３Ｂ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝１．６ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１３Ｃ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝２．５ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１３Ｄ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝３．１ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１４Ａ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝４．２ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１４Ｂ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝２８ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１４Ｃ】横軸の所定の磁場値において、縦軸のテラヘルツ検出信号レベルが急峻に高くなる場合の特定周波数ｆ＝３３ＴＨｚのテラヘルツ光の波形を示す図である。
【図１５】本実施形態のテラヘルツ検出センサの他例１によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
【図１６】本実施形態のテラヘルツ検出センサの他例２によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
【図１７】本実施形態のテラヘルツ検出センサの他例３によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
【図１８】本実施形態のテラヘルツ検出センサの他例４によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
【図１９】テラヘルツ画像測定装置における振動部の他例としてのＳｉ振動部の構成を示す図である。
【図２０】ＰＨＢ(細胞内のエネルギー貯蔵物質)における２．４ＴＨｚ付近と２．９ＴＨｚ付近の特徴的な共鳴周波数を示す周波数スペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜実施形態の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るテラヘルツ検出センサを用いたテラヘルツ画像測定装置の構成を示す図である。
【００２２】
図１に示すテラヘルツ画像測定装置１０は、ピエゾ基板１０ａの下端面に固定されたＧａＡs(ガリウム・ヒソ)振動部１１と、交流電源（電源）１２と、テラヘルツ検出センサ１３と、電圧検出部１４とを備える。また、Ｚ層のピエゾ基板（Ｚピエゾ基板）１５と、Ｙ層のピエゾ基板（Ｙピエゾ基板）１６と、Ｘ層のピエゾ基板（Ｘピエゾ基板）１７と、磁場発生部１９と、コンピュータ等による測定制御部２０とを備えて構成されている。Ｚ層のピエゾ基板１５の上に、テラヘルツ画像測定対象の試料１８が載置固定されている。なお、ＧａＡs振動部１１は、請求項記載の振動部を構成する。この振動部としては、ＧａＡs振動部１１以外にも、圧電性材料等の振動部材でもよい。
【００２３】
テラヘルツ検出センサ（センサ）１３は、試料１８が自然に発光するテラヘルツ光を検出するものである。この検出原理は、（１）テラヘルツ電界をゲート電極で検知し、高速で電流を変調する、（２）微小なセンサは比熱が小さいため、加熱効果を利用する、（３）材料の中の不純物準位にトラップされているキャリアのテラヘルツ応答を利用する、（４）後述の磁場印加型のセンサの場合は、ランダウ準位の電子励起に伴う光伝導を利用する、等がある。但し、このような検出原理は、後述の図９に示すグラフェン３２を用いたセンサ１３Ａについても同様である。
【００２４】
図１に戻って、上記のテラヘルツ光の検出により、測定制御部２０で試料１８の分子の画像を計測するパッシブ計測が可能となっている。センサ１３は、後述するテラヘルツ光検出ポイント（検出ポイント）が設けられている。検出ポイントは、テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの平面形状を有しており、試料１８の近傍位置でテラヘルツ光の近接場光を検出する。つまり、本実施形態では、センサ１３はテラヘルツ光を検出すると表現する場合もあるが、実際にはテラヘルツ光の近接場光を検出していることを含んでいる。
【００２５】
ＧａＡs振動部１１は、ＧａＡｓ半導体材料を成形することにより、直方体形状の基端部１１ａと、この基端部１１ａの下面に沿って面一に突き出た板状部１１ｂとが一体形成されている。板状部１１ｂの先端部下面にはセンサ１３が固定されている。このセンサ１３の固定面と反対面には、検出ポイントが設けられている。基端部１１ａには、電源１２が接続されており、電源１２から基端部１１ａに電圧を印加するとピエゾ効果により一定の振動周波数で振動し、これに応じて板状部１１ｂが同じ振動周波数で上下に振動する。
【００２６】
電圧検出部１４は、反転増幅器等で構成されており、ＧａＡs振動部１１の振動に応じた電流を検出して得られる電圧を検出し、この検出電圧に応じた制御電圧Ｖ１をＺピエゾ基板１５へ印加する。つまり、電圧検出部１４は、基端部１１ａの振動による板状部１１ｂの振幅に応じた電流を検出して得られる電圧を検出し、この検出電圧に応じた制御電圧Ｖ１をＺピエゾ基板１５へ印加する。但し、基端部１１ａの振動に応じた電流を検出する場合、振動における周波数から電流を検出する場合と、振動における振幅から電流を検出する場合との２通りがある。
【００２７】
Ｚピエゾ基板１５は、制御電圧Ｖ１の大きさに応じてＺ方向（上下方向）に伸縮し、Ｚピエゾ基板１５上に載置固定された試料１８を上下に移動させ、試料１８とセンサ１３との間を所定間隔に保持する。これは、試料１８のセンサ１３での検出面が凹凸形状の場合でも、センサ１３でのテラヘルツ光の検出状態が変動しないように、一定状態に保持するためである。
【００２８】
これを詳細に説明する。Ｚピエゾ基板１５が試料１８をセンサ１３に少しづつ近づけ、試料１８とセンサ１３との双方の間隔がｎｍオーダになると、双方の間に原子間力が働く。例えば、ファンデルワールス力（分子間に働く静電相互作用に基づく引力）が働く。このファンデルワールス力により、板状部１１ｂのセンサ１３の固定部分が僅かに下方へ引っ張られるので、基端部１１ａの振動周波数が僅かにずれる。このずれは、電圧検出部１４で検出されて制御電圧Ｖ１に反映される。このため、そのずれが一定となるようにＺピエゾ基板１５に対してＺ方向にフィードバックが掛かり、試料１８のセンサ１３側の面が凹凸形状であっても、板状部１１ｂが、その凹凸とセンサ１３との距離が一定となるように上下動する。
【００２９】
但し、電圧検出部１４の検出電圧Ｖ１をピエゾ基板１０ａに印加し、ピエゾ基板１０ａをＺピエゾ基板１５と同様に上下方向に伸縮させて、センサ１３を試料１８に対して所定間隔に保持してもよい。この際、ピエゾ基板１０ａを小型とすれば、電圧Ｖ１による応答速度が速くなるので、センサ１３を試料１８に対して高速に上下動させることができる。
【００３０】
なお、Ｙピエゾ基板１６は、図示せぬ交流電源からの電圧印加に応じてＹ方向（左右方向）へ伸縮し、Ｘピエゾ基板１７は、電圧印加に応じてＸ方向（前後方向）へ伸縮する。これに応じて試料１８が左右前後方向へ移動するので、センサ１３で試料１８の所定位置のテラヘルツ光を検出可能となっている。このように、各ピエゾ基板１５，１６，１７で試料１８の位置合わせを行う前に、Ｘピエゾ基板１７の下に粗動用ピエゾ基板１を配置し、この粗動用ピエゾ基板１に図示せぬ交流電源から電圧を印加して、大間かに試料１８の位置合わせを行うのが好ましい。
【００３１】
図２はテラヘルツ検出センサ１３の構成を示す斜視図である。図２に示すセンサ１３は、直方体形状のＧａＡｓ基板２１と、この基板２１の上面の一隅部分に形成されたテラヘルツ光検出ポイントとしての２次元電子ガス部（ガス部）２２と、このガス部２２に、各々が電気的に接続されて独立状に拡がって延びる４つの電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄとを備えて構成されている。各電極２３ａ〜２３ｄは、金等の導電材料により形成されており、ガス部２２への接続端が針状に尖り、この針状の接続端から細長く扇状に拡がり基板２１の縁まで延在されて形成されている。各電極２３ａ〜２３ｄを針状とすることによりアンテナ効果でテラヘルツ波を受信し易くなっている。
【００３２】
更に説明すると、各電極２３ａ〜２３ｄは、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端に検出ポイント（ガス部２２）に接合された１対の電極を含み、当該電極は、長さがテラヘルツ波の波長（半波長及び１／４波長等を含む）以上で、且つ、テラヘルツ波の波長（半波長及び１／４波長等を含む）未満の電界が集中する領域でテラヘルツ波を受信するようになっている。
【００３３】
各々の電極２３ａ〜２３ｄには、測定制御部２０に接続される導電線２４が接続されている。なお、導電線２４は１つの電極２３ａに対して２本以上を並列に接続し、１本が断線等で不通となっても、残りの線で信号を伝達可能とする構成としてもよい。
【００３４】
測定制御部２０は、導電線２４から２つの電極（例えば両側の２３ａ，２３ｄ）を介してガス部２２に電流を流すことにより、ガス部２２の２次元電子ガス中の電子を移動させ、試料１８のテラヘルツ光の近接場光を検出する動作を行わせる。また、測定制御部２０は、ガス部２２で検出されるテラヘルツ光の検出電圧を、他の２つの電極２３ｂ，２３ｃに接続された導電線２４から受け取り、試料１８の分子のテラヘルツ画像を計測する。なお、電流が流される２つの電極２３ａ，２３ｄにより請求項記載の第１電極が構成され、テラヘルツ光の検出電圧が伝わる他の２つの電極２３ｂ，２３ｃにより請求項記載の第２電極が構成されている。
【００３５】
センサ１３は、表面から一定の位置（距離）に２次元電子ガスが形成されたＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ)等により形成される。ＨＥＭＴは、２次元電子ガスを利用したトランジスタであり、変調ドープにより、２次元電子ガスが形成され、電子移動度が高い特徴がある。従って、センサ１３は、試料１８が発するテラヘルツ光の近接場光を検出することによるゲート電圧で、２次元電子ガス上の図示せぬソースからドレインに流れる電子電流を、高い電子移動度を利用して高速に制御することが可能となっている。但し、ゲート電圧は図示せぬゲートに供給され、このゲート並びに２次元電子ガス上のソース及びドレインは、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)のゲート電圧、２次元電子ガス上のソース及びドレインに対応するものである。
【００３６】
本実施形態では、センサ１３は、図３Ａに示すように、ＧａＡｓ基板２１の上にＡｌＧａＡｓ（アルミニュウム・ガリウム・ヒソ）層２２ａを積層した半導体基板を用いて形成する。この半導体基板の構造において、ＧａＡｓ基板２１とＡｌＧａＡｓ層２２ａとの接合界面に沿って、２次元平面を運動する電子が分布する２次元電子ガス２２ｇが形成されている。
【００３７】
この他、半導体基板として、Ｓｉ層とＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニュウム）層、ＡｌＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ（インジュウム・ガリウム・ヒソ）層、ＧａＮ（ガリウム・窒素）層とＡｌＧａＮ（アルミニュウム・ガリウム・窒素）層等の組合せを用いてもよい。
【００３８】
次に、図３Ｂに示すように、平面長方形のＡｌＧａＡｓ層２２ａをエッチングで削り、その直方形の一隅部分が氏のテラヘルツ光の波長よりも小さいサイズで残るように成形する。この成形により、残存したＡｌＧａＡｓ層２２ａと、この下面側の２次元電子ガス２２ｇとの双方で２次元電子ガス部２２が形成される。次に、図３Ｃに示すように、金等の導電材料をＧａＡｓ基板２１の上に蒸着等により固着させて各電極２３ａ〜２３ｄ（図１参照）を形成し、センサ１３を製作する。この後、各電極２３ａ〜２３ｄを図１に示すように導電線２４で測定制御部２０に接続する。
【００３９】
但し、図３Ｂに示すエッチングで形成される２次元電子ガス部２２は、試料１８が発するテラヘルツ光の近接場光を効率良く検出できる平面形状とされ、例えば０．８μｍ〜１μｍのサイズの楕円形状等に形成される。ガス部２２の平面形状は、テラヘルツ光の近接場光を効率良く検出できれば、円形、多角形、星形等の様々な形状でもよい。
【００４０】
また、２次元電子ガス部２２のサイズは、現状では実物サイズで最小が約０．３μｍ（このサイズは今後更に縮小されることは自明である）であり、これ以外に約０．９μｍ、約２μｍ、約５μｍ等のものがある。これらのガス部２２のサイズは、従来のアクティブ計測によるテラヘルツ光検出素子（従来センサ）のアパーチャの径サイズに対応している。なお、約０．９μｍ、約２μｍ、約５μｍは以降、０．９μｍ、２μｍ、５μｍとする。
【００４１】
従来センサは、２次元電子ガスを有する異種接合半導体の上にプローブを介して設けられた金属皮膜に、テラヘルツ光の一部を通すアパーチャが開口されている。アパーチャは、テラヘルツ光の波長よりも小さな径サイズとなっており、金属皮膜の上方からアパーチャに向かってテラヘルツ光が照射されると、アパーチャの反対側のプローブの位置に近接場光が漏れるので、この近接場光をプローブを介して２次元電子ガスで検出する。本実施形態のガス部２２等の検出ポイントでは、アパーチャを通過させなくとも、試料１８に近接することにより試料１８が発するテラヘルツ光の近接場光を検出可能となっている。
【００４２】
図４において、横軸に上述した従来のテラヘルツ検出素子（従来センサ）の位置（０〜１４μｍ）と、縦軸にアパーチャを通過した近接場光検出によるテラヘルツ検出信号レベル（任意スケールＬ０〜Ｌ４で示す）との関係を示す。横軸のテラヘルツ検出素子の位置において、５μｍの双方向矢印で示す範囲は、従来センサにおける径サイズ＝５μｍのアパーチャの位置を示す。同様に、２μｍの双方向矢印で示す範囲は径サイズ＝２μｍ、０．９μｍの双方向矢印で示す範囲は径サイズ＝０．９μｍのアパーチャの位置を示す。
【００４３】
ここで、図４に示す各アパーチャの径サイズ０．９μｍ、２μｍ、５μｍにおけるテラヘルツ光を検出する分解能を比較する。
アパーチャの径が５μｍの場合、テラヘルツ光が透過した近接場光の量が他のアパーチャ（０．９μｍ，２μｍ）の場合よりも多いので、近接場光検出により検出されるテラヘルツ検出信号Ｔｓ１の立ち下がりエッジは、他のアパーチャ（０．９μｍ，２μｍ）の場合よりも緩やかになる。この場合、テラヘルツ検出信号Ｔｓ１（又は、後述のＴｓ２，Ｔｓ３）の最大値１００％の９０％〜１０％の間の距離が分解能となる。この分解能は、アパーチャの大きさ（この場合、５μｍ）で決まる。従って、アパーチャの径が５μｍの場合は、分解能が他のアパーチャ（０．９μｍ，２μｍ）の場合よりも低くなる。
【００４４】
アパーチャの径が２μｍの場合、近接場光の量がアパーチャの径５μｍより少なく径０．９μｍより多いので、テラヘルツ検出信号Ｔｓ２の立ち下がりエッジは径５μｍのアパーチャの場合よりも急峻になる。従って、アパーチャの径が２μｍの場合は、分解能が径５μｍのアパーチャの場合よりも高くなる。
【００４５】
アパーチャの径が０．９μｍの場合、近接場光の量がアパーチャの径２μｍより少ないので、テラヘルツ検出信号Ｔｓ２の立ち下がりエッジは径２μｍのアパーチャの場合よりも急峻になる。従って、アパーチャの径が０．９μｍの場合は、分解能が径２μｍのアパーチャの場合よりも高くなる。
【００４６】
本実施形態のように、２次元電子ガス部２２のサイズを０．９μｍ、２μｍ、５μｍにした場合も、従来センサのアパーチャの径サイズが０．９μｍ、２μｍ、５μｍの場合と同等なテラヘルツ光検出の分解能を得ることができる。
【００４７】
次に、図１に示す磁場発生部１９について説明する。図５Ａに磁場発生部１９の構成図を示し、図５Ｂにテラヘルツ光検出原理を説明するための磁場印加によるランダウ準位の形成図を示す。ランダウ準位とは、磁場の中で荷電粒子がサイクロトロン運動（円運動）するときに取り得る、不連続（離散的）なエネルギーの準位のことである。
【００４８】
図５Ａに示すように、磁場発生部１９は、試料１８から発生されてセンサ１３に照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回されるコイル１９ａと、コイル１９ａに流される電流（コイル電流）を計測する電流計１９ｂと、コイル１９ａの両端の電圧を計測する電圧計１９ｃとを備えて構成されている。この磁場発生部１９は、コイル１９ａに電流を流すことにより破線矢印Ｙ３で示す磁場Ｂを発生させてセンサ１３に印加する。磁場Ｂは、コイル電流から一義的に求めることが可能となっている。
【００４９】
図５Ｂにおいて、横軸は状態密度、縦軸は電子のエネルギーである。図５Ｂに示すように、試料１８から発せられるテラヘルツ光の光子エネルギーｈｆが、下式（１）で示されるランダウ準位のエネルギー間隔と等しい場合、テラヘルツ光の非常に大きな吸収が生じる。
（ｈ／２π）ｅＢ／ｍ＊  …（１）
この現象はサイクロトロン吸収、或いはサイクロトロン共鳴と呼ばれる。
ここで、ｈはプランク定数、ｅは電荷素量、Ｂは磁場、ｍ＊は結晶中の電子の有効質量（例えばＧａＡｓであれば、自由電子の質量の約０．０６６５倍）である。
【００５０】
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。即ち、次式（２）が成り立つ。
ｈｆ＝（ｈ／２π）ｅＢ／ｍ＊  …（２）
この式（２）から磁場Ｂ以外の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。
【００５１】
本実施形態のテラヘルツ画像測定装置１０（図１）では、２次元電子ガス部２２のサイクロトロン吸収を利用する。この装置１０の測定制御部２０は、コイル１９ａに流す電流値を変えながらセンサ１３に印加される磁場Ｂの強さ（磁場値）を変え、センサ１３で検出される試料１８のテラヘルツ検出信号のレベルが突出して高くなる磁場値に合わせる。その突出したレベルのテラヘルツ検出信号の周波数が、特徴的な共鳴周波数（特定周波数）となる。従って、磁場値を検出信号レベルが突出した位置に合わせることにより、特定周波数に同調させることができる。言い換えれば、テラヘルツ周波数を選択することができる。なお、測定制御部２０は、磁場値を特定周波数に同調させる場合、コイル１９ａに流す電流値を電流計１９ｂから読み取り、テラヘルツ検出信号のレベルを電圧計１９ｃから読み取って行なう。
【００５２】
上述の突出したテラヘルツ検出信号の周波数が、特徴的な共鳴周波数（特定周波数）となる。例えば、測定制御部２０の制御により、磁場発生部１９で発生される磁場Ｂを、図６Ａ〜図６Ｅに示すようにしてもよい。図６Ａでは、信号レベルが１と急峻に高くなる磁場値の約２［Ｔ］として、特定周波数ｆ＝０．７ＴＨｚを選択し、この選択周波数のテラヘルツ光を発する試料１８の分子のテラヘルツ画像を表示することができる。
【００５３】
同様に、図６Ｂでは、信号レベルが１と急峻に高くなる磁場値の約３［Ｔ］として特定周波数ｆ＝１．４ＴＨｚを選択し、図６Ｃでは、信号レベルが１と急峻に高くなる磁場値の約４．５［Ｔ］として特定周波数ｆ＝１．８ＴＨｚを選択し、図６Ｄでは、信号レベルが１と急峻に高くなる磁場値の約６［Ｔ］として特定周波数ｆ＝２．６ＴＨｚを選択し、図６Ｅでは、信号レベルが１と急峻に高くなる磁場値の約７．５［Ｔ］として特定周波数ｆ＝３．１ＴＨｚを選択し、これらの選択周波数のテラヘルツ光を発する試料１８の分子のテラヘルツ画像を表示することができる。
【００５４】
このように磁場値を変えてテラヘルツ光の周波数を選択し、この選択したテラヘルツ光の発光強度の分布をパッシブ計測により実測した際のテラヘルツ発光強度分布図を図７に示す。図７Ａは周波数ｆ＝２．０６ＴＨｚの場合の発光強度分布を、弱い強度から強い強度に向かってＳ１（最弱）〜Ｓ４（最強）で示す図である。図７Ｂは周波数ｆ＝２．２５ＴＨｚの場合の発光強度分布をＳ１（最弱）〜Ｓ４（最強）で示す図である。但し、本実験は、テラヘルツ画像測定装置１０のＧａＡｓ基板２１として、これ以外の振動部材を用いて行なったものである。
【００５５】
図７Ａに示す周波数ｆ＝２．０６ＴＨｚの場合は、テラヘルツ光の発光強度が、Ｓ１で示すように左隅部分及び右隅部分で弱く、この位置から中央に向かって上方へ行くに従ってＳ２，Ｓ３，Ｓ４と強くなっている。図７Ｂに示す周波数ｆ＝２．２５ＴＨｚの場合は、テラヘルツ光の発光強度が、Ｓ１で示すように下方部分で弱く、この位置から上方へ行くに従ってＳ２，Ｓ３，Ｓ４と強くなっている。
【００５６】
また、図８にテラヘルツ画像測定装置１０でアクティブ計測の実験を行った際の、横軸におけるセンサ１３の位置（０〜３．５μｍ）と、縦軸におけるセンサ１３での近接場光検出によるテラヘルツ検出信号レベル（任意スケール：０〜１０）との関係を示す。但し、本実験は、テラヘルツ画像測定装置１０のＧａＡｓ基板２１として、これ以外の振動部材を用いて行なったものである。センサ１３の位置は、約２μｍ〜２．３μｍの間であり、前述したテラヘルツ検出信号最大値１００％の９０％〜１０％の間の距離による空間分解能は２８０ｎｍと高くなっている。この高分解能の２８０ｎｍにおいて、試料１８から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出した。この検出時のテラヘルツ検出信号の立ち下がりエッジは、図示の通り急峻となっている。
【００５７】
＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のテラヘルツ検出センサ１３とテラヘルツ画像測定装置１０によれば、次のような効果が得られる。
【００５８】
（１）テラヘルツ光を検出するセンサ１３を、テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状であって、テラヘルツ光が照射された際に当該テラヘルツ光の近接場光を検出する検出ポイントと、検出ポイントが表面に形成された半導体基板とを備えて構成した。
【００５９】
この構成によれば、検出ポイントはテラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状であるため、検出ポイントに動作電流を流した状態で、試料が自然に発するテラヘルツ光が検出ポイントに照射されると、この照射されたテラヘルツ光の近接場光を検出することができる。この近接場光はテラヘルツ光の半波長よりも更に小さい波長なので、この波長に対応した検出ポイントのサイズとすれば、試料のｎｍサイズの分子の画像を高解像度で計測することが可能となる。この計測は試料が自然に発するテラヘルツ光を計測するパッシブ計測である。
【００６０】
従来のアクティブ計測のように、金属皮膜のアパーチャを通過したテラヘルツ光の近接場光をタングステン針で突くことによって、近接場光が持つ情報が破壊されてしまうといった不具合を無くすことができる。このため、試料の分子の画像を適正に計測することができる。従って、テラヘルツ光によるパッシブ計測を適正に行うことができると共に、パッシブ計測において任意のテラヘルツ周波数を選択することができる。
【００６１】
（２）上記センサ１３の半導体基板の表面に、検出ポイントに電流を流すための第１電極２３ａ，２３ｄと、当該第１電極２３ａ，２３ｄを介して電流が流された当該検出ポイントに、近接場光の照射時に検出される電圧を出力する第２電極２３ｂ，２３ｃとが形成されている構成とした。
【００６２】
この構成によれば、検出ポイントに第１電極２３ａ，２３ｄを介して動作電流を流すことができる。また、試料が発するテラヘルツ光の近接場光が検出ポイントで検出された際に、この検出電圧を第２電極２３ｂ，２３ｃを介して外部の測定制御部へ出力することができる。このため、測定制御部２０で、試料のｎｍサイズの分子の画像を高解像度で計測することができる。
【００６３】
（３）第１電極２３ａ，２３ｄ及び第２電極２３ｂ，２３ｃの各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端が検出ポイントに接合された１対の電極を含んで成る構成とした。
【００６４】
この構成によれば、第１電極２３ａ，２３ｄ及び第２電極２３ｂ，２３ｃの先端が針状に先細って延びるので、アンテナ効果でテラヘルツ波の受信感度を向上させることができる。
【００６５】
（４）第１電極２３ａ，２３ｄ及び第２電極２３ｂ，２３ｃの各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端が検出ポイントに接合された１対の電極を含み、該電極は、長さがテラヘルツ波の波長（半波長及び１／４波長等を含む）以上で、且つ、テラヘルツ波の波長（半波長及び１／４波長等を含む）未満の電界が集中する領域でテラヘルツ波を受信する構成とした。
【００６６】
この構成によれば、第１電極２３ａ，２３ｄ及び第２電極２３ｂ，２３ｃの先端が針状に先細って延び、この延びる先端の１対の電極が、長さがテラヘルツ波の波長以上で、且つ、テラヘルツ波の波長未満の電界が集中する領域でテラヘルツ波を受信するので、アンテナ効果で、よりテラヘルツ波の受信感度を向上させることができる。
【００６７】
（５）上記半導体基板は、ＧａＡｓ層２１上にＡｌＧａＡｓ層２２ａが積層され、当該ＡｌＧａＡｓ層２２ａと当該ＧａＡｓ層２１との界面に２次元電子ガス２２ｇが分布した高電子移動度トランジスタ構造である。上記検出ポイントは、ＡｌＧａＡｓ層２２ａがテラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形されたＡｌＧａＡｓ層２２ａとＧａＡｓ層２１との界面に２次元電子ガス２２ｇが分布した構造とした。
【００６８】
この構成によれば、試料が自然に発するテラヘルツ光の近接場光を、検出ポイントとしての２次元電子ガス２２ｇで検出することができる。この検出を行う２次元電子ガス２２ｇが形成された高電子移動度トランジスタでは、電子移動度が高いので近接場光を高速に検出することができる。
【００６９】
（６）テラヘルツ画像測定装置２０を次のように構成した。即ち、試料１８から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する上記センサ１３と、試料１８からセンサ１３に照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、試料１８及びセンサ１３の周囲に配置されるコイル１９ａを有し、当該コイル１９ａに電流が流されて発生する磁場をセンサ１３へ印加する磁場発生部１９とを備える。更に、コイル１９ａに電流を流し、この流れる電流値を変えることにより磁場の強さを、当該センサ１３で検出される試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる測定制御部２０とを備える構成とした。
【００７０】
この構成によれば、磁場値を、センサ１３でのテラヘルツ光の検出信号レベルが突出した位置に合わせることにより、特定周波数に同調させることができる。言い換えれば、テラヘルツ周波数を選択することができる。従って、その選択周波数のテラヘルツ光を発する試料の分子の画像を表示することができる。
【００７１】
（７）基端部１１ａから延びる板状１１ｂの先端部に固定したセンサ１３を、当該基端部１１ａへの電圧印加により試料１８との間隔方向に振動させるＧａＡs振動部１１と、センサ１３と試料１８との間に間隙を介して当該試料１８を載置固定し、ＧａＡs振動部１１の振動を検出した電圧に応じて、載置固定された試料を間隙が一定となるように当該間隙方向に移動させるＺピエゾ基板１５とを備える構成とした。
【００７２】
この構成によれば、試料１８とセンサ１３との双方の間隔がｎｍオーダになった際のファンデルワールス力により、基端部１１ａから延びる板状（板状部）１１ｂの先端部が僅かに試料側へ引っ張られるると、ＧａＡs振動部１１の振動周波数が僅かにずれる。このずれは、振動部１１の振動を検出した電圧に反映されるので、そのずれが一定となるようにＺピエゾ基板１５の移動方向にフィードバックが掛かり、試料のセンサ１３側の面が凹凸形状であっても、板状１１ｂの先端部が、その凹凸とセンサ１３との距離が一定となるように上下動する。従って、センサ１３でのテラヘルツ光の検出状態が変動しないように、一定状態に保持することができる。
【００７３】
＜テラヘルツ検出センサの他例＞
図９は、他例のテラヘルツ検出センサ１３Ａの構成を示す斜視図である。図９に示すセンサ１３Ａは、図１に示すテラヘルツ画像測定装置１０のセンサ１３として用いられるものである。
【００７４】
図９に示すセンサ１３Ａは、直方体形状のＳｉ（シリコン）基板３１ａと、このＳｉ基板３１ａの上に積層されたＳｉＯ２（二酸化ケイ素）基板３１ｂと、このＳｉＯ２基板３１ｂの上面一隅部分に形成されたテラヘルツ光検出ポイントとしてのグラフェン３２と、このグラフェン３２に、前述したと同様な４つの電極２３ａ〜２３ｄとを備えて構成されている。各電極２３ａ〜２３ｄには、測定制御部２０Ａに接続される導電線２４が接続されている。また、このセンサ１３Ａも、前述した図５Ａに示すように試料１８と共に、磁場発生部１９のコイル１９ａ内に配置されている。
【００７５】
測定制御部２０Ａは、導電線２４を介して２つの電極（例えば両側の２３ａ，２３ｄ）に電流を流すことにより、グラフェン３２中の電子を移動させ、試料１８が発するテラヘルツ光の近接場光を検出する動作を行わせる。また、測定制御部２０は、導電線２４を介した他の２つの電極２３ｂ，２３ｃから、グラフェン３２で検出されるテラヘルツ光の近接場光に応じた出力電圧を受け取り、試料１８の分子のテラヘルツ画像を計測する。
【００７６】
グラフェン３２は、図１０Ａに示すように、炭素原子とその結合からできた蜂の巣状の単層の６角形格子構造をとり、１枚の金網状の形態を成している。ここで、シリコンのような半導体や他の３次元材料では、電荷キャリアは原子格子の周期的な場と相互に作用するために準粒子を形成する。しかし、グラフェン３２中の準粒子は、そのような３次元材料の特性とは異なる特性を有している。
【００７７】
典型的な３次元半導体のエネルギーバンドは、図１０Ｂの縦軸にエネルギー(energy)、横軸に運動量(momentum)をとって表すように、下部の放物線４１の形状を成す価電子帯と、この上方に位置して放物線４１と上下反対の放物線４２の形状を成す伝導帯を有する。価電子帯と伝導帯の間にはオープンバンドギャップ(band gap)がある。
【００７８】
これに対して、グラフェン３２のエネルギーバンドは、図１０Ｃに示すように、頂点同志が当接した２つの円錐４４，４５の形態を有する。２つの円錐４４，４５の接点はディラックポイント(Dirac point)と呼ばれる。この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Ｅと、運動量ｋとで特徴付けられる。この準粒子は、光速の数％程度で移動する。
このような特殊なバンド構造により、グラフェン３２中の電子移動度は、室温であっても非常に高速（通常の半導体の１０倍〜１００倍以上）であることが知られている。
【００７９】
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３２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、グラフェン３２は、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）。
【００８０】
上述したグラフェン３２の特異的性質から、図５Ａに示すように磁場Ｂを印加した時のエネルギー準位が、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す関係、即ち、下式（３）及び（４）で表されることが知られている。図１１Ａは、通常の半導体における磁場Ｂと電子エネルギーＥとの関係を示す。図１１Ｂはグラフェン３２における同様の関係である。
半導体：Ｅｎ＝（ｎ＋０．５）ｈ＊ｅＢ／ｍ＊  …（３）
グラフェン：Ｅｎ＝ｃ＊（２ｅｈ＊Ｂ｜ｎ｜）０．５  …（４）
式（３）及び（４）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。
【００８１】
上式（３）から、ｈ＊，ｅ，ｍ＊は定数であるから、下式（５）が導かれる。ここで、Ｃ１は定数である。同様に上式（４）から、ｃ＊，ｅ，ｈ＊は定数であるから、下式（６）が導かれる。ここで、Ｃ２は定数である。
半導体：Ｅｎ＝Ｃ１（ｎ＋０．５）Ｂ・・・（５）
グラフェン：Ｅｎ＝Ｃ２（Ｂ｜ｎ｜）０．５・・・（６）
【００８２】
上式（５）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に比例する。ｎ＝０，１，２，３の間隔は一定である。
【００８３】
これに対して、上式（６）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。
【００８４】
このようなグラフェン３２の特性に着目してセンサ１３Ａを製作した。このセンサ１３Ａの製作方法について説明する。
図１２Ａに示すように、Ｓｉ基板３１ａの上に積層されたＳｉＯ２基板３１ｂの上面にグラフェン３２Ａが積層された素子を用いる。
【００８５】
次に、図１２Ｂに示すように、長方形のグラフェン３２Ａを酸素アッシャー等を用いたエッチングで削り、その直方形の一隅部分が所定の大きさの形状でグラフェン３２として残るように成形する。このグラフェン３２の形状は、前述した２次元電子ガス部２２の形状のように、テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの平面形状を有しており、試料１８自体が発するテラヘルツ光の近接場光を効率良く検出できる形状とされる。
次に、図１２Ｃに示すように、金等の導電材料をＧａＡｓ基板２１の上に蒸着等により固着させて各電極２３ａ〜２３ｄ（図９参照）を形成し、センサ１３Ａを製作する。この後、各電極２３ａ〜２３ｄを導電線２４で測定制御部２０Ａ（図９）に接続する。
【００８６】
次に、図５Ａに示す磁場発生部１９により、グラフェン３２を備えるセンサ１３Ａに磁場Ｂを印加する場合について説明する。
磁場発生部１９は、試料１８から発生され、センサ１３に照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回されるコイル１９ａと、コイル１９ａに流される電流（コイル電流）を表示する電流計１９ｂと、コイル１９ａの両端の電圧を計測する電圧計１９ｃとを備えて構成される。そして、コイル１９ａに電流を流すことにより磁場Ｂを発生させて、グラフェン３２を備えるセンサ１３Ａに印加する。磁場Ｂは、コイル電流から一義的に求めることが可能となっている。
【００８７】
グラフェン３２に試料１８から発光されるテラヘルツ光が照射されると、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。この現象は通常の半導体では、光吸収によって電子が価電子帯から伝導帯、或いは不純物準位から伝導帯へ励起され、余分の伝導電子又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。
【００８８】
上述した図１１Ｂ及び上式（６）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から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（又はサイクロトロン共鳴）である。
【００８９】
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。例えばｎ＝１から２の場合、下式（７）が成り立つ。
ｈｆ＝（Ｃ２（Ｂ｜２｜）０．５−Ｃ２（Ｂ｜１｜）０．５  …（７）
この式（７）から磁場Ｂ以外のＣ２（即ち、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。
【００９０】
即ち、図５Ａに示すように、測定制御部２０Ａは、磁場発生部１９のコイル１９ａに流す電流値を変えながらセンサ１３Ａに印加される磁場Ｂの強さ（磁場値）を変え、センサ１３Ａで検出される試料１８のテラヘルツ検出信号レベル（信号レベル）が突出して高くなる磁場値に合わせる。その突出したレベルのテラヘルツ検出信号の周波数が、特徴的な共鳴周波数（特定周波数）となる。従って、磁場値を信号レベルが突出した位置に合わせることにより、特定周波数に同調させることができる。言い換えれば、テラヘルツ周波数を選択することができる。
【００９１】
このように磁場値を変えてテラヘルツ検出信号の周波数を選択する場合を図１３及び図１４を参照して説明する。但し、図１３及び図１４において、縦軸はテラヘルツ検出信号レベルを任意スケールで示し、横軸は磁場Ｂをテスラ［Ｔ］で示してある。
例えば、測定制御部２０Ａの制御により、磁場発生部１９で発生される磁場Ｂを、図１３Ａに示すように、信号レベルが６と急峻に高くなる磁場値０．１［Ｔ］として、特定周波数ｆ＝０．７６ＴＨｚを選択し、この特定周波数ｆ＝０．７６ＴＨｚのテラヘルツ光を発する試料１８の分子のテラヘルツ画像を表示することができる。
【００９２】
同様に、図１３Ｂに示す信号レベルが８．８と急峻に高くなる磁場値０．２［Ｔ］として、特定周波数ｆ＝１．６ＴＨｚを選択する。また、図１３Ｃに示す信号レベルが８．２と急峻に高くなる磁場値０．５［Ｔ］として特定周波数ｆ＝１．６ＴＨｚを選択する。また、図１３Ｄに示す信号レベルが８．８と急峻に高くなる磁場値０．７［Ｔ］として特定周波数ｆ＝３．１ＴＨｚを選択する。これら選択により選択周波数のテラヘルツ光を発する分子のテラヘルツ画像を表示できる。
【００９３】
更に、図１４Ａに示す信号レベルが８．７と急峻に高くなる磁場値１．４［Ｔ］として特定周波数ｆ＝４．２ＴＨｚを選択する。また、図１４Ｂに示す信号レベルが８．５と急峻に高くなる磁場値２．４［Ｔ］として特定周波数ｆ＝２８ＴＨｚを選択する。また、図１４Ｃに示す信号レベルが８．３と急峻に高くなる磁場値３．３［Ｔ］として特定周波数ｆ＝３３ＴＨｚを選択する。これら選択により選択周波数のテラヘルツ光を発する分子のテラヘルツ画像を表示できる。
【００９４】
なお、図９に示すグラフェン３２を表面に形成する半導体基板の場合、Ｓｉ基板３１ａ及びＳｉＯ２基板３１ｂを用いた例を挙げたが、六方晶系窒化ホウ素(ｈ−ＢＮ)や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）等を用いて半導体基板を構成してもよい。
【００９５】
また、グラフェン３２と同様にテラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの平面形状を有し、試料１８自体が発するテラヘルツ光の近接場光を効率良く検出できる形状であれば、検出ポイントとして、超伝導体、半導体ナノワイヤ、カーボンナノチューブ等の材料を用いてもよい。
【００９６】
＜テラヘルツ検出ポイントの他例１＞
図１５は本実施形態のテラヘルツ検出センサ１３（図２）の他例１によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図１５に示す他例１による検出ポイントは、２次元電子ガス部２２の上に、先端が針状に尖ったプローブ５１を合体させて形成したものである。
【００９７】
プローブ５１は、タングステン等の金属やシリコン等の半導体を針状（又は線状）に加工したものである。なお、シリコンは、例えば異方性エッチングにより針状に成形する。このプローブ５１は、２次元電子ガス部２２のソース−ドレイン間を制御するＭＯＳＦＥＴ上のゲートに相当するものであり、試料１８が発するテラヘルツ光の近接場光を検出して得られるゲート電圧で、２次元電子ガス２２ｇ上のソースからドレインに流れる電子電流を、高い電子移動度を利用して高速に制御する。
このプローブ５１は、先端が針状に尖っているので空間上のテラヘルツ光の検出サイズが小さくなり、このため、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
【００９８】
＜テラヘルツ検出ポイントの他例２＞
図１６は本実施形態のテラヘルツ検出センサ１３の他例２によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図１６に示す他例２による検出ポイントは、２次元電子ガス部２２のＡｌＧａＡｓ層２２ａの表面の一部を尖って針状２２ａ１としたものである。この針状２２ａ１においても、上述したプローブ５１と同様に、試料１８が発するテラヘルツ光の近接場光を検出することにより２次元電子ガス２２ｇに流れる電子電流を、高い電子移動度を利用して高速に制御することができる。この針形状２２ａ１でも、プローブ５１と同様に、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
【００９９】
＜テラヘルツ検出ポイントの他例３＞
図１７は本実施形態のテラヘルツ検出センサ１３Ａ（図９）の他例３によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図１７に示す他例３による検出ポイントは、Ｓｉ基板３１ａ上のＳｉＯ２基板３１ｂの上面一隅部分に形成されたグラフェン３２の表面に、垂直に針状（又は線状）のカーボンナノチューブによるプローブ５３を立てたものである。このようにカーボンナノチューブによるプローブ５３を立てた場合でも、プローブ５３が針状（又は線状）に形成されているので空間上のテラヘルツ光の検出サイズが小さくなり、このため、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
【０１００】
＜テラヘルツ検出ポイントの他例４＞
図１８は本実施形態のテラヘルツ検出センサ１３Ａ（図９）の他例４によるテラヘルツ検出ポイントの構成を示す図である。
図１８に示す他例４による検出ポイントは、ＳｉＯ２基板３１ｂの上面一隅部分の一部を針状３１ｂ１に尖らせて、この針状３１ｂ１を含む一隅部分にグラフェン３２Ｂを形成したものである。この構成においては、グラフェン３２Ｂの表面が上述したプローブ５３と同様に針状に尖っているので、近接場光の検出時の空間解像度を上げることができる。
【０１０１】
＜振動部の他例＞
図１９はテラヘルツ画像測定装置１０における振動部（図１ではＧａＡs振動部１１）の他例としてのＳｉ振動部６２の構成を示す図である。
Ｓｉ振動部６２は、ＧａＡs振動部１１と同様に、直方体形状の基端部６２ａと、この基端部６２ａの下面に沿って面一に突き出た板状部６２ｂとが一体形成されている。板状部６２ｂの先端部下面にはセンサ１３が固定されている。基端部６２ａは、ピエゾ基板６１を介してピエゾ基板１０ａに固定されている。ピエゾ基板６１には電源電圧Ｖ２が印加されることによって、ピエゾ効果によりＳｉ振動部６２を一定の振動周波数で振動し、これに応じて板状部６２ｂを同じ振動周波数で上下に振動するようになっている。また、Ｓｉ振動部６２の振動に応じた電圧は電圧検出部１４で検出されるようになっている。
【０１０２】
このようなピエゾ基板６１に固定されたＳｉ振動部６２を用いた構成においても、前述したＧａＡs振動部１１によるＺピエゾ基板１５と連動する動作と同様に、センサ１３による試料１８のテラヘルツ光の検出動作を、一定状態に保持することができる。なお、Ｓｉ振動部６２は、請求項記載の振動部を構成する。この振動部としては、Ｓｉ振動部６２以外にも、圧電性材料等の振動部材や、ピエゾ基板６１の振動に応じて振動するチューニングフォーク等の振動部材でもよい。
【０１０３】
以上説明したテラヘルツ画像測定装置は、パッシブ計測以外にも、アクティブ計測でも実施可能である。
【０１０４】
その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０  テラヘルツ画像測定装置
１０ａ  ピエゾ基板
１１  ＧａＡs振動部
１２  交流電源
１３，１３Ａ  テラヘルツ検出センサ
１４  電圧検出部
１５  Ｚ層のピエゾ基板（Ｚピエゾ基板）
１６  Ｙ層のピエゾ基板（Ｙピエゾ基板）
１７  Ｘ層のピエゾ基板（Ｘピエゾ基板）
１８  試料
１９  磁場発生部
１９ａ  コイル
１９ｂ  電流計
１９ｃ  電圧計
２０  測定制御部
２１  ＧａＡｓ基板
２２  ２次元電子ガス部（検出ポイント）
２２ａ  ＡｌＧａＡｓ層
２２ｇ  ２次元電子ガス
２３ａ〜２３ｄ  電極
３１ａ  Ｓｉ基板
３１ｂ  ＳｉＯ２基板
３２  グラフェン（検出ポイント）
５１  プローブ
５３  プローブ（カーボンナノチューブ）
６１  ピエゾ基板
６２  Ｓｉ振動部
Ｂ  磁場
【図１】
2017104697.tif 000003
【図２】
2017104697.tif 000004
【図３Ａ】
2017104697.tif 000005
【図３Ｂ】
2017104697.tif 000006
【図３Ｃ】
2017104697.tif 000007
【図４】
2017104697.tif 000008
【図５Ａ】
2017104697.tif 000009
【図５Ｂ】
2017104697.tif 000010
【図６Ａ】
2017104697.tif 000011
【図６Ｂ】
2017104697.tif 000012
【図６Ｃ】
2017104697.tif 000013
【図６Ｄ】
2017104697.tif 000014
【図６Ｅ】
2017104697.tif 000015
【図７Ａ】
2017104697.tif 000016
【図７Ｂ】
2017104697.tif 000017
【図８】
2017104697.tif 000018
【図９】
2017104697.tif 000019
【図１０Ａ】
2017104697.tif 000020
【図１０Ｂ】
2017104697.tif 000021
【図１０Ｃ】
2017104697.tif 000022
【図１１Ａ】
2017104697.tif 000023
【図１１Ｂ】
2017104697.tif 000024
【図１２Ａ】
2017104697.tif 000025
【図１２Ｂ】
2017104697.tif 000026
【図１２Ｃ】
2017104697.tif 000027
【図１３Ａ】
2017104697.tif 000028
【図１３Ｂ】
2017104697.tif 000029
【図１３Ｃ】
2017104697.tif 000030
【図１３Ｄ】
2017104697.tif 000031
【図１４Ａ】
2017104697.tif 000032
【図１４Ｂ】
2017104697.tif 000033
【図１４Ｃ】
2017104697.tif 000034
【図１５】
2017104697.tif 000035
【図１６】
2017104697.tif 000036
【図１７】
2017104697.tif 000037
【図１８】
2017104697.tif 000038
【図１９】
2017104697.tif 000039
【図２０】
2017104697.tif 000040
【国際調査報告】
2017104697.tif 000041
2017104697.tif 000042