Progettazione, fabbricazione, e Sperimentale Caratterizzazione di plasmoniche Emettitori Terahertz fotoconduttive

Riepilogo

Descriviamo i metodi per la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione sperimentale di emettitori fotoconduttrici plasmonica, che offrono due ordini di grandezza più elevati livelli di potenza terahertz rispetto agli emettitori fotoconduttori convenzionali.

Abstract

In questo articolo video presentiamo una dimostrazione dettagliata di un metodo molto efficiente per la generazione di onde terahertz. La nostra tecnica si basa su fotoconduzione, che è stato una delle tecniche più utilizzate per la generazione di terahertz ^1-8. Generazione Terahertz in un emettitore fotoconduttiva si ottiene pompando un fotoconduttore ultraveloce con una illuminazione laser pulsato o heterodyned. La fotocorrente indotta, che segue l'inviluppo del laser di pompa, viene instradato a un antenna irradiante terahertz collegata agli elettrodi di contatto fotoconduttore per generare radiazione terahertz. Anche se l'efficienza quantica di un emettitore fotoconduttore può raggiungere teoricamente il 100%, i trasporti relativamente lunghi lunghezze dei percorsi dei vettori foto generati per gli elettrodi di contatto di fotoconduttori convenzionali hanno gravemente limitato la loro efficienza quantica. Inoltre, l'effetto di schermatura vettore e ripartizione termica limitano rigorosamente la massima uscita potenza di fonti terahertz fotoconduttori convenzionali. Per affrontare i limiti di efficienza quantica di convenzionali emettitori terahertz fotoconduttori, abbiamo sviluppato un nuovo concetto di emettitore fotoconduttiva che incorpora una configurazione plasmonico elettrodo di contatto per offrire alta quantum-efficienza e il funzionamento ultraveloce contemporaneamente. Utilizzando nano-scala elettrodi di contatto plasmonic, riduciamo notevolmente il vettore foto-generated percorso medio di trasporto per fotoconduttori elettrodi di contatto rispetto a fotoconduttori convenzionali ^9. Il nostro metodo permette anche di aumentare l'area attiva fotoconduttore senza un notevole incremento del carico capacitivo all'antenna, aumentando la potenza massima radiazione terahertz impedendo l'effetto di schermatura vettore e ripartizione termica alle alte potenze ottico di pompa. Incorporando elettrodi di contatto plasmonic, dimostriamo migliorando l'ottico-terahertz efficienza di conversione di potenza di un convenzionale fotoconduttivo terahertz emettitore di un fattore 50 ^10.

Introduzione

Presentiamo un romanzo emettitore terahertz fotoconduttivo che utilizza una configurazione di elettrodo di contatto plasmonica di migliorare l'efficienza di conversione ottico-terahertz da due ordini di grandezza. La nostra tecnica si rivolge ai più importanti limitazioni convenzionali emettitori terahertz fotoconduttori, vale a dire a bassa potenza di uscita e la scarsa efficienza di potenza, che provengono dal compromesso intrinseco tra elevata efficienza quantica e il funzionamento ultraveloce di fotoconduttori convenzionali.

Una delle novità chiave nella nostra progettazione che hanno portato a questo miglioramento delle prestazioni cavallina è quello di progettare una configurazione di elettrodo di contatto che accumula un gran numero di vettori foto-generati in prossimità degli elettrodi di contatto, tali da poter essere raccolti all'interno di un sub- picosecondo scala cronologica. In altre parole, il compromesso tra funzionamento ultraveloce fotoconduttore ed alta efficienza quantica è mitigato dalla manipolazione spaziale del foto-generivettori TED. Elettrodi di contatto plasmoniche offrono questa capacità unica di (1) consentendo confinamento luce in dispositivi nanometrici aree attive tra gli elettrodi plasmonic (oltre il limite di diffrazione), (2) straordinario valorizzazione luce al contatto metallo e foto-assorbenti interfaccia semiconduttore ^{10, 11.} Un altro attributo importante della nostra soluzione è che alloggia ampie aree attive fotoconduttore senza un notevole aumento del carico parassitario all'antenna radiante terahertz. Utilizzando grandi aree attive fotoconduttore consentono mitigare l'effetto di schermatura vettore e ripartizione termica, che sono i limiti ottimali per la massima potenza di radiazione da emettitori fotoconduttori convenzionali. In questo articolo il video si concentra sulle caratteristiche uniche della nostra soluzione presentata da descrivere la fisica che disciplinano, modellazione numerica e verifica sperimentale. Noi sperimentalmente Dimostriamo 50 volte superiori poteri terahertz da un phot plasmonicaemettitore oconductive in confronto con un emettitore fotoconduttiva simile con elettrodi di contatto non plasmonic.

Protocollo

1. Plasmonica Fabrication emettitore Photoconductive

1. Realizzare grate plasmonic.
   1. Pulire il wafer semiconduttore immergendolo in acetone (2 min) seguito da isopropanolo (2 min), e risciacquo con acqua deionizzata (10 sec).
   2. Essiccare il campione in azoto e riscaldare su una piastra riscaldante a 115 ° C per 90 secondi per rimuovere l'acqua residua.
   3. Spin MicroChem 950K PMMA A4 sul campione a 4000 rpm per 45 sec. Pre-bake il resist su una piastra riscaldante a 180 ° C per 3 min.
   4. Caricare il campione in uno strumento di litografia a fascio di elettroni (JEOL JBX-6300-FS). Esporre il pattern di rete plasmonica alla dose base di circa 650 uC / cm ^2, con una tensione di 100 kV di accelerazione.
   5. Sviluppare PMMA immergendo il campione in un MIBK: IPA miscela 1:03 per 90 sec. Trasferire immediatamente il campione ad una soluzione di isopropanolo puro per 60 sec.
   6. Lavare il campione con acqua deionizzata per 10 secondi e poi asciugare il campione con azoto.
   7. Caricare il campione in una spogliarellista plasma (SI-CV200RFS). Descum l'esempio utilizzando 30 W di potenza RF a 30 ° C con un SCCM O portata 100 ₂ per 10 sec.
   8. Rimuovere ossido superficiale immergendo in una HCl: H ₂ 0 3:10 miscela per 30 sec. Trasferire immediatamente il campione ad una cascata risciacquo di acqua deionizzata per 4 min.
   9. Trasferire il campione in un bicchiere di acqua deionizzata per minimizzare l'esposizione all'ossigeno atmosferico prima deposizione metallica.
   10. Prendere becher contenente il campione con acqua deionizzata ad un evaporatore metallo (Denton SJ-20). Ventilare la camera e quindi rimuovere, asciugare, e caricare il campione nella camera (questi passi devono essere seguite senza interruzione per impedire la formazione di ossido sulla superficie del campione).
   11. Pompare la camera ad una pressione inferiore a 2x10 ^-6 Torr. Cassetta di Ti / Au (50/450 A).
   12. Ventilare la camera e rimuovere il campione.
   13. Al fine di lift-off del metallo depositato, posizionare il campione su un supporto in Teflon in unbicchiere di acetone, coprire e lasciare per una notte. Scoprire il bicchiere, collocarlo in un agitatore ad ultrasuoni, e attendere finché non viene rimosso tutti i metalli indesiderati (in genere 30 secondi).
2. Cassetta di SiO ₂ passivazione.
   1. Pulire il campione, come nei passi 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Caricare il campione in uno strumento di deposizione di vapore chimico plasma-enhanced (GSI PECVD). Cauzione 1500 A di SiO ₂ a 200 ° C.
3. Aprire vie di contatto con SiO _2.
   1. Pulire il campione, come nei passi 1.1.1 - 1.1.2.
   2. Gira su HMDS a 4.000 giri per 30 sec. Gira su Megaposit SPR 220-3,0 photoresist a 4000 rpm per 30 sec. Pre-bake il resist su una piastra riscaldante a 115 ° C per 90 sec.
   3. Caricare il campione e la piastra maschera in proiezione litografia passo-passo (GCA autostep 200). Allineare il campione ed esporre.
   4. Post-cuocere il photoresist esposto su una piastra riscaldante a 115 ° C per 90 sec.
   5. Sviluppare resistere in AZ 300 MIF sviluppatore per 60 sec.
   6. Spostare il campione immediatamente ad una cascata risciacquo di acqua deionizzata per 4 min. Asciugare il campione con azoto.
   7. Caricare il campione in uno ione incisore reattiva (LAM 9400). Etch SiO ₂ con una potenza RF di TCP 500 W, un Bias potenza RF di 100 W, 15 SCCM di SF6, 50 sccm di C ₄ F _8, 50 sccm di Lui, 50 SCCM di Ar per 80 sec.
   8. Rimuovere il grosso del fotoresist ponendo il campione in acetone (5 min) seguito da isopropanolo (2 min). Sciacquare in acqua deionizzata (10 sec). Asciugare con azoto.
   9. Rimuovere il photoresist residuo caricando il campione in una spogliarellista plasma (SI-CV200RFS). Rimuovere il fotoresist usando 800 W di potenza RF a 30 ° C con una portata SCCM O 100 ₂ per 5 min.
4. Fabbricare antenne e linee di polarizzazione.
   1. Ripetere i punti 1.3.1 - 1.3.6 ad antenne modello e le linee diagonali.
   2. Ripetere i punti 1.1.8 - 1.1.9 per rimuovere l'ossido di superficie.
   3. Prendete il bicchiere contenente il campione eacqua deionizzata ad un evaporatore metallo (Denton SJ-20).
   4. Ventilare la camera e poi rimuovere rapidamente, asciugare, e caricare il campione nella camera.
   5. Pompare la camera ad una pressione inferiore a 2x10 ^-6 Torr. Cassetta di Ti / Au (10/4, 000 A).
   6. Ventilare la camera e rimuovere il campione.
   7. Ripetere il passaggio 1.1.13 per il decollo del metallo depositato.
5. Confezionare il campione.
   1. Incollare i bordi di diametro mm lente silicio iper-emisferica 12 ad una rondella di alluminio 2 pollici con foro 8 mm.
   2. Incollare una scheda PCB con tracce di metallo, per cui si può facilmente saldare, per la rondella di alluminio.
   3. Montare i plasmonic fotoconduttrici prototipi emettitore terahertz fabbricati sulla lente di silicio utilizzando resina epossidica sottile.
   4. Obbligazionari Collegare il dispositivo di contatto pad ad una scheda PCB incollato sulla stessa rondella di alluminio.
   5. Saldare i fili alle tracce metalliche sulla scheda PCB.
   6. Collegare il dispositivo di cuscinetti di contatto ad un analizzatore parametrico (Hewlett Paccoard 4155A) con fili saldati ai corrispondenti rilievi del bordo del PWB a scopo di test.

2. Plasmonica Caratterizzazione emettitore Photoconductive

1. L'allineamento del dispositivo.
   1. Posizionare la rondella di alluminio trasporta le plasmonic fotoconduttrici terahertz prototipi emettitore su un supporto di rotazione e strettamente focalizzare la pompa ottica da un Ti: zaffiro modo bloccato laser (MIRA 900D XW V10 OPT 110V) dentro l'area attiva di ciascun dispositivo.
   2. Regolare il montaggio in rotazione in modo tale che il campo elettrico della pompa ottica è orientata per l'eccitazione efficiente delle onde plasmonica di superficie (normale alle griglie plasmonic).
   3. Utilizzare l'analizzatore parametrico di applicare simultaneamente tensioni di polarizzazione per ciascun dispositivo e misurare la corrente elettrica indotta in ogni dispositivo. Confermare l'allineamento della pompa ottica ottimale e regolazione polarizzazione massimizzando la fotocorrente di ogni dispositivo in prova.
2. Misura di potenza di uscitasura.
   1. Utilizzare un chopper ottico (Thorlabs MC2000) per modulare la pompa ottica dal mode-locked incidente laser della pompa su ogni dispositivo.
   2. Misurare la potenza dei plasmonic fotoconduttrici prototipi emettitore terahertz utilizzando un rivelatore piroelettrico (Spectrum Detector, Inc. SPI-A-65 THz) in uscita.
   3. Collegare l'uscita del sensore piroelettrico a un amplificatore lock-in (Stanford Research Systems SR830) con frequenza di riferimento del chopper ottico per recuperare i dati di potenza terahertz a bassi livelli di rumorosità.
3. Radiazioni caratterizzazione spettrale.
   1. Iniziare con un laser Ti: zaffiro modo bloccato e utilizzare un divisore di fascio per dividere l'uscita del laser mode-locked in un fascio pompa e un fascio sonda.
   2. Utilizzare un modulatore elettroottico (Thorlabs EO-AM-NR-C2) per modulare il fascio ottico nel percorso pompa. Focalizzare il fascio pompa sull'area attiva dell'emettitore fotoconduttivo in prova per generare radiazione terahertz.
   3. Collimareil fascio terahertz generato utilizzando una prima lente sferica polietilene. Focalizzare il fascio collimato terahertz usando una seconda lente sferica polietilene.
   4. Prima della messa a fuoco del fascio terahertz, combinare il fascio collimato terahertz con il fascio ottico sonda utilizzando un filtro di vetro rivestito ITO.
   5. Posizionare un spessore di 1 mm, <110> cristallo ZnTe montato su un palco rotazione al fuoco combinato del fascio ottico e terahertz.
   6. Inserire una linea di ritardo ottica controllabile nel percorso sonda ottica utilizzando una fase lineare motorizzato (Thorlabs NRT100) per variare il ritardo di tempo tra gli impulsi ottici e terahertz interagiscono all'interno del cristallo ZnTe.
   7. Utilizzando un mezzo waveplate nel percorso sonda, ruotare la polarizzazione della sonda ottica ad essere ad un angolo di 45 ° rispetto alla direzione di polarizzazione terahertz.
   8. Utilizzare un quarto di waveplate dopo il cristallo ZnTe, convertire la polarizzazione fascio ottico in polarizzazione circolare.
   9. Dividere il circulfascio ottico Arly polarizzato in due rami da un prisma di Wollaston. Misurare la potenza del fascio ottico in ciascun ramo usando due rivelatori bilanciati collegati ad un amplificatore di blocco.
   10. Collegare la linea di ritardo motorizzata e amplificatore di blocco a un computer. Scrivere uno script Matlab per spostare iterativamente la posizione della linea di ritardo a motore, mettere in pausa, e leggere l'ampiezza del segnale da amplificatore lock-in.
   11. Convertire la posizione di fase nel dominio del tempo, attraverso dividendo la lunghezza totale ritardo ottico per la velocità della luce, seguita da una trasformata di Fourier discreta (utilizzando Matlab) per ottenere i dati del dominio di frequenza.

Risultati

Per dimostrare le potenzialità di elettrodi plasmonic per terahertz valorizzazione potere, abbiamo inventato due emettitori terahertz: una convenzionale (Figura 1a) e plasmonica (Figura 1b) fotoconduttiva emettitore incorporando elettrodi di contatto plasmonica di ridurre i tempi di trasporto carrier di contattare elettrodi. Entrambi i modelli sono costituiti da un fotoconduttore ultraveloce con 20 micron gap tra anodo e catodo contatti, collegato ad un'antenna papillon lunga 60 mi...

Discussione

In questo articolo video, presentiamo una tecnica di generazione terahertz fotoconduttivo romanzo che utilizza una configurazione di elettrodo di contatto plasmonica di migliorare l'efficienza di conversione ottico-terahertz da due ordini di grandezza. Il significativo aumento della potenza di radiazione terahertz dagli emettitori fotoconduttrici plasmonic presentati è molto utile per il futuro ad alta sensibilità terahertz imaging, la spettroscopia e spettrometria di sistemi utilizzati per l'identificazione c...

Materiali

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