量子ホール効果状態における光磁気抵抗変化を用いた超高感度テラヘルツ光検出器の開発

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555108
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (10183097)
• 研究分担者: 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226) ; 小宮山 進 東京大学, 大学院・総合文化研究科, 教授 (00153677)
• キーワード: テラヘルツ光 / 遠赤外光 / 量子ホール効果 / 半導体ヘテロ構造 / 2次元電子 / サイクロトロン共鳴 / ランダウ準位 / エッジ状態

研究概要

半導体へテロ構造中に形成される2次元電子系に強磁場を印加すると、サイクロトロンエネルギーの間隔で隔てられた、ランダウ準位と呼ばれるこの0次元的な電子状態が形成され、それを反映して量子ホール効果という物性が発現することが知られている。我々は、量子ホール効果状態にある2次元電子系の磁気抵抗がテラヘルツ光の照射に対して、極めて高感度に変化することを見いだし、この効果を超高感度テラヘルツ光検出に利用する事について検討している。
本年度の研究成果は以下の通りである:
(1) 変調ドープヘテロ構造にテラヘルツ光を照射したとき、2次元電子系の磁気抵抗が大きく変化する機構のうち、実用上重要なテラヘルツ光照射によるバルク2次元電子系の電子温度上昇効果について、試料端を持たないコルビノ円板試料を用いて検討を行った。その結果、ランダウ準位占有数vが4以上の半古典領域では電子温度モデルが光磁気抵抗応答をよく説明するが、vが2以下の量子ホール領域では電子の局在効果が重要となり、電子温度モデルが破綻することを明らかにした。
(2) バイアス電流が増加したときに生ずる量子ホール効果のブレークダウン近傍で、テラヘルツ光感度が大きく上昇することを見いだした。この効果は、光励起電子が種となり、それが強いホール電界により雪崩増倍を起こしているものと思われる。
(3) テラヘルツ光検出器の性能を特徴づける物理量として重要な雑音の評価を行い、1 kHz程度までは1/fノイズが支配的であることを見いだした。また典型的な100Hz程度周波数で動作させた場合、素子の感度は5x10^<13>Hz^<1/2>/W程度と見積もられ、市販のテラヘルツ光検出器の感度の10倍以上大きな値であった。

研究成果

• [文献書誌] K.Yamanaka and K.Hirakawa: "Far Infrared Photoresponse of the Diagonal Magnetoresistance of the Two-Dimensional Electron System near the n=1 Spin-Gap Quantum Hall State" Physica Status Solidi(B). 204. 310-313 (1998)
• [文献書誌] K.Yamanaka and K.Hirakawa: "Far-infrared photoresponse of the AlGaAs/GaAs low-dimensional systems constricted by split-gates" Solid-State Electronics. 42,7-8. 1151-1153 (1998)
• [文献書誌] N.Sekine,K.Yamanaka,K.Hirakawa,M.Vosseburger,P.Haring-Bolivar,and H.Kurz: "Observation of teraherz radiation from higher-order two-dimensional plasmon modes in GaAs/AlGaAs single quantum wells" Applied Physics Letters. vol.74,No.7. 1006-1008 (1999)
• [文献書誌] N.Sekine,K.Hirakawa,and Y.Arakawa: "Terahertz emission from quantum beats in coupled quantum wells" Japanese Journal of Applied Physics. vol.37,part.1,No.3B. 1643-1645 (1998)
• [文献書誌] Y.Shimada and K.Hirakawa: "Optical and transport properties of single quantum well infrared photodetectors" Japanese Journal of Applied Physics. vol.37,part 1,No.3B. 1421-1423 (1998)
• [文献書誌] Y.Shimada,K.Hirakawa: "Photocurrent dynamics in single quantum well infrared photodetectors investigated by using free electron laser pulses" Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. B 144. 166-171 (1998)
• [文献書誌] K.Hirakawa(分担執筆): "Terahertz Spectroscopy of Semiconductor Nanostructures" Springer, 96-103 (1998)