Высокоскоростное и высокочувствительное терагерцовое обнаружение с использованием графенового транзистора
Исследовательская группа успешно обнаружила терагерцовые волны с быстрым откликом и высокой чувствительностью при комнатной температуре. Команду возглавили доцент Акира Сато из Научно-исследовательского института электрических коммуникаций Университета Тохоку (RIEC) и Хироаки Минамид из Центра передовой фотоники RIKEN. Подробности их прорыва были опубликованы в Интернете в виде избранной статьи в APL Photonics 2 декабря 2022 года.
Структура устройства с высоты птичьего полета и электронные микрофотографии поверхности устройства. G1: электрод затвора 1, G2: электрод затвора 2, D: электрод стока и S: электрод истока. Предоставлено: Коити Тамура и др.
В электромагнитном спектре, который включает в себя все, от радиоволн до рентгеновских и гамма-лучей, существует мертвая зона, в которой едва ли могут работать обычные электронные устройства. Эта мертвая зона занята терагерцовыми волнами.
Терагерцовые волны с длиной волны от 10 микрометров до 1 миллиметра уникальны среди электромагнитных волн. Частота их вибрации перекрывается с частотой молекул, из которых состоит материя, и они позволяют обнаруживать вещества, поскольку почти каждая молекула, работающая в терагерцовом диапазоне, имеет спектр отпечатков пальцев.
Технологии, способные использовать мощность терагерцовых волн, будут иметь огромное значение для развития спектроскопии, обработки изображений и технологий 6G и 7G.
Теперь исследовательская группа успешно обнаружила терагерцовые волны с быстрым откликом и высокой чувствительностью при комнатной температуре. Команду возглавили доцент Акира Сато из Научно-исследовательского института электрических коммуникаций Университета Тохоку (RIEC) и Хироаки Минамид из Центра передовой фотоники RIKEN.
Подробности их прорыва были опубликованы в Интернете в виде избранной статьи в APL Photonics 2 декабря 2022 года.
Измеренное выходное фотонапряжение (высота пика) в зависимости от напряжения смещения затвора 2 изменяется от точки нейтральности минимального заряда до положительно высокой, когда сохраняется смещение затвора 1. На врезке показаны профили плотности носителей в поперечном сечении и температуры в канале транзистора. Предоставлено: Коити Тамура и др.
Графен, одноатомный слоистый материал из атомов углерода, кристаллизованных в сотовой решетке, долгое время рассматривался как ответ на создание быстродействующих и высокочувствительных детекторов терагерцовых волн, способных работать при комнатной температуре. Но уникальные свойства терагерцовых волн затрудняют это.
Фототермоэлектрическое обнаружение, в котором используется эффект электродвижущего напряжения, создаваемого пространственной термодиффузией электронов и дырок, нагретых за счет поглощения электромагнитных волн, также известно своей способностью быстро и точно обнаруживать терагерцовые волны.
Однако современные фототермоэлектрические детекторы имеют сложную биполярную структуру, требующую, чтобы два электрода в детекторе были изготовлены из разных материалов. Это затрудняет достижение как высокой производительности, так и массового производства.
Успех группы был достигнут благодаря новому принципу, позволяющему проводить обнаружение даже в самом простом транзисторном устройстве.
Зависимость измеренной чувствительности детектирования тока и эквивалентной мощности шума от смещения стока. Предоставлено: Коити Тамура и др.
«Мы использовали транзистор униполярного типа с графеном, в котором участвовали только электроны», — сказал Сатоу. «Кроме того, для всех электродов можно использовать один и тот же тип металлов».
Забегая вперед, Сато и его команда планируют развить свое эпохальное достижение, улучшив производительность устройства.
