2018 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of 2D-Atomically-Thin-Layered Heterojunctions and their Applications to Novel Terahertz Photonic Devices
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16H06361
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
尾辻 泰一 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 哲 兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 教授 (00393744)
高村 真琴 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 研究主任 (00622250)
吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
Maxim・V Ryzhii 会津大学, コンピュータ理工学部, 准教授 (50254082)
佐藤 昭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
渡辺 隆之 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | グラフェン / 二次元原子薄膜 / テラヘルツ / 複合量子効果 / プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．G-DGL構造プラットフォームの創製 (1)ヘテロエピ成長： 均一な大面積h-BN原子薄膜の成膜と，h-BNドメインを一方向にそろえることに成功した．(2) 結晶品質・物性評価：独自のフェムト秒時間分解オペランド３次元局所場顕微分光法を開発し，SiC基板上に成膜したツイステッド２層グラフェンの超高速キャリア緩和過程を原子１層分以下の極限的時空間分解能によって観測することに成功した．(3) プロセス技術：独自の二次元原子薄膜剥離・転写装置を開発し，半導体集積加工装置による金属電極形成プロセスとの連携によってvdWヘテロ接合デバイスプロセス技術を完成させた．
2. プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz増幅・発振素子応用： 代表者らが考案した非対称二重回折格子ゲート(ADGG: Asymmetric Dual-Grating Gate)の導入によって共鳴トンネルに寄与するTHzフォトンとグラフェンSPPとの結合作用が得られることを実験検証した．ドレインバイアスが閾値以下ではグラフェンSPPのモード周波数に対応する共鳴吸収応答を示し，閾値以上ではグラフェンSPPの不安定性が発現し，最大9%の共鳴増幅利得が観測された．DGLのプラズモンアシストトンネルの共鳴周波数をグラフェンSPPのプラズモン共鳴と合致させることによって格段の利得増強が期待される．
3. 新たな展開： グラフェンと黒燐との積層構造をチャネルとする新たなトランジスタ構造を考案し，グラフェン・黒燐間で生じる実空間キャリア遷移がもたらす負性微分導電率の発現を理論的に発見した．通常の共鳴トンネルダイオードと大きく異なる点は，この負性導電率が広いドレイン電圧領域で得られることであり，安定した自励発振源，ならびにH31年度以降の研究課題である非線形波動伝搬を能動的に制御することが可能な機能素子としての応用が期待される．
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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. G-DGL構造プラットフォームの創製 【予定どおりの成果が見込まれる】
(1)剥離・転写法の高度化： 独自の二次元原子薄膜剥離・転写装置を開発し，半導体集積加工装置による金属電極形成プロセスとの連携によってG-DGLデバイスプロセス技術を完成させた．(2)vdW ヘテロエピ成長法：均一大面積h-BN原子薄膜の成膜に成功した．また，h-BNドメインを一方向にそろえることに成功した．一方，h-BN上へのグラフェン再成長においては，困難が続いている．金属触媒を利用する方法も同時に試みることで引き続き達成を目指す．(3)結晶品質・物性評価 (３次元局所場顕微分光法)：独自のオペランド３次元局所場顕微分光法による結晶品質評価法を開発し，原子１層分以下の極限的空間分解能によって観測することに成功した．
2. プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz増幅・検出素子応用 【予定以上の成果が見込まれる】 代表者らが考案した非対称二重回折格子ゲートの導入によって結合作用が得られることを擬似的な単純構造素子の試作によって実証した．実験で観測されたグラフェンSPPの不安定性に伴う最大9%の共鳴増幅利得は，バンド間遷移にともなうフォトンのグラフェン単層による吸収係数2.3%を大きく上回るもので「巨大利得」と呼べる結果である．DGLのプラズモンアシストトンネルが重畳された二重共鳴では格段に利得増強作用が得られることが予測される．
3. 新たな展開 【予定以上の成果が見込まれる】 新たなvdWヘテロ接合の機能デバイス応用：グラフェンと黒燐との積層構造をチャネルとする新たな実空間遷移型負性微分抵抗性トランジスタ構造を考案し，H31年度以降の研究課題である非線形波動伝搬制御を果たす機能素子としての有効性を明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
１．G-DGL構造プラットフォームの創製： (1) ヘテロエピ成長：無触媒CVD法だけでなく，金属触媒を利用しても界面の汚染を生じない方法も同時に試みることで引き続き達成を目指す．炭素原子蒸気MBE法によるh-BN上へのグラフェン再成長条件を探求し，成長面方位制御性，層数制御性，結晶品質を向上させる．特に，下層GLと配向した上層GLの再成長を可能とするヘテロエピタキシーの開発に引き続き注力する．(2) 結晶品質・物性評価：昨年度までに成功した原子一層分の極限的空間分解能を駆使して，DGL各層の物性を元素選択的かつ高空間分解能評価し，素子特性との関係を引き続き解明する．(3)プロセス技術：本研究で開発した独自プロセス技術を援用してTHz利得の獲得に十分なG-DGL素子基本電気特性を実現する．
2. DGL構造によるフォトン・プラズモンアシスト共鳴トンネル型高効率THz機能素子： 昨年度までに考案創出したプラズモンアシスト共鳴トンネル型G-DGLをカスケード積層した構造を有する新しいTHz量子カスケードレーザー素子の試作に挑む．カスケード積層はプロセス的に挑戦性が極めて高いが，開発した二次元原子薄膜連続剥離・転写装置を第一ステップとして活用し，vdWヘテロエピＣＶＤ製膜装置の完成に受け継ぐ．
3. グラフェンSPP・DGLトンネル二重共鳴現象による超高効率THz機能素子： (1)DGLに非対称二重回折格子ゲート構造をドッキングした独自の素子構造で高効率THzレーザー発振の実現に挑む．(2)新規考案のグラフェン・黒燐のvdWヘテロ接合構造によるTHz帯負性導電率実現の原理検証に挑む．
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[Journal Article] Graphene-based 2D-heterostructures for terahertz lasers and amplifiers2019
Author(s)
D. Yadav, S. Boubanga-Tombet, A. Satou, T. Tamamushi, T. Watanabe, T. Suemitsu, H. Fukidome, M. Suemitsu, A. A. Dubinov, V. V. Popov, M. Ryzhii, V. Mitin, M. S. Shur, V. Ryzhii, T. Otsuji
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Journal Title
Proc. SPIE
Volume: 10917
Pages: 109170G-1-10
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] "Terahertz photoconductive emitter with dielectric-embedded high-aspect-ratio plasmonic grating for operation with low-power optical pumps2019
Author(s)
D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, I.A. Glinskiy, R.A. Khabibullin, Y.G. Goncharov, M. Ryzhii, T. Otsuji, I.E. Spector, M. Shur, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev, and D. Ponomarev
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Journal Title
AIP Advances
Volume: 9
Pages: 015112-1-5
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Emission and amplification of terahertz radiation using Dirac fermions and plasmons in graphene2018
Author(s)
T. Otsuji, D. Yadav, S. Boubanta-Tombet, T. Watanabe, A. Satou, A.A. Dubinov, M. Ryzhii, V.V. Popov, W. Knap, V. Mitin, M.S. Shur, and V. Ryzhii
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Journal Title
RJUSE: the 7th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies Dig.
Volume: 1
Pages: 128-129
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Comparison of infrared and terahertz photodetectors based on graphene, CdHgTe, and A3B5 quantumwell heterostructures2018
Author(s)
V. Ryzhii, T. Otsuji, M. Ryzhii, V.E. Karasik, V.G. Leiman, V. Mitin, M.S. Shur, V. Ya. Aleshkin, A.A. Dubinov, and S.V. Morozov
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Journal Title
PIERS: Progress in Electromagnetics Research Symposium 2018 Dig.
Volume: 1
Pages: 4P14a-2I
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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