Artigo de método

Projeto, fabricação e Experimental Caracterização de plasmônicos Emissores Terahertz Photoconductive

DOI:

10.3791/50517

⸱

8 de julho de 2013

 ,  ,  , 
1Electrical Engineering and Computer Science Department, University of Michigan

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nós descrevemos métodos para o design, fabricação e caracterização experimental de emissores fotocondutores plasmônicos, que oferecem duas ordens de níveis mais elevados de energia terahertz magnitude em comparação com emissores fotocondutores convencionais.

Resumo

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Neste artigo de vídeo, apresentamos uma demonstração detalhada de um método altamente eficiente para a geração de ondas terahertz. A técnica baseia-se fotocondução, que tem sido uma das técnicas mais utilizadas para geração de terahertz 1-8. Geração Terahertz num emissor fotocondutiva é conseguida bombeando uma ultra fotocondutora com uma iluminação laser pulsado ou heterodyned. A fotocorrente induzida, que segue o invólucro do laser de bomba, é encaminhado para uma antena irradia terahertz ligado aos eléctrodos de contacto fotocondutoras para gerar radiação terahertz. Embora a eficiência quântica de um emissor photoconductive teoricamente pode chegar a 100%, os de transporte relativamente longos comprimentos de trajeto de portadores foto-gerados para os eletrodos de contato de fotocondutores convencionais severamente limitada a sua eficiência quântica. Além disso, o efeito de triagem de portadores e degradação térmica limitar estritamente a produção máxima power de fontes de terahertz fotocondutores convencionais. Para resolver as limitações de eficiência quântica de emissores terahertz fotocondutoras convencionais, temos desenvolvido um novo conceito emissor fotocondutivo que incorpora uma configuração de eléctrodo de contacto plasmônicos para oferecer maior eficiência quântica e operação ultra simultaneamente. Usando eletrodos de contato plasmônicos nano-escala, reduzir significativamente a foto gerada caminho transporte transportadora média para eletrodos de contato fotocondutores comparação com fotocondutores convencionais 9. O método também permite aumentar a área activa fotocondutor sem um considerável aumento na carga capacitiva da antena, aumentando a potência máxima radiação terahertz, evitando o efeito de triagem de portadores e degradação térmica a altas potências ópticas de bomba. Ao incorporar eletrodos de contato plasmônicos, demonstramos aumentar a eficiência de conversão de energia óptica-to-terahertz de um photoconductive te convencionalrahertz emissor por um factor de 50 10.

Introdução

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Apresenta-se um novo emissor de terahertz fotocondutivo que utiliza uma configuração de eléctrodo de contacto plasmônica para aumentar a eficiência da conversão óptica para terahertz por duas ordens de magnitude. Nossa técnica aborda as limitações mais importantes emissores convencionais fotocondutores terahertz, ou seja, de baixa potência de saída e baixa eficiência de energia, que se originam a partir da compensação inerente entre a alta eficiência quântica e operação ultra-rápida de fotocondutores convencionais.

Uma das novidades chave na nossa concepção, que conduziram a esta melhoria de desempenho é saltar para desenhar uma configuração de eléctrodo de contacto que se acumula de um grande número de portadores foto-gerados em estreita proximidade com os eléctrodos de contacto, de tal modo que elas podem ser recolhidas através de um sub- picosecond prazo. Em outras palavras, o equilíbrio entre a operação de ultra fotocondutor e alta eficiência quântica é atenuado pela manipulação espacial do foto-génerosportadores TED. Eletrodos de contato plasmônicos oferecer esta capacidade única de (1) permitir o confinamento da luz em dispositivos em nanoescala áreas ativas entre os eletrodos plasmônicos (além do limite de difração), (2) melhoria luz extraordinária no contato de metal e fotos de absorção de semicondutores interface de 10, 11. Outra característica importante da nossa solução é que acomoda grandes áreas activas fotocondutoras, sem um considerável aumento na carga parasitária da antena irradia terahertz. Utilizando grandes áreas activas fotocondutoras permitir mitigar o efeito de blindagem transportador e degradação térmica, que são as limitações de final para a potência máxima de radiação de emissores fotocondutoras convencionais. Este artigo de vídeo está concentrada nos atributos únicos da nossa solução apresentada por descrever a física que regem, modelagem numérica e verificação experimental. Nós demonstramos experimentalmente 50 vezes maiores poderes terahertz de um phot plasmônicaemissor oconductive em comparação com um emissor de fotocondutor semelhante com eléctrodos de contacto não plasmônicos.

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Protocolo

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1. Plasmônica Fabrication Emitter Photoconductive

  1. Fabricar grades plasmônicos.
    1. Limpar a bolacha de semicondutor por imersão em acetona (2 minutos), seguido de isopropanol (2 min) e lavagem com água desionizada (10 seg.)
    2. Seca-se a amostra com azoto e aquecer numa placa de aquecimento a 115 ° C durante 90 segundos para remover qualquer água remanescente.
    3. Giro Microchem 950K PMMA A4 na amostra a 4.000 rpm por 45 seg. Pré-coze a resistir numa placa de aquecimento a 180 ° C durante 3 min.
    4. Coloque a amostra em uma ferramenta de litografia por feixe de elétrons (JEOL JBX-6300-FS). Expor o padrão de grade plasmônica na dose base de cerca de 650 uC / cm 2, com uma tensão de aceleração de 100 kV.
    5. Desenvolver PMMA por imersão da amostra num MIBC: IPA mistura de 1:3, durante 90 seg. Transferir imediatamente a amostra a uma soluo de isopropanol puro durante 60 segundos.
    6. Lavar a amostra com a água desionizada durante 10 segundos e, em seguida, secar a amostra com azoto.
    7. Coloque a amostra em uma stripper plasma (YES-CV200RFS). Descum a amostra com 30 W de potência de RF a 30 ° C com um sccm O 2 taxa de fluxo de 100 para 10 segundos.
    8. Remover óxido de superfície por imersão numa HCl: H 2 0 03:10 mistura durante 30 seg. Transferir imediatamente a amostra a uma cascata de enxaguamento de água deionizada durante 4 min.
    9. Transfira a amostra para um copo de água desionizada para minimizar a exposição ao oxigénio atmosférico antes de deposição de metal.
    10. Aqui proveta contendo a amostra em água desionizada a um evaporador de metal (Denton SJ-20). Purgue a câmara e, em seguida, remover, secar, e carregar a amostra na câmara (estes passos deverá ser seguido sem interrupção para evitar a formação de óxido na superfície da amostra).
    11. Bomba a câmara a uma pressão abaixo de 2x10 -6 Torr. Depósito de Ti / Au (50/450 A).
    12. Ventilar a câmara e retire a amostra.
    13. A fim de levantar-off do metal depositado, colocar a amostra em um suporte de Teflon em umacopo de acetona, cubra e deixe durante a noite. Descubra o copo, coloque-o em um agitador ultra-som, e espere até que todos os metais indesejados é removido (normalmente 30 segundos).
  2. Depósito SiO2 passivação.
    1. Limpe a amostra como nas etapas 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Coloque a amostra em uma ferramenta de deposição de plasma-enhanced de vapor químico (GSI PECVD). Depósito 1500 Å de SiO 2, a 200 ° C.
  3. Abrir vias de contato através de SiO 2.
    1. Limpe a amostra como nas etapas 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Girar em HMDS a 4.000 rpm por 30 seg. Girar em Megaposit SPR 220-3,0 photoresist a 4.000 rpm por 30 seg. Pré-coze a resistir numa placa de aquecimento a 115 ° C durante 90 seg.
    3. Coloque a amostra ea placa de máscara em projeção de litografia de passo (GCA autostep 200). Alinhar a amostra e expor.
    4. Pós-cozer o fotossensível exposta numa placa de aquecimento a 115 ° C durante 90 seg.
    5. Desenvolver resistir no AZ 300 MIF desenvolvedor para 60 seg.
    6. Imediatamente mover a amostra a uma cascata de enxaguamento de água deionizada durante 4 min. Seca-se a amostra com azoto.
    7. Coloque a amostra em um etcher iônica reativa (LAM 9400). Etch SiO 2, utilizando um poder TCP RF de 500 W, a potência de RF Viés de 100 W, 15 sccm de SF6-, 50 sccm de C 4 F 8, 50 sccm de He, 50 sccm de Ar por 80 seg.
    8. Remover a maior parte do material fotosensitivo colocando a amostra em acetona (5 min) seguido de isopropanol (2 min.) Enxágüe em água deionizada (10 seg.) Seque com nitrogênio.
    9. Remover o material fotosensitivo residual através do carregamento da amostra num separador de plasma (SIM-CV200RFS). Retire o photoresist usando 800 W de potência de RF a 30 ° C com um sccm O 2 taxa de fluxo de 100 para 5 min.
  4. Fabricar antenas e linhas diagonais.
    1. Repita os passos 1.3.1 - 1.3.6 para antenas padrão e linhas diagonais.
    2. Repita os passos 1.1.8 - 1.1.9 para remover o óxido de superfície.
    3. Aqui o recipiente que contém a amostra ede água desionizada para um evaporador de metal (Denton SJ-20).
    4. Ventilar a câmara e retire rapidamente, seque e coloque a amostra na câmara.
    5. Bomba a câmara a uma pressão abaixo de 2x10 -6 Torr. Depósito de Ti / Au (10/4, 000 Â).
    6. Ventilar a câmara e retire a amostra.
    7. Repita o passo 1.1.13 para a decolagem do metal depositado.
  5. Pacote da amostra.
    1. Cole as bordas de uma lente de silicone mm de diâmetro, 12 hiper-hemisférica para uma máquina de lavar de alumínio de 2 polegadas, com 8 mm de orifício.
    2. Cole uma placa PCB com traços de metal, para a qual pode-se facilmente de solda, para o lavador de alumínio.
    3. Monte os plasmônicos fotocondutores terahertz protótipos emissor fabricados na lente de silicone usando epoxy fina.
    4. Obrigacionistas fio as almofadas de contato do aparelho para uma placa de circuito impresso colado na mesma máquina de lavar alumínio.
    5. Fios de solda para os traços de metal na placa PCB.
    6. Ligação almofadas de contato do dispositivo para um analisador paramétrico (Hewlett pacoteard 4155A) usando fios soldadas aos blocos correspondentes da placa PCB para fins de teste.

2. Plasmônica Caracterização Emitter Photoconductive

  1. Alinhamento dispositivo.
    1. Coloque a arruela de alumínio levando os plasmônicos fotocondutores terahertz protótipos emissor em uma montagem de rotação e força se concentrar na bomba a partir de uma ótica Ti: Sapphire mode-locked (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) para a área ativa de cada dispositivo.
    2. Regular a montagem de rotação de tal forma que o campo eléctrico da bomba óptico é orientada para a excitação eficiente de ondas de plasma de superfície (perpendicular às grades plasmônicos).
    3. Usar o analisador paramétrico para simultaneamente aplicar tensões de polarização a cada dispositivo e medir a corrente eléctrica induzida em cada dispositivo. Confirme o alinhamento da bomba óptico ideal e ajuste de polarização, maximizando a fotocorrente de cada dispositivo em teste.
  2. Medição de potência de saídaurement.
    1. Usar um triturador óptica (Thorlabs MC2000) para modular a bomba óptica do mode-locked de laser incidente bomba em cada dispositivo.
    2. Medir a potência dos fotocondutores protótipos emissor terahertz plasmônicos usando um detector pyroelectric (Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz) de saída.
    3. Ligue a saída do detector pyroelectric a um amplificador lock-in (Stanford Research Systems SR830), com frequência de referência do helicóptero óptico para recuperar os dados de potência terahertz em baixos níveis de ruído.
  3. Caracterização espectral de radiação.
    1. Comece com um Ti: Safira laser de modo-bloqueado e utilizar um divisor de feixe para dividir a saída do laser de modo bloqueado num feixe de bomba e um feixe de sonda.
    2. Utilização de um modulador electro-óptico (EO Thorlabs-AM-NR-C2) para modular o feixe óptico no caminho da bomba. Focar o feixe de bomba para a área ativa do emissor photoconductive em teste para gerar radiação terahertz.
    3. Colimaro feixe terahertz gerada usando uma primeira lente esférica de polietileno. Focar o feixe colimado terahertz usando uma segunda lente esférica de polietileno.
    4. Antes da focagem do feixe de terahertz, combinar o feixe colimado terahertz com o feixe óptico de sonda, utilizando um filtro de vidro revestido de ITO.
    5. Coloque a 1 mm de espessura, <110> ZnTe cristal montado numa fase de rotação no foco do feixe combinado de óptica e terahertz.
    6. Insira uma linha de atraso óptico controlável no caminho óptico da sonda usando uma fase linear motorizado (Thorlabs NRT100) para variar o tempo de atraso entre os impulsos ópticos e terahertz interagem no interior do cristal ZnTe.
    7. Usando uma meia-waveplate no caminho da sonda, rodar a polarização do sensor óptico para estar a um ângulo de 45 ° em relação à direcção de polarização terahertz.
    8. Use um quarto de waveplate após o cristal ZnTe, converter a polarização do feixe óptico em polarização circular.
    9. Divida o circulfeixe óptico Arly polarizada em dois ramos por um prisma Wollaston. Medir a potência do feixe óptico em cada ramo com dois detectores equilibradas ligados a um amplificador lock-in.
    10. Ligação da linha de atraso e motorizado amplificador lock-in para um computador. Escreva um script Matlab para iteratively mover a posição da linha de atraso motorizado, pausar e ler a magnitude do sinal do amplificador lock-in.
    11. Converter a posição de fase para o domínio do tempo, por meio de divisão do comprimento de atraso total óptica pela velocidade da luz, seguindo-se uma transformada de Fourier discreta (Matlab) para obter os dados de domínio de frequência.

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Resultados

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Para demonstrar o potencial de eletrodos plasmônicos para aumento de potência terahertz, que fabricou dois emissores terahertz: a convencional (Figura 1a) e plasmônica (Figura 1b) emissor photoconductive incorporando eletrodos de contato plasmônicos para reduzir os tempos de transporte transportadora entrar em contato com os eletrodos. Ambos os modelos de consistir num fotocondutor ultra com 20 mM lacuna entre ânodo e cátodo contactos, ligado a uma antena de gravata-borboleta longo de 6...

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Discussão

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Neste artigo de vídeo, apresentamos uma nova técnica de geração de terahertz fotocondutivo que utiliza uma configuração de eléctrodo de contacto plasmônica para aumentar a eficiência da conversão óptica para terahertz por duas ordens de magnitude. O aumento significativo no poder de radiação terahertz dos apresentados emissores fotocondutores plasmônicos é muito importante para o futuro de alta sensibilidade terahertz imaging, espectroscopia e espectrometria de sistemas usados ​​para identificação química avançada, imag...

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Divulgações

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Não há conflitos de interesse declarados.

Agradecimentos

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Os autores gostariam de agradecer a Picometrix para fornecer o substrato LT-GaAs e agradecem o apoio financeiro de Michigan Espaço Grant Consortium, DARPA Prêmio Jovem Faculdade gerido pelo Dr. João Albrecht (contrato # N66001-10-1-4027), NSF CARREIRA Prêmio gerido pelo Dr. Samir El-Ghazaly (contrato # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award gerido pelo Dr. Paul Maki (contrato # N00014-12-1-0947), e ARO Young Investigator Award gerido pela Dr. Dev Palmer (contrato # W911NF-12-1-0253).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Reagente< / forte>
Polimetilmetacrilato (PMMA)MicroChem950K PMMA A4
Hexametildisilazane (HMDS)Shin-Etsu MicroSI MicroPrimeHP Primer
Fotorresistente ÓpticoDow ChemicalMegaposit SPR 220-3.0
Fotorresistente DesenvolvedorAZ Materiais Eletrônicos AZ300 MIF Revelador
Metil Iso-Butil Keytone (MIBK)Avantor Performance Materials9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked LaserCoherentMIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr– Detector elétricoDetector de espectroSPI-A-65 THz
Ferramenta de litografia por feixe de elétronsJEOLJBX-6300-FS
Plasma StripperYield Engineering SystemsYES-CV200RFS
Evaporador de metalDenton VacuumSJ-20
Ferramenta de deposição de vapor químico aprimorada por plasma GSIGSI PECVD System
Medidor de Litografia de ProjeçãoGCAAutoStep 200
Gravador de Íons ReativoLAM Research9400
Analisador de ParâmetrosHewlett Packard4155A
Picador ÓpticoThorlabsMC2000
Amplificador de BloqueioStanford Research SystemsSR830
Modulador EletroópticoThorlabsEO-AM-NR-C2
Estágio Linear MotorizadoThorlabsNRT100

Referências

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