Ontwerp, fabricage en karakterisatie van Plasmonische Fotogeleidende Terahertz emitters

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

We beschrijven methoden voor het ontwerp, de fabricage en karakterisering van plasmonische fotogeleidende emitters, die twee ordes van grootte hoger terahertz vermogen in vergelijking met conventionele fotogeleidende emitters bieden.

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

In deze video artikel beschrijven we een gedetailleerde demonstratie van een zeer efficiënte methode voor het genereren van terahertz golven. De techniek is gebaseerd op photoconduction, dat is een van de meest gebruikte technieken voor terahertz generatie 1-8. Terahertz generatie in een fotogeleidend emitter wordt bereikt door het pompen van een ultrasnelle fotoconductor met een gepulste of heterodyned laser verlichting. De geïnduceerde fotostroom die de omhullende van de pomp laser volgt, wordt naar een terahertz stralende antenne die op de fotogeleider contact elektroden terahertz straling genereren. Hoewel de quantum efficiency van een fotogeleidend emitter kan theoretisch 100% te bereiken, hebben de relatief lange transport weglengte van foto-gegenereerde vervoerders om het contact elektrodes van conventionele fotogeleiders ernstig hun kwantumrendement beperkt. Daarnaast is de vervoerder screening effect en thermische afbraak strikt te beperken de maximale output power van conventionele fotogeleidende terahertz bronnen. Om de quantum efficiency beperkingen van conventionele fotogeleidende terahertz vervuilers aan te pakken, hebben we een nieuwe fotogeleidende emitter concept dat een plasmonische contact elektrode configuratie te hoog kwantum-efficiëntie en ultrasnelle werking tegelijkertijd bieden verwerkt ontwikkeld. Door het gebruik van nano-schaal plasmonische contactelektroden, we aanzienlijk de gemiddelde foto-generated carrier transport pad naar fotoconductor contactelektroden vergelijking met conventionele fotogeleiders 9 verminderen. Onze methode maakt het ook mogelijk het verhogen fotoconductor actieve gebied zonder een aanzienlijke verhoging van de capacitieve belasting aan de antenne, het stimuleren van de maximale terahertzstraling vermogen door te voorkomen dat de vervoerder screening effect en thermische afbraak bij hoge optische pomp bevoegdheden. Door de integratie van plasmonische contactelektroden, demonstreren we het verbeteren van de optische-to-terahertz kracht omzettingsrendement van een conventionele fotogeleidende terahertz emitter met een factor 50 10.

Introduction

We presenteren een nieuwe fotogeleidende terahertz emitter dat een plasmonische contact elektrode configuratie gebruikt om de optische-to-terahertz omzettingsrendement te verhogen door twee ordes van grootte. Onze techniek richt zich op de belangrijkste beperkingen van conventionele fotogeleidende terahertz vervuilers, namelijk lage uitgangsvermogen en een slechte energie-efficiëntie, die afkomstig zijn van de inherente afweging tussen hoge quantum efficiency en ultrasnelle werking van conventionele fotogeleiders.

Een van de belangrijkste nieuwigheden in ons ontwerp die tot deze haasje prestatieverbetering is een contactelektrode configuratie die een groot aantal foto-gegenereerde dragers in de nabijheid van de contactelektroden, accumuleert zodanig te ontwerpen dat ze kunnen worden verzameld in een sub- picoseconde tijdschaal. Met andere woorden, wordt de afweging tussen fotogeleider ultrasnelle werking en hoge kwantumefficiëntie afgezwakt door ruimtelijke manipulatie van de foto-generated dragers. Plasmonische contactelektroden bieden deze unieke mogelijkheid door (1) waardoor het licht opsluiting in nanoschaal apparaat actieve gebieden tussen de plasmonische elektroden (buiten diffractie limiet), (2) buitengewone lichte verbetering in de metaal contact en foto-absorberende halfgeleider-interface 10, 11. Een ander belangrijk kenmerk van onze oplossing is dat het herbergt grote fotoconductor actieve gebieden zonder een aanzienlijke verhoging van de parasitaire belasting aan de terahertz stralende antenne. Gebruik makend van grote fotoconductor actieve gebieden kunnen verzachten van de screening op dragerschap effect en thermische afbraak, waardoor de uiteindelijke beperkingen voor de maximale straling die gebruikmaken van traditionele fotogeleidende vervuilers zijn. Deze video artikel is geconcentreerd op de unieke eigenschappen van onze oplossing gepresenteerd door het beschrijven van de regerende fysica, numerieke modellering en experimentele verificatie. We experimenteel aan te tonen 50 maal hoger terahertz machten uit een plasmonische photoconductive emitter in vergelijking met een vergelijkbaar fotogeleidend emitter met niet-plasmon-contact elektroden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Plasmonische Fotogeleidende Emitter Fabrication

  1. Fabriceren plasmonische roosters.
    1. Reinig de halfgeleiderplak door onderdompeling in aceton (2 min), gevolgd door isopropanol (2 min), en spoelen met gedeïoniseerd water (10 sec).
    2. Droog het monster met stikstof en verwarmen op een verwarmingsplaat bij 115 ° C gedurende 90 seconden om het resterende water te verwijderen.
    3. Spin MicroChem 950K PMMA A4 op het monster bij 4000 rpm gedurende 45 sec. Pre-bak de resist op een verwarmingsplaat bij 180 ° C gedurende 3 minuten.
    4. Plaats het monster in een elektronenstraal lithografie gereedschap (JEOL JBX-6300-FS). Expose de plasmonische rooster patroon op een basis dosis rond 650 uC / cm 2, met behulp van een 100 kV acceleratie spanning.
    5. Ontwikkelen PMMA door onderdompeling van het monster in een MiBK: IPA 01:03 mengsel gedurende 90 sec. Onmiddellijk over het monster aan een oplossing van zuivere isopropanol gedurende 60 sec.
    6. Spoel het monster met gedemineraliseerd water gedurende 10 seconden en droog het monster met stikstof.
    7. Laad het monster in een plasma stripper (JA-CV200RFS). Descum het monster met 30 W RF-vermogen bij 30 ° C met een 100 SCCM O 2 debiet gedurende 10 sec.
    8. Verwijder oppervlak oxide door onderdompeling in een HCl: H 2 0 03:10 mengsel gedurende 30 sec. Onmiddellijk over het monster op een cascade spoeling van gedeïoniseerd water gedurende 4 minuten.
    9. Breng het monster in een bekerglas gedeïoniseerd water blootstelling aan luchtzuurstof voor metaalafzetting minimaliseren.
    10. Neem bekerglas met het monster in gedeïoniseerd water op een metalen verdamper (Denton SJ-20). Ontlucht de kamer en vervolgens te verwijderen, drogen en plaats het monster in de kamer (deze stappen moeten worden gevolgd zonder onderbreking aan de oppervlakte oxidevorming op het monster te voorkomen).
    11. Pomp de kamer tot een druk beneden 2x10 -6 Torr. Aanbetaling Ti / Au (50/450 Å).
    12. Ontlucht de kamer en verwijder het monster.
    13. Om loskomen het afgezette metaal, Plaats het monster op een Teflon houder in eenbeker van aceton, te dekken, en laat het een nacht. Ontdek het bekerglas, plaats het in een ultrasone agitator, en wachten totdat alle ongewenste metaal wordt verwijderd (meestal 30 seconden).
  2. Aanbetaling SiO 2 passiveren.
    1. Reinig de steekproef als in stap 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Laad het monster in een plasma-geassisteerde chemische damp depositie gereedschap (GSI PECVD). Borg 1500 Å SiO2 bij 200 ° C.
  3. Open aansluitverbindingen door SiO 2.
    1. Reinig de steekproef als in stap 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Spin op HMDS bij 4.000 tpm gedurende 30 sec. Spin op Megaposit SPR 220-3,0 fotolak bij 4.000 tpm gedurende 30 sec. Pre-bak de resist op een verwarmingsplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec.
    3. Laad het monster en masker plaat in projectie lithografie stepper (GCA autostep 200). Lijn de steekproef en bloot.
    4. Post-bak de blootgestelde fotoresist op een verwarmingsplaat bij 115 ° C gedurende 90 sec.
    5. Ontwikkelen weerstaan ​​AZ 300 MIF-ontwikkelaar voor 60 sec.
    6. Onmiddellijk naar het monster tot een cascade spoeling van gedemineraliseerd water gedurende 4 minuten. Droog het monster met stikstof.
    7. Laad het monster in een reactief ion etser (LAM 9400). Etch SiO 2 met behulp van een TCP RF-vermogen van 500 W, een Bias RF-vermogen van 100 W, 15 sccm SF6-, 50 sccm C 4 F 8, 50 sccm Hij, 50 sccm Ar voor 80 sec.
    8. Verwijder het grootste deel van de fotoresist door het plaatsen van het monster in aceton (5 min), gevolgd door isopropanol (2 min). Spoelen in gedemineraliseerd water (10 sec). Drogen met stikstof.
    9. Verwijder de resterende fotolak door het laden van het monster in een plasma stripper (JA-CV200RFS). Verwijder het fotoresist met 800 W RF-vermogen bij 30 ° C met 100 sccm O2 debiet gedurende 5 minuten.
  4. Fabriceren antennes en vooringenomenheid lijnen.
    1. Herhaal de stappen 1.3.1 - 1.3.6 tot patroon antennes en vooringenomenheid lijnen.
    2. Herhaal de stappen 1.1.8 - 1.1.9 aan de oppervlakte oxide te verwijderen.
    3. Neem het bekerglas met het monster engedeïoniseerd water op een metalen verdamper (Denton SJ-20).
    4. Ontlucht de kamer en dan snel te verwijderen, drogen en plaats het monster in de kamer.
    5. Pomp de kamer tot een druk beneden 2x10 -6 Torr. Aanbetaling Ti / Au (10/4, 000 Å).
    6. Ontlucht de kamer en verwijder het monster.
    7. Herhaal stap 1.1.13 tot lift-off het afgezette metaal.
  5. Verpak het monster.
    1. Lijm de randen van een 12 mm diameter hyper-hemisferische lens silicium een ​​2 inch aluminium ring met 8 mm gat.
    2. Lijm een ​​printplaat met metalen sporen, waaraan men gemakkelijk solderen, aan de aluminium ring.
    3. Monteer de gefabriceerde plasmonische fotogeleidende terahertz emitter prototypes op de silicium lens met behulp van dunne epoxy.
    4. Wire bond het apparaat contactvlakken een printplaat gelijmd op dezelfde aluminium ring.
    5. Solderen draden aan de metalen sporen op de printplaat.
    6. Sluit het apparaat contactvlakken een parametrische analyser (Hewlett Packard 4155A) met draden gesoldeerd aan de overeenkomstige elektroden van de printplaat voor testdoeleinden.

2. Plasmonische Fotogeleidende Emitter Karakterisering

  1. Uitlijning apparaat.
    1. Plaats de aluminium ring die de plasmonische fotogeleidende terahertz emitter prototypes op een rotatie-mount en strak richten de optische pomp uit een Ti: Sapphire mode-locked laser (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) op het actieve gebied van elk apparaat.
    2. Stel de rotatie constructie zo dat het elektrische veld van de optische pomp georiënteerd voor efficiënte excitatie van oppervlakplasmagolven (loodrecht op de plasmon roosters).
    3. Gebruik de parametrische analysator om gelijktijdig voorspanningen toepassing op elk apparaat en meten van de geïnduceerde elektrische stroom in elk apparaat. Bevestigen de optimale optische uitlijning pomp en polarisatie aanpassing door het maximaliseren van de fotostroom van elk apparaat te testen.
  2. Uitgangsvermogen MMOurement.
    1. Gebruik een optische chopper (Thorlabs MC2000) om de optische pomp moduleren van de mode-locked pomplaser incident op elk apparaat.
    2. Meet het uitgangsvermogen van de plasmonische fotogeleidende terahertz emitter prototypes met behulp van een pyro-elektrische detector (Spectrum Detector, Inc SPI-A-65 THz).
    3. Verbind de uitgang van de pyro-elektrische detector aan een lock-in versterker (Stanford Research Systems SR830) met de optische chopper's referentie-frequentie naar terahertz stroom gegevens te herstellen op een laag geluidsniveau.
  3. Straling spectrale karakterisering.
    1. Begin met een Ti: saffier mode-locked laser en gebruik een bundelsplitser met de uitgang van de mode-locked laser in een pompbundel en een testbundel splitsen.
    2. Gebruik een elektro-optische modulator (Thorlabs EO-AM-NR-C2) te moduleren de optische bundel in de pomp weg. Focus de pomp bundel op het actieve gebied van de foto-emitter te testen om terahertz straling genereren.
    3. Collimerende gegenereerde terahertz bundel met behulp van een eerste polyethyleen sferische lens. Focus de gecollimeerde terahertz bundel met behulp van een tweede polyethyleen sferische lens.
    4. Vóór de focus van de bundel terahertz, combineer de gecollimeerde bundel met de terahertz probe optische bundel met een ITO bekleed glas filter.
    5. Plaats een 1 mm dik, <110> ZnTe kristal gemonteerd op een rotatie podium op de gecombineerde focus van de optische en terahertz bundel.
    6. Plaats een regelbare optische vertraging lijn in de optische sonde pad met behulp van een gemotoriseerde lineaire fase (Thorlabs NRT100) om de vertraging tussen de optische en terahertz pulsen interactie binnen het ZnTe kristal variëren.
    7. Met een halve golfplaat in de probe pad roteren de polarisatie van de optische sonde om bij een 45 ° hoek ten opzichte van de terahertz polarisatierichting.
    8. Gebruik een kwart-golfplaat na de ZnTe kristal, zetten de optische bundel polarisatie in circulaire polarisatie.
    9. Splits de circularly gepolariseerde optische bundel in twee takken door een Wollaston prisma. Meet de optische bundel stroom in elke tak met twee gebalanceerde detectoren aangesloten op een lock-in versterker.
    10. Sluit de gemotoriseerde vertraging lijn en lock-in versterker naar een computer. Schrijf een Matlab script om iteratief te verplaatsen van de positie van de gemotoriseerde vertraging lijn, pauzeren, en lees het signaal magnitude van de lock-in versterker.
    11. Zet de etappe standpunt het tijddomein door het verdelen van de totale optische vertraging lengte van de lichtsnelheid, gevolgd door een discrete Fourier transformatie (Matlab) naar het frequentiedomein data verkrijgen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Om het potentieel van plasmonische elektroden voor terahertz macht verbetering laten zien, hebben we verzonnen twee terahertz stralers: een conventionele (figuur 1a) en plasmonische (figuur 1b) fotogeleidende zender opnemen plasmonic contactelektroden aan vervoerder het vervoer te verkorten om contact elektroden. Beide ontwerpen bestaan ​​van een ultrasnelle fotogeleider 20 urn tussen anode en kathode contacten, verbonden met een 60 urn lang bowtie antenne met maximale en minimale breedte van 100 urn en 30 urn respectievelijk gefabriceerd op dezelfde LT-GaAs substraat. De plasmonische fotogeleidende zender bevat twee nanoschaal plasmonische contact roosters in de ingangspoort van het bowtie antenne. Het ontwerp strategie voor de optimale plasmonische contact elektrode configuratie is het maximaliseren van de optische pomp versnellingsbak in de foto-absorberende substraat, terwijl het minimaliseren van de afstand tussen plasmonische elektroden op de gemiddelde ph minimaliserenoto-gegenereerde carrier transport weglengte om het contact elektroden. We gebruiken een multifysica eindige elementen programma (COMSOL) de reactie van de fotoconductors de ontworpen plasmonic contactelektroden een invallende optische pomp schatten. Daartoe wordt de foto-gegenereerde dragerdichtheid afgeleid uit de berekende optische intensiteit in de foto-draagvloer en gecombineerd met de tendens elektrische gegevensveld in de klassieke diffusie drift-model om de geïnduceerde fotostroom 9 berekenen. Metalen met sterke plasmonische eigenschappen bij de pomp optische golflengte de voorkeur, omdat deze een strakke opsluiting van de optische pomp met het metaal interface en dus bieden op korte foto-generated carrier transport weglengte de contactelektroden. Voor de proof-of-concept plasmonische fotogeleidende emitter, ontwierpen we een plasmonische rooster met 100 nm Au breedte, 100 nm uit elkaar, en 50 nm hoogte, die de overdracht van meer dan 70% van een 800 nm optische pum maaktp door de nanoschaal roosters in de foto-absorberende substraat 11, 12. Het incident optische pomp uit een Ti: saffier laser met een centrale golflengte van 800 nm, 76 MHz herhalingsfrequentie, en 200 FSEC pulsbreedte was strak gericht op elk gefabriceerd apparaat (Figuur 2a) en geplaatst in de buurt van de anode contactelektrode het maximaliseren van de uitgestraalde macht 13-15. Om het uitgestraalde vermogen van de gebruikelijke fotogeleidende emitter maximaliseren, het optische elektrische veld oriënteerde zich uitstrekken over de spleet tussen de anode en kathode contact elektroden. Voor de plasmonische fotogeleidende emitter, het elektrische veld was loodrecht op de metalen roosters. De gegenereerde terahertz voedingsbronnen elke fotogeleidende emitter werd gemeten met een detector pyroelectric. Figuur 2b toont de gemeten terahertz straling van de plasmonische en conventionele terahertz emitters, elektrisch voorgespannen op 40 V, onder verschillende optische pomp krachten. De inset curve toont het bijbehorende fotostroom. Een straling verhoging van meer dan 33 stroom werd waargenomen vanaf de plasmonische fotogeleidende emitter in de 0 - 25 mW optisch pomp vermogensbereik. Deze belangrijke stralingsvermogen verbetering is het gevolg van de hogere niveaus fotostroom gegenereerd bij gebruik plasmon contact elektroden. Figuur 2c toont de gemeten terahertz straling versus verzameld fotostroom voor plasmonische en conventionele terahertz emitters. De gegevens voorgesteld in het perceel omvat diverse voorspanningen (10 - 40 V) onder verschillende optische pomp bevoegdheden (5-25 mW). De gegevenspunten zijn curve gemonteerd op dezelfde lijn met een helling van 2, hetgeen de kwadratische afhankelijkheid van het stralingsvermogen van de geïnduceerde fotostroom en het feit dat alle andere operationele omstandigheden (inclusief antenne specificaties) zijn hetzelfde voor de conventionele en plasmonische fotogeleidende emitter prototypes. Figuur 2d toont de terahertz macht audiotoebement factor gedefinieerd als de verhouding van de terahertz vermogen uitgezonden door de plasmonische terahertz emitter aan de conventionele terahertz emitter. Bij lage optische pomp vermogen en een voorspanning van 30 V, output vermogen enhancement factoren tot 50 waargenomen. De versterkingsfactor neemt licht af bij hogere optische pomp vermogen en hogere voorspanningen. Dit kan worden verklaard door de vervoerder screening effect, dat afbreuk doet aan de plasmonic fotoconductor meer dan de conventionele fotogeleider, omdat het genereren van meer fotostroom en scheiden van een groot aantal elektron-gat paren. Tot slot, de maximale terahertz vermogen gemeten vanaf de plasmonische en conventionele terahertz emitters onder een 100 mW optische pomp (figuur 2e). De voorspanning van elk apparaat wordt verhoogd tot het punt van mislukking apparaat. Bij maximale, de plasmonische fotogeleidende emitter produceerde een gemiddeld vermogen van 250 μW, vergeleken met de 12 μW van de gebruikelijke fotogeleidende emitter10.

Figuur 1
Figuur 1. Schematische weergave en bediening concept van de fotogeleidende terahertz emitters. (A) Een conventionele fotogeleidende terahertz emitter. (B) Een plasmonische fotogeleidende terahertz zender opnemen plasmonische contactelektroden. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 2
Figuur 2. Vergelijking van conventionele en plasmonische fotogeleidende terahertz stralers 10. (A) Bewerkte apparaat afbeeldingen. (B) Gemeten terahertz straling van de plasmonische en conventionele terahertz vervuilers, elektrisch bevooroordeeld bij 40 V, onder verschillende optische pomp bevoegdheden. De inzet-curve geeft de corresponding fotostroom. (c) Gemeten terahertzstraling versus verzameld photocurrent voor de plasmonische en conventionele terahertz emitters. De gegevens voorgesteld in het perceel omvat diverse voorspanningen (10 - 40 V) onder verschillende optische pomp bevoegdheden (5-25 mW). (D) Relatieve terahertz macht enhancement gedefinieerd als de verhouding van de terahertz kracht uitgezonden door de plasmonische terahertz emitter aan de conventionele terahertz emitter. (e) Maximale terahertz vermogen gemeten vanaf de plasmonische en conventionele terahertz emitters onder een 100 mW optische pomp. De voorspanning van elk apparaat wordt verhoogd tot het punt van mislukking apparaat. Op het maximum, het plasmonische fotogeleidende emitter produceerde een gemiddeld vermogen van 250 μW, vergeleken met de 12 μW van de conventionele fotogeleidende emitter. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Figuur 3. . Spectrale kenmerken van de plasmonische fotogeleidende emitter straling 10 straling spectrum gemeten in reactie op een 200 FSEC optische puls van de modus-vergrendelde Ti: saffier laser met 800 nm centrale golflengte en 76 MHz herhalingsfrequentie in een tijd-domein terahertz spectroscopie opstelling met elektro-optische detectie. (a) Zendvermogen in het tijdsdomein. (b) uitgestraalde vermogen in het frequentiedomein. De waargenomen straling pieken rond 0,35 en 0,55 THz THz worden geassocieerd met de resonantiepieken van de gebruikte bowtie antenne, en de straling piek rond 0,1 THz is geassocieerd met de resonantie piek van de dipoolantenne gevormd door bowtie antenne voorinstellingslijnen. hier bekijk grotere afbeelding .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In deze video artikel, presenteren we een nieuwe fotogeleidende terahertz generatie techniek die een plasmonische contact elektrode configuratie gebruikt om de optische-to-terahertz omzettingsrendement te verhogen door twee ordes van grootte. De aanzienlijke stijging van de terahertz straling kracht van de gepresenteerde plasmonische fotogeleidende emitters is zeer waardevol voor toekomstige hoge gevoeligheid terahertz imaging, spectroscopie en spectrometrie systemen die worden gebruikt voor geavanceerde chemische identificatie, medische beeldvorming, biologische sensing, astronomie, atmosferische sensing, veiligheidsonderzoeken, en materiaalkarakterisering.

De focus van deze video artikel is de demonstratie van het effect van plasmonische elektroden in het verbeteren van de geïnduceerde fotostroom in ultrasnelle fotogeleiders en het uitgestraalde terahertz kracht van fotogeleidende terahertz emitters. Dus de keuze van de fotogeleidende emitter architectuur, terahertz stralende antenne, en afwijking diervoedersin onze demonstratie is willekeurig waren, en de versterking concept kan eveneens worden toegepast op het stralingsvermogen van fotogeleidende terahertz emitters verbeteren met verschillende terahertz antennes met en zonder contact geïnterdigiteerde elektroden en grote oppervlakte fotogeleidende terahertz emitters zowel gepulste en continue -wave operatie. In dit opzicht kan het vermogen van onze prototypes verder worden versterkt door gebruik van resonantieholtes 3, 16, groot apparaat actieve gebieden 17-22 en antennes met een hogere weerstand tegen straling en bandbreedte 23, 24. Bovendien kan de beschreven kwantumefficiëntie verbetering mechanisme plasmonic fotoconductors worden gebruikt om de responsiviteit en detectiegevoeligheid fotogeleidend terahertz detectoren verbeteren, ook 25-27.

Opgemerkt dient te worden dat de meest kritische stap voor de uitvoering van high performance plasmonische fotoge terahertz emitters is patTerning de plasmonische contactelektroden. Enerzijds hogere optische pomp absorptie en dus hogere optische naar terahertz rendementen kunnen worden bereikt door toepassing van hogere beeldverhouding plasmon-contact elektroden. Aan de andere kant, tillen uit dikke metalen elementen met nano-schaal functie maten is uitdagend omdat het vereist dikke lagen weerstaan ​​en daarom wordt de hoogste beeldverhouding van de plasmonische contactelektroden beperkt tot het oplossen van bestaande electron-beam lithografie gereedschappen.

Wij geloven dat ons werk zal evolueren in de nabije toekomst aan de optische-to-terahertz omzettingsrendement van plasmonische fotogeleidende emitters duwen met meer dan drie ordes van grootte. In dit verband is het gebruik van hoge aspectverhouding plasmon contact elektroden ingebed in de foto-absorberende halfgeleider 28-30 maakt ultrasnelle transport van de meerderheid van lichtdragers de fotogeleider contactelektroden en doeltreffend contribution naar terahertz generatie. Gebruik van hoge aspectverhouding plasmon contact elektroden ingebed in de foto-absorberende halfgeleider elimineert ook de noodzaak voor het gebruik van korte carrier levensduur halfgeleiders, die worden gebruikt voor het onderdrukken van de gelijkstroom van fotogeleidende emitters (in het algemeen) en ter voorkoming van ongewenste destructieve interferenties in continue wave fotogeleidende stralers (in specifieke). Waardoor de noodzaak voor het gebruik van korte carrier levensduur halfgeleiders, die lager mobiliteiten en thermische geleidbaarheid 31 ten opzichte van hoge kwaliteit kristallijne halfgeleiders hebben, zouden een belangrijke impact hebben op de toekomstige hoog vermogen en hoge efficiëntie fotogeleidende terahertz emitters. Het kan ook leiden tot een nieuwe generatie van fotogeleidende terahertz zenders gebaseerd op foto-absorberende halfgeleiders met unieke functionaliteiten (bijv. Graphene-based fotogeleidende emitters die profiteren van een superieure mobiliteiten of GaN-based fotogeleidende emitters die profiteren van een superieure thermische geleiding).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgments

De auteurs willen graag Picometrix bedanken voor het verstrekken van de LT-GaAs-substraat en zeer erkentelijk voor de financiële steun van Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award beheerd door Dr John Albrecht (contract # N66001-10-1-4027), NSF CARRIÈRE Award beheerd door dr. Samir El-Ghazaly (contract # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award beheerd door dr. Paul Maki (contract # N00014-12-1-0947), en ARO Young Investigator Award beheerd door Dr Dev Palmer (contract # 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