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半導体二次元プラズモンの三次元整流効果とその超高感度テラヘルツ電磁波検出への応用

研究課題

研究課題/領域番号 23K20957
補助金の研究課題番号 21H01380 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
研究機関東北大学

研究代表者

佐藤 昭  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)

研究分担者 尾辻 泰一  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2021年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
キーワードテラヘルツ検出 / グラフェン / HEMT / プラズモン
研究開始時の研究の概要

二次元プラズモン流体非線形整流効果を動作原理とする,回折格子ゲート構造プラズモニックTHzディテクタに関して,ゲート電極・チャネル間ヘテロトンネル構造の導入によって生じる,垂直方向の電子トンネル非線形整流効果をチャネル面内プラズモン流体非線形整流効果に重畳した”プラズモン三次元整流効果”の機構解明と原理検証を行ない,それを活用した検出感度の飛躍的な向上を果たす.
InGaAsチャネル・ディテクタにおいて,三次元整流効果の理論構築,デバイス試作・評価による内部検出感度向上を実証する.また,グラフェンチャネル・ディテクタにより,プラズモン共鳴効果による内部感度の増大作用の実証に挑む.

研究実績の概要

回折格子ゲート構造プラズモニックTHzディテクタにおける三次元整流効果の解明を目的として、第一年次であるR03年度は以下の研究項目を遂行した:
①InGaAsチャネル三次元型プラズモニックTHzディテクタ
第一に、アクティブ領域を20×20μm2から200×200μm2まで拡大させてデバイスを試作し、THzパルス検出測定を行なった結果、出力光起電圧を一桁程度増大させることに成功した。第二に、出力光起電圧パルス波形に現れる100ナノ秒オーダーのテール成分が、InGaAsチャネル層-ゲート電極間のInAlAsキャリア供給層に存在するドナー準位に起因することを突き止め、キャリア供給層をチャネル層-ゲート電極の外側に配置する逆HEMT構造を採用することにより、テール成分を除去することに成功した。第三に、逆HEMT構造をベースとして、バリア層材料InAlAsからInPに変更した構造をバンド構造シミュレーションによって設計し、ヘテロエピ基板の試作を進めた。第四に、流体力学方程式とマクスウェル方程式を組み合わせたデバイスシミュレータを構築し、同プラズモニックTHzディテクタにおけるプラズモン・ポラリトン励起と非線形整流効果の理論解析を可能にする研究基盤を形成した。
②グラフェンチャネル三次元型プラズモニックTHzディテクタ
第一に、SiNゲート絶縁膜を持つ二重回折格子ゲート構造グラフェンチャネルFETを試作してTHzパルス検出測定を行ない、ゲート電極から出力読み出しが可能であることを実験的に示した。第二に、同ディテクタにおいてはプラズモン流体非線形性整流効果による光起電圧の生成と同時に、光熱電効果によっても光起電圧が生成され、それらの時間応答が10ピコ秒オーダーと非常に速いことを実験的に示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

R03年度は、計画どおり本研究を遂行するために必要な研究基盤の形成が進んだ。加えて、InGaAsチャネル三次元型プラズモニックTHzディテクタに関して、三次元整流効果の解明を進める上で大きな障害となっていたテール成分の原因を特定し、除去できたことは大きな進展であった。

今後の研究の推進方策

今後は、計画どおりに本年度に形成した研究基盤をさらに発展させるとともに、三次元整流効果の解明を進め、それを活用した検出感度向上の実証を図る。InGaAsチャネル三次元型プラズモニックTHzディテクタについては、三次元整流効果のモデルを構築し、バリア材料・層厚・ドーピング密度を構造パラメータとしてシミュレーションを行ない、三次元整流効果を活用したTHzディテクタの設計論構築を進めるとともに、デバイス試作・評価によって実験実証を進める。グラフェンチャネル三次元型プラズモニックTHzディテクタについては、上述のモデルを転用して、三次元整流効果を強く発現させるための二次元材料の選定を進めるとともに、デバイス試作・評価によって実験実証を進める。

報告書

(1件)
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2022 2021

すべて 学会発表 (11件) (うち国際学会 9件)

  • [学会発表] 非対称二重格子ゲートHEMTテラヘルツ検出素子のパルス応答2022

    • 著者名/発表者名
      根来拓海,成田健一,瀧田佑馬,伊藤弘昌,南出泰亜,尾辻泰一,佐藤昭
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] High Speed Terahertz Detection by an Asymmetric Dual-Grating-Gate Graphene FET2021

    • 著者名/発表者名
      K. Tamura, D. Ogiura, K. Suwa, H. Fukidome, A. Satou, Y. Takida, H. Minamide, and T. Otsuji
    • 学会等名
      9th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies (RJUSE TeraTech-2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Enormous Enhancement of Photovoltage from InP-Based Dual-Grating-Gate HEMT Plasmonic THz Detector Due to 3D Rectification Effect2021

    • 著者名/発表者名
      T. Negoro, T. Hosotani, Y. Takida, H. Ito, H. Minamide, T. Otsuji, and A. Satou
    • 学会等名
      9th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies (RJUSE TeraTech-2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Modal Analysis of 2D Plasmon-Polariton in Plasmonic THz Detector with 2D Diffraction Grating Structure2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Sasaki, T. Otsuji, and A. Satou
    • 学会等名
      9th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies (RJUSE TeraTech-2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Modal analysis of plasmon-polaritons in plasmonic THz detector integrated with two-dimensional nano-antennas2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Sasaki, T. Otsuji, and A. Satou
    • 学会等名
      46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3D rectification effect on plasmonic THz detection by InP-based dual-grating-gate high-electron-mobility transistor2021

    • 著者名/発表者名
      T. Negoro, T. Hosotani, Y. Takida, H. Ito, H. Minamide, T. Otsuji, and A. Satou
    • 学会等名
      46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 3D rectification effect in InP-HEMT-based grating-gate plasmonic THz detector2021

    • 著者名/発表者名
      A. Satou, T. Hosotani, T. Negoro, Y. Takida, H. Ito, H. Minamide, and T. Otsuji
    • 学会等名
      XXXIV General Assembly and Scientific Symposium (GASS) of the International Union of Radio Science (URSI-GASS 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fast terahertz detection by asymmetric dual-grating-gate graphene FET2021

    • 著者名/発表者名
      K. Tamura, D. Ogiura, K. Suwa, H. Fukidome, A. Satou, Y. Takida, H. Minamide, and T. Otsuji
    • 学会等名
      79th Device Research Conference (DRC-2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 2D plasmon-polariton excitation in plasmonic THz detector with 2D diffraction grating structure2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Sasaki, T. Otsuji, and A. Satou
    • 学会等名
      The International Workshop on Computational Nanotechnology (IWCN 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Giant enhancement of photovoltage from InGaAs-channel dual-grating-gate HEMT THz detector due to nonlinear rectification effect at InGaAs/InAlAs heterobarrier2021

    • 著者名/発表者名
      A. Satou, T. Hosotani, T. Negoro, Y. Takida, H. Ito, H. Minamide, and T. Otsuji
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二重格子ゲート・プラズモニックTHzディテクタにおける三次元整流効果2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤昭,根来拓海,細谷友崇,瀧田佑馬,伊藤弘昌,南出泰亜,尾辻泰一
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-08-08  

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