Creation of high-performance THz light source implemented with 2D material heterostructure

本研究は、二次元半金属であるGrapheneと二次元半導体（MoS2, BPなど）のヘテロ積層構造によってチャネルを構成した負性微分導電率特性を有する電界効果型トランジスタ構造の新原理デバイスを創出し、テラヘルツ光源としての実現性を実証することを目的とし、電化キャリアである二次元電子を二次元半金属層－二次元半導体層間の実空間遷移をゲートおよびドレインバイアスによって電気的に制御することによって、テラヘルツ帯での自励発振を発現せしめ、コヒーレントかつ高強度の室温動作可能な集積型テラヘルツ光源の創出に挑み、以下の成果を得た。１．二次元原子薄膜の剥離・転写：機械剥離と液相インターカレーションを用いて、層状化合物（Bulk-MoS2, Graphite）を剥離し、光学顕微鏡で数層のサンプルを選別し、Wielding法およびDry Peeling法を用いて、重ドープ酸化膜付シリコンウェハー表面に、二次元原子薄膜半導体・半金属を積層した。２．電極とデバイスの制作：フォトリソグラフィと電子ビーム（EB）蒸着装置によりソース・ドレイン電極を、EBにより局所的バックゲート電極を、それぞれ形成した。３．電気特性と光学特性の評価：負性微分導電率の発現するバイアス条件を同定した。４．当初計画した実空間遷移型負性微分導電率発現機構の代替手段となる全く新しいグラフェンディラックプラズモンのクーロンドラッグ効果型負性微分導電率発現機構の発案に協働し、デバイスモデリング・数値解析で材料・構造パラメータに対するテラヘルツ発振応答特性の定量的解明で成果を得た。次年度は、フーリエ変換赤外分光計とシリコンボロメーターを用いてテラヘルツ波発振特性・量子効率の検証、ならびにテラヘルツ分光イメージングへの応用に挑戦する。

本研究は、二次元半金属であるGrapheneと二次元半導体（MoS2, BPなど）のヘテロ積層構造によってチャネルを構成した負性微分導電率特性を有する電界効果型トランジスタ構造の新原理デバイスを創出し、テラヘルツ光源としての実現性を実証することを目的とし、電化キャリアである二次元電子を二次元半金属層－二次元半導体層間の実空間遷移をゲートおよびドレインバイアスによって電気的に制御することによって、テラヘルツ帯での自励発振を発現せしめ、コヒーレントかつ高強度の室温動作可能な集積型テラヘルツ光源の創出に挑み、以下の成果を得た。１．二次元原子薄膜の剥離・転写：機械剥離と液相インターカレーションを用いて、層状化合物（Bulk-MoS2, Graphite）を剥離し、光学顕微鏡で数層のサンプルを選別し、Wielding法およびDry Peeling法を用いて、重ドープ酸化膜付シリコンウェハー表面に、二次元原子薄膜半導体・半金属を積層した。２．電極とデバイスの制作：フォトリソグラフィと電子ビーム（EB）蒸着装置によりソース・ドレイン電極を、EBにより局所的バックゲート電極を、それぞれ形成した。３．電気特性と光学特性の評価：負性微分導電率の発現するバイアス条件を同定した。４．当初計画した実空間遷移型負性微分導電率発現機構の代替手段となる全く新しいグラフェンディラックプラズモンのクーロンドラッグ効果型負性微分導電率発現機構の発案に協働し、デバイスモデリング・数値解析で材料・構造パラメータに対するテラヘルツ発振応答特性の定量的解明で成果を得た。次年度は、フーリエ変換赤外分光計とシリコンボロメーターを用いてテラヘルツ波発振特性・量子効率の検証、ならびにテラヘルツ分光イメージングへの応用に挑戦する。