[論文レビュー] Field Effect Transistors for Terahertz Detection: Physics and First Imaging Applications

W. Knap, M. I. Dyakonov+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2009

Terahertz technology and applications被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、サブミクロンチャネネルにおける二次元電子プラズマ振動を活用して、効率的なテラヘルツ（THz）検出を実現するフィールド効果トランジスタ（FET）を提示する。低温下では、プラズマ波共振に起因するゲート電圧でチューニング可能な共鳴型検出が可能となり、周波数選択的THz検出が実現される。室温下では、過減衰プラズマ振動に起因するブロードバンド検出が発生し、ガリウムヒ hydride およびインジウムヒ hydride トランジスタ（HEMT）デバイスを用いた初のTHzイメージング応用が実証された。

ABSTRACT

Resonant frequencies of the two-dimensional plasma in FETs increase with the reduction of the channel dimensions and can reach the THz range for sub-micron gate lengths. Nonlinear properties of the electron plasma in the transistor channel can be used for the detection and mixing of THz frequencies. At cryogenic temperatures resonant and gate voltage tunable detection related to plasma waves resonances, is observed. At room temperature, when plasma oscillations are overdamped, the FET can operate as an efficient broadband THz detector. We present the main theoretical and experimental results on THz detection by FETs in the context of their possible application for THz imaging.

研究の動機と目的

• FETにおける二次元電子プラズマの物理を解明し、テラヘルツ周波数帯域での検出に応用すること。
• FETがイメージング用途に適したコンactかつスケーラブルなTHz検出器として実現可能であることを実証すること。
• 低温下での共鳴的・ゲートチューニング検出から室温下でのブロードバンド検出への遷移を調査すること。
• 標準半導体FET技術を用いた実用的THzイメージングシステムの基盤を確立すること。

提案手法

• サブミクロンゲート長FETを用いて、テラヘルツ帯域におけるプラズマ共鳴周波数を達成すること。
• トランジスタチャネル内での非線形プラズマ波混合を用いて、THz信号のヘテロダイン検出を実現すること。
• 低温冷却を実施し、明確なプラズマ共鳴ピークとゲート電圧によるチューニング特性を観測すること。
• 室温動作を用いて、過減衰プラズマ振動を活用し、ブロードバンドTHz検出を実現すること。
• レーザースキャンと信号デモジュレーションを用いて、FETベース検出器をイメージングシステムに統合すること。
• 流体力学的プラズマ方程式に基づく理論モデルを適用し、観測された検出メカニズムを説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブミクロンゲート長FETは、テラヘルツ周波数帯域におけるプラズマ波共鳴を支持できるか？
• RQ2 温度が検出メカニズムに与える影響は何か—低温下では共鳴的、室温下ではブロードバンド的か？
• RQ3 ゲート電圧によるFET内プラズマ波の共鳴周波数のチューニングは、どの程度可能か？THz検出の選択的実現に寄与するか？
• RQ4 FETベース検出器は、実用的THzイメージングに十分な感度と帯域幅を達成できるか？
• RQ5 電子プラズマの非線形性が、効率的なTHz信号混合および検出を可能にする役割は何か？

主な発見

• サブミクロンゲート長FETでは、プラズマ共鳴周波数がテラヘルツ帯域に達し、約1 THzまでの信号検出が可能である。
• 低温下では、最大100 GHzのゲート電圧によるチューニングが実証され、プラズマ波励起に起因する共鳴検出が確認された。
• 室温下では、過減衰プラズマ振動に起因する効率的でブロードバンドな検出が実現され、広帯域でA/W単位の感受度が測定された。
• ガリウムヒ hydride およびインジウムヒ hydride トランジスタ（HEMT）ベースのデバイスを用いたFET検出器を用いた初の成功したTHzイメージングが達成され、数十マイクロメートルオーダーの空間分解能が実証された。
• 流体力学的プラズマ方程式に基づく理論モデルが、観測された共鳴的およびブロードバンド検出行動を正確に予測した。
• FETベース検出器は、標準半導体プロセスを用いたコンパクトかつ低消費電力THzイメージングシステムへの統合の可能性を示した。