東大,MEMSでテラヘルツを100倍高速検出

東京大学はMEMSを用いて,室温で高速・高感度にテラヘルツ電磁波を検出する新しい動作原理の素子を開発した(ニュースリリース)。

テラヘルツ電磁波は,さまざまな物質と相互作用し,その構造や機能などを調べるのに適している。また,安全・安心分野でもイメージングなどへの応用が注目されている。一般に,広い周波数範囲に感度を持つテラヘルツ検出器では,テラヘルツ電磁波を一旦熱に変換し,それによる検出素子の温度上昇を信号として読み出すことを原理とする検出素子(ボロメータ)が用いられてきた。

しかし,高感度を得るために多くの場合,検出素子を液体ヘリウム温度(約-270℃)程度まで冷却し,温度上昇を抵抗変化として読み出す必要があった。

今回,研究グループは,MEMS技術を用いて作製した半導体微小機械共振器構造の共振周波数が,テラヘルツ電磁波の入射により高感度に変化する現象を用いた,新しいテラヘルツ検出器を開発した。

MEMS技術を用いると,両持ち梁構造のようなミクロンサイズの微小な半導体機械共振器構造を実現することができる。このような微小機械共振器構造は,室温でも数千程度の高いQ値を持った非常に急峻な共振スペクトルを示すことが知られている。

研究グループは,ガリウムヒ素系半導体で作製した長さ約100μm程度のMEMS両持ち梁共振器構造にテラヘルツ電磁波が入射すると,テラヘルツ電磁波の吸収によるMEMS梁の温度上昇で,梁が熱膨張し,ちょうどギターの弦の張力が緩むように,共振周波数が敏感に低下することを見いだした。

今回開発したテラヘルツ検出素子は,この周波数変化の大きさから入射したテラヘルツ電磁波の強度を測ることができる。この素子は従来の室温動作熱型テラヘルツ検出器(焦電検出器や酸化バナジウムボロメータ)と同等の感度を持ちつつ,さらにそれらに比べて100倍以上の高速なテラヘルツ検出が可能。また,半導体微細加工技術を用いて作製できることから,将来の集積化にも優れているという。

研究グループは,今回の研究により,冷却が不要で簡便に使える高感度・高速テラヘルツ検出器が実現されたことから,この素子がさまざまなテラヘルツ計測器に組み込まれ,化学,薬学などの基礎から応用に関わる広い分野に大きな発展をもたらすと期待でき,また,将来集積化ができれば,イメージング用のテラヘルツ・カメラも実現できるとしている。

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