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Engineering

Diseño, Fabricación y Caracterización Experimental de Plasmónicos Emisores terahercios fotoconductoras

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

Summary

Se describen métodos para el diseño, fabricación y caracterización experimental de los emisores fotoconductoras plasmónica, que ofrecen dos órdenes de niveles de potencia más altos terahercios magnitud en comparación con los emisores fotoconductoras convencionales.

Abstract

En este artículo de vídeo se presenta una demostración detallada de un método altamente eficiente para la generación de las ondas de terahercios. Nuestra técnica se basa en fotoconducción, que ha sido una de las técnicas más utilizadas para la generación de terahertz 1-8. Generación de terahercios en un emisor de fotoconductora se logra mediante el bombeo de un fotoconductor ultrarrápido con una iluminación láser pulsado o heterodina. La fotocorriente inducida, que sigue a la envolvente de la bomba de láser, se encamina a una antena radiante de terahercios conectado a los electrodos de contacto del fotoconductor para generar la radiación de terahercios. Aunque la eficiencia cuántica de un emisor de fotoconductora puede alcanzar teóricamente 100%, las relativamente largas longitudes de trayecto de transporte de portadores foto-generados a los electrodos de contacto de fotoconductores convencionales han limitado gravemente su eficiencia cuántica. Además, el efecto de la detección de portadores y la descomposición térmica limitan estrictamente el p salida máximaower de las fuentes de terahertz fotoconductoras convencionales. Para hacer frente a las limitaciones de eficiencia cuántica de emisores de terahercios fotoconductoras convencionales, hemos desarrollado un nuevo concepto emisor fotoconductora que incorpora una configuración de electrodo de contacto plasmónica para ofrecer alta eficiencia cuántica y funcionamiento ultrarrápido simultáneamente. Mediante el uso de electrodos de contacto plasmónicas nano escala, se reduce significativamente la trayectoria de transporte portadora fotogenerada promedio de electrodos de contacto fotoconductor en comparación con fotoconductores convencionales 9. Nuestro método también permite aumentar la superficie activa del fotoconductor sin un aumento considerable de la carga capacitiva a la antena, aumentando la potencia máxima de la radiación de terahercios mediante la prevención de los efectos de detección de portador y la descomposición térmica a altas potencias de bombeo óptico. Mediante la incorporación de electrodos de contacto plasmónica, se demuestra la mejora de la eficiencia de conversión de potencia óptica-a-terahercios de un fotoconductor TE convencionalrahertz emisor por un factor de 50 10.

Introduction

Nosotros presentamos un nuevo emisor de terahercios fotoconductora que utiliza una configuración de electrodo de contacto plasmónica para mejorar la eficiencia de conversión óptica-a-terahercios por dos órdenes de magnitud. Nuestra técnica se ocupa de las limitaciones más importantes de emisores convencionales fotoconductoras terahertz, es decir, bajo la producción de energía y la escasa eficiencia de energía, que se originan a partir de la compensación inherente entre la alta eficiencia cuántica y operación ultrarrápida de fotoconductores convencionales.

Una de las novedades clave en nuestro diseño que llevaron a esta mejora de rendimiento a saltos es el diseño de una configuración de electrodo de contacto que se acumula un gran número de portadores foto-generados en las proximidades de los electrodos de contacto, de manera que puedan ser recogidos dentro de un sub- picosegundo calendario. En otras palabras, la solución de compromiso entre la operación ultrarrápida fotoconductor y alta eficiencia cuántica se mitiga por la manipulación espacial de la foto-génerosportadores Ted. Electrodos de contacto Plasmónicos ofrecen esta capacidad única de (1) que permite el confinamiento de luz en áreas activas de dispositivos a nanoescala entre los electrodos plasmónicas (más allá del límite de difracción), (2) mejora extraordinaria luz al contacto de metal y foto-absorción de la interfaz semiconductor 10, 11. Otro atributo importante de nuestra solución es que tiene capacidad para grandes áreas activas del fotoconductor sin un aumento considerable de la carga parasitaria a la antena radiante de terahercios. La utilización de grandes áreas activas fotoconductor permiten mitigar el efecto de detección de portador y la descomposición térmica, que son las limitaciones en última instancia para la potencia máxima de la radiación de emisores fotoconductoras convencionales. Este artículo de vídeo se concentra en los atributos únicos de nuestra solución presentada mediante la descripción de la física que gobierna, modelación numérica, y la verificación experimental. Se demuestra experimentalmente 50 veces más altos poderes de terahercios de una Phot plasmónicaemisor oconductive en comparación con un emisor de fotoconductora similar con electrodos de contacto no plasmónica.

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Protocol

1. Plasmónicas Fabricación emisor Photoconductive

  1. Fabrique rejillas plasmónica.
    1. Limpiar la oblea de semiconductor mediante la inmersión en acetona (2 min) seguido de isopropanol (2 min), y aclarado con agua desionizada (10 seg).
    2. Secar la muestra con nitrógeno y se calienta en una placa caliente a 115 ° C durante 90 segundos para eliminar cualquier resto de agua.
    3. Spin MicroChem 950K PMMA A4 en la muestra a 4000 rpm durante 45 seg. Pre-hornear la resisten en una placa caliente a 180 ° C durante 3 min.
    4. Coloque la muestra en una herramienta de litografía por haz de electrones (JEOL JBX-6300-FS). Exponer el patrón de rejilla plasmónica a una dosis base alrededor de 650 mC / cm 2, con un voltaje de aceleración de 100 kV.
    5. Desarrollar PMMA mediante la inmersión de la muestra en un MIBK: IPA mezcla 01:03 de 90 seg. Inmediatamente la transferencia de la muestra a una solución de isopropanol puro para 60 seg.
    6. Lavar la muestra con agua desionizada durante 10 segundos y después secar la muestra con nitrógeno.
    7. Coloque la muestra en un separador de plasma (YES-CV200RFS). Descum la muestra con 30 W de potencia de RF a 30 ° C con una velocidad de flujo sccm O 100 2 durante 10 s.
    8. Eliminar de óxido superficial mediante la inmersión en una HCl: H 2 0 03:10 mezcla durante 30 seg. Inmediatamente la transferencia de la muestra a una cascada de enjuague de agua desionizada durante 4 min.
    9. Transferir la muestra a un vaso de precipitados de agua desionizada para reducir al mínimo la exposición al oxígeno atmosférico antes de la deposición de metal.
    10. Tome vaso de precipitados que contiene la muestra en agua desionizada a un evaporador de metal (Denton SJ-20). Purgar la cámara y retire, seque, y cargar la muestra en la cámara (estos pasos se deben seguir sin interrupción para evitar la formación de óxido de la superficie de la muestra).
    11. Bombear la cámara a una presión por debajo de 2x10 -6 Torr. Depósito Ti / Au (50/450).
    12. Purgar la cámara y retire la muestra.
    13. Para el despegue del metal depositado, coloque la muestra en un soporte de Teflon en unvaso de acetona, cubrir y dejar toda la noche. Destape el vaso, colocarlo en un agitador ultrasónico, y esperar hasta que se retire todo el metal no deseado (normalmente 30 segundos).
  2. Depósito de pasivación de SiO 2.
    1. Limpie la muestra que en los pasos 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Cargar la muestra en una herramienta de deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD GSI). Depósito 1500 Å de SiO2 a 200 ° C.
  3. Abrir vías de contacto a través de SiO2.
    1. Limpie la muestra que en los pasos 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Haga girar el HMDS a 4.000 rpm durante 30 segundos. Haga girar el Megaposit SPR 220 a 3,0 fotoprotector a 4.000 rpm durante 30 segundos. Pre-hornear la resisten en una placa caliente a 115 ° C durante 90 segundos.
    3. Cargue la muestra y la placa de máscara en la litografía de proyección paso a paso (GCA autostep 200). Alinear la muestra y exponer.
    4. Post-hornear el fotorresistente expuesto en una placa caliente a 115 ° C durante 90 seg.
    5. Desarrollar resistir AZ 300 MIF desarrollador de 60 seg.
    6. Inmediatamente mover la muestra a una cascada de aclarado de agua desionizada durante 4 min. Secar la muestra con nitrógeno.
    7. Coloque la muestra en un grabador iones reactivos (LAM 9400). Etch SiO2 utilizando una fuente de TCP RF de 500 W, una potencia RF Sesgo de 100 W, 15 sccm de SF6, 50 sccm de C 4 F 8, 50 sccm de Él, 50 sccm de Ar durante 80 seg.
    8. Eliminar la mayor parte de la resina fotosensible mediante la colocación de la muestra en acetona (5 min) seguido de isopropanol (2 min). Enjuague con agua desionizada (10 seg.) Secar con nitrógeno.
    9. Retire el fotoprotector residual cargando la muestra en una bailarina de striptease plasma (YES-CV200RFS). Retire el fotoprotector con 800 W de potencia de RF a 30 ° C con un caudal sccm O 100 2 de 5 min.
  4. Fabrique antenas y líneas de polarización.
    1. Repita los pasos 1.3.1 - 1.3.6 para antenas de patrones y líneas de polarización.
    2. Repita los pasos 1.1.8 - 1.1.9 para eliminar el óxido superficial.
    3. Tome el vaso de precipitados que contiene la muestra yagua desionizada a un evaporador de metal (Denton SJ-20).
    4. Purgar la cámara y retire rápidamente, secar, y cargar la muestra en la cámara.
    5. Bombear la cámara a una presión por debajo de 2x10 -6 Torr. Depósito Ti / Au (10/4, 000 Å).
    6. Purgar la cámara y retire la muestra.
    7. Repita el paso 1.1.13 para el despegue del metal depositado.
  5. Empaquete la muestra.
    1. Pegamento de los bordes de un mm de diámetro de la lente de silicio hiper-hemisférica 12 a una lavadora de aluminio de 2 pulgadas con el agujero de 8 mm.
    2. Pegue una placa PCB con restos de metal, a la cual se puede fácilmente la soldadura, la arandela de aluminio.
    3. Monte los plasmónicas fotoconductoras prototipos emisor terahercios fabricados en la lente de silicio utilizando epoxi fina.
    4. Bonos de alambre las zonas de contacto del dispositivo a una tarjeta de circuito impreso pegado en la misma lavadora de aluminio.
    5. Soldar los cables a los rastros de metal en la placa PCB.
    6. Conectar almohadillas de contacto del dispositivo a un analizador paramétrico (Hewlett Paqueteard 4155A) con cables soldados a las almohadillas correspondientes de la placa PCB para realizar pruebas.

2. Plasmónicas Caracterización emisor Photoconductive

  1. Alineación de dispositivos.
    1. Coloque la arandela de aluminio que lleva los fotoconductores plasmónica de terahercios prototipos emisor en un montaje rotación y firmemente enfocar la bomba óptica de un Ti: Zafiro modo-cerró láser (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) en el área activa de cada dispositivo.
    2. Ajustar el montaje de rotación de tal manera que el campo eléctrico de la bomba óptica está orientada para la excitación eficiente de las ondas de plasmón de superficie (normal a las rejillas plasmónica).
    3. Utilice el analizador paramétrico para, simultáneamente, aplicar voltajes de polarización para cada dispositivo y medir la corriente eléctrica inducida en cada dispositivo. Confirme la alineación de la bomba óptica óptima y el ajuste de polarización mediante la maximización de la fotocorriente de cada dispositivo bajo prueba.
  2. Medición de potencia de salidadición.
    1. Use un interruptor óptico (Thorlabs MC2000) para modular la bomba óptica del modo bloqueado incidente láser de bombeo en cada dispositivo.
    2. Medir la potencia de salida de los prototipos emisor terahercios fotoconductoras plasmónicas utilizando un detector piroeléctrico (Detector Spectrum, Inc. SPI-A-65 THz).
    3. Conectar la salida del detector piroeléctrico a un amplificador lock-in (Sistemas de Investigación Stanford SR830) con la frecuencia de referencia del helicóptero óptica para recuperar los datos de potencia de terahercios a bajos niveles de ruido.
  3. Caracterización espectral de la radiación.
    1. Comenzar con un Ti: Zafiro láser de modo bloqueado y utilizar un divisor de haz para dividir la salida del láser de modo bloqueado en un haz de la bomba y un haz de sonda.
    2. Utilice un modulador electro-óptico (EO Thorlabs-AM-NR-C2) para modular el haz óptico en la trayectoria de la bomba. Enfocar el haz de la bomba en el área activa del emisor fotoconductora bajo prueba para generar la radiación de terahercios.
    3. Colimael haz de terahercios generado utilizando una primera lente esférica de polietileno. Enfoque el haz colimado terahercios utilizando una segunda lente esférica polietileno.
    4. Antes de que el foco del haz de terahercios, combinar el haz colimado de terahercios con el haz óptico de sonda usando un filtro de vidrio recubierto con ITO.
    5. Coloca un 1 mm de espesor, <110> cristal CnTe montado en una etapa de rotación en el enfoque combinado del haz óptico y de terahercios.
    6. Insertar una línea óptica de retardo controlable en la trayectoria de la sonda óptica mediante el uso de una etapa lineal motorizado (Thorlabs NRT100) para variar el retardo de tiempo entre los pulsos ópticos y de terahercios que interactúan dentro del cristal CnTe.
    7. El uso de un medio-placa de onda en la trayectoria de la sonda, rotar la polarización de la sonda óptica para estar en un ángulo de 45 ° con respecto a la dirección de polarización de terahercios.
    8. Use un cuarto de placa de onda después de que el cristal CnTe, convierte la polarización del haz óptico en la polarización circular.
    9. Dividir la circulhaz óptico arly polarizada en dos ramas por un prisma Wollaston. Medir la potencia del haz óptico en cada rama usando dos detectores equilibrados conectados a un amplificador lock-in.
    10. Conecte la línea de retardo motor y amplificador lock-in a un ordenador. Escribir un guión de Matlab para moverse iterativamente la posición de la línea de retardo motor, hacer una pausa, y leer la magnitud de la señal desde el amplificador lock-in.
    11. Convertir la posición de fase para el dominio del tiempo, a través de la división de la longitud total óptica de retardo por la velocidad de la luz, seguido de una transformada de Fourier discreta (con Matlab) para obtener los datos de dominio de la frecuencia.

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Representative Results

Para demostrar el potencial de los electrodos plasmónica para la mejora de potencia de terahercios, se han fabricado dos emisores de terahercios: un emisor fotoconductora convencional (Figura 1a) y plasmónica (Figura 1b) la incorporación de electrodos de contacto plasmónica para reducir los tiempos de transporte de portadores para ponerse en contacto con los electrodos. Ambos diseños consisten en un fotoconductor ultrarrápido con 20 micras brecha entre el ánodo y el cátodo contactos, conectado a una antena de largo pajarita 60 micras con máximos y mínimos anchos de 100 micras y 30 micras, respectivamente, fabricada en el mismo sustrato LT-GaAs. El emisor fotoconductora plasmónica incorpora dos rejillas de contacto plasmónicas nanoescala en el puerto de entrada de la antena pajarita. La estrategia de diseño para la configuración de electrodo de contacto plasmónica óptima es maximizar la transmisión de la bomba óptica en la foto de absorción de sustrato y reducir al mínimo la separación entre electrodos plasmónica para reducir al mínimo el pH promediooto-generado transporte de portadores longitud de la trayectoria de los electrodos de contacto. Utilizamos un programa de solución de elementos finitos multi-física (COMSOL) para estimar la respuesta de los fotoconductores con los electrodos de contacto plasmónicas diseñado para una bomba óptica incidente. Para este propósito, la densidad de portadores foto-generada se deriva de la intensidad óptica calculada en el sustrato foto de absorción y se combina con los datos del campo eléctrico de polarización en el modelo de deriva-difusión clásica para calcular la fotocorriente inducida 9. Se prefieren los metales con propiedades plasmónicas fuertes en la longitud de onda óptica de la bomba, ya que permiten el confinamiento hermético de la bomba óptica en la interfaz metal y, por lo tanto, ofrecen transporte portadores foto-generados longitudes de trayecto corto a los electrodos de contacto. Para la prueba de concepto plasmónica emisor fotoconductora, hemos diseñado una rejilla plasmónica con 100 nm de Au ancho, espaciado de 100 nm y 50 nm de altura, que permite la transmisión de más de 70% de un pum óptica 800 nmp a través de las rejillas de nanoescala en el sustrato foto de absorción 11, 12. El bombeo óptico incidente de un Ti: zafiro láser con una longitud de onda central de 800 nm, tasa de repetición de 76 MHz, y 200 fs ancho de pulso se centró firmemente en cada dispositivo fabricado (Figura 2a) y posicionado cerca del electrodo de contacto del ánodo para maximizar el radiada potencia 13-15. Para maximizar la potencia radiada por el emisor fotoconductora convencional, el campo eléctrico óptica fue orientado para extenderse a través del espacio entre el ánodo y el cátodo electrodos de contacto. Para el emisor fotoconductora plasmónica, el campo eléctrico fue orientado perpendicular a las rejillas de metal. El poder de terahercios generada a partir de cada emisor fotoconductora se midió usando un detector de piroeléctrico. Figura 2b muestra la radiación de terahercios medido desde los emisores de terahercios plasmónica y convencional, sesgadas eléctricamente a 40 V, bajo varias potencias de bombeo óptico. El incons curva muestra la fotocorriente correspondiente. Se observó una mejora de potencia de radiación de más de 33 desde el emisor fotoconductora plasmónica en el 0-25 mW óptica rango de potencia de la bomba. Esta mejora significativa potencia de radiación se debe a los niveles más altos de fotocorriente generadas cuando se emplean electrodos de contacto plasmónica. Figura 2c muestra la radiación de terahercios medido frente fotocorriente recogida para los emisores de terahercios plasmónica y convencional. Los datos representados en el gráfico incluye diversas tensiones de polarización (10 - 40 V) en diversas potencias de bombeo óptico (5-25 mW). Los puntos de datos son todos de la curva-instalado en la misma línea con una pendiente de 2, lo que confirma la dependencia cuadrática de la potencia de radiación en la fotocorriente inducida y el hecho de que todas las otras condiciones de operación (incluidas las especificaciones de antena) son las mismas para la convencional y plasmónicas prototipos emisor fotoconductoras. Figura 2d muestra el poder enhanc terahertzfactor de ement define como la relación de la potencia de terahercios emitida por el emisor de terahercios plasmónica al emisor de terahercios convencional. A bajos niveles ópticos de la bomba de alimentación y la tensión de polarización de 30 V, se observan factores de mejora de potencia hasta el 50 de salida. El factor de mejora disminuye ligeramente a mayores niveles de potencia óptica de la bomba y altas tensiones de polarización. Esto puede explicarse por el efecto de detección de portador, que debe afectar a la fotoconductor plasmónica más que el fotoconductor convencional, ya que está generando más fotocorriente y la separación de un mayor número de pares electrón-hueco. Por último, la potencia máxima terahertz mide desde los emisores de terahercios plasmónica y convencional bajo una óptica de 100 mW de la bomba (Figura 2e). La tensión de polarización de cada dispositivo se incrementa hasta el punto de fallo del dispositivo. En el máximo, el emisor fotoconductora plasmónica produce una potencia media de 250 mW, en comparación con el 12 mW del emisor convencional fotoconductora10.

Figura 1
Figura 1. Diagrama esquemático y concepto de la operación de los emisores de terahercios fotoconductoras. (A) Un emisor terahertz fotoconductora convencional. (B) Un fotoconductor plasmónica emisor terahertz incorporar electrodos de contacto plasmónica. Haga clic aquí para ver más grande la figura .

La figura 2
Figura 2. Comparación de los emisores de terahercios fotoconductoras convencionales y plasmónica 10. (A) imágenes de dispositivos fabricados. (B) La radiación terahertz Medido desde los emisores de terahercios plasmónica y convencionales, sesgadas eléctrica a 40 V, bajo diversas potencias de bombeo óptico. La curva del recuadro muestra la corresponding fotocorriente. (c) La radiación terahertz Medido contra fotocorriente recogida para los emisores de terahercios plasmónica y convencionales. Los datos representados en la trama incluye varios voltajes de polarización (10 - 40 V) bajo varias potencias de bombeo óptico (5-25 mW). (D) mejora el poder de terahercios relativa se define como la relación de la potencia de terahercios emitida por el emisor de terahercios a plasmónica el emisor terahertz convencional. (e) de potencia máxima terahertz mide desde los emisores de terahercios plasmónica y convencional bajo una óptica de 100 mW bomba. La tensión de polarización de cada dispositivo se incrementa hasta el punto de fallo del dispositivo. En el máximo, el emisor fotoconductora plasmónica produce una potencia media de 250 mW, en comparación con el 12 mW del emisor fotoconductora convencional. Haz clic aquí para ver más grande la figura .

Figura 3. . Características espectrales de la radiación plasmónica emisor fotoconductora espectro de radiación 10 se mide en respuesta a un pulso óptico de 200 fs desde el modo bloqueado de Ti: zafiro láser con 800 nm de longitud de onda central y la tasa de repetición de 76 MHz en una configuración de espectroscopía de terahercios el dominio del tiempo con detección electro-óptico (a). potencia radiada en el dominio del tiempo. (b) Potencia radiada en el dominio de la frecuencia. Los picos observados de radiación alrededor de 0,35 THz y 0,55 THz están asociados con los picos de resonancia de la antena empleada pajarita, y el pico de radiación alrededor de 0,1 THz se asocia con el pico de resonancia de la antena dipolo formado por las líneas de polarización de antena bowtie. Haga clic aquí para ver más grande la figura .

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Discussion

En este artículo de vídeo, se presenta una técnica de generación de terahercios fotoconductora novedoso que utiliza una configuración de electrodo de contacto plasmónica para mejorar la eficiencia de conversión óptica-a-terahercios por dos órdenes de magnitud. El aumento significativo de la potencia de radiación de terahercios desde los emisores fotoconductoras plasmónicas presentados es muy valiosa para el futuro de alta sensibilidad de terahercios formación de imágenes, la espectroscopia y sistemas de espectrometría utilizado para la identificación química avanzada, la imagen médica, la detección biológica, astronomía, detección atmosférica, control de seguridad, y caracterización de materiales.

El enfoque de este artículo de vídeo ha sido la demostración de los efectos de los electrodos plasmónicas en la mejora de la fotocorriente inducida fotoconductores ultrarrápidos y la potencia radiada terahertz de emisores terahercios fotoconductoras. Por lo tanto, la elección de la arquitectura emisor fotoconductora, terahercios antena radiante, y piensos sesgoen nuestra demostración ha sido arbitraria, y el concepto de mejora puede ser aplicado de manera similar para mejorar la potencia de radiación de terahercios fotoconductores emisores con una variedad de antenas de terahercios con y sin electrodos interdigitados de contacto, así como de gran superficie emisores de terahercios fotoconductoras en tanto pulsado y continuo el funcionamiento de la onda. En este sentido, la potencia de salida de nuestros prototipos de dispositivos puede mejorarse aún más mediante el uso de cavidades de resonancia 3, 16, grandes áreas activas de dispositivos 17-22, y antenas con mayor resistencia a la radiación y ancho de banda 23, 24. Por otra parte, el mecanismo de mejora de la eficiencia cuántica se describe en fotoconductores plasmónica se puede utilizar para mejorar la capacidad de respuesta y la sensibilidad de detección de los detectores de terahercios fotoconductoras, así 25-27.

Cabe señalar que el paso más crítico para la aplicación de rendimiento plasmónicas emisores de terahercios de alta fotoconductoras es patTerning los electrodos de contacto plasmónica. Por un lado, una mayor absorción de bomba óptica y, por lo tanto, una mayor eficiencia de conversión óptica-a-terahercios se pueden lograr mediante el uso de más altos relación de aspecto electrodos de contacto plasmónica. Por otro lado, el levantamiento características metálicas gruesas con la característica de nano-escala tamaños es un reto, ya que requiere de espesor resistir capas y, por lo tanto, la relación de aspecto más alto de los electrodos de contacto plasmónica se limita a la resolución de herramientas de litografía de haz de electrones existentes.

Creemos que nuestro trabajo va a evolucionar en un futuro próximo para impulsar la eficiencia de conversión óptica-terahertz de emisores fotoconductoras plasmónicas por más de tres órdenes de magnitud. En este sentido, el uso de electrodos de contacto plasmónicas relación de aspecto de alta incrustados dentro de la foto de absorción de semiconductores 28-30 ultrarrápida permite el transporte de la mayoría de los fotoportadores a los electrodos de contacto del fotoconductor y su contrib eficientelución en generación terahertz. El uso de electrodos de contacto plasmónicas relación de aspecto de alta incrustados dentro de la foto de absorción de semiconductores también elimina la necesidad de utilizar semiconductores vida de los portadores cortos, que se utilizan para la supresión de la corriente continua de emisores fotoconductoras (en general) y para la prevención de interferencias destructivas indeseadas en continuo emisores fotoconductoras de onda (en concreto). La eliminación de la necesidad de utilizar semiconductores vida portadoras cortas, que tienen movilidades menores portadores y conductividades térmicas de 31 en comparación con los semiconductores cristalinos de alta calidad, tendría un impacto importante en el futuro de alta potencia y eficiencia fotoconductoras emisores de alta terahercios. También podría conducir a una nueva generación de emisores terahercios fotoconductoras basada en la foto-absorción de semiconductores con funcionalidades únicas (por ejemplo, emisores fotoconductoras basados ​​en el grafeno que se benefician de las movilidades portadoras superiores o emisor fotoconductora basados ​​en GaNs que se benefician de la conductividad térmica superior).

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

Los autores desean agradecer a Picometrix para proporcionar el sustrato LT-GaAs y agradecen el apoyo financiero de Michigan Espacio Beca Consorcio, DARPA Premio Joven Facultad dirigido por el Dr. John Albrecht (contrato # N66001-10-1-4027), NSF CARRERA Premio dirigido por el Dr. Samir El-Ghazaly (contrato # N00014-11-1-0096), ONR Premio Joven Investigador dirigido por el Dr. Paul Maki (contrato # N00014-12-1-0947), y ARO Premio Joven Investigador gestionado por Dr. Dev. Palmer (contrato # 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).

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