Планарные плазмонные кристаллы как среда для обработки терагерцовых сигналов

Содержание
Терагерцовые электромагнитные волны
Двумерные плазмоны в полупроводниковых структурах
Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Выводы

http://www.rezonator.net/gipotezy-i-teorii/teoreticheskie-osnovy-chast-2
Электромагнитный спектр

Применения терагерцового излучения
Биология и медицина:
молекулярные сенсоры
Обнаружение и идентификация взрывчатых и вредных химических
и биологических веществ
Неразрушающая дефектоскопия
Терагерцовая томография
Антитеррористический контроль
А ТАКЖЕ:
Метеоконтроль
Радиоастрономия
Диагностика термоядерной плазмы
Радары высокого разрешения
Направленная (скрытая) связь
Беспроводные межсоединения в интегральных схемах
Мобильный Интернет
Терагерцовое излучение сравнительно БЕЗВРЕДНО для человеческого организма!

Терагерцовая щель
Electronics
From: M. Tonouchi, Nature Photon. 1, 97 (2007)

частоты плазмонов в двумерных электронных системах находятся в терагерцовом частотном диапазоне
классический характер плазменных колебаний – нет квантовых ограничений в терагерцовом диапазоне
плазмонный отклик может быть как широкополосным, так и частотно-селективным
возможность широкой электрической перестройкой частоты плазмонного резонанса
возможность электрического считывания и возбуждения плазмонного отклика
плазмонный отклик является быстродействующим
Плазмоны в двумерных электронных системах

Содержание
Терагерцовые электромагнитные волны
Двумерные плазмоны в полупроводниковых структурах
Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Выводы

3D
-
+
2D
(неэкранированные)
d
2D
(экранированные)
2DEG
2DEG
Дисперсионные соотношения
для плазменных волн

Плазмонные моды в полевом транзисторе
с 2D электронным каналом
R.H. Ritchie, PR (1957)
F. Stern, PRL (1967)
Межконтактные 2D плазмоны
Подзатворные 2D плазмоны (kd << 1)
А.В. Чаплик, ЖЭТФ (1972)
M.Dyakonov, M.Shur, PRL (1993)
k
k
S>>Vdrift (!!!)
S
D
G
w
L
d
2D электронный канал

InGaAs гетеротранзистор с 2D электронным каналом
для генерации ТГц излучения
Коллектив разработчиков
Институт радиотехники и электроники РАН, г.Саратов, Россия
Университет г.Монпелье, Франция
Институт электроники, микроэлектроники и нанотехнологии, г.Лилль, Франция
Политехнический институт Ренсселаера г.Троя, США
60 нм
затвор
Lusakowski, Teppe, Dyakonova, Meziani, Knap, Parenty,
Bollaert, Cappy, Popov, Shur / physica status solidi-a (2005)

Размер обычного одиночного плазмонного транзистора гораздо меньше площади поперечного сечения ТГц пучка
Минусы одиночного транзистора:
Рабочие частоты малы
Плазмоны слабо связаны с ТГц излучением
Необходим антенный элемент
HEMT
Поперечное сечение
ТГц пучка
Недостатки транзисторов с одиночным затвором

Содержание
Терагерцовые электромагнитные волны
Двумерные плазмоны в полупроводниковых структурах
Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Выводы

Структура полевого транзистора с 2D электронным каналом и решеточным затвором большой площади
Вид сверху СТМ
Вид сверху
оптическая микрофотография

Электродинамическое описание транзисторной структуры
с решеточным затвором и 2D электронным каналом
Шаг 1: Фурье-гармоники продольного электрического поля в плоскости канала и затвора
Шаг 2: Материальные уравнения
Шаг 3: Система интегральных уравнений в плоскости затвора и 2D плазмы
Шаг 4: Процедура Галеркина

Плазмонные резонансы в AlGaN/GaN полевом транзисторе с узкощелевым решеточным затвором
Частота, TГц
Коэффициент поглощения
0.1 µm
0.3 µm
Grating-slit width: 0.5 µm
Ширина затворного электрода 1 мкм
T = 300 K
1 – 77K; 2 – 120K
3 – 170K; 4 – 295K
w = 1.1 мкм; s = 0.4 мкм
Площадь затвора 2х2 мм
Эксперимент
Теория
A.V. Muraviev et al. APL (2010)
В.В. Попов, Г.М. Цымбалов, Т.В. Теперик, Д.В. Фатеев, М.С. Шур // Известия РАН. Серия физическая, 2007

Плазмонные моды в структуре полевого транзистора с пространственно периодическим 2D электронным каналом Интенсивность плазмонного резонанса падает на два порядка величины при обеднении межконтактных областей 2D канала
Резонансные возбуждения межконтактных плазмонов могут значительно усилить подзатворные плазмонные резонансы
Д.В. Фатеев, В.В. Попов, M.S. Shur // ФТП, 2010
Подзатворный плазмон
Межконтактный плазмон
14

Плазмонные резонансы в структуре с
решеточным затвором на мембранной подложке
V.V. Popov, D.V. Fateev, O.V. Polischuk, M.S. Shur // Optics Express, 2010
В структуре с мембранной подложкой подавляется отраженная ТГц волна
В структуре с мембранной подложкой коэффициент связи плазмонов с ТГц волной увеличивается в два раза по сравнению со структурой на объемной подложке

Содержание
Терагерцовые электромагнитные
Двумерные плазмоны в полупроводниковых структурах
Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором
Выводы

Плазмонное детектирование ТГц излучения
Нерезонансное детектирование:
Резонансное детектирование:
Гидродинамические уравнения:
L
Постоянный ток увеличивает
амплитуду детектирования
Постоянный ток уменьшает
затухание плазменной волны
время релаксации плазмона
D. Veksler et al. (2006)
M. Dyakonov, M Shure // IEEE Trans., 1996

Фотоотклик транзисторной структуры с решеточным затвором и
пространственно-периодическим 2D электронным каналом
Эффекты увлечения электронов 2D плазмонами и электрострикция 2D электронной плазмы включены в число основных достижений Российской академии наук за 2006 и 2007 годы.
G.R Aizin, D.V. Fateev, G.M. Tsymbalov, V.V. Popov // Appl. Phys. Lett., 2007

Measured Photoresponse
240 GHz
LG1/LG2=100/300 nm
VthG2
VG1=0
VG2=0
VthG1
X.G. Peralta et al. APL (2002)
E.A. Shaner et al, APL (2005)
T = 300 K (Nonresonant detection)
T = 20 K (Resonant detection)
Responsivity
200 mV/W
Slit-grating gate:
K.V. Maremyanin, D.M. Ermolaev, D.V. Fateev,
C.V. Morozov, N.A. Maleev, V.E. Zemlyakov,
V.I. Gavrilenko, V.V. Popov, S.Yu. Shapoval,
Tech. Phys. Lett. (2010)
D. Coquillat et al. Opt. Exp. (2010)

Транзисторная структура с двойным решеточным затвором и 2D электронным каналом
2D электронный канал
решеточный затвор

Терагерцовая фоточувствительность транзисторной двухрешеточной структуры

Терагерцовая фоточувствительность транзисторной двухрешеточной структуры
Responsivity, V/W

Сравнительные характеристики неохлаждаемых детекторов ТГц диапазона

Выводы
Двумерная электронная система с решеточным затвором образует планарный плазмонный кристалл, в котором возбуждаются интенсивные и высокодобротные коллективные плазмонные моды
Плазмонные моды эффективно возбуждаются падающим ТГц излучением в транзисторных структурах с узкощелевым решеточным затвором на мембранной подложке в широкой полосе частот
Полевой транзистор с решеточным затвором и 2D электронным каналом может использоваться для детектирования ТГц излучения без использования дополнительных антенных элементов.
Использование геометрически асимметричной ячейки в транзисторной в структуре с двойным решеточным затвором приводит к росту ТГц фоточувствительности на два порядка величины и выше.

Спасибо за внимание
Проект «Детектирование и генерация терагерцового излучения на основе плазмонных эффектов в массивах нанотранзисторов и транзисторных решетках с двумерным электронным газом»
Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов».
Проект РФФИ № 09-02-00395 по теме «Взаимодействие терагерцового излучения с плазменными волнами в гетероразмерных и многоканальных нанотранзисторах».
Совместный российско-французский проект РФФИ­НЦНИ Франции № 10-02-93120 «Плазмонные явления и детектирование терагерцового излучения в периодических транзисторных структурах с асимметричной элементарной ячейкой».
Совместный российско-японскому проекту РФФИ­ЯФ № 11-02-92101 «Исследование электромагнитной связи плазмонов с терагерцовым излучением в полупроводниковых наноструктурах».
Лаборатория входит в состав Международного научного объединения (ЕНО) «Полупроводниковые источники и детекторы в области терагерцовых частот».