Терагерцовый диапазон долгое время оставался белым пятном на карте электромагнитного спектра. Слишком высокочастотный для традиционной электроники и слишком низкоэнергетичный для оптических методов, он требовал принципиально новых подходов. И такой подход нашелся: детекторы на основе двумерного электронного газа с использованием эффекта фотонного увлечения открыли дверь в эту загадочную область частот от 0,1 до 10 ТГц.
Что делает эти приборы настолько особенными? Энергия терагерцовых фотонов составляет всего 4 мэВ при 1 ТГц, что в тысячи раз меньше энергии видимого света. Классические фотодетекторы здесь бессильны. Однако двумерный электронный газ, заключенный в гетероструктурах типа AlGaAs/InGaAs/GaAs или AlGaN/GaN, создает условия для совершенно иного физического механизма: прямой передачи импульса от фотонов к электронам.
Физика двумерного электронного газа и эффект фотонного увлечения
Двумерный электронный газ формируется на границе разнородных полупроводников, где электроны оказываются заключены в потенциальной яме толщиной всего несколько нанометров. В таком квантовом ограничении движение электронов в одном направлении квантуется, создавая дискретные энергетические подзоны. При этом в плоскости электроны сохраняют свободу движения, демонстрируя подвижность до 30000 см²/В·с в структурах AlGaAs/InGaAs/GaAs при комнатной температуре, а при криогенных условиях этот показатель взлетает до 10⁶ см²/В·с.
Эффект фотонного увлечения, предсказанный Сержем Лурьи в 1987 году для межподзонных переходов в 2DEG, базируется на фундаментальном принципе: при поглощении фотона электрон получает не только энергию, но и импульс. В 1988 году Анатолий Гринберг и Серж Лурьи разработали детальную теорию этого эффекта для систем 2DEG, показав, что плотность тока фотонного увлечения J_ph определяется как J = e × (ℏq/ω) × W, где e - заряд электрона, ℏq - импульс фотона, ω - частота, W - скорость поглощения на единицу площади.
Критически важным оказалось различие времен релаксации импульса между основной и возбужденной подзонами (τ₁ и τ₂). Это различие создает несимметричное рассеяние, усиливающее эффект увлечения. В высокоподвижных 2DEG при низких температурах квантовая эффективность может превысить единицу благодаря механизмам уширения линий - столкновительному или доплеровскому. Математически это выражается как J_ph = (eN/ℏ) × (ħk × E) × (τ₁⁻¹ - τ₂⁻¹)/(ω² + τ⁻²).
Революционное открытие: in-plane photoelectric effect
В 2022 году группа исследователей во главе с Михайловым и Михайловым опубликовала работу, перевернувшую представления о терагерцовом детектировании. Они обнаружили in-plane photoelectric effect (IPPE) - внутриплоскостной фотоэлектрический эффект в двумерных электронных системах. Эксперименты на частоте 1,9 ТГц показали возникновение мощного фототока в 2DEG без приложения внешнего напряжения между стоком и истоком.
Принцип работы основан на электрически управляемой потенциальной ступеньке внутри 2DEG, создаваемой расщепленными затворами. Высота этого барьера настраивается напряжением на затворе, что позволяет оптимизировать квантовую эффективность для конкретной частоты. Фотоотклик оказался более чем в 10 раз выше, чем предсказывали теории плазмонного детектирования.
Теоретические работы Михайлова с соавторами предоставили полное описание IPPE с аналитическими формулами для фототока, квантовой эффективности и отклика детектора. Ключевой вывод: эффект максимален при отрицательной эффективной работе выхода, когда энергия Ферми превышает высоту барьера. Отклик R = (eλ/hc) × η, где λ - длина волны, hc - постоянная, η - внутренняя квантовая эффективность (0,1-1 в оптимизированных структурах). Этот механизм работает не только в GaAs, но и в кремнии, графене и других двумерных системах.
Плазмонные механизмы усиления
Параллельно с фотонным увлечением в 2DEG действуют плазмонные механизмы. Коллективные плазменные колебания электронного газа могут резонировать на терагерцовых частотах, создавая дополнительное усиление отклика. В 2016 году исследовательская группа Цинь продемонстрировала возбуждение плазмонов в 2DEG на основе AlGaN/GaN с использованием структур с решеткой затвора.
Эксперименты выявили плазмонные моды на частотах 0,85-1,30 ТГц с качественным фактором, ограниченным временем затухания около 0,52 пс. Резонансный отклик достигал 0,28 В/Вт при криогенных температурах (4,2-120 К). Узкие щели шириной 0,3 мкм между элементами затвора усиливали ближнепольную связь, снижая мощность эквивалентную шуму на порядки величины.
Плазмон-фотогальванический эффект, исследованный Поповым, Фатеевым и Ивченко, демонстрирует генерацию фототока за счет асимметрии плазмонных мод в нецентросимметричных плазмонных кристаллах. Недавняя работа Моисеенко, Свинцова и Девизоровой показала, что фототок от электромагнитного увлечения может усиливаться за счет сильно локализованных экранированных плазмонов вблизи краев металлических затворов в частично закрытых 2D-системах.
Конструкции детекторов и экспериментальные характеристики
Современные терагерцовые детекторы на 2DEG реализуются в нескольких архитектурах. Наиболее распространены структуры на основе полевых транзисторов (HEMT, MOSFET) с коротким каналом, где плазменные колебания эффективно взаимодействуют с падающим излучением.
Диссертация Ермолаева описывает детекторы на коротко-периодных массивах полевых транзисторов AlGaAs/InGaAs/GaAs, демонстрирующие фотовольтаический отклик через механизм фотонного увлечения. Ключевые параметры впечатляют: чувствительность до 1100 В/Вт при температуре 300 К, NEP менее 10⁻¹¹ Вт/√Гц при 77 К. Поляризационная зависимость следует закону E², где E направлена вдоль линии сток-исток. Критично, что внешнее смещение не требуется.
Структуры с металл-полупроводник-металл (MSM) контактами способствуют формированию электромагнитных потенциальных ям и быстрому сбору фотоэлектронов из 2DEG. Чувствительность современных детекторов превышает 1 кВ/Вт по вольт-ваттному отклику без смещения, достигая NEP ниже 10⁻¹⁴ Вт/√Гц в лучших образцах.
Широкополосность - одно из ключевых преимуществ: работа в диапазоне от 22 до 519 ГГц подтверждена экспериментально. Реализуются как резонансные режимы детектирования (при высокой подвижности и низких температурах), так и нерезонансные для широкополосного приема, причем переключение между режимами осуществляется электрически через управление затвором.
Графеновые и новые материальные платформы
Графен как идеальный двумерный материал открывает новые горизонты. В 2019 году группа Чжу продемонстрировала циркулярный эффект фотонного увлечения (CPDE) в вертикально выращенном графене (VGG). При облучении эллиптически поляризованным светом генерировалось эллиптически поляризованное терагерцовое излучение с настраиваемыми состояниями поляризации - линейной, левополяризованной, правополяризованной. Полярность сигнала обратима при изменении спиральности накачки.
VGG обеспечивает повышенное светопоглощение благодаря увеличенной эффективной площади взаимодействия. Обзор Миттендорффа 2021 года по 2D-терагерцовой оптоэлектронике отмечает, что фототермоэлектрические эффекты и фотонное увлечение в графене часто работают совместно. Графеновые детекторы на гибких подложках демонстрируют работу на частотах 330-500 ГГц при комнатной температуре с чувствительностью 1,54 А/Вт.
Квантовые ямы α-Sn/Ge представляют альтернативную платформу. Исследования 2022 года показали фотонные токи увлечения и генерацию терагерцового излучения в этих структурах. Преимущество - эффективная конвертация света в широкополосное ТГц-излучение с возможностью настройки через деформацию, изменяющую фазовые переходы материала.
Топологические изоляторы типа WTe₂ и материалы с берриевской кривизной демонстрируют сосуществование фотонного увлечения с токами сдвига. Обзор У с соавторами 2024 года по эмиссионной терагерцовой спектроскопии различает эти механизмы, показывая роль CPDE в спиральностно-зависимом детектировании и эмиссии.
Сравнительный анализ с другими технологиями
Как соотносятся 2DEG-детекторы с конкурирующими технологиями? Квантовые болометры показывают лучшую чувствительность (NEP до 10⁻¹⁸ Вт/√Гц), но требуют температур ниже 1 К. Детекторы Шоттки работают при комнатной температуре, но имеют NEP около 10⁻⁹ Вт/√Гц. 2DEG-детекторы занимают промежуточную нишу: NEP 10⁻¹⁰-10⁻¹² Вт/√Гц при температурах 4,2-300 К.
Критическое преимущество - широкая полоса без необходимости перестройки. Детекторы на базе FET покрывают 0,1-10 ТГц в нерезонансном режиме, тогда как диоды Шоттки ограничены частотами до 3 ТГц. Отклик до 10 кВ/Вт конкурирует с лучшими пироэлектрическими детекторами, сохраняя быстродействие на уровне наносекунд против миллисекунд у пироэлектриков.
Фототермоэлектрические детекторы на графене, хотя и работают при комнатной температуре, часто уступают в скорости отклика. Различение механизмов - фотонного увлечения, фототермоэлектрического эффекта и фотогальванических токов - требует анализа температурных зависимостей, поляризационных характеристик и угла падения излучения.
Практические применения и российские разработки
Терагерцовая спектроскопия получила мощный инструмент. Межподзонные переходы в 2DEG позволяют изучать кинетику релаксации импульса, что было предложено еще Лурьи как метод спектроскопии. Современные детекторы применяются в системах контроля безопасности, беспроводных коммуникациях (потенциально до 10 Гбит/с в стандарте IEEE 802.15.4c), научных исследованиях.
Перспективное направление - интеграция с матричными системами для терагерцового изображения и быстрого видеодетектирования. Гетеродинные приемники на основе 2DEG-болометров в сочетании с квантовыми каскадными лазерами как локальными осцилляторами показывают шумовую температуру ниже 1000 К при работе выше 1 ТГц.
Российская разработка, защищенная патентом RU2808394C1, использует твердый раствор Bi₁₋ₓSbₓ с концентрацией сурьмы 5-17 атомных % в пленках толщиной 100-500 нм. Характеристики: чувствительность ≥30 мВ/Вт, NEP ≤0,15 нВт·Гц⁻¹/², время отклика ≤20 мкс, рабочий диапазон температур от -10°C до +50°C. Это расширяет область практического применения за пределы лабораторных условий.
Ограничения и перспективы развития
Главный вызов - температурная зависимость. Максимальная чувствительность достигается при криогенных температурах, где подвижность максимальна, а тепловые шумы минимальны. При комнатной температуре NEP возрастает на порядок, хотя современные материалы сокращают этот разрыв. Графеновые структуры и топологические изоляторы обещают сохранение высокой подвижности при более высоких температурах.
Согласование импеданса остается инженерной проблемой. Длины волн 30 мкм - 3 мм диктуют размеры антенных структур. Логопериодические и дипольные антенны требуют прецизионной литографии. Современные методы, включая электронную литографию с разрешением до 10 нм, позволяют создавать сложные согласующие структуры.
Дальнейшее развитие связано с гибридными системами: метаповерхности для концентрации поля, интеграция с оптическими волноводами, использование дираковских полуметаллов типа PtSe₂ и PdTe₂ с анизотропными транспортными свойствами. Работы по гетероструктурам NbIrTe₄-графен показали отклик до 264,6 В·Вт⁻¹ при 0,30 ТГц с временем отклика 1 мкс и NEP менее 0,28 нВт·Гц⁻¹/².
Коммерциализация идет полным ходом. Рынок терагерцовых детекторов оценивается в 50-100 млн долларов с ростом 25-30% в год. Драйверы роста - развитие 6G-сетей, системы безопасности, медицинская диагностика. Ведущие игроки - Toptica, Coherent, Menlo Systems в Европе и США, CIP Technologies в Великобритании, отечественная компания "Терагерцовая фотоника".
Эффект фотонного увлечения в двумерном электронном газе трансформировался из теоретического предсказания 1987 года в работающую технологию 2025 года. Чувствительность на уровне пиковатт, полоса в несколько терагерц, электрическая перестройка - характеристики, недостижимые для традиционных детекторов. По мере совершенствования материалов и снижения требований к охлаждению эти приборы займут центральное место в терагерцовой технике, открывая приложения от спектроскопии до сверхскоростной связи.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube