Creation of current-injection graphene terahertz plasmonic lasers

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K14661
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡辺 隆之 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: テラヘルツ / グラフェン / フーリエ赤外分光計 / レーザー

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（THz）帯レーザーを実現しようとするものである。平成31/令和1年度の研究実施計画としては、以前より試作している評価用の素子のプロセス不良をすみやかに解決し、試作したデバイスについてのフーリエ赤外分光計による測定を行い、THz放射特性の評価を行うとともに、グラフェンチャネル層について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THzプラズモニックレーザーの設計指針の構築を進めるというものであった。
試作プロセスについては解決には至らず、作製したデバイスについての測定結果からプラズモン共鳴および超放射現象のモデル作成には至らなかった。年度内のプロセス不良解決が困難を極めたため、数値解析の点から高効率THzレーザー発振についての検討を進めた。
グラフェンチャネル中のキャリアの反転分布とバンド間遷移から得られる光子放出によるTHz光利得は、単層グラフェンの吸光率が2.3%であることにより量子力学的に限界がある。動作温度を上げ、THz波放射強度を上げるためには、THzの利得と共振器のQ値をさらに高める必要がある。そのためには超放射現象やプラズモン不安定性を促進するメタ表面構造や、プラズモンや光子による共鳴トンネリングを促進するプラズモニックなファンデルワールスヘテロ構造が有望であり、我々はGL間共鳴トンネリングをカスケードし、THz QCLとして動作する多層DGLデバイス構造を検討している。この構造についての数値解析を行った結果、G-FETや単層DGL構造と比較して、THzレーザーの発振効率が桁違いに向上することを示した。室温で動作する電流注入型の集積型THzレーザーの実現に向けて有望な道筋を開くものである。

Research Products

• [Presentation] Realization of the high-performance graphene transistor by controlling the interface between graphene and gate dielectric (2019)
  • Author(s): T. Komiyama, T. Watanabe, S. Morozov, M. Fadeev, V. Utochkin, H. Fukidome, A. Satou, andT. Otsuji
  • Organizer: RPGR2019: Recent Progress on Graphene and 2D Materials
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz plasmonic graphene-channel transistor laser (2019)
  • Author(s): Y. Fuse, A. A. Dubinov, T. Watanabe, V. Ya. Aleshkin, S. V. Morozov, A. Satou, V. Ryzhii, and T. Otsuji
  • Organizer: MTSA2019: The 5th International Symposium on Microwave/Terahertz Science and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz emission from an asymmetric dual-grating-gate InGaAs high-electron-mobility transistor stimulated by plasmonic boom instability (2019)
  • Author(s): T. Hosotani, T. Watanabe, A. Satou, and T. Otsuji
  • Organizer: IRMMW-THz2019: International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Graphene-based van der Waals heterostructures towards a new type of terahertz quantum-cascade lasers (2019)
  • Author(s): T. Watanabe, D. Yadav, S. Boubanga-Tombet, A. Satou, A.A. Dubinov, V. Ryzhii, and T. Otsuji
  • Organizer: SPIE OPTICS+ Phootnics, Conf. OP412: Terahertz Emitters, Receivers, and Applications
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Graphene-based van der Waals heterostructures towards a new type of terahertz quantum-cascade lasers (2019)
  • Author(s): T. Otsuji, D. Yadav, S. Boubanga-Tombet, T. Watanabe, A.A. Dubinov, and V. Ryzhii
  • Organizer: RJUSE2019: 8th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies, & GDR-I FIR-LAB Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Terahertz photoluminescence from narrow gap HgTe/CdHgTe heterostructures and multilayer graphene (2019)
  • Author(s): V.V. Utochkin, S.V. Morozov, M.A. Fadeev, V.V. Rumyantsev, N.N. Mikhailov, S.A. Dvoretsky, T. Komiyama, T. Watanabe, H. Fukidome, A. Satou, T. Otsuji
  • Organizer: RJUSE2019: 8th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies, & GDR-I FIR-LAB Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terahertz light amplification of stimulated emission of radiation in current-injection graphene channel transistor (2019)
  • Author(s): T. Otsuji , S. Boubanga-Tombet, D. Yadav, T. Watanabe, A. Satou, and V. Ryzhii
  • Organizer: SPIE International Conference on Defence+ Commercial Sensing, Conference 10982 on Micro- and Nanotechnology Sensors, Systems, and Applications XI
  • Int'l Joint Research