プラズマ電子波共鳴トランジスタによる光注入同期型テラヘルツ電磁波発振動作の研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450147
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 尾辻 泰一 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (40315172)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岡本 卓 九州工業大学, 情報工学部, 助教授 (40204036)
• Keywords: プラズマ電子波共鳴 / テラヘルツ / トランジスタ / ポラリトン / プラズモン / 3次高調波 / 光注入同期 / 電気光学サンプリング

Research Abstract

1.プラズマ電子波共鳴トランジスタのテラヘルツ帯共鳴発振動作のインコヒーレント計測
(1)実験方法と試料の準備 ポラリトン・プラズモン励起系を利用したレーザ2光波混合励起の手法により、ゲート長80nmの微細化GaAs MESFETを対象としてプラズマ共鳴特性観測実験を進展させた。プラズマ共鳴で生じるソース・ドレインポテンシャルの直流変調成分を測定することにより、インコヒーレントに、1.0〜7.5THzの範囲で共鳴強度特性を観測した。
(2)実験結果 3次高調波に相当する周波数での共鳴条件が基本共鳴周波数のそれらとほぼ同一条件であったことから、3次高調波共鳴の観測にはじめて成功したと考えられる。共鳴周波数のゲートバイアス(Vg)依存性は、共鳴周波数が√<Vg>に比例する一次元単純モデルの理論解析と異なり、特定のVg領域を境界として漸増・急増・漸増飽和という複雑な非線形応答を示した。
(3)考察 MESFETは素子構造上2次元的なキャリアの閏じ込めが弱く、また、本来透明であるはずの励起光(波長1550nm帯)に対しては深い準位を介した弱励起キャリアが生成される。これらの物理現象を考慮してチャネル内電子に対するレート方程式より電子分布を求め、実効的なキャリア濃度から共鳴周波数を算出した結果、実験で観測された共鳴周波数の非線形なVg依存性をほぼ説明することができた。
(4)結論と今後の予定 本デバイスの最大の特徴である、光注入同期型コヒーレントテラヘルツ帯波長可変発振素子としての実現性に見通しを得ることができた。今後はより理想特性が期待される高電子移動度トランジスタ:HEMTを対象として時間分解計測へと発展させると同時に高効率電磁波放射構造を付与した素子試作を進める。
2.テラヘルツ帯電磁波の時間分解応答計測システムの構築
テラヘルツ帯電磁波の時間応答を計測するツールとして、電気光学サンプリングシステムを構築した。ポンプ・プローブ測定法によるインパルス応答計測を100fs以下の時間分解能と10mV以下の電圧感度とで実現できる。モード同期ファイバーレーザと自己位相変調効果を利用したパルスコンプレッサーにより半値全幅50fsのポンプ・プローブ用パルスを得た。デバイス裏面から光学励起を行いデバイス表面からプローブする.電気光学センサにGaAs結晶を用いて基本性能を確認した。微弱なテラヘルツ光の検出には高感度化と高時間分解能化の両立が必須であり、今後はDASTを代表とする高効率有機電気光学結晶の電気光学センサへの導入を図る。

Research Products

• [Publications] 尾辻 泰一: "Effect of Heterostructure 2-D Electron Confinement on the Tunability of Resonant Frequencies of Terahertz Plasma-Wave Transistors"Digest of Topical Workshop Heterostructure Microelectronics 2003. 1・1. 80-81 (2003)
• [Publications] 尾辻 泰一: "Effect of Heterostructure 2-D Electron Confinement on the Tunability of Resonant Frequencies of Terahertz Plasma-Wave Transistors"IEICE Transactions on Electronics. E86-C・10(掲載予定). (2003)