プラズモニック光伝導テラヘルツエミッターの設計、製作、および実験特性

サマリー

我々は、設計、製造、および従来型の光導電性エミッタに比べて大きさより高いテラヘルツパワーレベルの二桁を提供プラズモン光導電性エミッタの実験的特性評価のための方法を記載している。

要約

このビデオの記事では、テラヘルツ波を発生させるために非常に効率的な方法の詳細なデモを提示します。我々の技術は、テラヘルツ生成^1-8のための最も一般的に使用される技術の一つとなっている光伝導に基づいている。感光エミッタにおけるテラヘルツパルス発生をヘテロダイン又はレーザ照射による超高速光導電体を励起することによって達成される。ポンプレーザのエンベロープに追従誘起光電流は、テラヘルツ放射を生成するために感光コンタクト電極に接続されたテラヘルツ放射アンテナに送られる。感光エミッタの量子効率が理論的に100％に達することができるが、従来の光導電体のコンタクト電極に光生成キャリアの比較的長い輸送経路の長さは厳しく、その量子効率を制限してきた。また、キャリアスクリーニング効果と熱破壊は厳密には最大出力pを制限するとower従来の光伝導テラヘルツ光源の。従来の光導テラヘルツ放射体の量子効率の限界に対処するために、我々は、同時に高い量子効率および超高速動作を提供するプラズモンコンタクト電極構造を組み込んだ新たな感光エミッタ概念を開発した。ナノスケールプラズモンコンタクト電極を用いることにより、我々はかなり従来の感光体⁹と比較して、感光コンタクト電極に平均光生成キャリア輸送路を低減する。本手法はまた、高い光ポンプパワーでキャリアスクリーニング効果と熱破壊を防止することにより、最大のテラヘルツ放射電力を昇圧し、アンテナに容量性負荷が大幅に増大させることなく、感光体活性領域を増加させることができる。プラズモンコンタクト電極を組み込むことにより、従来の感光TEの光 - テラヘルツ電力変換効率を高めることを実証50 ¹⁰倍rahertzエミッタ。

概要

我々は、2桁光 - テラヘルツ変換効率を高めるためにプラズモン接触電極構成を使用して新規な感光テラヘルツエミッタを提示する。我々の技術、すなわち、従来の光導電テラヘルツエミッタ、高い量子効率と、従来の感光体の超高速動作の間の固有のトレードオフに由来する低出力電力と貧しい電力効率の最も重要な制限に対処しています。

このリープフロッグ性能改善につながった私たちの設計における重要なノベルティの一つは、サブ内に収集することができるように、コンタクト電極に近接した光生成キャリアを多数蓄積するコンタクト電極構造を設計することであるピコ秒時間スケール。換言すれば、感光体超高速動作、高量子効率とのトレードオフは、光属の空間操作によって緩和されるテッドキャリア。プラズモニック接触電極（1）プラズモン電極（回折限界を超えて）、金属接触で（2）異常 ​​光強化と半導体インターフェース^10、11を光吸収の間にナノスケールデバイスの活性領域への光閉じ込めを可能にすることにより、このユニークな機能を提供します。当社のソリューションのもう一つの重要な属性は、テラヘルツ放射アンテナに寄生負荷のかなりの増加することなく、大きな感光アクティブ領域に対応することです。活用大感光アクティブ領域は、従来の光導電性エミッタからの最大放射電力のための究極の限界である、キャリアスクリーニング効果と熱破壊を軽減できます。このビデオの記事は、支配物理学、数値モデリング、および実験的検証を記述することで我々の提示ソリューションのユニークな属性に集中している。我々は実験的にプラズモニックなPhotから50倍も高いテラヘルツパワーを発揮非プラズモニック接触電極と同様の光導電性エミッタと比較しoconductiveエミッタ。

プロトコル

1。プラズモン光導電エミッタ作製

1. プラズモニック格子を作製。
   1. イソプロパノール（2分間）、続いて、脱イオン水（10秒）ですすぎ、アセトン（2分）中に浸漬することにより、半導体ウエハをクリーニングします。
   2. 窒素でサンプルを乾燥し、℃で90秒間、任意の残りの水を除去するために115℃ホットプレート上で、それを加熱する。
   3. 45秒間4,000 rpmで試料上でスピンマイクロケム950KのPMMA A4。プリベークは、3分間180℃のホットプレート上のレジスト。
   4. 電子ビームリソグラフィツール（JEOL JBX-6300-FS）に試料をロードします。 100kVの加速電圧を用いて、650μC/ cm ^2の周辺の基地用量でプラズモン格子パターンを露光する。
   5. MIBKでサンプルを浸漬することにより、PMMAの開発：90秒1時03 IPA混合。すぐに60秒のための純粋なイソプロパノール液にサンプルを転送します。
   6. 10秒間脱イオン水でサンプルを洗浄した後、窒素でサンプルを乾燥させます。
   7. プラズマストリッパー（YES-CV200RFS）に試料をロードします。デスカム10秒間100sccmのO ₂流量で30℃で30 W RF電力を使用してサンプル。
   8. HCl中に浸漬することにより、表面酸化物を除去：H ₂ 30秒0 3時10分混合。すぐに4分間の脱イオン水をすすぎカスケードにサンプルを移す。
   9. 金属蒸着前に大気中の酸素への曝露を最小限にするための脱イオン水をビーカーにサンプルを移す。
   10. 金属蒸発器（デントンSJ-20）に脱イオン水に、試料を入れたビーカーを取る。チャンバーを大気開放してから、削除する、乾燥し、そして（これらのステップは、サンプルの表面酸化物の形成を防ぐために、中断せずに従うべきである）チャンバーにサンプルをロードします。
   11. 2×10 ^-6トル以下の圧力にチャンバーをポンプ。デポジットのTi / Auの（450分の50オングストローム）。
   12. チャンバーを大気開放し、サンプルを削除します。
   13. 堆積した金属をリフトオフするために、テフロン（登録商標）のホルダに試料を置くアセトンのビーカー、カバー、そして一晩おきます。ビーカーを発見、超音波攪拌機に入れ、すべての不要な金属は（通常は30秒）が削除されるまで待ちます。
2. 預金SiO _2のパッシベーション。
   1. 1.1.2 - ステップ1.1.1のようにサンプルをクリーニングします。
   2. プラズマ化学気相堆積ツール（GSI PECVD）でサンプルをロードする。 200℃で、SiO ₂の預金1500Å
3. のSiO ₂を介してコンタクトビアを開きます。
   1. 1.1.2 - ステップ1.1.1のようにサンプルをクリーニングします。
   2. 30秒間4,000 rpmでHMDSでスピン。 30秒間4,000 rpmでMegaposit SPR 220から3.0フォトレジスト上にスピン。プリベークは、90秒間115℃のホットプレート上のレジスト。
   3. 投影リソグラフィステッパー（GCAオートステップ200）に試料とマスクプレートをロードします。サンプルの位置を合わせて公開します。
   4. 90秒間115℃のホットプレート上で露光されたフォトレジストをポストベーク。
   5. 6 AZ 300 MIFの開発者のレジストの開発0秒。
   6. すぐにカスケードにサンプルを移動する4分間の脱イオン水をすすぎ。窒素でサンプルを乾燥させる。
   7. 反応性イオンエッチング装置（LAM 9400）に試料をロードします。 500 WのTCP RF電力を用いてエッチングするのSiO _2、100 WのバイアスRF電力、15 sccmのSF6 - 、C ₄ F _8、彼50sccmの50sccmの、80秒間のAr 50sccmの。
   8. イソプロパノール（2分）、続いてアセトン（5分）で、サンプルを置くことによって、フォトレジストの大部分を削除します。脱イオン水（10秒）ですすいでください。窒素で乾燥させます。
   9. プラズマストリッパー（YES-CV200RFS）でサンプルをロードすることにより、残留フォトレジストを除去。 5分間100sccmのO ₂流量で30℃で800 W RF電力を用いてフォトレジストを除去。
4. アンテナ及びバイアス線を作製。
   1. パターンアンテナとバイアスラインに1.3.6 - ステップ1.3.1を繰り返します。
   2. 表面酸化物を除去するために1.1.9 - 1.1.8の手順を繰り返します。
   3. サンプルを含むビーカーを取り、金属蒸発器（デントンSJ-20）に脱イオン水。
   4. チャンバーを大気開放してから、すぐに削除、乾燥、およびチャンバーにサンプルをロードします。
   5. 2×10 ^-6トル以下の圧力にチャンバーをポンプ。預金のTi / Auの（10月4日、000Å）。
   6. チャンバーを大気開放し、サンプルを削除します。
   7. 堆積された金属をリフトオフするステップ1.1.13を繰り返します。
5. サンプルをパッケージ化します。
   1. 8ミリメートル穴付き2インチアルミワッシャーにのり直径12mm超半球のシリコンレンズのエッジを。
   2. 一つはアルミワッシャーに、簡単に半田缶に金属トレースと糊のPCBボードを、。
   3. 薄いエポキシ樹脂を用いてシリコンレンズ上に作製したプラズモニック光伝導テラヘルツエミッタプロトタイプをマウントします。
   4. 同じアルミワッシャーに接着PCBボードにワイヤボンドは、デバイスの接触パッド。
   5. PCB基板上の金属トレースにはんだワイヤー。
   6. パラメトリック·アナライザ（ヒューレットパックにデバイスの接触パッドを接続しますテスト目的でPCB基板の対応するパッドに半田ワイヤを使用してARD 4155A）。

2。プラズモン光導電エミッタ特性

1. デバイスの整列。
   1. 回転マウントにプラズモン光導テラヘルツエミッタプロトタイプを運ぶアルミワッシャーを置き、しっかりとチタンから光ポンプを集中：サファイア各デバイスの活性領域にレーザ（MIRA 900D V10 XW OPT 110V）をモードロック。
   2. 光ポンプの電界が表面プラズモン波（プラズモン格子に対して垂直な）の効率的な励起に向くよう回転マウントを調整します。
   3. 同時に、各デバイスにバイアス電圧を印加し、各デバイスに誘導される電流を測定するためにパラメトリックアナライザを使用。被試験各デバイスの光電流を最大にすることによって最適な光ポンプアライメントと偏光調整を確認してください。
2. 出力電力測定urement。
   1. 各デバイスのモードロックポンプレーザ入射から光ポンプを変調する光チョッパ（ソーラボMC2000）を使用します。
   2. 焦電検出器（スペクトル検出器株式会社SPI-A-65テラヘルツ）を使用してプラズモン光導テラヘルツエミッタプロトタイプの出力パワーを測定します。
   3. 低ノイズレベルでテラヘルツ電力データを回復するために光チョッパの基準周波数をロックインアンプ（スタンフォードリサーチシステムズSR830）に焦電型検出器の出力を接続します。
3. 放射スペクトル特性評価。
   1. チタンで始まる：サファイアモード同期レーザとポンプ光とプローブ光にモード同期レーザの出力を分割するビームスプリッタを使用する。
   2. ポンプパスに光ビームを変調する電気光学変調器（ソーラボEO-AM-NR-C2）を使用します。テラヘルツ放射を生成するために被試験感光エミッタの活性領域上に、ポンプビームをフォーカス。
   3. 平行にする第一ポリエチレン球面レンズを用いて発生したテラヘルツビーム。第二ポリエチレン球面レンズを使用したコリメートテラヘルツビームを当てる。
   4. テラヘルツビームの焦点の前に、ITO被覆ガラスフィルターを用いてプローブ光ビームにコリメートされたテラヘルツビームを組み合わせる。
   5. 厚さ1mmを置き、<110> ZnTeの結晶は、光学とテラヘルツビームを合わせた焦点に回転ステージ上に搭載。
   6. たZnTe結晶の内部に相互作用する光とテラヘルツパルス間の時間遅延を変化させる電動式リニアステージ（Thorlabs社NRT100）を使用して、光プローブ路に制御可能な光学遅延線を挿入する。
   7. プローブ経路に半波長板を用いて、テラヘルツ偏光方向に対して45°の角度であることが光プローブの偏光を回転させる。
   8. たZnTe結晶後四半期波長板を使用して、円偏光に光ビームの偏光に変換します。
   9. CIRCULスプリットウォラストンプリズムによって、2つのブランチにアルリー偏光ビーム。ロックイン増幅器に接続された2つの平衡検出器を使用して、各ブランチにおける光ビームのパワーを測定する。
   10. コンピュータに電動遅延線とロックインアンプを接続します。 、繰り返し電動遅延線の位置を移動するためのMatlabのスクリプトを書いて一時停止し、ロックインアンプからの信号の大きさをお読みください。
   11. 光の速度、総光遅延の長さを分割介して、時間領域にステージ位置を変換し、周波数領域データを取得するために慎重なフーリエ変換（Matlabのを使用）した。

結果

電極に連絡するキャリア輸送時間を短縮するプラズモンコンタクト電極を組み込んだ（ 図1a）は、従来とプラズモン（ 図1b）感光エミッタ：テラヘルツパワー増強のためのプラズモン電極の電位を示すために、我々は2つのテラヘルツエミッタを作製した。両方ともデザインは同じLT-GaAs基板上に作製さ100μmと30μmの最大値と最小幅で60μmの長いボウタイアンテナに接続されたアノードとカソード接点間20μmのギャップ、、それぞれ、と超高速光導電体で構成されています。プラズモン光導電性エミッタは、ボウタイアンテナの入力ポートに2ナノスケールプラズモン接触格子を組み込んでいます。平均ペーハーを最小限に抑えるためプラズモン電極間の間隔を最小限に抑えながら、最適なプラズモン接触電極構成の設計戦略は、光吸収性基材への光ポンプの伝送を最大化されるコンタクト電極におとで生成されたキャリア輸送路の長さ。我々は、入射光ポンプに設計されたプラズモン接触電極と感光体の応答を推定するマルチフィジックス有限要素ソルバー（COMSOL）を使用します。この目的のために、光生成キャリア密度は、光吸収性基質で計算...

ディスカッション

このビデオ本稿では、2桁光 - テラヘルツ変換効率を高めるためにプラズモン接触電極構成を使用して新規な感光テラヘルツ生成手法を提案する。提示プラズモン光導電性エミッタからのテラヘルツ放射電力の大幅な増加は、将来の高感度テラヘルツイメージング、分光法と高度な化学物質の識別、医療用画像処理、生物学的センシング、天文学、大気センシング、セキュリティスクリーニングに用いる分析システムのために非常に貴重であり、材料特性。

このビデオの記事の焦点は、超高速光導電体の誘導光電流を高めることでプラズモン電極の影響の実証されており、光伝導テラヘルツエミッターからのテラヘルツ放射電力。これにより、感光エミッタアーキテクチャ、テラヘルツ放射アンテナと、バイアス供給の選択肢我々のデモに任意であったが、拡張コンセプトは、同様に噛み合わさコンタクト電極並びにパルス及び連続の両方で大面積感光テラヘルツエミッタの有無にかかわらずテラヘルツアンテナの様々な感光テラヘルツエミッタからの放射電力を強化するために適用することができる波操作。この点で、試作装置の出力電力は、共振空洞^3,16、大型デバイ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
Reagent
ポリメチルメタクリレート(PMMA)	MicroChem	950K PMMA A4
ヘキサメチルジシラザン(HMDS)	信越MicroSI	MicroPrime HPプライマー
光学フォトレジスト	ダウケミカル	メガポジットSPR 220-3.0
フォトレジスト現像液	AZエレクトロニックマテリアル	ズ AZ 300 MIF現像液
メチルイソブチルキートーン (MIBK)	アバンターパフォーマンスマテリアルズ	9322-03
Equipment
>Ti:Sapphire Mode-Locked Laser	Coherent	MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–エレクトロ検出器	スペクトラム検出器	SPI-A-65 テラヘルツ
電子ビームリソグラフィーツール	JEOL	JBX-6300-FS
プラズマストリッパー	歩留まりエンジニアリングシステム	YES-CV200RFS
メタルエバポレーター	デントンバキューム	SJ-20
プラズマ強化化学蒸着ツール	GSI	GSI PECVD システム
プロジェクションリソグラフィーステ	ッパーGCA	AutoStep 200
反応性イオンエッチング	LAM Research	9400
パラメータアナライザー	Hewlett Packard	4155A
光チョッパー	Thorlabs	MC2000
ロックインアンプ	Stanford Research Systems	SR830
電気光学変調器	Thorlabs	EO-AM-NR-C2
電動リニアステージ	Thorlabs	NRT100