2018 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
Project/Area Number |
16H06292
|
Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
Principal Investigator |
浅田 雅洋 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30167887)
|
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)
|
Project Period (FY) |
2016-04-26 – 2021-03-31
|
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 |
Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、テラヘルツ周波数帯に対して、共鳴トンネルダイオード(RTD)発振器による光源に注目し、①電子デバイスと光デバイスの原理を繋ぐテラヘルツデバイス物理の解明と学問的基盤の確立、②これに基づいた高性能半導体テラヘルツ光源の実現、③得られたデバイスの性能を示すための応用展開までの一連を目的とし、今年度は以下に示す成果を得た。 高性能半導体テラヘルツ光源に関して、まず高周波化が可能な円筒空洞共振器集積型RTD発振器を提案し、等価回路と3次元電磁界シミュレーションを併用した解析により、構造を最適化すれば3THz程度までの発振が可能なことを示した。さらに、この構造を形成するプロセスを確立して発振器を作製し、まだ最適構造ではないが1.79THzの発振に成功した。この結果は解析結果とよく一致し、発振周波数がRTD周辺の寄生容量で低下していることも明らかにした。この寄生容量は、作製プロセスの軽微な修正により取り除くことができ、高周波化が可能である。次に高出力化が可能な矩形空洞共振器型発振器を提案し、1THzにおいて単体素子でも2-4mWの出力が期待できることを理論的に示した。この発振器構造の作製も行い、これまでの素子と異なり、大面積・大電流のため電極の直列抵抗が高出力化の問題となることが明らかになった。電極の厚膜化は容易であり、今後の作製に導入する。 応用展開に関しては、3Dイメージングのためのテラヘルツ測距システムとして、RTDを振幅変調し、その変調信号の位相差から距離を計測するシステムを構築した。このシステムで原理的に問題となる変調信号の波長の整数倍の誤差が、2つの変調周波数を用いて除去可能なことを実際に示し、距離分解能0.063mmの高精度測定システムを実現した。
|
Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、①電子デバイスと光デバイスの原理を繋ぐテラヘルツデバイス物理の解明と学問的基盤の確立、②これに基づいた高性能半導体テラヘルツ光源の実現、③得られたデバイスの性能を示すための応用展開までの一連を目的としているが、今年度は特に高性能半導体テラヘルツ光源の実現と応用展開に向けた研究に注力した。 テラヘルツデバイスの高性能化については、高周波化と高出力化が可能な構造としてそれぞれ円筒および矩形の空洞共振器集積型RTD発振器を提案し、その解析手法の考案、それによる高周波・高出力発振特性の可能性、および、そのために必要な構造最適化の方向を示すことができた。さらに、このような立体共振器を集積した新たな構造を形成するプロセスを確立した。円筒空洞共振器型については、まだ最適構造ではないが新しい構造で初めての発振に成功した。円筒および矩形の空洞共振器構造のいずれに対しても、それぞれ高周波化と高出力化のために必要な作製プロセスの問題点および改善方法が得られ、今後の作製に容易に導入できることも明らかになった。これらにより、RTD発振器の高周波化・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。 応用展開に関しては、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ついては、RTDを用いたテラヘルツ3Dイメージングのための新たな測距システムを昨年度までに提案し動作原理の実証を行っていたが、今年度これをさらに発展させ、原理的に問題となる変調信号の波長の整数倍の誤差の解決や、距離分解能0.063mmの高精度測定の達成など、順調な進展が得られた。 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。
|
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 今年度作製プロセスがある程度確立した高周波・高出力発振器構造を用いて、高周波または高出力発振動作時のRTDの微分負性コンダクタンスの周波数特性などの基礎特性を調べる。これについては、これまでに用いた温度特性から微分負性コンダクタンスを抽出する方法に加え、発振特性の構造依存性を測定する方法を導入して行う。得られる結果を、電子の走行と量子効果を同時に考慮することが可能なウィグナー方程式による理論解析と比較し、RTD発振器の発振周波数の限界を探る。 ②テラヘルツデバイス高性能化 今年度作製プロセスがある程度確立した高周波・高出力発振器構造について、引き続き発振器を作製する。高周波および高出力発振の見通しが得られた段階で、発振特性の詳細な理論解析に基づいた構造最適化を行う。高周波化に向けては、円筒空洞共振器構造において発振周波数上限が最大となる共振器サイズを理論的に見出すとともに、必要に応じてそのための追加的作製プロセスを考案し導入する。高出力化に向けては、矩形空洞共振器構造において最大出力となる共振器サイズ、ボウタイアンテナ形状を理論的に明らかにし、作製に反映させる。また、テラヘルツ光源に必要とされる出力のビームステアリング機能について、周波数可変発振器アレイの注入同期を用いたデバイスの作製と動作を試みる。 ③高性能テラヘルツデバイスによる応用展開 今年度得られたRTDの出力をサブキャリアで振幅変調する方式の高精度レーダーシステムについて、分解能などの特性を理論的に考察し、極限的な性能を調べる。また、サブキャリアの周波数変調を利用したレーダーシステムなど、サブキャリアを用いる一般的な方法として拡張する。これにより多層構造など複雑な構造の測定の可能性を探る。また、2Dイメージングと併用した3Dイメージングへの拡張も試みる。
|
Research Products
(107 results)