2022 Fiscal Year Research-status Report
Photoconductive devices based on quantum dot superlattice for THz generation and detection
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19K04532
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
和田 修 神戸大学, 産官学連携本部, 非常勤講師 (90335422)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小島 磨 千葉工業大学, 工学部, 教授 (00415845)
海津 利行 京都大学, 産官学連携本部, 特定研究員 (00425571)
原田 幸弘 神戸大学, 工学研究科, 助教 (10554355)
北田 貴弘 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 特任教授 (90283738) [Withdrawn]
南 康夫 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (60578368)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | InAs量子ドット / 量子ドット超格子 / 低温成長GaAs / 光伝導アンテナ（PCA） / 超高速キャリア緩和 / 電場増強構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はこれまでに製作した多重積層InAs/GaAs量子ドット(QD)光伝導アンテナ(PCA)デバイスの電気的・光学的な基本特性を明らかにするための研究を進めた。また、800 nmおよび1500 nm域のPCA動作可能性の検討に加え、さらなる特性向上に向けたPCA設計・製作技術の基礎検討を行った。
PCAデバイス基本特性の解析については、多重積層QD-PCA素子における光電流生成のメカニズムを解明するための検討を行った。レート方程式による光電流の励起光強度依存性の解析から、QDsでのキャリア励起に加えて、GaAs障壁層のバンドギャップ内の準位を介したキャリア励起が光電流に寄与しており、弱励起領域では励起光強度に対して光電流は線形に増加するが、強励起領域ではキャリ再結合の効果によって、非線形に増大することが明らかになった。この結果は、PCA動作の基となる光電流発生起源の解明に向けて活用していく。
PCAのフェムト秒光照射下における動特性を評価するために、800 nm波長光パルス照射時特性の評価実験を検討した。研究者の異動に伴う光学系の再構築を行い、テラヘルツ波特性評価へ応用可能である水準であることを確認した。続いてPCA素子の動特性評価を試みたが、光照射時における光電流が一般的な低温成長GaAs基板よりも大きい問題が見つかり、これがテラヘルツ波検出動作を難しくしている可能性があることが分かった。
1500 nm波長域でのテラヘルツ波発生・検出の検証を目指した検討に関しては、1500nm波長のフェムト秒レーザを用いた光学系の設定最適化を進め、PCAによるテラヘルツ波発生の観測が可能となる実験系を得た。
さらなるPCA性能向上に向けた方策として、励起光強度増強を目指したブラッグ反射層付きのPCA構造を設計し、実験的検証に向けたQDエウハ製作までを完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
QD-PCAの800 nmおよび1500 nm波長域での動作を目指した検討を中心に研究を進めた。本年度は動作実証には至らなかったが、以下のような結果を得ることができた。
QD-PCAのテラヘルツ波動作に向けて、まず800 nm波長での動作特性の評価光学系の再構築を行い、PCA動作の基礎検討を開始した。しかしながら、明確なテラヘルツ波信号は観測されなかった。その理由として、市販の低温成長GaAs-PCAの場合、光照射下の抵抗値が20メガオームから1.5メガオーム程度へ変化するのに対し、QD-PCAでは1/5程度の強度の光照射でも20メガオームから数100キロオームへと大きく低下した。このことから、暗電流は抑制はできている一方で、テラヘルツ波を検出するには過剰な光電流が流れているものと考えられ、改善策が必要であることが分かった。
QD-PCAの1500 nm波長での動作を目指して、I-V特性を波長1500 nmのフェムト秒レーザー照射下で計測した。5 Vの電圧印加、90 mWの光照射下では、暗電流よりも3桁大きな電流が誘起され、テラヘルツ波発生・検出に用いるPCAとして十分な明暗比が得られた。一方、1500 nm波長域でのテラヘルツ波実験系の整備と基礎的性能の調査を行った結果、本実験系のチューニングによりテラヘルツ波発生の観測が可能になるとの見通しを得た。
1500 nm波長域で動作する多重積層QD-PCAにおける光電流を最大化するための検討として、 多重積層QDsの下層に分布ブラッグ反射(DBR)層を導入したPCAウエハ構造を、反射率シミュレーション法を用いて設計した。さらにQDウエハ構造をMBE結晶成長法により新たに作製し、PCAデバイス化に向けたウエハ準備を完了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度に得られた結果に基づき、来年度は以下の研究を進める予定である。
PCA動作特性の評価実験については、800 nm波長におけるPCA基礎特性を再度評価する予定である。特に、過剰な光電流については従来の基礎特性評価では理解できなかったパラメータが影響していると考えられるため、光電流スペクトル測定を含めて発生原因を解明し、デバイスの動作条件の設定および構造最適化に反映させることを目指す。
1500 nm波長帯の特性評価に関しては、フェムト秒レーザーを用いたポンプ・プローブ分光などの方法を用いて、QD-PCA構造に光励起されるキャリアの寿命測定を試み、充分短い（ピコ秒域）寿命が得られるかを確かめる。また、1500 nm帯光励起により、実際にPCAによるテラヘルツ波の発生・検出動作を観測する。現在までの光照射下でのI-V測定結果から判断すると、テラヘルツ波の発生においては、これまでの設定（5 V）より高い印加電圧と、高い照射光強度を用いることで、テラヘルツ波発生強度を増強できるものと考えている。
更なるPCA高性能化に向けた検討として、本年度に成長した、DBR層を挿入した多重積層QD構造ウエハを用いたデバイス作製の可能性を検討する。また、テラヘルツ波検出PCAに適用できるブルズアイアンテナ構造などテラヘルツ波電界増強構造に関する検討を行い、デバイス設計への適用可能性を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本年度はコロナ禍および研究分担者の異動による実験の遅延などにより、材料・部品購入費、学会参加および論文発表経費などの使用が計画より遅れた。次年度には残予算を用いて研究目標を達成する予定である。
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Research Products
(7 results)
