Введение к работе
Актуальность темы
Идея использования плазменных колебаний (плазмонов) в
двумерных (2D) электронных системах для создания перестраиваемых по
частоте детекторов и источников терагерцевого излучения обсуждается в
научной литературе уже более двух десятилетий (см. обзоры [1]-[4]).
Преимуществами детекторов на плазмонном резонансе в полевых
транзисторах с 2D электронным каналом в терагерцевом (ТГц) частотном
диапазоне являются резонансное детектирование и возможность
электрической перестройки частоты детектирования. Привлекательность
использования плазменных колебаний в низкоразмерных
полупроводниковых структурах обуславливается их классической природой, что значительно смягчает температурные ограничения, характерные, например, для работы устройств, основанных на электронных переходах в квантово-размерных структурах. В то же время, скорость 2D плазмонов более чем на порядок величины превосходит максимально достижимые скорости переноса электронов в 2D электронной системе, что обуславливает высокое потенциальное быстродействие устройств на плазмонном резонансе.
Нелинейные свойства плазменных колебаний в 2D электронном канале полевого транзистора могут быть использованы для создания перестраиваемых детекторов [5]-[10], смесителей и умножителей частоты [11]-[14] в ТГц частотном диапазоне.
Большинство предыдущих работ, посвященных теоретическому исследованию плазменных колебаний в транзисторных структурах с 2D электронным каналом, были выполнены в рамках электростатического подхода. В то же время, ряд важных вопросов, касающихся роли электродинамических эффектов в процессах генерации и детектирования ТГц излучения при плазмонном резонансе в полевых транзисторах с 2D электронным каналом, оставался недостаточно исследованным. О важности электродинамических эффектов в 2D электронных системах свидетельствуют, в частности, ряд недавних работ [15]-[17].
В большинстве предыдущих работ по детектированию терагерцевого излучения в структурах на основе полевых транзисторов с 2D электронным каналом исследовались одиночные транзисторные элементы, хотя уже в первых работах по этой тематике [11] отмечалась перспективность использования планарных решеток транзисторов для осуществления наиболее эффективной связи плазменных колебаний с ТГц излучением. В данной диссертации исследованы спектры плазмонных резонансов в решетках полевых транзисторов с общим пространственно-периодическим (рис. 1а) и раздельными (рис. 16) 2D электронными каналами. В недавних работах [8], [9], [14], [18]-[22] было обнаружено, что при поглощении ТГц излучения в решетке полевых транзисторов с общим 2D
электронным каналом возникает эффект ТГц фотопроводимости (изменение проводимости канала транзистора на постоянном токе под действием ТГц излучения). Эффект усиливается при подаче отрицательного постоянного электрического смещения на периодический затворный электрод. Эффект
Рис. 1. Схематическое изображение решеток полевых транзисторов с общим (а) и раздельными (б) 2D электронными каналами. Вверху показана поляризация электрического поля падающей ТГц волны. На вставке показано распределение зарядов, индуцируемых падающей ТГц волной на металлических контактах структуры (б).
ТГц фотопроводимости имеет резонансный характер и позднее в теоретической работе [20] было показано, что положение резонансов фотоотклика соответствует возбуждению плазмонных резонансов в 2D электронном канале внешней ТГц волной. Поскольку резонансную частоту плазмонов в 2D электронном канале транзисторной структуры с решеточным затвором можно контролировать путем изменения затворного напряжения, указанный эффект ТГц фотопроводимости привлекателен для создания перестраиваемых по частоте детекторов в ТГц частотном диапазоне. Положительным качеством рассматриваемой структуры является её большая площадь, сравнимая с характерной площадью поперечного сечения ТГц пучка, что делает ненужным дополнительное использование каких-либо специальных антенн, согласующих такой детектор с падающим ТГц излучением. В то же время механизм плазмонной ТГц фотопроводимости в канале решетки гетеротранзисторов не был исследован до настоящего времени.
Целью данной диссертационной работы является
электродинамическое описание плазмонных эффектов в решетках полевых транзисторов с общим и раздельными 2D электронными каналами и решение задачи о детектировании ТГц электромагнитного излучения плазмонами в решетках полевых транзисторов с общим 2D электронным каналом.
Научная новизна
решена электродинамическая задача о спектре плазменных колебаний в структуре с пространственно-периодической дрейфующей 2D электронной плазмой и периодической металлической решеткой;
исследован спектр плазмонных резонансов в решетке полевых транзисторов с общим пространственно-периодическим 2D электронным каналом и в решетке полевых транзисторов с раздельными 2D каналами;
в рамках гидродинамического описания динамики движения электронов в пространственно-периодической 2D электронной плазме выявлены два новых механизма ТГц фотопроводимости, основанных на гидродинамических нелинейностях 2D электронной плазмы: плазмонное увлечение электронов и электрострикционная нелинейность электронной;
- рассчитаны спектры и исследованы свойства ТГц фотоотклика на
основе гидродинамических нелинейностей 2D электронной плазмы в решетке
полевых транзисторов с общим пространственно-периодическим 2D
электронным каналом.
Научная и практическая значимость
Научная значимость работы состоит в теоретическом описании новых физических механизмов ТГц фотопроводимости в решетках полевых транзисторов с 2D электронными каналами. Полученные теоретические результаты позволяют объяснить известные экспериментальные данные по наблюдению ТГц фотоотклика в решетках полевых транзисторов с общим 2D электронным каналом.
Практическая значимость работы заключается в том, что теоретические исследования, проведенные в данной работе могут служить основой создания эффективного резонансного перестраиваемого по частоте детектора ТГц электромагнитного излучения.
Основные положения, выносимые на защиту
В транзисторной структуре с решеточным затвором и общим 2D электронным каналом происходит трансформация спектра плазменных колебаний при изменении величины модуляции электронной плотности в канале, вызванной изменением затворного напряжения, таким образом, что при слабой модуляции резонансы соответствуют преимущественному возбуждению плазмонов с волновыми векторами кратными 2n/L, где L - период транзисторной структуры, тогда как при сильной модуляции - преимущественному возбуждению плазмонов с волновыми векторами кратными я/и>, где w - ширина полоски затворного электрода.
Основной и высшие плазмонные резонансы в решетке полевых транзисторов с раздельными 2D электронными каналами возбуждаются с практически одинаковой интенсивностью за счет наведения внешней ТГц волной распределения зарядов на металлических контактах структуры с симметрией, соответствующей симметрии колебаний зарядов в плазмонной моде.
При наличии постоянного тока дрейфа электронов в 2D электронном канале транзисторной структуры с решеточным затвором возникает эффект увлечения электронов плазмонами, возбуждаемыми внешней ТГц волной. Указанный эффект проявляет себя как изменение проводимости канала транзисторной структуры на постоянном токе при воздействии ТГц излучения (эффект ТГц фотопроводимости).
При пространственной модуляции электронной плотности в канале транзисторной структуры с решеточным затвором и общим 2D электронным каналом, наряду с эффектом увлечения электронов плазмонами, возникает эффект ТГц фотопроводимости за счет электрострикции электронной плазмы. Эффект ТГц фотопроводимости на основе электрострикции электронной плазмы может превышать эффект ТГц фотопроводимости на основе увлечения электронов и разогрева электронов электрическим полем плазмона на порядок величины.
Величина эффекта ТГц фотопроводимости на основе увлечения электронов плазмонами и на основе электрострикции в двумерной электронной плазме пропорциональна величине постоянного тока дрейфа в канале транзисторной структуры в соответствии с известными экспериментальными наблюдениями.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Международной конференции SPIE: Saratov Fall Meeting 2004: Coherent Optics of Ordered and Random Media V, Всероссийском X симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (Н. Новгород, 2006), 11-ой Международной конференции по математическим методам в электродинамической теории (Харьков, Украина, 2006), 14-ом и 15-ом международных симпозиумах «Наноструктуры: физика и технология» (С.-Петербург, 2006; Новосибирск, 2007), I, II и III конференциях молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2006, 2007, 2008 гг.), VIII Российской конференции по физике полупроводников «Полупроводники 2007» (Екатеринбург, 2007), XII Международном симпозиуме «Нанофизика и Наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2008), 12-ой Международной конференции по математическим методам в электромагнитной теории (Одесса, Украина, 2008), научных семинарах в Саратовском филиале Института радиотехники и электроники РАН, Институте физики микроструктур РАН и Саратовском госуниверситете.
Результаты, описанные в третьем и четвертом положениях, выносимых на защиту, включены в число основных достижений Российской академии наук за 2006 и 2007 годы.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из которых 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 1 статья в
международном рецензируемом журнале, 6 статей в трудах международных конференций, 4 статьи в трудах российских конференций и 2 тезисов докладов российских конференций.
Личный вклад автора диссертации
Автору принадлежат аналитические и численные результаты диссертации. Результаты второй главы, получены совместно с G.R. Aizin. В третьей главе электродинамическая задача была решена совместно с Г.М. Цымбаловым и M.S Shur. Обсуждение результатов и формулировка выводов диссертации было проведено автором совместно с научным руководителем.
Достоверность полученных в настоящей диссертации теоретических результатов определяется совпадением результатов, полученных в диссертации, с известными теоретическими результатами в предельных случаях, а также согласованием результатов расчета ТГц фотоотклика с известными экспериментальными данными.
Гранты
Диссертационная работа была выполнена при поддержке грантов фонда РФФИ (03-02-17219, 06-02-16155, 06-02-81007, 08-02-92497), программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Квантовые наноструктуры», а также грантов для молодых ученых Фонда содействия отечественной науке (2007, 2008 гг.).
Структура и объем диссертации
