Теорiя детектування терагерцового електромагнiтного випромiнювання в гiбридних плазмонних структурах з дрейфуючим електронним газом
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe62.10.0889Ключові слова:
ТГц плазмонiка, детектування ТГц випромiнювання, гiбриднi плазмоннi структуриАнотація
Побудована пертурбацiйна теорiя нелiнiйної взаємодiї електромагнiтного випромiнювання з гiбридною плазмонною структурою, яка являє собою двовимiрну квантову гетероструктуру, iнтегровану з плазмонним елементом у виглядi металiчної ґратки. Зокрема, проаналiзовано нелiнiйний ефект детектування надвисокочастотного випромiнювання дрейфуючим двовимiрним електронним газом. На основi самоузгодженого розв’язку системи рiвнянь Максвелла i нелiнiйних рiвнянь гiдродинамiки в другому порядку теорiї збурень отриманий вираз для напруги фотовiдгуку. Показано, що послiдовне врахування поправок другого порядку теорiї збурень в рiвняннях Максвелла приводить до появи у виразi фотовiдгуку додаткового фактора, який враховує радiацiйнi втрати. Теорiя була застосована до аналiзу ТГц властивостей плазмонної структури на основi квантової AlGaAs/GaAs гетероструктури. Проаналiзовано вплив оптично товстої дiелектричної пiдкладки та ефекту розiгрiву носiїв при високих дрейфових швидкостях на спектральнi характеристики коефiцiєнтiв пропускання/поглинання та форму спектрiв напруги фотовiдгуку. Розроблено рекомендацiї щодо рацiонального проектування детекторiв ТГц випромiнювання на основi гiбридних плазмонних структур.
Посилання
M. Tonouchi. Cutting-edge terahertz technology. Nature Photonics 1, 97 (2007).
https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.3
F. Sizov, A. Rogalski. THz detectors. Prog. Quant. Electron. 34, 278 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2010.06.002
T. Otsuji, H. Karasawa, T. Watanabe, T. Suemitsu, M. Suemitsu, E. Sano, W. Knap, V. Ryzhii. Emission of terahertz radiation from two-dimensional electron systems in semiconductor nano-heterostructures. C. R. Physique 11, 421 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.crhy.2010.04.002
A.V. Chaplik. Absorption and emission of electromagnetic waves by two-dimensional plasmons. Surf. Sci. Rep. 5, 289 (1985).
https://doi.org/10.1016/0167-5729(85)90010-X
V. Jakˇstas, I. Grigelionis, V. Janonis, G. Valuˇsis, I. Kaˇsalynas, G. Seniutinas, S. Juodkazis, P. Prystawko, M. Leszczy’nski. Electrically driven terahertz radiation of 2DEG plasmons in AlGaN/GaN structures at 110 K temperature. Appl. Phys. Lett. 110, 202101 (2017).
https://doi.org/10.1063/1.4983286
M.V. Krasheninnikov, A.V. Chaplik. Radiative decay of two-dimensional plasmons. Sov. Phys. JETP 61, 75 (1985).
M. Dyakonov, M. Shur. Shallow water analogy for a ballistic field effect transistor: New mechanism of plasma wave generation by dc current. Phys. Rev. Lett. 71, 2465 (1993).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.2465
M.Ali Khorrami, S. El-Ghazaly, S.-Q. Yu, H. Naseem. Terahertz plasmon amplification using two-dimensional electron-gas layers. J. Appl. Phys. 111, 094501 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.4709389
O. Sydoruk. Drifting plasmons in open two-dimensional channels: modal analysis. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 135103 (2013).
https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/13/135103
S.A. Mikhailov. Tunable solid-state far-infrared sources: New ideas and prospects. Recent Res. Devel. Appl. Phys. 2, 65 (1999).
S.A. Mikhailov. Plasma instability and amplification of electromagnetic waves in low-dimensional electron systems. Phys. Rev. B 58, 1517 (1998).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.1517
A.S. Petrov, D. Svintsov, V. Ryzhii, M.S. Shur. Amplifiedreflection plasmon instabilities in grating-gate plasmonic crystals. Phys. Rev. B 95, 045405 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.045405
M. Dyakonov, M. Shur. Plasma wave electronics: Novel terahertz devices using two dimensional electron fluid. IEEE Trans. Electron. Dev. 43, 1640 (1996).
https://doi.org/10.1109/16.536809
G.R. Aizin, D.V. Fateev, G.M. Tsymbalov, V.V. Popov. Terahertz plasmon photoresponse in a density modulated two-dimensional electron channel of a GaAs/AlGaAs fieldeffect transistor. Appl. Phys. Lett. 91, 163507 (2007).
https://doi.org/10.1063/1.2800369
G.R. Aizin, V.V. Popov, O.V. Polischuk. Plasmon enhanced electron drag and terahertz photoconductance in a grating-gated field-effect transistor with two-dimensional electron channel. Appl. Phys. Lett. 89, 143512 (2006).
https://doi.org/10.1063/1.2358836
W. Knap, Y. Deng, S. Rumyantsev, J.-Q. L¨u, M.S. Shur, C.A. Saylor, L.C. Brunel. Resonant detection of subterahertz radiation by plasma waves in a submicron field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 80, 3433 (2002);
https://doi.org/10.1063/1.1473685
W. Knap, Y. Deng, S. Rumyantsev, M.S. Shur. Resonant detection of subterahertz and terahertz radiation by plasma waves in submicron field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 81, 4637 (2002).
https://doi.org/10.1063/1.1525851
H. Marinchio, C. Palermo, A. Mahi, L. Varani, V. Korotyeyev. External excitation of hybrid plasma resonances in a gated semiconductor slab: An analytical study. J. Appl. Phys. 116, 013707 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4887116
K.Y. Xu, X.F. Lu, A.M. Song, G. Wang. Enhanced terahertz detection by localized surface plasma oscillations in a nanoscale unipolar diode. J. Appl. Phys. 103, 113708 (2008).
https://doi.org/10.1063/1.2937175
J. Torres, P. Nouvel, A. Penot, L. Varani, P. Sangar, B. Grimbert, M. Faucher, G. Ducournau, C. Gaqui, I. Iniguez-de-la-Torre, J. Mateos, T. Gonzalez. Nonlinear nanochannels for room temperature terahertz heterodyne detection. Semicond. Sci. Technol. 28, 125024 (2013).
https://doi.org/10.1088/0268-1242/28/12/125024
W. Knap, V. Kachorovskii, Y. Deng, S. Rumyantsev, J.-Q. Lu, R. Gaska, M.S. Shur, G. Simin, X. Hu, M. Asif Khan, A. Saylor, L.C. Brunel. Nonresonant detection of terahertz radiation in field effect transistors. J. Appl. Phys. 91, 9346 (2002).
https://doi.org/10.1063/1.1468257
W. Knap, F. Teppe, Y. Meziani, N. Dyakonova, J. Lusakowski, F. Boeuf, T. Skotnicki, D. Maude, S. Rumyantsev, M.S. Shur. Plasma wave detection of sub-terahertz and terahertz radiation by silicon field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 85, 675 (2004).
https://doi.org/10.1063/1.1775034
M. Sakowicz, M. B. Lifshits, O. A. Klimenko, F. Schuster, D. Coquillat, F. Teppe, W. Knap. Terahertz responsivityof field effect transistors versus their static channel conductivity and loading effects. J. Appl. Phys. 110, 054512 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3632058
S. Preu, S. Kim, R. Verma, P.G. Burke, M.S. Sherwin, A.C. Gossard. An improved model for non-resonant terahertz detection in field-effect transistors. J. Appl. Phys. 111, 024502 (2012).
https://doi.org/10.1063/1.3676211
R. Tauk, F. Teppe, S. Boubanga, D. Coquillat, W. Knap, Y.M. Meziani, C. Gallon, F. Boeuf, T. Skotnicki, C. Fenouillet-Beranger, D.K. Maude, S. Rumyantseva, M.S. Shur. Plasma wave detection of terahertz radiation by silicon field effects transistors: Responsivity and noise equivalent power. Appl. Phys. Lett. 89, 253511 (2006).
https://doi.org/10.1063/1.2410215
A. Lisauskas, U. Pfeiffer, E. Ojefors, P.H. Bolivar, ¨ D. Glaab, H.G. Roskos. Rational design of high-responsivity detectors of terahertz radiation based on distributed self-mixing in silicon field-effect transistors. J. Appl. Phys. 105, 114511 (2009).
https://doi.org/10.1063/1.3140611
F. Schuster, D. Coquillat, H. Videlier, M. Sakowicz, F. Teppe, L. Dussopt, B. Giffard, T. Skotnicki, W. Knap. Broadband terahertz imaging with highly sensitive silicon CMOS detectors. Opt. Express 18, 7827 (2011).
https://doi.org/10.1364/OE.19.007827
J.-Q. L¨u, M.S. Shur, J.L. Hesler, L. Sun, R. Weike. Terahertz detector utilizing two-dimensional electronic fluid. IEEE Electron. Dev. Lett. 19, 373 (1998).
https://doi.org/10.1109/55.720190
A. El Fatimy, F. Teppe, N. Dyakonova, D. Seliuta, G. Valuˇsis, A. Shchepetov, Y. Roelens, S. Bollaert, A. Cappy, S. Rumyantsev. Resonant and voltage-tunable terahertz detection in InGaAs/InP nanometer transistors. Appl. Phys. Lett. 89, 131926 (2006).
https://doi.org/10.1063/1.2358816
S. Boubanga-Tombet, F. Teppe, D. Coquillat, S. Nadar, N. Dyakonova, H. Videlier, W. Knap, A. Shchepetov, C. Gardes, Y. Roelens, S. Bollaert, D. Seliuta, R. Vadoklis, G. Valuˇsis. Current driven resonant plasma wave detection of terahertz radiation: Toward the Dyakonov–Shur instability. Appl. Phys. Lett. 92, 212101 (2008).
https://doi.org/10.1063/1.2936077
T.A. Elkhatib, V.Yu. Kachorovskii, W.J. Stillman, S. Rumyantsev, X.-C. Zhang, M.S. Shur. Terahertz response of field-effect transistors in saturation regime. Appl. Phys. Lett. 98, 243505 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3584137
S. Danylyuk, P. Loosen, K. Bergmann, H. Kim, L. Juschkin. Scalability limits of Talbot lithography with plasmabased extreme ultraviolet sources. J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 12 (3), 033002 (2013).
https://doi.org/10.1117/1.JMM.12.3.033002
G. Kunkem¨oller, T.W.W. Maß, A.-K.U. Michel, Hyun-Su Kim, S. Brose, S. Danylyuk, Th. Taubner, L. Juschkin. Extreme ultraviolet proximity lithography for fast, flexible and parallel fabrication of infrared antennas. Opt. Express 23 (20), 25487 (2015).
https://doi.org/10.1364/OE.23.025487
X.G. Peralta, S.J. Allen, M.C. Wanke, N.E. Harff, J.A. Simmons, P. Lilly, J.L. Reno, P.J. Burke, J.P. Eisenstein. Terahertz photoconductivity and plasmon modes in double-quantum-well field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 81, 1627 (2002).
https://doi.org/10.1063/1.1497433
E.A. Shaner, M. Lee, M.C. Wanke, A.D. Grine, J.L. Reno, S.J. Allen. Single-quantum-well grating-gated terahertz plasmon detectors. Appl. Phys. Lett. 87, 193507 (2005).
https://doi.org/10.1063/1.2128057
D.M. Yermolayev, K.M. Marem'yanin, D.V. Fateev, S.V. Morozov, N.A. Maleev, V.E. Zemlyakov, V.I. Gavrilenko, S.Yu. Shapoval, F.F. Sizov, V.V. Popov. Terahertz detection in a slit-grating-gate field-effect-transistor structure. Solid-State Electronics 86, 64 (2013).
https://doi.org/10.1016/j.sse.2012.09.009
N. Nader Esfahani, R.E. Peale, W.R. Buchwald, C.J. Fredricksen, J.R. Hendrickson, J.W. Cleary. Millimeter-wave photoresponse due to excitation of two-dimensional plasmons in InGaAs/InP high-electron-mobility transistors. J. Appl. Phys. 114, 033105 (2013).
https://doi.org/10.1063/1.4813511
V.V. Popov, D.V. Fateev, T. Otsuji, Y.M. Meziani, D. Coquillat, W. Knap. Plasmonic terahertz detection by adouble-grating-gate field-effect transistor structure with an asymmetric unit cell. Appl. Phys. Lett. 99, 243504 (2011).
https://doi.org/10.1063/1.3670321
V.V. Popov, D.V. Fateev, O.V. Polischuk, M.S. Shur. Enhanced electromagnetic coupling between terahertz radiation and plasmons in a grating-gate transistor structure on membrane substrate. Opt. Express 18, 16771 (2010).
https://doi.org/10.1364/OE.18.016771
Yu.M. Lyaschuk, V.V. Korotyeyev. Interaction of terahertz electromagnetic field with metallic grating: Nearfield zone. Ukr. J. Phys. Opt. 13, 142 (2012).
https://doi.org/10.3116/16091833/13/3/142/2012
M.A. Ordal, L.L. Long, R.J. Bell, S.E. Bell, R.R. Bell, R.W. Alexander C.A. Ward. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared. Appl. Optics 22 (7), 1099 (1983).
https://doi.org/10.1364/AO.22.001099
O.V. Shapoval, R. Sauleau, A.I. Nosich. Scattering and absorption of waves by flat material strips analyzed using generalized boundary conditions and nystrom-type algorithm. IEEE Trans. Antennas Propag. 59, 3339 (2011).
https://doi.org/10.1109/TAP.2011.2161547
I.O. Sukharevsky, O.V. Shapoval, A. Altintas, A.I. Nosich. Validity and limitations of the median-line integral equation technique in the scattering by material strips of subwavelength thickness. IEEE Trans. Antennas Propag. 62, 3623 (2014).
https://doi.org/10.1109/TAP.2014.2316295
Yu.M. Lyaschuk, V.V. Korotyeyev. Interaction of a terahertz electromagnetic wave with the plasmonic system "grating–2D-gas". Analysis of features of the near field. Ukr. J. Phys. 59, 495 (2014).
https://doi.org/10.15407/ujpe59.05.0495
S.J. Allen, Jr., D.C. Tsui, R.A. Logan. Observation of the two-dimensional plasmon in silicon inversion layers. Phys. Rev. Lett. 38 (17), 980 (1977).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.38.980
Hua Qin, Yao Yu, Xiang Li, Jiandong Sun, Yongdan Huang. Excitation of terahertz plasmon in two-dimensional electron gas. Terahertz Science and Technology 9 (2), 71 (2016).
R.E. Tyson, R.J. Stuart, H.P. Hughes, J.E.F. Frost, D.A. Ritchie, G.A.C. Jones, C. Shearwood. Non-linear Doppler shift of the plasmon resonance in a grating-coupled drifting 2DEG. Int. J. Infrared Millimeter Waves 14, 1237 (1993).
https://doi.org/10.1007/BF02146254
A.S. Bhatti, D. Richards, H.P. Hughes, D.A. Ritchie. Spatially resolved Raman scattering from hot acoustic and optic plasmons. Phys. Rev. B 53, 11016 (1996).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.11016
V.V. Korotyeyev. Theory of high-field electron transport in the heterostructures Al Ga1− As/GaAs/Al Ga1− with delta-doped barriers. Effect of real-space transfer. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics 18, 1 (2015).
https://doi.org/10.15407/spqeo18.01.001
W.T. Masselink. Electron velocity in GaAs: Bulk and selectively doped heterostructures. Semicond. Sci. Technol. 4, 503 (1989).
https://doi.org/10.1088/0268-1242/4/7/001
T.L. Zinenko, A.I. Nosich, Y. Okuno. Plane wave scattering and absorption by resistive-strip and dielectric-strip periodic gratings. IEEE Trans. Antennas Propag. 46 (10) 1498 (1998).
https://doi.org/10.1109/8.725282
A.I. Nosich. Method of analytical regularization in computational photonics. Radio Sci. 51, 1421 (2016).
https://doi.org/10.1002/2016RS006044
O.R. Matov, O.V. Polischuk, V.V. Popov. Electromagnetic emission from two-dimensional plasmons in a semiconductor-dielectric structure with metal grating: Rigorous theory. Int. J. Infrared Millimeter Waves 14 (7), 1455 (1993).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
