2019 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 / 周波数可変発振素子 / テラヘルツ無線通信 |
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| 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の実現に向けて、昨年度提案した矩形空洞共振器集積型の高出力RTD発振器に対して素子作製プロセスを確立し、大電流動作でも安定した高出力用大面積RTDの動作を達成するとともに、半導体層による安定化抵抗と金属・絶縁体層による出力結合容量の大きさと配置の最適設計を行った。引き続き、提案した高出力発振器の発振達成に向けて作製を行う。また、RTD発振器のフェーズドアレイを構成し注入同期を行うことによるテラヘルツ光源のビーム走査を提案し、アレイの要素となる周波数可変発振素子に対して、従来の発振器よりも大幅に簡略化した作製プロセスを考案し、初期実験として、従来と遜色ない特性の発振器を得て、この簡略化作製プロセスが極めて有効であることを示した。
応用展開に関して、RTD発振器を用いたレーダーシステムとしてサブキャリア周波数変調連続波（FMCW）方式を新たに提案し基本動作実証を行うとともに、テラヘルツ波の特長である同一光路上に置かれた複数の対象物の測定を行い、約1mmの測定精度で2つのターゲットの測定に成功した。測定精度と分解能は、信号処理に含まれるフーリエ変換などの方法に大きく依存していること、および、それらの最適化により改善できることが明らかになった。また、RTD発振器のサブキャリア変調を用いたオプティカルコヒーレントトモグラフィ（OCT）方式のレーダーを提案し、動作を実証した。引き続き、これらの成果を３Dイメージングに拡張していく。
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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
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、今年度も昨年度に引き続き、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。
高性能半導体テラヘルツ光源については、矩形空洞共振器集積型の高出力RTD発振器に対して、高出力化のために必要な作製プロセスの問題点とその改善方法が得られ、素子作製プロセスを確立できたことから、これに沿って作製を行うことで素子実現の見通しが得られた。また、テラヘルツ光源に出力のビーム走査の機能を持たせることは、高性能化として重要な内容である。昨年度からこれに着手し、RTD発振器のフェーズドアレイを構成し注入同期を行うことによる方法を提案し、アレイの要素となる周波数可変発振素子に対して、従来の発振器よりも大幅に簡略化した作製プロセスを考案し実証した。これはビーム走査に用いる大規模アレイを均一に作製する際に極めて有効な手段であり、提案した方法を実現する準備が順調に進んでいると判断した。
応用展開については、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対して、RTD発振器を用いた３Dイメージングに導入するレーダーシステムとして、サブキャリアを用いたFMCW方式およびOCT方式を新たに提案し基本動作の実証を行った。これによって測定精度を決めている要因やその改善方法が得られるとともに、多重物体の測定も可能であることが明らかになり、３Dイメージングへの拡張に向けて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。
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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: 引き続き新たに提案した高周波・高出力発振器構造を用いて、ＲＴＤの微分負性コンダクタンスなど基礎パラメータの周波数特性を、発振特性の温度による変化から抽出する。また、伝送線路を集積した素子構造を作製し、テラヘルツネットワークアナライザを用いて、ＲＴＤの微分負性コンダクタンスの周波数特性を抽出する。得られた結果を説明できる理論の構築を試みる。これらの結果からＲＴＤの発振限界周波数を探る。
②テラヘルツデバイス高性能化: ①と並行して、引き続き新たに提案した高周波・高出力発振器構造の作製を行う。昨年度までに明らかになった発振器各部分の作製プロセスを導入するとともに、半導体層による安定化抵抗と金属・絶縁体層による出力結合容量の構造や配置を最適化した作製を行う。得られる発振特性と構造の関係を理論解析と比較し、作製にフィードバックさせる。また、作製プロセスが大幅に簡単化されたスロットアンテナ集積型発振器を作製する。この発振器を用いて、アレイ化による高出力化、注入同期によるビーム走査を行う。アレイ化では発振器間に強結合構造を導入して同期させた高出力化を試みる。注入同期は集積した個々の発振器のバイアス電圧により出力の位相を変化させ、フェーズドアレイの動作によりビーム走査を試みる。また、簡単化作製プロセスを周波数可変発振器の作製にも拡張し、フェーズドアレイに導入して制御範囲の広いビーム走査も試みる。
③高性能テラヘルツデバイスによる応用展開: RTD発振器を用いた新たなレーダーシステムとして提案し動作実証したFMCW方式およびOCT方式に対して、引き続き信号処理の最適による測定精度の向上と多層構造など複雑な構造の奥行測定を行うとともに、２次元イメージングと併用した３Ｄレーダーシステムへ拡張する。
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