2023 Fiscal Year Final Research Report

Photoconductive devices based on quantum dot superlattice for THz generation and detection

Research Project

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Project/Area Number	19K04532
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research Institution	Kobe University
Principal Investigator	Wada Osamu 神戸大学, 産官学連携本部, 非常勤講師 (90335422)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	小島磨千葉工業大学, 工学部, 教授 (00415845) 海津利行京都大学, 産官学連携本部, 特定研究員 (00425571) 原田幸弘神戸大学, 工学研究科, 助教 (10554355) 北田貴弘徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 特任教授 (90283738) 南康夫日本大学, 生産工学部, 准教授 (60578368)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	InAs量子ドット / 量子ドット超格子 / 低温成長GaAs / 光伝導アンテナ（PCA） / 超高速キャリア緩和 / 光Hall効果 / 光電流特性 / 電場増強構造
Outline of Final Research Achievements	Photoconductive antenna (PCA) is one of the key devices for wider application of terahertz (THz) systems, and its operation at the telecom wavelength (1550 nm) is demanded. In this study, a novel PCA consisting of InAs/GaAs quantum dot (QD) superlattice has been fabricated by molecular-beam epitaxy technique and characterized for its application to the THz operation under 1550 nm excitation. The photoconductive property of this structure has been studied by evaluating the photo-Hall effect, the excitation power dependence of photocurrent spectra, and the ultrafast pump-probe reflection measurement. A few interesting features found include that this PCA structure has a low dark current and non-saturating hole dominant photocurrent with sub-ps relaxation time, which are favorable for THz operation of these PCAs. THz wave generation at ~1 THz has been successfully demonstrated with this PCA under 1550 nm, ~100 fs pulse excitation.
Free Research Field	半導体光エレクトロニクス
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究で提案したInAs/GaAs QD超格子構造においては構造中のミッドギャップ準位に起因して1550 nm励起下でもPCA動作が期待できる大きな光電流が確認された。さらに、光Hall効果測定からは、光電流には高易動度の正孔電流が寄与していること、また、光電流の励起強度依存性評価からは、高励起域でキャリア再結合過程が現れること、など本構造の物理特性に関する新たな学術的知見が得られた。また、1550 nm励起によるPCA動作の実証は、成熟した光通信用光源の活用が可能で、かつ高性能・安価なTHz発生・検知素子の実現を可能とし、ひいてはTHzシステムの広範な応用を促すものとして社会的意義が大きい。