[論文レビュー] High intensity study of THz detectors based on field effect transistors

Dmytro B. But, C. Drexler+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2014

Terahertz technology and applications参考文献 32被引用数 26

ひとこと要約

本研究では、500 kW/cm²に達する高電力テラヘルツ（THz）放射に対するSi-MOSFETおよびInGaAs高電子移動度トランジスタ（HEMT）の応答を調査し、数kW/cm²まで線形な光応答を示し、その後飽和することを実証した。非線形トランジスタ電流特性を組み込んだ一般化された理論的モデルにより、線形領域および飽和領域の両方を定量的に説明でき、動的範囲が6次以上（0.5 mW/cm²から5 kW/cm²）に達することを明らかにした。

ABSTRACT

Terahertz power dependence of the photoresponse of field effect transistors, operating at frequencies from 0.1 to 3 THz for incident radiation power density up to 100 kW/cm^2 was studied for Si metal-oxide-semiconductor field-effect transistors and InGaAs high electron mobility transistors. The photoresponse increased linearly with increasing radiation power up to kW/cm^2 range. The saturation of the photoresponse was observed for all investigated field effect transistors for intensities above several kW/cm^2. The observed signal saturation is explained by drain photocurrent saturation similar to saturation in direct currents output characteristics. The theoretical model of terahertz field effect transistor photoresponse at high intensity was developed. The model explains quantitatively experimental data both in linear and nonlinear (saturation) range. Our results show that dynamic range of field effect transistors is very high and can extend over more than six orderd of magnitudes of power densities (from 0.5 mW/cm^2 to 5 kW/cm^2).

研究の動機と目的

• 高強度テラヘルツ放射下におけるフィールド効果トランジスタ（FET）の光応答を、これまで報告された限界を超えて調査すること。
• 連続波およびパルス状THz放射（0.13–3.3 THz）下におけるFETベースTHz検出器の動的範囲を特定すること。
• 高強度下での線形応答から飽和応答への遷移を定量的に説明する理論的モデルを構築すること。
• 信号の飽和の物理的起源を、キャリア加熱と電流飽和効果の両者と区別して明らかにすること。

提案手法

• 0.13 THzから3.3 THzの範囲で、最大500 kW/cm²の電力密度を発生させるために、単色連続波およびパルスTHz源（BWO、メタノールレーザー、ショットキー接合ダイオード、および光励起分子レーザー）を用いた。
• ロックインアンプ技術を用いて、変化する放射強度下でのSi-MOSFETおよびInGaAs HEMTのdc光応答を測定した。
• 強逆性および弱逆性の両領域をカバーする、トランジスタのdc電流-電圧特性に基づく一般化された光応答モデルを構築した。このモデルでは、$I_{DS}(V_{DS}, V_{GS})$ のための体系的表現を用いた。
• 特に飽和領域での実験データとの適合を向上させるために、短チャネル効果（$\alpha$, $\beta$）の項を組み込んだ。
• dc測定から抽出したパラメータを用いて数値的にモデルをシミュレートし、アンテナ結合係数 $k_{ant}$ をキャリブレーションした。
• 移動度としきい値電圧の温度依存性を $\mu_n(T) \propto T^{-k_\mu}$ および $V_{th}(T) = V_{th}(T_r) - k_{th}(T - T_r)$ を用いて取り入れ、モデルの頑健性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Si-MOSFETおよびInGaAs HEMTの光応答は、500 kW/cm²に達するまでTHz放射強度の増加にどのように比例するか？
• RQ2 高強度下で観察された光応答の飽和の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 1つの理論的モデルが、FETベースTHz検出の線形および非線形（飽和）領域を定量的に説明できるか？
• RQ4 トランジスタの加熱が、内在的電流飽和効果と比較して信号の飽和にどの程度寄与しているか？
• RQ5 高電力放射下におけるFETベースTHz検出器の有効な動的範囲は何か？

主な発見

• Si-MOSFETおよびInGaAs HEMTの両方において、THz放射強度密度に伴い光応答が線形に増加し、数kW/cm²まで顕著なずれは観察されなかった。
• すべてのFETにおいて、数kW/cm²を超える強度で信号の飽和が観察され、高電力下での感度の上限が根本的に存在することを示した。
• 飽和挙動は、dc出力飽和に類似したトランジスタチャネル内のドレイン電流飽和に起因しており、熱的効果とは異なる。
• モデルのシミュレーションは、Si-MOSFETでは全強度範囲で実験データと良好に一致し、InGaAs HEMTでは最高強度付近でのわずかなずれを除いても良好であった。
• FETベースTHz検出器の動的範囲は、電力密度で6次以上にわたり、約0.5 mW/cm²から5 kW/cm²まで広がっている。
• 強逆性および弱逆性の両領域をカバーする体系的表現 $I_{DS}(V_{DS}, V_{GS})$ を用いた理論的モデリングにより、線形および非線形応答の両方を成功裏に説明でき、モデルの予測能力が裏付けられた。