Konstruktion, Fertigung und experimentelle Charakterisierung Plasmonic Photoconductive Terahertz-Emitter

Zusammenfassung

Wir beschreiben Methoden für die Konstruktion, Fertigung und experimentelle Charakterisierung plasmonischen photoleitenden Emitter, die zwei Größenordnungen höher Terahertz-Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Strahlern photoleitenden anbieten.

Zusammenfassung

In diesem Video-Artikel präsentieren wir eine detaillierte Demonstration eines hocheffizienten Verfahren zur Erzeugung von Terahertz-Wellen. Unsere Technik basiert auf Photoleitfähigkeit, das einer der am häufigsten verwendeten Techniken zum Terahertzerzeugung ^1-8 hat basiert. Terahertzerzeugung in einer photoleitfähigen Emitter durch Pumpen eines ultraschnellen Photoleiter mit einem gepulsten oder überlagerten Laserbestrahlung erzielt. Der induzierte Photostrom, der die Hüllkurve des Pumplasers folgt, auf eine Terahertz-Sendeantenne, die mit den Photoleiter Kontaktelektroden zum Terahertz-Strahlung zu erzeugen geleitet. Obwohl die Quanteneffizienz einer photoleitfähigen Emitter theoretisch 100% erreichen kann, sind die relativ langen Transportweg Längen der foto-erzeugten Träger mit den Kontaktelektroden der herkömmlichen Photoleiter stark ihre Quantenausbeute begrenzt. Zusätzlich kann der Träger-Screening-Effekt und thermischen Abbau strikt zu begrenzen die maximale Leistung power konventioneller photoleitenden Terahertz-Quellen. Um die Quanteneffizienz Beschränkungen herkömmlicher photoleitenden Terahertz-Emitter anzugehen, haben wir ein neues Konzept, das photoleitende Emitter eine plasmonischen Kontakt-Elektroden-Konfiguration auf hohe Quanten-Effizienz und ultraschnellen Betrieb bieten gleichzeitig integriert entwickelt. Durch die Verwendung von Nano-Plasmonen Kontakt-Elektroden, wir deutliche Verkürzung der durchschnittlichen Foto-generated Träger Transportweg Photoleiter Kontakt-Elektroden im Vergleich zu herkömmlichen Photoleiter ^9. Unsere Methode ermöglicht es auch zunehmende Photoleiter aktiven Fläche ohne erhebliche Steigerung der kapazitiven Belastung der Antenne, die Förderung der Terahertz-Strahlung maximale Leistung durch die Verhinderung der Träger abschirmende Wirkung und thermischer Zerfall bei hohen optischen Pumpleistung. Durch die Integration von Plasmonen Kontaktelektroden zeigen wir, Verbesserung der optischen Terahertz-to-Wirkungsgrad von einer herkömmlichen lichtleitenden terahertz Emitter um einen Faktor von 50 ^10.

Einleitung

Wir präsentieren einen neuartigen Terahertz-Emitter photoleitenden die eine plasmonischen Kontakt-Elektroden-Konfiguration verwendet, um die optisch-Terahertz-Wirkungsgrad von zwei Größenordnungen verbessern. Unsere Technik geht die wichtigsten Beschränkungen herkömmlicher photoleitfähigen Terahertz-Sender, nämlich niedriger Ausgangsleistung und schlechter Wirkungsgrad, die aus der inhärenten Kompromiß zwischen hoher Quanteneffizienz und ultraschnellen Betrieb von herkömmlichen Photoleiter stammen.

Eine der wichtigsten Neuerungen in unserem Design, das zu dieser Bockspringen Leistungsverbesserung geführt ist, um einen Kontakt-Elektroden-Konfiguration, die eine große Anzahl von Foto-generierten Ladungsträger in unmittelbarer Nähe zu den Kontakt-Elektroden, sammelt so zu konzipieren, dass sie innerhalb gesammelt werden kann ein Sub- Pikosekunden-Zeitskala. In anderen Worten wird der Kompromiss zwischen Fotoleiter ultraschnelle Bedienung und hohe Quanteneffizienz durch räumliche Manipulation des photo-Gattungen gemildertted Airlines. Plasmonic Kontakt-Elektroden bieten diese einzigartige Fähigkeit von (1) ermöglicht Lichtbegrenzungsschicht in nanoskalige Gerät aktiven Bereiche zwischen den Elektroden plasmonischen (jenseits Beugungsgrenze), (2) Erweiterung außerordentliches Licht an der Metall-Kontakt und Foto-absorbierenden Halbleiter-Grenzfläche ^{10, 11.} Ein weiteres wichtiges Merkmal unserer Lösung ist, dass es große Photoleiter aktiven Bereiche beherbergt ohne erhebliche Steigerung der parasitäre Belastung der Terahertz strahlende Antenne. Mit Hilfe großer Photoleiter aktiven Bereiche ermöglichen Milderung der Träger-Screening-Effekt und thermischen Abbau, die die ultimativen Grenzen für die maximale Strahlungsleistung von herkömmlichen photoleitenden Strahler sind. Dieses Video Artikel basiert auf den einzigartigen Eigenschaften unserer vorgestellte Lösung durch die Beschreibung der über Physik, numerische Modellierung und experimentelle Verifikation konzentriert. Wir experimentell zeigen 50-mal höhere Mächte von einem Terahertz plasmonischen photoconductive Emitter im Vergleich mit einer ähnlichen photoleitfähigen Emitter mit nicht-Plasmonen Kontaktelektroden.

Protokoll

1. Plasmonic Photoconductive Emitter Fabrication

1. Fabricate plasmonischen Gittern.
   1. Reinigen des Halbleiterwafers durch Eintauchen in Aceton (2 min) und Isopropanol (2 min), gefolgt, und Spülen mit deionisiertem Wasser (10 sec).
   2. Trocknen der Probe mit Stickstoff und erhitzt es auf einer Heizplatte bei 115 ° C für 90 sec, um das restliche Wasser zu entfernen.
   3. Spin MicroChem 950K PMMA A4 auf der Probe bei 4000 rpm für 45 sec. Pre-Bake das auf einer Heizplatte bei 180 ° C für 3 min zu widerstehen.
   4. Legen Sie die Probe in einer Elektronenstrahl-Lithographie-Werkzeug (JEOL JBX-6300-FS). Freilegen plasmonischen Gittermuster an einer Basis Dosis rund 650 uC / cm ^2, mit einem 100 kV Beschleunigungsspannung.
   5. Entwickeln PMMA durch Eintauchen der Probe in einer MIBK: IPA 1:3-Gemisch für 90 sek. Sofortige Umsetzen der Probe in einer Lösung von reinem Isopropanol für 60 sek.
   6. Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser für 10 Sekunden und dann trocknen die Probe mit Stickstoff.
   7. Legen Sie die Probe in ein Plasma Stripper (YES-CV200RFS). Descum die Probe mit 30 W HF-Leistung bei 30 ° C mit einer 100 sccm O _2-Flussrate für 10 sec.
   8. Entfernen Oberflächenoxids durch Eintauchen in eine HCl: H ₂ 0 3.10 Mischung für 30 Sekunden. Sofortige Umsetzen der Probe mit einem Kaskadenspüle entionisiertes Wasser 4 min.
   9. Übertragen der Probe in ein Becherglas mit entionisiertem Wasser auf dem Luftsauerstoff vor Metallabscheidung zu minimieren.
   10. Nehmen Behälter gegeben, der mit entionisiertem Wasser auf einen Metall-Verdampfer (Denton SJ-20). Entlüften Sie die Kammer und dann zu entfernen, trocknen, und laden Sie die Probe in die Kammer (diese Schritte sollten ohne Unterbrechung folgen, um Oberfläche Oxidbildung auf der Probe zu verhindern).
   11. Pumpen der Kammer auf einen Druck unter 2x10 ^-6 Torr. Kaution Ti / Au (50/450 A).
   12. Entlüften Sie die Kammer und entfernen Sie die Probe.
   13. Um ein Abheben der abgeschiedenen Metall, legen Sie die Probe auf einem Teflon-Halter in einBecherglas mit Aceton, abdecken und über Nacht einwirken lassen. Entdecken Sie das Becherglas, legen Sie sie in einem Ultraschall-Agitator, und warten, bis alle unerwünschten Metall entfernt (in der Regel 30 Sekunden).
2. Kaution _SiO2 Passivierung.
   1. Reinigen Sie die Probe wie in den Schritten 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Legen Sie die Probe in ein Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition-Werkzeug (GSI PECVD). Kaution 1500 A von SiO ₂ bei 200 ° C
3. Öffnen Kontaktvias durch _SiO2.
   1. Reinigen Sie die Probe wie in den Schritten 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Spin auf HMDS bei 4.000 rpm für 30 sec. Spin auf Megaposit SPR 220 bis 3,0 Fotolack bei 4.000 rpm für 30 sec. Pre-Bake das auf einer Heizplatte widerstehen bei 115 ° C für 90 sec.
   3. Legen Sie die Probe und Maske Platte in Projektion Lithographie Stepper (GCA autostep 200). Richten Sie die Probe und freizulegen.
   4. Post-backen der belichteten Fotolack auf einer Heizplatte bei 115 ° C für 90 sec.
   5. Entwickeln widerstehen in AZ 300 MIF Entwickler für 60 sec.
   6. Unmittelbar bewegen die Probe einer Kaskadenspüle entionisiertem Wasser für 4 min. Trocknen Sie die Probe mit Stickstoff.
   7. Legen Sie die Probe in einem reaktiven Ionenätzer (LAM 9400). Etch SiO ₂ unter Verwendung eines TCP-HF-Leistung von 500 W, einer Vorspannung HF-Leistung von 100 W, 15 sccm SF6-, 50 sccm C ₄ F _8, 50 sccm He, 50 sccm Ar für 80 sek.
   8. Entfernen der Großteil des Photoresists, indem die Probe in Aceton (5 min) mit Isopropanol (2 min) gefolgt. Spülen in entionisiertem Wasser (10 sec). Mit Stickstoff trocken.
   9. Entfernen Sie die restliche Fotolack durch das Laden der Probe in ein Plasma Stripper (YES-CV200RFS). Entfernen Sie den Fotolack mit 800 W HF-Leistung bei 30 ° C mit einer 100 sccm O _2-Flussrate für 5 min.
4. Fabricate Antennen und Biasleitungen.
   1. Wiederholen Sie die Schritte 1.3.1 - 1.3.6 auf Musters Antennen und Biasleitungen.
   2. Wiederholen Sie die Schritte 1.1.8 - 1.1.9 zu Oberflächenoxid entfernen.
   3. Nehmen Sie das Becherglas mit der Probe unddeionisiertem Wasser auf einen Metall-Verdampfer (Denton SJ-20).
   4. Entlüften Sie die Kammer und dann schnell zu entfernen, trocknen, und laden Sie die Probe in die Kammer.
   5. Pumpen der Kammer auf einen Druck unter 2x10 ^-6 Torr. Kaution Ti / Au (10/4, 000 Å).
   6. Entlüften Sie die Kammer und entfernen Sie die Probe.
   7. Wiederholen Sie Schritt 1.1.13 zu Abheben das abgeschiedene Metall.
5. Packen Sie die Probe.
   1. Kleben Sie die Kanten eines 12 mm Durchmesser hyper-Silizium halbkugelförmige Linse zu einem 2-Zoll-Aluminium-Unterlegscheibe mit 8 mm Loch.
   2. Kleben Sie ein Leiterplatte mit Metall Spuren, um die man sich leicht löten, mit dem Aluminium Unterlegscheibe.
   3. Montieren Sie die hergestellt plasmonischen photoleitenden Terahertz-Emitter-Prototypen auf dem Silizium-Linse mit dünnen Epoxy.
   4. Draht-Bindung das Gerät Kontaktflächen zu einer Platine auf dem gleichen Aluminium-Scheibe geklebt.
   5. Solder Drähte an den Metall-Spuren auf der Leiterplatte.
   6. Schließen Sie das Gerät Kontaktstellen zu einer parametrischen Analysator (Hewlett-Packard 4155A) unter Verwendung von Drähten gelötet zu den entsprechenden Pads der Leiterplatte für Testzwecke.

2. Plasmonic Photoconductive Emitter Charakterisierung

1. Geräte-Ausrichtung.
   1. Legen Sie die Unterlegscheibe Aluminium trägt die Plasmonen photoleitenden Terahertz-Emitter Prototypen auf einer Montierung und Rotation fest konzentrieren die optische Pumpe aus einem Ti: Saphir-Laser (MIRA 900D XW V10 OPT 110V) auf der aktiven Fläche von jedem Gerät modengekoppelter.
   2. Einstellen der Drehung Halterung, so dass das elektrische Feld von der optischen Pumpe ausgerichtet für eine effiziente Anregung Oberflächenplasmonwellen (senkrecht zu den Plasmonen-Gitter) ist.
   3. Verwenden Sie die parametrische Analysator, um gleichzeitig Vorspannungen an jedes Gerät und messen die induzierte elektrische Strom in jedes Gerät. Bestätigen Sie die optimale optische Ausrichtung der Pumpe und Polarisierung Anpassung durch die Maximierung der Photostrom jedes Prüflings.
2. Ausgangsleistung Maßnahmensung.
   1. Verwenden Sie ein optisches Chopper (Thorlabs MC2000) zur Modulation der optischen Pumpe aus dem modengekoppelter Pumplaser Vorfall auf jedem Gerät.
   2. Messen der Ausgangsleistung der Plasmonen photoleitfähigen Terahertz-Emitter-Prototypen mit einem pyroelektrischen Detektor (Detector Spectrum, Inc. SPI-A-65 THz).
   3. Verbinden Sie den Ausgang des pyroelektrischen Detektors ein Lock-in-Verstärker (Stanford Research Systems SR830) mit dem optischen Chopper Referenzfrequenz auf Terahertz-Leistungsdaten bei niedrigem Geräuschpegel erholen.
3. Radiation spektrale Charakterisierung.
   1. Starten mit einem Ti: Saphir modengekoppelten Laser und mit einem Strahlteiler, um den Ausgang des modengekoppelten Lasers in einem Pumpstrahl und ein Meßstrahl aufgeteilt.
   2. Verwendung einer elektrooptischen Modulator (Thorlabs EO-AM-NR-C2) zum Modulieren des optischen Strahls in der Pumpe Pfad. Konzentrieren der Pumpstrahl auf den aktiven Bereich der photoleitfähigen Emitter zu prüfenden Terahertz-Strahlung zu erzeugen.
   3. Visierendas erzeugte Terahertzstrahl Verwendung eines ersten Polyethylens sphärische Linse. Fokus des kollimierten Terahertzstrahl Verwendung eines zweiten Polyethylen sphärische Linse.
   4. Bevor der Schwerpunkt des Terahertzstrahl verbinden den kollimierten Terahertzstrahl mit der Sonde optischen Strahls unter Verwendung eines ITO-beschichtetes Glas-Filter.
   5. Legen Sie eine 1 mm dicke, <110> ZnTe Kristall montiert auf einer Drehung der Bühne des kombinierten Fokus des optischen und Terahertzstrahl.
   6. Einfügen eines steuerbaren optischen Verzögerungsleitung in der optischen Sonde Pfad unter Verwendung eines motorisierten Lineartisch (Thorlabs NRT100), um die Zeitverzögerung zwischen der optischen und Terahertzimpulsen Interaktion innerhalb der ZnTe-Kristall variieren.
   7. Mit einem Halbwellenplatte in der Sonde weg, drehen die Polarisation der optischen Sonde, um in einem 45 ° Winkel relativ zu der Polarisationsrichtung Terahertz sein.
   8. Verwenden Sie eine Viertel-Wellenplatte nach dem ZnTe Kristall, wandeln die optischen Strahls Polarisation in zirkulare Polarisation.
   9. Teilen Sie die circularly polarisierten Lichtstrahl in zwei Zweige von einem Wollaston-Prisma. Messen Sie die optische Strahlungsleistung in jedem Zweig mit zwei symmetrischen Detektoren mit einem Lock-in-Verstärker.
   10. Schließen Sie das motorisierte Delay-Line und Lock-in-Verstärker an einen Computer. Schreiben Sie eine Matlab-Skript, um iterativ bewegen die Position des motorisierten Delay-Line, Pause, und lesen Sie die Signalstärke von der Lock-in-Verstärker.
   11. Konvertieren der Tischposition in den Zeitbereich durch Dividieren der gesamten optischen Verzögerung Länge durch die Lichtgeschwindigkeit, gefolgt von einer diskreten Fourier-Transformation (Matlab) in den Frequenzbereich zu erhalten.

Ergebnisse

Eine herkömmliche (Abbildung 1a) und Plasmonen (Abbildung 1b) photoleitenden Emitter Einbeziehung plasmonischen Kontakt Elektroden Träger Transportzeiten zu reduzieren, um Elektroden an: Um das Potenzial der Plasmonen-Elektroden für Terahertz Leistungssteigerung zu demonstrieren, haben wir zwei Terahertz-Emitter hergestellt. Beide Ausführungen bestehen aus einem ultraschnellen Photoleiter mit 20 um Spalt zwischen Anode und Kathode Kontakte, verbunden mit einer 60 um lang Bowtie-Ante...

Diskussion

In diesem Video-Artikel präsentieren wir eine neue Generation photoleitenden Terahertz-Technik, die eine plasmonischen Kontakt-Elektroden-Konfiguration verwendet, um die optisch-Terahertz-Wirkungsgrad von zwei Größenordnungen verbessern. Der deutliche Anstieg in der Terahertz-Strahlung Strom aus den vorgestellten plasmonischen photoleitenden Strahler ist sehr wertvoll für zukünftige hochempfindliche Terahertz-Bildgebung, Spektroskopie und Spektrometrie für fortschrittliche chemische Identifizierung verwendet, medi...

Materialien

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