【物理】電場振幅最大約1MV/cm、1兆分の1秒の強電場テラヘルツ光パルス照射で半導体の自由電子数を1000倍に増幅―京大など

京大、1兆分の1秒の強電場パルス照射で半導体の自由電子数を1000倍に増幅

京都大学(京大)物質-細胞統合システム拠点(iCeMS)の廣理英基 助教と田中耕一郎
教授の研究グループは、ごくわずかな時間にエネルギーが圧縮されたフェムト秒レーザーと
ニオブ酸リチウムの結晶を用いて電磁強度1MV/cmのテラヘルツ光を発生させることに成功
した。また、同テラヘルツ光を半導体に1兆分の1秒照射することで、半導体の中の電気
伝導を担う自由電子の数を約1000倍増幅することに成功したことを発表した。同成果は
英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。なお、同実験で用いた
半導体試料は広島大学との共同研究により作製したものとなっている。

半導体中のキャリア(自由に動ける電荷)の数を増大させること(キャリア増幅)は、半導体
デバイスによる微小信号の増幅や信号のスイッチなどを行うために必要な基本動作であり、
その1つに衝突イオン化を用いた「アバランシェ増倍」がある。衝突イオン化は、物質中に印加
された電場によって電子が高いエネルギー状態に加速され、他の原子と衝突することによって
新たな自由キャリア電子を生成する現象のことで、ここで弾き出された電子も電場によって
再び加速され、他の原子に衝突してさらに電子を弾き出し、この連鎖によって爆発的に自由
キャリアの数を増幅することができる。このような現象は半導体においてキャリアの「アバランシェ
増倍」と呼ばれ、陽電子放出断層撮影や量子情報技術に重要な高感度光子検出器、
また太陽電池の増感過程や、高効率な電気発光素子においても重大な役割を果たすと
期待され、さまざまなナノスケールの半導体材料に対する研究が各所にて行われている。
しかし、テラヘルツ領域で動作する超高速半導体デバイスを考える際に必要な1兆分の1秒
以下での増幅については、技術的な困難さから、これまでは不可能であったほか、超高速
デバイスに必要なナノスケールの微細加工については、金属電極と半導体との接合部に生じる
ショットキーバリアが試料固有の電場印加効果の理解を複雑にし、またしばしば起こりうる
絶縁破壊による試料の損傷が測定そのものを困難にしていた。

今回の研究により、電場振幅として最大約1MV/cmを有し、また時間的には約半分の周期
(約1兆分の1秒間)だけ持続する電磁波パルスを自由空間内に発生させることで、試料内に
実際の半導体デバイスを駆動するのに必要とされるものと同程度の電場を自由自在に試料に
照射することができるようになった。

実際に、この電磁波パルスを半導体試料(GaAs/AlGaAs多重量子井戸)に照射することで
多段的な衝突イオン化を誘起し、1兆分の1秒の間に初期キャリアの約1000倍となる巨大な
キャリア増幅に伴う、試料からの発光の観測に成功し、従来金属電極を必要としたキャリア
増幅現象を純光学的な手法によって観測することを可能とした。

実際に実験に用いた電磁波パルスの時間波形を見ると、同電磁波パルスは、超短光パルス
レーザを誘電体結晶に照射することで発生できるテラヘルツパルスと呼ばれるもので、その周期は
テラヘルツ周波数(10＾12ヘルツ)の逆数である10＾-12秒(1兆分の1秒)に対応する。またテラ
ヘルツパルスの最大電場値は1MV/cmとなり、こうした高電場を有するTHzパルスを用いることで、
試料内に実際の半導体デバイスを駆動するのに必要とされるものと同程度の電場を生じさせる
ことができるようになった。

http://news.mynavi.jp/news/2011/12/21/053/images/011l.jpg
図1 1MV/cm強のピーク電場を持つTHzパルスの時間波形。挿入図はTHzパルスのスポット画像

マイナビニュース　2011/12/21
http://news.mynavi.jp/news/2011/12/21/053/
>>2辺りに続く

以下の図2は、左図に1MV/cmの電場振幅を持つTHzパルスを試料(GaAs多重量子井戸)に
照射して得られた発光スペクトルと、右図に発光ピーク強度のTHzパルス励起強度依存性を
示したものだが、THzパルスで発生させた発光スペクトルと、可視光パルス励起(3.18eV:黒丸)に
よって観測された発光スペクトの形状が一致する。一般的には半導体からの発光を観測するため
には、試料のバンドギャップエネルギーよりも大きな光子エネルギーを持つ光照射によって、価電子
帯にある電子をバンドギャップエネルギー以上の電子状態に励起する必要があるが、今回の実験
で用いられたTHzパルスの持つ光子エネルギーは約4meVで、バンドギャップエネルギー(1.55eV)の
390分の1という小さな光子エネルギーに相当する。このことから、極端に小さな光子エネルギーで
電子をバンドギャップエネルギー以上の電子状態に遷移させたことを意味し、試料内で顕著な
非線形現象が誘起されていることが示唆された。

http://news.mynavi.jp/news/2011/12/21/053/images/012l.jpg
図2 (左図)1MV/cmの電場振幅を持つTHzパルスを試料(GaAs多重量子井戸)に照射して
得られた発光スペクトル。(右図)発光ピーク強度のTHzパルス励起強度依存性

これらの現象が起きるメカニズムとして、THzパルス照射によって試料内で衝突イオン化過程が
誘起されている可能性が高いと考えられるという。強電場によってバンド内で加速された電子が
バンド間エネルギーよりも高い運動エネルギーを持つとき、価電子帯の電子を伝導帯に励起して
電子と正孔を生成し、自身はエネルギーを失い低いエネルギー状態へと遷移するが、この過程
ではキャリア数を増大させることができる。このため今回、この衝突イオン化過程が1兆分の1秒と
いう超短時間の間に多段的に引き起こされることで、初期キャリア数が約1000倍増大されたと
考えられ、またこのモデルを基にした理論的な計算結果ともよい一致を示すことが判明したという。

http://news.mynavi.jp/news/2011/12/21/053/images/013l.jpg
図3 半導体GaAsのバンド構造における衝突イオン化過程とこれによるキャリア増幅過程の模式図

なお、研究グループでは、このような現象の応用として、ピコ秒もしくはテラビット(1012ビット)の光
信号に対して応答する超高速動作の光検出器やそれを制御する超高速トランジスタの開発に
つながることが期待されるとするほか、キャリア増幅が高速高倍率であることから、高効率な太陽
電池・発光素子などの開発にも、新たな指針を与えるものと期待されるとしている。

１兆分の１秒間の強電場パルス照射により、半導体の自由電子数を１千倍に増幅：
超高速トランジスタや高効率の太陽電池の開発に期待
独立行政法人 科学技術振興機構プレスリリース　平成２３年１２月２１日
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20111221/index.html

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また田中耕一さんかと思ってびっくりした

日本語でおｋ

よーし、仕分けするぞー。

バルス波

何かよう分からんが軍事兵器に転用しろ

まじビーム兵器

>>5
R4待て！

田中耕一郎さん又ノーベル賞かよ

固体内核融合にこの現象が関係している

これは、ミリ波や赤外線領域の電磁波を扱う上での画期的な成果になるかも。
発展すれば、天文学はおろか、各種の軍事技術・民生技術にも応用可能。

http://livedoor.3.blogimg.jp/hamusoku/imgs/4/c/4cbaad33.jpg
このプラカードを持っただけで、
ものすごい勢いで民主党のSPが集まって、参加者の胸をつかんで暴行する動画です。
http://www.nicovideo.jp/watch/sm16469460
2011.12.19 新橋駅前民主党街宣【反民主党プラカを持ってると隔離？】
http://www.youtube.com/watch?v=3X2r29iAgto&feature=watch_response

まじめな研究者になるなら京大だなやっぱ

なにっ！
電場振幅最大約1MV/cm、1兆分の1秒の強電場テラヘルツ光パルス照射で半導体の自由電子数を1000倍に増幅
だと!?こりゃ大ニュースだ！

読む気がしねぇｗ
これで何ができるようになるのか教えてくれ。

>>16
一応関連業界にいるが、判らんw

テラヘルツ光って、使い道がいまいちはっきりしない。他でもできるでしょ．．．って用途しか思いつかない。

>>16
たしかにw　俺も目がチラチラして読む気がしない。厨なラノベ以上に
現実は進んでいたのかと思うと胸熱w

>>16
1兆分の1でスイッチングできたら、通信速度が1TbpsのLANができるとか？

とにかく早く、それを応用したトランジスタを試作してみれ。

高感度光子検出器
ようするに研究分野だな

自由電子１０００倍って倍も電気使うのかよ、
そもそもコンピュータの足を引っ張っているのは絶縁性能の問題で
導電性能ではない。
絶縁できなければ電子量増やしたら絶縁できない部分から電子がリークして
無意味な電流が増えるのは目に見えている。
最先端でこれらを解決に導くのは絶縁そのものが不要なスピンエレクトロ
ニクスや、ナノフォトニクスへの技術飛躍だろ。

アバランシェ増倍か･･･
レンジが熱くなるな

太陽電池みたいなもんだろ。

1ＭＶ/cmって何が何がどう凄いの？テラヘルツ波長帯でそれができるようになって今後何がどう変わるの？
アバランシェ効果はデモンストレーションの一種でしょ。

>>1
テラワロスw

超宇宙線の観測センサでも作るのか？
超高速通信に役立つのか？

なにこれ
フォトトラとか光ゲートFETみたいなのに使えんの？

物質伝導体の一つだな、距離を飛び越え、通信も可能、電気ではだめで、エネルギー体からエネルギー補充で、可能　という空間次元通信だ　登記

>>２７への返答
物質伝導体の一つだな、距離を飛び越え、通信も可能、電気ではだめで、エネルギー体からエネルギー補充で、可能　という空間次元通信だ　登記