ポラリトン―プラズモン励起系を利用したコヒーレントテラヘルツ発振素子の基礎的研究

使用极化子-等离子体激元激发系统的相干太赫兹振荡器的基础研究

• 批准号: 13875069
• 负责人: 尾辻 泰一
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-13875069/
• 关键词: プラズマ共鳴効果; テラヘルツ; トランジスタ; ポラリトン; プラズモン; 3次高調波; 光注入同期; 発振; 二次元電子液体

半導体電子液体のコヒーレントプラズマ共鳴特性の解明を目的として、DyakonovとShurの提案した2次元プラズマ電子波に対する流体力学方程式(摂動論的な線形結合近似による1次元モデル)を出発点として電子流体力学シミュレータを構築した。数値解析には有限差分時間領域(FDTD)解析手法を採用した。従来はEuler方程式に則って定式化し、プラズマ電子流体の特性を左右する各種散乱因子:フォノン散乱、不純物散乱、電子間散乱を電子寿命として全て外部摩擦項として簡略化近似していた。本来は、電子間散乱の効果は内部摩擦すなわち粘性項として表現すべきであり、これによる計算誤差の程度を定量的に評価するために、Navier-Stokes方程式に則った定式化を行い、FDTDシミュレータを構築した。テラヘルツ帯共鳴動作が期待できるゲート長0.1ミクロン程度の化合物系微細化HEMT構造を対象として、液体水素温度から室温にわたり各種散乱がプラズマ波動に与える影響を解析した。その結果、フォノン散乱の影響が低下する液体水素温度条件では、共鳴周波数とともに粘性項を外部摩擦として近似する場合には摩擦力が過大評価され、20THzにおいては正規の約3倍程度にもなることが明らかにしなった。一方、室温付近においては、外部摩擦として近似しても大きな誤差は生じないことが明らかになった。両者の定式化において、計算時間に大きな差異は見られないものの、数値解の収束性においては大きな違いが見られ、Navier-Stokes方程式の収束性の改善は今後の課題である。更に、2次元電子流体シミュレータにより得られた電子濃度と電子局所速度の値を電流源として3次元電磁界シミュレータに与えることにより、プラズマ共鳴からテラヘルツ電磁波放射に至る一連のダイナミクスのシミュレーションを可能とした。ケーススタディとして、2次元電子層がチャネル方向に周期性を帯びた回折格子構造と、単一構造との特性比較を行い、回折格子構造の電磁波放射モード変換機能を確認するとともに、構築したシミュレータの有効性を確認した。

The solution of resonance characteristics of semiconductor electronic liquids is proposed by Dyakonov and Shur. The hydrodynamic equations of two-dimensional electron waves are proposed by Dyakonov and Shur. Numerical analysis is performed in the finite difference time domain (FDTD). In the past, Euler equation was formulated and simplified to determine the characteristics of electron fluid. Various scattering factors were used: scattering, impurity scattering, electron scattering, electron lifetime. The results of the internal friction and dispersion of electrons are evaluated quantitatively by the Navier-Stokes equations. The compound system of miniaturized HEMT structure is analyzed according to the ratio of image and liquid temperature and room temperature. As a result, the influence of dispersion on the liquid temperature is low, and the external friction is too large when the resonance frequency is low, and the friction is about 3 times higher when the viscosity term is low. A square, room temperature, close to the inside, external friction, approximation, error, error, error. The formulation of Navier-Stokes equations, the large difference in calculation time, the convergence of numerical solutions, the improvement of convergence of Navier-Stokes equations, and the future problems. In addition, the two-dimensional electron fluid has the following characteristics: electron concentration, electron velocity, current source, three-dimensional electromagnetic field, resonance, electromagnetic wave emission, etc. 2-D electron layer is characterized by a periodic lattice structure and a simple lattice structure, and the electromagnetic wave emission function of the lattice structure is confirmed.

项目成果

尾辻 泰一: "Effect of Heterostructure 2-D Electron Confinement on the Tunability of Resonant Frequencies of Terahertz Plasma-Wave Transistors"Digest of Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics 2003. 1・1. 80-81 (2003)

大辻耐一：“异质结构二维电子限制对太赫兹等离子体波晶体管谐振频率可调性的影响”异质结构微电子专题研讨会摘要2003年。1・1（2003）

尾 辻 泰 一: ""Plasma-wave field-effect transistors and their terahertz applications""2001 Asia-Pacific Workshop on Advanced Semiconductor Devices Digest. 1・1. 71-77 (2001)

Taiichi Otsuji：“等离子体波场效应晶体管及其太赫兹应用”2001 年亚太先进半导体器件文摘研讨会 1・1（2001 年）。

尾辻 泰一: "Effect of Heterostructure 2-D Electron Confinement on the Tunability of Resonant Frequencies of Terahertz Plasma-Wave Transistors"IEICE Transactions on electronics. E86-C/10. 1985-1993 (2003)

Taiichi Otsuji：“异质结构二维电子限制对太赫兹等离子体波晶体管谐振频率可调谐性的影响”IEICE Transactions on electronics 1985-1993 (2003)。

尾辻 泰一: "Effect of Heterostructure 2-D Electron Confinement on the Tunability of Resonant Frequencies of Terahertz Plasma-Wave Transistors"IEICE Transactions on Electronics. E86-C・10(掲載予定). (2003)

Taiichi Otsuji：“异质结构二维电子限制对太赫兹等离子体波晶体管谐振频率可调谐性的影响”IEICE Transactions on Electronics（即将出版）。

尾辻 泰一: "THz Plasma-Wave Resonance of Two-Dimensional Electrons in InGaP/InGaAs HEMT's"Proceedings of the 11th IEEE International Conference on Terahertz Electronics. 1・1. 39-39 (2003)

Taiichi Otsuji：“InGaP/InGaAs HEMT 中二维电子的太赫兹等离子体波共振”第 11 届 IEEE 太赫兹电子国际会议论文集 1・1（2003 年）。