Waiting
Login processing...

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

Engineering

Plasmonik Foto iletken Terahertz Vericiler Tasarımı, İmalatı ve Deneysel Karakterizasyonu

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

Summary

Biz tasarım, imalat, ve geleneksel photoconductive yayıcılar göre büyüklüğü daha yüksek Terahertz güç seviyeleri iki sipariş sunuyoruz plasmonik photoconductive yayıcılar, deneysel karakterizasyonu için yöntemler açıklanmaktadır.

Abstract

Bu videoyu yazıda Terahertz dalgaları üretmek için son derece etkili bir yöntem ayrıntılı bir gösteri sunmak. Bizim teknik Terahertz nesil 1-8 için en sık kullanılan tekniklerden biri olmuştur photoconduction, dayanmaktadır. Bir foto-iletken verici olarak Terahertz nesil bir darbeli veya heterodyned lazer aydınlatma ile ultra hızlı iletken pompalama elde edilir. Pompa lazer zarf aşağıdaki kaynaklı fotoakım, Terahertz radyasyon oluşturmak için iletken temas elektrotlara bağlı bir anten ışıma Terahertz yönlendirilir. Bir photoconductive yayıcı kuantum verimi teorik olarak 100% ulaşabilirsiniz rağmen, geleneksel Fotokondüktörlerin ve temas elektrotlar fotoğraf üretilen taşıyıcıların nispeten uzun taşıma yolu uzunlukları ciddi kendi kuantum verimi sınırlıdır. Ayrıca, taşıyıcı tarama etkisi ve ısıl bozunmaya katı maksimum çıkış p sınırlamakOver geleneksel photoconductive Terahertz kaynaklarının. Geleneksel photoconductive Terahertz vericilerin kuantum verimliliği sınırlamaları çözmek için, aynı anda yüksek kuantum verimli ve çok hızlı çalışmak üzere özel olarak bir plasmonik kişi elektrot yapılandırma içeren yeni bir photoconductive verici konsept geliştirdik. Nano ölçekli plasmonik temas elektrotları kullanarak, önemli ölçüde geleneksel Fotokondüktörlerin 9 göre iletken temas elektrotlar için ortalama fotoğraf oluşturulan taşıyıcı taşıma yolu azaltır. Bizim yöntem aynı zamanda yüksek optik pompa güçleri de taşıyıcı tarama etkisi ve termal arıza önleyerek maksimum Terahertz radyasyon gücü artırma, antene kapasitif yükleme önemli bir artış olmadan artan iletken aktif alan sağlar. Içeren plasmonik temas elektrotlar, biz geleneksel photoconductive te optik-to-Terahertz güç dönüşüm verimliliği arttırmak işlemini göstermektedir50 10 kat rahertz verici.

Introduction

Biz iki mertebe ile optik-to-Terahertz dönüşüm verimliliği artırmak için bir plasmonik kişi elektrot yapılandırması kullanan bir roman photoconductive Terahertz verici sunuyoruz. Bizim teknik yüksek kuantum verimliliği ve geleneksel Fotokondüktörlerin bir ultra hızlı çalışması arasındaki doğal dengeyi kaynaklanan geleneksel photoconductive Terahertz yayıcılar, yani düşük çıkış gücü ve düşük güç verimliliği, en önemli sınırlamalar giderir.

Bu birdirbir performans artışı yol açtı tasarım en önemli yeniliklerden biri de temas elektrotlar yakın fotoğraf oluşturulan taşıyıcı çok sayıda, biriken bir kişi elektrot yapılandırma tasarlamaktır onlar içinde toplanabilir böyle bir alt- pikosaniye zaman ölçeği. Diğer bir deyişle, foto iletken ultra hızlı çalışma ve yüksek kuantum verimliliği arasındaki dengeyi fotoğraf cins mekansal manipülasyon tarafından yönetilmektedirTed taşıyıcılar. Plasmonik temas elektrotlar (1) plasmonik elektrotlar (kırınım sınırı aşan), metal temas da (2) olağanüstü ışık güçlendirme ve yarı iletken arayüzü 10, 11 fotoğraf emici arasında nano cihazın aktif alanlara ışık hapsi izin vererek bu eşsiz özelliği sunuyor. Çözüm bir diğer önemli özelliği bu Terahertz yayılan anten parazit yükleme önemli bir artış olmadan büyük iletken aktif alanları barındırır olmasıdır. Kullanan büyük iletken aktif alanlarda geleneksel photoconductive yayıcılar gelen maksimum radyasyon gücü için nihai sınırlamalar taşıyıcı tarama etkisi ve termal arıza, azaltılması sağlar. Bu video makalede yöneten fizik, sayısal modelleme ve deneysel doğrulama anlatarak bizim sunulan çözüm benzersiz özellikleri üzerinde yoğunlaşmıştır. Biz deneysel bir plasmonik phot 50 kat daha yüksek Terahertz güçler göstermekolmayan plasmonik temas elektrotlar ile benzer bir foto-iletken yayıcı ile karşılaştırıldığında oconductive yayıcı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Plasmonik Foto iletken Verici Fabrikasyon

  1. Plasmonik ızgaralar Üretiyor.
    1. Izopropanol (2 dakika), ardından aseton (2 dakika) çeker ve iyonu giderilmiş su (10 saniye) ile durulama yarı iletken yonga temizleyin.
    2. Azot ile örnek kurulayın ve ° C 90 saniye kalan su çıkarmak için 115 bir ocak üzerinde ısı.
    3. 45 sn için 4000 rpm'de örnek Spin MicroChem 950K PMMA A4. Ön fırında 3 dakika 180 ° C de bir ocak karşı.
    4. Bir elektron demeti litografi aracı (JEOL JBx-6300-FS) içine örnek yükleyin. 100 kV ivme gerilimi kullanarak, 650 μC / cm 2 civarında bir temel dozda plasmonik ızgara deseni Açığa.
    5. Bir MIBK içinde örnek daldırarak PMMA geliştirin: 90 sn IPA 01:03 karışımı. Hemen 60 saniye boyunca bir saf izopropanol içindeki bir çözeltisine, örnek aktarın.
    6. 10 sn için deiyonize su ile yıkayınız ve numune daha sonra, azot ile örnek kurutun.
    7. Bir plazma striptizci (EVET-CV200RFS) içine örnek yükleyin. Descum 10 sn için 100 sccm O 2 debisi ile 30 ° C'de 30 W RF güç kullanarak örnek.
    8. Bir HCl daldırarak yüzey oksit çıkarın: 30 sn H 2 0 03:10 karışımı. Hemen 4 dakika boyunca iyonu giderilmiş su durulaması kaskad örnek aktarmak.
    9. Metal çökeltme, önce atmosfer oksijene maruz kalmasını en aza indirmek için deiyonize su bir beher için örnek aktarın.
    10. Metal bir evaporatör (Denton SJ-20) 'ye kadar deiyonize su içinde örnek içeren beher al. Odanın havalandırma ve sonra kaldırmak kuru ve oda (adımları örnek yüzey oksit oluşumunu önlemek için kesintisiz takip edilmesi gereken) içine örnek yükleyin.
    11. 2x10 -6 Torr altında bir basınca odası Pompa. Mevduat Ti / Au (50/450 Å).
    12. Odanın havalandırma ve örnek çıkarın.
    13. Çökelen metal havalanışta amacıyla, içinde bir Teflon bir tutucu numuneyiaseton beher, kapak, ve bir gece bekletin. Beher ortaya çıkarmak, bir ultrasonik karıştırıcı yerleştirin, ve tüm istenmeyen metal (genellikle 30 saniye) kaldırılıncaya kadar bekleyin.
  2. Mevduat SiO 2 pasivasyon.
    1. 1.1.2 - 1.1.1 adımda olduğu gibi, örnek temizleyin.
    2. Bir plazma gelişmiş kimyasal buhar biriktirme aracı (GSI PECVD) içinde örnek yükleyin. 200 ° C'de SiO 2 Mevduat 1.500 Å
  3. SiO 2 ile temas vialar açın.
    1. 1.1.2 - 1.1.1 adımda olduğu gibi, örnek temizleyin.
    2. 30 saniye boyunca 4000 rpm'de HMDS üzerinde Spin. 30 saniye için 4.000 rpm Megaposit SPR 220-3,0 ışığa dönmesine. Ön fırında 90 saniye 115 ° C de bir ocak karşı.
    3. Projeksiyon litografi step (GKRY AutoStep 200) içine örnek ve maske plaka yükleyin. Örnek hizalayın ve maruz.
    4. 90 saniye 115 ° C de bir ocak maruz ışığa Post-pişirin.
    5. 6 AZ 300 MIF geliştirici karşı geliştirin0 sn.
    6. Hemen bir çağlayan için örnek hareket 4 dakika deiyonize su yıkayın. Azot ile örnek kurutun.
    7. Bir reaktif iyon yakıcısı (LAM 9400) içine örnek yükleyin. 500 W bir TCP RF güç kullanarak Etch SiO 2, 100 W bir Eğilim RF güç, 15 sccm SF6-, C 4 F 8, O, 50 sccm 50 sccm, 80 saniye boyunca Ar 50 sccm.
    8. Izopropanol (2 dakika) takiben aseton (5 dakika), örnek yerleştirerek fotorezist kısmı çıkartın. Iyonu giderilmiş su (10 saniye) ile durulayın. Azot ile kurutulur.
    9. Bir plazma striptizci (EVET-CV200RFS) in örnek yükleyerek kalan ışığa çıkarın. 5 dakika boyunca 100 sccm O 2 debisi ile 30 ° C'de 800 W RF güç kullanarak ışığa çıkarın.
  4. Antenler ve önyargı hatları imal.
    1. Desen antenler ve önyargı hatlarına 1.3.6 - Adımlar 1.3.1 tekrarlayın.
    2. 1.1.9 yüzey oksit kaldırmak için - Adımlar 1.1.8 tekrarlayın.
    3. Örnek içeren beher alın veMetal bir evaporatör (Denton SJ-20) iyondan arındırılmış su.
    4. Odanın havalandırma ve sonra hızlı bir şekilde, kaldırmak kuru ve odasına örnek yükleyin.
    5. 2x10 -6 Torr altında bir basınca odası Pompa. Mevduat Ti / Au (10/4, 000 Å).
    6. Odanın havalandırma ve örnek çıkarın.
    7. Için kaldırın-off tevdi metal Adım 1.1.13 tekrarlayın.
  5. Örnek paketleyin.
    1. Tutkal 8 mm delikli bir 2 inç alüminyum yıkama için bir 12 mm çapında hiper-yarı küresel silikon lens kenarları.
    2. Tutkal metal izleri ile bir PCB board, hangi bir alüminyum yıkama için, kolayca lehim yapabilirsiniz.
    3. Ince epoksi kullanarak silikon lens üzerinde fabrikasyon plasmonik photoconductive Terahertz verici prototip monte edin.
    4. Aynı alüminyum pul yapıştırılmış bir PCB kuruluna tel bağ cihaz temas pedleri.
    5. PCB board üzerindeki metal izleri için lehim teli.
    6. Parametrik bir analiz (Hewlett Pack cihaz temas pedleri bağlayıntest amaçlı PCB kurulu ilgili yastıkları lehim telleri kullanarak ard 4155A).

2. Plasmonik Foto iletken Verici Karakterizasyonu

  1. Cihaz hizalama.
    1. Bir rotasyon montaj üzerinde plasmonik photoconductive Terahertz verici prototip taşıyan alüminyum yıkama yerleştirin ve sıkı bir Ti gelen optik pompa odaklanmak: Sapphire her cihazın aktif alan üzerine lazer (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) mod-kilitli.
    2. Optik pompanın elektrik alanı, yüzey plazmon dalgaları (plasmonik kafeslerine normal) etkin uyarılması için yönelimli olduğu gibi dönme montaj ayarlayın.
    3. Aynı anda her cihaza önyargı gerilimleri uygulamak ve her cihazda kaynaklı elektrik akımı ölçmek için parametrik analiz kullanın. Test altındaki her cihazın fotoakım maksimize ederek optimum optik pompa uyum ve polarizasyon ayarı onaylayın.
  2. Çıkış gücü ölçümurement.
    1. Her cihazda mod-kilitli pompa lazer olaydan optik pompa modüle bir optik kıyıcı (Thorlabs MC2000) kullanın.
    2. Bir pyroelektrik dedektörü (Spectrum Dedektör, Inc SPI-A-65 THz) kullanarak plasmonik photoconductive Terahertz verici prototip çıkış gücü ölçün.
    3. Için bir kilit-düşük gürültü düzeylerinde Terahertz güç verileri kurtarmak için optik kıyıcı referans frekansı ile amplifikatör (Stanford Araştırma Sistemleri SR830). Pyroelektrik dedektörün çıkışını
  3. Radyasyon spektral karakterizasyonu.
    1. Sapphire mod-kilitli lazer ve bir pompa ışın ve bir prob ışınına modu kilitli lazer çıktı bölmek için bir ışın ayırıcı kullanın: Bir Ti ile başlayın.
    2. Pompa yolunda optik ışın modüle etmek için bir Elektrooptik modülatörü (Thorlabs EO-AM-NR-,-C2) kullanın. Terahertz radyasyon üretmek için test edilen, foto iletken yayıcı en aktif alan üzerine pompa ışın odaklanın.
    3. Paralelleştirmekilk polietilen küresel lens kullanarak oluşturulan Terahertz far. Ikinci bir polietilen küresel lens kullanarak paralelleştirilmiş Terahertz ışın odaklanın.
    4. Terahertz ışın odağı önce, bir ITO kaplı cam filtre kullanılarak prob optik ışını ile paralelleştirilmiş Terahertz ışın birleştirir.
    5. Kalınlığında 1 mm yerleştirin, <110> ZnTe kristal optik ve Terahertz ışınlarının kombine odak bir dönüş sahnede monte.
    6. ZnTe kristal içindeki etkileşim optik ve Terahertz darbeler arasındaki zaman gecikmesini değiştirmek için bir motorlu lineer aşama (Thorlabs NRT100) kullanarak optik prob yolunda bir kontrol optik gecikme hattı yerleştirin.
    7. Prob yolunda bir yarım waveplate kullanarak, Terahertz polarizasyon yönüne 45 ° 'lik açıyla olduğu optik prob polarizasyon döndürün.
    8. ZnTe kristal sonra çeyrek waveplate kullanın, dairesel polarizasyon içine optik ışın polarizasyon dönüştürmek.
    9. Sirkülasyon bölünmüşBir Wollaston prizma tarafından iki kola as ı polarize optik ışın. Bir kilit-amplifikatör bağlı iki dengeli dedektör kullanarak her dalında optik ışın gücünü ölçmek.
    10. Bir bilgisayara motorlu gecikme hattı ve kilit-amplifikatör bağlayın. Iteratif motorlu gecikme hattı, duraklama hareket ettirmek, ve gelen sinyal büyüklüğü kilit-amplifikatör okumak için Matlab komut dosyası yazın.
    11. Işık hızı ile toplam optik gecikme süresini bölünmesi yoluyla, zaman etki alanına sahne konuma dönüştürmek, frekans verileri elde etmek için gizli bir Fourier dönüşümü (Matlab kullanarak) izledi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Elektrotlar irtibata taşıyıcı taşıma sürelerini azaltmak için plasmonik temas elektrotlar içeren geleneksel (Şekil 1a) ve plasmonik (Şekil 1b) photoconductive yayıcı: Terahertz güç geliştirme için plasmonik elektrot potansiyelini ortaya koymak için, iki Terahertz yayıcılar fabrikasyon. Her iki tasarım aynı LT-GaAs tabaka üzerine yapılmıştır sırasıyla 100 mikron ve 30 mikron, maksimum ve minimum genişlikleri ile 60 mikron uzunluğunda papyon anten bağlı anot ve katot kişiler arasında 20 mikron boşluk ile bir çok hızlı iletken, oluşur. Plasmonik photoconductive verici papyon anten giriş bağlantı noktasına takın iki nano plasmonik temas kafesler içeriyor. Ortalama ph en aza indirmek için plasmonik elektrotlar arasındaki mesafe en aza indirerek en uygun plasmonik temas elektrot konfigürasyonu için tasarım stratejisi için fotoğrafın emici yüzey içine optik pompa iletim maksimize edilirtemas elektrotlara taşıyıcı taşıma yolu uzunluğu oto-oluşturulan. Biz bir olay optik pompa için tasarlanmış plasmonik temas elektrotlar ile Fotokondüktörlerin bir yanıtı tahmin etmek çok fizik sonlu elemanlar çözücü (COMSOL) kullanın. Bu amaç için, foto-oluşturulan taşıyıcı yoğunluğu verilmedi emici alt-tabaka içinde hesaplanan optik yoğunluk elde edilir ve indüklenen fotoakım 9 hesaplamak için klasik sürüklenme-difüzyon modelinde önyargı elektrik alan verileriyle birleştirilir. Onlar temas elektrotları kısa fotoğraf oluşturulan taşıyıcı taşıma yolu uzunlukları sunuyoruz, böylece, metal arayüzü optik pompanın sıkı doğumdan sağlamak ve o zamandan beri pompa optik dalga boyunda güçlü plasmonik özelliklere sahip metaller, tercih edilir. Proof-of-concept plasmonik photoconductive yayıcı için, bir 800 nm optik pum fazla% 70 iletim sağlayan 100 nm Au genişliği, 100 nm aralığı ve 50 nm yüksekliği, bir plasmonik ızgara tasarlanmıştırfotoğraf emici yüzey 11, 12 içine nano ızgaralar yoluyla s. Bir Ti gelen olay optik pompası: merkezi bir 800 nm dalga boyunda, 76 MHz tekrarlama oranı ve 200 FSEC darbe genişliği ile safir lazer sıkıca her fabrikasyon cihazı (Şekil 2a) üzerine odaklanır ve yayılan en üst düzeye çıkarmak için anot temas elektrot yakın yerleştirildi güç 13-15. Geleneksel photoconductive verici için yayılan güç en üst düzeye çıkarmak için, optik elektrik alan anot ve katot temas elektrotlar arasındaki boşluğu genelinde yayılan yönelik oldu. Plasmonik photoconductive verici için, elektrik alan metal çitler yönelik dik oldu. Her photoconductive vericiden üretilen Terahertz güç bir pyroelektrik dedektör kullanılarak ölçüldü. Şekil 2b çeşitli optik pompa güçleri altında elektriksel 40 V önyargılı plasmonik ve geleneksel Terahertz vericiler,, gelen ölçülen Terahertz radyasyon gösterir. Insoll eğrisi gelen fotoakım gösterir. 25 mW optik pompa gücü aralığı - fazla 33 bir radyasyon gücü geliştirme 0 en plasmonik photoconductive verici gözlenmiştir. Bu önemli bir radyasyon gücü geliştirme plasmonik temas elektrotlar kullanılarak oluşturulan daha yüksek seviyelerde fotoakım kaynaklanmaktadır. Şekil 2c plasmonik ve konvansiyonel Terahertz yayıcılar için toplanan fotoakım karşı ölçülen Terahertz radyasyon gösterir. Çeşitli optik pompa güçleri altında (5 - fazla 25 mW) - arsa temsil veriler çeşitli önyargı gerilim (40 V 10) içerir. Veri noktaları tüm bağlı fotoakım ve (anten özellikleri de dahil olmak üzere) tüm diğer çalışma koşulları geleneksel için aynı olduğu gerçeği üzerinde radyasyon güç kuadratik bağımlılığı teyit 2 bir eğimle aynı hat için eğri-donatılmış ve plasmonik photoconductive verici prototip. Şekil 2d Terahertz güç donanýmlrn gösterirement faktörü geleneksel Terahertz emitör için plasmonik Terahertz yayıcı tarafından yayılan Terahertz güç oranı olarak tanımlanır. Düşük optik pompa gücü düzeyleri ve 30 V bir önyargı gerilim, az çıkış kadar 50 güç geliştirme faktörleri görülmektedir. Geliştirme faktörü ne kadar yüksek optik pompa güç seviyeleri ve daha yüksek bias voltajında ​​biraz azalır. Daha fotoakım üreten ve elektron-delik çiftleri daha çok sayıda ayıran çünkü bu taşıyıcı tarama etkisi ile açıklanabilir, hangi, plasmonik iletken geleneksel iletken daha fazla etkiler. Son olarak, en yüksek enerji Terahertz, 100 mW optik pompa (Şekil 2e) altında plasmonik ve konvansiyonel Terahertz yayıcıdan ölçülür. Her cihazın besleme gerilimi cihazın başarısızlık noktasına kadar artar. Azami olarak plasmonik photoconductive yayıcı geleneksel foto-iletken damlatıcının 12 μW ile karşılaştırıldığında, 250 μW bir ortalama elektrik üretimi10.

Şekil 1
Şekil 1. Şematik ve photoconductive Terahertz vericilerin çalışma kavramı. (A) Geleneksel photoconductive Terahertz verici. (B) plasmonik temas elektrotlar içeren bir plasmonik photoconductive Terahertz verici. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 2,
Şekil 2. Geleneksel ve plasmonik photoconductive Terahertz yayıcılar karşılaştırılması 10. (A) Fabrikasyon cihaz görüntüleri. Çeşitli optik pompa güçleri altında elektriksel 40 V önyargılı plasmonik ve geleneksel Terahertz yayıcılar, (b) Ölçülen Terahertz radyasyon. Ilave eğrisi corresp gösterirfotoakım onding. (c) Ölçülen Terahertz radyasyon plasmonik ve geleneksel Terahertz yayıcılar için toplanan fotoakım karşı. Çeşitli optik pompa güçleri altında (5 - fazla 25 mW) - arsa temsil veriler çeşitli önyargı gerilim (40 V 10) içerir. (D) Bağıl Terahertz güç geliştirme için plasmonik Terahertz verici tarafından yayılan Terahertz güç oranı olarak tanımlanan geleneksel Terahertz verici. (e) Maksimum Terahertz gücü 100 mW optik pompası altında plasmonik ve geleneksel Terahertz yayıcılar ölçülür. Her cihazın besleme gerilimi cihazın başarısızlık noktasına kadar artar. Maksimum, plasmonik photoconductive verici geleneksel photoconductive verici ve 12 μW göre, 250 μW bir ortalama güç üretti. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 3,. . Safir lazer bir zaman etki alanı Terahertz spektroskopi kurulumunda 800 nm merkezi dalga boyu ve 76 MHz tekrarlama oranı ile ile: plasmonik photoconductive verici radyasyon 10 Radyasyon spektrumunun spektral özellikleri mod-kilitli Ti bir 200 FSEC optik darbe yanıt olarak ölçülür elektro-optik algılama. (a) zaman etki gücü Yayılan. (b) frekans güç Yayılan. 0.35 THz ve 0.55 THz etrafında gözlenen radyasyon zirveleri istihdam papyon antenin rezonans zirveleri ile ilişkili, ve 0.1 THz çevresindeki radyasyon tepe papyon anten önyargı hatları oluşturduğu dipol antenin rezonans zirve ile ilişkilidir. tıklayınız için büyük rakam görmek .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu video makalede, biz iki mertebe ile optik-to-Terahertz dönüşüm verimliliği artırmak için bir plasmonik kişi elektrot yapılandırması kullanan bir roman photoconductive Terahertz oluşturma tekniği mevcut. Sunulan plasmonik photoconductive yayıcılar gelen Terahertz radyasyon gücü önemli bir artış gelecekte yüksek hassasiyetli Terahertz görüntüleme, spektroskopi ve spektrometresi sistemleri gelişmiş kimyasal tanımlama için kullanılan, tıbbi görüntüleme, biyolojik algılama, astronomi, atmosferik algılama, güvenlik taraması ve için çok değerli malzeme karakterizasyonu.

Bu video makalede odağı Ultra hızlı Fotokondüktörlerin en bağlı fotoakım artırmada plasmonik elektrot etkisinin gösteri olmuştur ve foto iletken Terahertz yayıcılar gelen Terahertz güç yayılan. Böylece, foto iletken verici mimarisinin seçimi, Terahertz anten yayılan ve önyargı beslemebizim gösteriye keyfi olmuştur ve geliştirme kavram benzer içinde interdijite temas elektrotlar yanı sıra büyük alan photoconductive Terahertz yayıcılar olan ve olmayan Terahertz antenlerin çeşitli photoconductive Terahertz yayıcılar gelen radyasyon gücünü arttırmak için uygulanabilir darbeli ve sürekli hem -dalga operasyon. Bu bağlamda, prototip cihazların çıkış gücü rezonans boşluklar 3, 16, geniş bir cihaz olarak aktif bölgelerde 17-22, ve daha yüksek radyasyon direnci ve bant genişliği 23, 24, antenlerin kullanılması yoluyla daha da geliştirilmiş olabilir. Ayrıca, plasmonik fotokondüktörlerin içinde tarif edilen kuantum etkinliği, geliştirme mekanizması hem de 25-27 photoconductive Terahertz detektörleri cevap verebilen ve saptama hassasiyetini geliştirmek için de kullanılabilir.

Bu yüksek performanslı plasmonik photoconductive Terahertz yayıcılar uygulanması için en kritik adım pat olduğu unutulmamalıdırplasmonik temas elektrotlar Terning. Bir yandan, daha yüksek bir optik pompa emme ve bu nedenle, daha fazla üzerinde optik-to-Terahertz dönüşüm verimliliği yüksek bir en boy oranına sahip plasmonik temas elektrotların kullanılması ile elde edilebilir. Kalın tabakalar karşı ve bu nedenle, plasmonik temas elektrotların en-boy oranı, mevcut elektron-huzmesi litografi araçları çözünürlüğü ile sınırlıdır gerektirdiğinden Öte yandan, nano ölçekli özelliği boyutları ile kalın metal ® kapalı kaldırma zordur.

Biz çalışmalarımızı büyüklükte fazla üç emir tarafından plasmonik photoconductive vericilerin optik-to-Terahertz dönüşüm verimliliği itmek için yakın gelecekte gelişmeye inanıyoruz. Bu bağlamda, fotoğraf emici yarı iletken 28-30 içine gömülü yüksek boy oranı plasmonik temas elektrot kullanımı Foto iletken temas elektrotlar ve verimli katkı için photocarriers çoğunluğunun ultra hızlı ulaşım sağlarTerahertz nesil ution. Içine gömülü yüksek bir en-boy oranı plasmonik temas elektrotların kullanılması verilmedi emici yarı iletken de foto-iletken yayıcıların bastırma DC akım (genel olarak) ve arzu edilmeyen yıkıcı etkileşimler önlenmesi için kullanılan taşıyıcı ömrü kısa yarı iletkenler, kullanma ihtiyacı ortadan kaldırır Sürekli dalga photoconductive yayıcılar (özel olarak). Gelecekte yüksek güç ve yüksek verimlilik photoconductive Terahertz yayıcılar üzerinde önemli bir etkiye sahip, yüksek kaliteli kristal yarı iletken göre daha düşük taşıyıcı mobilite ve termal iletkenlikleri 31 var kısa taşıyıcı ömrü yarı iletkenler, kullanma ihtiyacı olacaktır ortadan kaldırmak. Ayrıca dayalı photoconductive Terahertz yayıcılar, yeni nesil yol açabilir fotoğraf emici benzersiz işlevleri (örneğin Grafen tabanlı photoconductive yayıcılar ile yarı iletkenler bu üstün taşıyıcı mobilite veya GaN tabanlı photoconductive verici yararüstün ısı iletkenliği gelen kadar da yarar).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgments

Yazarlar LT-GaAs yüzey sağlamak için Picometrix teşekkür ve minnetle Michigan Uzay Grant Konsorsiyumu, Dr John Albrecht (sözleşme # N66001-10-1-4027), NSF KARİYER tarafından yönetilen DARPA Genç Fakültesi Ödülü mali destek kabul olur Ödül Dr Samir El-Gazali (sözleşme # N00014-11-1-0096), Dr Paul Maki (sözleşme # N00014-12-1-0947) tarafından yönetilen ONR Genç Araştırmacı Ödülü, ve tarafından yönetilen ARO Genç Araştırmacı Ödülü tarafından yönetilen Dr Dev Palmer (sözleşme # 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

Fizik Sayı 77 Elektrik Mühendisliği Bilgisayar Bilimleri Malzeme Bilimi Elektronik ve Elektrik Mühendisliği Enstrümantasyon ve Fotoğraf Lazerler ve Mazerler Optik Katı Hal Fiziği Terahertz plasmonik Zaman Alan Spektroskopisi Foto iletken Verici elektronik
Plasmonik Foto iletken Terahertz Vericiler Tasarımı, İmalatı ve Deneysel Karakterizasyonu
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