NTTは、二次元半導体材料の黒リンを用いた光検出器で、光を吸収した直後の高エネルギーの「ホットキャリア」を、エネルギーが失われる前に電極へ取り出す新しい光電変換を実証した(ニュースリリース）。独自のオンチップTHz 電流計測技術によって室温・ゼロバイアス動作で、260GHzの動作帯域を確認した。
図1：ホットキャリアを利用した新原理の光電変換イメージ
黒リンに光を照射して生成したホットキャリアが、エネルギーを失う前に超拡散によって金電極へ到達し、光電流として直接取り出される様子
光信号を電気信号に変える光検出器は、光通信やイメージング、各種センシングなどに利用されている。一般的な半導体では、光を吸収して生成された電子や正孔が、余分なエネルギーを熱として失った後に電極へ取り出される。このため、光吸収直後の高いエネルギーを持つホットキャリアを利用できれば、光電変換の高効率化や高速化につながる可能性がある。
しかし、ホットキャリアが数百フェムト秒から数ピコ秒という極めて短い時間でエネルギーを失うため、冷却前に電極へ到達する過程を直接観測することは難しかった。
図2：オンチップTHz エレクトロニクスによる超高速光電流測定
（a）ポンプ光で黒リンを励起し、伝送線路を伝わる光電流を検出用LT-GaAs 光伝導スイッチで検出
（b）黒リン部分の拡大図。ゲート電圧（VGate）により黒リンのキャリア極性と密度を制御できる。
今回、NTTは、黒リンを用いた光検出器に、独自のオンチップTHz電流計測技術を組み合わせ、光照射によって生じる電流の時間変化をサブピコ秒の時間分解能で測定した。その結果、測定系の応答を除いて解析した光電流の減衰時間は410±30フェムト秒となり、冷却後のキャリアによる応答に比べて約3桁短いことを確認した。また、測定波形の解析から260GHzの動作帯域を得た。
さらに、ゲート電圧によって黒リン内部のキャリアの種類や密度を変化させ、光電流の応答を詳しく調べた。 その結果、従来の光起電力に由来する低速な電流成分と、ホットキャリアによる高速な電流成分を分離して観測することに成功した。
高速な光電流は、光励起直後の高エネルギー状態にある正孔が、エネルギーを失う前に「超拡散」と呼ばれる現象によって金電極へ到達することで生じると考えられる。 これは、冷却後のキャリアが金属と半導体の界面に存在する電場によって取り出される従来の光電変換とは異なる仕組みである。
今回の成果は、ホットキャリアを利用した光電変換の仕組みを明らかにし、光検出器の高速化に向けた新たな設計指針を示した点に意義がある。
今後は、積層構造や電極材料の最適化、光導波路などを利用した光吸収の増強を進め、高速光通信や高効率光検出器、イメージング、センシングなどへの応用を目指す。
