特集

2 次元半導体を用いたプラズモン制御技術

グラフェン

光検出器

テラヘルツ スエレクトロニク

グラフェンにおける超高速光−電気変換プロセスの解明
グラフェン光検出器は広帯域の光に対して高感度かつ高速に電気応答すると期待されており，既存半導体デバイスを超える性能を発揮する可能性があるとして近年注目されています．しかし，これまでゼロバイアス下における実証動作速度はデバイス構造や測定機器の問題で大きく律速されており，グラフェン本来の性質が調べられておらず動作原理が解明されていませんでした．本稿では，NTT研究所が開発した超高速グラフェン光検出器とその測定技術，そしてその結果明らかになった動作原理を紹介します .

かつまさ

吉岡克将

くまだのりお

熊田

わかむら

若村たろう

太郎

倫雄

NTT 物性科学基礎研究所

はデバイス構造や測定機器の問題によ由来する電流遅延を取り除き（図 1

り約70 GHz に制限されており，200（a）），電流読み出しにオンチップテラ

GHz を超えるという理論的期待に大ヘルツ分光技術（3）を適用しました（図光信号を電気信号に変換する光検出きく及んでいない状況でした．また，1（b））．光熱電効果を使ったグラフェ器は，情報通信，センサ等で利用されこれらの問題により，グラフェン本来ン光検出器においては，電荷密度にているあらゆる光技術のキーデバイスの応答が調べられておらず動作メカニ

よって光−電気変換効率が大きく変わです．既存の半導体デバイスが動作しズムが不明瞭であるために，グラフェることが知られています．したがって，ない広帯域の光に対して高速で動作す

ン光検出器の性能を最大限引き出すた

電荷密度を制御するためのゲート構造る光検出器を実現することができれめの設計指針が確立されていませんでをデバイスにつくり込む必要がありまば，これまでに利用されていない波長した．したがって，200 GHz の動作速す．ゲート電極は良導体である必要が帯を使った広帯域通信や，さまざまな度を実証するとともに，グラフェンにあるため，一般的に金などの金属材料波長領域の光センサを使った高度な情おいてどのようなプロセスによって光を使用しますが，これによってグラフェ報処理といった新しい技術の発展が可信号が電気信号に変換されているのかンとゲート電極間の静電結合に由来す能になります．グラフェンは，これらといった本質的な物性を明らかにするる電流遅延が生じてしまうために，グの要求を満たすと期待されている有望ことが，グラフェン光検出器のさらなな材料です ．これまでのグラフェンる発展に向けて課題となっていました．

光−電気変換素子としてのグラフェン（1）

光検出器に関する研究により，テラヘルツ波から紫外光までの超広帯域 ＊ 1で動作すること，わずか原子一層で（2）よる超高速光電流検出
グラフェン光検出器における超高速が可能であることが示されています．

光−電気変換の実現には，光照射のオを用いること

ン・オフに光電流が遅延なく追随できで，消費電力および信号雑音比の観点るデバイス構造と，その電流を高速でで応用に向けて必要とされるゼロバイ読み出す技術が必要となります．そのが実現されています．しために，酸化亜鉛（ZnO）薄膜をゲーかし，ゼロバイアス下の実証動作速度

ト材料として用いることで静電結合にアス動作＊3＊22023.3＊1

新規デバイス構造と測定手法に2.3％もの光を吸収するため高効率化
さらに，光熱電効果

20

よしおか

＊2＊3超 広帯域：一般的な半導体光検出器の場
合，材料固有のバンドギャップ以下の光を吸収できないため，長波長（シリコンの場合は 1 µm 程度以上）の光に対して感度がありません．一方，グラフェンはゼロバンドギャップであるため，テラヘルツ波（波長：〜 1 mm）に対しても感度があります．
光 熱電効果：ゼーベック係数（温度差と電圧の関係を表す係数）の異なる物質の接点に温度差をつけた際に電圧が生じる現象が熱電効果です．特に，光照射によって温度を変化させる場合を光熱電効果と呼びます．
ゼ ロバイアス動作：ソース ・ ドレイン電極間に電圧を印加しないで行う動作を指します．特に，グラフェンではソース ・ ドレイン電圧を印加すると大きな電流が流れてしまうため，ゼロバイアス動作が必須と考えられています．

特集Ήͤɿとが可能になりました．

グラフェンにおける光−電気変換プロセスの全貌
図 2（a）は作成したデバイスの中でもっとも速い応答を示した光電流の実（a）グラフェン光検出器の模式図．グラフェンを絶縁体である六方晶窒化ホウ素（hBN）で挟んだ(a) 䜾䝷䝣䜵䞁ග᳨ฟჾ䛾ᶍᘧᅗ䠊䜾䝷䝣䜵䞁䜢⤯⦕య䛷䛒䜛භ᪉ᬗ❅໬䝩䜴⣲䠄hBN䠅䛷ᣳ䜣䛰䜒䛾䛻䠈㔠
ものに，金属のソース，ドレイン電極を接続しています．表面をアルミナ（Alᒓ䛾䝋䞊䝇䠈䝗䝺䜲䞁㟁ᴟ䜢᥋⥆䛧䛶䛔䜎䛩䠊⾲㠃䜢䜰䝹䝭䝘䠄Al2O3䠅⤯⦕⭷䛷そ䛳䛯ᚋ䠈㓟໬ள㖄䠄ZnO䠅
2O3）絶縁膜で覆っ䜢䝀䞊䝖䛸䛧䛶ᡂ⭷䛧䜎䛧䛯䠊
た後，酸化亜鉛（ZnO）をゲートとして成膜しました．

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時間波形を示しています．これをフーリエ変換することにより，光電流の各周波数成分を調べたのが図 2（b）です
が，これにより作成したグラフェン光検出器の 3 dB 帯域幅が220 GHz に達することが分かりました．この値は，これまでに報告されている70 GHz よΆοΫͽω↚㥭≋⚹↚ὮⱟΏͺΙΗΓϒΏ杌㧆（b）オンチップテラヘルツ分光回路の顕微鏡写真．グラフェン光検出器にポンプ光を照射することで生䜸䞁䝏䝑䝥䝔䝷䝦䝹䝒ศගᅇ㊰䛾㢧ᚤ㙾෗┿䠊䜾䝷䝣䜵䞁ග᳨ฟჾ䛻䝫䞁䝥ග䜢↷ᑕ䛩䜛䛣䛸䛷⏕䛨䛯ග㟁ὶ䛿䝗䝺䜲䞁㟁(b)ᴟ䜢ఏᦙ䛧䠈ගఏᑟ䝇䜲䝑䝏䛻䝥䝻䞊䝤ග䜢↷ᑕ䛩䜛䛣䛸䛷᳨ฟ䛥䜜䜎䛩䠊
じた光電流はドレイン電極を伝搬し，光伝導スイッチにプローブ光を照射することで検出されます．

図1

りも 3 倍以上高速であり，200 GHzを超えるという理論的期待を達成していることから，デバイス構造や測定手

超高速光‒電気変換の測定系

法に律速されないグラフェン本来の応ᅗ1 ㉸㧗㏿ග–㟁Ẽኚ᥮䛾

答を初めて引き出すことに成功したとᐃ⣔

ラフェン光検出器の動作速度を律速し術を用いることにより，前述のグラフェ結論付けることができます．そこで，てしまうことになります．そこで，本ン光検出器が実現する非常に高速な応得られた光電流の動的応答がどのよう研究では成長条件によって高周波応答答の計測を可能にしました．この手法な物理プロセスによって決まっているを制御することのできる ZnO 薄膜をでは，オンチップで光伝導スイッチをのかを調べるために，まず光電流の減ゲート電極材料として用いることでことおして電流を検出することにより，衰時間に着目してグラフェンの移動度の問題を解決しました．一般的な金属～ 1 THz に迫る測定帯域を実現してが異なる複数のデバイスを作成し，各材料では良導体であると同時にテラヘいます．図 1（b）に示すとおり，グラデバイスの減衰時間とゼーベック係数

ルツ領域の高周波信号を反射してしま

フェン光検出器にポンプ光（フェムトを比較しました（図 3 ）．その結果，うことが原因で電流遅延が生じます．

秒レーザーパルス）を照射することでグラフェンの移動度が低いほど減衰時

これに対して ZnO 薄膜を使うと，直生じた光電流は，ドレイン電極を伝搬間が短くなるということが分かりまし流信号に対して良導体でありながらテし，光伝導スイッチに到達します．光

た．これにより，グラフェンの光電流ラヘルツ領域の高周波信号に対して透伝導スイッチはプローブ光（同じくフェの減衰は，光照射によって高くなった明となる特異な状況をつくり出すことムト秒レーザーパルス）が当たっていグラフェン中の電子温度が，欠陥を介ができるため，グラフェンの電荷密度る瞬間のみ良導体になるため，グラした音響フォノンとの衝突によって低を制御しながらも，電流遅延を生じさフェンから生じた光電流と，プローブ下していくことによって起こることがせないという一石二鳥の状況をつくり光のタイミングが重なっているときだ

分かりました．移動度が低く欠陥が多出すことができます ．これにより，け電流計に信号が流れます．したがっい試料のほうが，一度の衝突で失うエ

光照射のオン・オフに光電流が遅延なて，ポンプ光とプローブ光の時間差をネルギーが大きいために減衰時間が短く追随できるデバイス構造を実現する

時々刻々と変化させることで，連続的くなり，より高速な光検出器が作成でことができました．光電流の読み出しなストロボ撮影のように，光電流の波きるという仕組みです．一方，光検出には，一般的には高速のオシロスコー

形を極めて高い時間分解能で計測する器の感度に対応するゼーベック係数はプ等が用いられますが，エレクトロニことが可能になります．これらのとお移動度が高いほど大きくなっているこ

クスの帯域制限により100 GHz を超り，デバイス構造および測定方法を工とから，グラフェン光検出器においてえる高速な応答を測るのは困難です．

夫することで，グラフェンにおける超応答速度と検出感度の間にはトレード

そこで，オンチップテラヘルツ分光技

高速光−電気変換プロセスを調べるこ

オフの関係があることが分りました．

（4）

2023.321

特集

2 次元半導体を用いたプラズモン制御技術

図2

動作速度220 GHzの実証ͤɿ吓呎吰吚吆ಀᩘ

るか，②光照射後，光電流が発生するまでの時間が変化しているか，のどちらかであると考えられます．そこで，①の効果を確かめるために，図 4（b）(µV/K)に示したとおり，デバイスの長さやポンプ光の照射位置を変えながらピークシフトを計測することで，電流の伝搬が原因であるかどうかを調べました．
その結果，すべての結果が同一直線上

ῶ⾶᫬㛫に乗ることから（図 4（c）），グラフェ(ps)

きないほど短く，ピークシフトの原因ンにおける光電流の伝搬時間は観測では①ではなく②にあるということが分かりました．この早さの原因はグラフェンがギャップレスであることに起⛣ືᗘ ×105 (cm2/Vs)

因します．この場合，発生した電流自䠄ୖ䠅䝊䞊䝧䝑䜽ಀᩘ䠄ឤᗘ䛾ᣦᶆ䠅䠊䜾䝷䝣䜵䞁୰䛾㟁Ꮚᩓ஘䛜ᑠ䛥䛟䠈⛣ືᗘ䛜㧗䛔䛸䛝䛻ឤᗘ䛜㧗䛟䛺䜚䜎䛩䠊

身は伝搬せずとも，電極近傍に元々存䠄ୗ䠅ῶ⾶᫬㛫䠄ືస㏿ᗘ䛾㏫ᩘ䠅䠊⛣ືᗘ䛜㧗䛟䛺䜛䛸䠈Ḟ㝗䜢௓䛩䜛ᩓ஘䛜ῶᑡ䛧⦆࿴᫬㛫䛜ቑຍ䠄㏿ᗘ䛜పୗ䠅䛧䜎䛩䠊

図3

検出感度と動作速度のトレードオフ
ᅗ3 ᳨ฟឤᗘ䛸ືస㏿ᗘ䛾䝖䝺䞊䝗䜸䝣22

在する電子を，光照射によってつくられた電場が光の速さで伝わって押し出すことで電流が生じるため，伝搬を待したがって，実際に光−電気変換素子ているのかを調べるために，光電流のたずして瞬時に電流が流れることがでとして応用を考える場合には，応答速電荷密度依存性を調べました（図 4

きます．さらに，光電流の発生時間が度が求められる場合には移動度の低い（a））．その結果，電荷密度が減少する

変化する理由は，光熱電効果が電子温グラフェンを，検出感度が求められるにつれてピークの位置が約 4 ピコ秒遅度を電圧に変換する効果であるのを踏場合には移動度の高いグラフェンを使れることが分かりました．このようなまえることで説明できます．すなわち，うといった具合に，使用用途に合わせ巨大なピークシフトは前例がなく，光光照射直後の非平衡な電子状態が，バてグラフェンの移動度を最適化する必−電気変換プロセスを解明するうえでンド内電子−電子散乱を通じてフェル要があることが分かりました．

重要な手掛かりになります．その原因

ミ・ディラック分布 ＊ 4 に落ち着くこ

続いて，光電流の発生および伝搬のの候補は 2 つあり，①グラフェン中をと，そしてこの熱平衡化にかかる時間応答がどのようなメカニズムで決まっ電流が伝搬している時間が変化していがグラフェンの電荷密度によって大き2023.3

特集(a)め，プラズモン回路の実現に向けて大䜾䝷䝣䜵䞁㟁Ⲵᐦᗘ
኱: 1.4×1016/m2

きな一歩が踏み出せると期待していᑠ: ࠥ0/m2ます．
㟁ὶ ௵(ព༢఩ )■参考文献

時間 (ps)
（ps）
㚓旤(c)

(b)

含呎吆后听吟(ps)ᑠ䊹㟁Ⲵᐦᗘ䊻኱䠄a䠅 䜾䝷䝣䜵䞁୰䛾㟁Ⲵᐦᗘ䜢ୗ䛢䛶䛔䛟䛸䠈ග↷ᑕᚋ䛻㟁ὶ䝢䞊䜽䛸䛺䜛᫬㛫䛜4 ps㐜䛟䛺䜚䜎䛩䠊䠄b䠅ᐃ㓄⨨䛾ᶍᘧᅗ䠊㟁ὶ䛿ୗ䛾䝗䝺䜲䞁㟁ᴟ䛛䜙ᘬ䛝ᢤ䛔䛶䛔䜎䛩䠊䠄c䠅 䝢䞊䜽䝅䝣䝖䛿䜾䝷䝣䜵䞁䛾㛗䛥䜔䝇䝫䝑䝖఩⨨䛻౫Ꮡ䛧䜎䛫䜣䠊

図4

光電流応答時間の電荷密度依存性
ᅗ4 ග㟁ὶᛂ⟅᫬㛫䛾㟁Ⲵᐦᗘ౫Ꮡᛶ

く変化することを明らかにしました．

積で成膜されたグラフェンの品質は剥以上の結果により，グラフェンに光が離によって得られたものより劣ります

照射されたとき，どのように光電流がが，成膜技術の発展により，その差は発生し，グラフェン中を伝わり，減衰年々縮まっています．今後，量産化をするのかという超高速光−電気変換プ可能にする大面積グラフェンを用いたロセスの全貌を明らかにすることに成光検出器の評価を行いたいと考えてい功しました ．

ます．また，グラフェンをはじめとす（₅）

今後の展開

る 2 次元物質（単層または数層の原子層物質）を積層することで自然界に存今回の成果により，広帯域高速光検在しない物質を創造する研究がさかん出器としてのグラフェンの潜在能力のに行われており，この技術を駆使する高さが示されました．しかし，今回実ことでさらなる高速動作を実現する物

験に使用したグラフェンはグラファイ質の探索を行いたいと考えています．

トから手作業で剥離したものであり，さらに，本研究を応用することで，テ量産化には不向きです．一般的に大面ラヘルツ領域のグラフェンプラズモンの生成，伝搬制御，検出が可能になり＊4（1） M. Romagnoli, V. Sorianello, M. Midrio, F. H.
L. Koppens, C. Huyghebaert, D. Neumaier,P. Galli, W. Templ, A. DʼErrico, and A. C.
Ferrari: “Graphene-based integrated photonics for next-generation datacom and telecom，” Nature Reviews Materials, Vol. 3,No. 10, pp. 392‒414, Oct. 2018.
（2） S. Marconi, M. A. Giambra, A. Montanaro, V.
Mišeikis, S. Soresi, S. Tirelli, P. Galli, F.
Buchali, W. Templ, C. Coletti, V. Sorianello,
and M. Romagnoli: “Photo thermal effect−graph ene detector featuring 105 Gbit s 1−1
NRZ and 120 Gbit s PAM4 direct detection,” Nature Communications, Vol. 12, No.
1, p. 806, Dec. 2021.
（3） K. Yoshioka, N. Kumada, K. Muraki, and M.
Hashisaka: “On-chip coherent frequencydomain THz spectroscopy for electricaltransport,” Applied Physics Letters, Vol.
117, No. 16, p. 161103, Oct. 2020.
（4） N. H. Tu, K. Yoshioka, S. Sasaki, M. Takamura, K. Muraki, and N. Kumada: “Activespatial control of terahertz plasmons ingraphene,” Communications Materials, Vol.
1, No. 1, p. 7, Dec. 2020.
（5） K. Yoshioka, T. Wakamura, M. Hashisaka, K.
Wata nabe, T. Taniguchi, and N. Kumada: “Ultrafast intrinsic optical-to-electricalconversion dynamics in a graphene photodetector,” Nature Photonics, Vol. 16, No. 10,
pp. 718‒723, Oct. 2022.

フ ェルミ ・ ディラック分布：電子系が熱力学的平衡状態にあり，電子温度を定義できる状態であることを指しています．

ます．これにより，オンチップでプラズモン信号を扱うことが可能になるた（左から）吉岡 克将 / 若村 太郎 /熊田 倫雄エレクトロニクスとフォトニクスの技術はそれぞれ高度に発展した技術体系ですが，本稿で紹介した光－電気変換のように， ₂ つの技術の融合領域にはまだ見ぬ可能性が眠っていると考えています．
引き続き新しい価値を創出すべく不断の努力を重ねていきます．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
量子固体物性研究グループ
TEL 046-240-3329
E-mailkatsumasa.yoshioka.ch2023.3

hco.ntt.co.jp

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