2017 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of breakthrough in terahertz-device performance by understanding the radiation mechanism from view point of electron travelling and transition
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16H06292
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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, 科学技術創成研究院, 教授 (30167887)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 恭幸 東京工業大学, 工学院, 教授 (40209953)
鈴木 左文 東京工業大学, 工学院, 准教授 (40550471)
西山 伸彦 東京工業大学, 工学院, 准教授 (80447531)
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| Project Period (FY) |
2016-04-26 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ波 / テラヘルツ電子デバイス / テラヘルツ光デバイス / 室温テラヘルツ光源 / 共鳴トンネルダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
①電子デバイスと光デバイスを繋ぐテラヘルツデバイス物理：本科研費で購入したテラヘルツネットワークアナライザを用いて、共鳴トンネルダイオード(RTD)のテラヘルツ周波数帯に対する微分負性コンダクタンスを初めて測定した。測定用サンプルとして、RTD終端マイクロストリップ線路をCOC薄膜を堆積したInP基板上に形成した。測定サンプルのテラヘルツプローバー端子に対して数十ミクロンの高精度の均一な高さが要求されることがわかり、その作製条件を把握した。測定の結果、0.75～1THzにおいて大きな周波数依存が無いことが明らかになった。また、得られた周波数特性に基づいて、テラヘルツ応用において重要な要素となるテラヘルツ増幅器をRTDと90度ハイブリット回路で構成した場合の増幅利得特性を理論的に予測した。
②テラヘルツデバイスの高性能化：RTDテラヘルツ発振器の高出力化のため、昨年度提案し作製したボウタイアンテナ構造の発振器を拡張し、矩形空洞共振器とボウタイアンテナを集積した高出力発振器の提案と理論解析を行った。この発振器は、矩形空洞共振器の小さなインダクタンスのため、キャパシタンスが大きい大面積RTDを用いることが可能で、そのため高出力化も可能である。理論解析の結果、発振可能上限周波数2.4～2.8THz、出力は1THzにおいて5mWと、これまでの発振器を大きく凌駕する特性が期待できることが明らかになった。続いて、この素子の作製プロセスを確立し、空洞共振器構造を実際に作製した。
③高性能テラヘルツデバイスによる応用展開：周波数および位相変調方式のテラヘルツ無線通信に向けたRTDの周波数変調特性を明らかにするとともに、３Ｄイメージングへの応用展開が可能なＲＴＤテラヘルツ測距システムとして、RTDを振幅変調し、変調信号の位相差から距離を計測するシステムを考案・構成し、その基本動作を実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
①電子デバイスと光デバイスを繋ぐテラヘルツデバイス物理については、昨年度の温度特性からの微分負性コンダクタンス抽出に引き続き、微分負性コンダクタンスのテラヘルツ波による直接測定へと予定通り進んでいる。直接測定はまだ1THzよりやや低い周波数であるが、この周波数帯では初めての直接測定であり、測定における素子構造の問題点やその解決もほぼ行うことができ、より高い周波数での測定に向けた準備が順調に進んだと判断できる。
②テラヘルツデバイスの高性能化については、昨年度に引き続き、昨年度提案・作製した高出力化構造をさらに発展させ、新たな構造を提案した。この構造は従来構造に比べ出力が大幅に改善できることが精密な理論解析から示された。また、発振器の主要構造である空洞共振器の作製プロセスも確立した。これらにより、RTD発振器の大きな課題として残っていた高出力化の実現に向けて、提案した発振器を作製していく準備が順調に整ったと判断した。
③高性能テラヘルツデバイスによる応用展開では、昨年度の周波数・偏波多重集積素子による無線通信に続き、RTD発振器を用いたテラヘルツ無線通信では新たな試みとなる周波数変調方式のための直接変調特性を明らかにし、今後の様々な通信方式に向けた準備とすることができたと考えている。これと並行して、テラヘルツ帯の重要な応用の一つとして期待されるイメージングに対して、当初計画では考案されていなかった、深さ方向の情報にも対応できる３ＤイメージングのためのRTD測距システムを新たに考案し、動作を実証することができた。
以上から、全体の進捗状況として（2）概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
①光デバイスと電子デバイスを繋ぐテラヘルツデバイス物理の確立：今年度において、オンウェハでRTDの微分負性抵抗の周波数特性を直接測定することができたので、引き続き、より高い周波数の測定、および、種々の層構造（量子井戸厚と構造、障壁厚などの異なる構造）を持つRTDの測定を行い、微分負性コンダクタンスの周波数特性の構造依存性を明らかにする予定である。これにより、電子の共鳴トンネル構造滞在時間の違いによる微分負性抵抗の周波数特性の違いを調べる。並行して、電子の遷移（光デバイス動作）と走行（電子デバイス動作）を同時に考慮できる理論解析モデルを構築し、微分負性抵抗の周波数変化の解明を試みるとともに、解析モデルを寄生素子を考慮して実際の素子設計に対応できる形に拡張し、RTD発振素子の高周波化・高出力化のための構造を考案する。
②テラヘルツデバイス高性能化：今年度に引き続き、空洞共振器とボウタイアンテナを集積したRTD発振器について、さらに詳細な理論解析による構造最適化を行う。理論解析では、空洞共振器による低損失化・低インダクタンス化に基づいて発振周波数上限が最大となる高周波構造を見出すとともに、ボウタイアンテナによる放射インピーダンス最適化を可能な最大出力とその構造を求める。素子作製では、この理論解析結果に基づいて、特に、大面積となるRTDと空洞共振器の接続部分を低抵抗にする構造とプロセスを確立する。
③高性能テラヘルツデバイスによる応用展開：無線通信への応用展開については、キャリア周波数を上昇させた振幅変調および周波数変調によるテラヘルツ無線通信を試みる。また、新しい応用展開として、今年度提案と原理実証を行ったRTDの振幅変調による測距システムについて、分解能を決定する要因の把握と分解能の向上、テラヘルツ波の特徴である透過性などの特性評価を行う。
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[Journal Article] Optically-driven Terahertz Wave ModulaT.sing Ring-shaped Microstripline with GaInAs Photoconductive Mesa Structure2017
Author(s)
S. Yamasaki, A. Yasui, T. Amemiya, K. Furusawa, S. Hara, I. Watanabe, A. Kanno, N. Sekine, Z. Gu, N. Nishiyama, A. Kasamatsu, S. Arai
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Journal Title
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
Volume: 23
Pages: 3400408
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] GaN HEMT Device Technology for W-band Power Amplifiers2017
Author(s)
K. Makiyama, Y. Niida, S. Ozaki, T. Ohki, N. Okamoto, Y. Minoura, M. Sato, Y. Kamada, K. Joshin, K. Watanabe, Y. Miyamoto
Organizer
Compound Semiconductor Week （CSW2017）
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Advanced HEMTs and MMICs Technologies for Next Generation Millimeter-wave Amplifiers2017
Author(s)
K. Makiyama, S. Ozaki, Y. Niida, T. Ohki, N. Okamoto, Y. Minoura, M. Sato, Yoichi Kamada, K. Joshin, N. Nakamura, and Y. Miyamoto
Organizer
International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS 12)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] InAlGaN/GaN-HEMT Device Technologies for High-Power-Density W-band Amplifiers2017
Author(s)
K. Makiyama, T. Ohki, S. Ozaki, Y. Niida, N. Okamoto, Y. Minoura, M. Sato, Y. Kamada, T. Ishiguro,K. Joshin, N. Nakamura,and Y. Miyamoto
Organizer
International Conference on Materials and Systems for Sustainability (ICMaSS2017 )
Int'l Joint Research / Invited
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