NTTら,グラフェン光検出器の高速化と動作原理解明

日本電信電話(NTT)と物質・材料研究機構(NIMS)は,グラフェン光検出器の世界最速ゼロバイアス動作(220GHz)を実現し,さらにグラフェンにおける光-電気変換プロセスを解明した(ニュースリリース)。

光信号を電気信号に変換する光検出器は,広帯域かつ高速での動作の実現が求められている。グラフェンは,これらの要求を満たすと期待されており,これまでの研究により,THz波から紫外光までの超広帯域で動作すること,原子一層で2.3%もの光を吸収するため高効率化が可能であることが示されている。

一方,ゼロバイアス下の実証動作速度はデバイス構造や測定機器の問題により70GHzに制限されており,200GHzを超える理論的期待に大きく及んでいない。またこの問題により,グラフェンが光信号をどう電気信号に変換しているのかといった本質的な物性がわかっていなかった。

研究グループは,消費電力および信号雑音比の観点で応用に向けて必要とされるゼロバイアス動作が可能な光熱電効果に着目して,グラフェンにおける光-電気変換の研究を行なった。NIMSが成長した最高品質の六方晶窒化ホウ素を用いて,NTTでグラフェンの両面を保護し極めて清浄なデバイスを作製し測定を行なった。

光熱電効果では,光照射によって上昇したグラフェン中の電子の温度に応じて電流が流れる。高速光-電気変換の実現には,光照射のON/OFFに電流が遅延なく追随できるデバイス構造と,その電流を高速で読み出す技術が鍵となる。

そのために,金属材料ではなく,酸化亜鉛(ZnO)薄膜をゲート材料として用いることでグラフェンとゲートとの間の静電結合に由来する電流遅延を取り除き,電流読み出しにオンチップTHz分光技術を適用した。

その結果,グラフェン光検出器が本来持つと期待されていた高速動作(220GHz)を実証した。また,品質の異なるグラフェンを用いて作製した光検出器の特性を比較することで,動作速度と感度にトレードオフの関係があることを示した。

さらに,これらの結果を解析することで,グラフェンにおける光-電気変換プロセスを解明した。特に,電流の応答時間は光検出器の大きさにほとんど依存しないこと,光照射後に電流が発生するまでの時間を電荷密度によって100fs以下から4ps以上まで大きく変化させることが可能なことを示した。

研究グループは今後,量産化を可能にする大面積グラフェンを用いた光検出器の評価を行なうとしている。

その他関連ニュース

  • NIMSら,層状化合物に未実証の電荷密度波分布発見 2024年02月27日
  • 産総研ら,紫外線で粘着力が低下する転写テープ開発 2024年02月13日
  • 東大,極性単結晶薄膜を塗布形成できる有機半導体開発 2024年01月30日
  • 東大,2次元半導体の単層を基板上へ単離 2024年01月11日
  • 理研ら,ナノ半導体界面でエネルギー共鳴現象を発見 2023年12月15日
  • 阪大ら,二次元に閉じ込めた重い電子をはじめて実現 2023年12月05日
  • 神大ら,透明な原子一層分の膜を光学顕微鏡で観察 2023年11月01日
  • 東北大ら,1T構造を持つMoTe2原子層の作製に成功 2023年10月25日