Ultrafast Detection of THz Radiation with Large Area Field Effect Transistors
Final Report Abstract
Das Projekt “LA-FET” zielte auf die Entwicklung eines ultraschnellen Terahertz (100 GHz-10 THz)-Detektionskonzepts ab, basierend auf der Dyakonov-Shur Gleichrichtung in einem Feldeffekttransistor, der mit Frequenzen weit oberhalb der Kanal-Transitzeit angestrahlt wird. Neben der Bauteilentwicklung stand auch die Erforschung der physikalischen Prozesse im plasma-resonanten Betrieb sowie der Detektion eines optischen Laserpulses (~800nm), beide mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich, im Vordergrund. Es sollen gleichzeitig Nahinfrarotpulse und Terahertz (THz)-Pulse, möglichst nahe Echtzeit, zeitaufgelöst nachgewiesen werden können. Dies ist von zentraler Bedeutung für sogenannte Anrege-, Abfrageexperimente (engl. Pump-probe experiments). Mit dieser Klasse von Experimenten lassen sich zeitaufgelöste Messungen im Bereich von Pikosekunden durchführen. Die äußerst kurzen Pulse ermöglichen zugleich eine äußerst hohe Spitzenleistung welche für den Nachweis nichtlinearer Prozesse notwendig ist. Häufig wird auch auf freie Elektronenlaser (FEL) zurückgegriffen, die sehr hohe THz-Spitzenleistungen zur Verfügung stellen. Zum Aufbau und zur Justage dieser Experimente sind Detektoren notwendig, die simultan Laserpulse und THz-Pulse detektieren und deren Zeitabstand ermitteln können. Notwendige Messungen zur Justage müssen schnell von Statten gehen, da die Messzeit an solchen Großforschungsanlagen streng limitiert ist. Hierzu wurden im Rahmen dieses Projektes großflächige Arrays von Galliumarsenid-basierten Feldeffekttransistoren (Large Area FET, LA- FET) mit hoher Elektronenbeweglichkeit (~6000 cm²/Vs) und extrem niedrigen parasitären Widerstanden von weniger als 1 Ohm entwickelt. Die Technologie ermöglicht eine kompakte Bauweise und die Detektoren können direkt bei Raumtemperatur betrieben werden. Im Verlauf des Projektes konnte die Sensitivität der Detektoren um eineinhalb Größenordnungen verbessert werden. Die Anstiegszeit sowohl des Nahinfrarotpulses als auch des THz-Pulses war lediglich durch die Pulsanstiegszeit des zum Auslesen verwendeten 30 GHz Oszilloskops auf etwa 12 Pikosekunden begrenzt. Die Messdauer beträgt nur Sekunden, selbst „Single Shot“ Betrieb ist möglich. Die Detektoren sind durch ihre große Fläche zugleich für extrem hohe Intensitäten ausgelegt. Auch nach einer Bestrahlung mit 65 kW Spitzenleistung und 3.5 W mittlerer Leistung auf circa 0.1 mm² waren die Detektoren in ihrer Funktion nicht beeinträchtigt. Die Detektoren wurden über einen extrem großen Frequenzbereich von 50 GHz bis 30 THz, mit Ausnahme des Reststrahlenbandes von GaAs und AlGaAs, charakterisiert, was mehr als neun Dekaden entspricht und deutlich über den Terahertzbereich hinausgeht und die im Antrag gestellten Ziele deutlich übertrifft. Im Rahmen des Projekts wurde festgestellt, dass der Detektionsprozess im THz-Frequenzbereich ein Gleichrichtungsprozess gemäß des Dyakonov-Shur Mechanismus ist und im Bereich oberhalb von 22 Terahertz mit einem weiteren, noch unbekannten Mechanismus überlagert wird. Des Weiteren wurde ein auf der Sättigung des Bauteils basierender Autokorrelator theoretisch erklärt und am FEL demonstriert, mit dem in kurzer Zeit die Pulseinhüllende und somit die Pulsform und –dauer ermittelt werden kann. Überraschenderweise wurde im Verlauf des Projekts festgestellt, dass nicht nur großflächige Feldeffekt-Transistoren, sondern auch antennengekoppelte Feldeffekt-Transistoren basierend auf dem gleichen Materialsystem mit deutlich höheren parasitären Widerständen im Bereich einiger 100 Ohm ebenfalls eine sehr hohe zeitliche Auflösung in gleicher Größenordnung bieten. Die mittels UV-Kontaktlithographie hergestellten antennengekoppelten Transistoren ermöglichen zudem den Nachweis deutlich geringerer Leistung, welche mittels Antenne auf ein kleines Bauteil konzentriert werden kann und erreichen fast die Sensitivitäten von siliziumbasierten Bauelementen mit deutlich höherem Herstellungsaufwand. Schnelle Bauteile dieser Art sind für weiterführende Experimente und Anwendung z.B. in Kommunikation oder Spektroskopie hochattraktiv.
Publications
- „Room Temperature Terahertz Detection by Rectifying Field Effect Transistors,” German Microwave Conference (GeMIC), Aachen (2014)
S. Preu, S. Regensburger, H. Lu, und A.C. Gossard
- "Broadband THz detection from 0.1 to 22 THz with large area field-effect transistors," Optics Express 23, 20732 (2015)
S. Regensburger, M. Mittendorff, S. Winnerl, H. Lu, A.C. Gossard, und S. Preu
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.23.020732) - "THz Autocorrelators for ps Pulse Characterization Based on Schottky Diodes and Rectifying Field-Effect Transistors," Terahertz Sci. Technol. 5, 922 (2015)
S. Preu, M. Mittendorff, S. Winnerl, O.Cojocari, und A. Penirschke
(See online at https://doi.org/10.1109/TTHZ.2015.2482943) - „Symmetry effects in broadband, room-temperature field effect transistor THz detectors,” 40. IRMMW- THz conference, 7327721 (2015)
S. Regensburger, M. Mittendorff, S. Winnerl, H. Lu, A.C. Gossard, und S. Preu
(See online at https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2015.7327721) - “Investigation of Parasitic Coupling of THz Radiation to a Large Area Field-Effect Transistor,“ 42. IRMMW-THz conference, 8066959 (2017)
S. Regensburger, S. Winnerl, J. M. Klopf, H. Lu, A. C. Gossard, und S. Preu
(See online at https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2017.8066959) - „Comparison of Large Area and Lumped Element Field-Effect Transistors for Broadband Detection of Terahertz,“ 42. IRMMW-THz conference, 8066960 (2017)
S. Regensburger, H. Lu, A. C. Gossard, und S. Preu
(See online at https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2017.8066960)
