(57)【要約】【課題】動作速度の速いテラヘルツ波検出装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ波検出装置は、テラヘルツ波の照射により温度が上昇するテラヘルツ波吸収部を中央に有する両持ち梁構造のテラヘルツ波受信素子と、周波数変調検出法に基づいてテラヘルツ波受信素子の共振周波数のシフトによるテラヘルツ波の照射を検出する検出部とを備える。テラヘルツ波吸収部にテラヘルツ波が照射されるとテラヘルツ波受信素子の梁部の温度が上昇し、弾性定数の温度依存性により梁部に応力が作用し、両持ち梁構造における共振周波数が変化する。検出部では、この共振周波数のシフトを検出することにより、テラヘルツ波の受信を検出する。共振周波数のシフトを追跡する検出方法では、梁の振動振幅が一定に保たれるので、梁に溜まる振動エネルギーが変化せず、Ｑ値による時間の制限を受けないため、高速に動作することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出装置であって、
テラヘルツ波の照射により温度が上昇するテラヘルツ波吸収部を中央に有する両持ち梁構造のテラヘルツ波受信素子と、
周波数変調検出法に基づいて前記テラヘルツ波受信素子の共振周波数のシフトによるテラヘルツ波の受信を検出する検出部と、
を備えるテラヘルツ波検出装置。
【請求項２】
請求項１記載のテラヘルツ波検出装置であって、
前記テラヘルツ波受信素子は、半導体集積回路作製技術を用いて形成される微小電子機械構造として構成されており、
前記検出部は、位相同期回路を用いて前記テラヘルツ波受信素子の共振周波数のシフトを検出する、
テラヘルツ波検出装置。
【請求項３】
請求項２記載のテラヘルツ波検出装置であって、
前記テラヘルツ波受信素子をＮ行Ｍ列に配列したテラヘルツ波受信素子アレイを有する、
テラヘルツ波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波検出装置としては、光吸収部と温度検出部を有するボロメータ型テラヘルツ波検出素子が広く用いられている。また、最近は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置したものが提案・作製されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のボロメータ型テラヘルツ波検出装置では、入射電磁波（テラヘルツ波）を一旦熱に変換し、温度上昇による物理量の変化を信号として読み出すため、原理的に室温動作が可能で広い範囲の周波数に対応することができる利点があるものの、動作速度が遅いことが指摘されている。このため、動作速度の速い検出装置が求められている。
【０００５】
本発明のテラヘルツ波検出装置は、動作速度の速いテラヘルツ波検出装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のテラヘルツ波検出装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明のテラヘルツ波検出装置は、
テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出装置であって、
テラヘルツ波の照射により温度が上昇するテラヘルツ波吸収部を中央に有する両持ち梁構造のテラヘルツ波受信素子と、
周波数変調検出法に基づいて前記テラヘルツ波受信素子の共振周波数のシフトによるテラヘルツ波の受信を検出する検出部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明のテラヘルツ波検出装置では、テラヘルツ波の照射により温度が上昇するテラヘルツ波吸収部を中央に有する両持ち梁構造のテラヘルツ波受信素子を用いる。テラヘルツ波吸収部にテラヘルツ波が照射されるとテラヘルツ波受信素子の梁部の温度が上昇し、梁部が熱膨張することにより梁内部に応力が作用し、両持ち梁構造における共振周波数が変化する。検出部では、この共振周波数の変化（シフト）を周波数変調検出（ＦＭ検出）に基づいて検出することにより、テラヘルツ波の受信を検出する。梁の駆動周波数を固定し、振幅変化を読み出す方式（スロープ検出）の感度は、梁の振動振幅の変化に伴い梁部に蓄えられているエネルギーの変化を伴うため、高いＱ値の影響を受けて動作速度は遅くなる。一方、梁の振幅を一定に保ったまま、周波数シフトを直接読み出す方式（周波数変調検出：ＦＭ検出）の感度は、梁部に溜まる振動エネルギーの変化を伴わないため、原理的には素子の熱的な時定数までの動作が可能となり、スロープ検出に比して高速に動作することができる。この結果、動作速度の速いテラヘルツ波検出装置とすることができる。
【０００９】
本発明のテラヘルツ波検出装置において、前記テラヘルツ波受信素子は、半導体集積回路作製技術を用いて形成される微小電子機械構造として構成されており、前記検出部は、位相同期回路を用いて前記テラヘルツ波受信素子の共振周波数を検出するものとしてもよい。こうすれば、極めて微小な装置とすることができる。この場合、前記テラヘルツ波受信素子をＮ行Ｍ列に配列したテラヘルツ波受信素子アレイを有するものとしてもよい。こうすれば、テラヘルツ波によるイメージ検出を行なうことができる。ここで、Ｎ，Ｍは１以上の整数である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例としてのテラヘルツ波検出装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】テラヘルツ波受信素子３０を上方からみた平面図である。
【図３】図２のテラヘルツ波受信素子３０のＡ−Ａ断面の断面図である。
【図４】半導体集積回路作製技術によりテラヘルツ波受信素子３０を作製している様子の一例を示す説明図である。
【図５】テラヘルツ波の照射の有無におけるテラヘルツ波受信素子３０の振動の周波数と検出電圧Ｖｏとの関係を示す説明図である。
【図６】テラヘルツ波の照射による加熱の周波数を変化させたときのテラヘルツ波受信素子３０の共振周波数のシフトによる検出波形を示す説明図である。
【図７】テラヘルツ波の照射による加熱の周波数を変化させたときのテラヘルツ波受信素子３０の固定周波数ｆにおける振幅の変化による検出波形を示す説明図である。
【図８】振幅の変化による検出と共振周波数のシフトによる検出におけるテラヘルツ波の照射による加熱の周波数とその応答性の関係の一例を示すグラフである。
【図９】テラヘルツ波受信素子アレイ１３０の構成の概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明の一実施例としてのテラヘルツ波検出装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のテラヘルツ波検出装置２０は、微小電子機械構造として構成された両持ち梁構造のテラヘルツ波受信素子３０と、テラヘルツ波受信素子３０を付与する振動の周波数を調整する位相同期回路４０と、テラヘルツ波受信素子３０の検出信号にゲインを乗じて位相同期回路４０に入力する信号増幅器３９と、を備える。
【００１３】
図２はテラヘルツ波受信素子３０を上方からみた平面図であり、図３は図２のテラヘルツ波受信素子３０のＡ−Ａ断面の断面図である。テラヘルツ波受信素子３０は、ＧａＡｓの基板部３１ａにＧａＡｓの薄膜３１ｂを積層した基板３１と、基板３１に立脚する二脚のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓによる犠牲層３２と、２脚の犠牲層３２の上に形成されたＧａＡｓの第１梁層３３ａとＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第２梁層３３ｂとＧａＡｓの第３梁層３３ｃとを積層してなる梁部３３と、梁部３３の第３梁層３３ｃの上層に形成された二次元電子伝導層３４と、梁部３３の中央に薄膜として形成されてテラヘルツ波の照射により温度上昇するＮｉＣｒのテラヘルツ波吸収部３５と、梁部３３の両端部の上に形成されたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第１メサ層３６ａとｎ形のＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第２メサ層３６ｂとＧａＡｓの第３メサ層３６ｃとを積層してなる２つのメサ構造３６と、メサ構造３６の上に隔離して蒸着された２対の電極３７ａ，３７ｂと、を備える。メサ構造３６を構成する半導体は圧電効果を奏するから、テラヘルツ波受信素子３０の一方の電極３７ａ，３７ｂに交番する駆動信号を入力することにより梁部３３を振動させることができ、この梁部３３の振動に応じた電圧を他方の電極３７ａ，３７ｂから電気信号として検出することができる。実施例では、テラヘルツ波受信素子３０は、長手方向の長さが１２０μｍ、幅が４０μｍであり、基板３１の薄膜３１ｂの厚みが２００ｎｍ、二脚の犠牲層３２の厚みが３μｍ、梁部３３の第１梁層３３ａ，第２梁層３３ｂ，第３梁層３３ｃの厚みがそれぞれ１００ｎｍ，１０ｎｍ＋１０ｎｍ（ＧａＡｓが１０ｎｍでＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓが１０ｎｍ），１μｍ、メサ構造３６の第１メサ層３６ａ，第２メサ層３６ｂ，第３メサ層３６ｃの厚みがそれぞれ２０ｎｍ，５５ｎｍ，１０ｎｍとなるように作製した。なお、実施例では、テラヘルツ波受信素子３０の梁部３３をＧａＡｓの第１梁層３３ａとＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの第２梁層３３ｂとＧａＡｓの第３梁層３３ｃとを積層することにより構成したが、ＧａＡｓのみで構成するものとしてもよい。
【００１４】
テラヘルツ波受信素子３０は、半導体集積回路作製技術を用いて形成される。例えば、図４に示すように、基板部３１ａと薄膜３１ｂとからなる基板３１に、犠牲層３２と梁部３３と二次元電子伝導層３４とメサ構造３６とを積層したウエハを作製し（図４（ａ））、エッチングなどにより２つのメサ構造３６を形成する（図４（ｂ））。続いて、ＮｉＣｒの蒸着によりテラヘルツ波吸収部３５を形成すると共にＡｕの蒸着により２つのメサ構造３６の各々に一対（全体として２対）の電極３７ａ，３７ｂを形成する（図４（ｃ））。そして、エッチングなどにより２脚の犠牲層３２により梁部３３が支持されるように形成してテラヘルツ波受信素子３０を完成する（図４（ｄ））。
【００１５】
位相同期回路４０は、図１に示すように、周知の位相同期回路として構成されており、テラヘルツ波受信素子３０の一方の電極３７ａ，３７ｂにより検出された信号増幅器３９によりゲインが乗じられた検出信号を入力して基準信号との位相を比較する位相比較器４２と、位相比較器４２からの信号の高周波を遮断するローパスフィルタ４４と、ローパスフィルタ４４からの信号が打ち消される方向に周波数を変更して振動信号を出力する電圧制御発振器４６と、を備える。電圧制御発振器４６からの振動信号は、テラヘルツ波受信素子３０の他方の電極３７ａ，３７ｂに駆動信号として入力されると共に基準信号として位相比較器４２に入力される。したがって、電圧制御発振器４６からの振動信号は、テラヘルツ波受信素子３０の梁部３３の共振周波数の信号となる。
【００１６】
次に、こうして構成されたテラヘルツ波検出装置２０の動作について説明する。テラヘルツ波が照射されていない状態では、室温による梁部３３の共振周波数となる振動信号が電圧制御発振器４６から出力される。テラヘルツ波をテラヘルツ波吸収部３５に照射すると、テラヘルツ波吸収部３５の温度が上昇し、梁部３３に応力が作用し、梁部３３の共振周波数が変化する。梁部３３のヤング率をＥ、密度をρ、モードに応じた定数をμn、梁の長さをＬ、梁の厚みをｔとすると、両持ち梁構造の固有振動数ω0は次式（１）により表わされる。梁の長手方向の応力をσとすると、応力σが作用したときの両持ち梁構造の固有振動数ω0（σ）は、応力が作用していないときの固有振動数ω0（０）とすると式（２）により表わされる。
【００１７】
【数１】
2018146294.tif 000003
【００１８】
梁部３３の共振周波数が変化すると、位相同期回路４０は、変化した共振周波数の振動信号が電圧制御発振器４６から出力されるように調整するから、電圧制御発振器４６からの振動信号により共振周波数を得ることができ、共振周波数のシフトによりテラヘルツ波の照射を検出することができる。ここで、テラヘルツ波の入射による周波数シフトの感度Ｒは、入射するテラヘルツ波のパワーをＰ0、電磁波（テラヘルツ波）の吸収効率をη、梁部３３の材料の熱伝導率をκ、梁の幅をＷ、梁の熱膨張係数をαT、周波数のシフト量をΔωnとすると、次式（３）により表わされる。一方、テラヘルツ波の入射による固定周波数の振幅変化の感度ＲAは、振動の振幅をＡn、振幅の変化量をΔＡn、共振のＱ値をＱとすると、式（４）により表わされる。
【００１９】
【数２】
2018146294.tif 000004
【００２０】
式（３）に示すように、テラヘルツ波の入射による周波数シフトの感度Ｒは、電磁波の吸収効率ηに依存するものの、共振のＱ値に制限されない。このため、実施例のテラヘルツ波検出装置２０は、固定周波数の振幅変化によりテラヘルツ波の照射を検出する場合に比して、高速に動作することができる。以下にこの点について説明する。図５は、テラヘルツ波の照射の有無におけるテラヘルツ波受信素子３０の振動の周波数と検出電圧Ｖｏとの関係を示す説明図である。図中、Δｆはテラヘルツ波の照射の有無による共振周波数のシフト量を示し、ΔＶｏはテラヘルツ波の照射の有無による固定周波数ｆにおける振幅の変化量である。図６は、テラヘルツ波受信素子３０に対してテラヘルツ波の照射による加熱の周波数を変化させたときの周波数変調検出法（ＦＭ検出法）に基づくテラヘルツ波受信素子３０の共振周波数のシフトによる検出波形を示す説明図であり、図７は、テラヘルツ波受信素子３０に対してテラヘルツ波の照射による加熱の周波数を変化させたときのテラヘルツ波受信素子３０の固定周波数ｆにおける振幅の変化による検出波形を示す説明図である。図７に示すように、振幅の変化による検出波形では、１０Ｈｚ〜１６０Ｈｚまでのテラヘルツ波の照射による加熱の周波数に対しては明確にテラヘルツ波の照射による加熱の周期を識別することができるが、３２０Ｈｚのテラヘルツ波の照射による加熱の周波数ではテラヘルツ波の照射による加熱の周期の識別は困難となる。したがって、振幅の変化による検出では、バンド幅は１００Ｈｚ程度となる。一方、図６に示すように、ＦＭ検出法に基づく共振周波数のシフトによる検出波形では、１０Ｈｚ〜５．１２ｋＨｚまでのテラヘルツ波の照射による加熱の周波数に対しては明確にテラヘルツ波の照射による加熱の周期を識別することができる。このため、ＦＭ検出法に基づく共振周波数のシフトによる検出では、バンド幅は５ｋＨｚ程度となる。振幅の変化による検出と共振周波数のシフトによる検出におけるテラヘルツ波の照射による加熱の周波数とその応答性の関係を図８に示す。図中、実線は振幅の変化による検出（ＳＤ）の場合を示し、破線はＦＭ検出法に基づく共振周波数のシフトによる検出（ＦＭＤ）の場合を示す。図示するように、共振周波数のシフトによる検出（ＦＭＤ）の方が振幅の変化による検出（ＳＤ）に比して、が広いバンド幅を有することが解る。
【００２１】
以上説明した実施例のテラヘルツ波検出装置２０では、両持ち梁構造としたテラヘルツ波受信素子３０のテラヘルツ波吸収部３５にテラヘルツ波が照射されるとテラヘルツ波受信素子３０の梁部３３の温度が上昇し、弾性定数の温度依存性により梁部３３に応力が作用し、両持ち梁構造における共振周波数が変化する。このとき、位相同期回路４０は、テラヘルツ波受信素子３０の共振周波数の振動信号が電圧制御発振器４６から出力されるように調整するから、周波数変調検出法に基づく共振周波数の変化（シフト）を検出することにより、テラヘルツ波の受信を検出することができる。周波数変調検出法に基づく共振周波数のシフトを追跡する検出方法では、梁の振動振幅が一定に保たれるので、梁に溜まる振動エネルギーが変化せず、Ｑ値による時間の制限を受けないため、高速に動作することができる。この結果、動作速度の速いテラヘルツ波検出装置２０とすることができる。
【００２２】
実施例のテラヘルツ波検出装置２０では、１個のテラヘルツ波受信素子３０を用いるものとしたが、図９に例示するように、複数のテラヘルツ波受信素子３０をＮ行Ｍ列（図９では８行２列）に配列したテラヘルツ波受信素子アレイ１３０を用いるものとしてもよい。こうすれば、テラヘルツ波によるイメージを検出することができる。
【００２３】
実施例のテラヘルツ波検出装置２０では、テラヘルツ波受信素子３０を長さが１２０μｍで幅が４０μｍとして構成するものとしたが、このサイズに限定されるものではなく、梁の長さを変更したり、梁を幅や厚みを変更するものとしてもよい。
【００２４】
実施例のテラヘルツ波検出装置２０では、テラヘルツ波受信素子３０をＧａＡｓを主体とする半導体により形成するものとしたが、他の半導体材料を主体とする半導体により形成するものとしても構わない。
【００２５】
実施例のテラヘルツ波検出装置２０では、両持ち梁構造としたテラヘルツ波受信素子３０の共振周波数のシフトを位相同期回路４０により検出するものとしたが、周波数変調検出法に基づくテラヘルツ波受信素子３０の共振周波数のシフトの検出であればよいから、位相同期回路４０以外の手法によりテラヘルツ波受信素子３０の共振周波数のシフトを検出するものとしてもよい。
【００２６】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、テラヘルツ波検出装置の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
２０  テラヘルツ波検出装置、３０  テラヘルツ波受信素子、３１  基板、３１ａ  基板部、３１ｂ  薄膜、３２  犠牲層、３３  梁部、３３ａ  第１梁層、３３ｂ  第２梁層、３３ｃ  第３梁層、３４  二次元電子伝導層、３５  テラヘルツ波吸収層、３６  メサ構造、３６ａ  第１メサ層、３６ｂ  第２メサ層、３６ｃ  第３メサ層、３７ａ，３７ｂ  電極、３９  信号増幅器、４０  位相同期回路、４２  位相比較器、４４  ローパスフィルタ、４６  電圧制御発振器、１３０  テラヘルツ波受信素子アレイ。
【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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