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2015 Fiscal Year Annual Research Report

周波数可変機能を持つ半導体室温テラヘルツ発振素子の研究

Research Project

Project/Area Number 26249045
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

浅田 雅洋  東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (30167887)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywordsテラヘルツ波 / テラヘルツ電子デバイス / 室温テラヘルツ光源 / 共鳴トンネルダイオード / 周波数可変 / バラクタダイオード / スロットアンテナ
Outline of Annual Research Achievements

電子デバイスによる単体のテラヘルツ発振素子に対して、周波数可変機能を実現することを目的として行い、本年度は以下の成果を得た。
スロットアンテナ内に共鳴トンネルダイオード(RTD)とバラクタを集積した周波数可変テラヘルツ発振素子について、昨年度周波数可変の基本動作を達成したが、今年度はその可変幅の広帯域化を行った。まず、RTDとバラクタの素子面積の最適化を行い、580~700GHzの周波数可変幅を得た。次に異なる周波数帯域の素子を集積した4素子アレイにより、全体で580~900GHzの可変幅を得た。この素子の分光分析応用に向けた初期実験として、アロプリノール(薬剤)の吸光度スペクトル測定を行い、従来の時間領域分光法と同じ結果を得るとともに、マイクロチップ化により非常に小出力で微量物質の分光分析が可能であることを理論的に示した。
周波数可変範囲の上端を引き上げるため、発振素子の高周波化の研究も行った。昨年度までに、発振周波数を制限する要因である電子遅延時間の短縮を行って高周波化を行っているが、本年度は、さらに集積アンテナの導体損失も大きな要因であることを見出した。素子構造中で導体損の最も大きな箇所として同定されたRTDとアンテナを繋ぐエアブリッジ下の半導体層を、新たな素子作製プロセスで除去し、室温電子デバイスではこれまでで最高の発振周波数1.92THzが得られた。また、この発振素子に対して、アンテナ電極の厚膜化による導体損失のさらなる低減とRTDの直列寄生抵抗の削減を行えば、2THz以上の発振が可能であることを理論解析により示した。
また、コヒーレンス特性として発振線幅を測定するヘテロダイン検出系を構築し、初期実験においてバラクタのバイアスに含まれる外部雑音が要因と推定される線幅20MHzを得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究は、電子デバイスによる単体テラヘルツ発振素子に対して周波数可変機能を実現することを目的とし、研究計画を、(1)周波数可変発振素子の作製と特性把握、(2)発振周波数上限の物性要因の解明と周波数範囲の拡大、(3)周波数可変素子のコヒーレンス特性の解明としている。
(1)に対しては、昨年度、RTDを用いたテラヘルツ発振素子にバラクタを集積することにより発振周波数の電気的掃引に成功したが、今年度はさらに、この素子構造の最適化を行い、単体素子での周波数可変幅を広げるとともに、アレイにより全体で広い可変幅を実現した。また、薬剤の吸光度スペクトル測定の初期的実験により、この素子が分光分析に応用可能であることを示し、半導体電子デバイスのテラヘルツ応用が大幅に拡大する可能性を与えた。
(2)に対しては、周波数可変幅の上限を与えるRTDの発振限界周波数の上昇に成功した。発振周波数を制限する要因として、昨年度までのRTDの電子遅延時間に加えて、新たにアンテナの導体損失に着目し、これを削減した構造を作製して最高発振周波数1.92THzを達成した。これによって周波数可変幅の上端を引き上げる可能性が得られた。さらに、残っている発振周波数の制限要因を調べ、アンテナのスロット周辺の導体損およびRTDの直列寄生抵抗があることを見出し、これらの削減を行えば2THz以上の発振が可能であることを理論解析により示した。
(3)に対しては、コヒーレンス特性を調べる初期実験として、ヘテロダイン検出による発振線幅の測定系を構築し、線幅とそれを決定する雑音の要因が得られた。この結果は、周波数可変素子の特長を取り出すために今後の方針としているコヒーレンス制御を進めるための重要なデータとなった。
以上から、研究は順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究においては、これまでに得られた成果をさらに進展させるために、本年度に引き続いて、以下の (1)~(3)を行う。
(1)周波数可変発振素子の作製と特性把握:これまでの研究で得られた周波数可変のテラヘルツ発振素子について、引き続き単体素子に対してバラクタとRTDの素子面積およびアンテナ長の最適化、また、アレイ素子に対して素子数の増加や各素子の周波数帯域の組み合わせの最適化を行うことにより、周波数可変幅の拡大を目指す。また、アレイ素子の放射パターンの特性を明らかにするとともに、微細アンテナ、バラクタ、RTDの全体の構造最適化により高出力化および周波数に対する出力の均一化を図る。
(2)発振周波数上限の物性要因の解明と周波数範囲の拡大:本年度までの研究で、電子遅延、アンテナの導体損失、寄生素子が発振周波数の上限を決定している主要因であることが明らかになったので、まずバラクタを集積しない発振器について、これらの要因を全体的に低減した構造を設計・作製し、発振周波数上限の上昇を目指す。この結果を周波数可変素子に導入し、バラクタの層構造も含めた構造最適化により、周波数可変範囲の拡大を図る。
(3)周波数可変発振素子のコヒーレンス特性の解明:本年度に得られた発振線幅測定の初期実験をもとに、周波数可変素子のコヒーレンス特性の解明を行う。バラクタのバイアスに含まれている雑音が線幅を決定している主要因であることが推定されているので、その素子構造・周波数・出力に対する依存性を実験と理論から明らかにし、フリーランニングにおける雑音低減と狭線化の可能性を探る。さらに、位相雑音を抽出してフィードバックする位相同期ループ系を構築して、究極的な狭線化と位相雑音の大幅な低減を図る。

  • Research Products

    (40 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Acknowledgement Compliant: 8 results) Presentation (31 results) (of which Int'l Joint Research: 16 results,  Invited: 12 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Wide frequency-tunable resonant tunnelling diode terahertz oscillators using varactor diodes2016

    • Author(s)
      S. Kitagawa, S. Suzuki, and M. Asada
    • Journal Title

      Electron. Lett.

      Volume: 52 Pages: 479-481

    • DOI

      10.1049/el.2015.3921

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] High Current Sensitivity and Wide Modulation Bandwidth Terahertz Detector Using High Electron Mobility Transistor for Wireless Communication2016

    • Author(s)
      S. Suzuki, T. Nukariya, Y. Ueda, T. Otsuka, and M. Asada
    • Journal Title

      J. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves

      Volume: 73 Pages: online

    • DOI

      10.1007/s10762-016-0260-2

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Oscillation up to 1.92 THz in resonant tunneling diode by reduced conduction loss2016

    • Author(s)
      T. Maekawa, H. Kanaya, S. Suzuki, and M. Asada
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 9 Pages: 024101(1-4)

    • DOI

      10.7567/APEX.9.024101

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Power Combination in 1 THz Resonant-Tunneling-Diode Oscillators Integrated with Patch Antennas2015

    • Author(s)
      K. Kasagi, N. Oshima, S. Suzuki, and M. Asada
    • Journal Title

      Trans. Electron., IEICE Japan

      Volume: E98-C Pages: 1131-1133

    • DOI

      10.1587/transele.E98.C.1131

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Theoretical analysis of external feedback effect on oscillation characteristics of resonant-tunneling-diode terahertz oscillators2015

    • Author(s)
      M. Asada and S. Suzuki
    • Journal Title

      Jpn J. Appl. Phys.

      Volume: 54 Pages: 070309(1-3)

    • DOI

      10.7567/JJAP.54.070309

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Structure dependence of oscillation characteristics of resonant-tunneling-diode terahertz oscillators associated with intrinsic and extrinsic delay times2015

    • Author(s)
      H. Kanaya, T. Maekawa, S. Suzuki, and M. Asada
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys.

      Volume: 54 Pages: 094103(1-8)

    • DOI

      10.7567/JJAP.54.094103

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Resonant-Tunneling-Diode Terahertz Oscillator Using Patch Antenna Integrated on Slot Resonator for Power Radiation2015

    • Author(s)
      K. Okada, K. Kasagi, N. Oshima, S. Suzuki, and M. Asada
    • Journal Title

      IEEE Trans. THz Sci. Technol.

      Volume: 5 Pages: 613-618

    • DOI

      10.1109/TTHZ.2015.2441740

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 共鳴トンネルダイオードによる室温小型テラヘルツ光源2015

    • Author(s)
      浅田雅洋、鈴木左文
    • Journal Title

      OPTRONICS

      Volume: 9 Pages: 70-73

    • Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Wireless Data Transmission of 30 Gbps at a 500-GHz Range Using Resonant-Tunneling-Diode Terahertz Oscillator2016

    • Author(s)
      N. Oshima, K. Hashimoto, D. Horikawa, S. Suzuki, and M. Asada
    • Organizer
      International Microwave Symposium
    • Place of Presentation
      Moscone Center (サンフランシスコ、米国)
    • Year and Date
      2016-05-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Terahertz oscillators using resonant tunneling diodes and their functions for various applications2016

    • Author(s)
      M. Asada and S. Suzuki
    • Organizer
      SPIE Defense + Commercial Sensing, Conference
    • Place of Presentation
      Baltimore Convention Center (ボルチモア、米国)
    • Year and Date
      2016-04-18
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 共鳴トンネルダイオードによる室温テラヘルツ発振器と応用に向けた高機能化2016

    • Author(s)
      浅田雅洋
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都)
    • Year and Date
      2016-03-21
    • Invited
  • [Presentation] 共鳴トンネルダイオードテラヘルツ周波数可変発振器を用いた分光分析実験2016

    • Author(s)
      北川成一郎、水野麻弥、齋藤伸吾、荻野康太、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都)
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] 低損失厚膜アンテナ電極による共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器の周波数向上2016

    • Author(s)
      前川 猛、金谷英敏、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都)
    • Year and Date
      2016-03-20
  • [Presentation] 共鳴トンネルダイオードを送受信器に用いた500GHz帯無線通信2016

    • Author(s)
      大島直到、橋本和秀、堀川大輔、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会全国大会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡市)
    • Year and Date
      2016-03-18
  • [Presentation] 共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ受信器2016

    • Author(s)
      鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会全国大会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡市)
    • Year and Date
      2016-03-18
  • [Presentation] Terahertz Resonant Tunneling Diodes and Applications2016

    • Author(s)
      M. Asada and S. Suzuki
    • Organizer
      Spain-Japan Joint Workshop on Millimetre-wave and Terahertz
    • Place of Presentation
      University Carlos III (マドリード、スペイン)
    • Year and Date
      2016-03-17
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 周波数可変共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器を用いたアロプリノールの吸光度測定2016

    • Author(s)
      北川成一郎、水野麻弥、齋藤伸吾、荻野康太、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会テラヘルツ応用システム研究会
    • Place of Presentation
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2016-02-05
  • [Presentation] ユーザーの近接挙動を無遮蔽に検出するテラヘルツレーダーの基礎研究2016

    • Author(s)
      村野公祐、渡邊一世、笠松章史、鈴木左文、浅田雅洋、W. Withayachumnanku、田中敏幸、 門内靖明
    • Organizer
      電子情報通信学会テラヘルツ応用システム研究会
    • Place of Presentation
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2016-02-05
  • [Presentation] 共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器を用いた30Gbps無線通信2015

    • Author(s)
      大島直到、橋本和秀、堀川大輔、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会マイクロ波・ミリ波フォトニクス研究会
    • Place of Presentation
      機械振興会館(東京都)
    • Year and Date
      2015-11-27
  • [Presentation] Resonant Tunneling Diode Oscillator for Filling the Terahertz Gap2015

    • Author(s)
      S. Suzuki and M. Asada
    • Organizer
      Energy Material Nanotechnology (EMN) Meeting on Vacuum Electronics
    • Place of Presentation
      NY-NY Hotel(ラスベガス、米国)
    • Year and Date
      2015-11-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] テラヘルツ波発振デバイス2015

    • Author(s)
      浅田雅洋
    • Organizer
      URSI-C研究会
    • Place of Presentation
      日立中央研究所(東京都国分寺市)
    • Year and Date
      2015-10-19
    • Invited
  • [Presentation] 共鳴トンネルダイオードによるテラヘルツ光源の研究と今後の展望2015

    • Author(s)
      浅田雅洋, 鈴木左文
    • Organizer
      JEITA量子現象利用デバイス技術分科会
    • Place of Presentation
      電子情報技術産業協会(東京都)
    • Year and Date
      2015-10-05
    • Invited
  • [Presentation] Wide Frequency Tuning in Resonant-Tunneling-Diode Terahertz Oscillator Using Forward-Biased Varactor Diode2015

    • Author(s)
      S. Kitagawa, S. Suzuki, and M. Asada
    • Organizer
      Int. Conf. Solid State Device and Materials (SSDM2015)
    • Place of Presentation
      Sapporo Convention Center (札幌)
    • Year and Date
      2015-09-28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] パッチアンテナを集積した共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器のアレイによる高出力化2015

    • Author(s)
      笠木浩平、大島直到、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2015-09-16
  • [Presentation] テラヘルツ固体素子-共鳴トンネルダイオード室温発振器2015

    • Author(s)
      浅田雅洋, 鈴木左文
    • Organizer
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2015-09-09
    • Invited
  • [Presentation] 高電子移動度トランジスタを用いたテラヘルツ受信器による 1.5Gbps無線通信2015

    • Author(s)
      鈴木左文、中井駿佑、西尾恒亮、冨士田誠之、永妻忠夫、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2015-09-08
  • [Presentation] Frequency Increase and High Functionality of Room-Temperature Terahertz Oscillators Using Resonant Tunneling Diodes2015

    • Author(s)
      M. Asada, and S. Suzuki
    • Organizer
      Workshop in European Microwave Week (EuMW2015)
    • Place of Presentation
      Palais des Congres (パリ)
    • Year and Date
      2015-09-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Room-Temperature Oscillation of Resonant Tunneling Diodes close to 2THz and Their Functions for Various Applications2015

    • Author(s)
      M. Asada, and S. Suzuki
    • Organizer
      International Symposium on Frontiers Terahertz Technology (FTT2015)
    • Place of Presentation
      アクトシティ(浜松)
    • Year and Date
      2015-08-31
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structure dependence of oscillation characteristics in resonant-tunneling-diode terahertz oscillators and fundamental oscillation up to 1.86 THz2015

    • Author(s)
      H. Kanaya, T. Maekawa, S. Suzuki, and M. Asada
    • Organizer
      Topical Workshop on Heterostructure Materials (TWHM2015)
    • Place of Presentation
      ひだホテルプラザ(岐阜県高山市)
    • Year and Date
      2015-08-26
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 順方向にバイアスしたバラクタダイオードによる共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器の広い周波数掃引2015

    • Author(s)
      北川成一郎、鈴木左文、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会テラヘルツ応用システム研究会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都)
    • Year and Date
      2015-08-07
  • [Presentation] Array Configuration using Resonant-Tunneling-Diode Terahertz Oscillator Integrated with Patch Antenna2015

    • Author(s)
      K. Kasagi, S. Suzuki, and M. Asada
    • Organizer
      International Conf. Infrared, Milimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz2015)
    • Place of Presentation
      香港中文大学(香港)
    • Year and Date
      2015-08-02
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bandwidth Measurement of Terahertz Detector Using High Electron Mobility Transistor by Heterodyne Mixing2015

    • Author(s)
      Y. Ueda, T. Nukariya, S. Suzuki, and M. Asada
    • Organizer
      International Conf. Infrared, Milimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz2015)
    • Place of Presentation
      香港中文大学(香港)
    • Year and Date
      2015-08-02
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Frequency-Tunable Terahertz Oscillator with Resonant Tunneling Diode2015

    • Author(s)
      M. Asada, and S. Suzuki
    • Organizer
      International Symposium on Microwave/Terahertz Science and Applications (MTSA2015)
    • Place of Presentation
      沖縄科学技術大学院大学(沖縄県恩納村)
    • Year and Date
      2015-07-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 1.92 THz Oscillator using Resonant Tunneling Diode Integrated with Slot Antenna with Reduced Conduction Loss2015

    • Author(s)
      T. Maekawa, H. Kanaya, and M. Asada
    • Organizer
      Int. Symp. Microwave/Terahertz Science and Applications (MTSA2015)
    • Place of Presentation
      沖縄科学技術大学院大学(沖縄県恩納村)
    • Year and Date
      2015-07-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Calibration of Radiated Power from a Resonant Tunneling Diode Oscillator by a Terahertz Calorimeter at Room Temperature2015

    • Author(s)
      H. Iida, M. Kinoshita, K. Amemiya, Y. Shimada, M. Asada and S. Suzuki
    • Organizer
      Int. Symp. Microwave/Terahertz Science and Applications (MTSA2015)
    • Place of Presentation
      沖縄科学技術大学院大学(沖縄県恩納村)
    • Year and Date
      2015-07-01
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A 580~900 GHz-Wide Frequency Sweep of Terahertz Oscillator Using an Integrated 4-Element Array of Varactor-Tuned Resonant Tunneling Diodes2015

    • Author(s)
      S. Kitagawa, S. Suzuki, and M. Asada
    • Organizer
      Int. Conf. Indium Phosphide and Related Materials (IPRM2015)
    • Place of Presentation
      UC Santa Barbara (サンタバーバラ、米国)
    • Year and Date
      2015-06-30
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Resonant Tunneling Diode Oscillators for Terahertz Applications2015

    • Author(s)
      S. Suzuki and M. Asada
    • Organizer
      Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits (WOCSDICE2015)
    • Place of Presentation
      Congress Center Smolenice (スモレニス、スロバキア)
    • Year and Date
      2015-06-09
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高電子移動度トランジスタを用いたテラヘルツ受信器の高感度化と帯域幅の測定2015

    • Author(s)
      鈴木左文、忽滑谷拓郎、植田裕吾、大塚友絢、浅田雅洋
    • Organizer
      電子情報通信学会マイクロ波・ミリ波フォトニクス研究会
    • Place of Presentation
      機械振興会館(東京都)
    • Year and Date
      2015-05-25
  • [Presentation] Terahertz oscillators and receivers using electron devices for high-capacity wireless communication2015

    • Author(s)
      S. Suzuki and M. Asada
    • Organizer
      SPIE Conference on Terahertz Physics, Devices, and Systems IX
    • Place of Presentation
      Baltimore Convention Center (ボルチモア、米国)
    • Year and Date
      2015-04-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 東京工業大学 大学院総合理工学研究科 浅田研究室ホームページ

    • URL

      http://www.pe.titech.ac.jp/AsadaLab/

URL: 

Published: 2017-01-06  

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