Plasmonic의 광전 테라 헤르츠 터의 설계, 제작 및 실험 특성

요약

우리는 디자인, 제조, 종래의 광전 에미 터에 비해 크기 높은 테라 헤르츠 파워 레벨의 두 가지 명령을 제공 플라즈몬 광전 방출의 실험 특성화하는 방법을 설명합니다.

초록

이 비디오 문서에서 우리는 테라 헤르츠 파를 생성하기위한 매우 효율적인 방법에 대한 자세한 논증을 제시한다. 우리의 기술은 테라 헤르츠 발생 ^1-8에 가장 일반적으로 사용되는 기술 중 하나가되었습니다 photoconduction을 기반으로하고 있습니다. 광전 터의 테라 헤르츠 세대 펄스 또는 heterodyned 레이저 조명 초고속 컨덕터를 펌핑에 의해 달성된다. 펌프 레이저의 봉투를 다음에 의한 광전류는, 테라 헤르츠 방사선을 생성하는 현상기 접촉 전극에 연결되어 테라 헤르츠 방사 안테나로 라우팅됩니다. 광전 터의 양자 효율은 이론적으로 100 %에 도달 할 수 있지만, 기존 컨덕터의 접촉 전극에 사진 생성 된 캐리어의 비교적 긴 전송 경로 길이는 심각하게 자신의 양자 효율을 제한했다. 또한, 캐리어 심사 효과 및 열 분해 엄격히 최대 출력 P를 제한타워를 기존의 광전 테라 헤르츠 소스. 기존의 광전 테라 헤르츠 방출의 양자 효율의 한계를 해결하기 위해, 우리는 동시에 높은 양자 효율과 초고속 동작을 제공하는 플라즈몬 접촉 전극 구성을 통합하는 새로운 광전 에미 터 개념을 개발했습니다. 나노 스케일 플라즈몬 접촉 전극을 사용하여, 우리는 크게 기존의 포토 컨덕터의 ^10에 비해 현상기 접촉 전극 평균 사진 생성 된 캐리어 전송 경로를 줄일 수 있습니다. 우리의 방법은 높은 광학 펌프 파워의 캐리어 검진 효과와 열 파괴를 방지하여 최대 테라 헤르츠 방사선 힘을 증폭 안테나 용량 성 부하에 상당한 증가없이 증가 컨덕터 활성 영역을 허용합니다. 통합 플라즈몬 접촉 전극으로, 우리는 기존의 광전 테의 광학 - 투 - 테라 헤르츠 전력 변환 효율을 향상을 보여주는50 ^10의 요인에 의해 rahertz 이미 터.

서문

우리는 두 자릿수로 광학 - 투 - 테라 헤르츠 변환 효율을 향상시키기 위해 플라즈몬 접촉 전극 구성을 사용하는 새로운 광전 테라 헤르츠 방출을 제시한다. 우리의 기술은 높은 양자 효율 및 기존 컨덕터의 초고속 동작 사이의 고유 트레이드 오프에서 발생한 기존의 광전 테라 헤르츠 방출, 즉 낮은 출력 전력과 빈약 한 전력 효율성의 가장 중요한 한계를 해결합니다.

이 도약의 성능 향상을 주도 우리 디자인의 핵심 못하던 중 하나는 접촉 전극에 근접의 사진에서 생성 된 캐리어의 큰 숫자를 축적 접촉 전극 구성을 설계하는 것입니다 그들은 내에서 수집 할 수 있도록 하위 피코 척도. 즉, 현상기 초고속 동작과 높은 양자 효율 사이의 절충은 사진 속의 공간 조작에 의해 완화됩니다테드 항공사. 플라즈몬 접촉 전극 (1) 플라즈몬 전극 (회절 한계 이상), 금속 접촉에서 (2) 특별한 빛의 향상 및 반도체 인터페이스 ^{10, 11} 사진 흡수 사이의 나노 장치의 활성 영역으로 빛을 구속함으로써이 독특한 기능을 제공합니다. 우리의 솔루션의 또 다른 중요한 특성은 테라 헤르츠 방사 안테나 기생 로딩에 상당한 증가없이 큰 컨덕터 활동 영역을 수용한다는 것입니다. 활용하여 대형 현상기 활동 영역은 기존의 광전 방출에서 최대 방사 전력에 대한 궁극적 인 제한 사항 캐리어 검진 효과 및 열 분해를 완화 수 있습니다. 이 비디오 문서는 지배 물리학, 수치 모델링 및 실험 검증을 설명하여 우리 제시된 솔루션의 고유 한 속성에 집중되어있다. 우리는 실험적 플라즈몬 phot 50 배 이상 높은 테라 헤르츠 능력을 보여비 플라즈몬 접촉 전극과 유사한 광전 이미 터와 비교 oconductive 터.

프로토콜

1. 플라즈몬 광전 이미 터 제작

1. 플라즈몬 격자를 제조.
   1. 이소프로판올 (2 분) 다음에 아세톤 (2 분)에 침지하고, 탈 이온수 (10 초)로 세척하여 반도체 웨이퍼를 청소합니다.
   2. 질소 샘플을 건조 ° C 90 초 동안 남아있는 물을 제거하기 위해 115에서 열판에 가열한다.
   3. 45 초 동안 4,000 rpm에서 샘플을 스핀 MicroChem 950K PMMA의 A4. 전 빵은 3 분 동안 180 ° C에서 열판에 저항한다.
   4. 전자 빔 리소그래피 도구 (JEOL JBX-6300-FS)에 샘플을로드합니다. 100 kV의 가속 전압을 사용하여, 650 μC / cm ² 정도 기본 용량으로 플라즈몬 격자 패턴을 노출합니다.
   5. MIBK에서 샘플을 담가 PMMA 개발 : 90 초 동안 IPA 1시 3분 혼합. 바로 60 초 순수 이소프로판올 용액에 샘플을 전송합니다.
   6. 10 초 동안 탈 이온수로 샘플을 세척 한 후 질소로 샘플을 건조.
   7. 플라즈마 스트리퍼 (YES-CV200RFS)에 샘플을로드합니다. 디스 컴 10 초 100 sccm으로 O ₂ 유량 30 ° C에서 30 W RF 전력을 사용하여 샘플.
   8. 염산에 침지하여 표면의 산화물을 제거 30 초 H ₂ 0 3시 10분 혼합. 즉시 4 분의 탈 이온수 헹굼 폭포에 샘플을 전송합니다.
   9. 금속 증착하기 전에 공기 중의 산소에 대한 노출을 최소화하기 위해 증류수 비커에 샘플을 전송합니다.
   10. 금속 증발기 (덴튼 SJ-20)에 탈 이온수에서 샘플을 포함하는 비커를 가져 가라. 챔버를 배출하고 제거 건조하고, 챔버 (이 단계는 샘플 표면의 산화물 형성을 방지하기 위해 중단없이 따라야한다)에 샘플을로드합니다.
   11. 2 × 10 ^-6 Torr의 아래에 압력 챔버 펌프. 보증금 티 / AU (4백50분의 50 Å).
   12. 챔버 환기 및 샘플을 제거합니다.
   13. 용착 금속을 이륙하기 위해,에 테플론 홀더에 샘플을 배치아세톤 비커 커버, 하룻밤 둡니다. 비커를 발견, 초음파 교반기에 배치하고, 모든 원치 않는 금속이 (일반적으로 30 초)이 제거 될 때까지 기다립니다.
2. 보증금 그런가 ₂ 패시베이션.
   1. 1.1.2 - 1.1.1 단계에서와 같이 시료를 청소합니다.
   2. 플라즈마 화학 기상 증착 도구 (GSI PECVD)에서 샘플을로드합니다. 200 ° C.에 그런가 _2의 보증금 1,500 Å
3. 그런가 _2를 통해 문의 비아를 엽니 다.
   1. 1.1.2 - 1.1.1 단계에서와 같이 시료를 청소합니다.
   2. 30 초 동안 4,000 rpm으로 HMDS에 스핀. 30 초 동안 4,000 rpm에서 Megaposit SPR 220-3.0 포토 레지스트에 스핀. 전 빵은 90 초 동안 115 ° C에서 열판에 저항한다.
   3. 프로젝션 리소그래피 스테퍼 (GCA AutoStep 200)에 샘플 마스크 플레이트를 넣습니다. 샘플을 맞추고 노출합니다.
   4. 90 초 동안 115 ° C에서 열판에 노출 된 포토 레지스트 후 굽는다.
   5. 6에 대한 AZ 300 MIF 개발자에 저항 개발0 초.
   6. 즉시 계단식으로 샘플을 이동 4 분 증류수 헹구십시오. 질소 샘플을 건조시킵니다.
   7. 반응성 이온 식각 (LAM 9400)에 샘플을로드합니다. 500 W의 TCP RF 전력을 사용하여 에칭 그런가 _2, 100 W의 바이어스 RF 전력의 15 SCCM SF6-, C ₄ F _8, 그는 50 SCCM 50 SCCM, 80 초 아르의 50 SCCM.
   8. 이소프로판올 (2 분) 다음에 아세톤 (5 분)에서 샘플을 배치하여 포토 레지스트의 대부분을 제거합니다. 탈 이온수 (10 초)에 씻어. 질소로 건조.
   9. 플라즈마 스트리퍼 (YES-CV200RFS)에서 샘플을로드하여 잔류 포토 레지스트를 제거합니다. 5 분 100 sccm으로 O ₂ 유량 30 ° C에서 800 W의 RF 전력을 사용하여 포토 레지스트를 제거합니다.
4. 안테나 및 바이어스 라인을 제작.
   1. 패턴 안테나와 바이어스 라인 1.3.6 - 1.3.1 단계를 반복합니다.
   2. 1.1.9 표면의 산화물을 제거하는 단계 - 1.1.8를 반복합니다.
   3. 샘플을 포함하는 비커를 타고금속 증발기 (덴튼 SJ-20)에 물을 탈 이온화.
   4. 챔버를 배출하고 신속하게 제거 건조하고, 챔버에 샘플을로드합니다.
   5. 2 × 10 ^-6 Torr의 아래에 압력 챔버 펌프. 보증금 티 / AU (10 / 4, 000).
   6. 챔버 환기 및 샘플을 제거합니다.
   7. 에 리프트 오프 용착 금속 단계 1.1.13를 반복합니다.
5. 샘플을 포장한다.
   1. 접착제 8mm 구멍 2 인치 알루미늄 와셔에 12 mm 직경 하이퍼 반구형 실리콘 렌즈의 가장자리를.
   2. 접착제 금속 흔적을 가진 PCB 보드에있는 하나의 알루미늄 와셔하려면 쉽게 납땜 할 수 있습니다.
   3. 얇은 에폭시를 사용하여 실리콘 렌즈 제작 플라즈몬 광전 테라 헤르츠 터 프로토 타입을 장착합니다.
   4. 같은 알루미늄 세탁기에 붙어 PCB 보드에 와이어 본드 장치 접촉 패드.
   5. PCB 기판의 금속 트레이스 솔더 와이어.
   6. 파라 메트릭 분석기 (휴렛 팩에 장치 접촉 패드를 연결테스트 목적으로 PCB 보드의 해당 패드에 납땜 와이어를 사용하여 ARD 4155A).

2. 플라즈몬 광전 이미 터 특성

1. 장치 정렬.
   1. 회전 마운트에 플라즈몬 광전 테라 헤르츠 터 프로토 타입을 들고 알루미늄 와셔를 삽입하고 단단히 티에서 광학 펌프 초점 : 사파이어는 각 장치의 활성 영역에 레이저 (MIRA 900D V10 XW OPT 110V)을 모드하시오.
   2. 광 펌프의 전기장 표면 플라즈몬 파 (플라즈몬 격자에 수직)을 효율적으로 여기에 대한 방향이되도록 회전 마운트를 조정합니다.
   3. 동시에 각 장치에 바이어스 전압을 적용하고 각 장치에 유도 전류를 측정하는 파라미터 분석기를 사용합니다. 테스트중인 각 장치의 광전류를 극대화하여 최적의 광학 펌프 정렬 및 편광 조정을 확인합니다.
2. 출력 전력 측정urement : 기털.
   1. 각 장치의 모드 잠금 펌프 레이저 사건에서 광학 펌프를 조절하는 광 단속기 (THORLABS MC2000)를 사용합니다.
   2. 초전 검출기 (스펙트럼 검출기, 주식 회사 SPI-A-65 헤르츠)를 사용하여 플라즈몬 광전 테라 헤르츠 터 프로토 타입의 출력 전력을 측정합니다.
   3. 에 잠금 낮은 소음 수준에서 테라 헤르츠 전력 데이터를 복구하려면 광학 헬기의 기준 주파수 증폭기 (스탠포드 연구 시스템 SR830). 초전 검출기의 출력에 연결
3. 방사선 스펙트럼 특성.
   1. 사파이어 모드 잠금 레이저 및 펌프 빔과 프로브 빔 모드 잠금 레이저의 출력을 분할 빔 스플리터를 사용 티와 함께​​ 시작합니다.
   2. 펌프 경로의 광 빔을 변조 electrooptic 변조기 (THORLABS EO-AM-NR-C2)를 사용합니다. 테라 헤르츠 방사선을 생성하는 시험 광전 터의 활성 영역에 펌프 빔을 초점을 맞 춥니 다.
   3. 시준첫 번째 폴리에틸렌 구형 렌즈를 사용하여 생성 된 테라 헤르츠 빔. 두 번째 폴리에틸렌 구형 렌즈를 사용하여 평행 테라 헤르츠 빔을 초점을 맞 춥니 다.
   4. 테라 헤르츠 빔의 초점 전에, ITO 코팅 유리 필터를 사용하여 프로브 광 빔을 평행 테라 헤르츠 빔을 결합한다.
   5. 두께 1 mm의 배치, <110> ZnTe 결정 광학 및 테라 헤르츠 빔의 결합 초점에서 회전 스테이지에 장착.
   6. ZnTe 결정 내에서의 상호 작용 광학 및 테라 헤르츠 펄스 사이의 시간 지연을 변경하는 전동 리니어 스테이지 (THORLABS NRT100)를 사용하여 광학 프로브 경로 제어 광 지연 선을 삽입합니다.
   7. 프로브 경로에 반 waveplate을 사용하여 테라 헤르츠 편광 방향에 45 ° 각도 관계에있을 광학 프로브의 편광을 회전합니다.
   8. ZnTe 결정 후 내무반 waveplate을 사용하여, 원형 편광에 광 빔 편광 변환합니다.
   9. circul 분할울러 프리즘에 의해 두 가지로 흘리 편광 광 빔. 잠금 앰프에 연결된 두 개의 균형 검출기를 사용하여 각 분기의 광 빔 전력을 측정한다.
   10. 컴퓨터에 동력 지연 라인 및 잠금 앰프를 연결합니다. 반복적 동력 지연 라인, 일시 정지의 위치를​​ 이동에서 신호 크기 잠금 앰프를 읽을 매트랩 스크립트를 작성합니다.
   11. 빛의 속도로 총 광 지연 길이를 분할을 통해 시간 영역에 무대 위치를 변환, 주파수 도메인 데이터를 얻기 위해 신중 푸리에 변환 (Matlab을 사용하여) 다음에.

결과

전극을 접촉하는 캐리어 전송 시간을 줄이기 위해 플라즈몬 접촉 전극을 통합하는 기존의 (그림 1a)와 플라즈몬 (그림 1b) 광전 이미 터 : 테라 헤르츠 파워 향상을위한 플라즈몬 전극의 잠재력을 입증하기 위해, 우리는 2 테라 헤르츠 이미 터를 제작. 두 디자인은 같은 LT-갈륨 비소 기판 상에 제작 된 각각 100 μM, 30 μM, 최대 및 최소 폭이 60 μm의 긴 보우 안테나에 연결된 양?...

토론

이 비디오 문서에서는, 우리는 두 자릿수로 광학 - 투 - 테라 헤르츠 변환 효율을 향상시키기 위해 플라즈몬 접촉 전극 구성을 사용하는 새로운 광전 테라 헤르츠 생성 기법을 제시한다. 제시 플라즈몬 광전 방출에서 테라 헤르츠 방사선 힘의 상당한 증가는 미래의 고감도 테라 헤르츠 이미징, 분광 분석계 시스템의 고급 화학 물질 식별에 사용되는 의료 영상, 생물 감지, 천문학, 대기 감지, 보안 ?...

자료

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