Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Design, fremstilling, and Experimental karakterisering af plasmoniske Photoconductive Terahertz Emitters

Published: July 8, 2013 doi: 10.3791/50517
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Electrical Engineering and Computer Science Department, University of Michigan

Summary

Vi beskriver metoder til design, fabrikation, og eksperimenterende karakterisering af plasmoniske fotoledende udledere, som tilbyder to størrelsesordener terahertz magt niveauer i forhold til konventionelle fotoledende udledere.

Abstract

I denne video artikel vil vi fremlægge en detaljeret demonstration af en meget effektiv metode til at generere terahertz bølger. Vor teknik er baseret på photoconduction, som har været et af de mest almindeligt anvendte teknikker til terahertz generation 1-8. Terahertz generation i en fotoledende emitter opnås ved at pumpe en ultrahurtig fotokonduktorenhed med en pulserende eller heterodyned laserbelysning. Den inducerede fotostrøm, der følger kuverten af ​​pumpen laser, dirigeres til en terahertz udstrålende antenne til fotokonduktorenhederne kontaktelektroder at generere terahertz stråling. Selv om den kvante effektiviteten af ​​en fotoledende emitter teoretisk kan nå op på 100%, har de relativt lange transportvej længder af foto-genererede bærere til kontakt elektroder af konventionelle fotoledere alvorligt begrænset deres kvante effektivitet. Derudover luftfartsselskabet screening effekt, og termisk nedbrydning nøje begrænse den maksimale output power af konventionelle fotoledende terahertz kilder. At løse de kvantemekaniske effektivitet begrænsninger af konventionelle Photoconductive terahertz udledere, har vi udviklet et nyt fotoledende emitter koncept, som inkorporerer en plasmoniske kontakt elektrode konfiguration til at tilbyde høj kvante-effektivitet og ultrahurtig drift samtidig. Ved at bruge nano-skala plasmoniske kontakt elektroder, markant reducerer vi den gennemsnitlige foto-genererede carrier transport vej til fotokonduktorenheder kontaktelektroder forhold til konventionelle fotokonduktorer 9. Vores metode giver også mulighed for at øge fotokonduktor aktivt område uden en betydelig stigning i den kapacitive belastning til antennen, øge den maksimale terahertzstråling effekt ved at forhindre luftfartsselskabet screening effekt, og termisk nedbrydning ved høje optiske pumpe beføjelser. Ved at inkorporere plasmoniske kontakt elektroder udviser vi forbedre den optiske-til-terahertz power konvertering effektiviteten af ​​en konventionel fotoledende terahertz emitter med en faktor på 50 10.

Introduction

Vi præsenterer en roman fotoledende terahertz emitter, der bruger en plasmoniske kontakt elektrode konfiguration til at forbedre den optiske-til-terahertz konvertering effektivitet ved to størrelsesordener. Vores teknik adresser de mest vigtige begrænsninger af konventionelle Photoconductive terahertz udledere, nemlig lav udgangseffekt og dårlig strømeffektivitet, der stammer fra den iboende tradeoff mellem høj kvante effektivitet og ultrahurtig drift af konventionelle fotokonduktorer.

En af de vigtigste nyskabelser i vores design, der førte til denne springe performance forbedringer er at designe en kontakt elektrode konfiguration, der akkumulerer et stort antal foto-genererede bærere i umiddelbar nærhed af de kontaktoplysninger elektroder, således at de kan indsamles inden en sub- picosekund tidshorisont. Med andre ord, er afvejningen mellem fotokonduktorsættets ultrahurtig drift og høj kvante effektivitet mindskes ved rumlig manipulation af foto-slægterted luftfartsselskaber. Plasmoniske kontaktelektroder tilbyde denne unikke evne ved (1) tillader lys indespærring i nanoskala enhed aktive områder mellem de plasmoniske elektroder (uden diffraktion grænse), (2) ekstraordinære lys forbedring på metal kontakt og foto-absorberende halvleder-interface 10, 11. En anden vigtig egenskab ved vores løsning er, at det kan rumme store fotokonduktorenheder aktive områder uden en betydelig stigning i den parasitiske belastning til terahertz udstrålende antenne. Udnytte store fotokonduktorenheder aktive områder aktivere afbøde luftfartsselskabet screening effekten og termisk nedbrydning, som er de ultimative begrænsninger for den maksimale stråling strøm fra konventionelle fotoledende udledere. Denne video artikel er koncentreret om de unikke egenskaber i vores præsenterede løsning ved at beskrive de styrende fysik, numerisk modellering og eksperimentel verifikation. Vi eksperimentelt demonstrere 50 gange højere terahertz beføjelser fra en plasmoniske photoconductive emitter i sammenligning med en tilsvarende fotoledende emitter med non-plasmoniske kontakt elektroder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Plasmoniske Photoconductive Emitter Fabrication

  1. Fabrikere plasmoniske riste.
    1. Rengør halvlederskiven ved nedsænkning i acetone (2 min) efterfulgt af isopropanol (2 min), og skylning med deioniseret vand (10 sek).
    2. Tør prøven med nitrogen og varmes på en varmeplade ved 115 ° C i 90 sekunder for at fjerne eventuelt resterende vand.
    3. Spin MICROCHEM 950K PMMA A4 på prøven ved 4.000 rpm i 45 sek. Forbag ​​modstå på en varmeplade ved 180 ° C i 3 minutter.
    4. Indlæs prøven i en elektronstråle litografi værktøj (JEOL JBX-6300-FS). Expose plasmoniske rist mønsteret en base dosis omkring 650 μC / cm 2, ved hjælp af en 100 kV acceleration spænding.
    5. Udvikle PMMA ved at nedsænke prøven i et MIBK: IPA 01:03 blanding for 90 sek. Omgående overføre prøven til en opløsning af ren isopropanol i 60 sek.
    6. Skyl prøven med deioniseret vand i 10 sekunder og derefter tørre prøven med nitrogen.
    7. Indlæs prøven i en plasma stripper (YES-CV200RFS). Descum prøven med 30 W RF-effekt ved 30 ° C med en 100 sccm O2 strømningshastighed i 10 sek.
    8. Fjern overfladeoxid ved at nedsænke i en HCI: H 2 0 03:10 blanding i 30 sek. Omgående overføre prøven til en kaskade skylning af deioniseret vand i 4 minutter.
    9. Overfør prøven til et bægerglas med demineraliseret vand for at minimere eksponeringen for atmosfærisk ilt før metal deposition.
    10. Tag bægerglas indeholdende prøven i deioniseret vand til et metal fordamper (Denton SJ-20). Udluft kammeret og derefter fjerne, tørre, og læg prøven i kammeret (disse trin bør følges uden afbrydelse for at forhindre overfladeoxid formation på prøven).
    11. Pump kammeret til et tryk under 2x10 -6 Torr. Depositum Ti / Au (50/450 Å).
    12. Udluft kammeret og fjern prøven.
    13. For at lift-off den deponerede metal, placere prøven på en Teflon holder i enbæger af acetone, dække og lad natten over. Afdæk bægeret, som anbringes i en ultralyds omrører, og vent, indtil al uønsket metal er fjernet (typisk 30 sek).
  2. Depositum SiO2 passivering.
    1. Rengør prøven som i trin 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Load prøven i et plasma-forstærket kemisk dampudfældning værktøj (GSI PECVD). Depositum 1500 A af SiO 2 ved 200 ° C.
  3. Åben kontakt vias gennem SiO2.
    1. Rengør prøven som i trin 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Spin på HMDS ved 4.000 rpm i 30 sek. Spin på Megaposit SPR 220 til 3,0 photoresist ved 4.000 rpm i 30 sek. Forbag ​​modstå på en varmeplade ved 115 ° C i 90 sek.
    3. Load prøven og maske plade i projektion litografi stepper (GCA autostep 200). Juster prøven og eksponere.
    4. Post-bage eksponerede fotoresist på en varmeplade ved 115 ° C i 90 sek.
    5. Udvikle modstå i AZ 300 MIF udvikler til 60 sek.
    6. Umiddelbart flytte prøven til en kaskade skylning af deioniseret vand i 4 minutter. Tør prøven med nitrogen.
    7. Indlæs prøven i en reaktiv ion etcher (LAM 9400). Etch SiO 2 med en TCP RF-effekt på 500 W, en Bias RF-effekt på 100 W, 15 SCCM af SF6-, 50 SCCM af 4 F C 8, 50 SCCM af He, 50 SCCM af Ar for 80 sek.
    8. Fjern hovedparten af ​​fotoresist ved anbringelse af prøven i acetone (5 min) efterfulgt af isopropanol (2 min). Skyl i deioniseret vand (10 sek). Tør med nitrogen.
    9. Fjern resterende photoresist ved at indlæse prøven i et plasma stripper (YES-CV200RFS). Fjern fotoresist med 800 W RF-effekt ved 30 ° C med en 100 sccm O2 flow i 5 min.
  4. Fabrikere antenner og partiskhed linjer.
    1. Gentag trin 1.3.1 - 1.3.6 til mønster antenner og partiskhed linjer.
    2. Gentag trin 1.1.8 - 1.1.9 for at fjerne overflade oxid.
    3. Tag bægerglas, der indeholder prøven ogdeioniseret vand til et metal fordamper (Denton SJ-20).
    4. Udluft kammeret og derefter hurtigt fjerne, tørre, og læg prøven i kammeret.
    5. Pump kammeret til et tryk under 2x10 -6 Torr. Depositum Ti / Au (10/4, 000 Å).
    6. Udluft kammeret og fjern prøven.
    7. Gentag trin 1.1.13 til lift-off den deponerede metal.
  5. Pakke prøven.
    1. Lim kanterne af en 12 mm diameter hyper-halvkugleformet silicium linse til en 2 tommer aluminium skive med 8 mm hul.
    2. Lim en PCB bord med metal spor, som man nemt kan lodde, til aluminium vaskemaskinen.
    3. Monter fabrikerede plasmoniske Photoconductive terahertz emitter prototyper på silicium linse hjælp tynd epoxy.
    4. Wire bond enhedens kontaktøer til en PCB bord limet på samme aluminium skive.
    5. Lodde ledninger til metal spor på PCB bord.
    6. Forbind enhedens kontaktpuderne til en parametrisk analysator (Hewlett Packard 4155A) ved hjælp af ledninger loddet til de tilsvarende puder af PCB bord til testformål.

2.. Plasmoniske Photoconductive Emitter Karakterisering

  1. Device tilpasning.
    1. Placer aluminium skive bærer plasmoniske Photoconductive terahertz emitter prototyper på en rotation mount og stramt fokus den optiske pumpe fra en Ti: Sapphire mode-locked laser (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) på det aktive område af hver enhed.
    2. Juster rotation mount sådan at det elektriske felt af den optiske pumpe er orienteret til effektiv excitation af overfladeplasmonresonans bølger (vinkelret på plasmoniske gitre).
    3. Brug den parametriske analysator kan anvendes samtidigt bias spændinger til hver enhed og måle den inducerede elektriske strøm i hver enhed. Bekræft den optimale optiske pumpe tilpasning og polarisering justering ved at maksimere photocurrent på hver enkelt enhed under test.
  2. Output power foranstaltmålingsbestemmelserne.
    1. Brug et optisk chopper (Thorlabs MC2000) til at modulere optiske pumpen fra mode-locked pumpe laser hændelse på hver enkelt enhed.
    2. Måle output magt plasmoniske Photoconductive terahertz emitter prototyper ved hjælp af en pyroelektrisk detektor (Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz).
    3. Forbind udgangen af ​​pyroelektriske detektor til en lock-in forstærker (Stanford Research Systems SR830) med det optiske chopper henvisning frekvens at inddrive terahertz power data ved lave støjniveauer.
  3. Stråling spektral karakterisering.
    1. Start med en Ti: safir mode-locked laser og bruge en stråledeler at opdele udgangssignalet fra mode-locked laser ind i en pumpe stråle og en sonde stråle.
    2. Brug et elektrooptiske modulator (Thorlabs EO-AM-NR-C2) at modulere optiske stråle i pumpen sti. Fokusere pumpebundt på det aktive område af den fotoledende emitter under test at generere terahertzstråling.
    3. Kollimereden genererede terahertz stråle ved hjælp af en første polyethylen sfærisk linse. Fokuser kollimeret terahertz stråle ved hjælp af en anden polyethylen sfærisk linse.
    4. Før fokus terahertz stråle, kombinere det kollimerede terahertz stråle med sonden optiske stråle ved hjælp af en ITO-overtrukket glas filter.
    5. Placer en 1 mm tyk, <110> ZnTe krystal monteret på en rotation scenen på den kombinerede fokus optiske og terahertz stråle.
    6. Indsæt en kontrollerbar optisk forsinkelse linje i den optiske probe sti ved hjælp af en motoriseret lineær fase (Thorlabs NRT100) at variere tidsforsinkelsen mellem de optiske og terahertz pulser interagerende inde ZnTe krystal.
    7. Ved hjælp af en halv-waveplate i sonden sti, dreje polarisationen af ​​optisk sonde til at være på en 45 ° vinkel i forhold til terahertz polarisering retning.
    8. Brug en kvart waveplate efter ZnTe krystal, konvertere den optiske stråle polarisering i cirkulær polarisering.
    9. Opdel circulArly polariserede optiske stråle i to grene af en Wollaston prisme. Mål den optiske stråle magt i hver gren med to symmetriske detektorer tilsluttet en lock-in forstærker.
    10. Tilslut den motoriserede forsinkelse linje og lock-in forstærker til en computer. Skriv en Matlab script til iterativt at flytte placeringen af ​​den motoriserede forsinkelse linje, pause og læse signalet størrelsesorden fra lock-in forstærker.
    11. Konverter trins position til tidsdomænet ved at dividere den totale optiske forsinkelse længde ved lysets hastighed, efterfulgt af en diskret Fouriertransformation (ved hjælp af Matlab) for at opnå frekvensdomænedata.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at demonstrere potentialet i plasmoniske elektroder til terahertz power ekstraudstyr, vi fabrikeret to terahertz udledere: en konventionel (figur 1a) og plasmoniske (figur 1b) fotoledende emitter indarbejde plasmoniske kontakt elektroder til at reducere carrier transporttider til at kontakte elektroder. Begge design består af en ultrahurtig fotokonduktor med 20 um mellem anode og katode kontakter forbundet til en 60 um lang butterfly antenne med maksimum og minimum bredder på 100 um og 30 um, henholdsvis, fremstillet på den samme LT-GaAs-substrat. Den plasmoniske fotoledende emitter inkorporerer to nanoskala plasmoniske kontakt riste i indgangsporten af ​​butterfly antenne. Designet strategi for optimal plasmoniske kontakt elektrode konfiguration maksimere den optiske pumpe transmission i foto-absorberende underlag og samtidig minimere afstanden mellem plasmoniske elektroder for at minimere den gennemsnitlige photo-genereret transportør transport stilængde til kontaktpunkterne elektroder. Vi bruger en multi-fysik finite-element solver (COMSOL) at estimere reaktion fotokonduktorerne med designet plasmoniske kontakt elektroder til en hændelse optisk pumpe. Til dette formål er tilgængeligt genererede carrier tæthed afledt fra den beregnede optiske intensitet i foto-absorberende underlag og kombineret med bias elektrisk felt data i den klassiske afdrift-diffusion model til beregning af inducerede fotostrøm 9.. Metaller med stærke plasmoniske egenskaber ved pumpen optiske bølgelængde foretrækkes, da de muliggør tætte indeslutning af den optiske pumpe ved metal-grænsefladen og dermed tilbyde korte foto-genererede carrier transport vejlængder til kontaktpunkterne elektroderne. For proof-of-concept plasmoniske fotoledende emitter, vi designet et plasmoniske rist med 100 nm Au bredde, 100 nm afstand, og 50 nm højde, som tillader overførsel af mere end 70% af en 800 nm optisk pump gennem nanoskala riste ind i foto-absorberende underlag 11, 12. Den indfaldende optiske pumpe fra en Ti: safir laser med en central bølgelængde på 800 nm, 76 MHz gentagelse sats, og 200 fsec impulsbredde blev stramt fokuseret på hver fremstillet enhed (figur 2a) og placeret nær anoden kontakt elektroden for at maksimere den udstrålede power 13-15. For at maksimere den udstrålede effekt for konventionelle fotoledende emitter, det optiske elektriske felt var orienteret til at spænde over gabet mellem anoden og katoden kontaktløse elektroder. For plasmoniske fotoledende emitter, var det elektriske felt orienteret vinkelret på metalgitre. Den genererede terahertz strøm fra hver fotoledende emitter blev målt ved hjælp af en pyroelektrisk detektor. 2b viser den målte terahertzstråling fra plasmoniske og konventionelle terahertz udledere, elektrisk forudindtaget på 40 V, under forskellige optiske pumpe beføjelser. Det jegnsetp kurve viser den tilsvarende photocurrent. En strålingshårdhed forbedring på mere end 33 blev observeret fra plasmoniske fotoledende udleder i 0 - 25 mW optisk pumpeeffekt rækkevidde. Denne betydelige strålingshårdhed ekstraudstyr er på grund af de højere fotostrømsignaler niveauer genereres ved ansættelse plasmoniske kontakt elektroder. 2c viser den målte terahertzstråling versus indsamlede photocurrent for plasmoniske og konventionelle terahertz udledere. De data, der er repræsenteret i plottet omfatter forskellige bias spændinger (10-40 V) under forskellige optiske pumpe beføjelser (5 - 25 mW). De datapunkter er alle kurve-monteres på samme linje med en hældning på 2, hvilket bekræfter den kvadratiske afhængighed af strålingen tænd den inducerede fotostrøm og det faktum, at alle andre driftsforhold (herunder antenne specifikationer) er de samme for de konventionelle og plasmoniske Photoconductive emitter prototyper. Figur 2d viser terahertz power lydudstyrement faktor defineres som forholdet terahertz effekt udsendes af plasmoniske terahertz emitter til den konventionelle terahertz emitter. Ved lave optiske pumpeeffekt niveauer og en bias spænding på 30 V, udgangseffekt enhancement faktorer op til 50 er overholdt. Styrkelsen faktoren falder en smule ved højere optiske pumpe magt niveauer og højere bias spændinger. Dette kan forklares ved luftfartsselskabet screening virkning bør der påvirker plasmoniske fotokonduktorenhed mere end den konventionelle fotokonduktorenheden, da det er at generere mere photocurrent og adskillelse af et større antal elektron-hul par. Endelig den maksimale terahertz effekt målt fra plasmoniske og konventionelle terahertz udledere under en 100 mW optisk pumpe (figur 2e). Forspændingen af ​​hver enhed øges, indtil det punkt enhed fiasko. Ved maksimal producerede plasmoniske fotoledende emitter en gennemsnitlig effekt på 250 pW, sammenlignet med 12 uW for konventionelle fotoledende emitter10..

Figur 1
Figur 1. Skematisk diagram og drift begreb Photoconductive terahertz udledere. (A) En konventionel fotoledende terahertz emitter. (B) En plasmoniske fotoledende terahertz emitter indarbejde plasmoniske kontakt elektroder. Klik her for at se større figur .

Figur 2
Figur 2. Sammenligning af konventionelle og plasmoniske Photoconductive terahertz udledere 10.. (A) Færdige enhed billeder. (B) Målt terahertzstråling fra plasmoniske og konventionelle terahertz udledere, elektrisk forudindtaget på 40 V, under forskellige optiske pumpe beføjelser. Den indsatte kurve viser corresponding photocurrent. (c) Målt terahertzstråling versus indsamlede photocurrent for plasmoniske og konventionelle terahertz udledere. De data, der repræsenteres i plottet omfatter forskellige forspændinger (10-40 V) under forskellige optiske pumpe beføjelser (5-25 mW). (D) Relativ terahertz magt forbedring defineres som forholdet mellem terahertz effekt udsendes af plasmoniske terahertz emitter til den konventionelle terahertz emitter. (e) Maksimal terahertz effekt målt fra plasmoniske og konventionelle terahertz udledere under en 100 mW optisk pumpe. Forspændingen af ​​hver enhed øges, indtil det punkt enhed fiasko. Ved maksimal producerede plasmoniske fotoledende emitter en gennemsnitlig effekt på 250 uW, sammenlignet med 12 uW for den konventionelle fotoledende emitter. Klik her for at se større figur .

Figur 3. . Spektrale karakteristika for plasmoniske fotoledende emitter stråling 10 Stråling spektrum måles som reaktion på en 200 fsec optisk impuls fra mode-locked Ti: safir laser med 800 nm centrale bølgelængde og 76 MHz gentagelseshastighed i en tid-domæne terahertz spektroskopi setup med elektro-optisk detektion. (a) udstrålede effekt i tidsdomænet. (b) udstrålede effekt i frekvensdomænet. De observerede stråling toppe omkring 0,35 THz og 0,55 THz er forbundet med resonansudsving af den anvendte bowtie antenne, og strålingen toppe omkring 0,1 THz er forbundet med resonansspidsen af dipol antenne dannet af bowtie antenne skævhed linjer. Klik her se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne video artikel præsenterer vi en ny fotoledende terahertz generation teknik, der bruger en plasmoniske kontakt elektrode konfiguration til at forbedre den optiske-til-terahertz konvertering effektivitet ved to størrelsesordener. Den betydelige stigning i terahertzstråling strøm fra de præsenterede plasmoniske fotoledende udledere er meget værdifuld for den fremtidige højfølsom terahertz billedbehandling, spektroskopi og spektrometri systemer, der anvendes til avanceret kemisk identifikation, medicinsk billedbehandling, biologiske sensing, astronomi, atmosfæriske sensing, sikkerheds-screening og materiale karakterisering.

Fokus i denne video artikel har været demonstration af virkningen af ​​plasmoniske elektroder i styrkelsen af ​​inducerede photocurrent i ultrahurtige fotoledere og udstrålede terahertz strøm fra Photoconductive terahertz udledere. Således er valget af den fotoledende emitter arkitektur, terahertz udstrålende antenne, og forudindtagethed foderi vores demonstration har været arbitrær, og forøgelse konceptet kan ligeledes anvendes til at forbedre stråling strøm fra fotoledende terahertz emittere med en række terahertz antenner med og uden sammenflettede kontaktløse elektroder samt store areal fotoledende terahertz emittere i både pulseret og kontinuert -bølge drift. I denne henseende kan udgangseffekten af vores prototype enheder blive styrket yderligere ved brug af resonans hulrum 3, 16, store enhed aktive områder 17-22 og antenner med højere stråling modstand og båndbredde 23, 24. Desuden kan beskrives quantum effektivisering mekanisme plasmoniske fotoledere blive anvendt til at forbedre responsivitet og afsløring følsomhed Photoconductive terahertz detektorer, samt 25-27.

Det bør bemærkes, at den mest kritiske trin til gennemførelse af højtydende plasmoniske fotoledende terahertz emittere er patTerning de plasmoniske kontakt elektroder. På den ene side kan en højere optisk pumpe absorption og dermed højere optisk-til-terahertz virkningsgrader kan opnås ved anvendelse af højere aspekt-forhold plasmone kontaktløse elektroder. På den anden side, er at løfte de kraftige metalliske træk med nano-skala funktionen størrelser udfordrende, da det kræver tyk modstå lag, og derfor er den højeste sideforhold plasmoniske kontaktløse elektroder begrænset til løsning af de eksisterende elektron-litografi værktøjer.

Vi mener, at vores arbejde vil udvikle sig i den nærmeste fremtid til at skubbe den optiske-til-terahertz virkningsgrad på plasmoniske fotoledende udledere med mere end tre størrelsesordener. I denne henseende tillader anvendelsen af høje aspektforhold plasmoniske kontaktløse elektroder indlejret inde i foto-absorberende halvleder 28-30 ultrahurtig transport af flertallet af photocarriers til fotokonduktorenhederne kontaktløse elektroder og deres effektive contribution til terahertz generation. Anvendelse af høje aspektforhold plasmoniske kontaktløse elektroder indlejret inde i foto-absorberende halvleder eliminerer også behovet for at anvende korte carrier levetid halvledere, som anvendes til at undertrykke DC strøm af fotoledende emittere (i almindelighed) og for at forhindre uønskede destruktive interferenser i kontinuerlig bølge fotoledende emittere (i specifik). Eliminerer behovet for at bruge korte carrier levetid halvledere, som har lavere carrier mobiliteter og varmeledningsevner 31 sammenlignet med høj kvalitet krystallinske halvledere, vil have en betydelig indvirkning på den fremtidige høj effekt og høj effektivitet Photoconductive terahertz udledere. Det kunne også føre til en ny generation af Photoconductive terahertz udledere baseret på foto-absorberende halvledere med unikke funktionaliteter (f.eks graphene-baserede fotoledende udledere, der nyder godt overlegen carrier mobiliteter eller GAN-baserede fotoledende emitters, der nyder godt overlegen varmeledningsevne).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Picometrix for at levere de LT-GaAs substrat og taknemmeligt anerkende den økonomiske støtte fra Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award forvaltes af Dr. John Albrecht (kontrakt # N66001-10-1-4027), NSF KARRIERE Award forvaltes af Dr. Samir El-Ghazaly (kontrakt # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award forvaltes af Dr. Paul Maki (kontrakt # N00014-12-1-0947), og ARO Young Investigator Award forvaltes af Dr. Dev Palmer (kontrakt # W911NF-12-1-0253).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent
Polymethyl Methacrylate (PMMA) MicroChem 950K PMMA A4
Hexamethyldisilazane (HMDS) Shin-Etsu MicroSI MicroPrime HP Primer
Optical Photoresist Dow Chemical Megaposit SPR 220-3.0
Photoresist Developer AZ Electronic Materials AZ 300 MIF Developer
Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK) Avantor Performance Materials 9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked Laser Coherent MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–lectric Detector Spectrum Detector SPI-A-65 THz
Electron-Beam Lithography Tool JEOL JBX-6300-FS
Plasma Stripper Yield Engineering Systems YES-CV200RFS
Metal Evaporator Denton Vacuum SJ-20
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool GSI GSI PECVD System
Projection Lithography Stepper GCA AutoStep 200
Reactive Ion Etcher LAM Research 9400
Parameter Analyzer Hewlett Packard 4155A
Optical Chopper Thorlabs MC2000
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR830
Electrooptic Modulator Thorlabs EO-AM-NR-C2
Motorized Linear Stage Thorlabs NRT100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Preu, S., Dohler, G. H., Malzer, S., Wang, L. J., Gossard, A. C. Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications. J. Appl. Phys. 109, 061301 (2011).
  2. Bjarnason, J. E., Chan, T. L. J., Lee, A. W. M., Brown, E. R., Driscoll, D. C., Hanson, M., Gossard, A. C., Muller, R. E. ErAs:GaAs photomixer with two-decade tunability and 12 μW peak output power. Appl. Phys. Lett. 85, 3983-3985 (2004).
  3. Peytavit, E., Lepilliet, S., Hindle, F., Coinon, C., Akalin, T., Ducournau, G., Mouret, G., Lampin, J. -F. Milliwatt-level output power in the sub-terahertz range generated by photomixing in a GaAs photoconductor. Appl. Phys. Lett. 99, 223508 (2011).
  4. Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  5. Roehle, H., Dietz, R. J. B., Hensel, H. J., Böttcher, J., Künzel, H., Stanze, D., Schell, M., Sartorius, B. Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers. Opt. Express. 18, 2296-2301 (2010).
  6. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  7. Park, S. -G., Jin, K. H., Yi, M., Ye, J. C., Ahn, J., Jeong, K. -H. Enhancement of Terahertz Pulse Emission by Optical Nanoantenna. ACS NANO. 6, 2026-2031 (2012).
  8. Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. Picosecond photocoducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).
  9. Berry, C. W., Jarrahi, M. Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings. New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029 (2012).
  10. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Radiation Enhancement in Photoconductive Terahertz Emitters by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. arXiv. , 1209.1680v1 (2012).
  11. Berry, C. W., Jarrahi, M. Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  12. Berry, C. W., Jarrahi, M. Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas. Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2 (2010).
  13. Berry, C. W., Jarrahi, M. Principles of impedance matching in photoconductive antennas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).
  14. Ralph, S. E., Grischkowsky, D. Trap-enhanced electric fields in semi-insulators: The role of electrical and optical carrier injection. Appl. Phys. Lett. 59, 1972 (1991).
  15. Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  16. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  17. Jarrahi, M. Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping. Photonic Technology Letters. 21, 2019620 (2009).
  18. Jarrahi, M., Lee, T. H. High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays. Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).
  19. Beck, M., Schafer, H., Klatt, G., Demsar, J., Winnerl, S., Helm, M., Dekorsy, T. Impulsive terahertz radiation with high electric fields from an amplifier-driven large-area photoconductive antenna. Opt. Express. 18, 9251-9257 (2010).
  20. Hattori, T., Egawa, K., Ookuma, S. I., Itatani, T. Intense terahertz pulses from large-aperture antenna with interdigitated electrodes. Jpn. J. Appl. Phys. 45, L422-L424 (2006).
  21. Kim, J. H., Polley, A., Ralph, S. E. Efficient photoconductive terahertz source using line excitation. Opt. Lett. 30, 2490-2492 (2005).
  22. Dreyhaupt, A., Winnerl, S., Dekorsy, T., Helm, M. High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor. Appl. Phys. Lett. 86, 121114 (2005).
  23. Brown, E. R., Lee, A. W. M., Navi, B. S., Bjarnason, J. E. Characterization of a planar self-complementary square-spiral antenna in the THz region. Microwave Opt. Technol. Lett. 48, 524-529 (2006).
  24. Huo, Y., Taylor, G. W., Bansal, R. Planar log-periodic antennas on extended hemishperical silicon lenses for millimeter/submillimeter wave detection applications. Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 23, 819 (2002).
  25. Heshmat, B., Pahlevaninezhad, H., Pang, Y., Masnadi-Shirazi, M., Lewis, R. B., Tiedje, T., Gordon, R., Darcie, T. E. Nanoplasmonic Terahertz Photoconductive Switch on GaAs. Nano Lett. 12, 6255-6259 (2012).
  26. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Performance Enhancement in Photoconductive Terahertz Optoelectronics by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. Nature Communications. 4, 1622 (2013).
  27. Wang, N., Berry, C. W., Hashemi, M. R., Jarrahi, M. Plasmonic photoconductive detectors for enhanced terahertz detection sensitivity. Optics Express. , In Press (2013).
  28. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Analysis of periodic metallic nano-slits for efficient interaction of terahertz and optical waves at nano-scale dimensions. J. Appl. Phys. 109, 084326 (2011).
  29. Hsieh, B. -Y., Wang, N., Jarrahi, M. Toward Ultrafast Pump-Probe Measurements at the Nanoscale. Special Issue of "Optics in 2011. Optics & Photonics News. 22, (2011).
  30. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Simultaneous focusing of terahertz and optical waves into nano-scale. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  31. Jackson, A. W., Ibbetson, J. P., Gossard, A. C., Mishra, U. K. Reduced thermal conductivity in low-temperature grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 74, 2325-2327 (1999).

Tags

Fysik Electrical Engineering Computer Science Materials Science Elektronik og Elektroteknik Instrumentering og Photography Lasere og Masers Optik faststoffysik Terahertz plasmoniske Time-Domain spektroskopi Photoconductive emitter elektronik
Design, fremstilling, and Experimental karakterisering af plasmoniske Photoconductive Terahertz Emitters
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., … More

Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters. J. Vis. Exp. (77), e50517, doi:10.3791/50517 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter