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テラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置 NEW

国内特許コード P180015416
整理番号 (S2016-0159-N0)
掲載日 2018年11月5日
出願番号 特願2017-556092
出願日 平成28年12月14日(2016.12.14)
国際出願番号 JP2016087196
国際公開番号 WO2017104697
国際出願日 平成28年12月14日(2016.12.14)
国際公開日 平成29年6月22日(2017.6.22)
優先権データ
  • 特願2015-244218 (2015.12.15) JP
発明者
  • 河野 行雄
出願人
  • 国立大学法人東京工業大学
発明の名称 テラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置 NEW
発明の概要 テラヘルツ画像測定装置(20)は、テラヘルツ検出センサ(13)と、磁場発生部(19)と、測定制御部(20)とを備える。センサ(13)は、試料(18)から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する。磁場発生部(19)は、試料(18)からセンサ(13)に照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、試料(18)及びセンサ(13)の周囲のコイル(19a)を有し、コイル(19a)に電流が流されて発生する磁場をセンサ(13)へ印加する。測定制御部(20)は、コイル(19a)に電流を流し、この電流値を変えて磁場の強さを、当該センサ(13)で検出される試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる。
従来技術、競合技術の概要


テラヘルツ光は、一般的な定義では周波数が0.1~10THz(1THz=1012Hz)の領域、即ち、波長が0.03mm~3mmのサブミリ波から遠赤外線領域までの電磁波(electromagnetic wave)である。



テラヘルツ光は、電波天文学、材料科学、生体分子分光学等の基礎学術分野から、セキュリティ、情報通信、環境、医療等の実用分野に至る幅広い分野での応用が期待されている。例えば、物体にテラヘルツ光を照射し、この反射光や透過光の画像を計測するアクティブ計測を行うと、今迄見えなかった物が見えるようになる。



このアクティブ計測を用いれば、封筒内の毒物検査や、カバンや容器内の爆発物や危険物の検知、食品中の異物検査、半導体チップの検査等が実施できる。更に、美術品の劣化度の検査、癌検査等の医療応用、植物のリアルタイム水分のモニタリング、更には、スペースシャトル外壁タイル内部の欠陥検査等も可能となる。



この種のテラヘルツ光によるアクティブ計測を用いた技術として特許文献1~3に記載のものがある。
特許文献1の技術は、表面から一定位置に2次元電子ガス(後述)が形成された半導体チップを用い、この半導体チップに磁場を印加しながらテラヘルツ光を照射する。この照射によりカーボンナノチューブに流れる電流を計測することで、微弱なテラヘルツ光の強度と周波数を検出するものである。なお「2次元電子ガス」とは、半導体と絶縁体との接合界面、又は異種半導体同士の接合界面に沿った2次元平面を運動する電子をいう。つまり、キャリアとなる電子が平面状に分布する状態を2次元電子ガスという。なお、本明細書において、異種半導体とは、異なる種類の半導体や、反転層等を利用した異なる構造の半導体をいう。



特許文献2の技術は、表面に酸化層が形成された半導体チップの表面にグラフェン(後述)を密着させ、グラフェンに磁場を印加しながらテラヘルツ光を照射する。この照射により半導体チップに流れる電流を計測することで、微弱なテラヘルツ光の強度と周波数を検出するものである。なお、「グラフェン」とは2次元炭素結晶の単原子層であり、エネルギーバンドギャップがゼロであるため、どんなエネルギー状態の光でも吸収でき、テラヘルツ光や赤外光等のエネルギーが極めて低く殆んどの半導体を透過してしまう光の吸収に適している。



特許文献3の技術は、対象物にテラヘルツ照明光(波長4μm~10mm)を照射し、対象物の例である電極からの散乱光を散乱光検出器にて信号として検出することにより、電極の表面若しくは電極の中に含まれる異物、例えば、金属異物を検出するものである。

産業上の利用分野


本発明は、微弱なテラヘルツ光を検出するテラヘルツ検出センサ及びテラヘルツ画像測定装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
テラヘルツ光を検出するテラヘルツ検出センサにおいて、
テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状であって、前記テラヘルツ光の近接場光を検出する検出ポイントと、
前記検出ポイントが表面に形成された半導体基板と
を備えることを特徴とするテラヘルツ検出センサ。

【請求項2】
前記半導体基板の表面に、前記検出ポイントに電流を流すための第1電極と、当該第1電極を介して電流が流された当該検出ポイントに、前記近接場光の照射時に検出される電圧を出力する第2電極とが形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項3】
前記第1電極及び前記第2電極の各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端が前記検出ポイントに接合された1対の電極を含んで成る
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項4】
前記半導体基板は、上下に積層される半導体の種類や構造が異なる異種半導体同士の界面に2次元電子ガスが分布した高電子移動度トランジスタ構造であり、
前記検出ポイントは、前記積層された最上層の半導体層が前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形された半導体層と、この下の半導体層との界面に2次元電子ガスが分布した構造である
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項5】
前記半導体基板は、GaAs層上にAlGaAs層が積層され、当該AlGaAs層と当該GaAs層との界面に2次元電子ガスが分布した高電子移動度トランジスタ構造であり、
前記検出ポイントは、前記AlGaAs層が前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成形され、当該成形されたAlGaAs層と前記GaAs層との界面に2次元電子ガスが分布した構造である
ことを特徴とする請求項4に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項6】
前記検出ポイントは、当該検出ポイントの上に先端が尖った針状又は線状の金属及び半導体の何れか一方によるプローブが合体して備えられている
ことを特徴とする請求項4に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項7】
前記半導体基板は、上下に種類が異なる半導体を積層した構造であり、
前記検出ポイントは、前記積層された最上層の半導体層の上に、前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成されたグラフェンである
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項8】
前記半導体基板は、Si層上にSiO2層を積層した構造であり、
前記検出ポイントは、前記SiO層の上に、前記テラヘルツ光の波長よりも小さいサイズの形状に成されたグラフェンである
ことを特徴とする請求項7に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項9】
前記検出ポイントは、当該検出ポイントの上に先端が尖った針状又は線状のカーボンナノチューブによるプローブが合体して備えられている
ことを特徴とする請求項7に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項10】
前記第1電極及び前記第2電極の各々は、先端が針状に先細って延びる帯状を成し、当該針状の先端に前記検出ポイントに接合された1対の電極を含み、当該電極は、長さがテラヘルツ波の波長以上で、且つ、テラヘルツ波の波長未満の電界が集中する領域でテラヘルツ波を受信する
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出センサ。

【請求項11】
試料から発せられるテラヘルツ光の近接場光を検出する請求項1又は2に記載のテラヘルツ検出センサと、
前記試料から前記テラヘルツ検出センサに照射されるテラヘルツ光の光軸を囲んで巻回され、当該試料及び当該テラヘルツ検出センサの周囲に配置されるコイルを有し、当該コイルに電流が流されて発生する磁場を当該テラヘルツ検出センサへ印加する磁場発生部と、
前記コイルに電流を流し、この流れる電流値を変えることにより前記磁場の強さを、当該テラヘルツ検出センサで検出される前記試料のテラヘルツ光の検出信号レベルが突出して高くなる磁場値とし、テラヘルツ光の特定周波数に同調させる測定制御部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ画像測定装置。

【請求項12】
基端部から延びる板状の先端部に固定した前記テラヘルツ検出センサを、当該基端部への電圧印加により前記試料との間隔方向に振動させる振動部と、
前記テラヘルツ検出センサと前記試料との間に間隙を介して当該試料を載置固定し、前記振動部の振動を検出した電圧に応じて、前記載置固定された試料を、前記間隙が一定となるように当該間隙方向に移動させるピエゾ基板と
を備えることを特徴とする請求項11に記載のテラヘルツ画像測定装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 公開
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