東北大ら,プラズモンでテラヘルツ波の検出感度向上

東北大学と理化学研究所(理研)は,インジウムリン系高電子移動度トランジスタ・ベースのテラヘルツ波検出素子において,プラズモン流体非線形整流効果に加えてゲート・チャネル間ダイオード電流非線形性を重畳した新たな検出原理プラズモニック三次元整流効果が発現することを発見し,それによって従来性能を一桁以上上回る電流検出感度を得ることに成功した(ニュースリリース)。

見えないものを見る安心・安全のための分光・イメージングや,超高速無線通信など,さまざまな学術・産業分野でテラヘルツ波を利用する技術の開発が急速に進展している。

特に,超スマート社会の実現に必須となる情報通信サービスの飛躍的な向上には,テラヘルツ波を利用する次世代超高速無線通信である6Gや7Gの技術開発が必須。しかしながら,トランジスタをはじめとする電子デバイスやレーザーをはじめとする光デバイスの開発は,テラヘルツ帯での動作は本質的な物理限界のために困難を極めてきた。

今回,研究グループは,インジウムリン系化合物半導体高電子移動度トランジスタ(HEMT)をベースとし,非対称二重回折格子ゲート構造を有するプラズモニック検出素子を試作し,試作素子のゲート端子から検出信号を読み出すという従来の検出方法とは異なる方式を検討した。

その結果,ゲート端子に強い正のバイアスを印加することによって,二次元プラズモンの流体非線形整流効果に加えて新たにゲート・チャネル間ダイオード電流非線形性を重畳するという新たな検出原理プラズモニック三次元整流効果が発現することを発見した。

そしてこの新原理を適用することによって,従来性能を一桁以上上回る大幅な電流検出感度の向上に成功した。さらに,この動作原理に従えば,素子の出力インピーダンスを高速伝送系で標準となる50Ωに整合させることが可能になり,高速変調信号の検出においても多重反射による波形歪みの問題を劇的に解消できる効果も得られることを実証した。

今回得られたテラヘルツ検出感度特性について研究グループは,6G&7Gクラスの次世代超高速テラヘルツ無線システムの受信機に求められる100m程度の伝送に十分な室温動作可能のテラヘルツ検出素子を実現できるレベルにあると評価する。

一方で,三次元整流効果を活用したプラズモニック検出素子にはさらに性能改善の余地があり,今後さらに性能向上を進めていけば,次世代超高速無線通信6G&7Gの伝送距離をキロメートルレベルに延長することも十分に期待されるとしている。

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