[论文解读] 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 24

一句话总结

本文提出利用亚微米沟道中的二维电子等离子体振荡，将场效应晶体管（FET）作为高效的太赫兹（THz）探测器。在低温下，通过等离子体波共振实现门控可调谐的谐振探测，实现频率选择性太赫兹探测；在室温下，由于等离子体振荡过阻尼，实现宽带探测，首次在GaAs和InP HEMT器件中实现了太赫兹成像应用。

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.

研究动机与目标

• 探索FET中二维电子等离子体的物理特性，以实现太赫兹频率探测。
• 展示FET作为紧凑、可扩展的太赫兹探测器在成像应用中的可行性。
• 研究低温下谐振、门控可调探测向室温下宽带探测的转变机制。
• 为利用标准半导体FET技术构建实用太赫兹成像系统奠定基础。

提出的方法

• 利用亚微米栅长FET实现太赫兹频段的等离子体共振频率。
• 在晶体管沟道中利用非线性等离子体波混频实现太赫兹信号的混频探测。
• 采用低温冷却技术，观测到清晰的等离子体共振峰及门电压可调特性。
• 在室温下运行，利用过阻尼等离子体振荡实现宽带太赫兹探测。
• 将FET基探测器集成到成像系统中，采用光栅扫描与信号解调技术。
• 基于流体动力学等离子体方程建立理论模型，解释观测到的探测机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 亚微米栅长的FET能否在太赫兹频段支持等离子体波共振？
• RQ2 温度如何影响探测机制——低温下为谐振探测，室温下为宽带探测？
• RQ3 门电压在多大程度上可调谐FET中等离子体波的共振频率，以实现选择性太赫兹探测？
• RQ4 FET基探测器能否实现足够灵敏度与带宽以满足实际太赫兹成像需求？
• RQ5 电子等离子体非线性在实现高效太赫兹信号混频与探测中起什么作用？

主要发现

• 通过亚微米栅长，FET中的等离子体共振频率可达到太赫兹频段，实现约1 THz的信号探测。
• 在低温下，门电压调谐范围达100 GHz，证实了通过等离子体波激发实现谐振探测。
• 在室温下，由于过阻尼等离子体振荡，FET表现出高效的宽带探测，响应度在宽频率范围内测量为A/W。
• 首次成功利用GaAs和InP HEMT基器件实现太赫兹成像，空间分辨率在数十微米量级。
• 基于流体动力学等离子体方程的理论建模准确预测了观测到的谐振与宽带探测行为。
• FET基探测器展现出利用标准半导体制造工艺集成于紧凑、低功耗太赫兹成像系统的潜力。