2014年03月11日01:28
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NE無線技術獎技術（5）：振蕩頻率為1.42THz的共振隧穿二極管
日本東京工業大學研究生院綜合理工學研究科物理電子系統創造專業教授淺田雅洋的研究室開發出了可在室溫下工作、振蕩頻率為1.42THz的共振隧穿二極管（RTD）元件。
東京工業大學教授淺田雅洋（左）和主導此次研究的該研究室助教鈴木左文（右）
RTD元件是由具有量子勢阱結構的半導體和諧振器構成的使電磁波振蕩的元件。此前，RTD元件振蕩頻率的最高值是佳能於2013年5月公布的1.40THz。淺田研究室開發的RTD元件的頻率不僅超過了這一數值，還將輸出功率大幅提高到了佳能元件的十幾倍∼幾百倍。
可在室溫下使太赫茲波振蕩的RTD元件的應用范圍很廣。比如，可用於傳輸速度為幾百Gbit/秒的超高速無線通信以及信封內危險物品等的安全檢查等。
填補太赫茲空白
長期以來，RTD元件的振蕩頻率方面都存在“1.1THz壁壘”。
不僅是RTD元件，由於沒有可在室溫下振蕩的元件和裝置，1∼10THz的太赫茲頻帶被叫做“THz空白”。尤其是1.1∼1.3THz附近，除了在極低溫下工作的p-Ge激光元件以外，沒有其他振蕩元件，成為太赫茲波利用方面的一大課題。在1.3THz以上的頻率，基本上也都是隻能在極低溫下工作的振蕩元件。
振蕩頻率在1THz左右的RTD芯片試制品
在這種背景下，淺田研究室在全球率先提高了室溫下工作的RTD元件的振蕩頻率和輸出功率。在2012年夏季之前，該研究室的RTD元件的最大振蕩頻率還是1.08THz，2012年9月該研究室發布了振蕩頻率為1.31THz的元件。這次又發布了振蕩頻率為1.42THz的元件。
當振蕩頻率為1.42THz時，輸出功率約為1μW。大幅超過了振蕩頻率為1.40THz時輸出功率為幾十nW的此前的歷史記錄。頻率在1.1THz附近時，輸出功率達到30μW左右，這對於RTD元件而言已經非常高了。
通過三項改進實現
淺田研究室在發布1.08THz RTD元件之后，主要對RTD進行了三項改進。（1）縮小了量子勢阱兩個能障之間的間隔﹔（2）在發射極一側形成了很小的能級﹔（3）優化了集電極一側的隔板厚度。
（1）具有縮短電子遷移時間、提高振蕩頻率的效果，但工作電壓會隨之升高。（2）具有降低工作電壓的效果。因此，（1）和（2）是配套的改進措施。
不過，隻通過前兩項改進，最大振蕩頻率隻能達到1.31THz。提高到1.42THz，是通過（3）優化隔板厚度實現的。之所以說是優化，是因為減小隔板厚度時，電子的遷移時間會變短，但電容會增大。淺田指出：“此次，當隔板厚度正好為12nm時，振蕩頻率達到最大”。
2THz也有可能實現
據淺田介紹，通過優化天線長度，還能進一步提高振蕩頻率。“從理論上來說，量子勢阱的能障間隔為2nm、集電極側的隔板厚度為12nm、天線長度為9μm時，基本模式下的振蕩頻率最大可以達到2THz。”
還安裝了天線的RTD元件試制品
但輸出功率方面還存在問題。因為“考慮到實用化，輸出功率要在1mW以上”。
現在，振蕩頻率在1.1THz附近時，輸出功率為30μW左右，而在理論上，在頻率為0.5THz的稍低區域，也能夠實現1mW的輸出功率。
另外，為了進一步提高輸出功率，正在考慮將多個元件排列起來，從而提高總輸出功率。目前已試制出由2個元件組成的陣列模塊，當頻率為0.62THz時，輸出功率達到0.61mW。淺田表示：“一味增加數量的話，各個元件之間存在偏差，因此，3∼4個元件構成陣列比較現實”。
此外，淺田研究室還在開展將電容可變的變容二極管和RTD組合、使RTD元件振蕩頻率可變的研究。目標是開發出可通過頻率掃描廣泛了解材料組成等的小型分析儀器。（日經技術在線！供稿）
