1Tokyo Institute of Technology

東京工業大学 科学技術創成研究院

未来産業技術研究所

教授 浅田 雅洋

超小型半導体テラヘルツ光源

2Tokyo Institute of Technologyテラヘルツ帯

◇ 光と電波の中間の未開拓領域

◇ 種々の応用への期待

イメージング・分光分析（生体、物性、化学物質・・・）、

セキュリティ、医療、大容量通信・信号処理 ・・・・

波長

周波数

3μm30mm 3mm 300μm 30μm

10GHz 1THz 10THz100GHz 100THz

マイクロ波 ミリ波 赤外 可視光THz Gap

1000THz

0.3μm

テラヘルツ帯電波・電気信号 光・ナノ技術

コンパクトなテラヘルツ光源はキーデバイス

3Tokyo Institute of Technology従来技術

従来のテラヘルツ光源

・電子管、ガスレーザー・ 2つのレーザー光の差周波数として発生・マイクロ波の逓倍・光伝導アンテナへの光パルス照射による発生

・・・・

など

大型であったり、複数の装置・デバイスが必要

・半導体では量子カスケードレーザー小型だが、室温動作はまだ実現していない

4Tokyo Institute of Technology半導体テラヘルツ光源の現状

(温度明記がないデバイスは室温)発振周波数 (THz)100.1 1

量子カスケードレーザー(≲200K)

p-Geレーザー(≲20K)タンネット、インパット

ガンダイオード

トランジスタ（HBT、HEMT、CMOS）

単体半導体テラヘルツ光源の現状THz Gap

100THz

マイクロ波 ミリ波 THz帯 赤外 可視

10GHz 1THz 10THz100GHz

出力

(dBm

)

-30-40

-20

0-10

10203040

共鳴トンネルダイオード（RTD）

5Tokyo Institute of Technology

裏面 Si半球レンズ

RTDとスロットアンテナ

Si レンズ

ボンディングワイア

InP基板RTDモジュール

電源11cm×4cm×6cm

共鳴トンネルダイオード (RTD)

テラヘルツ出力

▶室温動作、約0.5～2THz▶超小型▶低電圧・低電流（＜１V、数10～100mA）

6Tokyo Institute of Technology新技術の特徴

•従来のテラヘルツ光源に比べて超小型の素子→ 小型簡易システムの構成が可能

•発振周波数は、現在、約0.5～2THz

→ 現在、1THz以上のコヒーレント波を室温で発生できる唯一の単体半導体デバイス

•低電圧・低電流（＜１V、数10～100mA）

•出力強度変調や周波数可変などの機能を集積回路により付加することが可能

7Tokyo Institute of Technology新技術の内容

共鳴トンネルダイオード（RTD） による室温テラヘルツ光源

① RTDの動作原理と光源の構造

②素子の特性

►周波数と出力►高出力化・より小型化へ向けた構造

③ 応用に向けた高機能化光源

►高速直接変調と無線通信►周波数可変機能

③ 応用に向けた高機能化光源

►高速直接変調と無線通信►周波数可変機能

8Tokyo Institute of Technology①-1 RTDの動作原理

n+-GaInAs / n-GaInAsGaInAs (5nm)

RTD

GaInAs (5nm)n-GaInAs

n+-GaInAs

AlAs (～1nm)GaInAs (3-4nm)AlAs (～1nm)

電極(Au/Pd/Ti)

半絶縁InP基板

e

量子井戸

障壁

障壁

0

5

10

15

20

25

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

電流密度

(mA/

μm2 )

電圧 (V)

負性抵抗による増幅・発振が可能

微分負性抵抗領域

障壁：0.8nm量子井戸：3nm

9Tokyo Institute of Technology

半絶縁InP基板

安定化抵抗(InGaAsシート)

MIM

SiO2

DCバイアス

RTD InGaAs/AlAs~0.1-0.5mm2

スロットアンテナ~10-50mm

裏面 Si半球レンズ

Si 半球レンズ

THz 出力

RTD光源

①-2作製したRTDテラヘルツ光源

RTDとスロットアンテナ

Si レンズ

ボンディングワイア

InP基板

10Tokyo Institute of Technology②-1代表的な周波数と出力

6 nm

25 nm

Spacer12 nm

Theory

Ant: 20 mm

発振周波数

f osc

(TH

z)

RTDのメサ面積 (mm2)0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

0.5

1

1.5

2

2.51.42 THz ~ 1 mW

Frequency(THz)In

tens

ity (a

.u.)

1 1.2 1.4 1.6 1.8Theory

Spacer: 25 nm

12 nm

発振周波数 (THz)0.5 0.8 1.1 1.4 1.7 2

0.1

1

10

100

1000

出力

(mW

)

6 nm

▶ RTDメサ面積の縮小により発振周波数上昇▶ RTDの層構造最適化により上限周波数の上昇（上の例では1.42THzまで）▶周波数＞1THzにおいて数10mWの出力▶アンテナの導体損失削減でさらに高周波化→ 現在、最高周波数1.92THz

11Tokyo Institute of Technology

▶ RTDとアンテナを結ぶブリッジ電極下の半導体層除去による損失削減▶ 1.92 THz，0.4mW 室温発振 ⇒室温電子デバイスの最高発振周波数

▶アンテナ長の短縮およびアンテナ電極の厚膜化により＞2THzが可能

1.4

1.6

1.8

2

2.2

0 0.1 0.2 0.3

発振

周波

数(T

Hz)

RTD のメサ面積 (µm2)

Antenna 9 µm

12 µm

②-2高周波化した素子

1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

強度

(任意目盛

)

周波数 (THz)

1.92 THz0.4 µW

RTD：Well = 2.5nm、Spacer =12nm、アンテナ:12µm

Theory

12Tokyo Institute of Technology②-3 放射パターン

角度 (度)-90 -60 -30 0 30 60 90

相対強度

(dB)

-30

0

-40

-20

-10

E 面fosc=542GHz

-50

0°

90°-90°

半値全幅~8 度

H 面fosc=542GHz

角度 (度)-90 -60 -30 0 30 60 90

相対強度

(dB)

-30

0

-40

-20

-10

-50

0°

-90°

90°

半値全幅~6 度

0.64 mm0.35 mm

R = 2.5 mmレンズの中心

RTDInP基板

Siレンズ（屈折率 nSi=3.5）

~1 mm

=

RnSi -1

Siレンズ

THz 出力

RTD光源 集束型半球レンズ

▶ RTDが焦点に来るように位置を調整

▶ビーム放射角6～8°（半値全幅）

13Tokyo Institute of Technology

SI-InP

MIM反射器

MIM スタブによる結合

RTD + オフセットスロットアンテナ

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8周波数 (THz)

強度（任意目盛）

624GHz610mW

2素子アレイ

2-element array

200mm

安定化抵抗

スロットアンテナ

MIM反射器 MIMスタブ

2素子アレイ

► 初期的実験結果

-素子間の相互注入同期によるコヒーレントな電力合成- 2素子アレイにおいて0.61mW@620GHz- RTDサイズの均一化、素子数増加による高出力化が可能

②-4 高出力化に向けて

高出力化の要求

▶イメージング： 0.5～１ｍW物質、測定時間によるが高出力ほどよい

▶通信：・短距離通信(数10cm):

100mW程度・数10m: 数mW程度

▶分光分析：応用形態によるが高出力ほどよい

14Tokyo Institute of Technology

520 mm

450 mm

- Siレンズなし、上方放射-大規模アレイが可能（初期実験：89素子で0.73 mW @ 1.04 THz）

- Siレンズなし、上方放射- Siレンズと同等の高指向性（初期実験：

15 dBi @500 GHz）-円偏波出力

ダイポールアレイ集積構造 ラジアルラインスロット構造

InP基板スロット

RTD誘電体薄膜（COC）

ダイポールアレイ

大規模アレイ

InP基板

DCバイアス

底面電極

RTD

円偏波用クロススロット

ラジアルラインスロット

集束型Si レンズ（ϕ 5 mm)

RTD光源

出力

指向性は高いが

- 3次元的でやや大きい-軸調整が必要- 出力取り出し効率が低い（集束型では約20%）

これまでのレンズ付構造

②-5 より小型の構造に向けて

15Tokyo Institute of Technology新技術の内容

共鳴トンネルダイオード（RTD） による室温テラヘルツ光源

① RTDの動作原理と光源の構造

②素子の特性

►周波数と出力►高出力化・より小型化へ向けた構造

③ 応用に向けた高機能化光源

►高速直接変調と無線通信►周波数可変機能

16Tokyo Institute of Technology③-1直接変調による無線通信

RTD SBDLensバイアスT

誤り検出

DCバイアス DCバイアスRTD：490GHz, 60μW変調カットオフ15GHz

SBD信号発生器 Lens×2 LNA

バイアスT

簡単な構成で高速無線伝送

► エラーフリーで22 Gbit/s► 訂正可能上限の誤り率

1.9x10-3で ３4Gbit/s► 変調回路の配線改善により直接変調上限を向上すればより高い伝送速度が可能

34 Gbps

22 Gbps

0 10 20 30 40

ビット誤り率

伝送速度 (Gbit/s)

FEC limit = 2×10-310-2

10-4

10-6

10-8

10-10

10-12

エラーフリー

100

17Tokyo Institute of Technology③-2 周波数・偏波多重通信

バイアスと信号

RTD+スロット

► RTD集積化による多重通信チップ► 2周波数×2偏波による多重通信

直交する２偏波の素子

異なる周波数の素子(500 & 800 GHz)

490 GHz, 28 Gbit/s誤り率 2.3×10-4

790 GHz, 28 Gbit/s誤り率 1.5×10-3

RTD×2500&800 GHz

バンドパスフィルタ

800 GHz500 GHzSBD

SBD

誤り検出

LNA

バイアス

信号源

バイアスT

バイアス

バイアスT

２CH周波数多重通信

18Tokyo Institute of Technology

RTDバラクタ

③-3 周波数可変光源バラクタダイオード集積による周波数可変光源

1 mm

バラクタ電極

RTD

電極

RTD

バラクタ8 µm2

500

600

700

800

900

1000

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1

可変範囲: 580-900GHz

（実線は理論）

RTD面積:0.6 µm2

0.7 µm2

0.9 µm2

1.2 µm2

アンテナ長: 19 µmバラクタ面積: 8 µm2

発振周波数

(GH

z)

バラクタのバイアス電圧 (V)▸ バラクタの容量変化により電気的に周波数可変▸ 素子数増加により広い周波数可変幅が可能

19Tokyo Institute of Technology

基板

誘電体膜

周波数可変RTD光源 検出器

薄膜伝送路(TFML)液滴試料

THz

③-4 周波数可変光源による分光分析

0

0.5

1

1.5

0 200 400 600 800 1000

周波数 (GHz)

吸光度

THz時間分解分光(分解能 24 GHz)

RTD VCO~10GHz ステップ時定数 0.3 s

アロプリノール（1mm厚ペレット）

▸ 光源：7素子アレイ(410-970 GHz)検出器： Siボロメータ▸ 時間分解分光測定の結果とよく一致

RTDを用いた分光分析用集積チップの可能性

分析チップに必要な光源の出力の理論的見積は数mW

20Tokyo Institute of Technology③-5位相同期回路による狭線化

▶ PLL回路による狭線化：フリーランニングの線幅18.6 MHzがPLLにより1 Hz以下に▶ 応用：

高精度ガス分光、 種々の通信方式の光源に有用

-50

-40

-30

-20

-10

0

200 300 400 500 600

RBW=3MHzVBW=3MHz

フィードバック無

フィードバック有

周波数 (MHz)

IF出

力(d

Bm)

-80

-60

-40

-20

0

399.99999 400 400.00001

RBW=1HzVBW=1Hz

半値全幅<1Hz

周波数 (MHz)

IF出

力(d

Bm)

マイクロ波源

610GHzx36

スペクトラムアナライザ

16.95GHz

400MHz

400MHz

アンプ

ループフィルタ

局発

バラクタ集積RTD

平衡変調器

バラクタへ

)))

21Tokyo Institute of Technology想定される用途

▶ テラヘルツ波を用いた透過・反射検査用光源

▶テラヘルツ分光分析用光源

▶テラヘルツ波を用いた高速通信用光源

RTDモジュール

電源

・ どの用途でも、小型で簡易な装置・システムが可能

・ チップ化や他の集積回路との融合により高機能化も可能

22Tokyo Institute of Technology実用化に向けた課題

•高出力化現在、単体素子で10～100mW前後、アレイでも1mW弱高出力化により応用の可能性を拡大することが必要

単体の高出力構造の開発とアレイ化

• より高周波も現在、0.5～2THz程度をカバーすることが可能この周波数帯でも既に用途は多いと思われるが、

さらに高周波化すれば応用がより拡がる

より高周波に向けた構造の開発

•用途に応じた高機能化、集積化構造の開発

23Tokyo Institute of Technology企業への期待

• RTDテラヘルツ光源の応用とその拡大▶現在のモジュールを種々の用途に

試用していただくことを希望

（テラヘルツテクノロジープラットフォームTTP）

→ 用途に応じて必要となる特性の把握

→ デバイス開発へのフィードバック（出力、周波数、機能性、…）

▶ 現在のモジュールをもとに応用システムの共同開発

•高出力化・高周波化など高性能素子の共同開発（設計、エピウェハ、デバイスプロセス、… ）

24Tokyo Institute of Technology本技術に関する知的財産権

•発明の名称 ：周波数可変テラヘルツ発振器及びその製造方法

•出願番号 ：特願2014-097029PCT/JP2014/074158

•出願人 ：東京工業大学

•発明者 ：浅田雅洋、鈴木左文、北川成一郎

25Tokyo Institute of Technologyお問い合わせ先

東京工業大学

産学連携コーディネーター 松下 近

ＴＥＬ ０３－５７３４ － ７６９３

ＦＡＸ ０３－５７３４ － ７６９４

e-mail matsushita＠sangaku.titech.ac.jp