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遠赤外線検出器
自 自 「 遠赤外線検出器 一ショットキ・バリア・ダイオードを中心に一 水野 晧 司 （東北大学 電気通信研究所） （1984年1月17日） 1 まえがき 電磁波のスペクトラムのうち波長数mmから数十μmの領域は，遠赤外線（FIR，Fadnfrared） あるいはサブミリメートル波と呼ばれている。近年，核融合研究用高温高密度プラズマの各種診断に おいて遠赤外線の有用性が認識され1），この領域の研究が活発化してきている。本報告は，遠赤外線 の検出器2’3）についてまとめたもので，次の第2節では各種の検出器について簡単にその特徴及ぴ比 較を述べ，市販品が手に入る場合にはその販売会社名も記した。第3節では，特にその高速応答性及 び常温動作の点より注目されているショットキ・バリア・ダイオード（以下ショットキ・ダイオード あるいはSBDと略す）について述べる。SBDは著者らが開発を進め全国の研究者へ供給をはじめ ているもので，本報告では，各研究者の便を考え，主としてその実際り取扱い方について述べよう。 2．サブミリメートル波検出器 サブミリメートノレ波の検出器は，その動作原理から考えて次のように分類することができる3）。 A． 量子検出器（主として低温動作） A−i 光量子検出器：半導体光伝導検出器 A−h 超伝導検出器l J J，SI S， A一雨 量子井戸検出器 B 熱検出器 B−i 室温動作1ゴーレイ検出器他 B一爾 低温動作：Geボロメーター他 Koji Mizuno：Research Institute of Electrical Communication。 Tohoku University，Sendai980，Japan 35 核融合研究 第51巻第1号 1984年1月 C． 整流形ダイオード検出器：ショットキ・ダイオード A−i 一般に半導体の電気伝導率σは，e，n，μをそれぞれキャリァの電荷，密度，移動度と してσ＝enμであらわされるが，光伝導検串器は，∠nの寄与を利用するもので，遠赤外域では，以 前より分光学を申心に広く使われてきている4）。また4μの寄与を利用したものはホット・エレクト ロンボロメーターと呼ばれており，B−iiで述べる。 遠赤外域の光量子のエネルギーは0．6−30meV の程度にわたっており，このエネルギーで，光伝導 を呈する浅い準位の不純物を含む半導体としては， 母材をGeとするものが一番よく使われている。各 種の不純物に対してそれぞれΦ検出器の遮断波長は 表1のようになっている。ビデオ検出時の等価雑音 表1．Ge検出器の各種不純物に対する遮断波長 Material Ge；Au Ge：Hg Ge＝Cd Ge：Cu Ge：Zn Ge：Be Ge：㎞ 電力はNEPv一・d2一・・一・ヤ5）W価が得ら Ge＝Ga Ge；Sb れている。応答速度（ヘテロダイン検出時の中間 Ge：B ApProx，L◎ng−Wavelength Cut−Off in Micrometers 9 14 22 28 ． 40 50 107 110 122 130 周波数IFに対応）は通常100MHz以下である6）。 A一琵 超伝導検出器に属するものとしては，点接触形ジョセフソン検出器，S I S（Super− C。nduct。r−Insulat。r−Superc。nduct。r）トンネル接合検出器等が研究されており7），前者に 関して，デンバー大学より300GHzでヘテロダイン検出時のシステム等価雑音電力NEPhとして 7×10｝21W／Hz（両側波帯）のものが発表されている8）。我国においても阪大9），理研10），東北 大11）等において精力的な研究が行なわれている。SIS検出器は構造はジョセフソン検出器と類似 であるが，準粒子のトンネル遷移による非線形性を用いている検出器で，36GHzのミリ波帯ヘテロ ダイン検出では，変換効率1』＝1＝1．4（実質的な変換利得，Lの定義については第3節F参照）， ミクサーのNEPh∼2・8＼・・『23W／Hzが得られている7）。この時の局部発振器（L・）電力は 10−8Wである。電波天文学で興味を持たれている115GHz帯では，受信器雑音温度丁＝80K （SSB，単側波帯），変換損失Lc＝7dBが得られている12）。LO電力は∼数100nWである。 素子はPb（InAu）一〇xide−Pb（B i）のトンネル素子を2ケ直列接続したもので，フォトリソ グラフィの技術を用いて作られたものである。比較的大きいωRCの値（∼『7，R：微分抵抗，C： 容量）を得ること及びミリ波の回路技術を駆使することが高感度を得るために重要だとしている。 SI S素子の高周波限界は，少なくとも300GHz近辺上にいくだろうと見つもられている13）。 ジョ セフソンあるいはS IS検出器の特徴は，雑音が小さいこと，ヘテロダイン検出時の局部発振器電力 、36 技術報告 遠赤外線検出器 水野 が小さくてよいこと（＜μW）等が挙げられる。反対に欠点としては，飽和信号電力が小さいこと， 外部磁場の影響を受け易いこと等が挙げられる。 A−ili量子効果を利用したその他の検出器として，MITのTamen wald らは，最近量子井戸を 利用した素子を試作している14）。構造は50A。厚みのGaA2AsではさまれたGaAs（50Ao）の 単一井戸で，MBE法により作成されている。MITでは常温で共鳴トンネル効果の現象を観測して おり，また25Kではその1−V特性の非線形性を用いて波長119μm（2。5THz）のサブミリ波の 検出に成功している。将釆検出器のみならず，その負性抵抗を利用して増幅器あるい1ま発振器の可能 性ももっている15）興味深い素子である。 B−i 室温で使用できる熱検出器の1つゴーレイ検出器は，その検出波長域は，窓の材料（KBr， ダイアモンド等）及び大きさ（導波管としての遮断周波数）によって決まり，通常短ミリ波から可視 域までの広6範囲をカバーしている・NEPvは∼10r10W／厄程度得られるが・、応答速度に関 ハ しては数十H：zしか望めない。直線性が得られる最大入力電力は10 W程度におさえられており， 更に10『3W以上の入力電力では検出器が損傷を受ける恐れがある。しかし，取扱いが比較的容易で， 高い感度が得られること（1G6V／W），及び検出波長域が広い（電力の校正に使用できる）などの 長所を持っ．ている。現在Cathodeon Ltd・より市販されている（Type IR50）。 やはり常温で使用できる焦電検出器もゴーレイ検出器と同様可視よりサブミリメートル波帯までの 広い検出波長域をもつ。過大入力に強く，電圧感度は∼500V／W，NEPvは∼1×10−8W面 また応答速度は200Hz程度で早い応答速度を得ようとすると，感度が下がる。またCW入力に対し て感度を持たないので，チョッパを使用するなど何らかの方法で入力に変調を掛けなければならない。 サブミリメートル波帯用焦電検出器の市販先としては，次のようなところがある：Molectron（〕Orp・， Laser Precision Corp・。 カリフォルニア大学（バークレー），カリフォルニァ工科大学のグループは，基板上に蒸着技術で 作っ友平面形アンテナと微小なBiボロメーター（∼4×4μm）との組み合わせのボロメーターを 開発している。Bow−tie形アンテナとの組み合わサではNEPv∼10−11W屈， 応答速度∼ …kHzが得られている16≧array構造の試作もされており17），現在28arraysのものが作られ ている。又素子が純抵抗性のため，直流1−V特性を用いて容易に電力校正が出来るという特徴を有 している。 高感度検出器ではないが，各国のサブミリメートル波帯の研究者がレーザー出力の測定等に際して よく用いているカロリーメーターはScientech，lnc．の＃36−0001（＃36−0203）である。精 度は必らずしもよくないが（誤差＞±5％），70∼3000μmの波長領域で電力指示が校正されてお 37 核融合研究 第51巻第1号 1984年1月 り，各研究者のデーターを比較するときに便利である・ B一弱 極低温ボロメーターは，サブミリ波の吸収によるキャリアの移動度の変化を利用するもの であるが，その素子材料としてはGe（浅い準位の不純物Ga，Sb，I n等が1616∼1017cm『3ドープ されている）およびInSbが使用されている。 前者は格子と密に結合している自由電子が放射を吸 収することによる格子温度の変化を，また後者は自由電子が放射を吸収し“ホット”状態になってモ ビリティが変化することを利用している。自由電子にょる放射吸収は，波長の二乗に比例するため， InSbホット・エレクトロン・ボロメーターは長波長領域（波長数100μm以上）で有利であり， またGeボロメーターの場合は素子表面に“black”な材料をcoatすることにより短波長側へも感 度を伸ばすことができる。応答速度に関してはGeボロメーターでは，10−3∼1σ”4sec， I nSbボロ メーターはそれより格段に早く10−6∼10『7sec程度得られる。またInSbボロメーターの場合感 度をある程度犠牲にして結晶温度を上げて使用すると，格子と自由電子との相互作用が早くなって， 更に応答速度が高くなることが確認されており，Kimmittらは770Kで使用し10−10sec程度の 応答速度を得ている18）。Geボロメーターの製作方法に関して，カリフォルニァ大学では，Geに中 性子放射し，70Ge→71Ga，74Ge→75Asの変換を行うことによって一様なドーピングを得， 特性のよいボロメーターあるいは光伝導素子の試作を行なっている19）。ベル研究所のPhillipsらは， 230GHz（波長1．3mm）帯でInSbボロメーター・ミクサーの実験を行ない20），両側波帯で NEPh＝4×10−21W／Hzを得ている・変換損失は∼10dBで・最適LO電力は∼10｝7Wであ る。との場合，InSbの純度はN−N∼3×1013cm輔3で，素子は高さ0．5㎜の導波管のな D A かにセットされている。このミクサーはその後も開発研究が続けられ，電波天文への応用で，中性炭 素の492GHz（波長600μm）輝線の検出に成功している。I nSbボロメーターの特徴は半導体の バルクの性質を用いることから 1）素子の寸法が比較的大きく，構造が簡単なため製作が容易なこと， ii）動作が安定していること等が挙げられ，特にミクサーとしてみると①入力信号およびIF回路に 対して整合がとりやすい抵抗値をもっていること，②変換損失が小さいことがその長所として考え られる。又短所としては，前記のようにIF周波数が10MHzどまりであることが挙げられる。 現在これらのボロメーターは次の各社より市販されている：QMC Instruments Lt d・， Infrared Laboratories，Inc。，おおよその性能は次のようになっている。 NE P InSb検出器（4．2K） ＜ 10−12W／厄 ＜μs 応答速度 i 5mm−2・・μm 波長範囲 38 Geボロメーター（ 1．5K） ＜10−13W／4蕊 ＜ms 2mm∼ 30μm 技術報告 遠赤外線検出器 水野 C ダイオード検出器としては，いわゆる点接触形のものと21ヲ22）ショジトキバリァ形のものがあ るが，動作の安定性および感度の面より現在ではショットキバリア形のものが主に研究開発されてい る。サブミリメートル波帯では・ビデオ検出でNEP．＜10−9W／屈の値が得られており・常温 動作高速のビデオ検出器として使用できるが，次に述べるような利点により，SBDの真価はヘテロ ダイン検出用ミクサーとして発揮されると考えられる。 ①常温で使用できる。 ②応答速度が早い。IFの上限は，ほとんど検出器の後の回路で決まると考えてよい。しかも常温 動作の為回路処理がし易い。 ③NEPが小さい。これほ動作状態での素子あ抵抗（微分抵抗）が小さいことが大きく利いており， 例えば我々の実験では890GHz（波長337μm）でのヘテ白ダイン検出で，受信システムの NEPh∼1×1δ19W／Hzが得られている。 −④動作が安定である。 ⑤高次の非線形性が大きく，また②で述べたように応答速度が早いので，逓倍混合（ハーモニ ック・ミキシング）に利用できる。 ⑥アンテナ系を変えることにより，検出波長域がマイクロ波からサブミリ波領域までと，非常に 広くとれる。 現在サブミリ波帯のショットキ・ダイオード検出器は・Millitech Corp・で市販しており・ダイ オードチップの形ではMWT（Millimetre Wave Technology）社より入手可能である。又東北 大学通研の我々の研究室ではダイオードチップ及びアンテナ系の開発を行っており，関連の研究者へ その取扱い方も含めて供給を行っている。 以一ヒ遠赤外（サブミリメートル波）領域の各種の検出器について，その性能の概要を述べた。電磁 波スペクトラムで遠赤外領域を挾む形で位置するマイクロ波および赤外の両方の領域における検出器 技術の延長として，この領域では種々の原理に基づくものが研究開発されている。しかし周波数300 GHz以上で充分な感度を持ち，応答速度が10一8∼10−9secより早く，さらに動作が安定で現在実 用の域に達しているものとなると，ショットキ・ダイオードに限られてしまう。以下第3節において ショシトキ・ダイオードの簡単な原理・取扱い方について述べる。 39 核融合研究 第51巻第1号一 1984年1月 3．ショットキ，・バリア・ダイオード 金属と半導体の接触によって形成されるいわゆるショットキ障壁は，その1−V特性の非線形性， あろいは空乏層容量のバイァス依存性等を利用して種々の電子デバイスに応用されている。本節では サブミリメートル波の電磁波検出器としてのショットキ・バリア・ダイオード（SBD）について，先 ずその基礎的な特性について触れ，次いで実際に使用する際に必要な種々のテクニックについて述べ る。 A・電流伝導機構 ショットキ障壁の電流伝導は，一般に熱放出と電界放出の2種類の機構によって行われる。前者は， 熱エネルギーを得た電子が障壁をこえて流れる電流で，後者は障壁をトンネル効果でぬけた電子によ るものである。両者の割合は，素子の温度（T），半導体の不純物濃度（N），キャリアの実効質量（㎡ll 等によって変化する。今流している電流が逆方向飽和電流Isより充分大きいときを考えると，ショ ットキ・ダイオードの電圧V一電流1特性は次のようにあらわされる。 1−ls×exp（二） （3・） VO ここで・％一（EOO／q）×c・th（EOO／kT） （3・2） 1 で・さらにE・・一d4篭㎡）互 （a3） である。qは電子の電荷，Kはボルッマン定数，方，εはそれぞれプランクの定数の1／2π，およ び誘電率である。不純物濃度が大きく，、また低温のときには電界放出が優性で VO蟹EoO／q （3・4） となり，これは温度に無関係となる。又温度が高いか，不純物濃度が低い場合， VO蟹kT／q∼1／40V （常温） ・“●●’（3・5） ∼1／1L600V（10Ksuper−Schottkydiode） となる。普通ショットキ・ダィオードの特性を表わすには，この場合に補正係数nを加えて次式を用 いることが多い。 1−1、×卿（農丁） （36） 40 遠赤外線検出器 技術報告 q 40 ここで， ∼ 一 ， nkT n 水野 （常温） しP また・nはideality・factor と呼ばれ，1に近い ほど理想的なショットキ・バリァが形成されている Rs ことになる。トンネル電流あるいはもれ電流などが 存在するとき，あるいは障壁が絶縁性の薄い層を介 Cp して形成きれているとき等にn値は1より大きくな る2兜検知器として高信頼度を得るためには，n値 Cj 1．1以下が望ましいときれている24）。 ショットキ・ Rj ダイオードの等価回路を図1に示す。ここでRlは， 接合部非直線抵抗・Cjは空乏層容量・Rsは寄生直 列抵抗，L ，C は寄生のインダクタンスおよび P P 図1．ショットキ・ダイオードの等価回路。 容量である。なお，Rjは次式で表わされる。 Rj一（器）d−n酔 （3．7） 一 n 401 ダイオードの構造が与えられたときのCj， 、9（I in A） R の計算は文献25）を参照きれたい。 S B雑 音 GaAsショットキ・ダィオードの雑音は，障壁部で発生するショットキ雑音，及び寄生直列抵抗部 R での熱雑音（ジョンソン雑音）のいわゆる“ホワイト・ノイズ”と低周波領域で問題となってく S る1／f雑音（フリッカー雑音）とが主なものである3）・今ホワイト・ノイズの雑音温度比をtωで あらわすと，1／f雑音を含めたダイオードの雑音温度比tは，ビデオ周波数をfrとして， f t−tω（・＋そ） （a8） V とあらわきれる。ここでfNは“noise comer”と呼ばれる量で通常の点接触形ダイオードでは ∼10MHz，SBDでは，∼10kHzあたりにくる。ヘテロダイン検出では，通常IFを1MHz 以上にとるので，SBDに関して1／f雑音はビデオ検出の際に間題ζなってくる。なお1／f雑音は 41 核融合研究 第51巻第1号 1984年1月 障壁の形成法によって大きく影響をうける。我々は次第に述べるPt−GaAs固相反応を用いた障壁 形成法により1／f雑音を大幅に減少させることに成功している26’27）。 サブミリメートル波帯のSBDはその半導体材料として通常GaAsが使用される。GaAsはエネル ギー帯構造の伝導体に2つの谷があり，ダイオードに多くの電流を流すと（電界強度が強くなって） フォノン散乱によって上の谷に電子が移り，電子ガスの実効温度が上がる。このため電流の大きい領 域では雑音温度が上がることが報告されている28）。 C．製 作 現在，我々は蒸着（リフトオフ）およびめっき24）の両方法によろてGaAsジョットキピバリア・ダ イオードを製作している。蒸着法の場合にはPt−GaAsの固相反応を用いて障壁を形成しており26’2り 障壁構造としてはいわゆるモヅト形に近いものが形成されていると考えられる。サブミリメートル波 帯SBDの製作に際し，Pt−GaAsの固相反応を用いてエピ層厚みの制御を行ったのは，本研究が 最初である。我々の研究室で製作したダィオードの電圧感度γ（V／W）を図2に示してある。ここで 横軸はダイオード直径d（μm）で，測定波長λは337μm（周波数890GHz・出力0・5mW）である。 アンテナ系は次節に述べるコーナーレフレクタ形を用いている。パラメーターはdiode製作工程の違 lO3 一）㌧ 昌 337μm Q 鴫Pi 30・5mW § 一c。merrefiect。rqn佗nnq（4入） タ ） 》 IO2 ≧ 3 。冒 毒＼δエゲ50μA ∼＼呈＼宙di．d，（D）． ＼． 薯巡L漫 。窃 ⊆ oの oσ⊃ IO ＝＼i 9 3 〉 陽 1．O L3 1．8 25 BorriOr diGme↑er（μm》 図2．波長337μmのサブミリメートル波帯におけるダイオード 直径と電圧感度（実験値）。 42 技術報告 遠赤外線検出器 水野 G）1 P†一GqAs Φ oo lμφ o＞ Ib3！OμA oの 江Q5μVmfs／DIV ご ’δ Z b） Ni plqting iμφ 謁．，．8｝ 墨 1；・。垂 1 310μA 甲e l． 一． エσ5μVrms／DIV 瞳 O 1∞kHz 一 Frequency 図3、ダイオードの雑音特性， a）：ダイオードD，b〉：ダイオードC。 たて軸：0。5μVrms／DIV，よこ軸：l O kHz／DIV（0−lOOkHz）。 いによるもので，ダィオードDはPt−GaAsの固相反応を用いたもの，その他はNiのめっきを用 いて製作したダイオードである。図3にスペクトラム・アナライザーで測定したダイオードDおよび cの雑音特性を示す。横軸は周波数でo−100kHz（10kHz／div），たて軸は，電圧出力でo．5 μV rms／divである。Pt−GaAs固相反応により生成された化合物とGaAsとの界面が良好な ショットキ接合である為，ダイ オードDの雑音特性は従来のNi 表2．製作したダイオードの典形的な特性 めっき法のものCに比べて大幅 ダイオード ProceSs に改善されている。表2に直径 D Lift−off 1．05 21 400 1μmφのダイオードC，Dの C Plating 1．08 26 3QO 典型的な特性を示す。 43 n Rs（Ω） γ（VIW） 一NEP（w／4Hz 一102．5×10 一91，0×IO 核融合研究 第51巻第、1号、、 1984年1月 D．ダイオード用アンテナ3） シ・ットキ●ダィオザ検曙縄磁灘検出％雪ざヂそ騨磯齢即ような3つの段隙 分けられる・つまり・①電磁波を効率よく受信し⑧輩峠騨即締を効率よく検波素子へ 導き・③そして導かれた電磁灘効率よく検波二整流あるい瞬合が鯵という縁階である・ これらはそれぞれ①荊得の高いアンテナ（受信しよう、ξし下い1る電磁波曾フイールド分布とアンテ ナのそれとの整合といら点も含めて1・，②アンチチと検波素子どの藺あイ．ンヒーダシス整合，そして， ③いわゆる遮断周波数の高い検波素子，というこIIと一1と対応ず観とめことな靱サブミリメートル波 領域におけるダィオード感度の低下を高利得のアンテ才を用しる召ぐ嗜キリ締ラことが考えられるが・ この最初の試みは・高利得の・ングワィア・アヒデ群イオ』即齢梱1こより行なわれ訊 この形式は・その後アンテナとしてコーナーレフレ塊1噌．7拐了ンテナ3咲発展し・現在・ ングワイァ・アンテナとして長き4λ（波長）のもめ餌蓼ぐ用びられている。葦れはその指向性パタ ーンが・サブミリメートル波帯の伝送方弍とレて多用されているガ弊ビτ，舛似かよっている為で ある。図4に890GHzで測定したアンテナパターンを示す＄1）5実練な理論値，oは実験値であ る。又バィコニカル32）も一部使われているが，SBDと組み合わせるという点では未だ設計論が確立 していない。しかし帯域幅が狭いという欠点を持つものの，インピーダンス整合の点で優れた特長を 有しており戦今後の研究が待たれる。 0 5 齢 」 ’ 」 り ’ ハ の 10 、 、 3 ㌣ ．、 、 竃 も 、、 ハ 包 へ ←20 鷹野 、30 0 20 40 60 80 θ・（DEGREE） 図4．4λ一90。コーナーレフレクタ検出器のアンテナパターン（E面， 理論値，O 実験値）。 44 技術報告 遠赤外線検出器 水野 E・ビデオ検出感度と遮断用波数 直流バイアスされたSBDに高周波 電力P を印加したとき。ダイオード RF ロ の非線形電圧一電流特性で整流されて 鮫 短絡負荷に流れる直流i は， ’…；． S ＄ 1爵 ㌔議27Cl凧 ≧ r二 io層1 ◎砺 i ＝βP （3．9） S RF と表わされる34）。 ここでβは（短絡） ⊂ o 量 l fc零27C」Rs の ← 9 の 』 lo一 電流感度と呼ばれ，ダイオードの電圧 も 一電流特性を直流バイアス点の囲りに で テーラー展開しその2次の項まで考慮 O lσ すると，次式のようになる。 f腿＝ C 27CoRs o oN E さ Z q 1 β一 IO IOO IOOO IOOOOGHz 2照←＋卸［鼠f／ぜ］ 一y （3・10） 図5．ショットキ．ダイオードの電流感脚の周波数擁 （理論値）。ダイオードパラメータl R5冨I OΩ，ー こごでf は遮断周波数と呼ばれ次式で c Rj−600Ω，Cj嵩lo×10−i5F（Vb−0・7v）。 表わされる。 一（・＋簿1ρ f 一 （3．11） c 2πC（RR）・／2 j s j 遮断周波数の表わし方にはその他に・これを近似したf6＝1／2πCjRs・ ％＝1／2πCoRs 等が用いられることがある。ここでCはバイアス電圧かOVのときの障壁容量である。 図5に O R ＝一70￡，C 二10×1G−15F（0．7V），R ＝6009，のダイオードに対する電流感度一 s j j 周波数特性と鍾類の、fCの値砺してある・この図より分るように・カタ・グ値等の遮断周波数よ りダィ，オードの性能を評価するときには，どの定義の遮断周波数を用いているかに充分気を付けなけ ればならない。 F・ヘテロダイン検出 ヘテロダィン検出の大きな特徴は，入力信号のスペクトラムの情報を失わずに，信号をより低い周 波数のIF帯ヘシフトすることができる点にある。 この為IF帯ではマィクロ波以下の低い周波数帯 45 核融合研究 第5『1巻第1号 1984年1月 dB・ の 820 」 c l5 ．9 巴 Φ I O 〉 ⊂ o Q 600『 7QO 800 9CO GHz． 、Frequency 図6．サブミリメートル波帯におけるショットキ、・ダイオード・ミクサーの変換損失 （実験値）。 で使用可能な各種のフィルタ，r・，隔検知器などが使用でき，低雑音で狭帯域の信号処理が可能となる。 この際入力信号勲Pi≒ミクサrゆの中間周薦力PIF鋤Lc＝Pi／PIFは変換損失と呼 ばれ，・通常dBを単位として表現される。図6Fにサブミリメートル波帯のショットキ・ダイオード・ ミクサのL −f（周波数）特性の現状を示すも C SBDと似た構造を持ついわゆるモットダイオードは，動作状態で空乏層がパシチ．スルー（swept− out）しており，残留epi層によるRs分が少奪い。と同時に，ヘテロダイシ検出時には，LO電 力に対して容量変化が少ないので，LO電力がバラクター動作により他周波数へ変換されることが 少なくLcが小きい（あるい1撮適LO電力が少なくてすむ）という利点鮪してし・る…5GHz 帯で常温におけるLc＝ 6・3dB・NEPh（単側波帯＝9・1×10｝21W／Hz，一42Kにおいて NEPh一・・ぎ×・・一21W／Hzを得たという報告がある3臥）・しかし・モットダィオー．ドは一般瞬伏電 電圧が下がる為に，雑音の点あるいは取扱いの上で難点がでてくる。その為現在は，ダイオードの設 計に際して，モット障壁を得るよりは，むしろ降伏電圧の方を最初に規定した（ショットキ・ダイォ ードに近い）形で種々のパラメータが決定されている。感度と降伏電圧両方の総合特性を考えたショ ットキ（あるいはモット）ダイオードの最適設計は未だなされていない。 G．実際の作業 ショットキ・ダィオード検出器を組み立てるに際して必要な作業について以下に述べる。 46 技術報告 遠赤外線検出器 水野 1）ダイオードの半田付け40） ダィオードチップを，ポストの上に半田付けするときの手順を次に箇条書きにする。蔵お半田は Indan6y＃2〈INDIUM CORPORATION OF AMERICA製，融点149。C），フラックス はIndalloy Flux＃5MRA（金用）あるいは＃4（真ちゅう用）である。また作業は実体顕微鏡 （例えば日本光学工業製SMZ形）の下で行うとし易い。・ ①ポストによ弛でフラックスをぬる。 ②カミソリの刃で小さく切り出した半田を，フラックスに浸したようじに付着させてポスト上に置 く。 ③ポストの温度をあげ半田をとかす。 ④冷やして半田をかためる．このとき半田の量が多すぎる時は，カミソリの刃で半田の上をけずり り，平らにする。 ⑤フラックスを半田の上にぬる。 ⑥ようじ（あるいはピンセット）にフラックスをつけ，ダイオー．ドチップを付着させ，チップをポ スト上にのせる。 ⑦温度を上げ，半田をとかしてダィオードを半田付けする（手ばやく）。． ⑧冷えたらフラックスを1，1，1一トリク・・エタンでとかし去る。 ⑨ピンセットの先に脱脂綿をつけエチルァルコールをしみこませる。その脱脂綿でダィオー・ド表 面を軽くたたくようにして，ダイオード表面のよごれをとる。 ⑩エチルアルコールに全体をつけてよごれをとり去る。一 の ウイスカー コーナーレフレ．クタ・マウント用のアンテナウィスカの材料としては，その長さ召が比較的長くな る（4＞4λ）ことから，リン青銅，タングステンのようなある程度腰の強いものが機械的安定性の 点よりよい結果が得られる。リン青銅とタングステンの比較では，材料そのものの抵抗率は両者はほ ぼ等しい値（∼5×10−8・9・cm）をもつがダイオードヘ接触したとき1とは，リン青銅の方が平均 として低い抵抗値が得られる。一例として，我々の研究室であるダィオードのR を測定した際，タ S ングステンウィスカーでは10回のコンタクトの平均が100、9であったものが，リシ青銅では609 が得られている36）。 この原因の1つは，タングステンはその表面に薄い酸化層（厚さ∼10入）が出 来易いためと思われる。リン青銅はタングステンよりしなやかなので，機械的強度の点を考慮し，我 々は太さ50μmのリン青銅線（淵川金属事務所（掬製）を使用している。またウィスカのスプリン グ効果を増すためとアンテナ長を決めるために，直径0・5・一〇・7mm程度の半円のくびれをピンセ 47 一 核融合研究 第51巻第1号 1984年1月 ットを用いてつけている。 エッチング36） リン青銅のエッチングは，NaOH，ステンレス電極の組み合わせで行う。以下手順を箇条書きにす する。 ①NaOHの濃度：2N（濃度が濃いほど，ウィスカ先端が，機械的に弱いくびれ形になる傾向が ある） 『②NaOH溶液に少量（NaOH200m1に対して数滴）のメチルアルコールを入れる（エッチン グ時に溶液がウィスカ周辺ではねないように）。 ③電源は3Vの乾電池を用い，最初電流が∼8mA流れるように，ウィスカの液に入る部分を 調節する。 ④エッチングの進行にっれて電流が徐々に減少するが，電流が0になったら，すばやく電源のスィ ッチを切る。 ⑤次いでHC4溶液（1N以下）につけて中和させる。 ⑥最後にアルコールで洗浄する。 金メッキ36） リン青銅の場合，金メッキは必らずしも必要とは思われないが，金メッキした方が歩留りよく低い R値が得られるようである。 メッキ溶液は，シァン化金カリ2．9g，Pシアン化カリ7．5g，リン酸 S ナトリウム3．Ogを500m1の水に溶かしたもので，30mA／c㎡！7秒で2000ぺの厚みのメッキ が出来る。プラス電極には金を用いる。50μφのリン青銅を1・2mm（890GHzで4λの長さ）浸 してメッキを行うと，100μA，4秒，で2000AOメッキされることになる。電流を多く流すとメ ッキが先端に集中する傾向があり，均一なメッキを得るには，20μA，21秒程度の条件がよいよう である。 ウィスカリング 先端にリン青銅ウィスカーを半田付け（タングステンウィスカーの場合は，スポット溶接）した Ni棒をウィスカリング用の差動ネジ先端に装着し，ダイオードとウィスカーとの位置合わせを行な う。このときコーナーレフレクタ形アンテナを用いるときには，ウィスカーとコーナーレフレクタの 2つの面との間の平行度をよくすることが，よい指向性パターンを得るために重要である。ウィスカ リングに際しては，ズームレンズ付実体顕微鏡（日本光学工業SMZ形）を用いて， ウィスカーがダ イオード表面に近づくにつれて倍率を上げていくようにするとやり易い・ウィスカー先端がダイ言一 ドに近っくと，ダイオード表面にウィスカーの像がうつるので，ウィスカー実物と像が合致するよう 48 水野 遠赤外線検出器 技術報告 に差動ネジをしめてゆく。接触するとウィスカーが心もちしなるので判断できる。その後カーブトレ ーサー（渚ッシロスコープのスY端子を用いて自作できる）に接続し，ダイオードの1−V特性を測 定する。 1−V特性より，R およびnを求める標準的な方法は次のように行なう訂）：電流10μA，100 S μA・1mA・10mAに対する電圧を1それぞれVloμ『A・…橘omAとする・さらに ｛● 4V1＝V10mA｝VlmA ∠ V2＝VlooμA−VloμA とするとき， 100 Rs蟹。．89（∠V・蝉∠V2） n 乞 16。8∠V2 と求まる。 雨）光学系 現在我々が観測の対象としているサブミリメートル波はほとんどガウヌビrムの形で伝送されてい る。これはサブミリメートル波帯では，マイクロ波領域の導波管・光領域のファイバーに対応するよ 200 1ρ ／＋7「「1＋ ／ 偲承、 〆 窒i 多 ㍊ ．，v■ ㍉60 ζ、 o Q5ご ロ ロ 『 r ，「 甲 r 陛 O 4 8 12 ㌦ 16 0 （DEGREE》 図7・入射ガウスビームの絞り角ψmに対する電圧感度γ及びアンテナ パターンに財する変換係数α（4λ一90。コーナーレフレクタ）。 49 核融合研究第51巻第11’号 1984年1月 うな低損失の伝導方式が，まだ開発きれていないことが大きな理由のユつである。前記したように， i4λアンテナ付コーナーレフレクタはガウスビ〒ムとの整合性がよいが，その最適条件はガウスビー ム入射角11。（スポットサイズで）のとき得られる31）図7は，アンテナパターンとガウスビーム・パ ターンとの間の変換係数の計算値（実線）と実験（890GHz帯〉で求めた電圧感度γ（＋印）を示 す・計算では位相分布を考題していなし）カ1・両者の傾向はよく一致している。 反射鏡の曲率半径 反射鏡を用いて上記の光学系を y 設計することを考えよう。反射鏡 b G〉 の形としては回転楕円面と回転放 R隔 R α 物面がある。一般に収差の点より ＿． 一 一 一 ． 一→X q みると，回転楕円面が最適で，こ の場合各デイメンションは第8図 a）のようになる。 ここでR，R／ y は，それぞれ鏡より光源および像 までの距離，αは入射および反射 b・ 光線の軸のなす角で次式で表や』さ b） 一 → X れる。 一’ り一’ GI ％ a＝（R十R！）｝／2 b一履 』 ． 図8・光学系の設計｛1｝・a）回転糊面b）近似回転 楕円面。 R2＋良2−2R奪ノc・＄α e＝＝ 2 しかし，回転楕円面は楕内の端に近づくと製作が困難となってくるので，近似的に，比較的製作が容 易な楕円卿心軸に近いばろの面を用幡と，即bのようなディメンションを得る38）．ここで・ aノ＝R” bノーR〃c。s（α／2） R”＝2RRノ ／（R十Rノ） 50 技術報告 遠赤外線検出器 水野 である。きらに，この場合を曲率の異 なる2つの直交する球面で近似すると， ソ それぞれの半径は次式のようになる・ r ＝b／ 1 R→QO r2＝R”／c・s（α／2） また平行光線を受信するときには，回 R’ 転放物面が使用でき，このとき各ディ 一一一一一一一一 X メンションは次式であらわされる （図9）。 y2＝2R／x 図9．光学系の設計（2）。回転放物面。 反射鏡の寸法38） 反射鏡の寸法は，回折損に対する考慮より決定されるべきもので，入力ガウスビームのスポット・ サイズの1．5倍の大きさの鏡では回折損0．05dB，2倍の大きさの鏡では0．0015dBとなり，これ らの値は実用上充分であると考えられる。 4．まとめ 遠赤外線（サブミリメートル波）の検出器について，特に常温動作・高速応答橡の特長を持つショ ットキ・バリァ・ダィオードを中心にその実際の取扱い方を述べた。現場の研究者の方々にとって有 益な資料になりうれば真に幸いである。 謝 辞 本研究は次に述べる多くの方々のお世話を頂いて進展してきたものである。記して深謝したい。 先ず，本研究の特にダイオード製作の部分は文部省科学研究費エネルギー特別研究（核融合）の援 助により発展したものである。名古屋大学築島隆繁先生には，研究代表者として，またその前段階の 総合研究の段階より多大なご援助ご鞭錘を頂いた。電々公社厚木通研半導体部品研究室には，ダィオ ード製作のプロセスについて多くの貴重なご教示を頂いた。名古屋大学プラズマ研藤田順治先生，東 京大学東京天文台のミリ波観測グループの方々には種々のご指導，はげましを頂いた。大阪大学吉永 弘先生・三石明善先隼・潭辺健二先生をはじめとして・科学研究費「遠赤外線によるプラズマ計測」 51 核融合研究 第51巻第1号 1984年1月 のメンバーの方々には，多くのご議論，ご指導を頂いた。名古屋工業大学梅野正義先生には，GaAs 結晶の件でご指導ご援助を頂いた。東北工業大学工芳昭先生には，アンテナ系の研究でご協力を頂い ている。 学内では，次に名前を記す多くの（元）学生諸君の協力を得た。桑原良一（現北海道電力），岡村 正潭（現電々』公社武蔵野通研）・青木英之（現日立製作所）・勝又康弘（現東芝）・佐藤暁昌（現日 本光学工業），門田隆夫（現松下通信工業），福迫直哉（現安展工業），鈴木哲。また寒河江克巳技 官には，ダイオードマウント・測定装置等多くの精密工作を担当して頂いた。大学院ゼミ（界面現象） では，柴田幸男教授，針生尚助教授をはじめ多くの方々より貴重なご議論を頂いた。横尾邦義助教授 には，半導体の取扱いをはじめ，学生の指導に多くの時間を費やして頂いた。最後に（but not least）小野昭一教授には常に多くのご指導ご鞭錘を頂いている。’ 参 考 文 献 1） 築島隆繁・間瀬 淳，フィジクス，3（1982）187． 2） 水野皓司・小野昭一，応用物理，46（1977）734． 3） 水里予皓司，日本原子力研究所委託調査報告書，1981年2月． 4） 長坂啓吾・小泉俊郎，応用物理，50（1981）1188． 5） M．Hueschen，E．Haller，a皿d P．Richarδs，7th ht’l Conf．IR＆MM Waves， February1983，Marseille，L8−4． 6） G．Do虚el，J．Heppner，E．Holzhauer，a，nd E．Gom孟k，ibid．，L8＿5． 7） P．Richards a，nd T．Shen，IEEE Trans．Electron Devices，ED−27（1980）1909． 8） 」．Edrich，4th I皿t’l Conf．IR＆MM Waves，December1979，Tk−1−6． 9） K．Fujisawa and S．Kita，Japan。」．Appl．Phys．，21（1982）497． 10） 太田 浩，電子通信学会研究会資料，ED82−59（1982）． 11） Sl Morita，T．Nogucki，S．Takaki，S．Horii，S．Imai，Y．Takeuchi，and ：N．Mikoshiba，Japan．J．Appl．Phys．，21（1982）71． 12） S．Pan，M．Fe互dma，n，a，nd A．Kerr，Appl．Phys．Lett．，43（1983）786． 13） M、Fel虚man and S．Rudner，Rev．lnfrared and Mimmeter Waves，1（1983）47． 52 技術報告 遠赤外線検出器， 水野 14） T．Sollner，W．Goodhue，P．Tan皿enwald，C．Parker，and D．Peck，Appl．Phys． Lett．，43（1983）588． ．15） D．Ma，rtin and K．Mizu皿o，Adva，nces in Phys．，25（1976）211． 16） T．Hwang，S．Schwa，rz，and Rutle“ge，Appl．Phys．Lett．，34（1979）773． 17） N．Neikirk，D．Rutledge，M．Muha，H．Park，and C．Yu，Appl．Phys．Lett．， 40 （1982） 203． 18） G．』Ya’Qian，M．Kimmitt，and AボKoohi砥5tk Int’LConf．IR＆MM Waves， October1980，W巌rzburg，M．2．6． 19） N．Palaio and E．H哉ller，7th lnt’l CQnf．IR＆MM Wavεs，February1983， Ma，rseille，L3−4． 20）T．ρhmipsandK．Jefferts，IEEETrans．Micr。waveThe。ryTech．，MTT＿22 （1974）1290． 21） E．Becklate，L．Cram，and B．Prewer，Electro皿，Lett．，4（1968）601． 22） 参照：Phys．Today，Jamary1983．P．54． 23） C。Crowell＆皿d S．Sze，Solid−state Electron．，9（1966）1035． 24） 井田雅夫・佐藤安夫・島田慶甫・内田正夫，通研実報，20（1971）1761． 25） 大工芳昭・水野皓司・針生 尚・片岡久志・小野昭一・柴田幸男，電子通信学会研究会 資料，MW77−38（1977）． 26） 勝又康弘・横尾邦義・水野皓司・鈴木 哲・小野昭一・築島隆繁，応用物理学会講演会， 1983年4月，7al7． 27） Y。Katsumata，K。Yokoo，K．Mizu皿o，T．Suzuki，S．Om，and T．Tsukishim＆，『 8th lnt’I Conf．豆R＆MM Waves，December1983，Miami Beach，T2．7． 28） D．Held an4A．Kerr，IEEE Trans。Microwave Theory Tech．，MTT−26（1978）55． 29） K。Mizuno，R．Kuwaka，ra，and S．Ono，Appl．Phys．Lett．，26（1975）605． 30） H．Krautle，E．Sauter and G．Schu杜z，1皿frared Phys．，17（1977）477． 31） K．Mizuno，T．Suzuki，S．Ono，and K．Sagae，1皿t’l J．Infrared a，nd Millimeter Waves，4（1983）321． 32） 」。Gustincic，2nd ht’l Conf．Subm皿imeter Waves，December1976，Puerto Rico， W＿1＿9． 53 核融合研究 第51巻第1一号 1984年1月 33） 大工芳昭・＄．Oh，水野皓司・鈴木・哲・小野昭一・・．寒河江克己，電子通信学会研究会 資料，MW81−28（1981）． 34） H．Torrey an礎C．Whitmer，Crystal Rectifiers，Lex㎞瑛on： Boston Tech皿ical Pub・、lnc・・；1964・ 35） N・，Kgen・Ψ・KeHy・an“．G・W「ixan・Elect「on・Lett・・15！1979）689・ 36） 門田隆夫，東北大学卒業研修論文（1982年3月） 37） S．Lidholm‘Research Report No．129．Onsala Space Observatory， 1977． 38） 中嶋信生，東北大学博士論文（工学，1982年2月）． 呂9） G．Dionne，Int’l J．Infrareαand M皿imeter碑直ves，3（1982）417． 40） 木更津工業高専，小平真次先生に負、うところグ大きい。 54