Hooggevoelige terahertz-detectie door 2D-plasmonen in transistors

Een onderzoeksgroep van de Tohoku Universiteit en RIKEN heeft een snelle, zeer gevoelige terahertz-golfdetector ontwikkeld die bij kamertemperatuur werkt, wat de weg vrijmaakt voor vooruitgang in de ontwikkeling van de volgende generatie 6G/7G-technologie.

Details van hun doorbraak waren gepubliceerd in het journaal Nanofotonica op 9 november 2023.

De verbetering van de huidige communicatiesnelheden zal afhankelijk zijn van terahertz (THz) golven. THz-golven zijn elektromagnetische golven binnen het THz-bereik, dat tussen de microgolf- en infrarode delen van het elektromagnetische spectrum valt, en omvat doorgaans frequenties van 300 gigahertz tot 3 THz.

Toch is de snelle en gevoelige detectie van THz-golven bij kamertemperatuur een uitdaging voor conventionele elektronische of fotonische halfgeleiderapparaten.

Dit is waar tweedimensionale plasmonen in beeld komen. In een halfgeleiderveldeffecttransistor is er een tweedimensionaal elektronenkanaal waarin collectieve ladingsdichtheidsquanta, dat wil zeggen tweedimensionale plasmonen, bestaan. Deze plasmonen zijn aangeslagen toestanden van elektronen die vloeistofachtig gedrag vertonen. Hun niet-lineaire rectificatie-effecten, die voortkomen uit dit vloeistofachtige gedrag, en hun snelle respons (niet beperkt door de transittijd van elektronen) maken ze tot een veelbelovend middel om THz-golven bij kamertemperatuur te detecteren.

“We ontdekten een 3D-plasmonisch rectificatie-effect in de THz-golfdetector”, zegt Akira Satou, leider van de onderzoeksgroep en universitair hoofddocent aan het Research Institute for Electrical Communication (RIEC) van Tohoku University. “De detector was gebaseerd op een indiumfosfide-transistor met hoge elektronenmobiliteit en stelde ons in staat de detectiegevoeligheid ruim een ​​orde van grootte hoger te brengen dan conventionele detectoren op basis van 2D-plasmonen.”

De nieuwe detectiemethode combineerde het traditionele verticale hydrodynamische niet-lineaire rectificatie-effect van 2D-plasmonen met de toevoeging van een verticale niet-lineariteit van de diodestroom.

Het loste ook op dramatische wijze de golfvormvervorming op die wordt veroorzaakt door meervoudige reflecties van met hoge snelheid gemoduleerde signalen – een cruciaal probleem bij conventionele detectoren op basis van 2D-plasmonen.

Naast Satou leidde de groep de speciaal benoemde professor Tetsuya Suemitsu van het New Industry Creation Hatchery Center van Tohoku University en Hiroaki Minamide van het RIKEN Center for Advanced Photonics.

“Ons nieuwe detectiemechanisme overwint de meeste knelpunten in conventionele terahertz-golfdetectoren”, voegt Satou toe. “Vooruitkijkend hopen we voort te bouwen op onze prestatie door de prestaties van het apparaat te verbeteren.”