电浆光电导太赫兹发射器的设计,制造和实验表征

Engineering

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Summary

我们描述电浆光电发射器,它提供了两个数量级更高的太赫兹功率水平相比传统的光电发射器的设计,制造,实验表征方法。

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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).

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Abstract

在这个视频文章中,我们提出了一个详细的演示了一种高效的方法产生太赫兹波。我们的技术的基础上,这一直是光电导开关产生太赫兹波1-8的最常用的技术之一。开关产生太赫兹波的光导发射器是通过用脉冲或外差激光照明抽超快光电导体。引起的光电流,如下泵浦激光器的包络线,被路由到连接到光电导体的接触电极,以产生太赫兹辐射的太赫兹辐射天线。的光导发射器的量子效率虽然理论上可以达到100%时,相对长的光生载流子的输送路径的长度,以传统的感光鼓接触的电极的严重限制了它们的量子效率。此外,严格限制的载流子屏蔽效应和热击穿的最大输出P奥尔传统的光电导太赫兹光源。为了解决传统的光导太赫兹发射器的量子效率的限制,我们已经开发出一种新的光电发射器的概念,它采用了等离子体接触电极配置,同时提供高量子效率和超快操作。通过使用纳米尺度的表面等离子体激元的接触电极,显着地降低平均光生载流子传输路径与感光鼓接触的电极相比,传统的感光鼓9。我们的方法也可以增加感光面积不大量增加的容性负载天线活跃,拉动了最大的太赫兹辐射的功率防止高光泵权力载体筛选效应和热击穿。通过将等离子体接触电极,我们证明提高光 - 太赫兹的电源转换效率的传统的光电TErahertz发射器50 10的一个因素。

Introduction

我们提出了一个新颖的光电导太赫兹采用了表面等离子体激元的接触电极配置的发射器,其由两个数量级,以提高转换效率的光 - 太赫兹。我们的技术解决了最重要的局限性,传统的光导太赫兹发射器,即输出功率和低功率效率不佳,这源于固有的高量子效率和超快操作常规感光鼓之间的权衡。

在我们的设计中,导致此越级性能改进的关键新奇设计的接触电极配置,积累了大量的光生载流子在靠近接触电极,使得它们可以被收集于一个子皮秒时间尺度。换句话说,感光鼓的超快的操作和高的量子效率之间的权衡是缓解了空间操纵光属TED运营。电浆接触电极提供这种独特的能力(1)允许光限制到电浆电极(超越衍射极限),(2)非寻常光增强在金属接触和光吸收半导体界面10,11纳米器件之间的活跃的地区。我们的解决方案的另一个重要属性是它可容纳大感光活跃的领域太赫兹辐射天线寄生负载不大量增加。利用大的感光体有源区启用减轻载流子屏蔽效应和热击穿,这是最终从传统的光导发射器的最大发射功率的限制。此视频文章都集中在我们提出的解决方案的独特属性描述理事物理,数值模拟和实验验证。我们的实验证明高出50倍太赫兹权力从电浆辐透在一个类似的比较,与非等离激元的接触电极的光导发射器的发射极oconductive。

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Protocol

1。电浆光电发射器制造

  1. 制造电浆光栅。
    1. 清洁半导体晶片浸渍在丙酮中(2分钟),然后用异丙醇(2分钟),并用去离子水漂洗(10秒)。
    2. 用氮气干燥样品,在加热板上加热在115℃下进行90秒,以去除任何剩余的水。
    3. 自旋950K PMMA微化A4在样品上,在4,000 rpm的转速下持续45秒。预烘3分钟,在180℃的加热板上对抗蚀剂。
    4. 将样品放入电子束光刻工具(JEOL JBX-6300-FS)。等离子体光栅图案暴露在基地周围剂量650μC/厘米2,采用100千伏的加速电压。
    5. 开发PMMA将样品浸在MIBK:IPA 1:3的混合物,持续90秒。立即将样品纯异丙醇中的溶液中,持续60秒。
    6. 用去离子水冲洗样品,持续10秒,然后用氮气干燥样品。
    7. 将样品成等离子剥离(YES-CV200RFS)。 Descum样品使用30瓦的射频功率在30°C的100 SCCM O 2流量为10秒。
    8. 通过浸渍在盐酸去除表面的氧化物:H 2 O,持续30秒的3:10混合物。立即将样品转移到一个级联的去离子水冲洗干净,持续4分钟。
    9. 将样品转移到烧杯中的去离子水,以尽量减少金属沉积前暴露于大气中的氧气。
    10. 含有样品在去离子水中的金属蒸发器(Denton的SJ-20)的烧杯中。发泄室,然后取出,晾干,然后装入样品室(这些步骤应遵循不中断,以防止样品的表面氧化形成)。
    11. 泵腔压力低于2×10 -6托。存款钛/金(50/450)。
    12. 发泄室,取出样品。
    13. 为了解除熔敷金属,将样品放在聚四氟乙烯持有人在丙酮的烧杯中,盖上,并留下过夜。揭开烧杯中,放置在超声波搅拌器,并等待,直到去除所有有害金属(通常为30秒)。
  2. 存款的SiO 2钝化。
    1. 步骤1.1.1 - 1.1.2清洁样品。
    2. 装入样品的等离子增强化学气相沉积工具(GSI PECVD法)。存款1500的SiO 2在200℃下
  3. 通过SIO 2,打开接触孔。
    1. 步骤1.1.1 - 1.1.2清洁样品。
    2. 自旋HMDS在4000转,持续30秒。旋转在Megaposit SPR 220-3.0光刻胶,在4,000转每分钟为30秒。预烘焙的抗蚀剂在加热板上,在115℃下持续90秒。
    3. 装入样品和掩膜板到步进投影光刻(GCA自动步进200)。对准样品和揭露。
    4. 烘烤后曝光的光致抗蚀剂在加热板上,在115℃下持续90秒。
    5. 6,开发抵御AZ 300 MIF开发0秒。
    6. 立即将样品级联4分钟,用去离子水冲洗。用氮气干燥样品。
    7. 将样品放入反应离子刻蚀机(林9400)。使用TCP RF功率为500 W的蚀刻的SiO 2,偏置为100 W的RF功率,以15sccm的SF6气体,50sccm的C 4 F 8,他为50sccm,50sccm的氩气,持续80秒。
    8. 通过将样品在丙酮(5分钟),然后用异丙醇(2分钟),除去大部分的光致抗蚀剂。在去离子水中冲洗(10秒)。干燥氮气。
    9. 去除残留的光刻胶装载样品在等离子体汽提塔(YES-CV200RFS)。取下光致抗蚀剂,使用800瓦的射频功率在30°C的100 SCCM O 2流量为5分钟。
  4. 编造天线和偏置线。
    1. 重复步骤1.3.1 - 1.3.6模式天线和斜交线。
    2. 重复步骤1.1.8 - 1.1.9,以去除表面氧化。
    3. 含有样品的烧杯中,并的金属蒸发器(Denton的SJ-20)的去离子水。
    4. 发泄室,然后迅速取出,晾干,装入样品室。
    5. 泵腔压力低于2×10 -6托。存款钛/金(10/4,000)。
    6. 发泄室,取出样品。
    7. 重复步骤1.1.13升空熔敷金属。
  5. 包装样品。
    1. 胶直径为12mm的超半球状的硅镜头一个2英寸的铝垫圈与8毫米的孔的边缘。
    2. 胶的PCB板与金属痕迹,人们可以很容易焊料,铝垫圈。
    3. 安装制造电浆光导太赫兹发射器使用环氧树脂薄的硅透镜的原型。
    4. 焊线设备接触片相同的铝垫圈粘在一块PCB板上。
    5. 电线焊接在PCB板上的金属的痕迹。
    6. 连接设备接触片的参数分析仪(惠普装ARD 4155A)线焊接到相应的垫的PCB板,用于测试目的。

2。电浆光电发射特性

  1. 设备对齐。
    1. 将铝垫圈旋转支架上携带电浆光导太赫兹发射器原型,并紧紧围绕光泵钛:蓝宝石锁模激光器(MIRA 900D V10 XW OPT 110V)每个设备上的活动区域。
    2. 调整旋转装载的光泵,电场的方向有效地激发表面等离子体激元波(正常的电浆光栅)。
    3. 使用参数分析仪同时应用到每个设备的偏置电压,并测量在每个设备中的感应电流。下测试每个设备的最大的光电流,确定最佳的光泵浦取向和极化调整。
  2. 输出功率尺寸给予的帮助。
    1. 调制从锁模泵激光入射在每个设备上的光泵,使用一个光学斩波器(Thorlabs公司的MC2000)。
    2. 测量电浆光导太赫兹发射器原型,采用热释电探测器(频谱检测器,SPI-A-65赫兹)的输出功率。
    3. 热释电探测器的输出连接锁在光学斩波器的参考频率数据恢复太赫兹功率低噪音放大器(斯坦福研究系统SR830)。
  3. 辐射光谱表征。
    1. 开始的Ti:蓝宝石锁模激光器,并使用分束器分裂成一个泵浦光束和探测光束的锁模激光输出。
    2. 使用的电光调制器(Thorlabs公司的EO-AM-NR-C 2)调制的光束在泵的路径。泵浦光束聚焦到根据测试,以产生太赫兹辐射的光导发射器的有源区。
    3. 照准使用第一聚乙烯球面镜片产生太赫兹光束。使用第二聚乙烯球面镜片对焦准直太赫兹光束。
    4. 太赫兹光束的焦点之前,结合太赫兹光束的准直光束与探针使用的ITO镀膜玻璃过滤器。
    5. 将1毫米厚,<110>碲化锌晶体安装在上面的组合的光学和太赫兹光束的焦点的旋转阶段。
    6. 插入一个可控的光延迟线中的光学探针路径使用的机动线性阶段(Thorlabs公司NRT100)的不同内部750-850晶体相互作用的光学和太赫兹脉冲之间的时间延迟。
    7. 在探头内的路径中,使用一个半波片的光学探头,在一个45°角相对于太赫兹波的偏振方向的偏振方向旋转。
    8. 碲化锌晶体使用的四分之一波片后,光束偏振转换成圆偏振光。
    9. 分割circul的阿尔利沃拉斯顿棱镜偏振光束分成两个分支。测量在每个分支机构连接到锁相放大器使用两个平衡探测器的光束功率。
    10. 电动延迟线连接到计算机和锁定放大器。写一个Matlab脚本电动延迟线,暂停的位置来回移动,读锁放大器信号幅度。
    11. 台位置转换到时域中,通过将总的光由光的速度的延迟的长度,其次是一个不显眼的傅立叶变换(使用Matlab)取得的频域数据。

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Representative Results

为了证明电浆电极太赫兹功率增强的潜力,我们两个太赫兹发射器:传统( 图1a)和电浆( 图1b)光电发射器将电浆降低载流子输运次接触电极的接触电极。这两种设计包括超快的感光鼓与20微米之间的间隙的阳极和阴极接触,与最大和最小宽度分别为100微米和30微米,60微米长的领结天线连接到相同的LT-GaAs衬底上制作的。电浆光电发射器集成了两个纳米电浆接触光栅成的蝶形天线的输入端口。最佳的等离激元的接触电极配置的设计策略是最大限度地提高光泵,同时最大限度地降低等离子体电极之间的间距,以尽量减少平均pH值传输到光吸收衬底耳产生的载流子传输路径长度的接触电极。我们使用了一个多物理场的有限元解算器(COMSOL)估计的响应与设计的等离激元,接触电极入射的光泵浦的感光鼓。为了这个目的,来自从计算出的光强度在光吸收衬底的光生载流子密度,并结合偏压电场在经典的漂移扩散模型的数据来计算引起的光电流9。上面的泵浦光波长具有较强的表面等离子体激元的属性的金属是优选的,因为它们使金属界面处的光泵浦禁锢,因此,提供潜在的光生载流子传输路径长度的接触电极。我们设计了一个概念证明型电浆光导发射器,等离子体光栅金宽100纳米,100纳米的间距,高度和50纳米,这使得70%以上的800纳米光PUM传送磷在进入光吸收基板11,12的纳米光栅。的Ti:蓝宝石激光器的中心波长为800nm,76 MHz的重复率,和200飞秒的脉冲宽度的入射光泵紧密地聚焦到每个器件( 图2a),并在阳极附近的接触电极的位置,最大限度地辐射功率13-15。为了最大限度地提高对于常规的光导发射器的辐射功率,光的电场导向横跨的接触电极的阳极和阴极之间的间隙。的电场的等离激元的光导发射器,定向为垂直于所述金属光栅。每个光导发射器所产生的太赫兹波的电源使用热释电探测器测量, 图2b示出从表面等离子体激元和常规的太赫兹发射器,电偏置为40 V时,各种光学泵浦功率下测量的太赫兹辐射。我n设定曲线显示了对应的光电流。在0 - 25兆瓦光泵的功率范围从电浆光导发射器的辐射功率提高超过33观察。这种显着的辐射功率的提高是由于较高的采用等离激元的接触电极时产生的光电流水平。 图2c显示了测量的太赫兹辐射的表面等离子体激元和常规的太赫兹发射器与收集到的光电流。中的情节为代表的数据包括各种偏置电压(10 - 40 V)根据各种光泵权力(5 - 25兆瓦)。数据点都是曲线配合到同一线路与斜率2个,确认引起的光电流和所有其他的操作条件(包括天线规格)的事实,对于传统的是相同的辐射功率的二次相关性,并电浆光导发射器原型。 图2D显示了太赫兹功率增强,的太赫兹波的由等离激元的太赫兹发射器的传统的太赫兹发射极的发射功率之比定义为键相因子。在低光泵浦功率电平的偏置电压为30 V,输出功率增强因子观察到第50。增强因子略有下降在较高的光泵浦功率水平和较高的偏置电压。由载流子屏蔽效应,这可以解释,应该影响超过传统的感光鼓的表面等离子体激元的感光鼓,因为它产生更多的光电流和较大数目的电子 - 空穴对分离。最后,最大的太赫兹功率测量下100毫瓦光泵( 图2e)从电浆与传统太赫兹发射器。对每个设备的偏置电压上升,直到点的移动设备出现故障。在最大值时,表面等离子体激元的光导发射器产生的平均功率为250μW,相比以往的光导发射器的12μW10。

图1
图1。示意图和光电导太赫兹发射器的经营理念(一)(二)传统的光导太赫兹发射器。的一电浆光导太赫兹发射器结合电浆接触电极。 点击这里查看大图

图2
图2。比较传统和电浆光导太赫兹发射器10(一)器件图像。(二)测量太赫兹辐射的电浆与传统太赫兹发射器,电偏置40 V时,根据各种光泵权力。中的插图的曲线显示了corresp的:光onding(c)实测太赫兹辐射与电浆与传统太赫兹发射器收集的光。代表的数据中的情节包括各种偏置电压(10 - 40 V)根据各种光泵权力(5 - 25毫瓦),(四)相对电浆太赫兹发射的太赫兹发射功率的比值定义为太赫兹功率增强传统太赫兹发射器(e)最高太赫兹下一座100兆瓦的光泵的电浆与传统太赫兹发射器功率测量。对每个设备的偏置电压上升,直到点的移动设备出现故障。最大电浆光电发射器产生的平均功率为250μW,相比传统的光电发射器12μW。 点击这里查看大图

图3。电浆光导发射器辐射10。辐射光谱的光谱特性在200飞秒光脉冲的锁模钛:蓝宝石激光中心波长800纳米和76 MHz重复率在太赫兹时域光谱设置与计量电光检测(一)在时域上的辐射功率,(二)在频域上的辐射功率。观测到的辐射峰值约0.35赫兹和0.55赫兹与就业的蝶形天线的共振峰,峰值约为0.1太赫兹辐射是与偶极子天线的共振峰所形成的蝶形天线偏置线点击这里查看大图

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Discussion

在这个视频文章中,我们提出了一种新型的光电导开关产生太赫兹波的技术,它使用一电浆接触电极配置,以提高光到太赫兹波的转换效率提高两个数量级。提出电浆光导发射的太赫兹辐射的功率显着增加,为未来的高灵​​敏度的太赫兹成像光谱仪和分析系统,用于先进的化学识别,医学成像,生物传感,天文学,大气遥感,安检,是非常有价值的材料特性。

这个视频文章中的焦点一直是示范等离激元的电极的影响,在提高在超快光电导体引起的光电流和太赫兹辐射的光电导太赫兹发射器电源。因此,光导发射器体系结构的选择,太赫兹辐射天线,偏置源在我们的示范是任意的,并且可以类似地应用于增强的概念,以提高从光电导太赫兹发射器的辐射功率太赫兹波的天线有和没有交指型接触电极,以及大面积的光电导太赫兹发射器与各种脉冲和连续 - 浪潮操作。在这方面,我们的原型装置的输出功率,可以进一步增强通过使用谐振腔3,16,大的器件有源区17-22,具有较高的抗辐射性和带宽的23,24和天线。此外,所描述的量子效率增强的机制,可用于在表面等离子体激元的感光鼓,以提高光电导太赫兹探测器的响应度和检测灵敏度,以及25日至27日

应该指出的是,用于实现高性能的等离激元的光电导太赫兹发射器的最关键的步骤是轻击球terning电浆接触电极。一方面,较高的光泵吸收,因此,较高的光 - 太赫兹波的转换效率,可以实现通过使用高纵横比的表面等离子体激元的接触电极。另一方面,剥离厚的金属具有纳米尺度的特征尺寸是具有挑战性的,因为它需要厚的抗蚀剂层,因此,现有的电子束光刻设备的分辨率是有限的纵横比最高的表面等离子体激元的接触电极。

我们相信,我们的工作将在不久的将来演变电浆光电发射器的推光 - 太赫兹转换效率超过三个量级。在这方面,使用高纵横比的表面等离子体激元的接触电极内的吸收光的半导体28-30嵌入到光电导体的接触电极,其有效的contrib允许超快光生的大多数运输ution开关产生太赫兹波。使用高纵横比的表面等离子体激元的结构,内部的接触电极的光吸收半导体也消除了需要使用,这是用于抑制光导发射器的直流电流(一般),用于防止不希望的破坏性干扰,在连续的载流子寿命短半导体波光电发射器(特定的)。载流子寿命短的半导体,具有较低的载流子迁移率和热导率31相比,高品质的结晶半导体使用,省去了未来高功率和高效率的光电导太赫兹发射器上有重要影响。这也可能导致吸收具有独特功能( 石墨烯基光电发射器的半导体光导太赫兹发射器的新一代基于照片受益于优越的载流子迁移率或GaN基光电发射器s表示,受益于优异的导热性)。

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

笔者想感谢Picometrix提供LT-GaAs衬底,并衷心感谢密歇根空间格兰特联盟的财政支持,DARPA的青年教师奖由约翰·阿尔布雷希特博士(合同编号N66001-10-1-4027),美国国家科学基金会职业管理管理萨米尔·El-Ghazaly的博士(合同编号N00014-11-1-0096),ONR青年研究者奖管理博士保罗希(合同编号N00014-12-1-0947),和ARO青年研究者奖管理奖开发帕尔默博士(合同#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

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