テラヘルツ帯の増幅・発振デバイス

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13026207
• 研究種目: 特定領域研究(A)
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 浅田 雅洋 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (30167887)
• キーワード: テラヘルツ増幅・発振素子 / 共鳴トンネル構造 / フォトンアシストトンネル / 絶縁体 / 半導体ナノ構造 / フッ化物ヘテロ接合 / ナノ領域エピタキシー / サブバンド間遷移レーザ / テラヘルツ三端子素子

研究概要

本研究は、満足な固体の増幅・発振素子が存在せず、未開拓の領域となっているテラヘルツ(THz)帯に対して、超格子サブバンド間誘導放出素子および新たに提案したフォトンアシストトンネルと電子波ビートの集群を利用した三端子素子の実現を目指し、本年度は特にデバイス構造形成のための結晶成長法とプロセスの確立に重点を置き、以下の成果を得た。
THzデバイス形成に向けて、ポテンシャル障壁が高く、量子準位が尖鋭になることが期待されるCaF_2/CdF_2/Siヘテロ接合材料系に対して、均一性のよい極薄膜共鳴トンネル構造を得ることに成功した。CdF_2/CaF_2ヘテロ構造の結晶成長を原子層厚レベルで制御するため、結晶成長を100nm程度の微細領域に限定するナノ領域エピタキシーを提案し、結晶成長条件を把握するとともに、この方法を適用して得られたCdF_2/CaF_2二重障壁共鳴トンネルダイオードの微分負性抵抗特性評価を行った結果、顕著な特性の均一化が得られた。さらに、Si基板表面の弗酸による水素終端化とCaF_2イオンビームの組み合わせを用いて、Si(100)上へのCdF_2/CaF_2共鳴トンネル構造形成を行い、(100)面上ではじめて室温微分負性抵抗特性を得た。引き続き、層厚による量子準位変化などの構造依存性、THz応答特性などを系統的に明らかし、THzデバイス形成に向けて基礎を固めてゆく予定である。
また、ナノ構造のTHz応答の把握に関する実験を並行して行い、すでに観測に成功している化合物半導体共鳴トンネルダイオードのTHzフォトンアシストトンネルの結果から、サブバンド間遷移レーザを構成した場合の発振しきい値、出力特性を予測した。しきい値電流密度は従来のミリ波帯電子デバイスと同程度で、十分実現可能な範囲にあることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] M.Tsutsui, M.Asada: "Dependence of Drain Current on Gate Oxide Thickness of p-type Vertical PtSi Schottky Source/Drain MOSFETs"Japan.J.Applied Physics. 41(掲載予定). (2002)
• [文献書誌] M.Tsutsui, T.Nagai, M.Asada: "Analysis and Fabrication of p-type Vertical PtSi Schottky Source/Drain MOSFET"Trans.Electron.IEICE of Japan. E85-C(掲載予定). (2002)
• [文献書誌] M.Asada: "Theoretical Analysis of Terahertz Harmonic Generation in Resonant Tunneling Diodes"Japan.J.Applied Physics. 40,12. 6809-6810 (2001)
• [文献書誌] M.Asada, N.Sashinaka: "Nonlinear Terahertz Gain Estimated from Multiphoton-Assisted Tunneling in Resonant Tunneling Diodes"Japan.J.Applied Physics. 40,9. 5394-5398 (2001)
• [文献書誌] M.Asada: "Density-Matrix Modeling of Terahertz Photon-Assisted Tunneling and Optical Gain in Resonant Tunneling Structures"Japan.J.Applied Physics. 40,9. 5251-5256 (2001)