二次元原子薄膜ヘテロ接合の創製とその新原理テラヘルツ光電子デバイス応用

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06361
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 尾辻 泰一 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
• 研究分担者: 鈴木 哲 兵庫県立大学, 高度産業科学技術研究所, 教授 (00393744) ; 高村 真琴 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 多元マテリアル創造科学研究部, 研究主任 (00622250) ; 吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841) ; Maxim・V Ryzhii 会津大学, コンピュータ理工学部, 上級准教授 (50254082) ; 佐藤 昭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410) ; 渡辺 隆之 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (80771807)
• 研究期間 (年度): 2016-05-31 – 2021-03-31
• キーワード: グラフェン / 二次元原子薄膜 / テラヘルツ / 複合量子効果 / プラズモン

研究実績の概要

全目標を達成するとともに、計画外の新展開を得た。
１. G-DGL構造プラットフォームの創製：　剥離転写法と熱分解法を組み合せた独自のvdWヘテロ積層化製膜法を開発し、ゲート制御グラフェン二重層（G-DGL）の実現に成功した。さらに、熱分解法とCVD法を組み合わせた独自製法によりSiC基板上エピタキシャルグラフェン/WS2二次元原子薄膜連続ヘテロエピ成長の実現に成功した。
２. フォトンアシスト共鳴トンネルのTHz増幅・検出素子応用：　量子効率を律速するAuger過程の高精度キャリア量子輸送・緩和モデルを構築し、室温程度にキャリア温度を抑制すればグラフェンキャリアのTHz帯反転分布形成が可能であることを明らかにした。
３．プラズモン・トンネル二重共鳴のTHz増幅・検出素子応用：　テラヘルツフォトンとグラフェン表面プラズモンポラリトン（SPP）との結合作用が得られる研究代表者ら考案の非対称二重回折格子ゲート(ADGG: Asymmetric Dual-Grating Gate)を導入したグラフェントランジスタを作製して実験検証した結果、ドレイン電位が第一の閾値以下ではグラフェンSPPのモード周波数に対応する共鳴吸収応答を示し、第二の閾値以上ではグラフェンSPPの不安定性が発現し、量子限界を４倍も上回る最大９％の共鳴増幅利得の獲得・実証に成功した。
４．テラヘルツ機能応用：　電流注入型グラフェンレーザトランジスタ素子を試作し、100K下で単一モードテラヘルツ発振に成功した。ADGG型グラフェントランジスタにおけるプラズモン不安定性に伴うテラヘルツ増幅実験結果を説明し得るデバイスモデル化を推進した結果、プラズモンの高次モードに由来する増幅利得が得られていることを発見した。これは入射テラヘルツ波に対して高次高調波発生、すなわち非線形波動制御が可能であることを示唆する重要な結果である。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Salamanca(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: University of Salamanca
• [国際共同研究] Institute of High Pressure Physics, PAS/Warsaw Technical University(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: Institute of High Pressure Physics, PAS/Warsaw Technical University
• [国際共同研究] University of Montpellier and CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University of Montpellier and CNRS
• [国際共同研究] Kotelnikov Inst. Radio Eng. Electron./Ioffe Institute/Inst. Phys. Microstructures, RAS(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Kotelnikov Inst. Radio Eng. Electron./Ioffe Institute/Inst. Phys. Microstructures, RAS
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] Rensselaer Polytechnic Institute/University at Buffalo, SUNY/Los Alamos National Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Rensselaer Polytechnic Institute/University at Buffalo, SUNY/Los Alamos National Laboratory
• [雑誌論文] Theoretical analysis of injection driven thermal light emitters based on graphene encapsulated by hexagonal boron nitride (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryzhii Victor、Otsuji Taiichi、Ryzhii Maxim、Leiman Vladimir G.、Maltsev Petr P.、Karasik Valeriy E.、Mitin Vladimir、Shur Michael S.
  • 雑誌名: Optical Materials Express 巻: 11 ページ: 468～486
  • DOI: 10.1364/OME.412973
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Quality Few-Layer Graphene on Single-Crystalline SiC thin Film Grown on Affordable Wafer for Device Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Endoh Norifumi、Akiyama Shoji、Tashima Keiichiro、Suwa Kento、Kamogawa Takamasa、Kohama Roki、Funakubo Kazutoshi、Konishi Shigeru、Mogi Hiroshi、Kawahara Minoru、Kawai Makoto、Kubota Yoshihiro、Ohkochi Takuo、Kotsugi Masato、Horiba Koji、Kumigashira Hiroshi、Suemitsu Maki、Watanabe Issei、Fukidome Hirokazu
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 11 ページ: 392-1-13
  • DOI: 10.3390/nano11020392
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanoscale evaluation of the number of layers of hexagonal boron nitride by scattering-type scanning near-field optical microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Takamura Makoto、Taniyasu Yoshitaka
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 60 ページ: SBBH15-1-6
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abdf73
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fast terahertz detection in asymmetric dual-grating-gate graphene-channel FETs (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Ogiura
  • 雑誌名: The 7th International Workshop on 2D Materials A3-Foresight Program Abstract Book 巻: 1 ページ: YR30
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene plasmonic terahertz laser transistors -concepts, physics, and experiments (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 雑誌名: Proceedings of XXV Int. Symp. on Nanophysics and Nanoelectronics 巻: 2 ページ: 538～539
  • 査読あり
• [雑誌論文] Graphene based plasma-wave devices for terahertz applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryzhii V.、Otsuji T.、Shur M.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 140501-1-6
  • DOI: 10.1063/1.5140712
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A graphene-based magnetoplasmonic metasurface for actively tunable transmission and polarization rotation at terahertz frequencies (2020)
  • 著者名/発表者名: Padmanabhan Prashant、Boubanga-Tombet Stephane、Fukidome Hirokazu、Otsuji Taiichi、Prasankumar Rohit P.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 116 ページ: 221107-1-5
  • DOI: 10.1063/5.0006448
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Asymmetric dual-grating gates graphene FET for detection of terahertz radiations (2020)
  • 著者名/発表者名: Delgado-Notario J. A.、Clerico V.、Diez E.、Velazquez-Perez J. E.、Taniguchi T.、Watanabe K.、Otsuji T.、Meziani Y. M.
  • 雑誌名: APL Photonics 巻: 5 ページ: 066102-1-8
  • DOI: 10.1063/5.0007249
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Room-Temperature Amplification of Terahertz Radiation by Grating-Gate Graphene Structures (2020)
  • 著者名/発表者名: Boubanga-Tombet Stephane、Knap Wojciech、Yadav Deepika、Satou Akira、But Dmytro B.、Popov Vyacheslav V.、Gorbenko Ilya V.、Kachorovskii Valentin、Otsuji Taiichi
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 10 ページ: 031004-1-19
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple graphene-layer-based heterostructures with van der Waals barrier layers for terahertz superluminescent and laser diodes with lateral/vertical current injection (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryzhii V、Ryzhii M、Otsuji T、E Karasik V、Leiman V、Mitin V、Shur M S
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 巻: 35 ページ: 085023-1-9
  • DOI: 10.1088/1361-6641/ab9398
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Far-infrared and terahertz emitting diodes based on graphene/black-P and graphene/MoS2 heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryzhii Victor、Ryzhii Maxim、Maltsev Petr P.、Karasik Valerij E.、Mitin Vladimir、Shur Michael S.、Otsuji Taiichi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 28 ページ: 24136-1-16
  • DOI: 10.1364/OE.394662
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nanoscale probing of thermally excited evanescent fields in an electrically biased graphene by near-field optical microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Lin Kuan-Ting、Nema Hirofumi、Weng Qianchun、Kim Sunmi、Sugawara Kenta、Otsuji Taiichi、Komiyama Susumu、Kajihara Yusuke
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 096501-1-5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abae0a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Far-infrared photodetection in graphene nanoribbon heterostructures with black-phosphorus base layers (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryzhii Maxim、Ryzhii Victor、Maltsev Petr P.、Ponomarev Dmitry S.、Leiman Vladimir G.、Karasik Valery E.、Mitin Vladimir、Shur Michael S.、Otsuji Taiichi
  • 雑誌名: Optical Engineering 巻: 60 ページ: 082002-1-14
  • DOI: 10.1117/1.OE.60.8.082002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of surface electron trapping of a GaN-based transistors revealed by spatiotemporally resolved x-ray spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Omika Keiichi、Takahashi Kensuke、Yasui Akira、Ohkochi Takuo、Osawa Hitoshi、Kouchi Tsuyoshi、Tateno Yasunori、Suemitsu Maki、Fukidome Hirokazu
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 ページ: 171605-1-6
  • DOI: 10.1063/5.0020500
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray absorption and photoemission spectroscopy of bulk insulating materials using graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Satoru、Haruyama Yuichi、Yamaguchi Akinobu、Yamamoto Tomoki、Yoshizumi Takuya、Fujii Ayaka、Nakashima Seiji、Fuchiwaki Yakumo、Fujisawa Hironori、Ohkochi Takuo、Ishihara Mari、Sumida Hirosuke
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 128 ページ: 015304-1-8
  • DOI: 10.1063/5.0010715
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz gain and amplification in current-driven metasurfaces of graphene Dirac plasmons (2020)
  • 著者名/発表者名: Boubanga-Tombet Stephane A.、Yadav Deepika、Satou Akira、Knap Wojciech、Popov Vyacheslav V.、Otsuji Taiichi
  • 雑誌名: Proc. SPIE 巻: 11348 ページ: 113480P-1-6
  • DOI: 10.1117/12.2559504
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Process development and crystal quality evaluation of van der Waals nanocapacitors using graphene/h-BN heterostructures stacked by a transfer/stacking method (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Sugawara, K. Suwa, H. Fukidome, J. A. Delgado-Notario, A. Satou, and T. Otsuji
  • 雑誌名: The 6th International Workshop on 2D Materials A3-Foresight Program Abstract Book 巻: 1 ページ: Poster-J3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Improved sensitivity of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrates using monolayer graphene (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Uchino, K. Shiga, K. Imai, M. Kusano, H. Fukidome, A. Satou, and T. Otsuji
  • 雑誌名: MNC2020: 33rd Int. Microprocesses and Nanotechnology Conference Dig. 巻: 1 ページ: 2020-21-13
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room Temperature Amplification of Terahertz Radiation by Grating-Gate Monolayer Graphene-Channel Transistor Structures (2020)
  • 著者名/発表者名: Otsuji Taiichi
  • 雑誌名: 2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz) Dig. 巻: 1 ページ: 01～02
  • DOI: 10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370394
  • 査読あり
• [雑誌論文] Terahertz current-driven lasing and amplification in graphene-based vdW heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 雑誌名: IEEE ICOPS 2020: 47th IEEE International Conference on Plasma Sciences Dig. 巻: 1 ページ: TA5-S8-006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nano-scale characterization of few-layer hexagonal boron nitride with scattering-type scanning near-field optical microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Takamura and Y. Taniyasu
  • 雑誌名: 2020 International Conf. on Solid State Devices and Materials Abstracts 巻: 1 ページ: H-5-01～H-5-01
  • 査読あり
• [学会発表] Fast terahertz detection in asymmetric dual-grating-gate graphene-channel FETs (2021)
  • 著者名/発表者名: D. Ogiura
  • 学会等名: The 7th International Workshop on 2D Materials A3-Foresight Program, YR30, Online Web, Feb. 19, 2021.
  • 国際学会
• [学会発表] Graphene plasmonic terahertz laser transistors -concepts, physics, and experiments (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 学会等名: Prof. the XXV Int. Symp. on Nanophysics and Nanoelectronics, WEB Online, March 10, 2021. (invited)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] テラヘルツトランジスタレーザー高性能化に向けたエピタキシャルグラフェン成長プロセスの改良と評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 諏訪健斗, 吹留博一, 末光眞希, 尾辻泰一
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会, 19p-P02-19, オンラインWEB開催, Mar. 19, 2021.
• [学会発表] Beyond 5Gに向けたグラフェン/BN積層を用いた低環境負荷な超高周波トランジスタ研究開発（招待） (2021)
  • 著者名/発表者名: 吹留博一，渡邊一世
  • 学会等名: 彩の国ビジネスアリーナ，オンライン，Jan. 18-Feb.18
  • 招待講演
• [学会発表] SiC基板上グラフェン・トランジスタの高周波特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小濱路生，佐々木文憲，渡邊一世，吹留博一
  • 学会等名: 2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会，オンライン，Mar. 16
• [学会発表] Terahertz gain and amplification in current-driven metasurfaces of graphene Dirac plasmons (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 学会等名: SPIE Photonics Europe, Conf. on Terahertz Photonics, Strasbourg, France, Online, April 1, 2020. (invited)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グラフェン/h-BNファンデルワールス積層構造ナノキャパシタの 転写スタック法によるプロセス開発と結晶品質評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菅原大樹, 諏訪健斗, 吹留博一, Juan Antonio Delgado-Notario, 佐藤昭, 尾辻泰一
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会, 9a-Z29-11, 同志社大今出川校地, 京都, Online, Sept. 9, 2020.
  • 国際学会
• [学会発表] Process development and crystal quality evaluation of van der Waals nanocapacitors using graphene/h-BN heterostructures stacked by a transfer/stacking method (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Sugawara, K. Suwa, H. Fukidome, J. A. Delgado-Notario, A. Satou, and T. Otsuji
  • 学会等名: The 6th International Workshop on 2D Materials A3-Foresight Program Abstract Book, Poster-J3, Online WEB, Sep. 24, 2020.
  • 国際学会
• [学会発表] Room temperature amplification of terahertz radiation by grating-gate monolayer graphene-channel transistor structure (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 学会等名: IRMMW-THz: 45th Int. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Buffalo, NY, USA, Nov. 10, 2020. (Virtual) (invited)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 非対称二重格子ゲートを有するグラフェントランジスタにおけるプラズモン不安定性とそのテラヘルツ光源応用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荻浦大地, 佐藤昭, 吹留博一, 尾辻泰一
  • 学会等名: 第75回応用物理学会東北支部学術講演会, 4aB06, WEBオンライン開催, Dec. 4, 2020.
• [学会発表] Terahertz current-driven lasing and amplification in graphene-based vdW heterostructures (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Otsuji
  • 学会等名: IEEE ICOPS 2020: 47th IEEE International Conference on Plasma Sciences, Singapore, Singapore, Dec. 10, 2020. (invited)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] グラフェンを中心とする二次元材料を用いたテラヘルツ電子デバイスおよびプラズモニックデバイスの基礎と動向 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尾辻泰一
  • 学会等名: 電子情報通信学会東北支部講演会, 秋田大学（Webオンライン開催）, Dec. 16, 2020. (invited)
  • 招待講演
• [学会発表] 低環境負荷材料グラフェンを用いたBeyond 5Gデバイスの研究開発(招待) (2020)
  • 著者名/発表者名: 吹留博一
  • 学会等名: 電気関係学会 東北支部連合大会 企画セッション 「ICTによる地域振興と産学官連携」，オンライン，Aug. 27
  • 招待講演
• [学会発表] 低環境負荷材料グラフェンを用いたBeyond 5Gデバイスの研究開発（招待） (2020)
  • 著者名/発表者名: 吹留博一，渡邊一世
  • 学会等名: CEATEC2020，オンライン，Oct. 20-23
  • 招待講演
• [学会発表] Beyond 5Gを支える次世代無線通信デバイスの研究開発（招待） (2020)
  • 著者名/発表者名: 吹留博一，渡邊一世
  • 学会等名: ICTフェア in 東北 2020，オンライン，Nov. 19-Dec.18
  • 招待講演
• [学会発表] デバイス基板転写SiC単結晶薄膜を用いた高性能グラフェン・トランジスタ (2020)
  • 著者名/発表者名: 吹留博一，小濱路生，諏訪健斗，渡邊一世
  • 学会等名: 表面真空学会学術講演会2020，オンライン，Nov. 21
• [学会発表] 数層h-BNの散乱型走査近接場光学顕微鏡によるナノスケール層数評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高村 真琴, 谷保 芳孝
  • 学会等名: 第81回応用物理学会秋季学術講演会2020, 10a-Z29-11, WEBオンライン, Sept. 10, 2020.
• [学会発表] Nano-scale characterization of few-layer hexagonal boron nitride with scattering-type scanning near-field optical microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Takamura and Y. Taniyasu
  • 学会等名: SSDM2020: International Conf. on Solid State Devices and Materials 2020, online, H-5-01、Sep 29, 2020
  • 国際学会
• [図書] Graphene-Based Terahertz Electronics and Plasmonics: Detector and Emitter Concepts (2020)
  • 著者名/発表者名: V. Mitin, T. Otsuji, and V. Ryzhii, ed.
  • 総ページ数: 1026
  • 出版者: Jenny Stanford Publishing, Singapore, Singapore
  • ISBN: 9789814800754
• [備考] Otsuji Lab., RIEC, Tohoku Univ., Sendai, Japan
  • URL: http://www.otsuji.riec.tohoku.ac.jp/english/index_en.php