タンネットダイオードとは、トンネル注入走行時間効果（Tunnel injection Transit Time）
負性抵抗ダイオードのことです。ミリ波帯（30-300GHz）からサブミリ波帯
（300GHz-3THz）を越える周波数帯の発振を得ることができるダイオードです。
未踏破周波数帯域であるテラヘルツ領域における高周波発振素子として期待されます。
タンネットダイオードはトンネル効果と走行時間遅れ効果を利用します。ガンダイオード
及びインパットダイオードと比較して、トンネル効果により電流を注入するので、
雑音が少なく高い周波数での動作が可能です。小山研究室ではタンネットダイオードが
テラヘルツ波を発振するために必要な「電子の平均自由行程以下の動作層」を実現する
成膜技術である分子層エピタキシャル成長法(MLE)を開発し、タンネットダイオードを
作製しています。MLE法は単分子吸着効果を用いて、半導体をはじめとする結晶を
1分子層ごと制御しながら成長させることが可能です。
小山研究室ではGaPおよびGaSeの半導体結晶を用いて室温からのテラヘルツ波発生
を実現しています。周波数が異なる2種類の近赤外線を結晶に入射すると、非線形光学
効果のひとつである光混合に基づくフォノンポラリトンのラマン効果によりテラヘルツ波を
レーザ光のように発生させることができます。GaSeは複屈折性を有し、励起光源である
近赤外光と同じ光軸上にテラヘルツ波を60 THz（5 mm）の高周波数領域まで発生させる
ことができます。GaPについては結晶をテラヘルツサイズの導波路構造に形づくることに
より、テラヘルツ波の発生効率の向上および発生光学系の簡略化が図られます。
テラヘルツ波の線幅は半導体レーザを励起光源とする場合、2 MHz程度であり、Q値は
およそ百万と見積もられます。また、持ち運び可能な光源を目指し、1台のNd:YAG
レーザ励起によりCr:Forsteriteレーザを2系統で発振させ、テラヘルツ波光源について
GeやSi、GaAsのバルク結晶からの遠赤外線（テラヘルツ）発生は古く1960年から
報告があります。当初は、電界により発生したホットエレクトロンの浅い準位間遷移に
よるものです。その後、CO2レーザー等による高強度励起ではありますが、光励起キャリアの准位間遷移によるテラヘルツ波発光や誘導放出が報告されています。
しかしこれらは極低温での発光・発振であり、室温発光の報告はありませんでした。
小山研究室ではSiやGe結晶からの小型のLEDやLD励起による室温テラヘルツ放射を
検出してます。半導体中の不純物準位を利用する超小型テラヘルツ光源としての開発を
進めています。
高出力のテラヘルツ波を広い周波数領域において使うことができるようになれば、
それぞれの周波数における多くのアプリケーションが期待できます。
小山研究室では蒸気圧制御温度差液相成長法を用いて広帯域・高出力テラヘルツ光源
となる半導体結晶を開発しています。
左上図のグラフはGaSeのテラヘルツ吸光度を示しています。Seの蒸気圧制御により
テラヘルツ波吸収が低減し、テラヘルツ波の高出力発生が期待されます。
 |
 |
 |
 |
 |
Y. Oyama, T. Tanabe, F. Sato, A. Kenmochi, J. Nishizawa, T. Sasaki, K. Suto
“Liquid-phase epitaxy of GaSe and potential application for wide frequency-tunable coherent terahertz-wave generation”
Journal of Crystal Growth 310 (2008) 1923-1928.
A. Kenmochi, T. Tanabe, Y. Oyama, K. Suto, J. Nishizawa
“Terahertz wave generation from GaSe crystals and effects of crystallinity”
Journal of Physics and Chemistry of Solids 69 (2008) 605-607.
J. Nishizawa, T. Sasaki, Y. Oyama, T. Tanabe
“Aspects of Point Defects in Coherent Terahertz-Wave Spectroscopy”
Physica B 401-402 (2007) 677-681.
S. Balasekaran, T. Tanabe, Y. Oyama, M. Kimura, J. Shibata, J. Nishizawa
“Spontaneous THz emission from Ge at Room temperature”
The International Workshop on Terahertz Technology 2009, Nov 30-Dec 3, 2009, Osaka University, Osaka, Japan
S. Balasekaran, T. Tanabe, Y. Oyama, M. Kimura, J. Shibata, J. Nishizawa
“Observation of room temperature THz emission based on photoluminescence from Ge”
The 34th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, September 22, 2009, Paradise Hotel, Busan Korea
S. Balasekaran, K. Endo, T. Tanabe, Y. Oyama
“Patch antenna Coupled 0.2 THz TUNNETT Oscillators”Accepted to Solid State Electronics
Y. Oyama, L. Zhen, T. Tanabe, M. Kagaya
“Sub-Terahertz Imaging of Defects in Building Blocks”NDT & E International 42 (2009) 28-33.
T. Tanabe, S. Ragam, Y. Oyama
“CW THz wave spectrometer based on diode laser pumping: Potential applications in high resolution spectroscopy”
Review of Scientific Instruments 80 (2009) 113105.
S. Ragam, T. Tanabe, K. Saito, Y. Oyama, J. Nishizawa
“Enhancement of CW THz wave power under non-collinear phase-matching conditions in DFG”
Journal of Lightwave Technology 27 (2009) 3057-3061.
K. Saito, T. Tanabe, Y. Oyama, K. Suto, J. Nishizawa
“Terahertz-wave generation by GaP rib waveguides via collinear phase-matched difference-frequency mixing of near-infrared lasers”
Journal of Applied Physics 105 (2009) 063102.
T. Tanabe, S. Ragam, Y. Oyama, T. Sasaki, J. Nishizawa, M. Ohkado N. Yamada
“Two-directional CW THz wave generation system by pumping with a single fiber amplifier of near-IR lasers”
IEEE Photonics Technology Letters 21 (2009) 260-262.
J. Nishizawa, T. Sasaki, T. Tanabe, N. Hozumi, Y. Oyama, Ken Suto
“Single-frequency coherent terahertz-wave generation using two Cr:forsterite lasers pumped using one Nd:YAG laser”
Review of Scientific Instruments 79 (2008) 036101.
K. Saito, T. Tanabe, Y. Oyama, K. Suto, T. Kimura, J. Nishizawa
“Terahertz-wave absorption in GaP crystals with different carrier densities”
Journal of Physics and Chemistry of Solids 69 (2008) 597-600.
K. Saito, K. Nozawa, T. Tanabe, Y. Oyama, K. Suto, J. Nishizawa, T. Sasaki, T. Kimura
“Fabrication and characterization of GaP photonic crystals for terahertz wave application”
Materials Transactions 48 (2007) 2340-2342.
T. Tanabe, J. Nishizawa, K. Suto, Y. Watanabe, T. Sasaki, Y. Oyama
“Terahertz Wave Generation from GaP with Continuous Wave and Pulse Pumping in the 1-1.2 μm region”
Materials Transactions 48 (2007) 980-983.
J. Nishizawa, K. Suto, T. Tanabe, K. Saito, T. Kimura, Y. Oyama
“THz Generation From GaP Rod-Type Waveguides”
IEEE Photonics Technology Letters 19 (2007) 143-145.
