2次元プラズモンを用いた高効率テラヘルツ光エミッタの試作

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06555003
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (10183097)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 生駒 俊明 東京大学, 生産技術研究所, 客員教授 (80013118) ; 斎藤 敏夫 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (90170513) ; G ファーソル 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (10251472)
• Keywords: テラヘルツ光 / 遠赤外光 / 半導体ヘテロ構造 / プラズモン / ホットエレクトロン / ガリウムム素 / 極短寿命光伝導体 / ダイポールアンテナ

Research Abstract

本研究は、半導体ヘテロ構造中の2次元電子のプラズマ振動を利用するという、従来とは異なる原理・アプローチにより、コンパクトな固体テラヘルツ光発光素子を開発することを目標としている。特に、2次元電子プラズモンの励起・緩和過程、超微細金属グレーティングカプラー構造の最適化,二次元プラズモンを効率的に励起するための構造最適化について検討を行っている。
1.2次元電子プラズマからのテラヘルツ光発光:AlGaAs/GaAsヘテロ構造表面に数ミクロンオーダーの微細金属グレーティングを形成した試料に、直流の電界を印加することにより2次元電子プラズモンを励起し、0.15^〜1.3THz近傍の周波数領域に狭帯域のテラヘルツ発光を観測した。観測されたプラズモン発光の周波数は、金属グレーティングの効果を厳密に取り入れた理論により、よく説明されることがわかった。また、2次元電子プラズモン発光強度と入力電気パワーを詳細に検討した結果、波数の異なるホットなプラズマモード間の熱力学的温度は一致していること、さらに電子-電子相互作用は極めて短い時定数で効率よく電子系を平衡状態に導くことなどが明らかになった。
2.時間分解テラヘルツ分光法による2次元電子プラズマ振動の緩和過程の解明:極短寿命光伝導体とダイポールアンテナ構造を組み合わせたフォトコンダクティブ・ダイポールアンテナとフェムト秒レーザからの光パルスを用いることにより、2次元電子のプラズマ振動の様子を時間領域で直接評価することに成功した。観測されたプラズマ振動緩和時間は1〜2ピコ秒程度であり、電子の運動量緩和時間に比べて非常に短く、むしろイオン化不純物散乱による単一粒子散乱時間とほぼ等しいことがわかった。今後、本方法を用いてプラズマ振動の励起および緩和のダイナミクスを明らかにしていく予定である。

Research Products

• [Publications] K. Hirakawa: "Far infrared emission spectroscopy of hot two-dimensional plasmons in A10.3Ga0.7As/GaAs heterojunctions" Applied Physics Letters. 67. 2326-2328 (1995)
• [Publications] M. Grayson: "Far infrared emission from hot quasi-one dimensional quantum wires in GaAs" Applied Physics Letters. 67. 1564-1566 (1995)
• [Publications] K. Hirakawa: "Coherent submillimeter-wave emission from non-equilibrium two-diemsional free carrier plasma in AlGaAs/GaAs heterojunctions" Surface Science. (in press). (1996)
• [Publications] S. Suzuki: "Coherent transport through electron wave directional coupling structures" Japanese Journal of Applied Physics, part 1. 34. 4449-4451 (1995)
• [Publications] K. Hirakawa: "Supply-function dependent sequential resonant tunneling in semiconductor multiple quantum well diodes" Physica. (in press). (1996)
• [Publications] 平川一彦: "半導体ナノ構造中のホットな低次元電子系からの遠赤外放射" 固体物理. (掲載予定). (1996)