JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Мы описываем методы проектирования, изготовления и экспериментальной характеристике плазмонных фотопроводящими излучателей, которые предлагают два порядка более высоких уровнях терагерцового мощность по сравнению с фотопроводящими излучателей.

Аннотация

В этом видео статье мы приводим детальное обоснование высокоэффективного способа генерации терагерцового волн. Наша методика основана на фотопроводимости, который был одним из наиболее часто используемых методов для терагерцового поколения 1-8. Терагерцового поколения в фотопроводящую излучателя достигается путем закачки сверхбыстрых фотобарабан с импульсным или гетеродинирована лазерной подсветкой. Индуцированный фототок, который следует за конвертом лазера накачки, направляется на терагерцового излучающей антенны соединен с электродами, фотобарабан для создания контакта терагерцового излучения. Хотя квантовая эффективность фотопроводящую эмиттером теоретически может достигать 100%, относительно длинный путь транспортировки длины фото генерируемых носителей к контактным электродам обычными фотопроводниками серьезно ограничивает их квантовую эффективность. Кроме того, эффект скрининга носителей и теплового пробоя строго ограничить максимальную P ВыходАуэр обычных фотопроводящими источников терагерцового. Для решения квантового ограничения эффективности обычных фотопроводящими излучателей терагерцового, мы разработали новую концепцию фотопроводящими излучатель, который включает в плазмонных конфигурации контакта электрода для обеспечения высокой квантовой эффективностью и сверхбыстрого строя одновременно. При использовании нано-плазмонных контактными электродами, мы существенно уменьшить среднюю фото генерируемые переноса носителей путь к электродам фотопроводника контакта по сравнению с обычными фоторезисторов 9. Наш метод также позволяет повысить фотопроводника активную область без значительного увеличения емкостной нагрузки к антенне, повышение максимальной мощности терагерцового излучения, предотвращая эффект скрининга носителей и тепловому разрушению при высокой оптической мощности накачки. Путем включения плазмонных контактные электроды, мы демонстрируют повышение оптико-терагерцового преобразования энергии эффективности обычного фотопроводящего теrahertz излучатель на коэффициент 50 10.

Введение

Мы представляем новый фотопроводящими терагерцового излучателя, который использует конфигурацию плазмонных контакта электрода для повышения оптико-терагерцового эффективность преобразования на два порядка величины. Наша методика рассматривает наиболее важные ограничения традиционных фотопроводящими терагерцового излучателей, а именно низкую выходную мощность и низкая эффективность власти, которые происходят от присущего компромисс между высокой квантовой эффективностью и сверхбыстрых работой обычных фотопроводниками.

Одним из ключевых новинкой в ​​нашей конструкции, которые привели к этому повышение производительности скачок является создание конфигурации контактного электрода, который накапливается большое количество фото генерируемые носители в непосредственной близости к контактным электродам, так что они могут быть собраны в суб- пикосекундном сроки. Иными словами, соотношение между фотопроводника операции сверхбыстрых и высокую квантовую эффективность снижается за счет пространственной манипуляции с фото-родовТед перевозчиков. Плазмонных контактные электроды предложить эту уникальную возможность, (1) позволяет свету заключении в наноразмерных устройств активной области между электродами плазмонных (за дифракционный предел), (2) необычный свет усиления при контакте металла и фото-поглощающие полупроводник 10, 11. Другой важной особенностью нашего решения является то, что он вмещает большой фотобарабан активных областей без значительного увеличения в паразитной нагрузкой до терагерцового излучающей антенны. Используя большой фотобарабан активных областей включите смягчения эффекта скрининга носителей и теплового пробоя, которые являются конечными ограничения на максимальную мощность излучения от обычных фотопроводящими излучателей. Это видео статья сосредоточена на уникальные атрибуты нашего представленное решение, описывая руководящих физике, численного моделирования и экспериментальной проверки. Мы экспериментально продемонстрировать 50 раз выше терагерцового полномочий от плазмонных фотоoconductive излучателя по сравнению с аналогичным фотопроводящими излучатель с не-плазмонных контактными электродами.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Плазмонных Фотопроводящий Изготовление излучателя

  1. Изготовление плазмонных решетки.
    1. Очистка полупроводниковых пластин путем погружения в ацетоне (2 мин), а затем изопропанол (2 мин) и промывки деионизованной водой (10 сек).
    2. Высушите образца азотом и нагреть его на плите при температуре 115 ° С в течение 90 секунд, чтобы удалить остатки воды.
    3. Спин MicroChem 950K ПММА A4 на образце при 4000 оборотах в минуту в течение 45 секунд. Предварительно выпекать противостоять на плите при температуре 180 ° С в течение 3 мин.
    4. Загрузить образец в электронно-лучевой литографии инструмент (JEOL JBX-6300-FS). Expose плазмонных узором решетки на основную дозу около 650 мкКл / см 2, с использованием 100 кВ ускоряющего напряжения.
    5. Разработка ПММА путем погружения образца в МИБК: IPA 1:03 смесь в течение 90 сек. Сразу передачи образца к раствору чистого изопропанола в течение 60 сек.
    6. Промыть образец деионизированной водой в течение 10 секунд и затем высушить образец азотом.
    7. Загрузить образец в стриптизершу плазмы (YES-CV200RFS). Descum примера с использованием 30 Вт ВЧ мощность при 30 ° C с 100 SCCM O 2 скорость потока в течение 10 сек.
    8. Удаления поверхностных оксидов путем погружения в HCl: H 2 0 3:10 смесь в течение 30 сек. Сразу передачи образца к каскаду промыть деионизированной воды в течение 4 мин.
    9. Передача образца в химический стакан деионизированной воды для минимизации воздействия атмосферного кислорода перед осаждением металла.
    10. Возьмем стакан, содержащий образец в деионизированной воде к металлической испаритель (Дентон SJ-20). Удалить воздух из камеры, а затем удалить, сухой и загрузить образец в камеру (эти шаги должны последовать без перерыва, чтобы предотвратить образование оксида поверхности на образце).
    11. В камере вакуум до давления ниже 2x10 -6 Торр. Депозит Ti / Au (50/450 А).
    12. Удалить воздух из камеры и удаления образца.
    13. Для старта осажденного металла, поместите образец на держателе тефлоновымистакан ацетона, накройте крышкой и оставьте на ночь. Раскройте стакан, поместите его в ультразвуковой мешалки, и ждать, пока все нежелательные металл не удаляется (обычно 30 секунд).
  2. Депозит SiO 2 пассивации.
    1. Очистите образца, что и шаги 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Загрузить образец в плазменно-химического осаждения из инструментов (GSI ПХО). Депозит 1500 А SiO 2 при 200 ° С.
  3. Откройте контакт через переходные отверстия SiO 2.
    1. Очистите образца, что и шаги 1.1.1 - 1.1.2.
    2. Спина на HMDS при 4000 оборотах в минуту в течение 30 сек. Спина на Megaposit SPR 220-3.0 фоторезиста при 4000 оборотах в минуту в течение 30 сек. Предварительно выпекать противостоять на плите при температуре 115 ° С в течение 90 сек.
    3. Загрузите образца и маски пластины в проекционной литографии шаговые (GCA AutoStep 200). Совместите образца и разоблачить.
    4. После испечь открытые фоторезиста на плите при температуре 115 ° С в течение 90 сек.
    5. Разработка сопротивляться AZ 300 для разработчиков MIF 60 сек.
    6. Сразу перемещения образца в каскаде промыть деионизированной воды в течение 4 мин. Сухой образец азотом.
    7. Загрузите образца в ионный реактивный гравер (LAM 9400). Etch SiO 2 с использованием TCP власть РФ 500 Вт, мощность смещения РФ 100 Вт, 15 из SCCM-SF6, 50 SCCM С 4 F 8, 50 SCCM Не, 50 SCCM Ар для 80 сек.
    8. Удалить большую часть фоторезиста, помещая образец в ацетоне (5 мин), а затем изопропанол (2 мин). Промыть в деионизированной воде (10 сек). Сухие азотом.
    9. Удалить остаточную фоторезиста путем загрузки образца в стриппер плазмы (YES-CV200RFS). Снимите использованием фоторезиста 800 Вт ВЧ мощность при 30 ° C с 100 SCCM O 2 скорость потока в течение 5 мин.
  4. Изготовление антенны и смещения линий.
    1. Повторите шаги 1.3.1 - 1.3.6, чтобы скопировать антенн и смещения линий.
    2. Повторите шаги 1.1.8 - 1.1.9 для удаления поверхностных оксидов.
    3. Возьмем стакан, содержащий образец идеионизированную воду в испаритель металлов (Дентон SJ-20).
    4. Удалить воздух из камеры, а затем быстро удалить, сухой и загрузить образец в камеру.
    5. В камере вакуум до давления ниже 2x10 -6 Торр. Депозит Ti / Au (10/4, 000).
    6. Удалить воздух из камеры и удаления образца.
    7. Повторите шаг 1.1.13 к старту осажденного металла.
  5. Пакет образца.
    1. Клей края диаметром 12 мм гипер-полусфер кремния объективов на 2 дюйма алюминия с шайбой отверстие диаметром 8 мм.
    2. Клей печатную плату с металлическими следы, к которым можно легко припой, в алюминиевой шайбой.
    3. Установите изготовлены прототипы плазмонных фотопроводящими терагерцового излучателя на кремниевой линзы с использованием тонких эпоксидной смолы.
    4. Провод связи устройства с контактными площадками печатной плате приклеены на той же шайбой алюминия.
    5. Припой проводов к металлической следов на печатной плате.
    6. Подключите устройство колодки контакта с параметрического анализатора (Hewlett обновленияARD 4155A) с помощью провода припаяны к соответствующим площадкам печатной плате для целей тестирования.

2. Плазмонных Фотопроводящий характеристика излучателя

  1. Устройство выравнивания.
    1. Поместите алюминиевой шайбой проведения плазмонных прототипы фотопроводящими терагерцового излучателя на ротационной горе и плотно сосредоточиться оптической накачки титан-сапфира синхронизацией мод (MIRA 900D XW V10 OPT 110V) на активную площадь каждого устройства.
    2. Регулировка вращения держатель таким образом, что электрическое поле оптической накачки ориентирован для эффективного возбуждения поверхностных плазмонов волн (по нормали к плазмонных решетки).
    3. Использование параметрических анализатор одновременно применять напряжения смещения для каждого устройства и измерить индуцированного электрического тока в каждом устройстве. Подтвердите оптимальных оптических выравнивание насоса и регулировки поляризации за счет максимального фототока каждого тестируемого устройства.
  2. Измерения выходной мощностирений.
    1. Используйте оптический прерыватель (Thorlabs MC2000), чтобы модулировать оптической накачки с синхронизацией мод падающий лазер накачки на каждом устройстве.
    2. Измерьте выходной мощности плазмонных фотопроводящими терагерцового излучателя прототипов использованием пироэлектрического приемника (спектр детектора, Inc SPI-A-65 ТГц).
    3. Подключите выход пироэлектрического детектора синхронного усилителя (Stanford Research Systems SR830) со ссылкой частоты оптического вертолета для восстановления данных терагерцового мощность при низком уровне шума.
  3. Радиационная спектральную характеристику.
    1. Начнем с титан-сапфировый синхронизацией мод лазера и использовать светоделитель разделить выходе синхронизацией мод в пучок накачки и зондирующего пучка.
    2. Использование электрооптического модулятора (Thorlabs ЭО-AM-NR-C2) для модуляции оптического пучка в насосе пути. Фокус пучка накачки на активную область фотопроводящими эмиттером тестируемого для генерации терагерцового излучения.
    3. Визироватьсгенерированного терагерцового луч с использованием первого полиэтилена сферической линзы. Фокус направленным лучом терагерцового использовании второго полиэтилена сферической линзы.
    4. Перед фокус пучка терагерцового, объедините направленный луч терагерцового с датчиком оптического луча с использованием ITO покрытием стеклянный фильтр.
    5. Наведите толщиной 1 мм, <110> кристалла ZnTe установлен на этапе вращения при комбинированном фокусе оптической и терагерцового пучка.
    6. Вставка управляемый оптическую линию задержки на оптическом пути зонд с помощью моторизованного линейной стадии (Thorlabs NRT100), чтобы изменять временную задержку между оптическими и терагерцового импульса взаимодействующих внутри кристалла ZnTe.
    7. Использование половинной Фазовые пластины в зонде путь, поворот поляризации оптического зонда быть на угол 45 ° по отношению к терагерцового направление поляризации.
    8. Используйте четверть пластины Фазовые пластины после кристалла ZnTe, конвертировать оптической поляризации пучка в круговой поляризации.
    9. Сплит CirculАрли поляризованного оптического луча на две ветви призмой Волластоном. Измерение оптической мощности пучка в каждой ветви с помощью двух детекторов сбалансированный подключен к синхронному усилителю.
    10. Подключите моторизованных линии задержки и синхронного усилителя к компьютеру. Напишите сценарий Matlab итеративно изменять положение моторизованных линии задержки, приостановки и считывания сигнала величиной от синхронного усилителя.
    11. Преобразование этапе положение во временную область посредством деления общей длины оптического задержки на скорость света, а затем осторожный преобразование Фурье (с использованием Matlab), чтобы получить данные частотной области.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Чтобы продемонстрировать потенциальным плазмонных электродов для повышения мощности терагерцового, были изготовлены два терагерцового излучателей: обычный (рис. 1а) и плазмонных (рис. 1б) фотопроводящими эмиттером включения плазмонных контактные электроды для сокр?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

В этом видео статье мы представляем новый фотопроводящими технику терагерцового поколения, который использует конфигурацию плазмонных контакта электрода для повышения оптико-терагерцового эффективность преобразования на два порядка величины. Значительное увеличение мощности изл?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить за предоставление Picometrix LT-GaAs подложке и благодарят за финансовую поддержку из Мичигана космических грантов консорциума, DARPA премия для молодых факультет руководством д-ра Джона Альбрехт (Договор № N66001-10-1-4027), NSF КАРЬЕРА Премия руководством д-ра Самира аль-Газали (Договор № N00014-11-1-0096), ОНР премия для молодых следователь руководством д-ра Пола Маки (Договор № N00014-12-1-0947), а ARO премия для молодых следователь управляемых Доктор Палмер Dev (Договор № W911NF-12-1-0253).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Reagent
Polymethyl Methacrylate (PMMA)MicroChem950K PMMA A4
Hexamethyldisilazane (HMDS)Shin-Etsu MicroSIMicroPrime HP Primer
Optical PhotoresistDow ChemicalMegaposit SPR 220-3.0
Photoresist DeveloperAZ Electronic MaterialsAZ 300 MIF Developer
Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK)Avantor Performance Materials9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked LaserCoherentMIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–lectric DetectorSpectrum DetectorSPI-A-65 THz
Electron-Beam Lithography ToolJEOLJBX-6300-FS
Plasma StripperYield Engineering SystemsYES-CV200RFS
Metal EvaporatorDenton VacuumSJ-20
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool GSIGSI PECVD System
Projection Lithography StepperGCAAutoStep 200
Reactive Ion EtcherLAM Research9400
Parameter AnalyzerHewlett Packard4155A
Optical ChopperThorlabsMC2000
Lock-in AmplifierStanford Research SystemsSR830
Electrooptic ModulatorThorlabsEO-AM-NR-C2
Motorized Linear StageThorlabsNRT100

Ссылки

  1. Preu, S., Dohler, G. H., Malzer, S., Wang, L. J., Gossard, A. C. Tunable, continuous-wave terahertz photomixer sources and applications. J. Appl. Phys. 109, 061301(2011).
  2. Bjarnason, J. E., Chan, T. L. J., Lee, A. W. M., Brown, E. R., Driscoll, D. C., Hanson, M., Gossard, A. C., Muller, R. E. ErAs:GaAs photomixer with two-decade tunability and 12 μW peak output power. Appl. Phys. Lett. 85, 3983-3985 (2004).
  3. Peytavit, E., Lepilliet, S., Hindle, F., Coinon, C., Akalin, T., Ducournau, G., Mouret, G., Lampin, J. -F. Milliwatt-level output power in the sub-terahertz range generated by photomixing in a GaAs photoconductor. Appl. Phys. Lett. 99, 223508(2011).
  4. Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  5. Roehle, H., Dietz, R. J. B., Hensel, H. J., Böttcher, J., Künzel, H., Stanze, D., Schell, M., Sartorius, B. Next generation 1.5 μm terahertz antennas: mesa-structuring of InGaAs/InAlAs photoconductive layers. Opt. Express. 18, 2296-2301 (2010).
  6. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  7. Park, S. -G., Jin, K. H., Yi, M., Ye, J. C., Ahn, J., Jeong, K. -H. Enhancement of Terahertz Pulse Emission by Optical Nanoantenna. ACS NANO. 6, 2026-2031 (2012).
  8. Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. Picosecond photocoducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).
  9. Berry, C. W., Jarrahi, M. Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings. New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029(2012).
  10. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Radiation Enhancement in Photoconductive Terahertz Emitters by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. arXiv. , 1209.1680v1(2012).
  11. Berry, C. W., Jarrahi, M. Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  12. Berry, C. W., Jarrahi, M. Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas. Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2(2010).
  13. Berry, C. W., Jarrahi, M. Principles of impedance matching in photoconductive antennas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).
  14. Ralph, S. E., Grischkowsky, D. Trap-enhanced electric fields in semi-insulators: The role of electrical and optical carrier injection. Appl. Phys. Lett. 59, 1972(1991).
  15. Upadhya, P. C., Fan, W., Burnett, A., Cunningham, J., Davies, A. G., Linfield, E. H., Lloyd-Hughes, J., Castro-Camus, E., Johnston, M. B., Beere, H. Excitation-density-dependent generation of broadband terahertz radiation in an asymmetrically excited photoconductive antenna. Opt. Lett. 32, 2297-2299 (2007).
  16. Taylor, Z. D., Brown, E. R., Bjarnason, J. E. Resonant-optical-cavity photoconductive switch with 0.5 % conversion efficiency and 1.0W peak power. Opt. Lett. 31, 1729-1731 (2006).
  17. Jarrahi, M. Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping. Photonic Technology Letters. 21, 2019620(2009).
  18. Jarrahi, M., Lee, T. H. High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays. Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).
  19. Beck, M., Schafer, H., Klatt, G., Demsar, J., Winnerl, S., Helm, M., Dekorsy, T. Impulsive terahertz radiation with high electric fields from an amplifier-driven large-area photoconductive antenna. Opt. Express. 18, 9251-9257 (2010).
  20. Hattori, T., Egawa, K., Ookuma, S. I., Itatani, T. Intense terahertz pulses from large-aperture antenna with interdigitated electrodes. Jpn. J. Appl. Phys. 45, L422-L424 (2006).
  21. Kim, J. H., Polley, A., Ralph, S. E. Efficient photoconductive terahertz source using line excitation. Opt. Lett. 30, 2490-2492 (2005).
  22. Dreyhaupt, A., Winnerl, S., Dekorsy, T., Helm, M. High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor. Appl. Phys. Lett. 86, 121114(2005).
  23. Brown, E. R., Lee, A. W. M., Navi, B. S., Bjarnason, J. E. Characterization of a planar self-complementary square-spiral antenna in the THz region. Microwave Opt. Technol. Lett. 48, 524-529 (2006).
  24. Huo, Y., Taylor, G. W., Bansal, R. Planar log-periodic antennas on extended hemishperical silicon lenses for millimeter/submillimeter wave detection applications. Int. J. Infrared and Millimeter Waves. 23, 819(2002).
  25. Heshmat, B., Pahlevaninezhad, H., Pang, Y., Masnadi-Shirazi, M., Lewis, R. B., Tiedje, T., Gordon, R., Darcie, T. E. Nanoplasmonic Terahertz Photoconductive Switch on GaAs. Nano Lett. 12, 6255-6259 (2012).
  26. Berry, C. W., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Significant Performance Enhancement in Photoconductive Terahertz Optoelectronics by Incorporating Plasmonic Contact Electrodes. Nature Communications. 4, 1622(2013).
  27. Wang, N., Berry, C. W., Hashemi, M. R., Jarrahi, M. Plasmonic photoconductive detectors for enhanced terahertz detection sensitivity. Optics Express. , In Press (2013).
  28. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Analysis of periodic metallic nano-slits for efficient interaction of terahertz and optical waves at nano-scale dimensions. J. Appl. Phys. 109, 084326(2011).
  29. Hsieh, B. -Y., Wang, N., Jarrahi, M. Toward Ultrafast Pump-Probe Measurements at the Nanoscale. Special Issue of "Optics in 2011. Optics & Photonics News. 22, (2011).
  30. Hsieh, B. -Y., Jarrahi, M. Simultaneous focusing of terahertz and optical waves into nano-scale. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
  31. Jackson, A. W., Ibbetson, J. P., Gossard, A. C., Mishra, U. K. Reduced thermal conductivity in low-temperature grown GaAs. Appl. Phys. Lett. 74, 2325-2327 (1999).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

77

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены