2019 Fiscal Year Research-status Report

Plasmonic THz Detector with 2D Periodic Diffraction Structure

Research Project

Project/Area Number	18K04277
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	佐藤昭東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	プラズモン / テラヘルツ波検出 / HEMT
Outline of Annual Research Achievements	二次元周期回折構造を有するプラズモニックTHzディテクタの、入射THz波偏波に対する特性の実験的検証を継続して行なうとともに、シミュレーションによる解析を同時に進めた。また、出力起電圧のゲート電極読み出しという新しい方式によって、デバイス性能が飛躍的に向上しうることを明らかにした。以下に具体的な内容を示す：・プラズモニックTHzディテクタの入射THz波偏波に対する感度特性を測定するにあたり、デバイスアクティブ領域面積がTHz波スポット径に比べ非常に小さいため、周辺のパッド電極、ならびにパッド電極と電気的コンタクトを取るための導波路型プローブによって入射THz波の偏波が意図せず変わってしまうことが明らかになった。そこで、導波路型プローブをアクティブ領域から数mm以上離して接続できるパッド設計に変更してデバイスを試作し、プローブの影響を抑制できることを明らかにした。・二次元流体方程式と三次元マクスウェル方程式を連成させ、二次元フーリエ変換・逆変換に基づくシミュレータの構築を完了した。金属ナノアンテナを有するプラズモニックTHzディテクタにTHz波を垂直入射した場合の二次元プラズモンモード励起のシミュレーションを行ない、入射THz波の偏波方向だけでなく、それに垂直な方向にもプラズモンモードが励起されることを確認した。・従来のドレイン電極からの出力起電圧読み出しに代わり、ゲート電極からの出力起電圧読み出しを考案し、ディテクタ・アクティブ領域面積に比例した起電圧が得られること、後続の50Ω接続システムとの整合が得られることを理論的に明らかにし、実験的に実証した。アクティブ領域面積を増やすことによって、パッド電極の影響を減らして二次元周期回折構造の偏波特性を高精度に測定することが可能になったとともに、超高速THz無線通信に必須である高感度・高忠実度を同デバイスで達成できる見通しを得た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason パッド電極と導波路型プローブによる影響を取り除くことで、二次元周期回折構造に起因するTHz波偏波特性の高精度な測定を可能にする道筋を得ており、概ね順調に進んでいる。一方、全く新しいゲート電極からの光起電圧読み出し方式を考案し、その有用性を実証したことで、デバイス実用化への道を一気に開いた。このことは当初予定を大きく超える成果である。また、プラズモンの二次元流体的性質を解明していくにあたって、シミュレーションによる二次元プラズモンモードの励起を確認しており、概ね予定通り進んでいる。
Strategy for Future Research Activity	計画通り、構築した研究基盤を基に、プラズモニックTHzディテクタへの二次元周期回折構造の導入による二次元流体的性質とその高感度化・高機能化への応用を、シミュレーションと実験の両面から追及していく。特に、二次元周期回折構造の形状による偏波特性の制御可能性と、二次元流体としての新たな非線形性による感度向上効果を明らかにする。
Causes of Carryover	次年度使用額は、プラズモニックTHzディテクタ試作の際に必要なプロセスガスの購入を次年度に延期することによって生じたものであり、次年度に使用する予定である。