Thermoelektrische Beiträge zur Detektion von Terahertz-Strahlung mit TeraFETs - Simulationen und Experimente

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399177913

Antennengekoppelte Feldeffekt-Transistoren (FETs) etablieren sich derzeit erfolgreich als Detektoren für Terahertz-Strahlung. Der Detektionsmechanismus besteht aus einer Kombination von plasmonisch verstärktem, verteiltem Mischen im Kanal des FET (Dyakonov-Shur-Mechanismus) und dem thermoelektrischen Effekt heißer Ladungsträger, der durch diffusive Beiträge zum Energie- und Ladungstransport hervorgerufen wird. Mit der Momentenmethode leiteten wir in der ablaufenden ersten Projektphase aus der Boltzmanngleichung ein hydrodynamisches Transportmodell ab, um thermische Effekte berücksichtigen zu können, die nicht im Dyakonov-Shur-Modell enthalten sind. Zusätzlich entwickelten wir ein Ladungskontrollmodell für Graphen-FETs, das deren Kennlinien sehr gut reproduziert (für andere Materialsysteme leiteten wir die Beziehungen bereits vorher her). Das vollständige Modell mit seinen vier Differential¬gleichungen für Ladungs- und Energietransport wurde dann im Schaltungssimulator Keysight ADS für die Materialsysteme Si, GaN, GaAs und Graphen algorithmisch umgesetzt. Als Eingangsparameter für die Simulationen benötigt man nur Größen, die man aus Gleichspannungsmessungen mit den Transistoren und mittels Antennensimulationen extrahieren kann. Simulationen konnten die gemessenen THz-Responsivitäten und rauschäquivalenten Leistungen von Detektoren für Frequenzen von 0.1 bis mindestens 4 THz nahezu quantitativ reproduzieren. Der Beitrag des thermoelektrischen Effekts zum Gesamtsignal in III/V- und Graphen-Transistoren konnte bestimmt werden; er wirkt bei III/V-Halbleitern bei der optimalen Gatespannung signalmindernd. In der hier beantragten zweiten Projektphase soll das Modell weiter verbessert werden. Dies betrifft zum einen den Potentialverlauf im Kanal im Bereich der Kanten des Gate-Kontakts für DC und THz-Frequenzen. Die Form des Verlaufs hat einen starken Einfluss auf den Beitrag des thermoelektrischen Effekts zur Gleichrichtung. Ein anderer Untersuchungsgegenstand werden Sättigungseffekte bei starken THz-Feldern sein. Weitere Optimierungen betreffen vor allem Graphen und werden in einer engen Kooperation mit einer Arbeitsgruppe der Aalto University, Finnland, erarbeitet werden. Es geht um eine bessere Datenbasis zur Energierelaxation der Ladungsträger in Graphen. Diese Daten sollen mithilfe spezieller Bauelementstrukturen ermittelt werden. Mit dem weiterentwickelten numerischen Werkzeug werden dann Graphen-Detektoren optimiert werden. Es ist vorgesehen, dass die vorgeschlagenen Bauelementstrukturen vom Team der Aalto-Universität hergestellt und in Aalto und bei uns vermessen werden. Ein wichtiger Teil des Vorhabens ist die Erarbeitung von Manuskripten zur Veröffentlichung der zahlreichen Ergebnisse des Projektes. Diese betreffen das Modell selbst, seine physikalischen Annahmen und die algorithmische Implementierung in ADS, seine Anwendung für die Analyse von existierenden Detektoren, sowie seine Nutzung für den Entwurf optimierter Bauelementstrukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland
• Kooperationspartner: Andrey Generalov, Ph.D.