[논문 리뷰] High intensity study of THz detectors based on field effect transistors

Dmytro B. But, C. Drexler외 7명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 02.

Terahertz technology and applications참고 문헌 32인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 Si-MOSFET 및 InGaAs 고전자이동도 트랜지스터(HEMT)의 고출력 테라헤르츠(THz) 응답을 최대 500 kW/cm²까지 조사하여 몇 kW/cm² 이하에서는 선형 광응답을 보이고 이후 포화 상태에 이를 것을 입증하였다. 비선형 트랜지스터의 전류 특성을 통합한 일반화된 이론 모델은 선형 및 포화 영역을 정량적으로 설명하며, 0.5 mW/cm²에서 5 kW/cm²까지 6개 이상의 온도 범위를 초월하는 다이내믹 레인지가 존재함을 밝혀냈다.

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).

연구 동기 및 목표

• 고강도 테라헤르츠 복사 조건에서 필드효전효트랜지스터(FET)의 광응답을 조사하여 이전에 보고된 한계를 초월하고자 한다.
• 연속파 및 펄스형 테라헤르츠 복사(0.13–3.3 THz) 하에서 FET 기반 THz 검출기의 다이내믹 레인지 측정을 목적으로 한다.
• 고강도에서 선형에서 포화 응답으로의 전이를 정량적으로 설명할 수 있는 이론 모델을 개발하고자 한다.
• 신호 포화의 물리적 기원을 밝히며, 캐리어 가열과 전류 포화 효과를 구분하고자 한다.

제안 방법

• 0.13 THz에서 3.3 THz까지의 복사원을 생성하기 위해 단색 연속파 및 펄스형 THz 소스(BWO, 메탄올 레이저, 슈타인디오드, 광학적으로 구동되는 분자 레이저)를 사용하여 최대 500 kW/cm²의 전력 밀도를 확보하였다.
• 자기식 증폭기 기법을 활용하여 Si-MOSFET 및 InGaAs HEMT의 직류 광응답을 다양한 복사 강도에서 측정하였다.
• 직류 전류-전압 특성에 기반한 일반화된 광응답 모델을 개발하였으며, 강한 및 약한 인version 영역을 모두 포함하는 $I_{DS}(V_{DS}, V_{GS})$의 현상학적 표현을 사용하였다.
• 특히 포화 영역에서 실험 데이터와의 일치를 향상시키기 위해 단축채널 효과($\alpha$, $\beta$) 항목을 통합하였다.
• 수치적으로 모델을 해결하여 직류 측정에서 추출한 매개변수를 활용하고, 안테나 결합 계수 $k_{ant}$를 校정하였다.
• 이동도 및 임계 전압의 온도 의존성을 $\mu_n(T) \propto T^{-k_\mu}$ 및 $V_{th}(T) = V_{th}(T_r) - k_{th}(T - T_r)$를 통해 고려하였으며, 모델의 강건성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si-MOSFET 및 InGaAs HEMT의 광응답은 500 kW/cm²까지 증가하는 THz 복사 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고강도에서 관측된 광응답의 포화 현상은 어떤 물리적 메커니즘이 기인하는가?
• RQ3 단일 이론 모델이 FET 기반 THz 검출의 선형 및 비선형(포화) 영역을 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ4 내재된 전류 포화 효과에 비해 트랜지스터의 가열 효과가 신호 포화에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 고출력 조사 조건에서 FET 기반 THz 검출기의 유효 다이내믹 레인지가 어느 정도인가?

주요 결과

• Si-MOSFET 및 InGaAs HEMT의 광응답은 THz 복사 전력 밀도가 몇 kW/cm² 이하에서는 선형적으로 증가하며, 유의미한 편차가 관측되지 않았다.
• 모든 FET에서 몇 kW/cm² 이상의 강도에서 신호 포화가 관측되어 고출력에서의 감도 한계가 본질적임을 시사한다.
• 포화 행동은 주로 채널 내 드레인 전류의 포화에 기인하며, 이는 직류 출력 포화와 유사한 것으로, 열적 효과는 아님을 시사한다.
• 모델 시뮬레이션은 전체 강도 범위에서 Si-MOSFET에 대해 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 특히 높은 강도에서 InGaAs HEMT에서는 미세한 편차가 존재하였다.
• FET 기반 THz 검출기의 다이내믹 레인지가 전력 밀도 기준으로 6개 이상의 온도 범위를 초월하여 약 0.5 mW/cm²에서 5 kW/cm²까지 연장됨을 확인하였다.
• 강한 및 약한 인version 영역을 모두 포함하는 현상학적 $I_{DS}(V_{DS}, V_{GS})$ 표현을 사용한 이론적 모델링은 선형 및 비선형 응답을 성공적으로 설명하였으며, 모델의 예측 능력을 입증하였다.