Konstruktion, tillverkning, och experimentell karakterisering av Plasmoniska photoconductive terahertz sändare

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

Vi beskriver metoder för konstruktion, tillverkning och experimentell karakterisering av plasmoniska fotokonduktiva utsläppskällor, som erbjuder två tiopotenser högre nivåer terahertz effekt jämfört med konventionella fotokonduktiva utsläppskällor.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

I denna video artikeln presenterar vi en detaljerad demonstration av en mycket effektiv metod för att generera terahertz vågor. Vår teknik är baserad på fotoledningsrör, som har varit en av de mest använda teknikerna för terahertz generation 1-8. Terahertz generation i en fotokonduktivt emitter uppnås genom pumpning en ultrasnabb fotoledare med en pulsad eller överlagrade laserbelysning. Den inducerade fotoström, som följer höljet av pumpen laser, dirigeras till en terahertz strålande antenn ansluten till elektroderna fotokonduktorenheterna kontakt att generera terahertz strålning. Även kvantverkningsgraden av en fotokonduktiv sändare kan i teorin nå 100%, har de relativt långa transporter väglängd på foto-genererade dessa till testelektroderna av konventionella Fotoenheterna allvarligt begränsat deras kvanteffektivitet. Dessutom transportören screening effekt och termisk nedbrytning begränsar strikt maximal effekt porn av konventionella fotokonduktiva terahertz källor. För att hantera de kvantverkningsgrad begränsningarna hos konventionella fotokonduktiva terahertz utsläppskällor, har vi utvecklat ett nytt fotokonduktivt emitter koncept som innefattar en plasmoniska konfiguration kontaktelektrod att erbjuda hög kvant-effektivitet och ultrasnabb drift samtidigt. Genom att använda nanonivå plasmoniska kontaktelektroder, minskar vi avsevärt genomsnittliga foto-genererade väg carrier transport till elektroder fotokonduktorenheterna kontakt jämfört med konventionella fotoenheterna 9. Vår metod kan man öka fotoledaren aktivt område utan en avsevärd ökning av den kapacitiva belastningen till antennen, öka den maximala effekten terahertz strålning genom att förhindra effekten transportören screening och termisk nedbrytning vid höga optiska pumpeffekter. Genom att införliva plasmoniska kontaktelektroder visar vi förbättra optisk till terahertz effektivitet effektomvandling av en konventionell fotoledande terahertz emitter med en faktor av 50 10.

Introduction

Vi presenterar en ny fotokonduktivt terahertz emitter som använder en plasmoniska konfiguration kontaktelektrod att förbättra optisk till terahertz verkningsgraden med två storleksordningar. Vår teknik tar upp de viktigaste begränsningarna hos konventionella fotokonduktiva terahertz utsläppskällor, nämligen låg uteffekt och dålig effektivitet, som härstammar från den inneboende kompromiss mellan hög DQE och ultrasnabb drift av konventionella fotoenheter.

En av de viktigaste nyheterna i vår design som ledde till detta hoppa prestandaförbättring är att utforma en konfiguration kontakt elektrod som ackumulerar ett stort antal foto-genererade bärare i nära anslutning till testelektroderna, så att de kan hämtas inom en sub- pikosekund tidsskala. Med andra ord är kompromissen mellan fotoledaren ultrasnabb drift och hög kvanteffektivitet mildras genom rumslig manipulering av foto-släktenated bärare. Plasmoniska kontaktelektroder erbjuda denna unika förmåga genom (1) att låta lätt förlossning i nanoskala enheter aktiva områden mellan plasmoniska elektroderna (utöver diffraktionsgränsen), (2) extra ljus förbättring på metall-kontakt och foto-absorberande halvledare gränssnittet 10, 11. En annan viktig egenskap hos vår lösning är att den rymmer stora fotokonduktorenheterna aktiva områden utan en avsevärd ökning av parasitära belastning till terahertz strålande antenn. Använda stora fotokonduktorenheterna aktiva områden möjliggör lindring transportören screening och termisk nedbrytning, som är de ultimata begränsningar för den maximala strålningseffekten från konventionella fotokonduktiva utsläppsländerna. Denna video artikeln är koncentrerad på de unika attribut av våra presenterade lösningen genom att beskriva de styrande fysik, numerisk modellering och experimentell verifiering. Vi visar experimentellt 50 gånger högre terahertz befogenheter från en plasmoniska Photoconductive emitter i jämförelse med en liknande fotoledande emitter med icke-plasmoniska kontaktelektroderna.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Ett. Plasmoniska Fotokonduktiv Emitter Fabrication

  1. Fabricera plasmoniska gitter.
    1. Rengör halvledarskivan genom nedsänkning i aceton (2 min) följt av isopropanol (2 min), och sköljning med avjoniserat vatten (10 sek).
    2. Torka provet med kväve och värm på en värmeplatta vid 115 ° C under 90 sekunder för avlägsnande av eventuellt kvarvarande vatten.
    3. Spin MICROCHEM 950K PMMA A4 på provet vid 4000 rpm i 45 sek. Förgrädda resist på en värmeplatta vid 180 ° C under 3 min.
    4. Ladda upp provet i en elektronstråle litografi verktyg (JEOL JBX-6300-FS). Exponera plasmoniska gitter mönster på en bas dos runt 650 pC / cm 2, med hjälp av en 100 kV acceleration.
    5. Utveckla PMMA genom nedsänkning av provet i en MIBK: IPA 01:03 blandning under 90 sekunder. Överför omedelbart provet till en lösning av ren isopropanol under 60 sek.
    6. Skölj provet med avjoniserat vatten i 10 sekunder och sedan torka provet med kväve.
    7. Ladda upp provet i en plasma strippa (JA-CV200RFS). Descum provet med användning av 30 W RF-effekt vid 30 ° C med en 100 sccm O 2 flödeshastighet för 10 sek.
    8. Ta ytoxid genom nedsänkning i en HCl: H 2 0 03:10 blandning under 30 sekunder. Överför omedelbart provet till en kaskad sköljning med avjoniserat vatten under 4 min.
    9. Överför provet till en bägare med avjoniserat vatten för att minimera exponeringen för atmosfäriskt syre före metallavsättning.
    10. Ta bägare innehållande provet i avjoniserat vatten till en metall förångaren (Denton SJ-20). Lufta kammaren och sedan ta bort, torka, och ladda provet i kammaren (dessa steg bör följas utan avbrott för att förhindra bildning ytoxid på provet).
    11. Pumpa kammaren till ett tryck under 2x10 -6 Torr. Deposition Ti / Au (50/450 A).
    12. Lufta kammaren och ta provet.
    13. För att lättning den avsatta metallen, placera provet på en Teflon hållare i ettbägare av aceton, täcka, och lämna över natten. Avslöja bägaren, placera den i ett ultraljud agitator, och vänta tills alla oönskade metall avlägsnas (typiskt 30 sek).
  2. Deposition SiO 2 passivering.
    1. Rengör provet som i steg 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Ladda provet i en plasma-kemisk ångavsättning verktyg (GSI PECVD). Deposition 1500 Å av SiO 2 vid 200 ° C.
  3. Öppen kontakt vias genom SiO 2.
    1. Rengör provet som i steg 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Snurra på HMDS vid 4000 rpm i 30 sek. Snurra på Megaposit SPR 220-3,0 fotoresist vid 4000 rpm i 30 sek. Förgrädda resist på en värmeplatta vid 115 ° C under 90 sek.
    3. Ladda provet och masken plattan i projektion litografi stepper (GCA AutoStep 200). Rikta provet och exponera.
    4. Post-baka den exponerade fotoresist på en värmeplatta vid 115 ° C under 90 sek.
    5. Utveckla motstå i AZ 300 MIF utvecklare för 60 sek.
    6. Flytta omedelbart provet till en kaskad sköljning med avjoniserat vatten under 4 min. Torka provet med kväve.
    7. Ladda provet till en reaktiv jon etsningsanordning (LAM 9400). Etsa SiO 2 med en TCP RF-effekt på 500 W, en Bias RF-effekt på 100 W, 15 sccm av SF6-, 50 scm C 4 F 8, 50 scm han, 50 scm Ar under 80 sek.
    8. Ta bort den största delen av fotoresisten genom att placera provet i aceton (5 min) följt av isopropanol (2 min). Skölj i avjoniserat vatten (10 sek). Torka med kväve.
    9. Avlägsna kvarvarande fotoresist genom laddning av provet i en plasma stripper (JA-CV200RFS). Ta bort fotoresist med 800 W RF-effekt vid 30 ° C med en 100 sccm O 2 flöde under 5 min.
  4. Tillverka antenner och linjer partiskhet.
    1. Upprepa steg 1.3.1 - 1.3.6 till mönster antenner och linjer partiskhet.
    2. Upprepa steg 1.1.8 - 1.1.9 för att ta bort ytan oxid.
    3. Ta bägaren innehållande provet ochavjoniserat vatten till en metall förångaren (Denton SJ-20).
    4. Lufta kammaren och sedan snabbt bort, torka, och ladda provet i kammaren.
    5. Pumpa kammaren till ett tryck under 2x10 -6 Torr. Deposition Ti / Au (10/4, 000 Å).
    6. Lufta kammaren och ta provet.
    7. Upprepa steg 1.1.13 till lättning den avsatta metallen.
  5. Paketera provet.
    1. Limma kanterna på en 12 mm diameter hyper-halvsfärisk kisel linsen till en 2 tums aluminium bricka med 8 mm hål.
    2. Limma en PCB styrelsen med metall spår, som man lätt kan löda, till aluminium bricka.
    3. Montera de fabricerade plasmoniska fotokonduktiva prototyper terahertz emitter på kisel objektivet med tunn epoxy.
    4. Wire bond enheten kontaktplattorna till en PCB ombord limmad på samma aluminium bricka.
    5. Löda kablar till metallen spår på PCB-kortet.
    6. Anslut elektroderna enhetens kontakt till en parametrisk analysator (Hewlett Packard 4155A) använda sladdar fastlödda till motsvarande dynorna enligt PCB styrelsen för testning.

2. Plasmoniska Fotokonduktiv Emitter Karakterisering

  1. Device anpassning.
    1. Placera aluminium bricka bär plasmoniska fotokonduktiva prototyper terahertz emitter på en rotation fäste och tätt fokusera optiska pumpen från en Ti: Sapphire modlåsta laser (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) på den aktiva delen av varje enhet.
    2. Justera rotation fästanordningen så att det elektriska fältet hos den optiska pumpen är orienterad för effektiv excitation av ytplasmon vågor (vinkelrätt mot plasmoniska gitter).
    3. Använd den parametriska analysator för att samtidigt anbringa förspänningar till varje anordning och mäta den inducerade elektriska strömmen i varje anordning. Bekräfta den optimala optiska pump inriktning och polarisering justering genom att maximera fotoström på varje enhet under test.
  2. Uteffekt MEAurement.
    1. Använd en optisk chopper (Thorlabs MC2000) att modulera optiska pumpen från läget låst-pumplaser incident på varje enhet.
    2. Mät uteffekt plasmoniska fotokonduktiva prototyper terahertz emitter med en pyroelektrisk detektor (Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz).
    3. Anslut utgången av den pyroelektriska detektorn till en lock-in-förstärkare (Stanford Research Systems SR830) med den optiska chopper hänvisning frekvens att återhämta terahertz effektdata vid låga ljudnivåer.
  3. Strålning spektrala karakterisering.
    1. Börja med en Ti: Sapphire modlåst laser och använda en stråldelare för att dela utsignalen från modlåst laser in i en pump balk och en sondstråle.
    2. Använd en elektrooptisk modulator (Thorlabs EO-AM-NR-C2) för att modulera den optiska strålen i pumpen vägen. Fokus pumpen strålen på den aktiva delen av den fotoledande emittern under test för att generera terahertz strålning.
    3. Kollimeraden genererade terahertz strålen med en första polyeten sfärisk lins. Fokusera koUimerade terahertz strålen med hjälp av en andra polyeten sfärisk lins.
    4. Innan fokus för terahertz strålen, kombinera den kollimerade terahertz strålen med sonden optiska strålen med hjälp av en ITO-belagt glas filter.
    5. Placera en 1 mm tjock, <110> ZnTe i förhållande kristall monterad på en rotation scenen på den kombinerade fokus optiska och terahertz stråle.
    6. Sätt i en styrbar optisk fördröjningsledning i den optiska sonden bana genom att använda en motoriserad linjärt steg (Thorlabs NRT100) för att variera tidsfördröjningen mellan de optiska och terahertz pulser interagerar inuti ZnTe i förhållande kristallen.
    7. Använda en halv-retardationsskiva i sonden vägen, vrider polarisationen hos den optiska proben vara i 45 ° vinkel i förhållande till terahertz polarisering riktning.
    8. Använd en kvarts retardationsskiva efter ZnTe i förhållande kristallen, omvandla den optiska strålen polariseringen i cirkulär polarisering.
    9. Dela upp circularly polariserad optisk stråle i två grenar med en Wollaston prisma. Mät den optiska strålen makten i varje gren med två balanserade detektorer anslutna till en lock-in-förstärkare.
    10. Anslut den motoriserade förseningen linjen och synkroniseringsförstärkare till en dator. Skriv en Matlab skript för att iterativt förflytta positionen för motordrivna förseningen linjen, pausa, och läs signalstorleken från synkroniseringsförstärkare.
    11. Konvertera stadietillhörighet till tidsdomänen, genom att dividera den totala optiska fördröjningen längd med ljusets hastighet, följt av en diskret Fouriertransform (med Matlab) för att erhålla data frekvensdomänen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att visa potentialen i plasmoniska elektroder för terahertz makten förbättring, fabricerade vi två terahertz sändare: en konventionell (Figur 1a) och plasmoniska (Figur 1b) fotokonduktivt emitter innehåller plasmoniska kontaktelektroder att minska gånger carrier transport att kontakta elektroderna. Båda utförandena består av en ultrasnabb fotoledare med 20 | im gap mellan anod och katod kontakter, kopplad till en 60 ^ m lång bowtie antenn med maximala och minimala bredderna 100 pm och 30 pm, respektive, tillverkade på samma LT-GaAs-substrat. Den plasmoniska fotokonduktiva emitter inkorporerar två nanoskala plasmoniska kontakt gitter i den ingående porten på bowtie antennen. Utformningen strategin för optimal plasmoniska kontaktelektrod konfiguration är att maximera den optiska pumpen transmissionen i foto-absorberande substrat och samtidigt minimera avståndet mellan plasmoniska elektroder för att minimera den genomsnittliga photo-genererade transportör längd transportväg till testelektroderna. Vi använder en multi-fysik finita element lösare (COMSOL) för att uppskatta ett svar från de fotoenheterna med designade plasmoniska kontaktelektroderna till en incident optisk pump. För detta ändamål är den fotogenererade bärardensiteten härlett från den beräknade optiska intensiteten i den bild-absorberande substrat och kombineras med förspännings elektriska fältdata i den klassiska avdrift-diffusion modell för att beräkna den inducerade fotoström 9. Metaller med starka plasmoniska egenskaper vid pumpen optiska våglängden är föredragna, eftersom de möjliggör tät inneslutning av den optiska pumpen på metall-gränsytan och därmed erbjuda korta foto-genererade bärare längder transportbana till kontaktpunkterna elektroderna. För proof-of-concept plasmoniska fotokonduktivt emitter, utformade vi ett plasmoniska gitter med 100 nm Au bredd, 100 nm avstånd, och 50 nm höjd, vilket möjliggör överföring av mer än 70% av en 800 nm optisk pump genom nanoskala galler i foto-absorberande substrat 11, 12. Händelsen optiska pump från en Ti: safir laser med en central våglängd av 800 nm, 76 MHz repetitionsfrekvens, och 200 fsec pulsbredd var väl fokuserad på varje tillverkad enhet (Figur 2a) och placerad nära anodkontakten elektroden för att maximera utstrålade ström 13-15. För att maximera utstrålad effekt för det konventionella fotoledande emitter, var det optiska elektriska fältet orienterat att spänna över gapet mellan anoden och katodelektroder kontaktlinser. För plasmoniska fotoledande emitter, var det elektriska fältet orienterade vinkelrätt mot de metallgaller. Den genererade terahertz effekt från varje fotokonduktiva emitter mättes med användning av en pyroelektrisk detektor. Figur 2b visar den uppmätta terahertz strålningen från de plasmoniska och konventionella terahertz emittrar, elektriskt förspända vid 40 V, under olika optiska pumpeffekter. Med inbör kurvan visar motsvarande fotoström. En strålning makt förstärkning på mer än 33 observerades från plasmoniska fotokonduktiva emitter in 0 - 25 mW optisk pump effektområdet. Denna betydande strålningseffekt förbättring beror på de högre nivåerna fotoström som genereras vid användning av plasmoniska kontaktelektroder. Fig. 2c visar den uppmätta terahertz strålning kontra insamlade fotoström för plasmoniska och konventionella terahertz emittrar. De data som representeras i diagrammet innehåller olika förspänningar (10-40 V) under olika optiska pumpeffekter (5-25 MW). De datapunkter är alla kurva-monterad på samma linje med en lutning på 2, vilket bekräftar den kvadratiska beroendet av strålningen makten på den inducerade fotoström och det faktum att alla andra driftsförhållanden (inklusive antenn specifikationer) är densamma för konventionella och plasmoniska fotokonduktiva emitter prototyper. Figur 2d visar terahertz power ljudtillbement faktor definieras som kvoten av den terahertz avgiven effekt för den plasmoniska terahertz emittern till den konventionella terahertz emittern. Vid låga optiska nivåer pumpeffekt och en förspänning på 30 V, uteffekt förbättring faktorer upp till 50 iakttas. Förstärkningen faktorn minskar något vid högre optiska nivåer pumpeffekt och högre spänningar partiskhet. Detta kan förklaras av transportören screening effekt, vilket bör påverka plasmoniska fotoenheten mer än den konventionella fotoledaren, eftersom det genererar mer fotoström och separera ett större antal elektron-hål-par. Slutligen, den maximala terahertz effekt mätt från plasmoniska och konventionella terahertz utsläppskällor inom en 100 mW optisk pump (figur 2e). Förspänningen hos varje anordning ökas tills den punkt av anordning misslyckande. Vid maximal producerade plasmoniska fotoledande emittern en genomsnittlig effekt av 250 pW, jämfört med 12 pW för den konventionella fotoledande emitter10.

Figur 1
Figur 1. Skiss och drift begreppet fotokonduktiva terahertz utsläppskällor. (A) En konventionell fotokonduktivt terahertz emitter. (B) En plasmoniska fotokonduktivt terahertz emitter innehåller plasmoniska kontaktelektroder. Klicka här för att visa en större bild .

Figur 2
Figur 2. Jämförelse mellan konventionella och plasmoniska fotokonduktiva terahertz sändare 10. (A) Bearbetade anordningsbilderna. (B) Uppmätt terahertz strålning från plasmoniska och konventionella terahertz utsläppsländerna, elektriskt förspända vid 40 V, under olika optiska pumpeffekter. Den infällda kurvan visar corresponding fotoström. (c) Uppmätt terahertz strålning kontra insamlade fotoström för plasmoniska och konventionell terahertz utsläppsländerna. De data som representeras i diagrammet inkluderar olika förspänningar (10-40 V) under olika optiska pumpeffekter (5-25 mW). (D) relativ terahertz power förbättring definieras som förhållandet av terahertz avgiven effekt för den plasmoniska terahertz emittern till den konventionella terahertz emitter. (e) Maximal terahertz effekt mätt från plasmoniska och konventionella terahertz utsläppskällor inom en 100 mW optisk pump. Förspänningen hos varje anordning ökas tills den punkt av anordning misslyckande. Vid maximal producerade plasmoniska fotokonduktivt emitter en medeleffekt av 250 pW, jämfört med 12 pW av den konventionella fotoledande emitter. Klicka här för att visa en större bild .

Figur 3. . Spektrala egenskaper hos den plasmoniska fotokonduktiva emitter strålning 10 Strålning spektrum mäts som svar på en 200 fsec optisk puls från modlåsta Ti: safir laser med 800 nm centrala våglängden och 76 MHz repetitionsfrekvens i en tidsdomän terahertz spektroskopi setup med elektro-optisk detektering. (a) Strålningseffekten i tidsdomänen. (b) Strålningseffekten i frekvensdomänen. De observerade strålning toppar kring 0,35 THz och 0,55 THz är förknippade med de resonanstoppar av sysselsatta bowtie antenn, och strålningen topp runt 0,1 THz är associerad med resonanstoppen av dipolantennen bildas av förspänningen bowtie antenn linjer. klicka här för att visa en större bild .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denna video artikeln presenterar vi en ny fotokonduktivt teknik terahertz generation som använder en plasmoniska konfiguration kontaktelektrod att förbättra optisk till terahertz verkningsgraden med två storleksordningar. Den betydande ökningen av terahertz strålning makten från de presenterade plasmoniska fotokonduktiva utsläppskällor är mycket värdefullt för framtida högkänslig terahertz bildbehandling, spektroskopi och spektrometri system som används för avancerad kemisk identifiering, medicinsk bildbehandling, biologiska avkänning, astronomi, atmosfäriska avkänning, säkerhetskontroll, och materialkarakterisering.

Fokus i denna video artikeln har varit att påvisa effekten av plasmoniska elektroder för att stärka den inducerade fotoström i ultrasnabba Fotoenheterna och utstrålade terahertz kraften från fotokonduktiva terahertz utsläppsländerna. Således kan valet av den fotoledande emitter arkitektur, terahertz strålande antenn, och partiskhet foderi vår demonstration har varit godtycklig, samt förstärkande konceptet kan på liknande sätt tillämpas för att öka strålningseffekten från fotokonduktiva terahertz emittrar med en variation av terahertz antenner med och utan interdigiterade kontaktelektroder samt stora ytor fotokonduktiva utsläppskällor terahertz i både pulsad och kontinuerlig -våg drift. I detta avseende kan uteffekten av vår prototyp enheter förbättras ytterligare genom användning av resonans hålrum 3, 16, stor krets aktiva områden 17-22, och antenner med högre strålning motstånd och bandbredd 23, 24. Dessutom kan den beskrivna kvantverkningsgraden förbättring mekanism plasmoniska fotoledare användas för att öka den responsivitet och detekteringskänsligheten fotokonduktiva terahertz detektorer, liksom 25-27.

Det bör noteras att det mest kritiska steget för att genomföra högpresterande plasmoniska emittrar fotokonduktiva terahertz är patTerning plasmoniska kontaktelektroderna. Å ena sidan, högre optisk pump absorption och därmed högre optisk till terahertz omvandlingsverkningsgrader kan uppnås genom användning av högre aspekt-förhållande elektroder plasmoniska kontaktlinser. Å andra sidan, är att lyfta bort tjocka metalliska egenskaper med nanonivå funktionen storlekar utmanande eftersom det kräver tjockt resistskikt, och därför är den högsta proportionerna av plasmoniska kontaktelektroder begränsad till upplösningen av befintliga elektronstrålebehandlade litografi verktyg.

Vi tror att vårt arbete kommer att utvecklas inom den närmaste framtiden för att driva optisk till terahertz verkningsgrad plasmoniska fotokonduktiva sändare med mer än tre storleksordningar. I detta avseende, tillåter användning av höga plasmoniska sidoförhållande kontaktelektroder inbäddade inuti foto-absorberande halvledare 28-30 ultrasnabb transport av majoriteten av fotobärare till elektroderna fotokonduktorenheterna kontaktlinser och deras effektiva contribmepannor till terahertz generation. Användning av höga plasmoniska sidoförhållande kontaktelektroder inbäddade inuti foto-absorberande halvledare också eliminerar behovet av att använda korta halvledare bärarlivslängd, som används för att undertrycka DC-strömmen av fotokonduktiva emittrar (i allmänhet) och för att förhindra oönskade destruktiva interferenser i kontinuerlig- våg fotokonduktiva sändare (i specifik). Eliminerar behovet av att använda korta halvledare bärarlivslängd, som har lägre bärare mobilitet och värmeledningsförmågor 31 jämfört med högkvalitativa kristallina halvledare, skulle ha en stor inverkan på framtida hög effekt och hög verkningsgrad fotokonduktiva utsläppsländerna terahertz. Det skulle också kunna leda till en ny generation av fotokonduktiva terahertz sändare bygger på foto-absorberande halvledare med unika funktioner (t.ex. Grafen-baserade fotokonduktiva utsläppskällor som gynnas överlägsna bärare mobilitet eller GaN-baserade fotokonduktivt emitters som drar nytta av överlägsen värmeledningsförmåga).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

Författarna vill tacka Picometrix för tillhandahållande av LT-GaAs-substrat och tacksamt erkänna det ekonomiska stödet från Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award förvaltas av Dr John Albrecht (kontrakt # N66001-10-1-4027), NSF KARRIÄR Award förvaltas av Dr Samir El-Ghazaly (kontrakt # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award förvaltas av Dr Paul Maki (kontrakt # N00014-12-1-0947), och ARO Young Investigator Award förvaltas av 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics