(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温動作可能なトランジスタを冷却温度の調節可能な冷却器内に収納した冷却式読み出し回路の低周波ノイズ削減方法において、
前記トランジスタが極低温動作可能な温度を第１の温度とし、前記第１温度より高くノイズスペクトラムが動作温度依存性を持つ温度を第２の温度として、
前記第１の温度で前記トランジスタに電源を投入して動作状態にし、電流を流したまま、該トランジスタの素子温度を一旦、前記第１の温度より高い第２の温度まで上昇させる第１のステップと、
その後、前記トランジスタの素子温度を、前記第２の温度から第１の温度まで冷却する第２のステップとを有し、
前記第２のステップ終了後、前記トランジスタを第１の温度で動作させることにより、低周波ノイズを低減することを特徴とする冷却式読み出し回路の低周波ノイズ削減方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極低温動作可能なトランジスタを冷却温度の調節可能な冷却器内に収納した冷却式読み出し回路の低周波ノイズ削減方法に関する。特に、本発明は、極低温動作の高感度高抵抗光検出器の読み出し回路等に利用され、該読み出し回路に使用されるトランジスタの低周波ノイズを削減する冷却式読み出し回路の低周波ノイズ削減方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来例について説明する。
【０００３】
従来、例えば、微弱光検出器のインピーダンス変換用トランジスタとして、極低温で動作可能なＦＥＴが使用されていた。しかし、このようなＦＥＴ（例えば、ＧａＡｓＪ−ＦＥＴ）は、低周波ノイズが多く、読み出し回路の性能に影響を与えていた。以下、ＧａＡｓＪ−ＦＥＴの極低温動作下でのランダム・テレグラフ・シグナルについて説明する。
【０００４】
図２０は従来例の説明図であり、Ａ図はＧａＡｓＪ−ＦＥＴの出力波形、Ｂ図はノイズスペクトルの温度依存性を示した図である。図２０のＡ図において、横軸は時間（Ｓｅｃ）、縦軸は出力＊１００００（Ｖ）を示す。また、図２０のＢ図において、横軸は周波数（ＨＺ  ）、縦軸はノイズスペクトル（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。なお、前記Ｖ／ＨＺ  １／２  は、Ｖ／√ＨＺ  と同じであり、以下の説明においても同様である。
【０００５】
ランダム・テレグラフ・シグナル（Ｒａｎｄｏｍ  ｔｅｌｅｇｒａｐｈ  ｓｉｇｎａｌ  ：以下、「ＲＴＳ」と記す）とは、固体デバイス動作時に見られる離散的なコンダクタンス揺らぎである。スペクトルはＧ−Ｒノイズと酷似しているが、コンダクタンス変化量が一定であるなどの特徴を持つ。コンダクタンスの変化量が一定である為、あるトラップ準位に対しての単電子のスイッチング動作が原因であると解釈されているが、詳しい物理過程はまだ明らかにされていない。
【０００６】
ＲＴＳは、ＭＯＳＦＥＴ、Ｊ−ＦＥＴ、ＱＷＩＰ（Ｑｕａｎｔａｍ  Ｗｅｌｌ  Ｉｎｆｒａｒｅｓ  Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｅｒ）、ＢＪＴなど様々な構造、材料、動作条件において報告されている（例えば、Ｋ．Ｋａｎｄｉａｈ  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  ｖｏｌ．４１，ｐ．２００６，１９９４．参照）。
【０００７】
このＲＴＳは、ＦＥＴを低周波領域でのノイズがシステムの性能をリミットしている高感度検出器の読み出し回路などとして用いた場合、深刻な性能劣化の原因となる。
【０００８】
そこで、極低温下で動作させる高感度検出器の読み出し回路として有望視されているＧａＡｓＪ−ＦＥＴを２Ｋ〜７７Ｋ（Ｋ：Ｋｅｌｖｉｎ）の範囲で静特性やノイズの動作条件依存性を調べた。その結果は次の通りである。
【０００９】
主に使用したＦＥＴのゲートサイズは、長さをＬ、幅をＷとした場合、Ｌ／Ｗ：５０／５μｍである。様々な動作電圧で計測したノイズスペクトルと出力波形からＧａＡｓＪ−ＦＥＴの極低温下における低周波領域のノイズはＲＴＳに起因するノイズが支配的であるということが結論できた。
【００１０】
図２０のＡ図に、ＶＤＳ（ドレイン−ソース間電圧）＝０．７５Ｖ、ＶＧ（ゲート電圧）＝０．３２Ｖの飽和領域で動作させた場合のＧａＡｓＪ−ＦＥＴの４．２Ｋにおける出力波形、図２０のＢ図に、同電圧条件で動作させた場合のノイズスペクトルの温度依存性を示す。この場合のドレイン電流は２．４μＡである。
【００１１】
図２０のＡ図の波高値より見積もられる離散的電流変化量は１．５ｎＡと計算され、全体のカレントの１／１０００弱にも達する。また、図２０のＢ図から判るように、ＲＴＳの発生頻度は温度によってばらつきが見られるが、トラップ滞在時間の分散は４０Ｋまでは変化が殆ど見られない。４５Ｋ以上では温度依存性を示し、温度の上昇に伴いローレンツ型のノイススペクトルは高周波側にシフトする。言い換えれば、ＲＴＳを引き起こしているトラップ準位への遷移が４５Ｋ付近で漸く熱的な揺らぎが支配的になったと言える。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来のものにおいては、次のような課題があった。前記のように、ＧａＡｓＪ−ＦＥＴの極低温下における低周波領域のノイズはＲＴＳに起因するノイズが支配的であるということが結論できた。このＲＴＳは、ＦＥＴを低周波領域でのノイズがシステムの性能をリミットしている高感度検出器の読み出し回路などとして用いた場合、深刻な性能劣化の原因となる。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題を解決し、極低温動作トランジスタの低周波ノイズを低減できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記の目的を達成するため、次のように構成した。
【００１５】
(1) ：極低温動作可能なトランジスタを冷却温度の調節可能な冷却器内に収納した冷却式読み出し回路の低周波ノイズ削減方法において、前記トランジスタが極低温動作可能な温度を第１の温度とし、前記第１温度より高くノイズスペクトラムが動作温度依存性を持つ温度を第２の温度として、前記第１の温度で前記トランジスタに電源を投入して動作状態にし、電流を流したまま、該トランジスタの素子温度を一旦、前記第１の温度より高い第２の温度まで上昇させる第１のステップと、その後、前記トランジスタの素子温度を、前記第２の温度から第１の温度まで冷却する第２のステップとを有し、前記第２のステップ終了後、前記トランジスタを第１の温度で動作させることにより、低周波ノイズを低減することを特徴とする。
【００１７】
（作用）
冷却器内において、第１の温度でトランジスタに電源を投入して動作状態にし、電流を流したまま、該トランジスタの素子温度を一旦、第１の温度より高い第２の温度まで上昇させ、その後、トランジスタの素子温度を、第２の温度から第１の温度まで冷却する（サーマルキュアを行う）。そして、前記トランジスタ（サーマルキュアを行ったトランジスタ）を通常の極低温動作温度である第１の温度で動作させることにより、前記トランジスタの低周波ノイズを低減することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
§１：極低温動作ＧａＡｓＪ−ＦＥＴの低周波ノイズ削減方法の説明
図１はノイズレベルのサーマル・キュアの有無による差を説明する図であり、横軸は周波数（ＨＺ  ）、縦軸はノイズスペクトル（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。以下、図１を参照しながら、極低温動作ＧａＡｓＪ−ＦＥＴ（ＧａＡｓ接合型ＦＥＴ）の低周波ノイズ削減方法の概要について説明する。
【００２０】
ＧａＡｓＪ−ＦＥＴは、４．２Ｋ以下でトランジスタ動作させることが可能であり、低容量かつゲートリーク電流の少ない特徴を持つため、極低温動作の高感度高抵抗光検出器の読み出し回路に有望視されている。この高感度高抵抗光検出器は微弱光の検出を目的としており、出力電荷を積分して用いるため、前記読み出し回路の性能は低周波数におけるノイズで制限される。
【００２１】
低周波数領域（０．１〜１０００ＨＺ  ）において支配的なノイズは、１／ｆノイズ、Ｇ−Ｒノイズ及びＲＴＳなどのフリッカーノイズである。そこで、本発明では、一旦動作温度を上昇させて用いる（ＴＣ：ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｕｒｅ）ことで、低周波ノイズの削減ができることを実験を行うことにより見出した。
【００２２】
この実験のサンプルには、ＳＯＮＹ株式会社製のＧａＡｓＪ−ＦＥＴを用いた。ＧａＡｓＪ−ＦＥＴのゲートサイズは、長さＬ＝５０μｍ、幅Ｗ＝５μｍである。実用上消費電力を抑えた条件での使用が考えられるため、ドレイン電流１〜２μＡ程度におけるノイズを極力抑える必要があり動作電圧はＶＤＳ（ドレイン−ソース間電圧）＝０．５Ｖ、ＶＧ（ゲート電圧）＝０．２２Ｖ程度であり、通常の動作温度は４．２Ｋである。
【００２３】
液体ヘリウム温度においてＦＥＴに電圧を与えた場合、ノイズは２．２μＶ／ＨＺ  １／２  ＠１ＨＺ  であり、その４時間放置後１．２５μＶ／ＨＺ  １／２  まで減少したが、その後、変化は見られなかった。
【００２４】
一方、電源投入後、動作温度を５５Ｋまで上昇させ（ランプ速度２０Ｋ／ｍｉｎ）、その後４．２Ｋまで再び冷却した場合、０．５μＶ／ＨＺ  １／２  までノイズが減少した。また、６時間の放置後も同じノイズレベルで安定し、低いノイズレベルを保ったまま、ゲート電圧を変化させ、ドレイン電流を１〜２μＡと制御できることが明らかになった。
【００２５】
この結果から、素子が一時的に高温になってノイズ特性が変化したのではなく、ノイズ発生源に対して温度上昇が物理的変化をもたらし、低ノイズが実現できたことを示している。このノイズレベルは極低温読み出し回路として、衛星搭載用機器に使用されているｐ−ＭＯＳＦＥＴ（例えば、Ｍ．Ｎｏｄａ  ｅｔ  ａｌ．：Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ３３２５（１９９８）２４７．参照）と比較しても半減しており、非常に低いノイズに抑えられていることが判る。
【００２６】
§２：トランジスタの極低温動作性能についての詳細な説明
図２〜図１５はトランジスタの極低温動作性能についての詳細な説明図である。以下、これらの図を参照しながら、トランジスタの極低温動作性能について詳細に説明する。
【００２７】
（１）  ：トランジスタの極低温動作性能の概要
微弱光検出器はリーク電流や熱励起電流を抑える為に、低温に冷却する必要がある。熱励起電流が支配的な中間赤外、遠赤外検出器はもちろん化合物半導体検出器による近赤外検出器においても、ダークカレント（ｄａｒｋ  ｃｕｒｒｅｎｔ）であるホッピング電流を下げるためには液体ヘリウム温度までの冷却が不可欠である。
【００２８】
光検出器は高インピーダンスであるためにインピーダンス変換用素子が必要である。従来、インピーダンス変換用素子には低周波領域において低いノイズであるＳｉ−Ｊ−ＦＥＴ（シリコン接合型ＦＥＴ）が広く用いられてきた（数十ｎＶ／ＨＺ  １／２  ＠１ＨＺ  ）。しかし、Ｓｉ−Ｊ−ＦＥＴは３０Ｋ以下ではキャリアのフリーズアウトが発生してしまうため、読み出し回路は７７Ｋまで暖められたステージに設置され、検出器と読み出し回路まで温度の異なるステージ間を高インピーダンスの配線でつなげる必要があった。
【００２９】
こういった配線は熱流入や外来ノイズを拾いやすくする欠点があり、検出システムの高性能化や大フォーマット化のネックとなっている。微弱光検出の応用分野として、天文観測がある。現在世界各国で赤外天文衛星の開発が進められており、それに伴い極低温動作ＦＥＴの開発も各研究機関において行われている。
【００３０】
現在、極低温動作ＦＥＴの主流はｐ−ＭＯＳＦＥＴである。キンクやヒステリシスなどの非線型現象が比較的起こりにくく、ノイズの大きさも許容範囲内であるためであるが、必ずしも満足のいく性能は得られていない。極低温動作可能なＦＥＴの候補として化合物半導体を用いたトランジスタが挙げられる。
【００３１】
しかしながら、ＭＩＳＦＥＴやＨＥＭＴはゲートリークが大きく、高感度光検出システムに使用することは不可能である。一方、ＪＦＥＴはゲートにｐ−ｎジャンクションがあり、リーク電流が抑えられる可能性を持っている。
【００３２】
そこで、発明者は、トランジスタのサンプルとして、ＳＯＮＹ株式会社製のトランジスタである、「Ｄ−ｍｏｄｅ  ｎ−ｔｙｐｅ  ＧａＡｓＪ−ＦＥＴＳＧＤ−００１」用い、極低温読み出し技術の開発を進めてきた。そして、前記サンプルの再性能評価を行ったので、以下に説明する。
【００３３】
（２）  ：測定方法
測定方法としては、冷却システムとして、カンタムデザイン社製の製品名である「ＰＰＭＳ」を用いた。この冷却システムは素子温度を室温から２Ｋまで冷却が可能である。測定に用いた回路を図２に示す。
【００３４】
図２に示したノイズ測定用回路において、１はＧａＡｓＪ−ＦＥＴ（サンプルのトランジスタ）、２はオペアンプ、３はＰＰＭＳ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、ＲＳは抵抗、ＶＤはドレイン電圧、ＶＳはソース電圧、Ｖｏｕｔ  は出力端子を示す。
【００３５】
図２に示した回路において、オペアンプ２の出力端子Ｖｏｕｔ  は１０倍のゲインがかかっており、更に、スタンフォード社製のローノイズアンプ（通常１０倍）に接続され、Ａｄｖａｎｔｅｓｔ  社製の「Ｒ９２１１ＢＦＥＴサーボアナライザ」を用いてノイズ測定を行った。
【００３６】
ＰＰＭＳ３内にセットする場合、金属製ハーメチックシール内にＧａＡｓＪ−ＦＥＴ１が見えないようＦＥＴ周りが金属で覆われた状態で測定を行う。Ｉ−Ｖカーブ（電流−電圧曲線）はＨＰ４５７７半導体パラメータアナライザを用いて測定した。
【００３７】
（３）  ：測定結果
▲１▼：Ｉ−Ｖ測定
図３は室温における静特性（その１）であり、横軸はＶＤ（ドレイン電圧）（Ｖ）、縦軸はＩＤ（ドレイン電流）（Ａ）を示す。図４は室温における静特性（その２）であり、横軸はＶＧ（ゲート電圧）（Ｖ）、縦軸はｇｍ（Ｓ）を示す。なお、前記ｇｍは相互コンダクタンス、Ｓはジーメンスである。
【００３８】
図５は液体窒素温度における静特性（その１）であり、横軸はＶＤ（Ｖ）、縦軸はＩＤ（Ａ）を示す。図６は液体窒素温度における静特性（その１）であり、横軸はＶＧ（Ｖ）、縦軸はｇｍ（Ｓ）を示す。図７は液体ヘリウム温度における静特性（その１）であり、横軸はＶＤ（Ｖ）、縦軸はＩＤ（Ａ）を示す。図８は液体ヘリウム温度における静特性（その２）であり、横軸はＶＧ（Ｖ）、縦軸はｇｍ（Ｓ）を示す。
【００３９】
図３に、ゲートサイズ幅５μｍ、長さ５０μｍのＦＥＴについて動作温度室温、７７Ｋ及び４．２ＫにおけるＩ−Ｖカーブを示す。この場合、室温ではＤタイプ（デプレッション型）であっても動作温度を下げるに従って、閾値が変化し、４．２Ｋにおいては閾値が−１００ｍｖ付近となっている。
【００４０】
また、電流値とｇｍは動作温度を下げるに従って減少している。しかしながら、極低温動作において問題となるキンク現象は見られず、良好な静特性が得られている。
【００４１】
▲２▼：ゲート容量測定
図９はチャネルゲート間容量の印加電圧依存性を示す図である。図９において、横軸はＶＤ，Ｓ−ＶＧ（Ｖ）、縦軸はキャパシタンス（ｐＦ）を示す。前記ＧａＡｓＪ−ＦＥＴのドレインとソースをシャントし、ゲート、チャネル間の容量測定を行った。
【００４２】
サンプルは前記静特性を測定した時と同じように、ＰＰＭＳ３（図２参照）内にて室温から４．２Ｋに冷却される。測定端子は、ＨＰ社製の「４２８０ＡＣＶ」プロッタに接続する。電圧を印加しつつ、容量を測定する。図９に、素子温度を室温、７７Ｋ、４．２Ｋの場合の容量変化を示す。
【００４３】
ゲートとソースドレインで形成されているｐ−ｎ接合に対し、逆バイアスを掛けた結果、チャネルが消滅し、電圧を印加しても容量が変化しなくなった値を０ｐＦとして、測定系の浮遊容量を差し引いた値が図９に示されている。
【００４４】
この図より判断できることは、通常の動作範囲において、ＧａＡｓＪ−ＦＥＴの容量は、０．３〜０．４ｐＦであり、ＭＯＳＦＥＴ等（１ｐＦ以上）と比較しても低容量であることが示された。
【００４５】
▲３▼：極低温下におけるノイズ特性
微弱光検出を行う際に、信号−ノイズ比の改善を図るために積分型の読み出し回路が用いられる。この場合、システムの性能を評価する上で重要な特性はＦＥＴの低周波領域におけるノイズレベルである。低周波領域におけるノイズとして良く知られているものでも、１／ｆノイズ、Ｇ−Ｒノイズ等が挙げられる。また、現在に至るまで論理的にも完全には解明されていないランダム・テレグラフ・シグナルが問題となる。
【００４６】
ノイズ測定は図２に示したノイズ測定回路を用いている。ドレイン電圧決定後ソース電圧と抵抗からドレイン電流が決定され、フィードバック抵抗を介してゲート電圧が与えられる。フィードバック系が形成されているため、出力電圧は１１倍のゲインが掛かった状態となる。
【００４７】
ソースフォロアゲインと測定系のゲインで割った値からゲート入力変換ノイズを換算している。図１０は、４．２ＫにおいてＦＥＴを動作させた場合のノイズ特性である。図１０において、横軸は周波数（ＨＺ  ）、縦軸はノイズ（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。この図から判るように、ノイズは、１／ｆ２  で減少している。低周波領域の波形を観測してみると、ランダム・テレグラフ・シグナルが顕著となっていることが判る。
【００４８】
図１１に、動作温度４．２Ｋ、ＶＤ＝０．５Ｖ、Ｉｄ＝２μＡで動作している場合のランダム・テレグラフ・シグナルの波形を示す。図１１において、横軸は時間（ｓｅｃ）、縦軸は出力＊１００（Ｖ）を示す。このランダム・テレグラフ・シグナルのノイズ特性の特徴として、１／ｆ２  で減少する波形が得られることが知られている。このことから、低周波ノイズの主原因はランダム・テレグラフ・シグナルに起因するノイズであると結論づけられる。
【００４９】
このような２準位での遷移は通常のＧ−Ｒノイズとは区別される。また、変位するコンダクタンスが一定であるため、単電子の寄与によるコンダクタンスの揺らぎであると解釈するのが一般的である。この信号の存在のため、ＧａＡｓＪ−ＦＥＴの性能は１０μＶ／ＨＺ  １／２  ＠１ＨＺ  であり、必ずしも同様の目的で使用されるｐ−ＭＯＳＦＥＴと比べてアドバンテージを有するに至っていない。この信号の発生を抑える条件を探る必要がある。
【００５０】
▲４▼：ランダム・テレグラフ・シグナルノイズ削減手法
ランダム・テレグラフ・シグナルの原因はチャネルに影響を及ぼすトラップ準位へのキャリアの遷移であると言われている。そのトラップ準位への遷移は極低温下においては熱的な揺らぎではなく、トンネルしていると考えられる。
【００５１】
図１２はノイズ特性の動作温度依存性を示す図であり、横軸は周波数（ＨＺ  ）、縦軸はノイズ（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。この図から判るように、素子温度が３０Ｋ〜４０Ｋの間でローレンツ分布の時定数の変動が見られる。言い換えると、３０Ｋ以下の場合、トラップへのキャリア遷移はトンネルで決定されている。
【００５２】
トラップ準位へのトンネルが問題となる場合、準位を何らかの方法で充満させれば、こういったトンネルは防ぐことが可能となる。そこで、４．２Ｋにおいて動作させたまま（電流を流したまま）、一旦素子温度を５５Ｋまで上昇させ、その後、４．２Ｋに冷却した｛以後、この行為をサーマルキュア（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｕｒｅ：Ｔ．Ｃ）｝と呼ぶ。
【００５３】
図１３はＴＣの有無によるノイズ特性の差を示した図であり、横軸はノイズの周波数（ＨＺ  ）、縦軸はノイズスペクトル（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。また、図の点線はＴＣ無しの場合の特性、実線はＴＣ有りの場合の特性を示す。
【００５４】
図１３からも明らかなように、ノイズ特性は素子温度の変化履歴を記憶しており、電流を通過させた状態で一旦素子温度を上げてから４．２Ｋで動作させた場合ノイズが大きく減少し、０．５μＶ／ＨＺ  １／２  ＠１ＨＺ  を達成した。このＴＣの効果を確かめるために以下の実験を行った。
【００５５】
（ａ）：４．２Ｋで導通後放置してノイズの変化を確認
（ｂ）：ＴＣ後放置し、ノイズの変化を確認
前記（ａ）は長時間放置することによってトラップ準位への遷移が平衡状態になった場合、ノイズの低減が予想されるため、長時間放置の効果の有無を確認する。
【００５６】
前記（ｂ）は、ＴＣの効果が一時的な格子温度の上昇を見ているのではなく、十分に冷却された状態でのノイズ特性であることの確認と、長時間放置によってノイズの劣化の有無を確認する。
【００５７】
図１４はノイズ特性の安定性、すなわち、ＴＣを行った場合と、行わなかった場合の長時間放置によるノイズ特性の変化を示し、横軸は時間（ｈｏｕｒ）、縦軸はノイズ（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。また、図の▲１▼、▲２▼はＴＣを行わなかった場合の特性であり、▲３▼、▲４▼はＴＣ有りの場合の特性である。この場合、ドレイン電流１μＡの条件で測定を行い、ノイズの値としては、１ＨＺ  における値を用いた。また、ＶＤ＝０．５Ｖは飽和領域、ＶＤ＝０．２５Ｖは線形領域に属している。
【００５８】
この図１４より明らかなように、ＴＣの効果は一時的な格子温度の上昇ではなく、低ノイズ化後数時間安定な状態である。また、極低温下で導通した場合、放置時間を３時間程度とれば、５ｄＢ程度の改善が得られるが、ＴＣを行った場合までノイズを低減することは不可能であることが判った。
【００５９】
また、ＴＣを行った後、ＶＧを変化させてドレイン電流を２μＡまで増加させた場合のノイズを測定した結果、ノイズレベルは０．５〜０．６μＶ／ＨＺ  １／２  ＠１ＨＺ  と低ノイズレベルの維持が可能であった。当然、複数のレチクルで同様の効果が得られた。よって、ＴＣはＦＥＴの動作特性改善に大きな効果があることが確かめられた。
【００６０】
ＴＣの上昇温度として５５Ｋを用いたが、実際にはＴＣはどの温度まで上昇させる必要があるかを以下の方法で確認した。一旦、４．２Ｋに冷却後通電、その後１０Ｋ／ｍｉｎで目的温度まで上昇、再び４．２Ｋに冷却しノイズ測定を行う。
【００６１】
図１５はノイズのＴＣ温度依存性を示す図であり、ＴＣを行う素子温度とＴＣ後の４．２Ｋにおけるノイズ、及びその温度におけるノイズを示す。図１５において、横軸はＴＣを行う温度（Ｋ）、縦軸はノイズ（ｄＢＶ／ＨＺ  １／２  ）を示す。また、図の▲１▼は温度を上昇させただけの場合（ｎｏｉｓｅ  ａｔ  ｔｈａｔ  ｔｅｍｐ）、▲２▼は一旦温度を上昇させ、その後、温度を下げた場合（ｒｅｓｕｌｔ  ｏｆ  ｃｕｒｅ）の特性である。
【００６２】
図１５において、ＶＤ＝０．５Ｖ、ＩＤ＝１μＡ、ノイズは１ＨＺ  における値を用いている。３０Ｋより低温でＴＣを行った結果、ノイズは減少傾向が見られるが、ＴＣを行った温度におけるノイズも減少していて、その相関が大きいことから、ＴＣのみの効果であると明言できない。言い換えると、図１４に示すような放置効果である可能性も否定できない。
【００６３】
しかしながら、３５Ｋ以上であるとＴＣを行った温度でのノイズと、ＴＣの結果得られたノイズとの乖離が激しくなり、また、３０Ｋと３５Ｋの間におけるＴＣの効果が大きいと判断できる。よって、ＴＣの効果がはっきり判る温度は３５Ｋ付近であると言える。
【００６４】
▲５▼：まとめ
ＴＣの効果は、基本的にはランダム・テレグラフ・シグナルノイズの排除に役立っていると考えられる。ＴＣ後、ゲート電圧を変化させてもノイズの劣化は押さえられていることから、チャネル内部でのトラップとは考えづらい。しかしながら、コンダクタンスの揺らぎの大きさから考えると、電流値の１／１０００程度の変調が掛けられている状況から判断すると、空乏層付近でそのクローン力が作用していると考えることが妥当と思われる。
【００６５】
前記サンプルのトランジスタであるＳＯＮＹ株式会社製のＧａＡｓＪ−ＦＥＴは、低いドレイン電流での動作に於いて良好な静特性、低容量、高いゲート抵抗を有し、優れた性能を示した。また、ノイズ特性に関しても、ＴＣを用いることによって、低ノイズを多種のゲートサイズのＦＥＴにおいて実現することができた。
【００６６】
言い換えれば、低い電力、低い漏れ電流、低ノイズのインピーダンス変換回路への応用ができるポテンシャルを有している。前記ＳＯＮＹ株式会社製のＧａＡｓＪ−ＦＥＴは、Ｓｉ−ＭＯＳやＭＥＳＦＥＴよりも優れた性能を有し、高いインピーダンス状態で用いる極低温動作検出器の読み出し回路に応用することに非常に適していると考えられる。
【００６７】
§３：サーマルキュアの詳細な説明
図１６は、サーマルキュアによるノイズ低減効果の詳細な説明図（その１）、図１７はサーマルキュアによるノイズ低減効果の詳細な説明図（その２）である。
【００６８】
（１）  ：サーマルキュアによるノイズ低減効果の一般的な説明
図１６に示したように、ＴＣの有効な条件は、トラップへのキャリアの遷移がトンネル過程で決定されるほど、低温での使用が前提となる。ＴＣの物理的解釈としては、キャリアがトラップ準位へスイッチした後、ポテンシャルが変化し、チャネル領域とトラップまでの物理的な距離が離れる。従って、トンネルによるキャリアのスイッチの頻度は低減する。
【００６９】
この過程は、ランダム・テレグラフ・シグナルが見られる場合起こりえると考えられるが、ＴＣを行った場合、チャネル全体に対し同時にトラップを埋める働きがあり、ポテンシャル界面の平滑性が向上すると考えられる。以下、更に図に基づいて詳細に説明する。
【００７０】
図１６に示したようなＰＮ接合を考えた場合、熱的な揺らぎでトラップ準位とのキャリアのスイッチングが決定される温度まで電流を流したまま、素子温度を上昇させると、電子がトラップ準位に遷移する。そのため、ＰＮ接合部分のポテンシャルが変化する。
【００７１】
つまり、トラップ位置とキャリアの位置の物理的距離が離れ、その後、キャリアのスイッチングレートが減少する。この場合、ＴＣはチャネル全体にトラップを埋める働きをする。その結果、ＲＴＳの減少が起こり、ノイズの低減が起こる。
【００７２】
（２）  ：ＭＯＳＦＥＴのＴＣについて
図１７に示したように、通常、ＭＯＳＦＥＴのトラップは、酸化層との界面付近に存在すると考えられている。図１６に示したＰＮ接合の場合と同様に、スイッチングプロセスが熱的揺らぎで決定される温度まで一旦昇温した後、トンネルプロセスが支配的になる温度まで冷却する（電流を流したまま）。前記ＰＮ接合の場合と同様に、トラップとチャネルの距離が物理的に離れるため、トンネル確率は著しく低下し、ノイズが減少する。
【００７３】
（３）  ：ＴＣの物理的解釈のまとめ
ＴＣは、トラップへのキャリアの遷移がトンネル過程で決定されるほど低温での使用が前提となる。そして、キャリアがトラップ準位へスイッチした後、ポテンシャルが変化し、チャネル領域とトラップまでの物理的距離が離れる。従って、トンネルによるキャリアのスイッチはその頻度を低減する。
【００７４】
この過程は、ランダム・テレグラフ・シグナルが見られる場合起こりえると考えられるが、ＴＣを行った場合チャネル全体を同時にトラップを埋める働きがあり、ポテンシャル界面の平滑性が向上すると考えられる。
【００７５】
なお、前記極低温動作可能なトランジスタとしては、前記ＧａＡｓＪ−ＦＥＴに限らず、Ｓｉ−ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｎチャンネル及びＰチャンネル）、Ｓｉ−ＪＦＥＴ等、他の同様な素子でも適用可能である。但し、ＴＣの温度は異なる。
【００７６】
§４：極低温動作ＦＥＴの応用例
図１８は極低温動作ＦＥＴの応用例を示した図である。この応用例は、微弱光検出器に用いられるＣＴＩＡ（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の例である。この微弱光検出器は、ノイズとなる熱的なキャリアの励起や、背景輻射を抑えるために極低温に冷却する必要がある。
【００７７】
一般的に検出器は高いインピーダンスを持ち、信号を取り出すためには、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）を用いたインピーダンス変換回路が必要となる。外来ノイズや熱流入を抑えるためにも検出器とＦＥＴは同じ動作温度で使用できることが望ましい。
【００７８】
図１８中、処断ＦＥＴによってインピーダンス変換が行われるが、このＦＥＴの性能が読み出し回路の性能を支配的に決定する。
【００７９】
§５：冷却器の説明
図１９は冷却器の１例を示した図である。図１９において、１１はトップカバー、１２はベローズ、１３は窒素容器、１４はネックチューブ、１５はサポート部材、１６は二重壁のケース、１７はヘリウム容器、１８は放熱シールド、１９は銅冷却板、２０はウインドウ（窓）、２１はコネクタを示す。
【００８０】
この冷却器（クライオスタット）は、液体ヘリウムを注入して用いる。図示した銅冷却板（ｃｏｐｐｅｒ  ｃｏｌｄ  ｐｌａｔｅ  ）１９は、液体ヘリウム温度まで冷却されるものである。光検出器及び読み出し回路はこの銅冷却板（ｃｏｐｐｅｒ  ｃｏｌｄ  ｐｌａｔｅ  ）１９上に固定され、ウインドウ（ｗｉｎｄｏｗ）２０から導かれる光を検出する。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば次のような効果がある。
【００８２】
冷却器内において、第１の温度でトランジスタに電源を投入して動作状態にし、電流を流したまま、該トランジスタの素子温度を一旦、第１の温度より高い第２の温度まで上昇させ、その後、トランジスタの素子温度を、第２の温度から第１の温度まで冷却する（サーマルキュアを行う）。そして、前記トランジスタ（サーマルキュアを行ったトランジスタ）を通常の極低温動作温度である第１の温度で動作させることにより、前記トランジスタの低周波ノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるノイズレベレのサーマル・キュアの有無による差を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるノイズ測定用回路である。
【図３】本発明の実施の形態における室温における静特性（その１）である。
【図４】本発明の実施の形態における室温における静特性（その２）である。
【図５】本発明の実施の形態における液体窒素温度における静特性（その１）である。
【図６】本発明の実施の形態における液体窒素温度における静特性（その２）である。
【図７】本発明の実施の形態における液体ヘリウム温度における静特性（その１）である。
【図８】本発明の実施の形態における液体ヘリウム温度における静特性（その２）である。
【図９】本発明の実施の形態におけるチャネルゲート間容量の印加電圧依存性を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態における４．２Ｋにおけるノイズ特性である。
【図１１】本発明の実施の形態におけるランダム・テレグラフ・シグナル波形である。
【図１２】本発明の実施の形態におけるノイズ特性の動作温度依存性である。
【図１３】本発明の実施の形態におけるサーマルキュアの有無によるノイズ特性の差である。
【図１４】本発明の実施の形態におけるノイズ特性の安定性である。
【図１５】本発明の実施の形態におけるノイズのＴＣ温度依存性である。
【図１６】本発明の実施の形態におけるサーマルキュアによるノイズ低減効果の詳細な説明図（その１）である。
【図１７】本発明の実施の形態におけるサーマルキュアによるノイズ低減効果の詳細な説明図（その２）である。
【図１８】本発明の実施の形態における極低温動作ＦＥＴの応用例である。
【図１９】本発明の実施の形態における冷却器の１例である。
【図２０】従来例の説明図であり、Ａ図はＧａＡｓＪ−ＦＥＴの出力波形、Ｂ図はノイズスペクトルの温度依存性である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓＪ−ＦＥＴ（ＧａＡｓ接合型電界効果トランジスタ）
２  オペアンプ
３  ＰＰＭＳ
１１  トップカバー
１２  ベローズ
１３  窒素容器
１４  ネックチューブ
１５  サポート部材
１６  二重壁のケース
１７  ヘリウム容器
１８  放熱シールド
１９  銅冷却板
２０  ウインドウ
２１  コネクタ
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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