Новые плазменные физические явления для развития терагерцовой электроники Текст научной статьи по специальности «Физика»

Новые плазменные физические явления для развития терагерцовой

электроники

В.М.Муравьев,* И.В.Кукушкин

ИФТТРАН им. Ю.А. Осипьяна, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика

Осипьяна, д.2

*e-mail: muravev@issp.ac.ru

Современная электроника стремительно развивается вверх по частоте, открывая новые технологические и научные горизонты [1]. За последние десятилетия наблюдается увеличение рабочих частот полупроводниковых устройств на базе GaAs, GaN, SiGe и SiC в частотный диапазон 100 ГГц и выше. Это открывает целый ряд принципиально новых приложений. С возрастанием рабочей частоты возрастает пропускная способность и скорость передачи данных в беспроводных системах. Что позволяет создавать более быстрые и надежные сети связи поколения 5G/6G и разрабатывать новые методы передачи информации. Высокочастотная электроника играет ключевую роль в развитии беспилотных транспортных средств, обеспечивая быструю передачу и обработку данных, необходимых для навигации, обнаружения препятствий и принятия решений в режиме реального времени. Высокая рабочая частота позволяет создавать более точные радарные системы, способные обнаруживать и отслеживать цели на больших расстояниях с высоким разрешением. Поэтому научные исследования в области электроники, работающей в терагерцовом (ТГц) частотном диапазоне (100 ГГц - 1 ТГц) является актуальнейшей государственной задачей.

Ключевым элементом современной электроники является транзистор (от англ. transistor, что происходит от transfer «перенос; перемещение» + resistor «резистор, сопротивление»). Работа транзистора основана на том, что сопротивление канала транзистора может управляться напряжением на затворе. На используемых сейчас частотах транзистор выступает в качестве резистора, активным сопротивлением которого можно управлять. Однако, если рабочая частота полупроводниковых устройств начинает превышать обратное время электронной релаксации, то согласно модели Друде, импеданс устройства становится реактивным, меняя всю физику работу системы. Этот реактивный импеданс является следствием проявлений плазменных эффектов в канале полупроводниковых устройств. Было установлено, что для промышленных AlGaAs/GaAs полупроводниковых гетероструктур частота, выше которой электронная система начинает вести себя как новый физический объект - двумерная плазма, составляет 300 ГГц [2]. Таким образом, изучение новых плазменных эффектов является крайне актуальной научной проблемой для освоения ТГц частотного диапазона.

За последние годы в нашей группе получен ряд новых физических результатов в области двумерной плазмоники. В частности, обнаружен новый тип электромагнитных плазменных волн, распространяющихся в двумерной электронной системе на полупроводниковой подложке [3]. Полученные результаты были использованы для разработки нового физичексого принципа для построения ТГц фазовращателей [4]. При прохождении электромагнитного излучения через двумерный электронный слой фаза излучения может управляемо перестраиваться в пределах от 0 до 90 градусов. Также получены новый результаты в области создания и изучения плазмонных метаматериалов и метаповерхностей. В частности, продемонстрировано, что слоистый материал из кремниевых чипов с решётчатой металлической сеткой на поверхности демонстрирует любопытный электродинамический отклик в ТГц частотном диапазоне.

Литература

[1] Xi-Cheng Zhang, Jingzhou Xu "Introduction to THz Wave Photonics" (2010).

[2] K. R. Dzhikirba, A. Shuvaev, D. Khudaiberdiev, I. V. Kukushkin, V. M. Muravev, Appl. Phys. Lett. 123, 052104 (2023).

[3] A. Shuvaev, V. M. Muravev, P. A. Gusikhin, J. Gospodaric, A. Pimenov, and I. V. Kukushkin, Phys. Rev. Lett. 126, 136801 (2021).

[4] V. M. Muravev, A. Shuvaev, A. S. Astrakhantseva, P. A. Gusikhin, I. V. Kukushkin, A. Pimenov, Appl. Phys. Lett. 121, 051101 (2022)