Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

電子デバイス / 集積回路 / 超高速電子デバイス / テラヘルツ / 超高速デバイス / 量子エレクトロニクス

3次元的にマイクロサイズの八木アンテナを集積した発振素子構造を提案し、その構造の放射パターンのシミュレーション、および、プロセスの研究を行った。シミュレーションよりアレイエレメントを3つ配置したときに19dBiの指向性が得られることが分かった。素子の作製プロセスの開発では薄膜基板を作製する条件や、誘電体厚膜を積層する条件などを求め、作製プロセスの確立を行った。

テラヘルツ / 超高速デバイス / 量子エレクトロニクス

テラヘルツ周波数帯光源のキーデバイスである共鳴トンネルダイオード(RTD)を用いたテラヘルツ発振器において、素子の高周波化を行うためには、空乏層に高い電圧が印可されていることによって起こるΓ-Lバレー間散乱を抑圧することが必要である。そのため、今年度スパイクドーピング構造を持つRTDと、極薄バリアと傾斜エミッタを持つRTDに関して研究を行った。
スパイクドーピング構造を持つRTDでは、コレクタ側スペーサ層に濃度の異なるスパイクドーピングを持つRTD発振素子を作製し、発振特性を測定した。測定より、スパイクドーピングの濃度が上昇すると、RTDの容量が大きくなってしまうが、空乏層の電界が緩和されΓ-L散乱は抑圧出来きることが分かった。スパイクドーピングの濃度がおよそ2x10^<18>cm^<-3>の時最適となり、その基板により、898GHzまで発振周波数が向上出来た。
上記構造ではRTDの容量が大きくなってしまうため、新たに、極薄バリアと傾斜エミッタを持つRTDを提案し、発振素子を作製した。傾斜エミッタにより動作点の電圧が下がり、空乏層にかかる電界が小さくなるため、Γ-L散乱の抑圧ができ走行時間が短縮される。さらに薄膜バリアによりトンネル時間も短縮される。この構造を持つ発振素子により室温電子デバイスでは最高周波数の951GHzの基本波発振を達成した。さらなるRTDのデバイス面積の縮小により、1THzを超える発振が期待できる。

地球観測 / リモートセンシング / テラヘルツ / 赤外材料・素子 / 量子エレクトロニクス / 環境変動 / 先端機能デバイス / 地球変動予測 / 超伝導材料・素子

大気中の酸素原子(OI)やOHラジカルは、オゾン層回復・破壊や地球温暖化、揮発性有機物質の消失過程について理解を深める上で鍵を握る成分である。我々はこれらのガス種の1.8-4THz帯スペクトル線のリモートセンシグを実現すべく、NbTiN超伝導細線を集積したホットエレクトロンボロメータミクサと呼ばれる次世代のヘテロダイン検出素子の改良・開発を行った。さらに、低振動のパルス管冷凍機を用いた冷却性能評価システムを開発し、これを実際に用いて、1.5THz帯でのHEBM素子の雑音性能、動作安定性を評価した。その結果、1600K以下の雑音温度(RF/LO結合効率とレンズ表面での反射を校正)を実現した。さらに、この最小雑音温度域には、中間周波(IF)出力(0.8-1.5GHz)の極大値が存在し、この場所において実用的な10秒以上の安定時間(アラン分散)を得られることが分かった。これは、電流電圧(局部発振波パワー)の揺らぎの影響がIF極大域では緩和されることを示唆する。我々のHEBM素子は特異な特徴をもつことが分かったが、これらは、本申請において安定・高信頼の冷却系・バイアス回路系などの評価システムをあわせて開発したことで、初めて得ることができた成果である。今後HEBMの1.8-4THz帯での高感度化・安定化を図り、測器搭載による実観測を目指す。

【研究分担者】
山本智	東京大学	理学系研究科	教授	(Kakenデータベース)
鵜澤佳徳	国立天文台	先端技術センター	准教授	(Kakenデータベース)
長濱智生	名古屋大学	太陽地球環境研究所	准教授	(Kakenデータベース)
入交芳久	独立行政法人情報通信研究機構	第3研究部門	主任研究員	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
山本智	東京大学	大学院・理学系研究科	教授	(Kakenデータベース)
鵜澤佳徳	国立天文台	先端技術センター	准教授	(Kakenデータベース)
長濱智生	名古屋大学	太陽地球環境研究所	准教授	(Kakenデータベース)
入交芳久	情報通信研究機構	第3研究部門	研究員	(Kakenデータベース)