Планарные плазмонные кристаллы как среда для обработки терагерцовых сигналов Фатеев Д.В. Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, лаборатория фотоники, г. Саратов Лаборатория «Метаматериалы» раздел «Исследование свойств плазмонных кристаллов» 1
Содержание Терагерцовые электромагнитные волны 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 2
Электромагнитный спектр 3
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! 4
Терагерцовая щель Electronics From: M. Tonouchi, Nature Photon. 1, 97 (2007) 5
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 Двумерные плазмоны в полупроводниковых структурах Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором Выводы 7
3D - + 2D (неэкранированные) d 2D (экранированные) 2DEG Дисперсионные соотношения для плазменных волн 8
Плазмонные моды в полевом транзисторе с 2D электронным каналом R.H. Ritchie, PR (1957) F. Stern, PRL (1967) Межконтактные 2D плазмоныПодзатворные 2D плазмоны (kd >V drift (!!!) + - SD G w L d 2D электронный канал 9
InGaAs гетеротранзистор с 2D электронным каналом для генерации ТГц излучения Коллектив разработчиков Институт радиотехники и электроники РАН, г.Саратов, РоссияИнститут 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 10 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 11
Содержание Терагерцовые электромагнитные волны Двумерные плазмоны в полупроводниковых структурах Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором Плазмоны в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором Выводы 12
Структура полевого транзистора с 2D электронным каналом и решеточным затвором большой площади Вид сверху СТМ Вид сверху оптическая микрофотография 13
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 – Полиномы Лежандра – Сферические функции Бесселя
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 – 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,
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 Детектирование терагерцового излучения в транзисторных структурах с периодическим решеточным затвором Выводы 18
Плазмонное детектирование ТГц излучения Нерезонансное детектирование: Резонансное детектирование : Гидродинамические уравнения: L Сток Исток 2D канал Затвор IdId TГц U 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
20 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 L G1 /L G2 =100/300 nm V thG2 V G1 =0 V G2 =0 V thG1 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 z x0 l1l1 l2l2 j (0) 2D электронный канал решеточный затвор z x0 -L/2L/2 l1l1 l2l2 w 2 /2 w1w1 параметр асимметрии 22
Терагерцовая фоточувствительность транзисторной двухрешеточной структуры 23
Терагерцовая фоточувствительность транзисторной двухрешеточной структуры 24 Responsivity, V/W
Сравнительные характеристики неохлаждаемых детекторов ТГц диапазона ТемператураБыстродейс твие Частотный диапазон Мощность эквивалентного шума Ячейка Голэя300K~20Гц
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. 26
27 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 по теме «Взаимодействие терагерцового излучения с плазменными волнами в гетероразмерных и многоканальных нанотранзисторах». Совместный российско-французский проект РФФИНЦНИ Франции «Плазмонные явления и детектирование терагерцового излучения в периодических транзисторных структурах с асимметричной элементарной ячейкой». Совместный российско-японскому проекту РФФИЯФ «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».
Плазмонные устройства в ТГц диапазоне ТГц детекторы и смесители ТГц генераторы ТГц генераторы M. Dyakonov, M. Shur, IEEE T-ED (1996) K. Guven et al., PRB (1997) V. Ryzhii et al., JAP (2002) W. Knap et al., APL, JAP (2002) X.G. Peralta et al., APL (2002) A. Satou et al., SST (2003) V.V. Popov et al., JAP (2003) V. Ryzhii et al., JAP (2003) F. Teppe et al., APL (2005) I.V. Kukushkin et al., APL (2005) M. Lee et al. APL (2005) D. Veksler et al., PRB (2006) V.M. Muraviev et al., JETP Lett. (2009) A. Lisauskas et al. JAP (2009) M. Dyakonov, M. Shur, PRL (1993) K. Hirakawa, APL (1995) K. D. Maranowski, APL (1996) V.V. Popov et al., Physica A (1997) S.A. Mikhailov, PRB (1998); APL (1998) P. Bakshi et al., APL (1999) N. Sekine at al., APL (1999) R. Bratshitsch et al., APL (2000) Y. Deng at al., APL (2004) W. Knap et al., APL (2004) M. Dyakonov and M.S.Shur, APL (2005) N. Dyakonova et al., APL (2006) Y.M. Meziani et al. APL (2008) A. El Fatimy et al. JAP (2010) 28