Instytut Wysokich Ciśnień

Projekt naukowy (Harmonia)

Terahercowe niestabilności plazmy w nanostrukturach azotkowych

Realizowany na bazie decyzji 2013/10/M/ST3/00705 Dyrektora Narodowego Centrum Nauki

Kierownik Prof. Czesław Skierbiszewski

Okres realizacji

Start projektu: 2014-05-07           koniec projektu:               2017-05-06

Streszczenie

Nanostruktury półprzewodnikowe mogą służyć jako rezonatory dla wzbudzeń plazmowych [1]. Częstotliwość f tych wzbudzeń zależy od wymiarów rezonatora. W nanostrukturach o wymiarach L ~ 10^-6 m lub mniejszych, f może osiągnąć częstotliwości teraherców (THz = 10¹² Hz), ponieważ f ~ s/L, a prędkość fal plazmowych ~10⁶ m/s. Wykazano, że w strukturach z bramką stały przepływ prądu może prowadzić do niestabilności i spontanicznej generacji fal plazmowych w bramkowanej części nanostruktury (tzw. "niestabilność płytkiej wody") [1]. Na początku roku 2000 zostały eksperymentalnie potwierdzone możliwości wzbudzeń plazmowych o częstościach THz. Jednak wszystkie obserwowane zjawiska rezonansowe były znacznie szersze, niż teoretycznie przewidywanie. Ponadto w wielu przypadkach obserwowana emisja była nierezonansowa oraz nie było możliwości sterowania jej napięciem. Powstały pytania dotyczące kompletności modelu teoretycznego oraz istnienia nowego rodzaju niestabilności.

Cel badań/Hipoteza? Głównym celem projektu jest rozstrzygnięcie następujących kwestii: i) zrozumienie/wyjaśnienie fizycznych przyczyn niezwykłego poszerzenia rezonansu plazmowego (lub całkowitego jego braku) oraz drugi ii) weryfikacja istnienia nowych niestabilności plazmy – jak niestabilności w obszarze poza bramką (tzw. „niestabilność głębokiej wody”) [3] lub niestabilności krawędziowej (tzw. „niestabilność białej wody”) [4]. Dotychczas problemy te były traktowane cząstkowo i tylko teoretycznie [2, 3, 4]. Projekt ten ma na celu zweryfikowanie eksperymentalne założeń teoretycznych i zbudowanie nowego kompletnego modelu teoretycznego niestabilności plazmy w nanostrukturach.

Azotkowe nanometrowe tranzystory FET (ang. FET – Field Effect Transistor) wybrano jako najlepszy system eksperymentalny, ponieważ do dnia dzisiejszego są one jedynymi tranzystorami, w których obserwowano plazmową detekcję jak i emisję. Azotki mają również duże gęstości powierzchniowe nośników pozwalające uzyskać wyższe częstotliwości plazmy. Efektywność konwersji w THz emisji zwykle jest stosunkowo niska. Dlatego wysokie poziomy mocy, które mogą być uzyskane w azotkowych FET, dają większe szanse na obserwację i badanie niestabilności plazmy.

Metoda badawcza? Istotą projektu jest zbadanie eksperymentalne wysokiej jakości nanostruktur na bazie GaN o różnej geometrii. Projekt ma na celu: i) wytworzenie w MBE wysokiej ruchliwości dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) na bazie heterostruktur GaN/AlGaN, ii) processing struktur nanometrowych tranzystorów o różnych architekturach oraz iii) systematyczne badania jak THz niestabilności plazmy w tych strukturach zależą od ich architektury. Badania w funkcji długości kanału, długości bramki oraz jej szerokości powinny zapewnić weryfikację istnienia trzech ostatnio przewidzianych teoretycznie [2,3,4] efektów fizycznych: i) poszerzenia spowodowanego modami skośnymi? ii) poszerzenia związanego z wyciekaniem plazmonów? iii) niestabilności „głębokiej wody” i „białej wody”?

Aktualność i nowatorstwo proponowanej metody pochodzi od kombinacji niedawno rozwiniętych dziedzin badawczych: THz niestabilności plazmy w systemach niskowymiarowych oraz badań azotkowych nanostruktur. Podejście zaproponowane w tym projekcie jest pionierskie, ponieważ po raz pierwszy połączy bardzo silną technologię epitaksjalną wytwarzania struktur (wzrost i processing po stronie wnioskodawcy – Polska) z bardzo precyzyjną charakteryzacją THz niestabilności plazmy (Francja).

Wpływ? Spodziewamy się, że projekt będzie miał bardzo duży wpływ na polu badawczym oraz na samą dyscyplinę (fizykę plazmy w nanostrukturach), ponieważ odpowie na główne pytanie: czy wysoka dobroć plazmy w nanometrowych strukturach półprzewodnikowych jest osiągalna i jakie są wymagane warunki fizyczne (geometria, warunki graniczne, właściwości materiału itp.). Zrozumienie fizycznych mechanizmów poszerzenia powinno umożliwić stworzenie nanotranzystorów użytecznych m. in. w THz spektroskopii, kontroli bezpieczeństwa, medycynie komunikacji bezprzewodowej. Potencjalnie rezultaty projektu mogą mieć istotny wpływ gospodarczy i społeczny.

Współpraca międzynarodowa może częściowo opierać się o akcję COST MP1204 "TERA-MIR Radiation: Materials, Generation, Detection and Applications". W tej akcji obaj partnerzy są członkami Komitetu Zarządzającego akcją MP1204. Partner L2C posiada niezbędne doświadczenie i umiejętności aby modelować i badać THz niestabilności plazmy. Polski partner posiada komplementarne doświadczenie, umiejętności oraz aparaturę do wytwarzania (wzrost epitaksjalny i processing) wysokiej jakości nanostruktur na bazie azotków. Partnerzy są komplementarni i są liderami w swoich dziedzinach. Projekt Harmonia pozwoli na nawiązanie nowej ścisłej współpracy i zapewni powstanie nowej dziedziny naukowej w Polsce „Fizyki niestabilności plazmy w nanostrukturach półprzewodnikowych”.

[l] M. I. Dyakonov, M. S. Shur, Shallow water analogy for a ballistic field effect transistor: New mechanism of plasma wave generation by dc current, Phys. Rev. Lett. 71, 2465 (1993)

[2] V. V. Popov, O. V. Polischuk, W. Knap, Broadening of the plasmon resonance due to plasmon-plasmon intermode scattering in terahertz high-electron-mobility transistors, Appl. Phys. Lett. 93, 263503 (2008)

[3] M. I. Dyakonov, et al, Current instability and plasma waves generation in ungated two-dimensional electron layers, Appl. Phys. Lett. 87, 111501 (2005) [4] M. I. Dyakonov, Boundary Instability of two-dimensional electron fluid, Semiconductors 42 984 (2008)

Publikacje w czasopismach

1.    3-D-Printed Flat Optics for THz Linear Scanners,
Jaroslaw Suszek, Agnieszka Siemion, Marcin S. Bieda,Narcyz Błocki, Dominique Coquillat, Grzegorz Cywiński, Elżbieta Czerwińska, Marta Doch, Adam Kowalczyk, Norbert Palka, Artur Sobczyk, Przemysław Zagrajek, Marcin Zaremba, Andrzej Kolodziejczyk, Wojciech Knap, and Maciej Sypek
IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY, Volume 5, Issue 2, Pages: 314-316 (2015)
IF 2.177
2.    AlGaN/GaN HEMT's photoresponse to high intensity THz radiation,
N. Dyakonova, D.B. But, D. Coquillat, W. Knap, C. Drexler, P. Olbrich, J. Karch, M. Schafberger, S.D. Ganichev, G. Ducournau, C. Gaquiere, M.−A. Poisson, S. Delage, G. Cywinski, C. Skierbiszewski
OPTO-ELECTRONICS REVIEW, Volume 23, Issue 3, Pages: 195-199 (2015)
IF 1.449
3.    Silicon junctionless field effect transistors as room temperature terahertz detectors,
J. Marczewski, W. Knap, D. Tomaszewski, M. Zaborowski, and P. Zagrajek
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 118, 104502 (2015)
IF 2.068
4.    Black Phosphorus Terahertz Photodetectors,
Leonardo Viti, Jin Hu, Dominique Coquillat, Wojciech Knap, Alessandro Tredicucci, Antonio Politano, and Miriam Serena Vitiello
ADVANCED MATERIALS, Volume 27, Issue 37, Pages: 5567-5572 (2015)
IF 19.791
5.    Pressure- and temperature-driven phase transitions in HgTe quantum wells,
S. S. Krishtopenko, I. Yahniuk, D. B. But, V. I. Gavrilenko, W. Knap, and F. Teppe
PHYSICAL REVIEW B 94, 245402 (2016)
IF 3.836
6.    Saturation of photoresponse to intense THz radiation in AlGaN/GaN HEMT detector,
N. Dyakonova, P. Faltermeier, D. B. But, D. Coquillat, S. D. Ganichev, W. Knap, K. Szkudlarek, and G. Cywinski
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 120, 164507 (2016)
IF 2.068
7.    Plasma-Wave Terahertz Detection Mediated by Topological Insulators Surface States,
Leonardo Viti, Dominique Coquillat, Antonio Politano, Konstantin A. Kokh, Ziya S. Aliev, Mahammad B. Babanly, Oleg E. Tereshchenko, Wojciech Knap, Evgueni V. Chulkov, and Miriam S. Vitiello
NANO LETTERS, Volume 16, Issue 1, Pages: 80-87 (2016)
IF 12.712
8.    Terahertz 3D printed diffractive lens matrices for field-effect transistor detector focal plane arrays,
Krzesimir Szkudlarek, Maciej Sypek, Grzegorz Cywiński, Jarosław Suszek, Przemysław Zagrajek, Anna Feduniewicz-Żmuda, Ivan Yahniuk, Sergey Yatsunenko, Anna Nowakowska-Siwińska, Dominique Coquillat, Dmytro B. But, Martyna Rachoń, Karolina Węgrzyńska, Czesław Skierbiszewski, and Wojciech Knap
OPTICS EXPRESS, Volume 24, Issue 18, Pages: 20119-20131 (2016)
IF 3.307
9.    Low frequency noise in two-dimensional lateral GaN/AlGaN Schottky diodes,
Grzegorz Cywiński, Krzesimir Szkudlarek, Piotr Kruszewski, Ivan Yahniuk, Sergey Yatsunenko, Grzegorz Muzioł, Czesław Skierbiszewski, Wojciech Knap, Sergey L. Rumyantsev
APPLIED PHYSICS LETTERS 109, 033502 (2016)
IF 3.411
10.    MBE grown GaN/AlGaN lateral Schottky barrier diodes for high frequency applications,
Grzegorz Cywiński, Krzesimir Szkudlarek, Piotr Kruszewski, Ivan Yahniuk, Sergey Yatsunenko, Grzegorz
Muzioł, Marcin Siekacz, Czesław Skierbiszewski, Sergey Rumyantsev and Wojciech Knap
JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B 34, 02L118 (2016)
IF 1.573
11.    Heterostructured hBN-BP-hBN Nanodetectors at Terahertz Frequencies,
Leonardo Viti , Jin Hu , Dominique Coquillat , Antonio Politano , Christophe Consejo , Wojciech Knap , and Miriam S. Vitiello
ADVANCED MATERIALS, Volume 28, Issue 34, Pages: 7390-7396 (2016)
IF 19.791
12.    Efficient Terahertz detection in black-phosphorus nanotransistors with selective and controllable plasma-wave, bolometric and thermoelectric response,
Leonardo Viti, Jin Hu, Dominique Coquillat, Antonio Politano, Wojciech Knap & Miriam S. Vitiello
SCIENTIFIC REPORTS 6, 20474 (2016)
IF 4.259
13.    Phase transition in two tunnel-coupled HgTe quantum wells: Bilayer graphene analogy and beyond,
Sergey S. Krishtopenko, Wojciech Knap, Frederic Teppe
SCIENTIFIC REPORTS 6, 30755 (2016)
IF 4.259
14.    Imaging and Gas Spectroscopy for Health Protection in Sub-THz Frequency Range,
W. Knap, D. B. But, D. Couquillat, N. Dyakonova, M. Sypek, J. Suszek, E. Domracheva, M. Chernyaeva, V. Vaks, K. Maremyanin, V. Gavrilenko, C. Archier, B. Moulin, G. Cywinski, I. Yahniuk, and K. Szkudlarek
International Journal of High Speed Electronics and Systems, Vol. 25, Nos. 3 & 4 (2016) 1640017 (9 pages)
IF 0.35
15.    Electrically driven terahertz radiation of 2DEG plasmons in AlGaN/GaN structures at 110 K temperature,
V. Jakštas, I. Grigelionis, V. Janonis, G. Valušis, I. Kašalynas, G. Seniutinas, S. Juodkazis, P. Prystawko, and M. Leszczyński
APPLIED PHYSICS LETTERS 110, 202101 (2017)
IF 3.411


Teksty w publikacjach pokonferencyjnych

1.    GaN/AlGaN based transistors for terahertz emitters and detectors,
Grzegorz Cywiński, Krzesimir Szkudlarek, Ivan Yahniuk, Sergey Yatsunenko, Marcin Siekacz, Czesław Skierbiszewski, Wojciech Knap, Dmytro B. But, Dominique Coquillat, Nina Dyakonova, Wojciech Knap
IEEE Conference Publication 2016 – 21st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON)
2.    GaN/AlGaN lateral Schottky barrier diodes for high frequency applications,
Grzegorz Cywiński, Krzesimir Szkudlarek, Ivan Yahniuk, Sergey Yatsunenko, Piotr Kruszewski, Grzegorz Muzioł, Czesław Skierbiszewski, Wojciech Knap, S. Rumyantsev, Dmytro But
IEEE Conference Publication 2016 – 21st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON)
3.    Diffractive optics for GaN terahertz detectors arrays,
Jarosław Suszek, Maciej Sypek, Agnieszka Siemion, Anna Nowakowska-Siwińska, Przemysław Zagrajek, Grzegorz Cywiński, Krzesimir Szkudlarek, Ivan Yahniuk, Sergey Yatsunenko, Dmytro B. But, Dominique Coquillat, Wojciech Knap
IEEE Conference Publication 2016 – 21st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON)
4.    Terahertz imaging by field effect transistors,
Wojciech Knap, Dmytro But, Dominique Coquillat, Nina Dyakonova, Frederic Teppe, Maciej Sypek, Jarosław. Suszek, Grzegorz Cywiński, Krzesimir Szkudlarek, Ivan Yahniuk, SergeyYatsunenko
IEEE Conference Publication 2016 – 21st International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON)
5.    Terahertz imaging with GaAs and GaN plasma field effect transistors detectors,
Wojciech Knap, Dmytro B. But, Nina Dyakonova, Dominique Coquillat, Frederic Teppe, Jarosław Suszek, Agnieszka M. Siemion, Maciej Sypek, Krzesimir Szkudlarek, Grzegorz Cywiński, Ivan Yahniuk
IEEE Conference Publication 2016 – 23rd International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems (MIXDES)
6.    Lateral Schottky barrier diodes based on GaN/AlGaN 2DEG for sub-THz detection,
Grzegorz Cywiński, Ivan Yahniuk, Krzesimir Szkudlarek, Piotr Kruszewski, Sergey Yatsunenko, Grzegorz Muzioł, Czesław Skierbiszewski, Dmytro But, Wojciech Knap
IEEE Conference Publication 2016 – 23rd International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems (MIXDES)
7.    Terahertz imaging with arrays of plasma field effect transistors detectors
W. Knap, M. Sypek, D. But, D. Coquillat, J. Suszek, K. Szkudlarek, A. Siemion, G. Cywinski, N. Dyakonova, F. Teppe
41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz) (2016)