Diseño, Fabricación y Caracterización Experimental de Plasmónicos Emisores terahercios fotoconductoras

Resumen

Se describen métodos para el diseño, fabricación y caracterización experimental de los emisores fotoconductoras plasmónica, que ofrecen dos órdenes de niveles de potencia más altos terahercios magnitud en comparación con los emisores fotoconductoras convencionales.

Resumen

En este artículo de vídeo se presenta una demostración detallada de un método altamente eficiente para la generación de las ondas de terahercios. Nuestra técnica se basa en fotoconducción, que ha sido una de las técnicas más utilizadas para la generación de terahertz ^1-8. Generación de terahercios en un emisor de fotoconductora se logra mediante el bombeo de un fotoconductor ultrarrápido con una iluminación láser pulsado o heterodina. La fotocorriente inducida, que sigue a la envolvente de la bomba de láser, se encamina a una antena radiante de terahercios conectado a los electrodos de contacto del fotoconductor para generar la radiación de terahercios. Aunque la eficiencia cuántica de un emisor de fotoconductora puede alcanzar teóricamente 100%, las relativamente largas longitudes de trayecto de transporte de portadores foto-generados a los electrodos de contacto de fotoconductores convencionales han limitado gravemente su eficiencia cuántica. Además, el efecto de la detección de portadores y la descomposición térmica limitan estrictamente el p salida máximaower de las fuentes de terahertz fotoconductoras convencionales. Para hacer frente a las limitaciones de eficiencia cuántica de emisores de terahercios fotoconductoras convencionales, hemos desarrollado un nuevo concepto emisor fotoconductora que incorpora una configuración de electrodo de contacto plasmónica para ofrecer alta eficiencia cuántica y funcionamiento ultrarrápido simultáneamente. Mediante el uso de electrodos de contacto plasmónicas nano escala, se reduce significativamente la trayectoria de transporte portadora fotogenerada promedio de electrodos de contacto fotoconductor en comparación con fotoconductores convencionales ^9. Nuestro método también permite aumentar la superficie activa del fotoconductor sin un aumento considerable de la carga capacitiva a la antena, aumentando la potencia máxima de la radiación de terahercios mediante la prevención de los efectos de detección de portador y la descomposición térmica a altas potencias de bombeo óptico. Mediante la incorporación de electrodos de contacto plasmónica, se demuestra la mejora de la eficiencia de conversión de potencia óptica-a-terahercios de un fotoconductor TE convencionalrahertz emisor por un factor de 50 ^10.

Introducción

Nosotros presentamos un nuevo emisor de terahercios fotoconductora que utiliza una configuración de electrodo de contacto plasmónica para mejorar la eficiencia de conversión óptica-a-terahercios por dos órdenes de magnitud. Nuestra técnica se ocupa de las limitaciones más importantes de emisores convencionales fotoconductoras terahertz, es decir, bajo la producción de energía y la escasa eficiencia de energía, que se originan a partir de la compensación inherente entre la alta eficiencia cuántica y operación ultrarrápida de fotoconductores convencionales.

Una de las novedades clave en nuestro diseño que llevaron a esta mejora de rendimiento a saltos es el diseño de una configuración de electrodo de contacto que se acumula un gran número de portadores foto-generados en las proximidades de los electrodos de contacto, de manera que puedan ser recogidos dentro de un sub- picosegundo calendario. En otras palabras, la solución de compromiso entre la operación ultrarrápida fotoconductor y alta eficiencia cuántica se mitiga por la manipulación espacial de la foto-génerosportadores Ted. Electrodos de contacto Plasmónicos ofrecen esta capacidad única de (1) que permite el confinamiento de luz en áreas activas de dispositivos a nanoescala entre los electrodos plasmónicas (más allá del límite de difracción), (2) mejora extraordinaria luz al contacto de metal y foto-absorción de la interfaz semiconductor ^{10, 11.} Otro atributo importante de nuestra solución es que tiene capacidad para grandes áreas activas del fotoconductor sin un aumento considerable de la carga parasitaria a la antena radiante de terahercios. La utilización de grandes áreas activas fotoconductor permiten mitigar el efecto de detección de portador y la descomposición térmica, que son las limitaciones en última instancia para la potencia máxima de la radiación de emisores fotoconductoras convencionales. Este artículo de vídeo se concentra en los atributos únicos de nuestra solución presentada mediante la descripción de la física que gobierna, modelación numérica, y la verificación experimental. Se demuestra experimentalmente 50 veces más altos poderes de terahercios de una Phot plasmónicaemisor oconductive en comparación con un emisor de fotoconductora similar con electrodos de contacto no plasmónica.

Protocolo

1. Plasmónicas Fabricación emisor Photoconductive

1. Fabrique rejillas plasmónica.
   1. Limpiar la oblea de semiconductor mediante la inmersión en acetona (2 min) seguido de isopropanol (2 min), y aclarado con agua desionizada (10 seg).
   2. Secar la muestra con nitrógeno y se calienta en una placa caliente a 115 ° C durante 90 segundos para eliminar cualquier resto de agua.
   3. Spin MicroChem 950K PMMA A4 en la muestra a 4000 rpm durante 45 seg. Pre-hornear la resisten en una placa caliente a 180 ° C durante 3 min.
   4. Coloque la muestra en una herramienta de litografía por haz de electrones (JEOL JBX-6300-FS). Exponer el patrón de rejilla plasmónica a una dosis base alrededor de 650 mC / cm ^2, con un voltaje de aceleración de 100 kV.
   5. Desarrollar PMMA mediante la inmersión de la muestra en un MIBK: IPA mezcla 01:03 de 90 seg. Inmediatamente la transferencia de la muestra a una solución de isopropanol puro para 60 seg.
   6. Lavar la muestra con agua desionizada durante 10 segundos y después secar la muestra con nitrógeno.
   7. Coloque la muestra en un separador de plasma (YES-CV200RFS). Descum la muestra con 30 W de potencia de RF a 30 ° C con una velocidad de flujo sccm O 100 ₂ durante 10 s.
   8. Eliminar de óxido superficial mediante la inmersión en una HCl: H ₂ 0 03:10 mezcla durante 30 seg. Inmediatamente la transferencia de la muestra a una cascada de enjuague de agua desionizada durante 4 min.
   9. Transferir la muestra a un vaso de precipitados de agua desionizada para reducir al mínimo la exposición al oxígeno atmosférico antes de la deposición de metal.
   10. Tome vaso de precipitados que contiene la muestra en agua desionizada a un evaporador de metal (Denton SJ-20). Purgar la cámara y retire, seque, y cargar la muestra en la cámara (estos pasos se deben seguir sin interrupción para evitar la formación de óxido de la superficie de la muestra).
   11. Bombear la cámara a una presión por debajo de 2x10 ^-6 Torr. Depósito Ti / Au (50/450).
   12. Purgar la cámara y retire la muestra.
   13. Para el despegue del metal depositado, coloque la muestra en un soporte de Teflon en unvaso de acetona, cubrir y dejar toda la noche. Destape el vaso, colocarlo en un agitador ultrasónico, y esperar hasta que se retire todo el metal no deseado (normalmente 30 segundos).
2. Depósito de pasivación de SiO _2.
   1. Limpie la muestra que en los pasos 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Cargar la muestra en una herramienta de deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD GSI). Depósito 1500 Å de _SiO2 a 200 ° C.
3. Abrir vías de contacto a través de _SiO2.
   1. Limpie la muestra que en los pasos 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Haga girar el HMDS a 4.000 rpm durante 30 segundos. Haga girar el Megaposit SPR 220 a 3,0 fotoprotector a 4.000 rpm durante 30 segundos. Pre-hornear la resisten en una placa caliente a 115 ° C durante 90 segundos.
   3. Cargue la muestra y la placa de máscara en la litografía de proyección paso a paso (GCA autostep 200). Alinear la muestra y exponer.
   4. Post-hornear el fotorresistente expuesto en una placa caliente a 115 ° C durante 90 seg.
   5. Desarrollar resistir AZ 300 MIF desarrollador de 60 seg.
   6. Inmediatamente mover la muestra a una cascada de aclarado de agua desionizada durante 4 min. Secar la muestra con nitrógeno.
   7. Coloque la muestra en un grabador iones reactivos (LAM 9400). Etch _SiO2 utilizando una fuente de TCP RF de 500 W, una potencia RF Sesgo de 100 W, 15 sccm de SF6, 50 sccm de C ₄ F _8, 50 sccm de Él, 50 sccm de Ar durante 80 seg.
   8. Eliminar la mayor parte de la resina fotosensible mediante la colocación de la muestra en acetona (5 min) seguido de isopropanol (2 min). Enjuague con agua desionizada (10 seg.) Secar con nitrógeno.
   9. Retire el fotoprotector residual cargando la muestra en una bailarina de striptease plasma (YES-CV200RFS). Retire el fotoprotector con 800 W de potencia de RF a 30 ° C con un caudal sccm O 100 ₂ de 5 min.
4. Fabrique antenas y líneas de polarización.
   1. Repita los pasos 1.3.1 - 1.3.6 para antenas de patrones y líneas de polarización.
   2. Repita los pasos 1.1.8 - 1.1.9 para eliminar el óxido superficial.
   3. Tome el vaso de precipitados que contiene la muestra yagua desionizada a un evaporador de metal (Denton SJ-20).
   4. Purgar la cámara y retire rápidamente, secar, y cargar la muestra en la cámara.
   5. Bombear la cámara a una presión por debajo de 2x10 ^-6 Torr. Depósito Ti / Au (10/4, 000 Å).
   6. Purgar la cámara y retire la muestra.
   7. Repita el paso 1.1.13 para el despegue del metal depositado.
5. Empaquete la muestra.
   1. Pegamento de los bordes de un mm de diámetro de la lente de silicio hiper-hemisférica 12 a una lavadora de aluminio de 2 pulgadas con el agujero de 8 mm.
   2. Pegue una placa PCB con restos de metal, a la cual se puede fácilmente la soldadura, la arandela de aluminio.
   3. Monte los plasmónicas fotoconductoras prototipos emisor terahercios fabricados en la lente de silicio utilizando epoxi fina.
   4. Bonos de alambre las zonas de contacto del dispositivo a una tarjeta de circuito impreso pegado en la misma lavadora de aluminio.
   5. Soldar los cables a los rastros de metal en la placa PCB.
   6. Conectar almohadillas de contacto del dispositivo a un analizador paramétrico (Hewlett Paqueteard 4155A) con cables soldados a las almohadillas correspondientes de la placa PCB para realizar pruebas.

2. Plasmónicas Caracterización emisor Photoconductive

1. Alineación de dispositivos.
   1. Coloque la arandela de aluminio que lleva los fotoconductores plasmónica de terahercios prototipos emisor en un montaje rotación y firmemente enfocar la bomba óptica de un Ti: Zafiro modo-cerró láser (MIRA 900D V10 XW OPT 110V) en el área activa de cada dispositivo.
   2. Ajustar el montaje de rotación de tal manera que el campo eléctrico de la bomba óptica está orientada para la excitación eficiente de las ondas de plasmón de superficie (normal a las rejillas plasmónica).
   3. Utilice el analizador paramétrico para, simultáneamente, aplicar voltajes de polarización para cada dispositivo y medir la corriente eléctrica inducida en cada dispositivo. Confirme la alineación de la bomba óptica óptima y el ajuste de polarización mediante la maximización de la fotocorriente de cada dispositivo bajo prueba.
2. Medición de potencia de salidadición.
   1. Use un interruptor óptico (Thorlabs MC2000) para modular la bomba óptica del modo bloqueado incidente láser de bombeo en cada dispositivo.
   2. Medir la potencia de salida de los prototipos emisor terahercios fotoconductoras plasmónicas utilizando un detector piroeléctrico (Detector Spectrum, Inc. SPI-A-65 THz).
   3. Conectar la salida del detector piroeléctrico a un amplificador lock-in (Sistemas de Investigación Stanford SR830) con la frecuencia de referencia del helicóptero óptica para recuperar los datos de potencia de terahercios a bajos niveles de ruido.
3. Caracterización espectral de la radiación.
   1. Comenzar con un Ti: Zafiro láser de modo bloqueado y utilizar un divisor de haz para dividir la salida del láser de modo bloqueado en un haz de la bomba y un haz de sonda.
   2. Utilice un modulador electro-óptico (EO Thorlabs-AM-NR-C2) para modular el haz óptico en la trayectoria de la bomba. Enfocar el haz de la bomba en el área activa del emisor fotoconductora bajo prueba para generar la radiación de terahercios.
   3. Colimael haz de terahercios generado utilizando una primera lente esférica de polietileno. Enfoque el haz colimado terahercios utilizando una segunda lente esférica polietileno.
   4. Antes de que el foco del haz de terahercios, combinar el haz colimado de terahercios con el haz óptico de sonda usando un filtro de vidrio recubierto con ITO.
   5. Coloca un 1 mm de espesor, <110> cristal CnTe montado en una etapa de rotación en el enfoque combinado del haz óptico y de terahercios.
   6. Insertar una línea óptica de retardo controlable en la trayectoria de la sonda óptica mediante el uso de una etapa lineal motorizado (Thorlabs NRT100) para variar el retardo de tiempo entre los pulsos ópticos y de terahercios que interactúan dentro del cristal CnTe.
   7. El uso de un medio-placa de onda en la trayectoria de la sonda, rotar la polarización de la sonda óptica para estar en un ángulo de 45 ° con respecto a la dirección de polarización de terahercios.
   8. Use un cuarto de placa de onda después de que el cristal CnTe, convierte la polarización del haz óptico en la polarización circular.
   9. Dividir la circulhaz óptico arly polarizada en dos ramas por un prisma Wollaston. Medir la potencia del haz óptico en cada rama usando dos detectores equilibrados conectados a un amplificador lock-in.
   10. Conecte la línea de retardo motor y amplificador lock-in a un ordenador. Escribir un guión de Matlab para moverse iterativamente la posición de la línea de retardo motor, hacer una pausa, y leer la magnitud de la señal desde el amplificador lock-in.
   11. Convertir la posición de fase para el dominio del tiempo, a través de la división de la longitud total óptica de retardo por la velocidad de la luz, seguido de una transformada de Fourier discreta (con Matlab) para obtener los datos de dominio de la frecuencia.

Resultados

Para demostrar el potencial de los electrodos plasmónica para la mejora de potencia de terahercios, se han fabricado dos emisores de terahercios: un emisor fotoconductora convencional (Figura 1a) y plasmónica (Figura 1b) la incorporación de electrodos de contacto plasmónica para reducir los tiempos de transporte de portadores para ponerse en contacto con los electrodos. Ambos diseños consisten en un fotoconductor ultrarrápido con 20 micras brecha entre el ánodo y el cátodo conta...

Discusión

En este artículo de vídeo, se presenta una técnica de generación de terahercios fotoconductora novedoso que utiliza una configuración de electrodo de contacto plasmónica para mejorar la eficiencia de conversión óptica-a-terahercios por dos órdenes de magnitud. El aumento significativo de la potencia de radiación de terahercios desde los emisores fotoconductoras plasmónicas presentados es muy valiosa para el futuro de alta sensibilidad de terahercios formación de imágenes, la espectroscopia y sistemas de esp...

Materiales

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