ジグザグ配線した光アンテナで環境に優しい高感度赤外線検出器を実現

~量子井戸の電流をアンテナの共鳴で増強　室温動作する高感度検出器の実現に道~

2020.02.04

国立研究開発法人　物質・材料研究機構 (NIMS)

NIMSは、多数の光アンテナをジグザグ配線で接続した独自の構造を用い、実用レベルの高い感度を持ち、毒性の低い赤外線検出器を実現しました。長い間用いられてきた水銀やカドミウムを含む冷却式の高感度検出器に置き換わり、ガス分析や赤外線カメラに応用されることが期待されます。

概要

  1. NIMSは、多数の光アンテナをジグザグ配線で接続した独自の構造を用い、実用レベルの高い感度を持ち、毒性の低い赤外線検出器を実現しました。長い間用いられてきた水銀やカドミウムを含む冷却式の高感度検出器に置き換わり、ガス分析や赤外線カメラに応用されることが期待されます。
  2. ガス分子の多くは赤外域に分子固有の吸収スペクトルを持つため、赤外線は、大気環境中に含まれるガスの分析において重要な役割を果たしています。特にNOx、SOxなど、大気汚染ガスの計測に重要な波長5~10 μmの赤外線の高感度検出には、これまで水銀カドミウムテルライド検出器が用いられてきました。しかし、欧州連合のRoHS指令や近年発効した水俣条約により、有毒な水銀やカドミウムを使い続けることは困難になっており、毒性が低く高感度な赤外線検出器が求められていました。
  3. 今回、研究チームは、低毒性材料でできた量子井戸を組み込んだ光アンテナをジグザグ配線で接続することにより、従来の検出器に匹敵する高い感度を持つ赤外線検出器を実現しました。本検出器では、厚さわずか4 nmの量子井戸が赤外線を電流に変換します。光アンテナが入射光で共鳴すると、その電流を大きく増強できますが、電流を取り出すために配線を接続すると、アンテナの共鳴状態は乱されてしまいます。本研究では、配線をジグザグに折り曲げて、電磁場が配線を伝わる時間を正確に調整することで、すべてのアンテナの共鳴を維持したまま大きな電流を取り出すことに成功しました。
  4. 本検出器では、量子井戸も光アンテナも各部の寸法で特性が決まりますので、設計に大きな自由度があります。今後、高感度で室温動作する究極の赤外線検出器の実現を目指して、開発を加速して行きます。また、ジグザグ配線でつないだ光アンテナは、赤外線検出器に留まらず、赤外光源など様々なデバイスの重要な基盤構造になるものと期待されます。
  5. 本研究は、物質・材料研究機構 機能性材料研究拠点 宮崎英樹グループリーダー、間野高明主幹研究員らの研究チームと、日本大学、東北大学の共同研究によるものです。本研究は、日本学術振興会 (JSPS) 科学研究費助成事業 (15H02011, 17H01275, 19H00875) 、池谷科学技術振興財団の支援により行われました。
  6. 本研究成果は、Nature Communications誌にて日本時間2020年1月28日にオンライン掲載されました。また、応用物理学会春季学術講演会 (上智大学、2020年3月13日) にて口頭発表します。
「プレスリリース中の図 : (a) 開発した赤外線検出器の走査電子顕微鏡写真。(b) 構造の説明図。中央に量子井戸層を有する半導体層の上下を金で挟み込んでいる。(c) 様々な検出器温度での感度スペクトル。」の画像

プレスリリース中の図 : (a) 開発した赤外線検出器の走査電子顕微鏡写真。(b) 構造の説明図。中央に量子井戸層を有する半導体層の上下を金で挟み込んでいる。(c) 様々な検出器温度での感度スペクトル。

掲載論文

題目 : Synchronously wired infrared antennas for resonant single-quantum-well photodetection up to room temperature
著者 : Hideki T. Miyazaki, Takaaki Mano, Takeshi Kasaya, Hirotaka Osato, Kazuhiro Watanabe, Yoshimasa Sugimoto, Takuya Kawazu, Yukinaga Arai, Akitsu Shigetou, Tetsuyuki Ochiai, Yoji Jimba (Nihon Univ.), and Hiroshi Miyazaki (Tohoku Univ.)
雑誌 : Nature Communications
掲載日時 : 英国時間2020年1月28日10時 (日本時間28日19時)
DOI : 10.1038/s41467-020-14426-6

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本件に関するお問合せ先

(研究内容に関すること)

国立研究開発法人 物質・材料研究機構
機能性材料研究拠点　光機能分野
プラズモニクスグループ　グループリーダー (センサ・アクチュエータ研究開発センター併任) 　
宮崎　英樹 (みやざき　ひでき)
TEL: 029-860-4716
E-Mail: MIYAZAKI.Hideki=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

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