量子ドット・井戸を利用したTHz波チューナー実用化に向けた試み
広島市立大学

大学院情報科学研究科
システム工学専攻
准教授 福島 勝
令和２年１２月１５日
1

解決すべき課題
ネットワークの高度化やセンサー技術の進歩による IoT の拡大に伴い、今後、データ流通量の爆発的増加への対応が必要とされる。

IoT の例

データ流通量爆発的増加の実例 :大学でも、COVID19 によるオンライン授業開始時の4-5月、昨今のクラウド化の影響もあり、通信トラフィックが増大し、授業に支障をきたしたとのニュースがあった。

IoT : Internet of Things2解決すべき課題
ネットワークの高度化やセンサー技術の進歩による IoT の拡大に伴い、今後、データ流通量の爆発的増加への対応が必要とされる。

解決策
通信手段、一般に関しては、(1) 通信規格の高速化
特に、無線通信手段に関しては、(2) ( 5G に代表される ) 高速化(3) 通信情報の多重化(4) 通信可能周波数の拡大
3本技術で採る解決策
本件は、(4) として、テラヘルツ波の利用 を目指すアプローチの一翼を担う技術である。

解決策
通信手段、一般に関しては、(1) 通信規格の高速化
特に、無線通信手段に関しては、(2) ( 5G に代表される ) 高速化(3) 通信情報の多重化(4) 通信可能周波数の拡大
4本技術で採る解決策
本件は、(4) として、テラヘルツ波の利用 を目指すアプローチの一翼を担う技術である。

テラヘルツ :
1 THz = 1012 Hz( 波長 ～ 300 μm )テラヘルツ波 :10 THz ～ 100 GHz( 波長 30 μm ～ 3 mm )環境省より ( Nov. 24/20 )https://www.env.go.jp/chemi/rhm/h29kisoshiryo/h29kiso-01-03-05.html

5本技術で採る解決策
本件は、(4) として、テラヘルツ波の利用 を目指すアプローチの一翼を担う技術である。
テラヘルツ波の欠点 ( 代表的なもののሶ みሶ )・ 効率的な検出器や発振器が無い。
・ 波長が電波より短いため、障害物に弱い ( 光に近い )。
⇒ 直線で使える用途に利用 ( 人工衛星の利用 )。
・ 大気中の水の吸収領域が存在する。
⇒ 水の吸収領域を避ける。
テラヘルツ波の利用例 ( 長所の利用 )・ 爆薬・麻薬などの検知
6本技術で採る解決策
本件は、(4) として、テラヘルツ波の利用 を目指すアプローチの一翼を担う技術である。
テラヘルツ波の欠点 ( 代表的なもののሶ みሶ )・ 効率的な検出器や発振器が無い。

本件は、テラヘルツ波の利用に関し、その検出、および、同調 ( チューニング ) に関わる技術の提案である。

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具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

本件は、テラヘルツ波の利用に関し、その検出、および、同調 ( チューニング ) に関わる技術の提案である。

8具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

量子サイズ効果

産総研より ( Nov. 24/20 )https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2009/pr20090217/pr20090217.html

9具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

量子ドット
特徴 :
人工原子とも言える電子構造をもつ( 人工原子 : Artificial atom )青木 秀夫、東京大学大学院 理学系研究科・理学部、量子井戸と量子ドット、
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/story/newsletter/keywords/12/01.html, (参照 2020-02-02)10水素原子の発光

11具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

量子ドット

𝑉(𝑥)

𝐸𝑛+1𝑉(𝑥)𝐸𝑛0𝑙𝐸𝑛+1𝐸𝑛0𝑙12具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

量子ドット

𝑉(𝑥)

𝑉(𝑥)

𝐸𝑛+1𝐸𝑛0𝑙

0

𝐸𝑛+1𝑙
𝐸𝑛
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具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に∆𝐸 ( = En+1 － En )電場を印加すること( 準位間エネルギー )16141210864200-20-40-60-80a ( 電場の傾き )で実現する。

量子ドット𝑉(𝑥)-1000𝐸𝑛+1𝑙𝐸𝑛14具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加すること① 量子ドットの直径 𝑙𝑙2 ℏ2 𝜋 2𝑛𝐸𝑛0 =2𝑚𝑒 𝑙 2で実現する。

② 与える電圧 𝐸𝑉

𝐸 = 𝑒𝐸𝑉③ 電圧の精度
1 cm15具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加すること① 量子ドットの直径 𝑙で実現する。

10 nm② 与える電圧 𝐸𝑉2 ℏ2 𝜋 2𝑛𝐸𝑛0 =2𝑚𝑒 𝑙 2

𝐸 = 𝑒𝐸𝑉③ 電圧の精度
1 cm
16具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加すること① 量子ドットの直径 𝑙10 nm
1 mV

2 ℏ2 𝜋 2𝑛𝐸𝑛0 =2𝑚𝑒 𝑙 2で実現する。

② 与える電圧 𝐸𝑉

𝐸 = 𝑒𝐸𝑉③ 電圧の精度
1 cm17具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加すること① 量子ドットの直径 𝑙10 nm
1 mV

2 ℏ2 𝜋 2𝑛𝐸𝑛0 =2𝑚𝑒 𝑙 2で実現する。

② 与える電圧 𝐸𝑉

𝐸 = 𝑒𝐸𝑉③ 電圧の精度
1 cm
1 kV18具体的手段
本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加すること① 量子ドットの直径 𝑙10 nm
1 mV

2 ℏ2 𝜋 2𝑛𝐸𝑛0 =2𝑚𝑒 𝑙 2で実現する。

② 与える電圧 𝐸𝑉

𝐸 = 𝑒𝐸𝑉③ 電圧の精度
1 cm
1 kV

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具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

具体的素子構造( 半導体は冷却を要す。
概算で－20 ℃くらいなので、ペルチェ素子などで十分と予想。)

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具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

具体的素子構造( 量子井戸の場合 )21

具体的手段本件では、テラヘルツ波の検出、および、そのチューニングに、量子ドット、あるいは、量子井戸 を利用する。
周波数チューニングは、量子ドット、あるいは、量子井戸に電場を印加することで実現する。

具体的素子構造( 量子ドットの場合 )22

本技術の特徴・ 量子ドット、あるいは、量子井戸の利用は、主に、固体導体内部のナノサイズ半導体アグリゲーションの利用が検討されている。

・ これに対して、本件では、( 電磁波のアンテナとしても利用するため )量子ドット、および、量子井戸の表面構造の利用を目指す技術である。
・ さらに、量子ドット、あるいは、量子井戸の人工原子的性質を利用し、その電子状態を外部電場で制御する手法により、電磁波のチューニング を実現する技術である。
化合物半導体アグリゲーション

導体 or 半導体

青木 秀夫、東京大学大学院 理学系研究科・理学部、量子井戸と量子ドット、
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/story/newsletter/keywords/12/01.html, (参照 2020-02-02)23実用化に向けた課題
テラヘルツ波の欠点 ( 代表的なもののሶ みሶ )・ 効率的な検出器や発振器が無い。
・ 波長が電波より短いため、障害物に弱い ( 光に近い )。
⇒ 直線で使える用途に利用 ( 人工衛星の利用 )。
・ 大気中の水の吸収領域が存在する。
⇒ 水の吸収領域を避ける。

企業への期待下記既存技術の適用先としてご検討頂きたい。
・ 超微細加工技術
・ 半導体薄膜製造技術
・ 高安定化電源
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：ミリ波・遠赤外光同調器及びミリ波・遠赤外光同調方法• 出願番号 ：特願2020-052274• 出願人：公立大学法人広島市立大学• 発明者：福島勝、藤坂尚登、杉廣紀之、
宮崎有希那、中村伊吹
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お問い合わせ先
広島市立大学
社会連携センター
ＴＥＬ 082－830 － 1545
ＦＡＸ 082－830 － 1555
e-mail office-shakai＠m.hiroshima-cu.ac.jp

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