2014年03月11日01:28
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NE无线技术奖技术（5）：振荡频率为1.42THz的共振隧穿二极管
日本东京工业大学研究生院综合理工学研究科物理电子系统创造专业教授浅田雅洋的研究室开发出了可在室温下工作、振荡频率为1.42THz的共振隧穿二极管（RTD）元件。
东京工业大学教授浅田雅洋（左）和主导此次研究的该研究室助教铃木左文（右）
RTD元件是由具有量子势阱结构的半导体和谐振器构成的使电磁波振荡的元件。此前，RTD元件振荡频率的最高值是佳能于2013年5月公布的1.40THz。浅田研究室开发的RTD元件的频率不仅超过了这一数值，还将输出功率大幅提高到了佳能元件的十几倍～几百倍。
可在室温下使太赫兹波振荡的RTD元件的应用范围很广。比如，可用于传输速度为几百Gbit/秒的超高速无线通信以及信封内危险物品等的安全检查等。
填补太赫兹空白
长期以来，RTD元件的振荡频率方面都存在“1.1THz壁垒”。
不仅是RTD元件，由于没有可在室温下振荡的元件和装置，1～10THz的太赫兹频带被叫做“THz空白”。尤其是1.1～1.3THz附近，除了在极低温下工作的p-Ge激光元件以外，没有其他振荡元件，成为太赫兹波利用方面的一大课题。在1.3THz以上的频率，基本上也都是只能在极低温下工作的振荡元件。
振荡频率在1THz左右的RTD芯片试制品
在这种背景下，浅田研究室在全球率先提高了室温下工作的RTD元件的振荡频率和输出功率。在2012年夏季之前，该研究室的RTD元件的最大振荡频率还是1.08THz，2012年9月该研究室发布了振荡频率为1.31THz的元件。这次又发布了振荡频率为1.42THz的元件。
当振荡频率为1.42THz时，输出功率约为1μW。大幅超过了振荡频率为1.40THz时输出功率为几十nW的此前的历史记录。频率在1.1THz附近时，输出功率达到30μW左右，这对于RTD元件而言已经非常高了。
通过三项改进实现
浅田研究室在发布1.08THz RTD元件之后，主要对RTD进行了三项改进。（1）缩小了量子势阱两个能障之间的间隔；（2）在发射极一侧形成了很小的能级；（3）优化了集电极一侧的隔板厚度。
（1）具有缩短电子迁移时间、提高振荡频率的效果，但工作电压会随之升高。（2）具有降低工作电压的效果。因此，（1）和（2）是配套的改进措施。
不过，只通过前两项改进，最大振荡频率只能达到1.31THz。提高到1.42THz，是通过（3）优化隔板厚度实现的。之所以说是优化，是因为减小隔板厚度时，电子的迁移时间会变短，但电容会增大。浅田指出：“此次，当隔板厚度正好为12nm时，振荡频率达到最大”。
2THz也有可能实现
据浅田介绍，通过优化天线长度，还能进一步提高振荡频率。“从理论上来说，量子势阱的能障间隔为2nm、集电极侧的隔板厚度为12nm、天线长度为9μm时，基本模式下的振荡频率最大可以达到2THz。”
还安装了天线的RTD元件试制品
但输出功率方面还存在问题。因为“考虑到实用化，输出功率要在1mW以上”。
现在，振荡频率在1.1THz附近时，输出功率为30μW左右，而在理论上，在频率为0.5THz的稍低区域，也能够实现1mW的输出功率。
另外，为了进一步提高输出功率，正在考虑将多个元件排列起来，从而提高总输出功率。目前已试制出由2个元件组成的阵列模块，当频率为0.62THz时，输出功率达到0.61mW。浅田表示：“一味增加数量的话，各个元件之间存在偏差，因此，3～4个元件构成阵列比较现实”。
此外，浅田研究室还在开展将电容可变的变容二极管和RTD组合、使RTD元件振荡频率可变的研究。目标是开发出可通过频率扫描广泛了解材料组成等的小型分析仪器。（日经技术在线！供稿）
