| 研究課題/領域番号 |
26249045
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
浅田 雅洋 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 教授 (30167887)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 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 |
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| 研究実績の概要 |
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。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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。
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| 今後の研究の推進方策 |
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。
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