2000 Fiscal Year Annual Research Report
テラヘルツ電磁波による走行電子波のビート集群現象と超高速三端子デバイスへの応用
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11450136
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
浅田 雅洋 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (30167887)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 正裕 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (00251637)
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| Keywords | テラヘルツ増幅素子 / 共鳴トンネル構造 / フォトンアシストトンネル / 電子波ビート / テラヘルツ平面パッチアンテナ / 金属 / 絶縁体 / 半導体超格子 / フッ化カルシウム / フッ化カドミウム |
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| Research Abstract |
超高周波増幅の可能性を持つデバイスとして提案した、電子波の光遷移とビートによる集群効果を組み合わせた新しい原理の三端子増幅素子の実現を目指し、(1)デバイス構造形成のための結晶成長法の確立と共鳴トンネル素子への応用、(2)動作原理の基礎である電子波のフォトンアシストトンネル効果の詳細な観測を行った。まず、デバイス構造形成のための結晶成長に関して、ヘテロ界面のポテンシャル障壁の高い組み合わせとしてSi基板上のCaF_2/SiおよびCaF_2/CdF_2を選択し、イオン化ビーム結晶成長法を用いて、SiO_2をマスクとして窓空けしたSi基板上の数百ナノメートルサイズの微小面積への選択的結晶成長を行うことにより、成長層の結晶性を大幅に改善した。この結果に基づいて結晶成長条件を最適化して共鳴トンネルダイオードを作製し、室温で再現性のよい、しかもピーク/バレー比が小さいものでも10以上という、非常に良好な微分負性抵抗を得た。また、提案した増幅素子の主原理となるフォトンアシストトンネル効果を把握するための初期実験として、極微小面積GaInAs/InAlAs三重障壁共鳴トンネル構造にパッチアンテナを集積した構造を作製してテラヘルツ電磁波を照射した。この実験では、アンテナ構造の改善により損失を大幅に減少させることができ、高い入力電力による明瞭なフォトンアシストトンネルを発現させることに成功した。観測結果は多光子過程を含む誘導放出と吸収のフォトンアシストトンネルでよく説明でき、誘導放出成分からフォトンアシストトンネルに伴うテラヘルツ増幅利得とその飽和特性を算出した。さらに、この実験で得られた特性に基づいて、提案した三端子素子の増幅特性の理論解析を行い、数テラヘルツまでの電力増幅が可能であることを示し、その実現のために必要なデバイス構造を明らかにした。
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[Publications] M.Asada,Y.Oguma,and N.Sashinaka: "Estimation of interwell terahertz gain by photon-assisted tunneling measurement in triple-barrier resonant tunneling diodes"Applied Physics Letters. 77. 618-622 (2000)
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[Publications] N.Sashinaka,Y.Oguma,and M.Asada: "Observation of terahertz photon-assisted tunneling in triple-barrier resonant tunneling diodes integrated with patch antenna"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4899-4903 (2000)
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[Publications] A.Itoh,M.Saitoh,and M.Asada: "A 25-nm-long channel metal-gate p-type Schottky source/drain metal-oxide-semiconductor field effect transitor on separation-by-implanted-oxygen substrate"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 4757-4758 (2000)
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[Publications] M.Watanabe,Y.Iketani,and M.Asada: "Epitaxial growth and electrical characteristics of CaF_2/Si/CaF_2 resonant tunneling diode structures grown on Si(111)1° off substrate"Japanese Journal of Applied Physics. 39. L964-L967 (2000)
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[Publications] M.Watanabe,T.Funayama,T.Teraji,N.Sakamaki: "CaF_2/CdF_2 Double-Barrier Resonant Tunneling Diode with High Room-Temperature Peak-to-Valley Ratio"Japanese Journal of Applied Physics. 39. L716-L719 (2000)
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[Publications] M.Watanabe,Y.Maeda,S.Okano: "Epitaxial Growth and Ultraviolet Photoluminescence of CaF_2/ZnO/CaF_2 Heterostructures on Si(111)"Japanese Journal of Applied Physics. 39. L500-L502 (2000)
