[论文解读] 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 26

一句话总结

本研究调查了硅基金属氧化物半导体场效应晶体管（Si-MOSFETs）和InGaAs高电子迁移率晶体管（HEMTs）在高达500 kW/cm²的高功率太赫兹（THz）辐射下的响应，展示了在几kW/cm²以下的线性光电响应，随后出现饱和。一种广义理论模型结合了非线性晶体管电流特性，定量解释了线性和饱和两个区域，揭示其动态范围超过六个数量级（0.5 mW/cm² 至 5 kW/cm²）。

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).

研究动机与目标

• 调查场效应晶体管（FETs）在高强度太赫兹辐射下的光电响应，突破以往报道的极限。
• 确定在连续波和脉冲太赫兹辐射（0.13–3.3 THz）下，基于FET的太赫兹探测器的动态范围。
• 开发一种理论模型，定量解释高功率下从线性到饱和光电响应的过渡。
• 阐明信号饱和的物理起源，区分载流子加热与电流饱和效应。

提出的方法

• 使用单色连续波和脉冲太赫兹源（BWO、甲醇激光器、肖特基二极管及光学泵浦分子激光器），在0.13 THz至3.3 THz范围内产生辐射，功率密度最高达500 kW/cm²。
• 采用锁相放大技术测量Si-MOSFET和InGaAs HEMTs在不同辐射强度下的直流光电响应。
• 基于晶体管的直流电流-电压特性，开发了一种广义光电响应模型，采用适用于强反型和弱反型区域的表观摩型表达式 $I_{DS}(V_{DS}, V_{GS})$。
• 引入短沟道效应项（$\alpha$, $\beta$）以提高与实验数据的拟合度，特别是在饱和区域。
• 通过数值求解模型模拟光电响应，从直流测量中提取参数，并标定天线耦合因子 $k_{ant}$。
• 通过 $\mu_n(T) \propto T^{-k_\mu}$ 和 $V_{th}(T) = V_{th}(T_r) - k_{th}(T - T_r)$ 考虑温度对迁移率和阈值电压的影响，验证了模型的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Si-MOSFET和InGaAs HEMTs的光电响应在太赫兹辐射强度增至500 kW/cm²时如何变化？
• RQ2 在高功率下观察到的光电响应饱和的物理机制是什么？
• RQ3 是否存在一个单一理论模型，能定量描述基于FET的太赫兹检测中线性和非线性（饱和）两个区域？
• RQ4 与本征电流饱和相比，晶体管加热在信号饱和中所起的作用有多大？
• RQ5 在高功率辐照下，基于FET的太赫兹探测器的有效动态范围是多少？

主要发现

• Si-MOSFET和InGaAs HEMTs的光电响应在太赫兹辐射功率密度增至几kW/cm²以下时呈线性增长，未观察到显著偏差。
• 所有FET在强度超过几kW/cm²后均出现信号饱和，表明高功率下响应度存在根本性限制。
• 饱和行为主要归因于晶体管沟道中的漏极电流饱和，类似于直流输出饱和，而非热效应。
• 模型模拟结果与Si-MOSFET在整个强度范围内的实验数据高度一致，仅在InGaAs HEMTs的最高强度下存在微小偏差。
• 基于FET的太赫兹探测器的动态范围在功率密度上跨越了六个多数量级，从约0.5 mW/cm²至5 kW/cm²。
• 采用涵盖强反型和弱反型区域的表观摩型 $I_{DS}(V_{DS}, V_{GS})$ 的理论建模，成功解释了线性和非线性响应，验证了该模型的预测能力。