2015 Fiscal Year Research-status Report
窒化ガリウム系共鳴トンネルダイオード作製とテラヘルツ波発振に関する研究
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26420332
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
永瀬 成範 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (80399500)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 窒化ガリウム / 共鳴トンネルダイオード / 双安定性メカニズム / 集積型アンテナ / テラヘルツ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本提案では、窒化ガリウム系半導体を用いた共鳴トンネルダイオード（GaN系RTD）を開発し、高性能なテラヘルツ波発振器を実現することを目的としている。GaN系RTDは、ワイドバンドギャップ、高いバンド不連続性、高速トンネル時間などの広帯域・高出力テラヘルツ波発振に有利な物性を持つ反面で、特有の分極や多数の結晶欠陥が存在するという欠点を持つ。昨年度までに、長年未解明であった、テラヘルツ波発振には不利な現象であるGaN系RTDで生じる双安定性（電流電圧特性のヒステリシス）のメカニズムを解明した。本年度は、解明したメカニズムをもとに、特有の分極に基づくGaN系RTDの歪量子井戸構造を改良することで、量子井戸サブバンド間遷移と電子蓄積効果に起因した電流電圧特性のヒステリシスを抑制することに成功した。また、微分負性抵抗に起因した電流電圧特性の変化を観測した。しかし、テラヘルツ波発振器に利用できるまでのデバイス特性には至っておらず、今後、結晶成長技術やRTD構造の更なる改良が必要であることがわかった。その具体的な改良方法も検討した。また、平行して、電磁界シミュレータを用いたアンテナ構造設計とプロセス技術開発も行った。THz帯で発振可能なアンテナ構造の設計指針を見出すとともに、アンテナ構造作製ための微細加工技術を開発した。今後は、これらの成果をもとに、GaN系RTDによるテラヘルツ波発振ならびにその基盤技術確立に向けた研究に取り組む予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
テラヘルツ波発振器に利用できるまでのデバイス特性には至っていないが、解明したメカニズムをもとに、GaN系RTDで生じる電流電圧特性のヒステリシスを抑制することができたことは、テラヘルツ波発振可能なGaN系RTDの実現に向けて大きな成果であったと考えている。また、電磁界シミュレータを用いたアンテナ構造設計とプロセス技術開発もほぼ計画通りに遂行した。
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| Strategy for Future Research Activity |
テラヘルツ波発振器に利用できるまでのデバイス特性に至っていない主な理由として、結晶欠陥に起因する構造不均一性の影響を考えている。そのため、低欠陥GaN基板を用いたホモエピタキシャル技術による結晶品質改善などに取り組むことを予定している。また、得られた特性をもとに、GaN系RTDからのテラヘルツ波発振の可能性を探究する。
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| Causes of Carryover |
本年度の研究で、簡易で高速解析が可能な平面回路系解析でもTHz帯のアンテナ設計ができることが明らかになったために、研究提案時に予定していたFDTD法解析ソフトウェアの購入を取りやめた。そのため、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本研究の目標達成のためには、低欠陥GaN基板を用いたホモエピタキシャル技術などによる結晶品質改善が必要であることが新たに判明した。そのため、次年度に持ち越した予算は、最終年度には予定していなかった低欠陥GaN基板の購入費用、GaN基板の加工費用、低欠陥GaN基板上に成長したRTD構造の評価費用（TEM観察費用やSIMS分析費用）などに割り当てる予定である。
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