En forskargrupp från Tohoku University och RIKEN har utvecklat en höghastighets, högkänslig terahertzvågsdetektor som arbetar vid rumstemperatur, vilket banar väg för framsteg i utvecklingen av nästa generations 6G/7G-teknik.
Detaljer om deras genombrott publicerades i tidskriften Nanophotonics den 9 november 2023.
Förbättringen av nuvarande kommunikationshastigheter kommer att förlita sig på terahertz (THz) vågor. THz-vågor är elektromagnetiska vågor inom THz-intervallet, som faller mellan mikrovågs- och infraröda delar av det elektromagnetiska spektrumet, vanligtvis över frekvenser från 300 gigahertz till 3 THz.
Ändå är den snabba och känsliga detekteringen av THz-vågor vid rumstemperatur utmanande för konventionella elektroniska eller fotoniska halvledarenheter.
Det är här tvådimensionella plasmoner kommer in. I en halvledarfälteffekttransistor finns det en tvådimensionell elektronkanal där det finns en kollektiv laddningsdensitetskvanta, det vill säga tvådimensionella plasmoner. Dessa plasmoner är exciterade tillstånd av elektroner som uppvisar vätskeliknande beteenden. Deras olinjära likriktningseffekter, som härrör från dessa vätskeliknande beteenden, och deras snabba respons (ej begränsad av elektrontransittid) gör dem till ett lovande sätt att detektera THz-vågor vid rumstemperatur.
"Vi upptäckte en 3D-plasmonisk korrigeringseffekt i THz-vågdetektorn", säger Akira Satou, ledare för forskargruppen och docent vid Tohoku Universitys forskningsinstitut för elektrisk kommunikation (RIEC). "Detektorn var baserad på en indiumfosfidtransistor med hög elektronrörlighet och den gjorde det möjligt för oss att förbättra detekteringskänsligheten mer än en storleksordning högre än konventionella detektorer baserade på 2D-plasmoner."
Den nya detektionsmetoden kombinerade den traditionella vertikala hydrodynamiska olinjära likriktningseffekten av 2D-plasmoner med tillägget av en vertikal diodström-olinjäritet.
Det löste också dramatiskt den vågformsdistorsion som orsakades av flera reflektioner av höghastighetsmodulerade signaler – ett kritiskt problem i konventionella detektorer baserade på 2D-plasmoner.
Ledande gruppen tillsammans med Satou var specialutnämnd professor Tetsuya Suemitsu från Tohoku Universitys New Industry Creation Hatchery Center och Hiroaki Minamide från RIKEN Center for Advanced Photonics.
"Vår nya detektionsmekanism övervinner de flesta flaskhalsarna i konventionella terahertz-vågsdetektorer", tillägger Satou. "När vi ser framåt hoppas vi kunna bygga vidare på vår prestation genom att förbättra enhetens prestanda."
Mer information: Akira Satou et al, Gate-readout and a 3D rectification effect för enorm responsivity förbättring av asymmetriska dubbelgitter-gate plasmoniska terahertz-detektorer, nanofotonik (2023). DOI:10.1515/nanoph-2023-0256
Tillhandahålls av Tohoku University
