Conception, fabrication et expérimentale Caractérisation des plasmoniques émetteurs térahertz Photoconductive

Résumé

Nous décrivons des méthodes pour la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale des émetteurs photoconductives plasmoniques, qui offrent deux ordres de niveaux de puissance plus élevés térahertz de grandeur par rapport aux émetteurs photoconductives conventionnels.

Résumé

Dans cet article, nous présentons la vidéo d'une démonstration détaillée d'une méthode très efficace pour générer des ondes térahertz. Notre technique est basée sur photoconduction, qui a été l'une des techniques les plus couramment utilisées pour la génération térahertz ^1-8. génération d'un émetteur térahertz en photoconductrice est réalisée en pompant un photoconducteur ultra-rapide avec un éclairage laser pulsé ou hétérodyne. Le photocourant induit, qui fait suite à l'enveloppe du laser de pompage, est acheminée à une antenne de rayonnement terahertz connecté aux électrodes en contact avec les photoconducteurs pour générer un rayonnement térahertz. Bien que le rendement quantique d'un émetteur photoconducteur peut théoriquement atteindre 100%, les longueurs des trajets de transport relativement longs des porteurs photo-générés pour les électrodes de contact de photoconducteurs classiques ont sévèrement limité leur efficacité quantique. En outre, l'effet de dépistage des porteurs et la dégradation thermique limitent strictement la sortie maximale peurs de sources térahertz photoconductives conventionnels. Pour remédier aux limitations de l'efficacité quantique d'émetteurs térahertz photoconductives conventionnels, nous avons développé un nouveau concept d'émetteur photoconductrice qui intègre une configuration d'électrodes de contact plasmonique à offrir quantique élevé d'efficacité et le fonctionnement ultra-rapide en même temps. En utilisant des électrodes de contact plasmoniques à l'échelle nanométrique, nous réduisons considérablement la photo généré par chemin de transport de porteurs moyenne à des électrodes de contact photoconducteurs par rapport à photoconducteurs conventionnels ^9. Notre méthode permet également augmenter la surface active du photoconducteur sans une augmentation considérable de la charge capacitive à l'antenne, augmentant la puissance maximale du rayonnement térahertz en empêchant l'effet de dépistage des porteurs et la dégradation thermique à des puissances de pompage optique. En intégrant des électrodes de contact plasmoniques, nous démontrons l'amélioration de l'efficacité de conversion de puissance optique-terahertz d'un photoconducteur te conventionnelrahertz émetteur par un facteur de 50 ^10.

Introduction

Nous présentons une nouvelle émetteur térahertz photoconductrice qui utilise une configuration d'électrodes de contact plasmonique de renforcer l'efficacité de conversion optique-terahertz par deux ordres de grandeur. Notre technique porte sur les limitations les plus importantes d'émetteurs classiques photoconductives terahertz, à savoir faible puissance de sortie et une mauvaise efficacité énergétique, qui proviennent du compromis inhérent entre haute efficacité quantique et le fonctionnement ultra-rapide de photoconducteurs conventionnels.

Une des nouveautés clés de notre conception qui ont conduit à cette amélioration de la performance saute-mouton est de concevoir une configuration d'électrodes de contact qui accumule un grand nombre de porteurs photo-générés à proximité des électrodes de contact, de sorte qu'ils peuvent être collectées dans un sous- picoseconde calendrier. En d'autres termes, le compromis entre le fonctionnement ultra-rapide du photoconducteur et haute efficacité quantique est atténué par la manipulation spatiale de la photo-genrestransporteurs ted. Électrodes de contact plasmoniques offrent cette capacité unique par (1) permettant confinement de la lumière dans les zones actives du dispositif nanométrique entre les électrodes plasmoniques (au-delà de la limite de diffraction), (2) l'amélioration lumière extraordinaire au contact du métal et photo-absorbant l'interface semi-conducteur ^{10, 11.} Une autre caractéristique importante de notre solution est qu'elle accueille de grandes zones actives photoconducteurs sans une augmentation considérable de la charge parasitaire à l'antenne de rayonnement térahertz. Utilisant des grandes zones actives photoconducteurs permettent d'atténuer les effets de dépistage des porteurs et la dégradation thermique, qui sont les limites ultimes de la puissance maximale du rayonnement des émetteurs photoconductives conventionnels. Cet article de la vidéo se concentre sur les attributs uniques de notre solution présentée en décrivant la physique qui régissent, la modélisation numérique et la vérification expérimentale. Nous démontrons expérimentalement 50 fois plus élevé pouvoirs terahertz d'une phot plasmoniqueémetteur oconductive en comparaison avec un émetteur photoconducteur similaire avec des électrodes de contact non-plasmoniques.

Protocole

1. Plasmonique Fabrication de l'émetteur Photoconductive

1. Fabriquer des réseaux plasmoniques.
   1. Nettoyer la plaquette de semi-conducteur par immersion dans de l'acétone (2 min) suivi d'isopropanol (2 min), et un rinçage à l'eau désionisée (10 sec).
   2. Sécher l'échantillon avec de l'azote et chauffer sur une plaque chauffante à 115 ° C pendant 90 secondes pour éliminer toute l'eau restante.
   3. Spin MicroChem 950K PMMA A4 sur l'échantillon à 4000 rpm pendant 45 sec. Pré-cuire le résist sur une plaque chauffante à 180 ° C pendant 3 min.
   4. Chargez l'échantillon dans un outil de lithographie par faisceau d'électrons (JEOL JBX-6300-FS). Exposer le motif de réseau plasmonique à une dose de base autour de 650 pC / cm ^2, en utilisant une tension d'accélération de 100 kV.
   5. Développer PMMA en plongeant l'échantillon dans un MIBK: IAP mélange 1:3 90 sec. Transférer immédiatement l'échantillon à une solution de l'isopropanol pur pendant 60 sec.
   6. Rincer l'échantillon avec de l'eau déminéralisée pendant 10 secondes et ensuite sécher l'échantillon avec de l'azote.
   7. Chargez l'échantillon dans une strip-teaseuse plasma (OUI-CV200RFS). Descum l'échantillon en utilisant une puissance RF de 30 W à 30 ° C avec un sccm débit de O ₂ de 100 pendant 10 sec.
   8. Retirer l'oxyde de surface par immersion dans une HCl: H ₂ 0 3h10 mélange pendant 30 sec. Immédiatement transférer l'échantillon à une cascade de rinçage d'eau déionisée pendant 4 min.
   9. Transférer l'échantillon dans un bécher d'eau déminéralisée pour minimiser l'exposition à l'oxygène atmosphérique avant le dépôt de métal.
   10. Prendre bécher contenant l'échantillon dans de l'eau désionisée à un évaporateur de métal (Denton SJ-20). Purger la chambre et puis supprimer, sécher et charger l'échantillon dans la chambre (ces étapes doivent être suivies sans interruption pour éviter la formation d'oxyde de surface de l'échantillon).
   11. Pompe de la chambre à une pression inférieure à 2x10 ^-6 Torr. Dépôt Ti / Au (50/450 A).
   12. Purger la chambre et retirer l'échantillon.
   13. Pour le décollage du métal déposé, placer l'échantillon sur un support en téflonbécher d'acétone, couvrir, et laisser une nuit. Découvrez le bécher, le placer dans un agitateur à ultrasons, et attendre que tout le métal indésirable est retiré (typiquement 30 sec).
2. Dépôt SiO ₂ passivation.
   1. Nettoyer l'échantillon comme dans les stades 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Chargez l'échantillon dans un plasma-enhanced outil de dépôt chimique en phase vapeur (GSI PECVD). Caution 1500 A de SiO ₂ à 200 ° C.
3. Ouvrez vias de contact à travers SiO _2.
   1. Nettoyer l'échantillon comme dans les stades 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Spin sur HMDS à 4000 rpm pendant 30 sec. Spin sur Megaposit SPR 220 à 3,0 photosensible à 4000 rpm pendant 30 sec. Pré-cuire le résist sur une plaque chauffante à 115 ° C pendant 90 sec.
   3. Chargez l'échantillon et la plaque de masque en projection lithographie stepper (GCA AutoStep 200). Aligner l'échantillon et exposer.
   4. Post-cuisson de la résine photosensible exposée sur une plaque chauffante à 115 ° C pendant 90 sec.
   5. Développer résister à AZ 300 MIF pour 60 sec.
   6. Passer immédiatement l'échantillon à une cascade de rinçage d'eau déminéralisée pendant 4 min. Sécher l'échantillon avec de l'azote.
   7. Chargez l'échantillon dans un graveur ionique réactive (LAM 9400). Gravure de SiO ₂ à l'aide d'une puissance RF de TCP 500 W, une puissance RF de polarisation de 100 W, 15 sccm de SF6, 50 sccm de C ₄ F _8, 50 sccm de Il, 50 sccm d'Ar pendant 80 sec.
   8. Retirer la majeure partie de la résine photosensible en plaçant l'échantillon dans l'acétone (cinq minutes) suivi de l'isopropanol (2 min). Rincer à l'eau déminéralisée (10 sec). Sécher avec de l'azote.
   9. Retirer la résine photosensible résiduelle en chargeant l'échantillon dans une strip-teaseuse plasma (OUI-CV200RFS). Retirer la résine photosensible à l'aide de 800 W de puissance RF à 30 ° C avec un sccm O débit 100 ₂ pendant 5 min.
4. Fabriquer des antennes et des lignes de polarisation.
   1. Répéter les étapes 1.3.1 - 1.3.6 aux antennes de modèle et de lignes de polarisation.
   2. Répéter les étapes 1.1.8 - 1.1.9 pour éliminer l'oxyde de surface.
   3. Prenez le bécher contenant l'échantillon eteau désionisée à un évaporateur métallique (Denton SJ-20).
   4. Purger la chambre, puis retirez rapidement, sécher et charger l'échantillon dans la chambre.
   5. Pompe de la chambre à une pression inférieure à 2x10 ^-6 Torr. Dépôt Ti / Au (10/4, 000 Å).
   6. Purger la chambre et retirer l'échantillon.
   7. Répétez l'étape 1.1.13 pour le décollage du métal déposé.
5. Emballez l'échantillon.
   1. Coller les bords d'une lentille de 12 mm de diamètre hyper-hémisphérique de silicium à une rondelle d'aluminium 2 pouces avec trou de 8 mm.
   2. Collez une planche PCB avec des traces de métaux, à laquelle on peut facilement souder, à la rondelle en aluminium.
   3. Montez les plasmoniques photoconductives prototypes d'émetteurs térahertz fabriquées sur la lentille de silicium en utilisant époxy mince.
   4. liaison par fil les plots de contact de l'appareil à une carte de circuit imprimé collé sur la même rondelle en aluminium.
   5. Souder les fils aux traces métalliques sur la carte de circuit imprimé.
   6. Connecter des plots de contact de l'appareil à un analyseur paramétrique (Hewlett Paquetard 4155A) utilisant des fils soudés sur les plots correspondants de la carte de circuit imprimé des fins de test.

2. Plasmonique Caractérisation de l'émetteur Photoconductive

1. l'alignement de l'appareil.
   1. Placez la rondelle en aluminium portant les térahertz photoconductives plasmoniques prototypes de l'émetteur sur un support de rotation et bien concentrer le pompage optique d'un Ti: saphir mode verrouillé laser (MIRA 900D XW V10 OPT 110V) sur la zone active de chaque appareil.
   2. Régler le montage de rotation de telle sorte que le champ électrique de la pompe optique est orienté pour l'excitation des plasmons de surface efficace des ondes (normale aux grilles plasmoniques).
   3. Utilisez l'analyseur paramétrique pour appliquer simultanément des tensions de polarisation à chaque appareil et mesurer le courant électrique induit dans chaque dispositif. Confirmer l'alignement de pompage optique optimale et l'ajustement de la polarisation en optimisant le courant photoélectrique de chaque dispositif à l'essai.
2. AEM de puissance de sortieurement.
   1. Utilisez un hacheur optique (Thorlabs MC2000) pour moduler le pompage optique de l'incident de verrouillage de mode pompe laser sur chaque appareil.
   2. Mesurer la puissance de sortie des prototypes d'émetteur térahertz photoconducteurs plasmoniques l'aide d'un détecteur pyroélectrique (détecteur de spectre rl SPI-A-65 THz).
   3. Branchez la sortie du détecteur pyro-électrique à un amplificateur lock-in (Stanford Research Systems SR830) à la fréquence de référence de l'optique hélicoptère pour récupérer les données de puissance térahertz à de faibles niveaux de bruit.
3. Radiation caractérisation spectrale.
   1. Commencer avec une Ti: Saphir laser à verrouillage de mode et en utilisant un diviseur de faisceau pour diviser la sortie du laser à verrouillage de modes dans un faisceau de pompage et un faisceau sonde.
   2. Utilisation d'un modulateur électro-optique (EO Thorlabs-AM-C-C2) pour moduler le faisceau optique dans le chemin de la pompe. Focaliser le faisceau de pompe sur la surface active de l'émetteur photoconductrice sous test afin de générer un rayonnement térahertz.
   3. Collimaterle faisceau térahertz générée à l'aide d'une première lentille sphérique de polyéthylène. Focaliser le faisceau térahertz collimaté à l'aide d'une seconde lentille sphérique de polyéthylène.
   4. Avant la focalisation du faisceau terahertz, mélanger le faisceau térahertz collimaté avec le faisceau optique de sonde à l'aide d'un filtre de verre revêtu d'ITO.
   5. Déposer une épaisseur de 1 mm, <110> ZnTe cristal monté sur une platine de rotation au foyer combiné du faisceau optique et térahertz.
   6. Insérer une ligne à retard optique réglable dans le trajet de la sonde optique à l'aide d'une platine de translation motorisé (Thorlabs NRT100) pour faire varier le temps de retard entre les impulsions optiques et térahertz qui interagissent à l'intérieur du cristal de ZnTe.
   7. Utilisation d'un demi-plaque d'onde dans la trajectoire de la sonde, faire tourner la polarisation de la sonde optique d'être à un angle de 45 ° par rapport à la direction de polarisation térahertz.
   8. Utiliser un quart de lame d'onde après le cristal ZnTe, convertir la polarisation du faisceau optique en polarisation circulaire.
   9. Diviser la circulfaisceau optique Arly polarisée en deux branches par un prisme de Wollaston. Mesurer la puissance du faisceau optique dans chaque branche en utilisant deux détecteurs équilibrés connectés à un amplificateur lock-in.
   10. Connecter la ligne à retard motorisée et amplificateur à verrouillage à un ordinateur. Ecrire un script Matlab pour déplacer de manière itérative la position de la ligne de retard motorisé, pause, lecture et l'amplitude du signal de l'amplificateur lock-in.
   11. Convertir la position de phase de la plage de temps, en divisant la longueur totale de retard optique par la vitesse de la lumière, suivie d'une transformée de Fourier discrète (Matlab) pour obtenir les données de domaine de fréquence.

Résultats

Pour démontrer le potentiel des électrodes plasmoniques pour l'amélioration du pouvoir terahertz, nous avons fabriqué deux émetteurs térahertz: un (figure 1b) photoconducteur émetteur conventionnel (figure 1a) et plasmonique intégrant des électrodes de contact plasmoniques pour réduire les temps de transport porteuses de contacter électrodes. Les deux motifs sont constitués d'un photoconducteur ultrarapide avec 20 écart um entre l'anode et les contacts de cathod...

Discussion

Dans cet article, vidéo, nous vous présentons une nouvelle technique de production d'terahertz photoconductrice qui utilise une configuration d'électrodes de contact plasmonique de renforcer l'efficacité de conversion optique-terahertz par deux ordres de grandeur. L'augmentation significative de la puissance de rayonnement térahertz des émetteurs photoconductives plasmoniques présentés est très précieux pour l'avenir haute sensibilité terahertz imagerie, la spectroscopie et de systèmes de...

matériels

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