テラヘルツおよびギガヘルツ固体ミニチュア分光計
電荷担体層に対する少なくとも第１および第２のコンタクト、単一又は多数の欠陥を組み入れた外見上２Ｄ電荷担体層または調整可能な固体２Ｄ電荷担体層からなる高速ミニチュアテラヘルツ及びギガヘルツ電磁放射オンチップの分光計。また、デバイスは第１および第２のコンタクトの間のデバイス応答および電荷担体層パラメータのうちの少なくとも１つの制御可能な調整のためのデバイスを測定するデバイスを含む。動作原理は、異なる波長の放射線が電荷担体層のプラスマ・モードの異なった集合を励起するという事実に基づく。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001] ギガ（GHz）−テラヘルツ（THz）周波数レンジに存在している電磁スペクトルの領域が、最近、種々の科学および技術の分野において関心が高まってきている。一つには、この種の関心はGHz〜THz放射線のユニークな特性によって生じ、それは多くの役立つ用途に関するかかる放射用途を作る。テラヘルツ放射線は非イオン化し、かくして、Ｘ線とは異なり、それは生物学的組織およびＤＮＡに関して有害でない。更に、大部分の生物製剤および化学剤はTHz領域で共鳴する吸収線を備えている。したがって、異なる人間および他の生物学的組織の正確で安全なＸ線断層撮影を可能にすることができる。テラヘルツ放射線がファブリックおよびプラスチックを透過することができるので、例えば、隠された武器のためのスクリーンにセキュリティ・アプリケーションとして使うことができる。THz放射線の高周波性質は、より高い周波数コンピュータおよび高度電気通信システムを利用することを可能にする。同様に、テラヘルツ感知およびイメージングは、そうすることができ、製造の分野、品質管理および方法モニタリングの多くのアプリケーションで使われる。
【背景技術】
【０００２】
これらの用途は一般的に、プラスチック、ボール紙およびテラヘルツ放射線を透過する他のパッケージ材の特性を利用し、それによって、包装された製品を検査することを可能にする。同様に、ミリメートル未満およびミリメートル天文学調査から固体調査まで、ＴHz放射線は、様々な分野の科学的な研究の追加的なツールとしての余裕がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0002] 本発明の例示の実施形態の概略を述べる。当業者がより早く詳細な設計議論を理解するのを助けるために提供されるが、特許請求の範囲を限定することを目的としない。
【０００４】
[0003] 本発明は、米国特許出願番号第12/247,096号に記載された技術及び発明に基づき、それは本願明細書にリファレンスとして組み入れられる。この後開示される実施形態は、本発明を利用し、少なくとも一つの統合された欠陥を有する調整可能な電荷担体層を含む固体系のプラズモンの共鳴する励起に基づいて、新規で速い、ミニチュアの電磁放射分光計を提供する。キャビティのサイズに従い、共鳴するプラズモン励起が起こる所で、デバイスの動作周波数は、約1GHzから約10THzまでの範囲にわたる。電荷担体層の調整は、担体密度、誘電環境、印加磁場、有効担体質量およびプラズモン・キャビティのサイズという層パラメータのうちの少なくとも1つの制御可能なスィープによって達成されることができる。デバイスは、一つ以上の調整可能な固体系から成ることができ、それぞれは、少なくとも１つの故意に組み入れられた欠陥、および、前記層に電気的に接続される少なくとも２つのポテンシャルコンタクトを備えた少なくとも一つの電荷担体層（電子または正孔）を包含する。
【０００５】
[0004] 前記調和を達成するために、装置はまた、上記リストされた電荷担体層パラメータの一つ以上の制御可能な調整のための手段を含む。「欠陥」は、（米国特許出願番号第12/247,096号において詳述される）二次元の電荷層に導入されるいかなる異質（inhomogeneity）からも成ることができる。入射放射光のスペクトルは、調整可能なパラメータの調整対するデバイス応答の分析を介して算出されることができる。周波数高感度リアルタイム・マトリックス・カメラは、その小型（通常2、3マイクロメートルのオーダー）を原因として生じるので開示された基本的分光計要素およびいかなる可動部分もまたは構成要素の完全な欠如を基礎として実装されることができる。
【０００６】
[0005] 本願明細書において記載される実施形態の動作は、以下の原理に依存することができる：
１. 入射放射線は、ポテンシャルプローブに、および／または、電荷担体層に、および／または、アンテナ構造に結合し、それにより、それらの上に交流電圧を導入する。
２．交流電圧は、プラスマ波を誘導し、それは調整可能なプラズモン・キャビティにおいて伝播して、共鳴する。キャビティは、境界によって制限される結晶上の領域を表し、プラズモン分散の境界はステップを経験する。キャビティは、そのパラメータ（例えば、担体密度）のうちの少なくとも１つの連続制御可能な調整（すなわち、スィープ）によって調整されることができる。
３．デバイス内部の振動しているプラズモン電界は、デバイスの非線形特性によって調整され、ポテンシャルプローブの異なるペアの間のDC応答に結果としてなる。非線形デバイス挙動は、（米国特許出願番号第12/247,096号で詳細に説明したような）少なくとも一つの欠陥の存在によって生じる。
４．調整可能なパラメータの関数としてデバイス応答／信号の検出は、入射放射線のスペクトルを計算するのに十分なデータをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】[0006] 図１は、プラズモン・キャビティがバックゲートによって調整される別の実施形態の側面図である。
【図２】[0007] 図２は、図１のデバイスの概略平面図である。
【図３】[0008] 図３は、プラズモン・キャビティが誘電層に配置される上部ゲートによって調整される別の実施形態の概略側面図である。
【図４】[0009] 図４は、図３のデバイスの概略平面図である。
【図５】[0010] 図５は、プラズモン・キャビティが構造上に直接配置されるゲートによって調整される別の実施形態の概略側面図である。
【図６】[0011] 図６は、図５のデバイスの概略平面図である。
【図７】[0012] 図７は、任意の形状の一連のプラズモン・キャビティが調整される別の実施形態の概略側面図である。
【図８】[0013] 図８は、図７のデバイスの概略平面図である。
【図９】[0014] 図９は、欠陥を調整することが、プラズモン・キャビティから離れて配置される別の実施形態の概略側面図である。
【図１０】[0015] 図１０は、図９のデバイスの概略平面図である。
【図１１】[0016] 図１１は、プラズモン・キャビティの調和がその誘電環境をスィープすることによって実行される別の実施形態の概略側面図である。
【図１２】[0017] 図１２は、プラズモン・キャビティの調和が磁場をスィープすることによって実行される別の実施形態の概略側面図である。
【図１３】[0018] 図１３は、プラズモン・キャビティの調和がキャビティの容積を調整することによって達成される別の実施形態の概略側面図である。
【図１４】[0019] 図１４は、プラズモンに対する能率的なカップル入射光に対するアンテナを有する別の実施形態の概略側面図である。
【図１５】[0020] 図１５は、電子密度の関数として、異なる放射線周波数に関して、放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。プラズモン・キャビティの容積は、L=400μｍである。
【図１６】[0021] 図１６は、電子密度の関数として、異なる放射線周波数のための放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。プラズモン・キャビティの容積はL= 100μｍである。
【図１７】[0022] 図17（下部部分）は、電子密度の関数として、磁場の異なる大きさのための放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。図17（上部部分）は、磁場大きさの関数として、磁場の異なる大きさのための放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。
【図１８】[0023] 図18は、図3および4のデバイスの例示の実施形態に関して、放射線誘導された光電圧信号を例示する。
【図１９】[0024] 図19は、温度（ケルビン温度（K)）に対する分光計応答のグラフであり、液窒素点より上の温度で提案された方法の実現可能性を例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0025] 低次元の電荷担体層の総体的なプラスマ励起は、何十年も研究者およびエンジニアの関心を引きつけた。一方、関心はあり余る程のプラスマ波効果によって生じ、それは科学的な観点から興味深い。プラズモン・キャビティの10の幾何学およびパラメータを適切に設計することによって、特定のteraherstz領域のキャビティのプラスマ周波数を成し遂げることが可能であると確認された。プラズモンの基本的特徴は、周波数および波ベクトルである。それらは、分散関係によって互いに関係している。二次元の電荷担体層のプラスマ波は、以下の式の分散を有する：
【０００９】
【数１】
【００１０】
ここで、nsおよびm*は各々、密度および二次元の電子/正孔の有効質量であり、ε0およびε(q)は各々、真空の誘電率および環境の実効誘電率であり、ωρは、プラスマ波の周波数を意味する。分散は、有効0の電気的誘電率によって強く影響され、プラズモン波ベクトルqの複素関数である。本願明細書において提案されるデバイスの実施形態では、各々のプラズモンの伝播は、電荷担体層−プラズモン・キャビティの特定の一部に制限される。このプラズモン・キャビティは、プラズモン分散がステップを経験する幾何学的な境界によって定義される。幾何学的なキャビティサイズが、Lに達する場合、キャビティ境界から後方散乱（backscattered）されるプラスマ波の干渉のために、次いで、波ベクトルq = ｎπ／L（n = 1、2、3K）を有するプラズモンだけが励起される。放射線周波数が固定され、電荷担体層パラメータ（例えば電子/正孔密度ns）のうちの1つがスィープされる場合、波数n=1、2、3Kとの連続的なプラスマ共鳴は、結果としてキャビティになる。結果として生じる共鳴は、アメリカ特許出願番号第12/247,096号にて記載されるように、デバイス応答（例えば光電圧（photovoltage）、光電流、光キャパシタンス（photocapacitance）、光インダクタンス（photoinductance）または光抵抗（photoresistance）信号）を生成するのに用いることができる。電子／正孔密度の関数として、信号は一連の対応する最大によって特徴づけられる。パラメータ（例えば、電子または正孔密度）が特定のレンジにあるとき、かかる最大は成し遂げられる。測定された共鳴するレスポンス関数は、入射光の周波数によって定義され、上記の方程式(1)に基づいて決定されることができる。結果として生じる共鳴関数の形状は、周波数または入射光のスペクトルを算出することができる。
【００１１】
[0026] 入射ギガ・テラヘルツ放射線の分光分析は、多くのデバイス実施形態に関して実行された。入射光のスペクトルは、パラメータのうちの１つを調整することによって得られ、それはプラズモン分散またはローカライゼーションに影響する。図１〜10において概略的に表される第１のデバイス系統に関して、調整されるパラメータは、プラズモン・キャビティの電荷密度である。図11〜13の他の図示した実施形態に関して、調整されるパラメータは、磁場、誘電環境、プラズモン・キャビティのサイズのいずれであってもよい。説明を簡単にするため、以下の説明では、１つの層の二次元の電荷担体システムを用いる。しかし、同じ原理および結果も特許請求の範囲において特定される他の種類の電荷担体層にあてはまると理解され得る。
【００１２】
[0027] 図面に戻ると、図1〜2は、本発明の一実施形態による固体デバイス１を示す。デバイス１は、埋め込みバックゲート３および二次元の電荷担体層４を有する構造体２を含む。デバイス電荷担体層４は、欠陥構造5を含む。１つの欠陥および／または複数の欠陥は、二次元の電荷担体層のおよび／またはその環境のいかなる異質（inhomogeneity）でもあってもよい。例えば、環境のこの種の欠陥は、固体水晶のキャップ層におけるステップを作成することによって導かれることができる。一般に、欠陥は、現在公知のまたは後で発現したいかなる方法を使用して作り、または、導入されることができる。欠陥の他の実施形態は、エッチングされた領域、電荷担体密度異質（inhomogeneity）、圧縮または拡張、（例えば、構造上に堆積された）金属層、不純物ドーピング、電荷担体可動性欠陥、誘電性環境欠陥、構造上の欠陥などの１以上の形式で実現されることができる。図1-2において例示されるデバイス実施形態は、欠陥構造５（電荷結合密度異質）を含み、半導体の結晶または他のいかなる適切な固体デバイスの上にも堆積するゲート6によって作成される。電圧をゲート6に印加することによって、ゲート6の下の二次元のシステムの領域は減少することができ、または、豊かにすることができ、それは密度異質（density inhomogeneity）を二次元の電荷担体層4に加えて、欠陥を形成する。デバイス1は、コンタクト7および8を有する各々の端で終わる。コンタクト9は、バックゲート3に接続している。バックゲート3は、電界効果を介して電荷担体層のキャリア密度をスィープすることを目的とする。
【００１３】
[0028] 図２は、その欠陥5およびコンタクト7および8が、長さL1およびL2の二次元のシステムの領域を制限することを示す。入射光の下で、これらの領域は、バックゲート可能性によって調整される共鳴するプラズモン・キャビティとして作用する。調整されたキャリア密度に応答するデバイスの周知の機能によって放射線スペクトルを算出することができる。
【００１４】
[0029] 更に、デバイス1は、一つ以上の電荷担体層、および／または、図1および2に示されないコンタクトなどを包含する。更に、バックゲート3によるプラズモン・キャビティの調和は、キャビティの電荷密度を調整するためのさまざまな構成を例示するだけである。その範囲まで、図3および4は本発明の他の実施形態による別の半導体デバイス10を示す。本実施形態では、プラズモン・キャビティのキャリア密度は、上部ゲート11によって調整される。トップ11のゲートは、誘電層12に置かれ、それはゲート11を2つの低地のゲート13および14から分離する。これらのゲートは、長さLのプラズモン・キャビティのための境界として役立つ。電圧をゲート13および14に印加することによって、ゲートの下の二次元のシステムの領域は減少することができ、または、豊かにされることができ、それは異質（inhomogeneity）を二次元の層4および形式欠陥15および16に加える。
【００１５】
[0030] 特定の欠陥タイプに関して、誘電層12は必要でない。例えば、図5および6はこの種のケースを例示する。この実施形態35において、プラズモン・キャビティのキャリア密度をスィープするゲート11が、構造体２の上に直接位置される。欠陥36および37は、2つの制限として実装されることができる。それらは、双方とものために長さLのプラズモン・キャビティに対する境界として働いて、修正プロセスに参加する。
【００１６】
[0031] 図１〜６を参照すると、デバイス1が1つの欠陥5を有し、デバイス10および35が2つの欠陥15および16（36および37）を有することが示されると共に、異なる種類のいかなる数の欠陥およびプラズモン・キャビティがいかなるデバイスの実施形態にもおいても使われることができると理解できる。例えば、図7および8は、二次元の電荷担体層4に沿って、任意の位置に配置される（電圧19の下でゲートによって形成された）多数のゲート欠陥18を有するデバイス実施形態17を示す。ゲート19は、一連のプラズモン・キャビティを制限する。二次元のチャージ導線により、または、現在公知であるかまたは後で開発される他のいかなる方法によって、さまざまな欠陥18およびゲート19が金属化によって独立して相互接続することができると理解される。これらの相互接続は、混乱を避けるために図面に示されない。加えて、図示はしていないが、本発明によるデバイスの実施形態は、基本の相互接続するデバイスの列から成ることができる。
【００１７】
[0032] デバイス実施形態1、10、35および17では、欠陥は二重の役割を演ずる。それらはプラズモン・キャビティを形成し、それらも振動しているプラズモン電界を調整する。同時に、欠陥を調整することは、図9-10に示すようにプラズモン・キャビティから離れて配置される。デバイス20（図9-10）は、小さなスリット38および39によってキャビティから切り離される、2つの密度異質欠陥23および24並びにチューニング・ゲート11によって形成されるキャビティを備える。密度異質欠陥23および24が、2つのゲート21および22によって生成される。この実施形態は、特にMOSFET構造に基づいてデバイス実装にとって重要である。
【００１８】
[0033] 上記のように、プラズモン・キャビティの調和が、多くの方法で実装される。デバイス25（図11）では、例えば、プラズモン・キャビティの誘電環境は、マイクロカンチレバー（microcantilever）26を誘導することによりスィープされる。このカンチレバーは、2Dチャージ層から制御可能な距離を有するフローティングゲートとして役立つ。デバイス27（図12）において、調整できるパラメータは、磁場の大きさである。また、例えば、矢印29の方向に与えられた大きさの磁場を（周知の方法によって）生成するための独立ソース28は、図12に示され、または、少なくとも矢印29の方向に伸びているフィールドコンポーネントを有する。プラズモン・キャビティの調和はまた、キャビティのサイズを調整することによって達成されることができる。例えば、デバイス30（図13）は可動ゲート31および32を有し、それはキャビティの容積を変える。
【００１９】
[0034] デバイスで伝播するプラスマ励起に入射テラ〜ギガヘルツ放射を結合するために、アンテナのシステムが使われることができる。アンテナ34を有するこの種のデバイスの例を図14に示す。
【００２０】
[0035] 上に記載した全ての実施形態が、矩形の形状の二次元の電荷担体層から成るけれども、多くの他の形状が選択され、最適化されることができる。電荷担体層に対する任意の形状のいかなる数のコンタクトがまた、使われることができる。
【００２１】
[0036] 入射ギガ−テラヘルツ放射線によって誘導されるデバイス応答（例えば、光電圧、光電流、光キャパシタンス、光インダクタンス）が、多くのデバイス実施形態において実験的に観察されてきた。大部分の実験はよく、結晶表面の下135ナノメートルに位置する18ナノメートル幅のGaAs/AlGaAs量子井戸を用いて実行された。明者によって実験的に研究された第１の実施形態は、デバイス1と同様で、図15の挿入において更に描かれる。デバイスの電子密度は、電圧をバックゲートに印加することによって0.5×1011 cm-2から 4.5×1011 cm-2まで調整される。n+ GaAsバックゲートは、量子井戸の下、d=765 nmの距離でその場で成長した。デバイスの一部である二次元の電子層は、ストライプ幅W = 50μm、および、作動中のプラズモン・キャビティの長さL = 400μmの幾何学的な寸法を有するストライプの形状を有する。サンプルは、特大の16×8mmの導波管においてウインドウの後の光学的低温保持デバイスに配置された。低温保持デバイスの場合、テラヘルツ放射線は、準光学反射器およびレンズによってサンプルで焦点合わせさせる。10GHz乃至１THzの周波数レンジにおいて、10乃至0.1mWの典型的出力パワーによって作動している後方の波発振器のセットは、持続波放射線でデバイスを照射するのに用いられる。
【００２２】
[0037] 図15は、3つの異なる周波数のための電子密度の関数として、光電圧（photovoltage）デバイスレスポンスの典型的機能を表す。光電圧は、コンタクト7および8の間で測定される。トレースは明確にするため垂直にオフセットされ、放射線がサンプル上の入射でないとき、矢印は0信号レベルを示す。各々のトレースにおいて、一連の振動が、観察される。最大は、コンタクト7と二次元の電子層のゲート領域6と間に形成された活性化プラズモンキャビティの波ベクトルq =ｎπ／L（n = 1、2、3K）を有するプラスマ波の構造的干渉から生じる。図15の光電圧（photovoltage）振動は、入射光の周波数によって変化する。それゆえ、デバイスは「チップ上の分光計（spectrometer-on-a-chip）」として役立つことができる。プラズモン・スペクトルが公知であるならば、放射線の周波数は、最大の密度位置から、容易に算出されることができる。
【００２３】
[0038] 図16は、同じデバイス1つの実施形態動作を示すが、幾何学的な他の寸法は、ストライプ幅W = 50μｍ、および、活性化プラズモン・キャビティの長さL = 100μｍである。第一に、異なるサイズを有するプラズモン・キャビティが異なる周波数レンジをカバーすることは、図16から明らかである。第２に、より高いデバイス動作周波数で、より小さいプラズモン・キャビティが必要である。動作周波数とキャビティのサイズとの間のこの関係は、周波数が増加するにつれて、プラズモン・コヒーレント長が強く低減するという事実によって生じる。
【００２４】
[0039] 外部の磁場が導入される場合、式(1)は、二次元の電子層にもはやプラズモン分散を記載せず、光電圧（photovoltage）振動の特定の変化は起こるにちがいない。図17は、磁場がある場合に観察される振動を例示する。図17の下部部分は、磁場の垂直な構成要素が固定レベルに保たれるとき、デバイス反応が見せる光電圧（photovoltage）を表す。プラズモン・スペクトルの変化のために、振動最大の間の距離は、磁場増加の大きさとして減る。図17の上部部分は、デバイス実施形態１の動作を示し、デバイス調和は大きさを磁場からスィープすることによって実行される。光電圧振動は、放射線周波数に反比例する周期を備えた、Ｂ−周期であるように見える。
【００２５】
[0040] 図18は、2つのゲート欠陥15および16（例えば図3、4）が単一のデバイス10で実装されるデバイスを例示し、中心プラズモン・キャビティの密度は上部ゲート11によって調整される。プラズモン・キャビティの幅は、W = 50μmに等しく、およびその長はL = 100μmに等しい。上部のカーブは、デバイス振動反応を表し、電圧を消耗させることがゲート13に適用され、電圧はゲート14に印加されない。空乏電圧をゲート14に印加するとき、および、ゲート13に電圧が印加されないとき、底のカーブは反対のケースを表す。振動は、デバイス上の周波数87.5GHz入射のモノクロ放射線のスペクトルを現す。図18に関して議論したデバイス実施形態は、欠陥および非調整できるコンタクト境界線に対して反対なとき、2つの容易に調整された欠陥15および16によって制限される別々のプラズモン・キャビティからの光応答を測定する機会を提供する。２つの独立パラメータを調整する能力のために、後者のデバイスの実装は、プラズモン・キャビティにおいて広がっているプラスマ波を制御するより良い方法を提供する。働く欠陥が変わるとき、デバイスのより良い制御可能性は、振動がそれらの極性を変えるという事実で例示される。
【００２６】
[0041] プラズモン・キャビティサイズL = 50μmを有するデバイス実施形態1のための分光計動作のデバイス温度依存が、図19において示される。垂直軸にプロットされる値は、放射線周波数90GHzに関してB=0.5 Tで、ns =4×1011 cm-2の近くの振動振幅を表す。振動周期は温度に依存せず、温度が4.2Kから70Kまで増加するとき、振幅がわずかに減少するだけである。成功した動作のために、装置は、前記固体構造を冷やすためのデバイスからなる。それは、多くの方法で達成されることができる。例えば、窒素冷却デバイスまたはペルティエ冷蔵庫を用いることである。
【００２７】
[0042] 上で示してきた実験データは、本発明を例示するだけである。それは、開示された実施形態に本発明の範囲を限定することを目的としない。さまざまな本発明の態様が電磁波検出方法に関して議論されると共に、開示された所見、方法および発見が他の放射線ベースの技術で利用されることができると理解されなければならない。これらの技術は、放射線の周波数の生成、混合、および／または、乗算を包含する。
【００２８】
[0043] かくして、本発明のさまざまな実施形態の前述の説明は、本願発明に関する特許請求の範囲の例示のためだけに開示されたものである。したがって、多くの修正変更が本発明の範囲内で可能でもよいと理解されなければならない。当業者にとって明らかでもよいこの種の修正変更は、あとに続く特許請求の範囲内に含まれることを目的とする。
【技術分野】
【０００１】
[0001] ギガ（GHz）−テラヘルツ（THz）周波数レンジに存在している電磁スペクトルの領域が、最近、種々の科学および技術の分野において関心が高まってきている。一つには、この種の関心はGHz〜THz放射線のユニークな特性によって生じ、それは多くの役立つ用途に関するかかる放射用途を作る。テラヘルツ放射線は非イオン化し、かくして、Ｘ線とは異なり、それは生物学的組織およびＤＮＡに関して有害でない。更に、大部分の生物製剤および化学剤はTHz領域で共鳴する吸収線を備えている。したがって、異なる人間および他の生物学的組織の正確で安全なＸ線断層撮影を可能にすることができる。テラヘルツ放射線がファブリックおよびプラスチックを透過することができるので、例えば、隠された武器のためのスクリーンにセキュリティ・アプリケーションとして使うことができる。THz放射線の高周波性質は、より高い周波数コンピュータおよび高度電気通信システムを利用することを可能にする。同様に、テラヘルツ感知およびイメージングは、そうすることができ、製造の分野、品質管理および方法モニタリングの多くのアプリケーションで使われる。
【背景技術】
【０００２】
これらの用途は一般的に、プラスチック、ボール紙およびテラヘルツ放射線を透過する他のパッケージ材の特性を利用し、それによって、包装された製品を検査することを可能にする。同様に、ミリメートル未満およびミリメートル天文学調査から固体調査まで、ＴHz放射線は、様々な分野の科学的な研究の追加的なツールとしての余裕がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
[0002] 本発明の例示の実施形態の概略を述べる。当業者がより早く詳細な設計議論を理解するのを助けるために提供されるが、特許請求の範囲を限定することを目的としない。
【０００４】
[0003] 本発明は、米国特許出願番号第12/247,096号に記載された技術及び発明に基づき、それは本願明細書にリファレンスとして組み入れられる。この後開示される実施形態は、本発明を利用し、少なくとも一つの統合された欠陥を有する調整可能な電荷担体層を含む固体系のプラズモンの共鳴する励起に基づいて、新規で速い、ミニチュアの電磁放射分光計を提供する。キャビティのサイズに従い、共鳴するプラズモン励起が起こる所で、デバイスの動作周波数は、約1GHzから約10THzまでの範囲にわたる。電荷担体層の調整は、担体密度、誘電環境、印加磁場、有効担体質量およびプラズモン・キャビティのサイズという層パラメータのうちの少なくとも1つの制御可能なスィープによって達成されることができる。デバイスは、一つ以上の調整可能な固体系から成ることができ、それぞれは、少なくとも１つの故意に組み入れられた欠陥、および、前記層に電気的に接続される少なくとも２つのポテンシャルコンタクトを備えた少なくとも一つの電荷担体層（電子または正孔）を包含する。
【０００５】
[0004] 前記調和を達成するために、装置はまた、上記リストされた電荷担体層パラメータの一つ以上の制御可能な調整のための手段を含む。「欠陥」は、（米国特許出願番号第12/247,096号において詳述される）二次元の電荷層に導入されるいかなる異質（inhomogeneity）からも成ることができる。入射放射光のスペクトルは、調整可能なパラメータの調整対するデバイス応答の分析を介して算出されることができる。周波数高感度リアルタイム・マトリックス・カメラは、その小型（通常2、3マイクロメートルのオーダー）を原因として生じるので開示された基本的分光計要素およびいかなる可動部分もまたは構成要素の完全な欠如を基礎として実装されることができる。
【０００６】
[0005] 本願明細書において記載される実施形態の動作は、以下の原理に依存することができる：
１. 入射放射線は、ポテンシャルプローブに、および／または、電荷担体層に、および／または、アンテナ構造に結合し、それにより、それらの上に交流電圧を導入する。
２．交流電圧は、プラスマ波を誘導し、それは調整可能なプラズモン・キャビティにおいて伝播して、共鳴する。キャビティは、境界によって制限される結晶上の領域を表し、プラズモン分散の境界はステップを経験する。キャビティは、そのパラメータ（例えば、担体密度）のうちの少なくとも１つの連続制御可能な調整（すなわち、スィープ）によって調整されることができる。
３．デバイス内部の振動しているプラズモン電界は、デバイスの非線形特性によって調整され、ポテンシャルプローブの異なるペアの間のDC応答に結果としてなる。非線形デバイス挙動は、（米国特許出願番号第12/247,096号で詳細に説明したような）少なくとも一つの欠陥の存在によって生じる。
４．調整可能なパラメータの関数としてデバイス応答／信号の検出は、入射放射線のスペクトルを計算するのに十分なデータをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】[0006] 図１は、プラズモン・キャビティがバックゲートによって調整される別の実施形態の側面図である。
【図２】[0007] 図２は、図１のデバイスの概略平面図である。
【図３】[0008] 図３は、プラズモン・キャビティが誘電層に配置される上部ゲートによって調整される別の実施形態の概略側面図である。
【図４】[0009] 図４は、図３のデバイスの概略平面図である。
【図５】[0010] 図５は、プラズモン・キャビティが構造上に直接配置されるゲートによって調整される別の実施形態の概略側面図である。
【図６】[0011] 図６は、図５のデバイスの概略平面図である。
【図７】[0012] 図７は、任意の形状の一連のプラズモン・キャビティが調整される別の実施形態の概略側面図である。
【図８】[0013] 図８は、図７のデバイスの概略平面図である。
【図９】[0014] 図９は、欠陥を調整することが、プラズモン・キャビティから離れて配置される別の実施形態の概略側面図である。
【図１０】[0015] 図１０は、図９のデバイスの概略平面図である。
【図１１】[0016] 図１１は、プラズモン・キャビティの調和がその誘電環境をスィープすることによって実行される別の実施形態の概略側面図である。
【図１２】[0017] 図１２は、プラズモン・キャビティの調和が磁場をスィープすることによって実行される別の実施形態の概略側面図である。
【図１３】[0018] 図１３は、プラズモン・キャビティの調和がキャビティの容積を調整することによって達成される別の実施形態の概略側面図である。
【図１４】[0019] 図１４は、プラズモンに対する能率的なカップル入射光に対するアンテナを有する別の実施形態の概略側面図である。
【図１５】[0020] 図１５は、電子密度の関数として、異なる放射線周波数に関して、放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。プラズモン・キャビティの容積は、L=400μｍである。
【図１６】[0021] 図１６は、電子密度の関数として、異なる放射線周波数のための放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。プラズモン・キャビティの容積はL= 100μｍである。
【図１７】[0022] 図17（下部部分）は、電子密度の関数として、磁場の異なる大きさのための放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。図17（上部部分）は、磁場大きさの関数として、磁場の異なる大きさのための放射線誘導された光電圧（photovoltage）の実験的に測定された依存を示す。
【図１８】[0023] 図18は、図3および4のデバイスの例示の実施形態に関して、放射線誘導された光電圧信号を例示する。
【図１９】[0024] 図19は、温度（ケルビン温度（K)）に対する分光計応答のグラフであり、液窒素点より上の温度で提案された方法の実現可能性を例示する。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0025] 低次元の電荷担体層の総体的なプラスマ励起は、何十年も研究者およびエンジニアの関心を引きつけた。一方、関心はあり余る程のプラスマ波効果によって生じ、それは科学的な観点から興味深い。プラズモン・キャビティの10の幾何学およびパラメータを適切に設計することによって、特定のteraherstz領域のキャビティのプラスマ周波数を成し遂げることが可能であると確認された。プラズモンの基本的特徴は、周波数および波ベクトルである。それらは、分散関係によって互いに関係している。二次元の電荷担体層のプラスマ波は、以下の式の分散を有する：
【０００９】
【数１】
【００１０】
ここで、nsおよびm*は各々、密度および二次元の電子/正孔の有効質量であり、ε0およびε(q)は各々、真空の誘電率および環境の実効誘電率であり、ωρは、プラスマ波の周波数を意味する。分散は、有効0の電気的誘電率によって強く影響され、プラズモン波ベクトルqの複素関数である。本願明細書において提案されるデバイスの実施形態では、各々のプラズモンの伝播は、電荷担体層−プラズモン・キャビティの特定の一部に制限される。このプラズモン・キャビティは、プラズモン分散がステップを経験する幾何学的な境界によって定義される。幾何学的なキャビティサイズが、Lに達する場合、キャビティ境界から後方散乱（backscattered）されるプラスマ波の干渉のために、次いで、波ベクトルq = ｎπ／L（n = 1、2、3K）を有するプラズモンだけが励起される。放射線周波数が固定され、電荷担体層パラメータ（例えば電子/正孔密度ns）のうちの1つがスィープされる場合、波数n=1、2、3Kとの連続的なプラスマ共鳴は、結果としてキャビティになる。結果として生じる共鳴は、アメリカ特許出願番号第12/247,096号にて記載されるように、デバイス応答（例えば光電圧（photovoltage）、光電流、光キャパシタンス（photocapacitance）、光インダクタンス（photoinductance）または光抵抗（photoresistance）信号）を生成するのに用いることができる。電子／正孔密度の関数として、信号は一連の対応する最大によって特徴づけられる。パラメータ（例えば、電子または正孔密度）が特定のレンジにあるとき、かかる最大は成し遂げられる。測定された共鳴するレスポンス関数は、入射光の周波数によって定義され、上記の方程式(1)に基づいて決定されることができる。結果として生じる共鳴関数の形状は、周波数または入射光のスペクトルを算出することができる。
【００１１】
[0026] 入射ギガ・テラヘルツ放射線の分光分析は、多くのデバイス実施形態に関して実行された。入射光のスペクトルは、パラメータのうちの１つを調整することによって得られ、それはプラズモン分散またはローカライゼーションに影響する。図１〜10において概略的に表される第１のデバイス系統に関して、調整されるパラメータは、プラズモン・キャビティの電荷密度である。図11〜13の他の図示した実施形態に関して、調整されるパラメータは、磁場、誘電環境、プラズモン・キャビティのサイズのいずれであってもよい。説明を簡単にするため、以下の説明では、１つの層の二次元の電荷担体システムを用いる。しかし、同じ原理および結果も特許請求の範囲において特定される他の種類の電荷担体層にあてはまると理解され得る。
【００１２】
[0027] 図面に戻ると、図1〜2は、本発明の一実施形態による固体デバイス１を示す。デバイス１は、埋め込みバックゲート３および二次元の電荷担体層４を有する構造体２を含む。デバイス電荷担体層４は、欠陥構造5を含む。１つの欠陥および／または複数の欠陥は、二次元の電荷担体層のおよび／またはその環境のいかなる異質（inhomogeneity）でもあってもよい。例えば、環境のこの種の欠陥は、固体水晶のキャップ層におけるステップを作成することによって導かれることができる。一般に、欠陥は、現在公知のまたは後で発現したいかなる方法を使用して作り、または、導入されることができる。欠陥の他の実施形態は、エッチングされた領域、電荷担体密度異質（inhomogeneity）、圧縮または拡張、（例えば、構造上に堆積された）金属層、不純物ドーピング、電荷担体可動性欠陥、誘電性環境欠陥、構造上の欠陥などの１以上の形式で実現されることができる。図1-2において例示されるデバイス実施形態は、欠陥構造５（電荷結合密度異質）を含み、半導体の結晶または他のいかなる適切な固体デバイスの上にも堆積するゲート6によって作成される。電圧をゲート6に印加することによって、ゲート6の下の二次元のシステムの領域は減少することができ、または、豊かにすることができ、それは密度異質（density inhomogeneity）を二次元の電荷担体層4に加えて、欠陥を形成する。デバイス1は、コンタクト7および8を有する各々の端で終わる。コンタクト9は、バックゲート3に接続している。バックゲート3は、電界効果を介して電荷担体層のキャリア密度をスィープすることを目的とする。
【００１３】
[0028] 図２は、その欠陥5およびコンタクト7および8が、長さL1およびL2の二次元のシステムの領域を制限することを示す。入射光の下で、これらの領域は、バックゲート可能性によって調整される共鳴するプラズモン・キャビティとして作用する。調整されたキャリア密度に応答するデバイスの周知の機能によって放射線スペクトルを算出することができる。
【００１４】
[0029] 更に、デバイス1は、一つ以上の電荷担体層、および／または、図1および2に示されないコンタクトなどを包含する。更に、バックゲート3によるプラズモン・キャビティの調和は、キャビティの電荷密度を調整するためのさまざまな構成を例示するだけである。その範囲まで、図3および4は本発明の他の実施形態による別の半導体デバイス10を示す。本実施形態では、プラズモン・キャビティのキャリア密度は、上部ゲート11によって調整される。トップ11のゲートは、誘電層12に置かれ、それはゲート11を2つの低地のゲート13および14から分離する。これらのゲートは、長さLのプラズモン・キャビティのための境界として役立つ。電圧をゲート13および14に印加することによって、ゲートの下の二次元のシステムの領域は減少することができ、または、豊かにされることができ、それは異質（inhomogeneity）を二次元の層4および形式欠陥15および16に加える。
【００１５】
[0030] 特定の欠陥タイプに関して、誘電層12は必要でない。例えば、図5および6はこの種のケースを例示する。この実施形態35において、プラズモン・キャビティのキャリア密度をスィープするゲート11が、構造体２の上に直接位置される。欠陥36および37は、2つの制限として実装されることができる。それらは、双方とものために長さLのプラズモン・キャビティに対する境界として働いて、修正プロセスに参加する。
【００１６】
[0031] 図１〜６を参照すると、デバイス1が1つの欠陥5を有し、デバイス10および35が2つの欠陥15および16（36および37）を有することが示されると共に、異なる種類のいかなる数の欠陥およびプラズモン・キャビティがいかなるデバイスの実施形態にもおいても使われることができると理解できる。例えば、図7および8は、二次元の電荷担体層4に沿って、任意の位置に配置される（電圧19の下でゲートによって形成された）多数のゲート欠陥18を有するデバイス実施形態17を示す。ゲート19は、一連のプラズモン・キャビティを制限する。二次元のチャージ導線により、または、現在公知であるかまたは後で開発される他のいかなる方法によって、さまざまな欠陥18およびゲート19が金属化によって独立して相互接続することができると理解される。これらの相互接続は、混乱を避けるために図面に示されない。加えて、図示はしていないが、本発明によるデバイスの実施形態は、基本の相互接続するデバイスの列から成ることができる。
【００１７】
[0032] デバイス実施形態1、10、35および17では、欠陥は二重の役割を演ずる。それらはプラズモン・キャビティを形成し、それらも振動しているプラズモン電界を調整する。同時に、欠陥を調整することは、図9-10に示すようにプラズモン・キャビティから離れて配置される。デバイス20（図9-10）は、小さなスリット38および39によってキャビティから切り離される、2つの密度異質欠陥23および24並びにチューニング・ゲート11によって形成されるキャビティを備える。密度異質欠陥23および24が、2つのゲート21および22によって生成される。この実施形態は、特にMOSFET構造に基づいてデバイス実装にとって重要である。
【００１８】
[0033] 上記のように、プラズモン・キャビティの調和が、多くの方法で実装される。デバイス25（図11）では、例えば、プラズモン・キャビティの誘電環境は、マイクロカンチレバー（microcantilever）26を誘導することによりスィープされる。このカンチレバーは、2Dチャージ層から制御可能な距離を有するフローティングゲートとして役立つ。デバイス27（図12）において、調整できるパラメータは、磁場の大きさである。また、例えば、矢印29の方向に与えられた大きさの磁場を（周知の方法によって）生成するための独立ソース28は、図12に示され、または、少なくとも矢印29の方向に伸びているフィールドコンポーネントを有する。プラズモン・キャビティの調和はまた、キャビティのサイズを調整することによって達成されることができる。例えば、デバイス30（図13）は可動ゲート31および32を有し、それはキャビティの容積を変える。
【００１９】
[0034] デバイスで伝播するプラスマ励起に入射テラ〜ギガヘルツ放射を結合するために、アンテナのシステムが使われることができる。アンテナ34を有するこの種のデバイスの例を図14に示す。
【００２０】
[0035] 上に記載した全ての実施形態が、矩形の形状の二次元の電荷担体層から成るけれども、多くの他の形状が選択され、最適化されることができる。電荷担体層に対する任意の形状のいかなる数のコンタクトがまた、使われることができる。
【００２１】
[0036] 入射ギガ−テラヘルツ放射線によって誘導されるデバイス応答（例えば、光電圧、光電流、光キャパシタンス、光インダクタンス）が、多くのデバイス実施形態において実験的に観察されてきた。大部分の実験はよく、結晶表面の下135ナノメートルに位置する18ナノメートル幅のGaAs/AlGaAs量子井戸を用いて実行された。明者によって実験的に研究された第１の実施形態は、デバイス1と同様で、図15の挿入において更に描かれる。デバイスの電子密度は、電圧をバックゲートに印加することによって0.5×1011 cm-2から 4.5×1011 cm-2まで調整される。n+ GaAsバックゲートは、量子井戸の下、d=765 nmの距離でその場で成長した。デバイスの一部である二次元の電子層は、ストライプ幅W = 50μm、および、作動中のプラズモン・キャビティの長さL = 400μmの幾何学的な寸法を有するストライプの形状を有する。サンプルは、特大の16×8mmの導波管においてウインドウの後の光学的低温保持デバイスに配置された。低温保持デバイスの場合、テラヘルツ放射線は、準光学反射器およびレンズによってサンプルで焦点合わせさせる。10GHz乃至１THzの周波数レンジにおいて、10乃至0.1mWの典型的出力パワーによって作動している後方の波発振器のセットは、持続波放射線でデバイスを照射するのに用いられる。
【００２２】
[0037] 図15は、3つの異なる周波数のための電子密度の関数として、光電圧（photovoltage）デバイスレスポンスの典型的機能を表す。光電圧は、コンタクト7および8の間で測定される。トレースは明確にするため垂直にオフセットされ、放射線がサンプル上の入射でないとき、矢印は0信号レベルを示す。各々のトレースにおいて、一連の振動が、観察される。最大は、コンタクト7と二次元の電子層のゲート領域6と間に形成された活性化プラズモンキャビティの波ベクトルq =ｎπ／L（n = 1、2、3K）を有するプラスマ波の構造的干渉から生じる。図15の光電圧（photovoltage）振動は、入射光の周波数によって変化する。それゆえ、デバイスは「チップ上の分光計（spectrometer-on-a-chip）」として役立つことができる。プラズモン・スペクトルが公知であるならば、放射線の周波数は、最大の密度位置から、容易に算出されることができる。
【００２３】
[0038] 図16は、同じデバイス1つの実施形態動作を示すが、幾何学的な他の寸法は、ストライプ幅W = 50μｍ、および、活性化プラズモン・キャビティの長さL = 100μｍである。第一に、異なるサイズを有するプラズモン・キャビティが異なる周波数レンジをカバーすることは、図16から明らかである。第２に、より高いデバイス動作周波数で、より小さいプラズモン・キャビティが必要である。動作周波数とキャビティのサイズとの間のこの関係は、周波数が増加するにつれて、プラズモン・コヒーレント長が強く低減するという事実によって生じる。
【００２４】
[0039] 外部の磁場が導入される場合、式(1)は、二次元の電子層にもはやプラズモン分散を記載せず、光電圧（photovoltage）振動の特定の変化は起こるにちがいない。図17は、磁場がある場合に観察される振動を例示する。図17の下部部分は、磁場の垂直な構成要素が固定レベルに保たれるとき、デバイス反応が見せる光電圧（photovoltage）を表す。プラズモン・スペクトルの変化のために、振動最大の間の距離は、磁場増加の大きさとして減る。図17の上部部分は、デバイス実施形態１の動作を示し、デバイス調和は大きさを磁場からスィープすることによって実行される。光電圧振動は、放射線周波数に反比例する周期を備えた、Ｂ−周期であるように見える。
【００２５】
[0040] 図18は、2つのゲート欠陥15および16（例えば図3、4）が単一のデバイス10で実装されるデバイスを例示し、中心プラズモン・キャビティの密度は上部ゲート11によって調整される。プラズモン・キャビティの幅は、W = 50μmに等しく、およびその長はL = 100μmに等しい。上部のカーブは、デバイス振動反応を表し、電圧を消耗させることがゲート13に適用され、電圧はゲート14に印加されない。空乏電圧をゲート14に印加するとき、および、ゲート13に電圧が印加されないとき、底のカーブは反対のケースを表す。振動は、デバイス上の周波数87.5GHz入射のモノクロ放射線のスペクトルを現す。図18に関して議論したデバイス実施形態は、欠陥および非調整できるコンタクト境界線に対して反対なとき、2つの容易に調整された欠陥15および16によって制限される別々のプラズモン・キャビティからの光応答を測定する機会を提供する。２つの独立パラメータを調整する能力のために、後者のデバイスの実装は、プラズモン・キャビティにおいて広がっているプラスマ波を制御するより良い方法を提供する。働く欠陥が変わるとき、デバイスのより良い制御可能性は、振動がそれらの極性を変えるという事実で例示される。
【００２６】
[0041] プラズモン・キャビティサイズL = 50μmを有するデバイス実施形態1のための分光計動作のデバイス温度依存が、図19において示される。垂直軸にプロットされる値は、放射線周波数90GHzに関してB=0.5 Tで、ns =4×1011 cm-2の近くの振動振幅を表す。振動周期は温度に依存せず、温度が4.2Kから70Kまで増加するとき、振幅がわずかに減少するだけである。成功した動作のために、装置は、前記固体構造を冷やすためのデバイスからなる。それは、多くの方法で達成されることができる。例えば、窒素冷却デバイスまたはペルティエ冷蔵庫を用いることである。
【００２７】
[0042] 上で示してきた実験データは、本発明を例示するだけである。それは、開示された実施形態に本発明の範囲を限定することを目的としない。さまざまな本発明の態様が電磁波検出方法に関して議論されると共に、開示された所見、方法および発見が他の放射線ベースの技術で利用されることができると理解されなければならない。これらの技術は、放射線の周波数の生成、混合、および／または、乗算を包含する。
【００２８】
[0043] かくして、本発明のさまざまな実施形態の前述の説明は、本願発明に関する特許請求の範囲の例示のためだけに開示されたものである。したがって、多くの修正変更が本発明の範囲内で可能でもよいと理解されなければならない。当業者にとって明らかでもよいこの種の修正変更は、あとに続く特許請求の範囲内に含まれることを目的とする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射電磁放射を受けるように構成された固体構造体であって、前記入射電磁放射がスペクトルによって特徴づけられ、前記構造体が、複数のパラメータによって特徴づけられた調整可能な電荷担体層を備えることを特徴とする、固体構造体と、
前記調整可能な電荷担体層に少なくとも１つのプラズモン・キャビティと、
前記調整可能な電荷担体層に少なくとも１つの欠陥と、
前記調整可能な電荷担体層に対する少なくとも第１及び第２のコンタクトであって、前記コンタクトが、前記調整可能な電荷担体層に設けられ、間隔が隔てられていることを特徴とする少なくとも第１及び第２のコンタクトと、
前記入射電磁放射に対する前記固体構造体の応答を測定するための測定デバイスであって、前記応答が、前記第１と第２のコンタクトの間で測定され、前記応答が、前記入射電磁放射の前記スペクトルについての情報を提供することを特徴とする測定デバイスと、
前記複数のパラメータのうちの少なくとも１つの調整を可能にするための制御可能な調整デバイスと、
を有することを特徴とする分光計装置。
【請求項２】
電磁放射のスペクトルの測定をする方法であって、
固体構造体を提供するステップであって、前記固体構造体が、調整可能な電荷担体層を備え、前記電荷担体層が、少なくとも１つの欠陥および少なくとも１つのプラズモン・キャビティを備え、前記電荷担体層が、複数のパラメータによって特徴づけられることを特徴とする、固体構造体を提供するステップと、
第１の周波数スペクトルおよびエネルギによって特徴づけられる入射電磁放射を受けるステップと、
前記固体構造体上で前記入射電磁放射を方向付けさせるステップと、
前記入射電磁放射のエネルギを少なくとも１つのプラズマ波のエネルギに変換するステップであって、前記プラズマ波が、電磁界によって特徴づけられ、前記プラズマ波が第２の周波数で発振し、前記プラズモン・キャビティのうちの少なくとも１つに伝播することを特徴とする、変換するステップと、
前記プラズモンの電磁界に対して少なくとも１つの前記欠陥の非線形な応答を使用することによって信号を生成させるステップと、
前記調整可能な電荷担体層の前記パラメータのうちの少なくとも１つを調整するステップと、
前記パラメータのうちの少なくとも１つの異なる値で前記信号の複数の測定をするステップと、
少なくとも１つの前記パラメータと前記信号の値との間の関係を判断するステップと、
前記関係に基づいて前記入射電磁放射の前記第１の周波数スペクトルを判断するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
前記応答が、光電圧を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記応答が、光電流を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記応答が、光キャパシタンスを構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記応答が、光インダクタンスを構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記応答が、光抵抗を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記調整可能なパラメータが前記電荷担体層の担体密度であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の誘電環境であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記調整可能なパラメータが、独立ソースからの磁界の強度であり、磁界が前記電荷担体層を貫通することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の有効担体質量であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記調整可能なパラメータが、プラズモン・キャビティのサイズであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの欠陥が、エッチング領域、電荷担体密度異質、圧縮又は拡張、（例えば、構造体の上に堆積された）金属層、不純物ドーピング、電荷担体移動度欠陥、誘電環境欠陥、構造的欠陥のうちの１つとして実装されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
空間に周期的に配置された複数の調整可能なプラズモン・キャビティが前記電荷担体層内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
空間に非周期的に配置された複数の調整可能なプラズモン・キャビティが、前記電荷担体層内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記電荷担体層に対する複数の追加のコンタクトが、前記第１及び第２のコンタクトに加えて提供されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
１以上の分光計が単一の固体構造体に実装されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記固体構造体が、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造からなり、ここで、Ｇａはガリウムであり、Ａｓは砒素であり、Ａｌはアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記固体構造体が、ａ：Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴ構造、ＩｎＡｓ構造、または、Ｓｉ／Ｇｅ構造のうちの１つからなり、Ｓｉはシリコンであり、Ｉｎはインジウムであり、Ａｓは砒素であり、Ｇｅはゲルマニウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記電荷担体層が単一の量子井戸の形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記電荷担体層がダブル量子井戸の形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記電荷担体層が、複数の量子井戸を包含する超格子の形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記電荷担体層がヘテロジャンクションの形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記電荷担体層の電荷担体が、１次元よりも大きく移動することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記入射放射が、レンズ、ホーンおよび導波管のうちの少なくとも１つによって前記固体構造体の上に差し向けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記固体構造体を冷却するためのデバイスを更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの欠陥が、前記プラズモン・キャビティに対する境界と、整流器の両方として役立つことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２８】
整流欠陥が、前記少なくとも１つのプラズモン・キャビティから離れて配置されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２９】
前記信号が、光電圧値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３０】
前記信号が、光電流値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３１】
前記信号が、光電圧値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３２】
前記信号が、光インダクタンス値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３３】
前記信号が、光抵抗値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３４】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の担体密度であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３５】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の誘電環境であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３６】
前記調整可能なパラメータが、独立ソースからの磁界の強度であり、磁界が前記電荷担体層を貫通することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３７】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の有効担体質量であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３８】
前記調整可能なパラメータが、プラズモン・キャビティのサイズであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１】
入射電磁放射を受けるように構成された固体構造体であって、前記入射電磁放射がスペクトルによって特徴づけられ、前記構造体が、複数のパラメータによって特徴づけられた調整可能な電荷担体層を備えることを特徴とする、固体構造体と、
前記調整可能な電荷担体層に少なくとも１つのプラズモン・キャビティと、
前記調整可能な電荷担体層に少なくとも１つの欠陥と、
前記調整可能な電荷担体層に対する少なくとも第１及び第２のコンタクトであって、前記コンタクトが、前記調整可能な電荷担体層に設けられ、間隔が隔てられていることを特徴とする少なくとも第１及び第２のコンタクトと、
前記入射電磁放射に対する前記固体構造体の応答を測定するための測定デバイスであって、前記応答が、前記第１と第２のコンタクトの間で測定され、前記応答が、前記入射電磁放射の前記スペクトルについての情報を提供することを特徴とする測定デバイスと、
前記複数のパラメータのうちの少なくとも１つの調整を可能にするための制御可能な調整デバイスと、
を有することを特徴とする分光計装置。
【請求項２】
電磁放射のスペクトルの測定をする方法であって、
固体構造体を提供するステップであって、前記固体構造体が、調整可能な電荷担体層を備え、前記電荷担体層が、少なくとも１つの欠陥および少なくとも１つのプラズモン・キャビティを備え、前記電荷担体層が、複数のパラメータによって特徴づけられることを特徴とする、固体構造体を提供するステップと、
第１の周波数スペクトルおよびエネルギによって特徴づけられる入射電磁放射を受けるステップと、
前記固体構造体上で前記入射電磁放射を方向付けさせるステップと、
前記入射電磁放射のエネルギを少なくとも１つのプラズマ波のエネルギに変換するステップであって、前記プラズマ波が、電磁界によって特徴づけられ、前記プラズマ波が第２の周波数で発振し、前記プラズモン・キャビティのうちの少なくとも１つに伝播することを特徴とする、変換するステップと、
前記プラズモンの電磁界に対して少なくとも１つの前記欠陥の非線形な応答を使用することによって信号を生成させるステップと、
前記調整可能な電荷担体層の前記パラメータのうちの少なくとも１つを調整するステップと、
前記パラメータのうちの少なくとも１つの異なる値で前記信号の複数の測定をするステップと、
少なくとも１つの前記パラメータと前記信号の値との間の関係を判断するステップと、
前記関係に基づいて前記入射電磁放射の前記第１の周波数スペクトルを判断するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項３】
前記応答が、光電圧を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記応答が、光電流を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記応答が、光キャパシタンスを構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記応答が、光インダクタンスを構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記応答が、光抵抗を構成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記調整可能なパラメータが前記電荷担体層の担体密度であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の誘電環境であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記調整可能なパラメータが、独立ソースからの磁界の強度であり、磁界が前記電荷担体層を貫通することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の有効担体質量であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記調整可能なパラメータが、プラズモン・キャビティのサイズであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの欠陥が、エッチング領域、電荷担体密度異質、圧縮又は拡張、（例えば、構造体の上に堆積された）金属層、不純物ドーピング、電荷担体移動度欠陥、誘電環境欠陥、構造的欠陥のうちの１つとして実装されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
空間に周期的に配置された複数の調整可能なプラズモン・キャビティが前記電荷担体層内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
空間に非周期的に配置された複数の調整可能なプラズモン・キャビティが、前記電荷担体層内に導入されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記電荷担体層に対する複数の追加のコンタクトが、前記第１及び第２のコンタクトに加えて提供されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
１以上の分光計が単一の固体構造体に実装されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記固体構造体が、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造からなり、ここで、Ｇａはガリウムであり、Ａｓは砒素であり、Ａｌはアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記固体構造体が、ａ：Ｓｉ ＭＯＳＦＥＴ構造、ＩｎＡｓ構造、または、Ｓｉ／Ｇｅ構造のうちの１つからなり、Ｓｉはシリコンであり、Ｉｎはインジウムであり、Ａｓは砒素であり、Ｇｅはゲルマニウムであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記電荷担体層が単一の量子井戸の形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記電荷担体層がダブル量子井戸の形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記電荷担体層が、複数の量子井戸を包含する超格子の形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記電荷担体層がヘテロジャンクションの形態で実現することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記電荷担体層の電荷担体が、１次元よりも大きく移動することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記入射放射が、レンズ、ホーンおよび導波管のうちの少なくとも１つによって前記固体構造体の上に差し向けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記固体構造体を冷却するためのデバイスを更に有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの欠陥が、前記プラズモン・キャビティに対する境界と、整流器の両方として役立つことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２８】
整流欠陥が、前記少なくとも１つのプラズモン・キャビティから離れて配置されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２９】
前記信号が、光電圧値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３０】
前記信号が、光電流値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３１】
前記信号が、光電圧値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３２】
前記信号が、光インダクタンス値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３３】
前記信号が、光抵抗値であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３４】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の担体密度であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３５】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の誘電環境であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３６】
前記調整可能なパラメータが、独立ソースからの磁界の強度であり、磁界が前記電荷担体層を貫通することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３７】
前記調整可能なパラメータが、前記電荷担体層の有効担体質量であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３８】
前記調整可能なパラメータが、プラズモン・キャビティのサイズであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公表番号】特表２０１３−５１３７９９（Ｐ２０１３−５１３７９９Ａ）
【公表日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４３２５３（Ｐ２０１２−５４３２５３）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９５１０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７２０４０
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５１１０８７１９８）テラセンス・グループ，インコーポレーテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０５９５１０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０７２０４０
【国際公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（５１１０８７１９８）テラセンス・グループ，インコーポレーテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
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