ミリ波・遠赤外光検出器
【課題】桁違いに感度が優れ、応答速度の早いミリ波・遠赤外光検出器を提供する。
【解決手段】電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第１の量子ドットと、この第１の量子ドットに静電的に結合した第２の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、単一電子トランジスタは、２次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この２次元電子系内にトンネル結合する量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、第１の量子ドットのイオン化に伴う第２の量子ドットの静電的状態の変化によって単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて電磁波を検出する。
【解決手段】電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第１の量子ドットと、この第１の量子ドットに静電的に結合した第２の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、単一電子トランジスタは、２次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この２次元電子系内にトンネル結合する量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、第１の量子ドットのイオン化に伴う第２の量子ドットの静電的状態の変化によって単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて電磁波を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ミリ波・遠赤外光計測器に利用し、特に半導体量子ドットを制御してミリ波・遠赤外領域のビデオ信号を検出するためのミリ波・遠赤外光検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電磁波の検出器には位相敏感検波を行う周波数混合器（ミキサー）と、非干渉性の検波を行うビデオ信号検出器とがあるが、微弱光の検出には後者のビデオ信号検出器の方が感度が優れている。
【０００３】
ミリ波・遠赤外領域での従来のビデオ検出器の中で、最も感度が優れているのは、波長範囲が０．１ｍｍ〜１ｍｍの０．３Ｋ以下の極低温で用いるゲルマニウム複合ボロメーターと、波長範囲が０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍの２Ｋ程度の低温で用いるドープしたゲルマニウムによる光伝導検出器である。
【０００４】
その雑音等価出力（Ｎｏｉｓｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ、以下「ＮＥＰ」と記す）は１０-16 ＷＨｚ-1/2から１０-18 ＷＨｚ-1/2に達する。
電磁波のエネルギー量子、すなわち光量子で見た場合、この感度は、１秒間の測定時間を考えたときに、百万個程度以上の光子束が検出器に入射しない限り雑音以上の信号として検出できないことを意味する。
【０００５】
さらに、このような検出器では応答速度が１００ｍ秒程度と極めて遅い。応答速度の速い検出器として、超伝導ボロメーター、超伝導トンネル接合、半導体（ＩｎＳｂ）中ホットエレクトロン等が利用されているが、感度はゲルマニウム複合ボロメーターに比べて劣る。
【０００６】
上述した検出器とは別に、通常の単一電子トランジスタにマイクロ波を照射すると光子補助トンネル効果（ｐｈｏｔｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）による信号が得られることが知られているが、この効果では、電磁波光子一つの吸収によって電子が一つしか電極間を移動しないため、検出器としての感度は低い。
【特許文献１】特開平１１−００４０１７号公報
【特許文献２】特開平０８−２７４２９８号公報
【非特許文献１】R. J. Scoelkopf et al., "A Concept for a Submillimeter-Wave Single-Photon Counter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.9, No.2, June 1999, pp.2935-2939
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の検出器には感度及び応答速度の優れたものが存在しなかった。その理由は、いずれの検出器も伝導電子が連続的エネルギー準位帯構造の中にあるために電磁波によって励起された状態の寿命が短いこと、また検出器中の全電子による平均伝導度の変化によって電磁波を検出するため、少数の電子の励起による効果が圧倒的多数の他の電子によって薄められてしまい効率が低いこと、さらに光子補助トンネル効果のように電磁波光子一つの吸収によって電子が一つしか電極間を移動しないためであった。
【０００８】
そこで、この発明は、上述したすべての機構とは全く異なる機構に基づき従来の検出器に関わる解決すべき課題を根本的に除去することにより、桁違いに感度が優れ、かつ、応答速度の早いミリ波・遠赤外光検出器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のミリ波・遠赤外光検出器は、電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第１の量子ドットと、この第１の量子ドットに静電的に結合した第２の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、単一電子トランジスタは、２次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この２次元電子系内にトンネル結合する量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、第１の量子ドットのイオン化に伴う第２の量子ドットの静電的状態の変化によって単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて電磁波を検出する。
【００１０】
上記構成において、第１の量子ドットのイオン化が、第１の量子ドットの量子化束縛状態の電子を、第１の量子ドット外部の電子系の自由電子状態に励起することによって生ずることを特徴とする。
第１の量子ドットのイオン化エネルギーが、第１の量子ドットのゲートに印加するバイアス電圧の大きさによって制御可能であることを特徴とする。
第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットが、同一の半導体構造基板上にあって、それぞれのゲートに印加するバイアス電圧によって静電的に分離して形成されたことを特徴とする。
第１の量子ドットと第２の量子ドットとを半導体中にあって間隙を介して隣接して形成したことを特徴とする。
第２の量子ドットが、第１の量子ドットの上に形成した金属ドットであって、この金属ドットに形成した金属リード線とトンネル接合して単一電子トランジスタを形成したことを特徴とする。
第２の量子ドットがアルミニウム金属ドットであり、トンネル接合する部分を酸化アルミニウムとしたことを特徴とする。
電磁波結合手段が、第１の量子ドットと前記電磁波とを電気的に結合するアンテナであることを特徴とする。
電磁波結合手段が、第１の量子ドット及び第２の量子ドットを形成するバイアス電圧印加のためのゲートを兼ねていることを特徴とする。
電磁波結合手段のリード部分の長さ方向を、この電磁波結合手段の分極軸方向に垂直に形成していることを特徴とする。
電磁波結合手段の結節点の大きさと量子ドットの最大の大きさとが同程度であることを特徴とする。
電磁波結合手段の電極差し渡し長さが電磁波の波長の約１／２であることを特徴とする。
単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極との距離が、電磁波結合手段の分極軸方向の長さ以上であることを特徴とする。
単一電子トランジスタが化合物半導体であることを特徴とする。単一電子トランジスタはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする。
単一電子トランジスタが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする。単一電子トランジスタが、アルミニウムガリウム砒素／ガリウム砒素の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする。単一電子トランジスタが、ＩＶ族半導体であることを特徴とする。
単一電子トランジスタを量子ドットに対して対称に形成していることを特徴とする。
前記構成に加え、電磁波結合手段に電磁波を導く光導入部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記構成では、電磁波を吸収する第１の量子ドットと、それを検出する伝導性の第２の量子ドットを分離しているので、電磁波吸収によって励起される正孔と電子とがそれぞれ第１の量子ドットの内部と外部とに分離して生ずるため、磁場を印加することなく極めて長時間の励起状態、すなわちイオン化寿命を実現できる。したがって、磁場印加なしに感度をより向上させることができ、また単一光子検出を容易に行うことができる。
【００１２】
さらに、第１の量子ドットを形成する電子系では離散準位から連続帯準位への励起を利用するため閾値、すなわちイオン化エネルギー以上のエネルギーを持つ連続的な波長帯域で良好な検出感度を有する。また検出の閾値波長、すなわちイオン化エネルギーがゲート電圧によるポテンシャル障壁高さの調節を通して直接的に制御可能である。さらに第２の量子ドットを微小にすることによって動作温度を最高２Ｋまで上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のミリ波・遠赤外光検出器では、従来のミリ波・遠赤外光検出器に比べて桁違いに感度が高く、かつ、高速で動作するという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明のミリ波・遠赤外光検出器は、半導体量子ドットによる単一電子トランジスタ（以下、「ＳＥＴ」と記す。）を用いる。ＳＥＴは、例えば２次元電子ガスを形成する半導体超格子の単一ヘテロ構造を有し、ソース電極及びドレイン電極により、ソース領域とドレイン領域に弱くトンネル結合した非常に小さな孤立した伝導性領域のドットと、そのドットの静電ポテンシャルを制御する制御ゲート電極とで形成される。
なお、ＳＥＴは化合物半導体、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有しているものでも良い。さらに複数の量子ドットを有するミリ波・遠赤外光検出器の場合、ＩＶ族半導体でもよい。
【００１５】
制御ゲート電極のバイアス電圧を変化させるとドット中の伝導電子の電気化学ポテンシャルが変化し、それがソース及びドレイン電極のフェルミエネルギーに等しくなる条件下でのみソース・ドレイン電流ＩSDが流れる。
ＳＥＴのこの導通状態での伝導度、Ｇ＝ＩSD／ＶSDは概ね［２００〜４００ｋΩ］-1となる。
但し、ＶSDはソース・ドレイン電圧であり、本発明で使用するＳＥＴでは１００μＶ以下にしなければならない。
【００１６】
伝導性ドットとして、有効的な大きさが直径０．０２μｍから０．６μｍの半導体量子ドットを用いると、その内部の電子系のエネルギー準位はサイズ効果又は外部から印加する磁場に応じて量子化され、そのエネルギー間隔がミリ波・遠赤外光領域の光量子に対応する。そのエネルギー間隔は、量子ドットのサイズ変化や外部磁場、バイアス電圧の印加によって制御可能である。
したがって、ミリ波・遠赤外光を照射することによって量子ドット内部で電子を共鳴的に励起することができる。
但し、励起される状態は、後述するように励起方法及び磁場印加の有無によって異なる。
【００１７】
いずれの場合も、励起された電子の波動関数はその空間対称性と空間分布が、基底状態のそれに比べて変化するために、量子ドットの電気化学ポテンシャル及びソース・ドレイン領域とのトンネル結合強度が大きく変化する。
このことによって、半導体量子ドット内の一つの電子の励起のみによって、ＳＥＴの伝導度が２０％〜９９％程度と大きく変化し、その伝導度が変化した状態が、励起状態が消滅して基底状態に戻るまで、すなわち励起状態及びその緩和した状態の寿命の間保持される。
【００１８】
一方、励起された量子ドットの状態は、そのエネルギーの離散準位構造のために、基底状態に戻るまでの寿命が１０ｎ秒から１０００秒と長いため、極めて感度の高い検出器となる。伝導度ＧがＸ％変化してそれがＴ秒間続く場合の、ソース電極からドレイン電極に送り込まれる電子の数の変化、Ｎ＝ＧＶSDＴ（Ｘ／１００）／ｅ、は、代表的な条件下、Ｇ＝１／３００ｋΩ、Ｘ＝５０％、Ｔ＝１ｍ秒、ＶSD＝０．０５ｍＶで１０6 と、きわめて多数である。
つまり、一つの光子の吸収によって１００万個程度以上の電子を電極間に移送することができる。
【００１９】
さらに、ＳＥＴ動作の原理的時定数、ＣSD／Ｇは数十ｐ秒程度と極めて短い。ここで、ＣSDはソース・ドレイン間静電容量である。
したがって、電流の高速時間分解測定を通して単一のミリ波・遠赤外光子を検出することができる。
【００２０】
以下、この発明によるミリ波・遠赤外光検出器を具体的な好適な実施の形態に基づいて図を参照しながら詳細に説明する。
まず、この発明のミリ波・遠赤外光検出器の構成について説明する。
図１は集光系を含めた本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の概略構成断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器は、入射するミリ波・遠赤外光を検出器のアンテナに導くためのミリ波・遠赤外光導入部１と、半導体量子ドットを貫く電流を制御する単一電子トランジスタが形成されている半導体基板４と、単一電子トランジスタに形成されたサブミクロンサイズの微小空間領域である半導体量子ドットにミリ波・遠赤外光を集中するボータイ・アンテナ６とを備え、半導体基板４はＩＣチップ用のパッケージ７に装着されている。
【００２２】
ミリ波・遠赤外光導入部１は、ミリ波・遠赤外光２を導く光導入管３と、このミリ波・遠赤外光２を集光する誘電体レンズ５と、集光を補助する誘電体対物レンズ９とを有している。
誘電体対物レンズ９にはシリコンの半球レンズを使用し、この誘電体対物レンズ９はボータイ・アンテナ６や後述する半導体量子ドット表面に直接触れないように、それらに対して１０μｍ程度の間隙を残して固定されている。なお、図１中、８は半導体基板４に形成される単一電子トランジスタ裏面側の裏面ゲート電極を示す。
【００２３】
図１に示した光導入部１を含むミリ波・遠赤外光検出器１０は、０．３Ｋ以下に冷却されており、必要に応じて半導体基板４（量子ドット）に垂直に磁場Ｂを印加する。
【００２４】
図２は本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はボータイ・アンテナと量子ドットによる単一電子トランジスタの平面図、（ｂ）はメサ構造部の一部概略断面図である。
図２（ａ）に示すように、本発明のミリ波・遠赤外光検出器１０は、ボータイ・アンテナ６と、半導体量子ドット１２と、その半導体量子ドットを含む単一電子トランジスタ１４とを一体として半導体基板４の上に形成され、単一電子トランジスタ１４はオーミック電極１６，１７により所定条件下ソース・ドレイン電流が流れるようになっている。
なお、上述したように、この半導体基板４の裏面には金属薄膜が蒸着されており、裏面ゲート電極が形成されている。
【００２５】
単一電子トランジスタ１４の構造は、図２（ｂ）に示すように半絶縁ＧａＡｓ単結晶半導体基板４上に、変調ドープされたＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ単一ヘテロ構造を積層し、図２（ａ）に示す単一電子トランジスタ１４のメサ構造がリソグラフィー技術を用いて形成されている。
【００２６】
ＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ単一ヘテロ構造結晶としては、４．２Ｋでの２次元電子移動度が６０ｍ2 ／Ｖｓ以上、電子濃度が２ｘ１０15／ｍ2 から４．５ｘ１０15／ｍ2 のものを用いる。
【００２７】
ヘテロ構造は、図２（ｂ）の断面図に示すように、結晶表面からＳｉを１０18/cm3 程度ドープした厚さが１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層２２と、Ｓｉを１ｘ１０18／ｃｍ3 ドープした厚さが７０ｎｍ程度のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２４と、厚さが２０ｎｍ以上のスペーサ層である純粋Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２６と、ノンドープの厚さが１００ｎｍ程度のＧａＡｓ層２８とがＧａＡｓ半導体基板４上に分子線エピタキシー法などで選択ドープされて積層されている。
なお、図２（ｂ）中の斜線部２５は２次元電子系が形成されることを示したもので、厚さは１０ｎｍ程度である。
半導体基板４は標準的な半絶縁ＧａＡｓ単結晶で全体の厚さが０．５ｍｍ程度で、平面サイズが１ｍｍから３ｍｍ角程度である。
【００２８】
この発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の各構成部分についてさらに詳細に説明する。
図２（ａ）に示すように、半導体量子ドット１２を含む単一電子トランジスタ１４はＧａＡｓ半導体基板４上に形成された２次元電子系の細長いメサ構造を有し、このメサ構造の中央部付近が、半導体量子ドット１２（詳細は後述する）外部の２次元電子系によってミリ波・遠赤外光が余分に吸収されるのを防ぐために、長さ２００μｍ程度にわたって幅４μｍ程度に細く形成されている。つまり、量子ドットが形成される中央部は両端のメサ構造部分よりも細い。
また量子ドットによる単一電子トランジスタは中央部に形成される量子ドットに対して対称に形成するのがよい。
【００２９】
メサ構造の両端にはＡｕ／Ｇｅとの合金化による標準的なオーミック電極のソース電極１６と、ドレイン電極１７とが形成されている。両電極間の距離は、半導体量子ドット１２への電磁波の集光を妨げないよう、ボータイ・アンテナ６の長さＨ程度以上の距離だけ互いに離されている。
【００３０】
ボータイ・アンテナ６は蒸着金属薄膜で形成されており、例えば厚さが２０ｎｍのＴｉと厚さが６０ｎｍのＡｕとで形成されている。
さらにボータイ・アンテナ６は図２（ａ）に示すように、単一電子トランジスタ１４の幅４μｍ程度に細く形成されたメサ構造で向かい合って又はまたいで、反対方向に２つの正三角形をなす形で広がり、メサ構造の中央で結節点をつくっている。
【００３１】
ボータイ・アンテナ６の長さ、すなわち電極の差し渡しの長さＨは被測定ミリ波・遠赤外光波長の約半分である。
但し、集光過程で光が様々な入射角で入射するため、実際にはボータイ・アンテナ６は波長＝２Ｈのみでなく、広帯域のミリ波・遠赤外光を検出することができる。
【００３２】
ボータイ・アンテナ６は、後述するように半導体量子ドット１２の形成のためのゲート電極３２，３４と制御ゲート電極３６とを兼ねるように、ボータイ・アンテナ６の羽根の一方が３つに分割されている。
分割された各ゲート電極３２，３４，３６にバイアス電圧を印加するため、分割された各部分は５〜１０μｍ幅のリード部分３３，３５，３７を介して十分離れた金属パッド部分４３，４５，４７（２０ｎｍ：Ｔｉ、１５０ｎｍ：Ａｕ）に接続されている。
なお、他方の羽はゲート電極３０となっており、５〜１０μｍ幅のリード部分３１を介して金属パッド部分４１に接続されている。
【００３３】
リード部分３１，３３，３５，３７の長さ方向は、電磁波への影響を減らすために、ボータイ・アンテナ６の分極軸方向に垂直である。オーミック電極１６，１７及び各ゲート電極３０，３２，３４，３６は、パッド部分を利用し、金線を使って標準的ＩＣチップ用のパッケージの端子にボンディングにより配線されている。
【００３４】
次に、ボータイ・アンテナの結節点について説明する。
図３はこの発明に係るボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す概略図であり、（ａ）は磁場無印加で使用し、波長０．５〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｂ）は１〜７Ｔの磁場下で使用し、波長０．１〜０．４ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｃ）は４〜１３Ｔの磁場下で使用し、波長３〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器で使用するものを示す図である。なお、Ｔは磁束密度の単位記号でテスラを示す。
【００３５】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ボータイ・アンテナ６ａ, ６ｂ, ６ｃの結節点に量子ドット１２ａ, １２ｂ, １２ｃが形成され、ボータイ・アンテナの結節点での短絡の有無と、量子ドットの大きさは、使用条件及び被測定電磁波の波長範囲に応じて以下に示す３つの異なるものを用いるのがよい。なお、図３中、１４ａ，１４ｂ，１４ｃは２次元電子系メサ構造を示す。
【００３６】
第１は、磁場なしの使用条件で、検出波長範囲が０．５〜１０ｍｍ、ボータイ・アンテナの形式が標準の電気結合、量子ドット電極サイズ（量子ドットの２次元電子系の有効直径）が０．２〜０．４μｍ（０．０２〜０．２μｍ）の場合である。
【００３７】
第２は、１Ｔ〜７Ｔの磁場印加の使用条件で、検出波長範囲が０．１〜０．４ｍｍ、ボータイ・アンテナの形式が標準の電気結合、量子ドット電極サイズ（量子ドットの２次元電子系の有効直径）が０．６〜０．８μｍ（０．４〜０．６μｍ）の場合である。
【００３８】
第３は、４Ｔ〜１３Ｔの磁場印加の使用条件で、検出波長範囲が３〜１０ｍｍ、ボータイ・アンテナの形式が結節点短絡の磁気結合、量子ドット電極サイズ（量子ドットの２次元電子系の有効直径）が０．６〜０．８μｍ（０．４〜０．６μｍ）の場合である。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、上述の第１、第２及び第３のそれぞれの場合に対応するボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す図である。
なお、量子ドットを形成する結節点領域が上述した量子ドット電極サイズである。
図３（ａ）に示す上述の第１の場合は、磁場を印加せずに使用するための構成で、量子ドット１２ａはボータイ・アンテナ６ａによって電磁波に電気的に結合する。
被測定電磁波の波長範囲は０．５ｍｍ〜１０ｍｍである。磁場を印加しない場合、量子ドット１２ａの励起状態の寿命は１０ｎ秒〜１μ秒と比較的短いが、上述したようにヘリウム温度に冷却したＨＥＭＴ増幅器とＬＣのタンク回路とを組み合わせた電流増幅回路を用いて単一光子検出が行われる。
【００４０】
ボータイ・アンテナ６ａの一方の羽は３分割されてゲート電極３２ａ，３４ａ，３６ａとなっており、他方の羽はゲート電極３０ａとなっている。
ゲート電極３０ａの先端の二つの突起部５２ａ，５２ａの各幅は０．１５μｍであり、ゲート電極３２ａ，３４ａの先端部分５４ａ，５４ａの各幅は０．１５μｍである。また、それぞれの突起部の向かい合う間隙５５ａは０．１５μｍである。
なお、図３（ａ）中、Ｗａは２μｍ、Ｌａは０．４μｍ、Ｍａは０．３５μｍを示す。
【００４１】
３つのゲート電極３２ａ，３４ａ，３０ａを−０．６Ｖ程度、またゲート電極３６ａを−０．２Ｖから−３Ｖの負電圧にバイアスすることによって、ゲート電極の下の２次元電子系が追い払われ（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）、中心の０．３μｍ角四方部分の内側に２次元電子系が閉じ込められて量子ドット１２ａが形成される。
但し、量子ドットが外側の２次元電子系に弱くトンネル結合するようにゲート電極３４ａとゲート電極３０ａのバイアス電圧を微調整する。
【００４２】
またゲート電極３６ａは制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成される。
制御ゲート電極のバイアス電圧ＶCGを−０．２Ｖから−３Ｖの間で変化させることにより、量子ドット中２次元電子系の有効直径が約０．２μｍから０．０２μｍまで変化する。
【００４３】
次に、図３（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ磁場１Ｔ〜７Ｔ及び４Ｔ〜１３Ｔを印加して使用するための構成である。
磁場を印加した場合、量子ドットの励起状態の寿命は磁場の値と量子ドット中の電子濃度に応じて１ｍ秒から１０００秒程度に達し、高速の電流増幅回路を使用することなく、極めて容易に単一光子検出を行うことが可能である。
【００４４】
図３（ｂ）に示す上述の第２の場合は、量子ドット１２ｂがボータイ・アンテナ６ｂによって電磁波に電気的に結合する構成で、被測定電磁波の波長範囲が０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍのものである。
ボータイ・アンテナ６ｂをなす各ゲート電極の幾何学的構成とそれぞれの役割は、図３（ａ）のものと同一であるが、各部分のサイズが以下のように異なる。すなわち、ゲート電極３０ｂの二つの突起部５２ｂ, ５２ｂの各幅は０．３μｍであり、ゲート電極３２ｂ、３４ｂの先端部分５４ｂ、５４ｂの各幅は０．３μｍである。またそれぞれの突起部の向かい合う間隙５５ｂを０．３μｍとしている。
なお、図３（ｂ）中、Ｗｂは４μｍ、Ｌｂは０．７μｍ、Ｍｂは０．７μｍを示す。
【００４５】
このように中心部の０．７μｍ角四方の内側に２次元電子系が閉じ込められて、有効直径が０．４μｍ〜０．６μｍの量子ドットが形成されている。
ゲート電極３６ｂが制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成され、制御ゲート電極のバイアス電圧ＶCGは−０．３Ｖから−１．５Ｖの間で変化させている。
【００４６】
図３（ｃ）に示す上述の第３の場合は、量子ドット１２ｃがボータイ・アンテナ６ｃによって電磁波に磁気的に結合する構成で、被測定電磁波の波長範囲が３ｍｍ〜１０ｍｍのものである。２次元電子系のメサ構造部分の幅、Ｌｃ及びＭｃを０．７μｍとし、さらに０．７μｍ隔たった二カ所に幅０．４μｍのくびれ部分５６，５６を形成している。
ボータイ・アンテナ６ｃの一方の羽は３分割されてゲート電極３２ｃ，３４ｃ，３６ｃが形成されている。そのうちのゲート電極３６ｃは、ボータイ・アンテナ６ｃの他方の羽のゲート電極３０ｃに幅０．２μｍの橋で短絡されている。
【００４７】
ゲート電極３２ｃとゲート電極３４ｃを負電圧にバイアスすることによって、くびれ部分５６，５６とゲート電極３２ｃ，３４ｃとで挟まれた０．８μｍ角程度の領域の内側に２次元電子系が閉じ込められて、有効直径が０．４μｍ〜０．６μｍの量子ドット１２ｃが形成されている。
ゲート電極３６ｃが制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成される。制御ゲート電極のバイアス電圧ＶCGは、量子ドット中の電子濃度に大きな変化を与えないよう、＋０．１Ｖから−０．１Ｖの間で変化させている。
【００４８】
次に、本発明のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。実施の形態の詳細及び作用は上述した第１、第２及び第３の各場合により異なる。
図３（ａ）に示す第１の場合の作用について説明する。
第１の場合、量子ドットはサイズが小さく、１０個から５０個程度の伝導電子しか含まれていないために、電子準位がサイズ効果及び交換相互作用によって離散的エネルギー準位εn に分裂する。
【００４９】
先ず、フェルミ準位近傍でのエネルギー分裂、Δεnm＝εn −εm 、が被測定ミリ波・遠赤外光に対して次の共鳴条件を満たすように制御ゲート電圧ＶCGを調節する。
【００５０】
ω＝２πΔεnm／ｈ ・・・（１）
【００５１】
但し、（１）式においてωは被測定ミリ波・遠赤外光の角振動数、ｈはプランク定数である。概ね、εnmは量子ドット有効直径の二乗に反比例し、例えば被測定ミリ波・遠赤外光の波長０．５ｍｍに対してＶCG＝−３Ｖ〜−２Ｖ（量子ドット有効直径約０．０２μｍ）、被測定ミリ波・遠赤外光の波長１０ｍｍに対してＶCG＝−０．５Ｖ〜−０．２Ｖ（量子ドット有効直径０．２μｍ）となる。
【００５２】
次に、ＳＥＴを伝導度ピークの状態に置く。つまり、図２の二つのオーミック電極間にソース・ドレイン電圧ＶSD（１００μＶ以下）を印加しても通常はクーロン閉塞が生じていてソース・ドレイン電極間に電流ＩSDが流れないが、図３（ａ）の制御ゲート電極３６ａのバイアス電圧ＶCGを微小に変化させると、ＶCGの値が３ｍＶ〜２０ｍＶ変化するたびに有限のＩSDが鋭いピークをもって現れるクーロン振動が生じる。
【００５３】
ＶCGを微調してＩSDの一つのピーク位置に合わせて固定する。この時の微小なＶCGの調整は上述の共鳴条件（１）式に実質上影響を与えない。このクーロン振動のピーク状態で被測定ミリ波・遠赤外光を入射させると、入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナによって、量子ドット部分に振動電場を作り、電子の共鳴励起εn →εm を起こす。
【００５４】
励起状態は一般に基底状態に比べて電子波動関数の空間対称性が異なるので、量子ドットのトンネル結合強度及び電気化学ポテンシャルがともに変化し、ＳＥＴの伝導度Ｇに１０％〜９０％程度の大きな変化が生ずる。
この伝導度の変化は、励起がフォノン放出により消滅するまでの概ね１０ｎ秒〜１μ秒保持され、それが高速の電流増幅器によって測定される。
【００５５】
次に、図３（ｂ）に示す第２の場合の作用について説明する。
図４は磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す電気的遷移の概念図であり、（ａ）はランダウ準位間の電子励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵ及び電気化学ポテンシャルの変化Δμ0 ↑を示す図である。
【００５６】
なお、図４中、０及び１は電子のエネルギー準位を示し、↑はアップスピン、↓はダウンスピンを示す。
【００５７】
この第２の場合は、量子ドットはサイズが大きく、２００個から４００個の伝導電子を含むために電子準位に対するサイズ効果Δεnmは小さいが、図４（ａ）に示すように磁場印加によってエネルギー構造が間隔（ｈ／２π）ωC ≒（ｈ／２π）ｅＢ／ｍ＊のランダウ準位に分裂する。
【００５８】
ここで、ωC は、フェルミ準位近傍でのエネルギー分裂が被測定ミリ波・遠赤外光に対して共鳴条件を満たしたときの角振動数、ｅは電気素量で１．６ｘ１０-19 クーロン、Ｂは磁束密度、ｍ＊は有効質量で０．０６８ｍ、ｍは電子の質量を示す。
【００５９】
この第２の構成の場合、先ず被測定ミリ波・遠赤外光の角振動数ωが、次のプラズマ振動の影響を含めた共鳴条件を満たすように磁場を印加する。
【００６０】
ω＝［ωP 2 ＋（ωC ／２）2 ］1/2 ＋（ωC ／２） ・・・（２）
【００６１】
ここで、ωP は量子ドットのプラズマ角振動数であり、プラズマ波長λP ＝２πｃ／ωP で表すと、図３（ｂ）の量子ドットに対しては、約０．４３ｍｍである。
なお、ｃは真空中の光の速さを示す。
【００６２】
式（２）を具体的に満たす磁場は、被測定波長０．１ｍｍに対して概ねＢ＝６Ｔ〜７Ｔ、被測定波長０．４ｍｍに対してＢ＝１Ｔ〜１．５Ｔとなる。なお、Ｔは磁束密度の単位記号でテスラを示す。
【００６３】
次に、上述した第１の場合と同じ要領で、ＳＥＴをクーロン振動のピーク状態におき、被測定ミリ波・遠赤外光を入射させる。入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナによって量子ドット部分に振動電場を作り、図４（ａ）中の矢印で示すようにランダウ準位間に電子の共鳴励起、すなわちマグネトプラズマ共鳴を起こす。
【００６４】
励起された電子（図４（ａ）中の黒丸）と正孔（図４（ａ）中の白丸）は図４（ｂ）に示すようにそれぞれ余剰のエネルギーを格子系へ失うことによって１０ｎ秒程度の時間内に緩和する。
その際、図４（ｃ）に示すように、量子ドットを形成する静電ポテンシャルの影響で電子及び正孔がそれぞれ量子ドットの内部と外部へ移動し、空間的に分離されるために量子ドット内部に環状の分極が生ずる。
【００６５】
そのために量子ドットの最外殻の電子準位の電気化学ポテンシャルが、分極による静電ポテンシャル変化分、ΔＵ＝３０〜６０μｅＶ、変化する。
その結果、ＳＥＴの動作は伝導ピーク、すなわち伝導度Ｇが最大の状態からクーロン閉塞の状態、すなわちＧ≒０、に変化する。
伝導遮断の状態は量子ドット内で電子及び正孔が再結合するまで持続するが、その再結合寿命は電子−正孔間の空間的隔たりのために長く、容易に単一光子吸収の検出を行うことができる。
【００６６】
この際、制御ゲート電圧ＶCG及び裏面ゲート（図１及び図３）のバイアス電圧により量子ドット中の平均電子濃度Ｎd を調節してドット中のランダウ準位の占有指数νを偶数近傍、例えばν＝２．４〜１．９、４．６〜４．０及び６．６〜６．０等にすることで、特別に長寿命の状態を実現することができる。
ここでランダウ準位の占有指数νは次の（３）式で表せる。
【００６７】
ν＝Ｎd ／（２πｅＢ／ｈ） ・・・（３）
【００６８】
次に、図３（ｃ）で示す第３の場合の作用について説明する。
図５は磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す磁気的遷移の概念図であり、（ａ）はスピン状態間の電子励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵを示す図である。
【００６９】
この第３の場合は量子ドットが第２の場合の構造と同様に、サイズ効果は小さく、磁場印加によってランダウ準位への分裂に加えて、図５（ａ）に示すようにスピン状態による磁気的エネルギー分離、ΔεM ＝ｇ＊μB Ｂ、が生じている。
ここで、ｇ＊は有効ｇ因子、μB はボーア磁子を示す。
【００７０】
先ず、被測定ミリ波・遠赤外光の角周波数ωに対して次の共鳴条件を満たすように磁場を印加する。
【００７１】
ω＝２πΔεM ／ｈ ・・・（４）
【００７２】
有効ｇ因子は約ｇ＊＝０．４４である。
【００７３】
次に、上述した第１の場合と同じ要領でＳＥＴをクーロン振動のピーク状態におき、被測定ミリ波・遠赤外光を入射させる。
入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナの短絡された結節点に振動電流を生起し、量子ドット部分に振動磁場を作る。その結果、図５（ａ）中の矢印で示すように、電子の磁気共鳴励起を起こす。
【００７４】
励起された電子及び正孔は図５（ｂ）に示すように、それぞれ余剰のエネルギーを格子系へ失うことによって１０ｎ秒程度の時間内に緩和する。
その際、図５（ｃ）に示すように、量子ドットを形成する静電ポテンシャルの影響で電子及び正孔がそれぞれ量子ドット内部で空間的に分離し、量子ドット内部に環状の分極が生ずる。
【００７５】
そのために量子ドットの最外殻の電子準位の電気化学ポテンシャルが、分極による静電ポテンシャル変化分、ΔＵ＝１０〜５０μｅＶ、変化する。
その結果、ＳＥＴの動作は伝導ピーク、すなわち伝導度Ｇが最大の状態からクーロン閉塞の状態、すなわちＧ≒０、に変化する。
伝導遮断の状態は量子ドット内で電子及び正孔が再結合するまで持続するが、その再結合寿命は、スピン反転の散乱確率が低いために長く、容易に単一光子吸収の検出を行うことができる。
【００７６】
次に複数の量子ドットを有する他の好適な実施の形態を説明する。
上述した一つの量子ドットを有する場合では磁場を印加しない限り、励起状態の寿命が１μ秒以下と比較的短い。したがって、単一光子検出を行うためには、ヘリウム温度に冷却したＨＥＭＴ増幅器とＬＣ回路を組み合わせた電流増幅器を用いるか、又は磁場を印加して励起状態の寿命を１ｍ秒以上にする必要がある。
しかし量子ドットを複数有する他の実施の形態では磁場印加なしに感度をより向上させることができるものである。
【００７７】
他の実施の形態に係るミリ波・遠赤外光検出器では、互いに静電的に結合した第１と第２のそれぞれサブミクロンサイズの二つの伝導性量子ドットを構成要素とする。第１の量子ドットが電磁波を吸収し、第２の量子ドットが単一電子トランジスター（ＳＥＴ）として動作し、このＳＥＴが第１の量子ドットにおける電磁波吸収を検知するものである。
【００７８】
以下、動作原理を図６の概念図を参照して説明する。
図６は他の実施形態の動作原理を示す概念図であり、電子系内に二つの隣接する量子ドットが形成されたエネルギー構造概念図である。
静電ポテンシャルＵａで特徴づけられる第１の量子ドット６１として有効的大きさが直径０．０２μｍから０．３μｍの半導体量子ドットを用いると、図６に示すように、印加されたゲート電圧によって定まるエネルギー閾値、すなわちイオン化エネルギーより低い電子状態は量子化され、第１の量子ドット６１に束縛された離散的束縛準位５９が形成される。
【００７９】
一方、エネルギーがその閾値よりも大きな電子準位は、第１の量子ドット６１の外部に広がった電子系６３の連続的自由準位５８を形成する。
このイオン化エネルギーは、第１の量子ドット６１を形成するポテンシャル障壁５７の高さによって電圧換算で１００μＶから２０ｍＶの値をとる。
このポテンシャル障壁５７の高さは第１の量子ドット６１のゲート電極に印加するバイアス電圧により制御可能である。
したがって、図６の矢印で示すように、イオン化エネルギー以上の電磁波光子エネルギーを持つミリ波・遠赤外光を照射することによって、第１の量子ドット６１中の電子を離散的束縛準位５９からポテンシャル障壁５７外部の電子系６３の連続的自由準位５８に励起することができる。なお、図６中、黒丸は励起した電子、白丸は電子の抜けた孔、すなわち正孔を示す。
【００８０】
連続的自由準位５８に励起される電子は１ｎ秒以内に速やかに第１の量子ドット６１のポテンシャル障壁５７から外部の電子系６３に脱出し、第１の量子ドット６１は素電荷＋ｅの分だけ正に帯電、すなわちイオン化する。
一方、ポテンシャル障壁５７の外部に脱出した電子は、電子・電子相互作用及び電子・格子相互作用のために１０ｎ秒程度以内に余分なエネルギーを失って速やかに電子系６３のフェルミ準位に緩和するため、ポテンシャル障壁５７に妨げられて第１の量子ドット６１に戻ることができない。
したがって、第１の量子ドット６１のイオン化状態は長時間、例えば１０μ秒から１０００秒間保持される。
【００８１】
第１の量子ドット６１に隣接した第２の量子ドット６２は電子を離散的準位に閉じこめた静電ポテンシャルＵｂを有しＳＥＴを形成する。
この第２の量子ドット６２は半導体量子ドット又は金属量子ドットのいずれかで形成される。
第２の量子ドット６２は第１の量子ドット６１に対して電気的導通性を持たないが、ポテンシャル障壁を介して隣接しているために静電的に結合する。
【００８２】
そのために第１の量子ドット６１の帯電、すなわちイオン化によって第２の量子ドット６２の静電ポテンシャルが変化して、その結果ＳＥＴの伝導度が大きく、例えば２０％から９９％程度変化する。
このとき伝導度の変化した状態は第１の量子ドット６１のイオン化が消滅して中性状態に戻るまでの間保持される。
一方、上述したように、第１の量子ドット６１のイオン化状態の寿命は１０μ秒から１０００秒と長いため、きわめて感度の高い検出器となる。
特に、電流の時間分解測定をとおして単一のミリ波・遠赤外光子を検出することができる。
【００８３】
次に、他の実施形態の構成を説明する。
他の実施の形態に係るミリ波・遠赤外光検出器には基本的に二つタイプの好適な実施形態が可能である。他の実施形態においても図１及び図２に示した構造と基本的に同様であるが、他の実施形態においては静電的に分離された二つの量子ドットを有し、ゲート電極を兼ねる双極子アンテナの結節点で形成され、電磁波を吸収する第１の量子ドットと、この第１の量子ドットの電磁波吸収を検出しＳＥＴを形成する第２の量子ドットとを有する点が異なる。
【００８４】
図７（ａ）、（ｂ）は他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はＡ型構造の平面図、（ｂ）はＢ型構造の平面図を示す。
いずれの構造においても第１の量子ドットが電磁波に対して双極子アンテナにより電気的に結合する。
【００８５】
図７（ａ）及び（ｂ）を参照すると、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器は、図２（ｂ）に示したのと同様にして、Ａ型構造及びＢ型構造ともに、変調ドープされたＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ単一へテロ構造基板上にリソグラフィー技術を用いて作製される。さらにＡ型構造及びＢ型構造ともに電子系のヘテロ構造をメサエッチングして対称な所定形状に形成される。
なお、同等の構造をＩＶ族半導体、例えばＳｉ基板上にリソグラフィー技術を用いて同様に作製することも可能である。
【００８６】
また双極子アンテナ６５ａ、６５ｂの一方の羽６７ａ、６７ｂと他方の羽６８ａ、６８ｂとは、それぞれ金属リード線６９ａ、６９ｂと金属リード線６９ａ’、６９ｂ’とにより、バイアス電圧を印加するために金属パッド７１ａ、７１ｂと金属パッド７２ａ、７２ｂとに接続される。この実施形態では金属リード線及び金属パッドはＴｉが２０ｎｍ、Ａｕが１５０ｎｍの蒸着膜で合金化されて形成される。
【００８７】
図７（ａ）に示すようにＡ型構造では、電子系メサ構造６３ａが双極子アンテナ６５ａの結節点領域７０ａにくびれを有するように形成され、この結節点領域７０ａから二つに分かれた対称な電子系メサ構造７６ａ、７７ａが形成される。電子系メサ構造６３ａの一端にはオーミック電極６６ａが形成され、二つに分かれた他端にはオーミック電極８１ａ、８２ａが形成される。このオーミック電極８１ａは後述するＳＥＴ６４ａのソース電極であり、オーミック電極８２ａはＳＥＴ６４ａのドレイン電極である。
【００８８】
双極子アンテナ６５ａの結節点領域７０ａに第１の量子ドット６１ａ及び第２の量子ドット６２ａが形成される。この双極子アンテナ６５ａは結節点領域７０ａにて第１の量子ドット６１ａと電磁波とを結合する。
さらに第１の量子ドット６１ａは、双極子アンテナ６５ａの一方の羽が兼ねるゲート電極６７ａと他方の羽が兼ねるゲート電極６８ａの先端部がつくる静電ポテンシャル障壁で、量子ドット外部の電子系と隔てられている。
【００８９】
第２の量子ドット６２ａは電子系内にあって第１の量子ドット６１ａに隣接して形成される。この第２の量子ドット６２ａは金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａによりゲート電極７８ａ、７９ａ、８０ａからバイアス電圧が印加されて形成され、電子系メサ構造７６ａ、７７ａの電子系に弱くトンネル接合される。
【００９０】
この第２の量子ドット６２ａと、電子系メサ構造７６ａ、７７ａと、オーミック電極８１ａ、８２ａとでＳＥＴ６４ａが形成される。
なお、金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａはそれぞれゲート電極７８ａ、７９ａ、８０ａに接続される。また本実施形態ではオーミック電極６６ａ、８１ａ、８２ａはＡｕ／Ｇｅの合金化により形成される。
さらに電子系メサ構造６３ａ（電子系メサ構造７６ａ、７７ａも含まれる）及びゲートにバイアス電圧を印加するための金属リード線６９ａ、６９ａ’、７３ａ、７４ａ、７５ａは、電磁波の吸収を避けるためにそれぞれ幅が５μｍ以下に形成され、かつ、その長さ方向が双極子アンテナ６５ａの軸方向に対して直角に形成される。
【００９１】
次に図７（ｂ）に示すＢ型構造のミリ波・遠赤外光検出器は、電子系メサ構造６３ｂのくびれた部分の端が双極子アンテナ６５ｂの結節点領域７０ｂになっており、この結節点領域７０ｂに第１の量子ドット６１ｂが形成される。
ここで、双極子アンテナ６５ｂ及び第１の量子ドット６１ｂの構成はＡ型構造と同様である。
さらに、Ｂ型構造のミリ波・遠赤外光検出器における第２の量子ドット６２ｂは、第１の量子ドット６１ｂの上面に設けられた金属膜で形成されており、第１の量子ドット６１ｂと静電的に結合するが電気的導通（トンネル接合）は遮断されている。
この金属膜で形成された第２の量子ドット６２ｂは、ソース電極８１ｂとドレイン電極８２ｂとにそれぞれ接続された金属リード線７６ｂと金属リード線７７ｂとに弱くトンネル接合され、ＳＥＴ６４ｂが形成される。
【００９２】
次に、双極子アンテナ、第１の量子ドット及び第２の量子ドットについて詳細に説明する。
図８は双極子アンテナ結節点領域の要部拡大図であり、（ａ）はＡ型構造の第２の量子ドットをゲート電極により第１の量子ドットから分離する構造、（ｂ）はＡ型構造の第１の量子ドットと第２の量子ドットの形成される電子系メサ構造が分離して形成される構造、（ｃ）はＢ型構造の要部拡大を示す図である。
【００９３】
図８（ａ）を参照して、第１の量子ドット６１ａは、バイアス電圧の印加によりゲート電極６７ａの突起部８３ａとゲート電極６８ａの突起部８４ａとの間隙に形成される。
この間隙Ｌ1 ａは約０．５μｍである。電子系メサ構造６３ａの結節点領域７０ａの幅Ｍａは０．４μｍから０．５μｍ程度である。
【００９４】
第２の量子ドット６２ａは、ゲート電圧の印加によりゲート電極６８ａの突起部８４ａとゲート電極から延びた金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａの先端部とがつくる間隙に形成され、この間隙Ｌ2 ａは０．３μｍから０．５μｍの程度である。
ゲート電極６７ａ、６８ａは双極子アンテナ６５ａのそれぞれの羽を兼ねており、電磁波を電気的に第１の量子ドット６１ａに結合する役割をも果たす。
突起部８３ａは幅が０．３μｍ、長さが０．７μｍ程度で電子系メサ構造の結節点領域７０ａを横断して形成され、突起部８４ａは幅が０．１μｍ、長さが０．３μｍ程度で結節点領域７０ａを横断せず、その一部に重なって形成される。
【００９５】
これは第１の量子ドット６１ａと第２の量子ドット６２ａとの間に十分な大きさの静電容量結合を確保するためである。
但し、ゲート電極６８ａ（突起部８４ａ）への負のバイアス電圧印加によって、第１の量子ドット６１ａと第２の量子ドット６２ａとの間の電気的導通（トンネル接合）は遮断されている。
【００９６】
本実施形態では、ゲート電極から延びた金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａの先端部分はそれぞれ０．１μｍ程度の幅であり、また互いの間の間隙は０．１μｍ程度に形成される。
【００９７】
ゲート電極６７ａを−０．３Ｖから−２Ｖ程度、ゲート電極６８ａを−０．７Ｖ程度の負電圧にバイアスすることによって、第１の量子ドット６１ａが形成される。
ゲート電極の金属リード線７３ａ及び金属リード線７５ａを−０．７Ｖ程度、さらに制御ゲート電極の金属リード線７４ａを−０．３Ｖから−０．７Ｖ程度の負電圧にバイアスすることによって第２の量子ドット６２ａが形成される。
ここで、ゲート電極６７ａ（突起部８３ａ）のバイアス電圧は、第１の量子ドット６１ａが電磁波を吸収する際のイオン化エネルギーを決定する。
【００９８】
例えば、−０．３Ｖでイオン化エネルギーは０．２ｍｅＶ程度、閾値検出波長では５ｍｍに対応し、その値は負電圧変化とともに連続的に変化して、−２Ｖにて３０ｍｅＶ程度、閾値検出波長では約３０μｍ程度に達する。
【００９９】
第２の量子ドット６２ａをＳＥＴ６４ａとして動作させるために、ゲート電極の金属リード線７３ａと金属リード線７５ａのバイアス電圧を微調整して、第２の量子ドット６２ａを電子系メサ構造７６ａ、７７ａの電子系に弱くトンネル結合させる。
ゲート電極６８ａ（突起部８４ａ）のバイアス電圧は第１の量子ドット６１ａと第２の量子ドット６２ａとの間のトンネル結合が消失する閾値電圧近傍に選び、静電的結合が最大となるようにされる。
【０１００】
次に図８（ａ’）は第２の量子ドット６２ａ’が第１の量子ドット６１ａ’からメサエッチングにより分離して形成され、ゲート電極６８ａ’に突起部が形成されていない点が図８（ａ）の構造と異なる。
対応する各部位の寸法Ｍａ’、Ｌ1 ａ’、Ｌ2 ａ’及びバイアス電圧等は図８（ａ）と同様である。なお、図８（ａ）と対応する部材は同一符号に「ダッシュ」を付して区別した。
この実施形態では第１の量子ドット６１ａ’と第２の量子ドット６２ａ’の間隙は、約０．１μｍ程度に形成される。
【０１０１】
次に図８（ｂ）に示すＢ型構造のミリ波・遠赤外光検出器では、電子系メサ構造６３ｂのくびれた部分の端が結節点領域７０ｂにあって、この領域に第１の量子ドット６１ｂが形成される。この第１の量子ドット６１ｂ、その外部の電子系メサ構造６３ｂ及びゲート電極６７ｂ、６８ｂについては、それぞれ図８（ａ’）に示した対応する部材と寸法及び形状ともに同一である。
第２の量子ドット６２ｂによるＳＥＴは第１の量子ドット６１ｂの上にドーランブリッジ法で作製する。ドーランブリッジ法を示す文献として「Ｔ．Ａ．Ｆｕｌｔｏｎ ａｎｄ Ｇ．Ｊ．Ｄｏｌａｎ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５９，ｐ．１０９，１９８７」を挙げることができる。
【０１０２】
具体的には、まずアルミニウムの蒸着により、厚さが０．０６μｍ、幅が０．１μｍ、長さが０．３μｍの第２の量子ドット６２ｂを形成した後、その表面を１０ｍＴｏｒｒ程度の酸素ガス雰囲気中で酸化して酸化アルミニウム膜で覆う。
この表面の酸化にあたっては後述する金属リード線７６ｂと金属リード線７７ｂ間の常温での電気抵抗が１００ｋΩから４００ｋΩの間に収まるように酸化時間を調節する。
【０１０３】
次に第１の量子ドット６１ｂ上に重ねて、斜め蒸着により金属リード線７６ｂ、７７ｂをアルミニウムの蒸着により作製する。この金属リード線７６ｂ、７７ｂの厚さは０．０６μｍ、先端部幅は０．１μｍ程度である。
但し、本実施形態では金属リード線先端部の間隙８５ｂを０．１μｍとした。
【０１０４】
このとき、金属リード線７６ｂ、７７ｂの先端部は第２の量子ドット６２ｂと０．０５μｍ程度重なるように形成される。このとき、金属リード線７６ｂはソース電極８１ｂに接続され、金属リード線７７ｂはドレイン電極８２ｂに接続されており、金属リード線７６ｂ、７７ｂと第２の量子ドット６２ｂとの間に介在する酸化アルミニウム層がトンネル接合となってＳＥＴが形成される。
【０１０５】
次に、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器の作用を説明する。
図８（ａ）に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。 図７（ａ）及び図８（ａ）を参照して、先ずゲート電極６７ａ、つまり突起部８３ａとゲート電極６８ａ、つまり突起部８４ａとへバイアス電圧を印加して第１の量子ドット６１ａを形成する。
【０１０６】
次にその状態でさらにゲート電極７８ａ、７９ａ、８０ａをバイアス、つまり金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａにバイアス電圧を印加して第２の量子ドット６２ａを形成し、第２の量子ドット６２ａがＳＥＴとして動作する。
つまり、電子系メサ構造７６ａと電子系メサ構造７７ａとの間にＶSD＝１００μＶ以下のソース・ドレイン電圧を印加して流れる電流を測る。双極子アンテナ６５ａに電磁波の入射がないときにＳＥＴの伝導度が最大となるように制御ゲート電極７９ａ、つまり金属リード線７４ａのバイアス電圧を微調する。さらに電子系メサ構造６３ａの電位と電子系メサ構造７６ａとを同電位に保つ。
【０１０７】
双極子アンテナ６５ａで捕らえられた電磁波が第１の量子ドット６１ａで吸収されることにより、第１の量子ドット６１ａが＋ｅにイオン化し、第２の量子ドット６２ａの静電ポテンシャルが変化してＳＥＴの伝導度が大きく減少する。それを電流増幅器で検知することにより電磁波光子一つの吸収を検出することができる。なお、イオン化により第１の量子ドット６１ａから外部の電子系メサ構造６３ａの電子系に脱出した電子は、そこで吸収される。
【０１０８】
次に図８（ａ’）に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。
図７（ａ）及び図８（ａ’）を参照して、先ず、第１の量子ドット６１ａ’をゲート電極６７ａ’、つまり突起部８３ａ’へのバイアス電圧印加により形成する。さらにゲート電極６８ａ’は電子系メサ構造６３ａ’と同電位とする。
次にその状態でさらにゲート電極７８ａ’、７９ａ’、８０ａ’をバイアス、つまり金属リード線７３ａ’、７４ａ’、７５ａ’にバイアス電圧を印加して第２の量子ドット６２ａ’を形成し、第２の量子ドット６２ａ’がＳＥＴとして動作する。その他は図８（ａ）の構造と同様の作用をする。
【０１０９】
最後に、図８（ｂ）に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。
第１の量子ドット６１ｂの形成については図８（ａ’）に示した構造での第１の量子ドット６１ａ’の形成と同様である。
第２の量子ドット６２ｂは既にＳＥＴとして第１の量子ドット６１ｂ上に形成されている。図７（ｂ）及び図８（ｂ）を参照して、ソース電極８１ｂ、つまり金属リード線７６ｂとドレイン電極８２ｂ、つまり金属リード線７７ｂとの間にＶSD＝１００μＶ以下のソース・ドレイン電圧を印加して流れる電流を測る。
【０１１０】
但し、電子系メサ構造６３ｂとゲート電極６８ｂを同電位とし、その電位をアルミニウムで形成された金属リード線７６ｂに対して±１ｍＶ以内で微妙に調節することによって、電磁波入射がないときのＳＥＴの伝導度を最大にする。
【０１１１】
第１の量子ドット６１ｂが電磁波を吸収して＋ｅにイオン化すると、第２の量子ドット６２ｂの静電ポテンシャルが変化して上述したようにＳＥＴの伝導度が大きく減少する。それを電流増幅器で検知することにより電磁波光子一つの吸収を検出することができる。なお、イオン化により第１の量子ドット６１ｂから外部の電子系メサ構造６３ｂの電子系に脱出した電子は、そこで吸収される。
【０１１２】
以上示した３種類の構造において、電磁波吸収によって励起する正孔と電子とがそれぞれ第１の量子ドットの内部と外部に分離して生ずるため、磁場を印加することなく極めて長時間の励起状態、すなわちイオン化寿命を実現できる。この第１の量子ドット６１ａ、６１ａ’、６１ｂのイオン化状態の寿命は１０μ秒以上であり、きわめて容易に電磁波単一光子の検出を行うことができる。
したがって、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器では、さらに感度が高くなり、かつ、より高温で動作する検出器を磁場の印加なしで実現できる。
【０１１３】
さらに離散準位間の励起を利用する場合、電磁波の検出に波長選択性が生じるが、この他の実施形態では離散準位から連続帯準位への励起を利用するために閾値、すなわちイオン化エネルギー以上のエネルギーを持つ連続的な波長帯域で検出可能な感度を有することができる。
【０１１４】
また、動作温度は、ＳＥＴを形成する第２の量子ドット６２ａ、６２ａ’、６２ｂの帯電エネルギーで上限が決まり、図８（ｂ）の構造では約１Ｋまで、図８（ａ’）の構造では約１．３Ｋまで、図８（ａ）の構造では約２Ｋまでとなる。したがって、第２の量子ドットを微小にすることにより動作温度を最高２Ｋまでに上昇させることができる。
【０１１５】
さらに、イオン化エネルギーが第１の量子ドットのゲート電圧によるポテンシャル障壁高さの調節を通して直接的に制御可能であるので、イオン化エネルギーの制御、つまり検出の閾値波長を制御することができる。
したがって、検出可能電磁波の長波長限界はすべての構造において第１の量子ドットを形成するゲート電極６７ａ、６７ａ’、６７ｂのバイアス電圧で決めることができる。
【０１１６】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。
【実施例】
【０１１７】
次に、本発明のミリ波・遠赤外単一光子検出器を、上述した第２の場合の使用条件下で用いた実際の単一光子検出の測定結果を、図９、図１０、図１１及び図１２を参照して説明する。
図９〜図１２は２次元電子移動度が８０ｍ2 ／Ｖｓ、電子濃度が２．３ｘ１０15／ｍ2 のＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓヘテロ構造結晶を用いて、図３（ｂ）の形状・サイズに作成したミリ波・遠赤外単一光子検出器の測定例を示す。
【０１１８】
図９及び図１０は、測定温度０．０７Ｋ、ＶSD＝２５μＶ、ＶCG＝０Ｖ、Ｂ＝３．６７Ｔの条件下で、量子ホール効果素子からの極めて微弱な遠赤外発光、すなわち波長が０．１９ｍｍ、発光素子の電流がＩemit＝４μＡのときボータイ・アンテナ位置でのパワーが約１０-18 Ｗの遠赤外光を入射させたときのＳＥＴ伝導度の測定例である。但し、測定の時定数は３ｍ秒である。
【０１１９】
図９（ａ）〜（ｃ）はＳＥＴ伝導度の制御ゲート電圧ＶCGに対する依存性を示しており、遠赤外光の照射がない時のＶCG＝−０．６８８１Ｖ近傍の鋭いクーロン振動のピーク（図９（ａ））が極端に微弱な遠赤外光の照射によって乱され（図９（ｂ））、光強度が増すに従って励起状態に対応したＶCG＝−０．６８８６Ｖ近傍のピークへ移行する。
【０１２０】
図１０（ｄ）〜（ｆ）は、制御ゲート電圧ＶCGを照射無しのピーク位置、ＶCG＝−０．６８８１Ｖ、に固定した時の伝導度Ｇの時間変化である。単一光子の吸収が起こるたびに伝導遮断の状態にスイッチングし、遠赤外光強度の増大によってスイッチングの頻度（光子の飛来頻度）が増大することを示す。
【０１２１】
図１１は、励起状態の寿命が強い磁場依存性を示し、磁場Ｂが３．８Ｔのときν＝２の近傍で最大値を取り、その値が１０００秒のオーダーに達することを示す。
磁場依存性の細部の構造は上位のランダウ準位に存在する電子数が磁場変化によって一つづつ変化することによって起こる。
図１２は図９及び図１０と同様な条件下で温度を０．３７Ｋまで上昇させても単一光子の検出が可能なことを示す。
【０１２２】
この実施例のミリ波・遠赤外単一光子検出器は、半導体量子ドット内の電子準位間の共鳴励起を単一電子トランジスタの増幅作用を通して測定する。
このため、１００秒間に１個程度の極端に微弱な光子束を検出することができる。１００秒の測定時間を考えると、この感度はＮＥＰ＝１０-23 Ｗ／Ｈｚ1/2 に対応し、従来の最高感度の検出器に比べて一千万倍程度優れている。
また、感度を失うことなく、３ｎ秒程度の時定数で高速の測定を行うことができる。
【０１２３】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】集光系を含めたこの発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の概略構成断面図である。
【図２】本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はボータイ・アンテナと量子ドットによる単一電子トランジスタの平面図、（ｂ）はメサ構造部の一部概略断面図である。
【図３】本発明に係るボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す概略図であり、（ａ）は磁場無印加で使用し、波長０．５〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｂ）は１〜７Ｔの磁場下で使用し、波長０．１〜０．４ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｃ）は１〜１３Ｔの磁場下で使用し、波長０．３５〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器で使用するものを示す図である。
【図４】本発明における磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す電気的遷移の概念図であり、（ａ）は電気的遷移（ｍａｇｎｅｔｏｐｌａｓｍａ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるランダウ準位間の励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵ及び電気化学ポテンシャルの変化Δμ０↑を示す図である。
【図５】本発明における磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す磁気的遷移の概念図であり、（ａ）は磁気的遷移（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるスピン状態間の励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵを示す図である。
【図６】本発明に係る他の実施形態の動作原理を示す概念図である。
【図７】他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はＡ型構造の平面図、（ｂ）はＢ型構造の平面図を示す。
【図８】本発明に係る双極子アンテナ結節点領域の要部拡大図であり、（ａ）はＡ型構造の第２の量子ドットをゲート電極により第１の量子ドットから分離する構造、（ａ’）はＡ型構造の第１の量子ドットと第２の量子ドットの形成される電子系メサ構造が分離して形成される構造、（ｂ）はＢ型構造の要部拡大を示す図である。
【図９】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、（ａ）は遠赤外光の照射がないとき、（ｂ）は発光素子の電流が２μＡのとき、（ｃ）は発光素子の電流が３．５μＡのとき、のＳＥＴ伝導度の制御ゲート電圧に対する依存性を示す図である。
【図１０】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、単一光子吸収によって起こるＳＥＴ動作のスイッチングを示す。（ｄ）は発光素子の電流が２μＡ、（ｅ）は発光素子の電流が３μＡ、（ｆ）は発光素子の電流が４μＡのときである。さらに（ｇ）は励起された状態確率の発光素子電流に対する依存性を示す。
【図１１】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、励起状態の寿命の磁場強度依存性を示す。
【図１２】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、単一光子吸収によって起こるＳＥＴ動作のスイッチングの温度依存性を示す。
【符号の説明】
【０１２５】
１ ミリ波・遠赤外光導入部
２ ミリ波・遠赤外光
３ 光導入管
４ 半導体基板
６，６ａ，６ｂ，６ｃ ボータイ・アンテナ
７ パッケージ
８ 裏面ゲート電極
９ 誘電体対物レンズ
１０ ミリ波・遠赤外光検出器
１２ 量子ドット
１４ 単一電子トランジスタ
１６，１７ オーミック電極
３０ａ，３２ａ，３４ａ，３６ａ ゲート電極
３０ｂ，３２ｂ，３４ｂ，３６ｂ ゲート電極
３０ｃ，３２ｃ，３４ｃ，３６ｃ ゲート電極
３１，３３，３５，３７ リード部分
４１，４３，４５，４７ 金属パッド部分
５７ ポテンシャル障壁
５８ 連続的自由準位
５９ 離散的束縛準位
６１，６１ａ，６１ａ’，６１ｂ 第１の量子ドット
６２，６２ａ，６２ａ’，６２ｂ 第２の量子ドット
６３ 電子系
６３ａ，６３ａ’，６３ｂ 電子系メサ構造
７６ａ，７７ａ，７６ａ’，７７ａ’ 電子系メサ構造
６４ａ，６４ｂ ＳＥＴ
６５ａ，６５ａ’，６５ｂ 双極子アンテナ
６７ａ，６７ａ’，６７ｂ ゲート電極
６８ａ，６８ａ’，６８ｂ ゲート電極
６９ａ，６９ａ’，６９ｂ，６９ｂ’ 金属リード線
７０ａ，７０ｂ 結節点領域
７２ａ，７２ｂ 金属パッド
７３ａ，７４ａ，７５ａ 金属リード線
７３ａ’，７４ａ’，７５ａ’ 金属リード線
７８ａ，７９ａ，８０ａ ゲート電極
８１ａ，８１ｂ ソース電極（オーミック電極）
８２ａ，８２ｂ ドレイン電極（オーミック電極）
８３ａ，８３ａ’，８３ｂ，８４ａ 突起部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ミリ波・遠赤外光計測器に利用し、特に半導体量子ドットを制御してミリ波・遠赤外領域のビデオ信号を検出するためのミリ波・遠赤外光検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電磁波の検出器には位相敏感検波を行う周波数混合器（ミキサー）と、非干渉性の検波を行うビデオ信号検出器とがあるが、微弱光の検出には後者のビデオ信号検出器の方が感度が優れている。
【０００３】
ミリ波・遠赤外領域での従来のビデオ検出器の中で、最も感度が優れているのは、波長範囲が０．１ｍｍ〜１ｍｍの０．３Ｋ以下の極低温で用いるゲルマニウム複合ボロメーターと、波長範囲が０．０６ｍｍ〜０．１ｍｍの２Ｋ程度の低温で用いるドープしたゲルマニウムによる光伝導検出器である。
【０００４】
その雑音等価出力（Ｎｏｉｓｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ、以下「ＮＥＰ」と記す）は１０-16 ＷＨｚ-1/2から１０-18 ＷＨｚ-1/2に達する。
電磁波のエネルギー量子、すなわち光量子で見た場合、この感度は、１秒間の測定時間を考えたときに、百万個程度以上の光子束が検出器に入射しない限り雑音以上の信号として検出できないことを意味する。
【０００５】
さらに、このような検出器では応答速度が１００ｍ秒程度と極めて遅い。応答速度の速い検出器として、超伝導ボロメーター、超伝導トンネル接合、半導体（ＩｎＳｂ）中ホットエレクトロン等が利用されているが、感度はゲルマニウム複合ボロメーターに比べて劣る。
【０００６】
上述した検出器とは別に、通常の単一電子トランジスタにマイクロ波を照射すると光子補助トンネル効果（ｐｈｏｔｏｎ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）による信号が得られることが知られているが、この効果では、電磁波光子一つの吸収によって電子が一つしか電極間を移動しないため、検出器としての感度は低い。
【特許文献１】特開平１１−００４０１７号公報
【特許文献２】特開平０８−２７４２９８号公報
【非特許文献１】R. J. Scoelkopf et al., "A Concept for a Submillimeter-Wave Single-Photon Counter", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.9, No.2, June 1999, pp.2935-2939
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の検出器には感度及び応答速度の優れたものが存在しなかった。その理由は、いずれの検出器も伝導電子が連続的エネルギー準位帯構造の中にあるために電磁波によって励起された状態の寿命が短いこと、また検出器中の全電子による平均伝導度の変化によって電磁波を検出するため、少数の電子の励起による効果が圧倒的多数の他の電子によって薄められてしまい効率が低いこと、さらに光子補助トンネル効果のように電磁波光子一つの吸収によって電子が一つしか電極間を移動しないためであった。
【０００８】
そこで、この発明は、上述したすべての機構とは全く異なる機構に基づき従来の検出器に関わる解決すべき課題を根本的に除去することにより、桁違いに感度が優れ、かつ、応答速度の早いミリ波・遠赤外光検出器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のミリ波・遠赤外光検出器は、電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第１の量子ドットと、この第１の量子ドットに静電的に結合した第２の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、単一電子トランジスタは、２次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この２次元電子系内にトンネル結合する量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、第１の量子ドットのイオン化に伴う第２の量子ドットの静電的状態の変化によって単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて電磁波を検出する。
【００１０】
上記構成において、第１の量子ドットのイオン化が、第１の量子ドットの量子化束縛状態の電子を、第１の量子ドット外部の電子系の自由電子状態に励起することによって生ずることを特徴とする。
第１の量子ドットのイオン化エネルギーが、第１の量子ドットのゲートに印加するバイアス電圧の大きさによって制御可能であることを特徴とする。
第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットが、同一の半導体構造基板上にあって、それぞれのゲートに印加するバイアス電圧によって静電的に分離して形成されたことを特徴とする。
第１の量子ドットと第２の量子ドットとを半導体中にあって間隙を介して隣接して形成したことを特徴とする。
第２の量子ドットが、第１の量子ドットの上に形成した金属ドットであって、この金属ドットに形成した金属リード線とトンネル接合して単一電子トランジスタを形成したことを特徴とする。
第２の量子ドットがアルミニウム金属ドットであり、トンネル接合する部分を酸化アルミニウムとしたことを特徴とする。
電磁波結合手段が、第１の量子ドットと前記電磁波とを電気的に結合するアンテナであることを特徴とする。
電磁波結合手段が、第１の量子ドット及び第２の量子ドットを形成するバイアス電圧印加のためのゲートを兼ねていることを特徴とする。
電磁波結合手段のリード部分の長さ方向を、この電磁波結合手段の分極軸方向に垂直に形成していることを特徴とする。
電磁波結合手段の結節点の大きさと量子ドットの最大の大きさとが同程度であることを特徴とする。
電磁波結合手段の電極差し渡し長さが電磁波の波長の約１／２であることを特徴とする。
単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極との距離が、電磁波結合手段の分極軸方向の長さ以上であることを特徴とする。
単一電子トランジスタが化合物半導体であることを特徴とする。単一電子トランジスタはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする。
単一電子トランジスタが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする。単一電子トランジスタが、アルミニウムガリウム砒素／ガリウム砒素の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする。単一電子トランジスタが、ＩＶ族半導体であることを特徴とする。
単一電子トランジスタを量子ドットに対して対称に形成していることを特徴とする。
前記構成に加え、電磁波結合手段に電磁波を導く光導入部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記構成では、電磁波を吸収する第１の量子ドットと、それを検出する伝導性の第２の量子ドットを分離しているので、電磁波吸収によって励起される正孔と電子とがそれぞれ第１の量子ドットの内部と外部とに分離して生ずるため、磁場を印加することなく極めて長時間の励起状態、すなわちイオン化寿命を実現できる。したがって、磁場印加なしに感度をより向上させることができ、また単一光子検出を容易に行うことができる。
【００１２】
さらに、第１の量子ドットを形成する電子系では離散準位から連続帯準位への励起を利用するため閾値、すなわちイオン化エネルギー以上のエネルギーを持つ連続的な波長帯域で良好な検出感度を有する。また検出の閾値波長、すなわちイオン化エネルギーがゲート電圧によるポテンシャル障壁高さの調節を通して直接的に制御可能である。さらに第２の量子ドットを微小にすることによって動作温度を最高２Ｋまで上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のミリ波・遠赤外光検出器では、従来のミリ波・遠赤外光検出器に比べて桁違いに感度が高く、かつ、高速で動作するという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明のミリ波・遠赤外光検出器は、半導体量子ドットによる単一電子トランジスタ（以下、「ＳＥＴ」と記す。）を用いる。ＳＥＴは、例えば２次元電子ガスを形成する半導体超格子の単一ヘテロ構造を有し、ソース電極及びドレイン電極により、ソース領域とドレイン領域に弱くトンネル結合した非常に小さな孤立した伝導性領域のドットと、そのドットの静電ポテンシャルを制御する制御ゲート電極とで形成される。
なお、ＳＥＴは化合物半導体、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有しているものでも良い。さらに複数の量子ドットを有するミリ波・遠赤外光検出器の場合、ＩＶ族半導体でもよい。
【００１５】
制御ゲート電極のバイアス電圧を変化させるとドット中の伝導電子の電気化学ポテンシャルが変化し、それがソース及びドレイン電極のフェルミエネルギーに等しくなる条件下でのみソース・ドレイン電流ＩSDが流れる。
ＳＥＴのこの導通状態での伝導度、Ｇ＝ＩSD／ＶSDは概ね［２００〜４００ｋΩ］-1となる。
但し、ＶSDはソース・ドレイン電圧であり、本発明で使用するＳＥＴでは１００μＶ以下にしなければならない。
【００１６】
伝導性ドットとして、有効的な大きさが直径０．０２μｍから０．６μｍの半導体量子ドットを用いると、その内部の電子系のエネルギー準位はサイズ効果又は外部から印加する磁場に応じて量子化され、そのエネルギー間隔がミリ波・遠赤外光領域の光量子に対応する。そのエネルギー間隔は、量子ドットのサイズ変化や外部磁場、バイアス電圧の印加によって制御可能である。
したがって、ミリ波・遠赤外光を照射することによって量子ドット内部で電子を共鳴的に励起することができる。
但し、励起される状態は、後述するように励起方法及び磁場印加の有無によって異なる。
【００１７】
いずれの場合も、励起された電子の波動関数はその空間対称性と空間分布が、基底状態のそれに比べて変化するために、量子ドットの電気化学ポテンシャル及びソース・ドレイン領域とのトンネル結合強度が大きく変化する。
このことによって、半導体量子ドット内の一つの電子の励起のみによって、ＳＥＴの伝導度が２０％〜９９％程度と大きく変化し、その伝導度が変化した状態が、励起状態が消滅して基底状態に戻るまで、すなわち励起状態及びその緩和した状態の寿命の間保持される。
【００１８】
一方、励起された量子ドットの状態は、そのエネルギーの離散準位構造のために、基底状態に戻るまでの寿命が１０ｎ秒から１０００秒と長いため、極めて感度の高い検出器となる。伝導度ＧがＸ％変化してそれがＴ秒間続く場合の、ソース電極からドレイン電極に送り込まれる電子の数の変化、Ｎ＝ＧＶSDＴ（Ｘ／１００）／ｅ、は、代表的な条件下、Ｇ＝１／３００ｋΩ、Ｘ＝５０％、Ｔ＝１ｍ秒、ＶSD＝０．０５ｍＶで１０6 と、きわめて多数である。
つまり、一つの光子の吸収によって１００万個程度以上の電子を電極間に移送することができる。
【００１９】
さらに、ＳＥＴ動作の原理的時定数、ＣSD／Ｇは数十ｐ秒程度と極めて短い。ここで、ＣSDはソース・ドレイン間静電容量である。
したがって、電流の高速時間分解測定を通して単一のミリ波・遠赤外光子を検出することができる。
【００２０】
以下、この発明によるミリ波・遠赤外光検出器を具体的な好適な実施の形態に基づいて図を参照しながら詳細に説明する。
まず、この発明のミリ波・遠赤外光検出器の構成について説明する。
図１は集光系を含めた本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の概略構成断面図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器は、入射するミリ波・遠赤外光を検出器のアンテナに導くためのミリ波・遠赤外光導入部１と、半導体量子ドットを貫く電流を制御する単一電子トランジスタが形成されている半導体基板４と、単一電子トランジスタに形成されたサブミクロンサイズの微小空間領域である半導体量子ドットにミリ波・遠赤外光を集中するボータイ・アンテナ６とを備え、半導体基板４はＩＣチップ用のパッケージ７に装着されている。
【００２２】
ミリ波・遠赤外光導入部１は、ミリ波・遠赤外光２を導く光導入管３と、このミリ波・遠赤外光２を集光する誘電体レンズ５と、集光を補助する誘電体対物レンズ９とを有している。
誘電体対物レンズ９にはシリコンの半球レンズを使用し、この誘電体対物レンズ９はボータイ・アンテナ６や後述する半導体量子ドット表面に直接触れないように、それらに対して１０μｍ程度の間隙を残して固定されている。なお、図１中、８は半導体基板４に形成される単一電子トランジスタ裏面側の裏面ゲート電極を示す。
【００２３】
図１に示した光導入部１を含むミリ波・遠赤外光検出器１０は、０．３Ｋ以下に冷却されており、必要に応じて半導体基板４（量子ドット）に垂直に磁場Ｂを印加する。
【００２４】
図２は本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はボータイ・アンテナと量子ドットによる単一電子トランジスタの平面図、（ｂ）はメサ構造部の一部概略断面図である。
図２（ａ）に示すように、本発明のミリ波・遠赤外光検出器１０は、ボータイ・アンテナ６と、半導体量子ドット１２と、その半導体量子ドットを含む単一電子トランジスタ１４とを一体として半導体基板４の上に形成され、単一電子トランジスタ１４はオーミック電極１６，１７により所定条件下ソース・ドレイン電流が流れるようになっている。
なお、上述したように、この半導体基板４の裏面には金属薄膜が蒸着されており、裏面ゲート電極が形成されている。
【００２５】
単一電子トランジスタ１４の構造は、図２（ｂ）に示すように半絶縁ＧａＡｓ単結晶半導体基板４上に、変調ドープされたＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ単一ヘテロ構造を積層し、図２（ａ）に示す単一電子トランジスタ１４のメサ構造がリソグラフィー技術を用いて形成されている。
【００２６】
ＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ単一ヘテロ構造結晶としては、４．２Ｋでの２次元電子移動度が６０ｍ2 ／Ｖｓ以上、電子濃度が２ｘ１０15／ｍ2 から４．５ｘ１０15／ｍ2 のものを用いる。
【００２７】
ヘテロ構造は、図２（ｂ）の断面図に示すように、結晶表面からＳｉを１０18/cm3 程度ドープした厚さが１０ｎｍ程度のＧａＡｓ層２２と、Ｓｉを１ｘ１０18／ｃｍ3 ドープした厚さが７０ｎｍ程度のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２４と、厚さが２０ｎｍ以上のスペーサ層である純粋Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２６と、ノンドープの厚さが１００ｎｍ程度のＧａＡｓ層２８とがＧａＡｓ半導体基板４上に分子線エピタキシー法などで選択ドープされて積層されている。
なお、図２（ｂ）中の斜線部２５は２次元電子系が形成されることを示したもので、厚さは１０ｎｍ程度である。
半導体基板４は標準的な半絶縁ＧａＡｓ単結晶で全体の厚さが０．５ｍｍ程度で、平面サイズが１ｍｍから３ｍｍ角程度である。
【００２８】
この発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の各構成部分についてさらに詳細に説明する。
図２（ａ）に示すように、半導体量子ドット１２を含む単一電子トランジスタ１４はＧａＡｓ半導体基板４上に形成された２次元電子系の細長いメサ構造を有し、このメサ構造の中央部付近が、半導体量子ドット１２（詳細は後述する）外部の２次元電子系によってミリ波・遠赤外光が余分に吸収されるのを防ぐために、長さ２００μｍ程度にわたって幅４μｍ程度に細く形成されている。つまり、量子ドットが形成される中央部は両端のメサ構造部分よりも細い。
また量子ドットによる単一電子トランジスタは中央部に形成される量子ドットに対して対称に形成するのがよい。
【００２９】
メサ構造の両端にはＡｕ／Ｇｅとの合金化による標準的なオーミック電極のソース電極１６と、ドレイン電極１７とが形成されている。両電極間の距離は、半導体量子ドット１２への電磁波の集光を妨げないよう、ボータイ・アンテナ６の長さＨ程度以上の距離だけ互いに離されている。
【００３０】
ボータイ・アンテナ６は蒸着金属薄膜で形成されており、例えば厚さが２０ｎｍのＴｉと厚さが６０ｎｍのＡｕとで形成されている。
さらにボータイ・アンテナ６は図２（ａ）に示すように、単一電子トランジスタ１４の幅４μｍ程度に細く形成されたメサ構造で向かい合って又はまたいで、反対方向に２つの正三角形をなす形で広がり、メサ構造の中央で結節点をつくっている。
【００３１】
ボータイ・アンテナ６の長さ、すなわち電極の差し渡しの長さＨは被測定ミリ波・遠赤外光波長の約半分である。
但し、集光過程で光が様々な入射角で入射するため、実際にはボータイ・アンテナ６は波長＝２Ｈのみでなく、広帯域のミリ波・遠赤外光を検出することができる。
【００３２】
ボータイ・アンテナ６は、後述するように半導体量子ドット１２の形成のためのゲート電極３２，３４と制御ゲート電極３６とを兼ねるように、ボータイ・アンテナ６の羽根の一方が３つに分割されている。
分割された各ゲート電極３２，３４，３６にバイアス電圧を印加するため、分割された各部分は５〜１０μｍ幅のリード部分３３，３５，３７を介して十分離れた金属パッド部分４３，４５，４７（２０ｎｍ：Ｔｉ、１５０ｎｍ：Ａｕ）に接続されている。
なお、他方の羽はゲート電極３０となっており、５〜１０μｍ幅のリード部分３１を介して金属パッド部分４１に接続されている。
【００３３】
リード部分３１，３３，３５，３７の長さ方向は、電磁波への影響を減らすために、ボータイ・アンテナ６の分極軸方向に垂直である。オーミック電極１６，１７及び各ゲート電極３０，３２，３４，３６は、パッド部分を利用し、金線を使って標準的ＩＣチップ用のパッケージの端子にボンディングにより配線されている。
【００３４】
次に、ボータイ・アンテナの結節点について説明する。
図３はこの発明に係るボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す概略図であり、（ａ）は磁場無印加で使用し、波長０．５〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｂ）は１〜７Ｔの磁場下で使用し、波長０．１〜０．４ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｃ）は４〜１３Ｔの磁場下で使用し、波長３〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器で使用するものを示す図である。なお、Ｔは磁束密度の単位記号でテスラを示す。
【００３５】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ボータイ・アンテナ６ａ, ６ｂ, ６ｃの結節点に量子ドット１２ａ, １２ｂ, １２ｃが形成され、ボータイ・アンテナの結節点での短絡の有無と、量子ドットの大きさは、使用条件及び被測定電磁波の波長範囲に応じて以下に示す３つの異なるものを用いるのがよい。なお、図３中、１４ａ，１４ｂ，１４ｃは２次元電子系メサ構造を示す。
【００３６】
第１は、磁場なしの使用条件で、検出波長範囲が０．５〜１０ｍｍ、ボータイ・アンテナの形式が標準の電気結合、量子ドット電極サイズ（量子ドットの２次元電子系の有効直径）が０．２〜０．４μｍ（０．０２〜０．２μｍ）の場合である。
【００３７】
第２は、１Ｔ〜７Ｔの磁場印加の使用条件で、検出波長範囲が０．１〜０．４ｍｍ、ボータイ・アンテナの形式が標準の電気結合、量子ドット電極サイズ（量子ドットの２次元電子系の有効直径）が０．６〜０．８μｍ（０．４〜０．６μｍ）の場合である。
【００３８】
第３は、４Ｔ〜１３Ｔの磁場印加の使用条件で、検出波長範囲が３〜１０ｍｍ、ボータイ・アンテナの形式が結節点短絡の磁気結合、量子ドット電極サイズ（量子ドットの２次元電子系の有効直径）が０．６〜０．８μｍ（０．４〜０．６μｍ）の場合である。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、上述の第１、第２及び第３のそれぞれの場合に対応するボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す図である。
なお、量子ドットを形成する結節点領域が上述した量子ドット電極サイズである。
図３（ａ）に示す上述の第１の場合は、磁場を印加せずに使用するための構成で、量子ドット１２ａはボータイ・アンテナ６ａによって電磁波に電気的に結合する。
被測定電磁波の波長範囲は０．５ｍｍ〜１０ｍｍである。磁場を印加しない場合、量子ドット１２ａの励起状態の寿命は１０ｎ秒〜１μ秒と比較的短いが、上述したようにヘリウム温度に冷却したＨＥＭＴ増幅器とＬＣのタンク回路とを組み合わせた電流増幅回路を用いて単一光子検出が行われる。
【００４０】
ボータイ・アンテナ６ａの一方の羽は３分割されてゲート電極３２ａ，３４ａ，３６ａとなっており、他方の羽はゲート電極３０ａとなっている。
ゲート電極３０ａの先端の二つの突起部５２ａ，５２ａの各幅は０．１５μｍであり、ゲート電極３２ａ，３４ａの先端部分５４ａ，５４ａの各幅は０．１５μｍである。また、それぞれの突起部の向かい合う間隙５５ａは０．１５μｍである。
なお、図３（ａ）中、Ｗａは２μｍ、Ｌａは０．４μｍ、Ｍａは０．３５μｍを示す。
【００４１】
３つのゲート電極３２ａ，３４ａ，３０ａを−０．６Ｖ程度、またゲート電極３６ａを−０．２Ｖから−３Ｖの負電圧にバイアスすることによって、ゲート電極の下の２次元電子系が追い払われ（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）、中心の０．３μｍ角四方部分の内側に２次元電子系が閉じ込められて量子ドット１２ａが形成される。
但し、量子ドットが外側の２次元電子系に弱くトンネル結合するようにゲート電極３４ａとゲート電極３０ａのバイアス電圧を微調整する。
【００４２】
またゲート電極３６ａは制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成される。
制御ゲート電極のバイアス電圧ＶCGを−０．２Ｖから−３Ｖの間で変化させることにより、量子ドット中２次元電子系の有効直径が約０．２μｍから０．０２μｍまで変化する。
【００４３】
次に、図３（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ磁場１Ｔ〜７Ｔ及び４Ｔ〜１３Ｔを印加して使用するための構成である。
磁場を印加した場合、量子ドットの励起状態の寿命は磁場の値と量子ドット中の電子濃度に応じて１ｍ秒から１０００秒程度に達し、高速の電流増幅回路を使用することなく、極めて容易に単一光子検出を行うことが可能である。
【００４４】
図３（ｂ）に示す上述の第２の場合は、量子ドット１２ｂがボータイ・アンテナ６ｂによって電磁波に電気的に結合する構成で、被測定電磁波の波長範囲が０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍのものである。
ボータイ・アンテナ６ｂをなす各ゲート電極の幾何学的構成とそれぞれの役割は、図３（ａ）のものと同一であるが、各部分のサイズが以下のように異なる。すなわち、ゲート電極３０ｂの二つの突起部５２ｂ, ５２ｂの各幅は０．３μｍであり、ゲート電極３２ｂ、３４ｂの先端部分５４ｂ、５４ｂの各幅は０．３μｍである。またそれぞれの突起部の向かい合う間隙５５ｂを０．３μｍとしている。
なお、図３（ｂ）中、Ｗｂは４μｍ、Ｌｂは０．７μｍ、Ｍｂは０．７μｍを示す。
【００４５】
このように中心部の０．７μｍ角四方の内側に２次元電子系が閉じ込められて、有効直径が０．４μｍ〜０．６μｍの量子ドットが形成されている。
ゲート電極３６ｂが制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成され、制御ゲート電極のバイアス電圧ＶCGは−０．３Ｖから−１．５Ｖの間で変化させている。
【００４６】
図３（ｃ）に示す上述の第３の場合は、量子ドット１２ｃがボータイ・アンテナ６ｃによって電磁波に磁気的に結合する構成で、被測定電磁波の波長範囲が３ｍｍ〜１０ｍｍのものである。２次元電子系のメサ構造部分の幅、Ｌｃ及びＭｃを０．７μｍとし、さらに０．７μｍ隔たった二カ所に幅０．４μｍのくびれ部分５６，５６を形成している。
ボータイ・アンテナ６ｃの一方の羽は３分割されてゲート電極３２ｃ，３４ｃ，３６ｃが形成されている。そのうちのゲート電極３６ｃは、ボータイ・アンテナ６ｃの他方の羽のゲート電極３０ｃに幅０．２μｍの橋で短絡されている。
【００４７】
ゲート電極３２ｃとゲート電極３４ｃを負電圧にバイアスすることによって、くびれ部分５６，５６とゲート電極３２ｃ，３４ｃとで挟まれた０．８μｍ角程度の領域の内側に２次元電子系が閉じ込められて、有効直径が０．４μｍ〜０．６μｍの量子ドット１２ｃが形成されている。
ゲート電極３６ｃが制御ゲート電極として働き、量子ドットによる単一電子トランジスタが形成される。制御ゲート電極のバイアス電圧ＶCGは、量子ドット中の電子濃度に大きな変化を与えないよう、＋０．１Ｖから−０．１Ｖの間で変化させている。
【００４８】
次に、本発明のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。実施の形態の詳細及び作用は上述した第１、第２及び第３の各場合により異なる。
図３（ａ）に示す第１の場合の作用について説明する。
第１の場合、量子ドットはサイズが小さく、１０個から５０個程度の伝導電子しか含まれていないために、電子準位がサイズ効果及び交換相互作用によって離散的エネルギー準位εn に分裂する。
【００４９】
先ず、フェルミ準位近傍でのエネルギー分裂、Δεnm＝εn −εm 、が被測定ミリ波・遠赤外光に対して次の共鳴条件を満たすように制御ゲート電圧ＶCGを調節する。
【００５０】
ω＝２πΔεnm／ｈ ・・・（１）
【００５１】
但し、（１）式においてωは被測定ミリ波・遠赤外光の角振動数、ｈはプランク定数である。概ね、εnmは量子ドット有効直径の二乗に反比例し、例えば被測定ミリ波・遠赤外光の波長０．５ｍｍに対してＶCG＝−３Ｖ〜−２Ｖ（量子ドット有効直径約０．０２μｍ）、被測定ミリ波・遠赤外光の波長１０ｍｍに対してＶCG＝−０．５Ｖ〜−０．２Ｖ（量子ドット有効直径０．２μｍ）となる。
【００５２】
次に、ＳＥＴを伝導度ピークの状態に置く。つまり、図２の二つのオーミック電極間にソース・ドレイン電圧ＶSD（１００μＶ以下）を印加しても通常はクーロン閉塞が生じていてソース・ドレイン電極間に電流ＩSDが流れないが、図３（ａ）の制御ゲート電極３６ａのバイアス電圧ＶCGを微小に変化させると、ＶCGの値が３ｍＶ〜２０ｍＶ変化するたびに有限のＩSDが鋭いピークをもって現れるクーロン振動が生じる。
【００５３】
ＶCGを微調してＩSDの一つのピーク位置に合わせて固定する。この時の微小なＶCGの調整は上述の共鳴条件（１）式に実質上影響を与えない。このクーロン振動のピーク状態で被測定ミリ波・遠赤外光を入射させると、入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナによって、量子ドット部分に振動電場を作り、電子の共鳴励起εn →εm を起こす。
【００５４】
励起状態は一般に基底状態に比べて電子波動関数の空間対称性が異なるので、量子ドットのトンネル結合強度及び電気化学ポテンシャルがともに変化し、ＳＥＴの伝導度Ｇに１０％〜９０％程度の大きな変化が生ずる。
この伝導度の変化は、励起がフォノン放出により消滅するまでの概ね１０ｎ秒〜１μ秒保持され、それが高速の電流増幅器によって測定される。
【００５５】
次に、図３（ｂ）に示す第２の場合の作用について説明する。
図４は磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す電気的遷移の概念図であり、（ａ）はランダウ準位間の電子励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵ及び電気化学ポテンシャルの変化Δμ0 ↑を示す図である。
【００５６】
なお、図４中、０及び１は電子のエネルギー準位を示し、↑はアップスピン、↓はダウンスピンを示す。
【００５７】
この第２の場合は、量子ドットはサイズが大きく、２００個から４００個の伝導電子を含むために電子準位に対するサイズ効果Δεnmは小さいが、図４（ａ）に示すように磁場印加によってエネルギー構造が間隔（ｈ／２π）ωC ≒（ｈ／２π）ｅＢ／ｍ＊のランダウ準位に分裂する。
【００５８】
ここで、ωC は、フェルミ準位近傍でのエネルギー分裂が被測定ミリ波・遠赤外光に対して共鳴条件を満たしたときの角振動数、ｅは電気素量で１．６ｘ１０-19 クーロン、Ｂは磁束密度、ｍ＊は有効質量で０．０６８ｍ、ｍは電子の質量を示す。
【００５９】
この第２の構成の場合、先ず被測定ミリ波・遠赤外光の角振動数ωが、次のプラズマ振動の影響を含めた共鳴条件を満たすように磁場を印加する。
【００６０】
ω＝［ωP 2 ＋（ωC ／２）2 ］1/2 ＋（ωC ／２） ・・・（２）
【００６１】
ここで、ωP は量子ドットのプラズマ角振動数であり、プラズマ波長λP ＝２πｃ／ωP で表すと、図３（ｂ）の量子ドットに対しては、約０．４３ｍｍである。
なお、ｃは真空中の光の速さを示す。
【００６２】
式（２）を具体的に満たす磁場は、被測定波長０．１ｍｍに対して概ねＢ＝６Ｔ〜７Ｔ、被測定波長０．４ｍｍに対してＢ＝１Ｔ〜１．５Ｔとなる。なお、Ｔは磁束密度の単位記号でテスラを示す。
【００６３】
次に、上述した第１の場合と同じ要領で、ＳＥＴをクーロン振動のピーク状態におき、被測定ミリ波・遠赤外光を入射させる。入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナによって量子ドット部分に振動電場を作り、図４（ａ）中の矢印で示すようにランダウ準位間に電子の共鳴励起、すなわちマグネトプラズマ共鳴を起こす。
【００６４】
励起された電子（図４（ａ）中の黒丸）と正孔（図４（ａ）中の白丸）は図４（ｂ）に示すようにそれぞれ余剰のエネルギーを格子系へ失うことによって１０ｎ秒程度の時間内に緩和する。
その際、図４（ｃ）に示すように、量子ドットを形成する静電ポテンシャルの影響で電子及び正孔がそれぞれ量子ドットの内部と外部へ移動し、空間的に分離されるために量子ドット内部に環状の分極が生ずる。
【００６５】
そのために量子ドットの最外殻の電子準位の電気化学ポテンシャルが、分極による静電ポテンシャル変化分、ΔＵ＝３０〜６０μｅＶ、変化する。
その結果、ＳＥＴの動作は伝導ピーク、すなわち伝導度Ｇが最大の状態からクーロン閉塞の状態、すなわちＧ≒０、に変化する。
伝導遮断の状態は量子ドット内で電子及び正孔が再結合するまで持続するが、その再結合寿命は電子−正孔間の空間的隔たりのために長く、容易に単一光子吸収の検出を行うことができる。
【００６６】
この際、制御ゲート電圧ＶCG及び裏面ゲート（図１及び図３）のバイアス電圧により量子ドット中の平均電子濃度Ｎd を調節してドット中のランダウ準位の占有指数νを偶数近傍、例えばν＝２．４〜１．９、４．６〜４．０及び６．６〜６．０等にすることで、特別に長寿命の状態を実現することができる。
ここでランダウ準位の占有指数νは次の（３）式で表せる。
【００６７】
ν＝Ｎd ／（２πｅＢ／ｈ） ・・・（３）
【００６８】
次に、図３（ｃ）で示す第３の場合の作用について説明する。
図５は磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す磁気的遷移の概念図であり、（ａ）はスピン状態間の電子励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵを示す図である。
【００６９】
この第３の場合は量子ドットが第２の場合の構造と同様に、サイズ効果は小さく、磁場印加によってランダウ準位への分裂に加えて、図５（ａ）に示すようにスピン状態による磁気的エネルギー分離、ΔεM ＝ｇ＊μB Ｂ、が生じている。
ここで、ｇ＊は有効ｇ因子、μB はボーア磁子を示す。
【００７０】
先ず、被測定ミリ波・遠赤外光の角周波数ωに対して次の共鳴条件を満たすように磁場を印加する。
【００７１】
ω＝２πΔεM ／ｈ ・・・（４）
【００７２】
有効ｇ因子は約ｇ＊＝０．４４である。
【００７３】
次に、上述した第１の場合と同じ要領でＳＥＴをクーロン振動のピーク状態におき、被測定ミリ波・遠赤外光を入射させる。
入射したミリ波・遠赤外光はボータイ・アンテナの短絡された結節点に振動電流を生起し、量子ドット部分に振動磁場を作る。その結果、図５（ａ）中の矢印で示すように、電子の磁気共鳴励起を起こす。
【００７４】
励起された電子及び正孔は図５（ｂ）に示すように、それぞれ余剰のエネルギーを格子系へ失うことによって１０ｎ秒程度の時間内に緩和する。
その際、図５（ｃ）に示すように、量子ドットを形成する静電ポテンシャルの影響で電子及び正孔がそれぞれ量子ドット内部で空間的に分離し、量子ドット内部に環状の分極が生ずる。
【００７５】
そのために量子ドットの最外殻の電子準位の電気化学ポテンシャルが、分極による静電ポテンシャル変化分、ΔＵ＝１０〜５０μｅＶ、変化する。
その結果、ＳＥＴの動作は伝導ピーク、すなわち伝導度Ｇが最大の状態からクーロン閉塞の状態、すなわちＧ≒０、に変化する。
伝導遮断の状態は量子ドット内で電子及び正孔が再結合するまで持続するが、その再結合寿命は、スピン反転の散乱確率が低いために長く、容易に単一光子吸収の検出を行うことができる。
【００７６】
次に複数の量子ドットを有する他の好適な実施の形態を説明する。
上述した一つの量子ドットを有する場合では磁場を印加しない限り、励起状態の寿命が１μ秒以下と比較的短い。したがって、単一光子検出を行うためには、ヘリウム温度に冷却したＨＥＭＴ増幅器とＬＣ回路を組み合わせた電流増幅器を用いるか、又は磁場を印加して励起状態の寿命を１ｍ秒以上にする必要がある。
しかし量子ドットを複数有する他の実施の形態では磁場印加なしに感度をより向上させることができるものである。
【００７７】
他の実施の形態に係るミリ波・遠赤外光検出器では、互いに静電的に結合した第１と第２のそれぞれサブミクロンサイズの二つの伝導性量子ドットを構成要素とする。第１の量子ドットが電磁波を吸収し、第２の量子ドットが単一電子トランジスター（ＳＥＴ）として動作し、このＳＥＴが第１の量子ドットにおける電磁波吸収を検知するものである。
【００７８】
以下、動作原理を図６の概念図を参照して説明する。
図６は他の実施形態の動作原理を示す概念図であり、電子系内に二つの隣接する量子ドットが形成されたエネルギー構造概念図である。
静電ポテンシャルＵａで特徴づけられる第１の量子ドット６１として有効的大きさが直径０．０２μｍから０．３μｍの半導体量子ドットを用いると、図６に示すように、印加されたゲート電圧によって定まるエネルギー閾値、すなわちイオン化エネルギーより低い電子状態は量子化され、第１の量子ドット６１に束縛された離散的束縛準位５９が形成される。
【００７９】
一方、エネルギーがその閾値よりも大きな電子準位は、第１の量子ドット６１の外部に広がった電子系６３の連続的自由準位５８を形成する。
このイオン化エネルギーは、第１の量子ドット６１を形成するポテンシャル障壁５７の高さによって電圧換算で１００μＶから２０ｍＶの値をとる。
このポテンシャル障壁５７の高さは第１の量子ドット６１のゲート電極に印加するバイアス電圧により制御可能である。
したがって、図６の矢印で示すように、イオン化エネルギー以上の電磁波光子エネルギーを持つミリ波・遠赤外光を照射することによって、第１の量子ドット６１中の電子を離散的束縛準位５９からポテンシャル障壁５７外部の電子系６３の連続的自由準位５８に励起することができる。なお、図６中、黒丸は励起した電子、白丸は電子の抜けた孔、すなわち正孔を示す。
【００８０】
連続的自由準位５８に励起される電子は１ｎ秒以内に速やかに第１の量子ドット６１のポテンシャル障壁５７から外部の電子系６３に脱出し、第１の量子ドット６１は素電荷＋ｅの分だけ正に帯電、すなわちイオン化する。
一方、ポテンシャル障壁５７の外部に脱出した電子は、電子・電子相互作用及び電子・格子相互作用のために１０ｎ秒程度以内に余分なエネルギーを失って速やかに電子系６３のフェルミ準位に緩和するため、ポテンシャル障壁５７に妨げられて第１の量子ドット６１に戻ることができない。
したがって、第１の量子ドット６１のイオン化状態は長時間、例えば１０μ秒から１０００秒間保持される。
【００８１】
第１の量子ドット６１に隣接した第２の量子ドット６２は電子を離散的準位に閉じこめた静電ポテンシャルＵｂを有しＳＥＴを形成する。
この第２の量子ドット６２は半導体量子ドット又は金属量子ドットのいずれかで形成される。
第２の量子ドット６２は第１の量子ドット６１に対して電気的導通性を持たないが、ポテンシャル障壁を介して隣接しているために静電的に結合する。
【００８２】
そのために第１の量子ドット６１の帯電、すなわちイオン化によって第２の量子ドット６２の静電ポテンシャルが変化して、その結果ＳＥＴの伝導度が大きく、例えば２０％から９９％程度変化する。
このとき伝導度の変化した状態は第１の量子ドット６１のイオン化が消滅して中性状態に戻るまでの間保持される。
一方、上述したように、第１の量子ドット６１のイオン化状態の寿命は１０μ秒から１０００秒と長いため、きわめて感度の高い検出器となる。
特に、電流の時間分解測定をとおして単一のミリ波・遠赤外光子を検出することができる。
【００８３】
次に、他の実施形態の構成を説明する。
他の実施の形態に係るミリ波・遠赤外光検出器には基本的に二つタイプの好適な実施形態が可能である。他の実施形態においても図１及び図２に示した構造と基本的に同様であるが、他の実施形態においては静電的に分離された二つの量子ドットを有し、ゲート電極を兼ねる双極子アンテナの結節点で形成され、電磁波を吸収する第１の量子ドットと、この第１の量子ドットの電磁波吸収を検出しＳＥＴを形成する第２の量子ドットとを有する点が異なる。
【００８４】
図７（ａ）、（ｂ）は他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はＡ型構造の平面図、（ｂ）はＢ型構造の平面図を示す。
いずれの構造においても第１の量子ドットが電磁波に対して双極子アンテナにより電気的に結合する。
【００８５】
図７（ａ）及び（ｂ）を参照すると、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器は、図２（ｂ）に示したのと同様にして、Ａ型構造及びＢ型構造ともに、変調ドープされたＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ単一へテロ構造基板上にリソグラフィー技術を用いて作製される。さらにＡ型構造及びＢ型構造ともに電子系のヘテロ構造をメサエッチングして対称な所定形状に形成される。
なお、同等の構造をＩＶ族半導体、例えばＳｉ基板上にリソグラフィー技術を用いて同様に作製することも可能である。
【００８６】
また双極子アンテナ６５ａ、６５ｂの一方の羽６７ａ、６７ｂと他方の羽６８ａ、６８ｂとは、それぞれ金属リード線６９ａ、６９ｂと金属リード線６９ａ’、６９ｂ’とにより、バイアス電圧を印加するために金属パッド７１ａ、７１ｂと金属パッド７２ａ、７２ｂとに接続される。この実施形態では金属リード線及び金属パッドはＴｉが２０ｎｍ、Ａｕが１５０ｎｍの蒸着膜で合金化されて形成される。
【００８７】
図７（ａ）に示すようにＡ型構造では、電子系メサ構造６３ａが双極子アンテナ６５ａの結節点領域７０ａにくびれを有するように形成され、この結節点領域７０ａから二つに分かれた対称な電子系メサ構造７６ａ、７７ａが形成される。電子系メサ構造６３ａの一端にはオーミック電極６６ａが形成され、二つに分かれた他端にはオーミック電極８１ａ、８２ａが形成される。このオーミック電極８１ａは後述するＳＥＴ６４ａのソース電極であり、オーミック電極８２ａはＳＥＴ６４ａのドレイン電極である。
【００８８】
双極子アンテナ６５ａの結節点領域７０ａに第１の量子ドット６１ａ及び第２の量子ドット６２ａが形成される。この双極子アンテナ６５ａは結節点領域７０ａにて第１の量子ドット６１ａと電磁波とを結合する。
さらに第１の量子ドット６１ａは、双極子アンテナ６５ａの一方の羽が兼ねるゲート電極６７ａと他方の羽が兼ねるゲート電極６８ａの先端部がつくる静電ポテンシャル障壁で、量子ドット外部の電子系と隔てられている。
【００８９】
第２の量子ドット６２ａは電子系内にあって第１の量子ドット６１ａに隣接して形成される。この第２の量子ドット６２ａは金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａによりゲート電極７８ａ、７９ａ、８０ａからバイアス電圧が印加されて形成され、電子系メサ構造７６ａ、７７ａの電子系に弱くトンネル接合される。
【００９０】
この第２の量子ドット６２ａと、電子系メサ構造７６ａ、７７ａと、オーミック電極８１ａ、８２ａとでＳＥＴ６４ａが形成される。
なお、金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａはそれぞれゲート電極７８ａ、７９ａ、８０ａに接続される。また本実施形態ではオーミック電極６６ａ、８１ａ、８２ａはＡｕ／Ｇｅの合金化により形成される。
さらに電子系メサ構造６３ａ（電子系メサ構造７６ａ、７７ａも含まれる）及びゲートにバイアス電圧を印加するための金属リード線６９ａ、６９ａ’、７３ａ、７４ａ、７５ａは、電磁波の吸収を避けるためにそれぞれ幅が５μｍ以下に形成され、かつ、その長さ方向が双極子アンテナ６５ａの軸方向に対して直角に形成される。
【００９１】
次に図７（ｂ）に示すＢ型構造のミリ波・遠赤外光検出器は、電子系メサ構造６３ｂのくびれた部分の端が双極子アンテナ６５ｂの結節点領域７０ｂになっており、この結節点領域７０ｂに第１の量子ドット６１ｂが形成される。
ここで、双極子アンテナ６５ｂ及び第１の量子ドット６１ｂの構成はＡ型構造と同様である。
さらに、Ｂ型構造のミリ波・遠赤外光検出器における第２の量子ドット６２ｂは、第１の量子ドット６１ｂの上面に設けられた金属膜で形成されており、第１の量子ドット６１ｂと静電的に結合するが電気的導通（トンネル接合）は遮断されている。
この金属膜で形成された第２の量子ドット６２ｂは、ソース電極８１ｂとドレイン電極８２ｂとにそれぞれ接続された金属リード線７６ｂと金属リード線７７ｂとに弱くトンネル接合され、ＳＥＴ６４ｂが形成される。
【００９２】
次に、双極子アンテナ、第１の量子ドット及び第２の量子ドットについて詳細に説明する。
図８は双極子アンテナ結節点領域の要部拡大図であり、（ａ）はＡ型構造の第２の量子ドットをゲート電極により第１の量子ドットから分離する構造、（ｂ）はＡ型構造の第１の量子ドットと第２の量子ドットの形成される電子系メサ構造が分離して形成される構造、（ｃ）はＢ型構造の要部拡大を示す図である。
【００９３】
図８（ａ）を参照して、第１の量子ドット６１ａは、バイアス電圧の印加によりゲート電極６７ａの突起部８３ａとゲート電極６８ａの突起部８４ａとの間隙に形成される。
この間隙Ｌ1 ａは約０．５μｍである。電子系メサ構造６３ａの結節点領域７０ａの幅Ｍａは０．４μｍから０．５μｍ程度である。
【００９４】
第２の量子ドット６２ａは、ゲート電圧の印加によりゲート電極６８ａの突起部８４ａとゲート電極から延びた金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａの先端部とがつくる間隙に形成され、この間隙Ｌ2 ａは０．３μｍから０．５μｍの程度である。
ゲート電極６７ａ、６８ａは双極子アンテナ６５ａのそれぞれの羽を兼ねており、電磁波を電気的に第１の量子ドット６１ａに結合する役割をも果たす。
突起部８３ａは幅が０．３μｍ、長さが０．７μｍ程度で電子系メサ構造の結節点領域７０ａを横断して形成され、突起部８４ａは幅が０．１μｍ、長さが０．３μｍ程度で結節点領域７０ａを横断せず、その一部に重なって形成される。
【００９５】
これは第１の量子ドット６１ａと第２の量子ドット６２ａとの間に十分な大きさの静電容量結合を確保するためである。
但し、ゲート電極６８ａ（突起部８４ａ）への負のバイアス電圧印加によって、第１の量子ドット６１ａと第２の量子ドット６２ａとの間の電気的導通（トンネル接合）は遮断されている。
【００９６】
本実施形態では、ゲート電極から延びた金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａの先端部分はそれぞれ０．１μｍ程度の幅であり、また互いの間の間隙は０．１μｍ程度に形成される。
【００９７】
ゲート電極６７ａを−０．３Ｖから−２Ｖ程度、ゲート電極６８ａを−０．７Ｖ程度の負電圧にバイアスすることによって、第１の量子ドット６１ａが形成される。
ゲート電極の金属リード線７３ａ及び金属リード線７５ａを−０．７Ｖ程度、さらに制御ゲート電極の金属リード線７４ａを−０．３Ｖから−０．７Ｖ程度の負電圧にバイアスすることによって第２の量子ドット６２ａが形成される。
ここで、ゲート電極６７ａ（突起部８３ａ）のバイアス電圧は、第１の量子ドット６１ａが電磁波を吸収する際のイオン化エネルギーを決定する。
【００９８】
例えば、−０．３Ｖでイオン化エネルギーは０．２ｍｅＶ程度、閾値検出波長では５ｍｍに対応し、その値は負電圧変化とともに連続的に変化して、−２Ｖにて３０ｍｅＶ程度、閾値検出波長では約３０μｍ程度に達する。
【００９９】
第２の量子ドット６２ａをＳＥＴ６４ａとして動作させるために、ゲート電極の金属リード線７３ａと金属リード線７５ａのバイアス電圧を微調整して、第２の量子ドット６２ａを電子系メサ構造７６ａ、７７ａの電子系に弱くトンネル結合させる。
ゲート電極６８ａ（突起部８４ａ）のバイアス電圧は第１の量子ドット６１ａと第２の量子ドット６２ａとの間のトンネル結合が消失する閾値電圧近傍に選び、静電的結合が最大となるようにされる。
【０１００】
次に図８（ａ’）は第２の量子ドット６２ａ’が第１の量子ドット６１ａ’からメサエッチングにより分離して形成され、ゲート電極６８ａ’に突起部が形成されていない点が図８（ａ）の構造と異なる。
対応する各部位の寸法Ｍａ’、Ｌ1 ａ’、Ｌ2 ａ’及びバイアス電圧等は図８（ａ）と同様である。なお、図８（ａ）と対応する部材は同一符号に「ダッシュ」を付して区別した。
この実施形態では第１の量子ドット６１ａ’と第２の量子ドット６２ａ’の間隙は、約０．１μｍ程度に形成される。
【０１０１】
次に図８（ｂ）に示すＢ型構造のミリ波・遠赤外光検出器では、電子系メサ構造６３ｂのくびれた部分の端が結節点領域７０ｂにあって、この領域に第１の量子ドット６１ｂが形成される。この第１の量子ドット６１ｂ、その外部の電子系メサ構造６３ｂ及びゲート電極６７ｂ、６８ｂについては、それぞれ図８（ａ’）に示した対応する部材と寸法及び形状ともに同一である。
第２の量子ドット６２ｂによるＳＥＴは第１の量子ドット６１ｂの上にドーランブリッジ法で作製する。ドーランブリッジ法を示す文献として「Ｔ．Ａ．Ｆｕｌｔｏｎ ａｎｄ Ｇ．Ｊ．Ｄｏｌａｎ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５９，ｐ．１０９，１９８７」を挙げることができる。
【０１０２】
具体的には、まずアルミニウムの蒸着により、厚さが０．０６μｍ、幅が０．１μｍ、長さが０．３μｍの第２の量子ドット６２ｂを形成した後、その表面を１０ｍＴｏｒｒ程度の酸素ガス雰囲気中で酸化して酸化アルミニウム膜で覆う。
この表面の酸化にあたっては後述する金属リード線７６ｂと金属リード線７７ｂ間の常温での電気抵抗が１００ｋΩから４００ｋΩの間に収まるように酸化時間を調節する。
【０１０３】
次に第１の量子ドット６１ｂ上に重ねて、斜め蒸着により金属リード線７６ｂ、７７ｂをアルミニウムの蒸着により作製する。この金属リード線７６ｂ、７７ｂの厚さは０．０６μｍ、先端部幅は０．１μｍ程度である。
但し、本実施形態では金属リード線先端部の間隙８５ｂを０．１μｍとした。
【０１０４】
このとき、金属リード線７６ｂ、７７ｂの先端部は第２の量子ドット６２ｂと０．０５μｍ程度重なるように形成される。このとき、金属リード線７６ｂはソース電極８１ｂに接続され、金属リード線７７ｂはドレイン電極８２ｂに接続されており、金属リード線７６ｂ、７７ｂと第２の量子ドット６２ｂとの間に介在する酸化アルミニウム層がトンネル接合となってＳＥＴが形成される。
【０１０５】
次に、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器の作用を説明する。
図８（ａ）に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。 図７（ａ）及び図８（ａ）を参照して、先ずゲート電極６７ａ、つまり突起部８３ａとゲート電極６８ａ、つまり突起部８４ａとへバイアス電圧を印加して第１の量子ドット６１ａを形成する。
【０１０６】
次にその状態でさらにゲート電極７８ａ、７９ａ、８０ａをバイアス、つまり金属リード線７３ａ、７４ａ、７５ａにバイアス電圧を印加して第２の量子ドット６２ａを形成し、第２の量子ドット６２ａがＳＥＴとして動作する。
つまり、電子系メサ構造７６ａと電子系メサ構造７７ａとの間にＶSD＝１００μＶ以下のソース・ドレイン電圧を印加して流れる電流を測る。双極子アンテナ６５ａに電磁波の入射がないときにＳＥＴの伝導度が最大となるように制御ゲート電極７９ａ、つまり金属リード線７４ａのバイアス電圧を微調する。さらに電子系メサ構造６３ａの電位と電子系メサ構造７６ａとを同電位に保つ。
【０１０７】
双極子アンテナ６５ａで捕らえられた電磁波が第１の量子ドット６１ａで吸収されることにより、第１の量子ドット６１ａが＋ｅにイオン化し、第２の量子ドット６２ａの静電ポテンシャルが変化してＳＥＴの伝導度が大きく減少する。それを電流増幅器で検知することにより電磁波光子一つの吸収を検出することができる。なお、イオン化により第１の量子ドット６１ａから外部の電子系メサ構造６３ａの電子系に脱出した電子は、そこで吸収される。
【０１０８】
次に図８（ａ’）に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。
図７（ａ）及び図８（ａ’）を参照して、先ず、第１の量子ドット６１ａ’をゲート電極６７ａ’、つまり突起部８３ａ’へのバイアス電圧印加により形成する。さらにゲート電極６８ａ’は電子系メサ構造６３ａ’と同電位とする。
次にその状態でさらにゲート電極７８ａ’、７９ａ’、８０ａ’をバイアス、つまり金属リード線７３ａ’、７４ａ’、７５ａ’にバイアス電圧を印加して第２の量子ドット６２ａ’を形成し、第２の量子ドット６２ａ’がＳＥＴとして動作する。その他は図８（ａ）の構造と同様の作用をする。
【０１０９】
最後に、図８（ｂ）に示した構造のミリ波・遠赤外光検出器の作用について説明する。
第１の量子ドット６１ｂの形成については図８（ａ’）に示した構造での第１の量子ドット６１ａ’の形成と同様である。
第２の量子ドット６２ｂは既にＳＥＴとして第１の量子ドット６１ｂ上に形成されている。図７（ｂ）及び図８（ｂ）を参照して、ソース電極８１ｂ、つまり金属リード線７６ｂとドレイン電極８２ｂ、つまり金属リード線７７ｂとの間にＶSD＝１００μＶ以下のソース・ドレイン電圧を印加して流れる電流を測る。
【０１１０】
但し、電子系メサ構造６３ｂとゲート電極６８ｂを同電位とし、その電位をアルミニウムで形成された金属リード線７６ｂに対して±１ｍＶ以内で微妙に調節することによって、電磁波入射がないときのＳＥＴの伝導度を最大にする。
【０１１１】
第１の量子ドット６１ｂが電磁波を吸収して＋ｅにイオン化すると、第２の量子ドット６２ｂの静電ポテンシャルが変化して上述したようにＳＥＴの伝導度が大きく減少する。それを電流増幅器で検知することにより電磁波光子一つの吸収を検出することができる。なお、イオン化により第１の量子ドット６１ｂから外部の電子系メサ構造６３ｂの電子系に脱出した電子は、そこで吸収される。
【０１１２】
以上示した３種類の構造において、電磁波吸収によって励起する正孔と電子とがそれぞれ第１の量子ドットの内部と外部に分離して生ずるため、磁場を印加することなく極めて長時間の励起状態、すなわちイオン化寿命を実現できる。この第１の量子ドット６１ａ、６１ａ’、６１ｂのイオン化状態の寿命は１０μ秒以上であり、きわめて容易に電磁波単一光子の検出を行うことができる。
したがって、他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器では、さらに感度が高くなり、かつ、より高温で動作する検出器を磁場の印加なしで実現できる。
【０１１３】
さらに離散準位間の励起を利用する場合、電磁波の検出に波長選択性が生じるが、この他の実施形態では離散準位から連続帯準位への励起を利用するために閾値、すなわちイオン化エネルギー以上のエネルギーを持つ連続的な波長帯域で検出可能な感度を有することができる。
【０１１４】
また、動作温度は、ＳＥＴを形成する第２の量子ドット６２ａ、６２ａ’、６２ｂの帯電エネルギーで上限が決まり、図８（ｂ）の構造では約１Ｋまで、図８（ａ’）の構造では約１．３Ｋまで、図８（ａ）の構造では約２Ｋまでとなる。したがって、第２の量子ドットを微小にすることにより動作温度を最高２Ｋまでに上昇させることができる。
【０１１５】
さらに、イオン化エネルギーが第１の量子ドットのゲート電圧によるポテンシャル障壁高さの調節を通して直接的に制御可能であるので、イオン化エネルギーの制御、つまり検出の閾値波長を制御することができる。
したがって、検出可能電磁波の長波長限界はすべての構造において第１の量子ドットを形成するゲート電極６７ａ、６７ａ’、６７ｂのバイアス電圧で決めることができる。
【０１１６】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。
【実施例】
【０１１７】
次に、本発明のミリ波・遠赤外単一光子検出器を、上述した第２の場合の使用条件下で用いた実際の単一光子検出の測定結果を、図９、図１０、図１１及び図１２を参照して説明する。
図９〜図１２は２次元電子移動度が８０ｍ2 ／Ｖｓ、電子濃度が２．３ｘ１０15／ｍ2 のＧａＡｓ／Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓヘテロ構造結晶を用いて、図３（ｂ）の形状・サイズに作成したミリ波・遠赤外単一光子検出器の測定例を示す。
【０１１８】
図９及び図１０は、測定温度０．０７Ｋ、ＶSD＝２５μＶ、ＶCG＝０Ｖ、Ｂ＝３．６７Ｔの条件下で、量子ホール効果素子からの極めて微弱な遠赤外発光、すなわち波長が０．１９ｍｍ、発光素子の電流がＩemit＝４μＡのときボータイ・アンテナ位置でのパワーが約１０-18 Ｗの遠赤外光を入射させたときのＳＥＴ伝導度の測定例である。但し、測定の時定数は３ｍ秒である。
【０１１９】
図９（ａ）〜（ｃ）はＳＥＴ伝導度の制御ゲート電圧ＶCGに対する依存性を示しており、遠赤外光の照射がない時のＶCG＝−０．６８８１Ｖ近傍の鋭いクーロン振動のピーク（図９（ａ））が極端に微弱な遠赤外光の照射によって乱され（図９（ｂ））、光強度が増すに従って励起状態に対応したＶCG＝−０．６８８６Ｖ近傍のピークへ移行する。
【０１２０】
図１０（ｄ）〜（ｆ）は、制御ゲート電圧ＶCGを照射無しのピーク位置、ＶCG＝−０．６８８１Ｖ、に固定した時の伝導度Ｇの時間変化である。単一光子の吸収が起こるたびに伝導遮断の状態にスイッチングし、遠赤外光強度の増大によってスイッチングの頻度（光子の飛来頻度）が増大することを示す。
【０１２１】
図１１は、励起状態の寿命が強い磁場依存性を示し、磁場Ｂが３．８Ｔのときν＝２の近傍で最大値を取り、その値が１０００秒のオーダーに達することを示す。
磁場依存性の細部の構造は上位のランダウ準位に存在する電子数が磁場変化によって一つづつ変化することによって起こる。
図１２は図９及び図１０と同様な条件下で温度を０．３７Ｋまで上昇させても単一光子の検出が可能なことを示す。
【０１２２】
この実施例のミリ波・遠赤外単一光子検出器は、半導体量子ドット内の電子準位間の共鳴励起を単一電子トランジスタの増幅作用を通して測定する。
このため、１００秒間に１個程度の極端に微弱な光子束を検出することができる。１００秒の測定時間を考えると、この感度はＮＥＰ＝１０-23 Ｗ／Ｈｚ1/2 に対応し、従来の最高感度の検出器に比べて一千万倍程度優れている。
また、感度を失うことなく、３ｎ秒程度の時定数で高速の測定を行うことができる。
【０１２３】
なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】集光系を含めたこの発明に係るミリ波・遠赤外光検出器の概略構成断面図である。
【図２】本発明に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はボータイ・アンテナと量子ドットによる単一電子トランジスタの平面図、（ｂ）はメサ構造部の一部概略断面図である。
【図３】本発明に係るボータイ・アンテナの結節点領域での平面構造を示す概略図であり、（ａ）は磁場無印加で使用し、波長０．５〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｂ）は１〜７Ｔの磁場下で使用し、波長０．１〜０．４ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器に用いるもの、（ｃ）は１〜１３Ｔの磁場下で使用し、波長０．３５〜１０ｍｍのミリ波・遠赤外光検出器で使用するものを示す図である。
【図４】本発明における磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す電気的遷移の概念図であり、（ａ）は電気的遷移（ｍａｇｎｅｔｏｐｌａｓｍａ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるランダウ準位間の励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵ及び電気化学ポテンシャルの変化Δμ０↑を示す図である。
【図５】本発明における磁場下での量子ドット内部でのミリ波・遠赤外単一光子吸収による準位間の電子励起を示す磁気的遷移の概念図であり、（ａ）は磁気的遷移（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）によるスピン状態間の励起、（ｂ）は励起された電子及び正孔の安定状態への緩和、（ｃ）は量子ドット内の分極、（ｄ）は静電ポテンシャルの変化ΔＵを示す図である。
【図６】本発明に係る他の実施形態の動作原理を示す概念図である。
【図７】他の実施形態に係るミリ波・遠赤外光検出器を示す図であり、（ａ）はＡ型構造の平面図、（ｂ）はＢ型構造の平面図を示す。
【図８】本発明に係る双極子アンテナ結節点領域の要部拡大図であり、（ａ）はＡ型構造の第２の量子ドットをゲート電極により第１の量子ドットから分離する構造、（ａ’）はＡ型構造の第１の量子ドットと第２の量子ドットの形成される電子系メサ構造が分離して形成される構造、（ｂ）はＢ型構造の要部拡大を示す図である。
【図９】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、（ａ）は遠赤外光の照射がないとき、（ｂ）は発光素子の電流が２μＡのとき、（ｃ）は発光素子の電流が３．５μＡのとき、のＳＥＴ伝導度の制御ゲート電圧に対する依存性を示す図である。
【図１０】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、単一光子吸収によって起こるＳＥＴ動作のスイッチングを示す。（ｄ）は発光素子の電流が２μＡ、（ｅ）は発光素子の電流が３μＡ、（ｆ）は発光素子の電流が４μＡのときである。さらに（ｇ）は励起された状態確率の発光素子電流に対する依存性を示す。
【図１１】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、励起状態の寿命の磁場強度依存性を示す。
【図１２】本発明におけるミリ波・遠赤外単一検出の測定例を示す図であり、単一光子吸収によって起こるＳＥＴ動作のスイッチングの温度依存性を示す。
【符号の説明】
【０１２５】
１ ミリ波・遠赤外光導入部
２ ミリ波・遠赤外光
３ 光導入管
４ 半導体基板
６，６ａ，６ｂ，６ｃ ボータイ・アンテナ
７ パッケージ
８ 裏面ゲート電極
９ 誘電体対物レンズ
１０ ミリ波・遠赤外光検出器
１２ 量子ドット
１４ 単一電子トランジスタ
１６，１７ オーミック電極
３０ａ，３２ａ，３４ａ，３６ａ ゲート電極
３０ｂ，３２ｂ，３４ｂ，３６ｂ ゲート電極
３０ｃ，３２ｃ，３４ｃ，３６ｃ ゲート電極
３１，３３，３５，３７ リード部分
４１，４３，４５，４７ 金属パッド部分
５７ ポテンシャル障壁
５８ 連続的自由準位
５９ 離散的束縛準位
６１，６１ａ，６１ａ’，６１ｂ 第１の量子ドット
６２，６２ａ，６２ａ’，６２ｂ 第２の量子ドット
６３ 電子系
６３ａ，６３ａ’，６３ｂ 電子系メサ構造
７６ａ，７７ａ，７６ａ’，７７ａ’ 電子系メサ構造
６４ａ，６４ｂ ＳＥＴ
６５ａ，６５ａ’，６５ｂ 双極子アンテナ
６７ａ，６７ａ’，６７ｂ ゲート電極
６８ａ，６８ａ’，６８ｂ ゲート電極
６９ａ，６９ａ’，６９ｂ，６９ｂ’ 金属リード線
７０ａ，７０ｂ 結節点領域
７２ａ，７２ｂ 金属パッド
７３ａ，７４ａ，７５ａ 金属リード線
７３ａ’，７４ａ’，７５ａ’ 金属リード線
７８ａ，７９ａ，８０ａ ゲート電極
８１ａ，８１ｂ ソース電極（オーミック電極）
８２ａ，８２ｂ ドレイン電極（オーミック電極）
８３ａ，８３ａ’，８３ｂ，８４ａ 突起部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第１の量子ドットと、この第１の量子ドットに静電的に結合した第２の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、
上記単一電子トランジスタは、２次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この２次元電子系内にトンネル結合する上記量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、上記量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、
上記第１の量子ドットのイオン化に伴う上記第２の量子ドットの静電的状態の変化によって上記単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて上記電磁波を検出することを特徴とする、ミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項２】
前記第１の量子ドットのイオン化が、前記第１の量子ドットの量子化束縛状態の電子を、第１の量子ドット外部の電子系の自由電子状態に励起することによって生ずることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項３】
前記第１の量子ドットのイオン化エネルギーが、前記第１の量子ドットのゲートに印加するバイアス電圧の大きさによって制御可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項４】
前記第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットが、同一の半導体構造基板上にあって、それぞれのゲートに印加するバイアス電圧によって静電的に分離して形成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項５】
前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを半導体中にあって間隙を介して隣接して形成したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項６】
前記第２の量子ドットが、前記第１の量子ドットの上に形成した金属ドットであって、この金属ドットに形成した金属リード線とトンネル接合して前記単一電子トランジスタを形成したことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項７】
前記第２の量子ドットがアルミニウム金属ドットであり、トンネル接合する部分を酸化アルミニウムとしたことを特徴とする、請求項６に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項８】
前記電磁波結合手段が、前記第１の量子ドットと前記電磁波とを電気的に結合するアンテナであることを特徴とする、請求項７に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項９】
前記電磁波結合手段が、前記第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットを形成するバイアス電圧印加のためのゲートを兼ねていることを特徴とする、請求項８に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１０】
前記電磁波結合手段のリード部分の長さ方向を、この電磁波結合手段の分極軸方向に垂直に形成していることを特徴とする、請求項１，８，９のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１１】
前記電磁波結合手段の結節点の大きさと前記量子ドットの最大の大きさとが同程度であることを特徴とする、請求項１，８，９のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１２】
前記電磁波結合手段の電極差し渡し長さが前記電磁波の波長の約１／２であることを特徴とする、請求項１，８，９のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１３】
前記単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極との距離が、前記電磁波結合手段の分極軸方向の長さ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１４】
前記単一電子トランジスタが、化合物半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１５】
前記単一電子トランジスタが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１６】
前記単一電子トランジスタが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１７】
前記単一電子トランジスタが、アルミニウムガリウム砒素／ガリウム砒素の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１８】
前記単一電子トランジスタが、ＩＶ族半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１９】
前記単一電子トランジスタを前記量子ドットに対して対称に形成していることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項２０】
前記構成に加え、前記電磁波結合手段に電磁波を導く光導入部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１】
電磁波をサブミクロンサイズの微少空間領域に集中する電磁波結合手段と、この集中した電磁波を吸収してイオン化を起こす第１の量子ドットと、この第１の量子ドットに静電的に結合した第２の量子ドットを含む単一電子トランジスタとを備え、
上記単一電子トランジスタは、２次元電子系を形成する単一へテロ構造と、この２次元電子系内にトンネル結合する上記量子ドットの静電ポテンシャルを制御するゲート電極と、上記量子ドットとトンネル結合するソース電極及びドレイン電極と、を有し、
上記第１の量子ドットのイオン化に伴う上記第２の量子ドットの静電的状態の変化によって上記単一電子トランジスタの電気伝導度が変化することに基づいて上記電磁波を検出することを特徴とする、ミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項２】
前記第１の量子ドットのイオン化が、前記第１の量子ドットの量子化束縛状態の電子を、第１の量子ドット外部の電子系の自由電子状態に励起することによって生ずることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項３】
前記第１の量子ドットのイオン化エネルギーが、前記第１の量子ドットのゲートに印加するバイアス電圧の大きさによって制御可能であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項４】
前記第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットが、同一の半導体構造基板上にあって、それぞれのゲートに印加するバイアス電圧によって静電的に分離して形成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項５】
前記第１の量子ドットと前記第２の量子ドットとを半導体中にあって間隙を介して隣接して形成したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項６】
前記第２の量子ドットが、前記第１の量子ドットの上に形成した金属ドットであって、この金属ドットに形成した金属リード線とトンネル接合して前記単一電子トランジスタを形成したことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項７】
前記第２の量子ドットがアルミニウム金属ドットであり、トンネル接合する部分を酸化アルミニウムとしたことを特徴とする、請求項６に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項８】
前記電磁波結合手段が、前記第１の量子ドットと前記電磁波とを電気的に結合するアンテナであることを特徴とする、請求項７に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項９】
前記電磁波結合手段が、前記第１の量子ドット及び前記第２の量子ドットを形成するバイアス電圧印加のためのゲートを兼ねていることを特徴とする、請求項８に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１０】
前記電磁波結合手段のリード部分の長さ方向を、この電磁波結合手段の分極軸方向に垂直に形成していることを特徴とする、請求項１，８，９のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１１】
前記電磁波結合手段の結節点の大きさと前記量子ドットの最大の大きさとが同程度であることを特徴とする、請求項１，８，９のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１２】
前記電磁波結合手段の電極差し渡し長さが前記電磁波の波長の約１／２であることを特徴とする、請求項１，８，９のいずれかに記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１３】
前記単一電子トランジスタのソース電極とドレイン電極との距離が、前記電磁波結合手段の分極軸方向の長さ以上であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１４】
前記単一電子トランジスタが、化合物半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１５】
前記単一電子トランジスタが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１６】
前記単一電子トランジスタが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体超格子の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１７】
前記単一電子トランジスタが、アルミニウムガリウム砒素／ガリウム砒素の選択ドープ単一ヘテロ構造を有していることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１８】
前記単一電子トランジスタが、ＩＶ族半導体であることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項１９】
前記単一電子トランジスタを前記量子ドットに対して対称に形成していることを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【請求項２０】
前記構成に加え、前記電磁波結合手段に電磁波を導く光導入部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のミリ波・遠赤外光検出器。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−５３７３６（Ｐ２００８−５３７３６Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２０４１８（Ｐ２００７−２２０４１８）
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【分割の表示】特願平１１−３３４１９６の分割
【原出願日】平成１１年１１月２５日（１９９９．１１．２５）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２７日（２００７．８．２７）
【分割の表示】特願平１１−３３４１９６の分割
【原出願日】平成１１年１１月２５日（１９９９．１１．２５）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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