FIRB 2008 - Elettrodinamica di sistemi elettronici quantistici a bassa dimensionalità per la rivelazione di radiazione a frequenze terahertz

Il presente progetto, intitolato “Elettrodinamica di sistemi elettronici quantistici a bassa dimensionalità per la rivelazione di radiazione a frequenze terahertz” si pone l’obiettivo principale di studiare tramite attività di fisica sperimentale il comportamento di alcuni dispositivi microelettronici, del tipo del transistore ad effetto campo e fabbricati ad hoc nel corso del progetto, quando questi sono investiti da una radiazione elettromagnetica di frequenza estremamente elevata rispetto a quella dei segnali in corrente alternata per cui il dispositivo stesso funziona come transistore standard. Tale obiettivo di ricerca ha una duplice rilevanza: (i) impatto sulle conoscenze di base in elettronica, scienza dei materiali ed elettromagnetismo; (ii) impatto tecnologico-applicativo sia nella spettroscopia per l’identificazione di sostanze sia nella creazione di immagini per i controlli sanitari e di sicurezza.

I dispositivi elettronici fabbricati su eterostrutture di semiconduttore del gruppo III-V sono oggi elementi di base della tecnologia dell'informazione e della comunicazione. In particolare, i dispositivi studiati in questo progetto sono i transistori ad effetto di campo basati su materiali ad elevata mobilità elettronica (HEMT dall’inglese “High Electron Mobility Transistors”) utilizzati come amplificatori nelle microonde (qui definite come le frequenze tra 1 e 100 GHz). Tuttavia, i complessi meccanismi fisici che agiscono in un HEMT alle frequenze terahertz non sono stati ancora interamente compresi in quanto il comportamento del sistema è condizionato dagli effetti di propagazione di onde di plasma, ovvero onde di densità elettronica complessiva non riducibili alle descrizioni di singola particella su cui è basata la microelettornica. Questo progetto esplora con strumenti innovativi di microfabbricazione e spettroscopia la fisica dei 2DES contenuti negli HEMTs a frequenze tra 0,1 e 1,0 terahertz (THz) ed in particolare l’effetto delle onde di plasma elettronico, risonanti in cavità e non risonanti.

L’impatto tecnologico-applicativo degli obiettivi del presente progetto è estremamente rilevante soprattutto se considerato insieme all’elevato livello di maturità tecnologica delle tecniche fabbricative utilizzate, che dunque non costituiscono il limite per le prestazioni dei dispositivi. Infatti, ad oggi non si conoscono ancora le potenzialità di operatività a frequenze terahertz né dei sistemi di elettroni bidimensionali in qualsivoglia forma (incluso ad esempio il 2DES contenuto nel grafene, materiale divenuto popolarissimo durante il corso del progetto) né tantomeno della microelettronica integrata in quanto tale, visto che ad esempio sia l’elettronica da vuoto, sia gli approcci puramente ottici basati sui laser ultraveloci, forniscono entrambi prestazioni eccellenti nella emissione e rivelazione di frequenze terahertz. Quindi, il limite delle prestazioni al terahertz degli odierni dispositivi microelettronici è essenzialmente dato dalla comprensione della fisica di base, a cui questo progetto ha contribuito decisamente.

In dettaglio, il progetto aveva i seguenti obiettivi specifici:
1) Realizzazione di antenne planari per le frequenze terahertz sullo stesso substrato del HEMT (indicato come “deliverable n.2” nella proposta). Le antenne sono infatti la tecnologia abilitante per accoppiare la radiazione terahertz agli HEMT.
2) Controllo dei parametri statici del 2DES (densità, mobilità, velocità di deriva) tramite la polarizzazione in corrente continua del transistore tramite le sue porte di gate, drain e source.
3) Realizzazione di rivelatori diretti di radiazione (“deliverable n.1”), ovvero basati sulla parziale rettificazione del segnale armonico della radiazione. Obiettivo del progetto è dimostrare che il fenomeno è intrinseco alla propagazione di onde di plasma nel canale del transistor e che quindi l’effetto non è limitato dalle velocità di deriva elettroniche, poiché le onde di plasma possono viaggiare molto più rapidamente.
4) Realizzazione di un miscelatore (mixer) al terahertz (“deliverable n.3”), in grado di sfruttare la non-linearità intrinseca dell'equazione di propagazione delle onde di plasma elettronico bidimensionale per generare segnali di frequenza-somma e frequenza-differenza, da utilizzarsi per la sintesi di frequenza, per la rivelazione eterodina di segnali deboli, e per la modulazione e demodulazione di segnali in una banda ultra-larga di frequenze modulanti, data l’altissima frequenza della portante.


Fig. 1: Microdispositivo ad effetto di campo per frequenze terahertz del tipo realizzato nel progetto. (a) Layout dei contatti metallici progettati con software CAD in modo da funzionare anche come antenne integrate. (b) Immagine al microscopio elettronico dopo la fabbricazione. (c) Schema concettuale di funzionamento come mixer: le due aree colorate rappresentano l’inviluppo della densità di elettroni oscillante al terahertz: blu per il segnale di oscillatore locale a 0,198 THz e rosso per il segnale da rivelare a 0,592 THz. (d) Curva di trasferimento in corrente continua che mostra il comportamento da transistore ad effetto di campo. (e) Setup elettro-ottico utilizzato per le misure di mixing: le aree colorate rappresentano fasci terahertz propaganti in spazio libero. (f) Spettro di responsività dell’antenna a banda larga misurato nei due intervalli 0,18-0,24 e 0,50-0,75 THz.



Fig. 2: Dispositivi avanzati realizzati durante il progetto. (1) Elementi base del transistor ad effetto di campo contenente gas di elettroni bidimensionale. (2) Schema di bande elettroniche per l’eterostruttura GaAs/AlGaAs. (3) Caratteristiche elettriche dei diversi dispositivi realizzati che dipendono solo dalla lunghezza del gate mostrano discreta uniformità del processo fabbricativo. (4) Galleria di immagini di dispositivi realizzati con differenti geometrie di antenne terahertz integrate. 


Fig. 3: Tecnologia di emissione e rivelazione delle onde terahertz installata durante il progetto. (1) banco ottico con specchi parabolici privi di aberrazioni teoriche (foto a destra) e, nei grafici di intensità rivelata a sinistra, dimostrazione del raggiungimento del limite di diffrazione nel piano focale dello specchio finale (b), I piani (a) e (c) sono situati prima e dopo il fuoco. (2) foto del package ibrido con accessi elettrici ed ottico disegnato e costruito nel corso del progetto, che ha consentito di portare I prototipi in diversi laboratori internazionali. (3) foto della sorgente di radiazione acquisita ed installata, dopo scrittura del software di controllo (ditta Virginia Diodes Inc). (4) schema a blocchi della sorgente basata su moltiplicazione di frequenza, WR indica la larghezza in mm delle guide d’onda rettangolari 2x1. (5) spettro della radiazione emessa misurato con un calorimetro nell’intervallo 0,15-0,75 THz. 


Project Funding: MIUR - FIRB 2008 n. RBFR08N9L9

Duration: 48 months (2010-2014)

Contacts: michele.ortolani@ifn.cnr.it; michele.ortolani@roma1.infn.it

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