2017 Fiscal Year Research-status Report
電流注入型グラフェンテラヘルツプラズモニックレーザーの創出
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17K14661
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
渡辺 隆之 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | テラヘルツ / グラフェン / フーリエ赤外分光計 / レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、炭素原子の単層シート: グラフェンの特異な光電子物性を積極的に活用し、従来成し得なかった電流注入型の室温テラヘルツ帯レーザーを実現しようとするものである。低温下でレーザー発振に成功している二重ゲート型トランジスタ構造を出発点として、二重回折格子状の新規のゲート構造(DGG構造)を導入することにより、単純なカスケード効果を超越し、二重回折格子構造で特徴づけられたグラフェン表面プラズモンポラリトン(SPP)の共鳴利得増強作用ならびに超放射現象を発現せしめ、桁違いに高い量子効率と利得増強効果の獲得とともに、レーザー発振閾値の低減を実現する。
平成29年度の研究実施計画としては、新規のDGG構造を導入したグラフェントランジスタデバイスを試作し、極低温での放射スペクトルを評価し、基本構造のデバイスの放射スペクトルと比較し、新規構造による利得増強作用を評価するというものであったが、試作過程において、電子ビーム蒸着装置によるアルミニウムの均一な成膜がおこなえない状況が長く続き、デバイスの試作に支障をきたした。装置のビーム照射位置の調整等パラメータを見直し、現在は蒸着を安定しておこなえるようになったため、今年度よりデバイスの試作を速やかに進める。
デバイス作製後の評価実験については、既存のテラヘルツ放射デバイスについてのフーリエ赤外分光計による測定をおこない、分光計におけるステップスキャン動作にロックイン検出の手法を組み合わせ、微弱なテラヘルツ波放射を精度よく評価できるよう、最適な測定パラメータを定めた。デバイスの試作後、迅速に評価が可能な状態である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績の概要に記した通り、平成29年度はグラフェンデバイスの試作に必要不可欠な電子ビーム蒸着装置において均一なアルミニウム層の成膜がうまくおこなえず、デバイス製作に支障をきたした。現在は装置の不調は解消されたため、迅速に試作デバイスの製作および評価実験をおこなう。
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| Strategy for Future Research Activity |
試作デバイスの作製を済ませた後、ただちに評価測定を開始する。評価測定にはフーリエ赤外分光計を用いるが、測定精度を高めるため、干渉計のステップスキャン動作にロックイン検出の手法を組み合わせ、微弱なテラヘルツ波放射を正確に評価する。この測定では、既存構造デバイスについての放射スペクトルと比較することにより、平成29年度の目標であった、デバイスのDGG構造により規定されるプラズモン共鳴周波数における放射強度の増大を確認するとともに、キャリア注入効率とSPP共鳴特性(Q値,周波数)を左右するDGG構造の幾何学的パラメータ(非対称性)と放射スペクトル特性との相関を評価し, 理論計算と比較・分析する。その後、当初の平成30年度の計画の通り、試作素子に用いたグラフェンチャネルのキャリア輸送特性をホール測定およびテラヘルツ時間分解分光計測により評価し、DGG構造の幾何学的パラメータと合わせてSPP共鳴周波数を推定し、スペクトルの測定結果と比較・分析する。得られた知見をもとに, グラフェンチャネルのキャリア輸送特性を物性パラメータとしてプラズモン共鳴・超放射現象をモデル化し, グラフェンテラヘルツプラズモニックレーザーの設計指針を構築する。
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| Causes of Carryover |
研究実績の概要に記した通り、平成29年度はグラフェンデバイスの試作に必要不可欠な電子ビーム蒸着装置において均一なアルミニウム層の成膜がうまくおこなえず、デバイス製作に支障をきたしたため、研究の進行がやや遅延している。それに伴い、プロセスに必要な消耗品は計上したが、実験に際して必要となる実験用光学部品や実装基板、試料ホルダー等は発注できずにいた。次年度は、デバイスの試作と併せ、光学実験に必要な部品を直ちに発注するとともに、実験結果を反映した2世代目のデバイス試作に必要となる基板やプロセス用消耗品の補填、あるいは発展評価のための実験用部品の購入にあてる。
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[Journal Article] Terahertz light-emitting graphene-channel transistor toward single-mode lasing2018
Author(s)
Yadav Deepika, Tamamushi Gen, Watanabe Takayuki, Mitsushio Junki, Tobah Youssef, Sugawara Kenta, Dubinov Alexander A., Satou Akira, Ryzhii Maxim, Ryzhii Victor, Otsuji Taiichi
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Journal Title
Nanophotonics
Volume: 7
Pages: 741-752
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Terahertz light emitting transistor based on current inection dual-gate graphene-channel FET2017
Author(s)
D. Yadav, Y. Tobah, K. Sugawara, J. Mitsushio, G. Tamamushi, T. Watanabe, A.A. Dubinov, M. Ryzhii, V. Ryzhii, and T. Otsuji
Organizer
IRMMW-THz: 42nd International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Terahertz light emission and lasing in graphene transistors under current-injection pumping2017
Author(s)
T. Otsuji, D. Yadav, T. Watanabe, S. Boubanga-Tombet, A. Satou, T. Suemitsu, V. Ryzhii, A.A. Dubinov, M. Ryzhii, V. Mitin, and M.S. Shur
Organizer
RJUSE TeraTech 2017: Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies
Int'l Joint Research
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