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Large-area and lumped element field-effect transistors for picosecond-scale detection in the Terahertz band and beyond

Regensburger, Stefan (2019):
Large-area and lumped element field-effect transistors for picosecond-scale detection in the Terahertz band and beyond.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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2019-10-14_Regensburger_Stefan.pdf - Published Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Large-area and lumped element field-effect transistors for picosecond-scale detection in the Terahertz band and beyond
Language: English
Abstract:

Because of inefficient sources and detectors, the Terahertz band (0.1 - 10 THz) located in between electronics with tens of Gigahertz (GHz) and optics with tens of Terahertz (THz) remained hardly accessible for a long time. Rapid advances in research and development of technology for emission and detection in recent years finally enable the technical utilization of this frequency range and an increasing number of applications. This thesis focuses on the direct detection with field-effect transistors (FETs) to improve the access to the THz band with compact and fast room-temperature operating detectors. Meanwhile, there are various promising applications for real-time detection, such as communication, automotive distance radar, or spectroscopy. One main focus of this thesis is an application linked to high THz power facilities: The characterization of pulse shapes in accelerator-based experiments.

In a simple picture, a THz bias applied to a FET simultaneously modulates the charge carrier velocity as well as the charge carrier density underneath the gate electrode. As a result, a DC current is generated, that is proportional to the incident THz power. The state-of-the-art model from M. Dyakonov and M. Shur from the 1990’s describes the 2 dimensional electron gas (2DEG) with hydrodynamic equations and predicts plasmonic rectification underneath the gate contact. This rectification mechanism is experimentally proven in the THz band well above the maximum frequency of oscillation fmax and cutoff frequency fT of the FET.

This thesis experimentally studies the detection mechanism of field-effect transistor-based rectifiers in the THz band and beyond in the mid infrared (MIR) up to 30 THz on the ten-picosecond scale. To achieve this exceptional frequency coverage, an antenna-less concept, the large-area FET (LA-FET), is chosen. The fast, picosecond-scale response from the FETs supports the hypothesis of an underlying Dyakonov-Shur-like rectification mechanism up to and including 30 THz regarding the responsivity distribution of the detector area, and regarding the polarization dependence. Further, the comparison with gate-less reference samples shows a suppression of more than two orders of magnitude at 2.0 THz and one order of magnitude at 11.8 THz for additional mechanisms that do not require a gate electrode. However, the gate bias dependence reduces towards higher frequencies, pointing towards a contribution of a yet unknown detection process. The fabricated detectors prove ultra-fast detection in the entire THz band with the exception of the GaAs Reststrahlen band. The upper limit of the internal rectification process evaluates to a Gaussian time constant of 7.1 ps. The slow, millisecond-response of the FETs shows increasing contributions from non-Dyakonov-Shur-like rectification mechanisms with increasing frequency, such as bolometric detection. The observed f⁻¹·⁴ roll-off is less strong than a RC roll-off with fixed resistance. This suggests an increasing radiation resistance of the LA-FET design for increasing frequency, that improves the incoupling of THz power to the FET. The large area allows to achieve a linearity range of 69 dB/√Hz, by distributing the THz power over the square-millimeter-scale active area. As compared to detectors available at the beginning of this thesis the responsivity is improved by two orders of magnitude, now allowing for the detection of picosecond-scale pulses at accelerator-based facilities without any pre-amplifier, and additionally the detection in most table-top systems.

Antenna-coupled FETs (A-FETs) are studied in a frequency range from 0.1 up to 11.8 THz. The measured responsivity agrees excellently with theoretical expectations derived from a simple equivalent circuit and the simulated radiation resistance. Devices processed with simple UV-contact lithography achieve a noise equivalent power (NEP) of 250 pW/√Hz at 0.6 THz, only one order of magnitude above foundry-processed state-of-the-art FET detectors in 65 nm technology.

Finally, both LA-FET and A-FET detectors demonstrate pulse shape characterization of picosecond-scale THz pulses from a free electron laser (FEL). The characterization of asymmetric FEL pulses arising from cavity detuning with FETs and a grating spectrometer allows the verification of a novel convolution ansatz for the FEL pulse shape, developed within this thesis. This ansatz circumvents deficits in the state-of-the-art piecewise ansatz such as unsteady differentiability and includes the smooth transition to a symmetric, Gaussian pulse. The ansatz further allows to include the Gaussian intermediate frequency (IF) limitations of the A-FET and LA-FET detector. The convolution ansatz circumvents the Heisenberg-Gabor limit, as it allows to measure exponential rise times significantly below the Gaussian IF limitations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Aufgrund eines Mangels an effizienten Quellen und Detektoren war das Terahertzband (0.1 - 10 THz) zwischen Hochfrequenzelektronik im Bereich von zehn Gigahertz (GHz) und Optik im Bereich von zehn Terahertz (THz) lange Zeit nur schwer zugänglich. In den letzten Jahren gab es rapide Fortschritte in der Technologie zur Erzeugung und Detektion von Terahertzwellen, wodurch die technische Nutzbarkeit dieses Frequenzbereichs verbessert wird und somit eine wachsende Zahl von Anwendungen ermöglicht wird. Dazu möchte auch diese Dissertation beitragen, deren Ziel es ist, durch Gleichrichtung mit kompakten Feldeffekttransistoren (FETs) die schnelle und direkte Detektion bei Raumtemperatur zu verbessern. Mittlerweile gibt es eine Vielzahl von erfolgversprechenden Anwendungen für Echtzeitdetektion, wie zum Beispiel die Kommunikation, das Abstandsradar im Automobilbereich und die Spektroskopie. In einem viel höheren Leistungsbereich bewegt sich die Anwendung, auf der in dieser Forschungsarbeit ein Hauptaugenmerk liegt: Die Charakterisierung von Pulsformen in Beschleunigerexperimenten. In einem vereinfachten Bild funktioniert die Gleichrichtung im FET durch die simultane Modulation der Ladungsträgerdichte und Ladungsträgergeschwindigkeit unterhalb des Gatekontakts. Der resultierende Gleichstrom ist proportional zur einfallenden THz-Leistung. M. Dyakonov und M. Shur modellierten das zweidimensionale Elektronengas (2DEG) mit hydrodynamischen Bewegungsgleichungen in den 1990er-Jahren und beschrieben die plasmonische Gleichrichtung unterhalb der Gateelektrode. Dieser Gleichrichtungsmechanismus ist im Terahertzband experimentell bestätigt, und funktioniert deutlich über der maximalen Oszillationsfrequenz fmax und Grenzfrequenz fT der verwendeten FETs. Diese Dissertation befasst sich mit dem Detektionsmechanismus von Feldeffekttransistoren im Terahertzband und darüber hinaus im mittleren Infrarot (MIR) bis 30 THz auf der Zehn-Pikosekundenskala. Um diesen extremen Frequenzbereich zu adressieren, wurde das Konzept von antennenlosen FETs (LA-FETs) ausgewählt. Die schnelle Detektorantwort der FETs auf der Pikosekundenskala ist hinsichtlich der Verteilung der Responsivität auf der Detektorfläche und der Polarisationsabhängikeit vereinbar mit einer Dyakonov-Shur-Gleichrichtung bis einschließlich 30 THz. Weiter zeigt der Vergleich mit Referenzbauteilen ohne Gateelektrode eine Unterdrückung von Signalen aus Gleichrichtungsprozessen, die keine Gateelektrode benötigen, von mehr als zwei Größenordnungen bei 2.0 THz und einer Größenordnung bei 11.8 THz. Die Abhängigkeit von der Gatespannung wird hingegen schwächer hin zu höheren Frequenzen und deutet auf einen Beitrag von einem bisher nicht identifizierten Detektionsprozess hin. Mit Ausnahme des GaAs-Reststrahlenbandes besitzen die Detektoren eine Frequenzabdeckung im gesamten Terahertzband. Die Obergrenze für die intrinsische Detektionsgeschwindigkeit kann mit einer Gauß-Zeitkonstante von 7.1 ps angegeben werden. Die langsame Detektorantwort auf einer Millisekundenskala zeigt einen steigenden Anteil von anderen Gleichrichtungsmechanismen hin zu höheren Frequenzen. Ein möglicher Mechanismus ist eine bolometrische Detektion. Das gemessene f⁻¹·⁴ Frequenzverhalten ist schwächer als ein RC Abklingverhalten mit konstantem Widerstand und deutet daher auf einen steigenden Strahlungswiderstand des LA-FETs für höhere Frequenzen hin, der die Einkopplung von THz-Leistung zu dem FET verbessert. Die großflächigen Detektoren zeigen einen Linearitätsbereich von 69 dB/√Hz. Im Vergleich zu Detektoren, welche zu Anfang dieser Forschungsarbeit zur Verfügung standen, konnte die Responsivität um zwei Größenordnungen verbessert werden und ermöglicht jetzt eine Detektion von Pulsen im Pikosekundenbereich an Beschleunigereinrichtungen ohne Vorverstärker, und zusätzlich auch eine Detektion in den meisten kompakteren Aufbauten im Labormaßstab. Antennengekoppelte FETs (A-FETs) werden in einem Frequenzbereich von 0.1 bis 11.8 THz untersucht. Die gemessene Responsivität zeigt eine exzellente Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen aus einem einfachem Ersatzschaltbild und dem simulierten Strahlungswiderstand. Mit einfacher UV-Kontaktlithographie wird zudem eine äquivalente Rauschleistung (engl. Abk. NEP) von 250 pW/√Hz bei 0.6 THz erreicht, die nur eine Größenordnung über der NEP von FETs liegt, welche mit 65 nm Technologie in Halbleiterwerken gefertigt wurden. Sowohl mit einem LA-FET, als auch mit einem A-FET Detektor wird die Charakterisierung der Pulsform von Terahertzpulsen eines freien Elektronenlasers (FEL) im Pikosekundenbereich demonstriert. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein neuer Faltungsansatz für die Beschreibung von asymmetrischen Pulsen in Abhängigkeit der FEL-Kavitätsverstimmung präsentiert und experimentell mit Zeitbereichsmessungen der FETs und Frequenzbereichsmessungen mit einem Gitterspektrometer verifiziert. Dieser Ansatz umgeht die Schwachpunkte der unstetigen Differenzierbarkeit der bisher in der Literatur vorherrschenden abschnittsweisen Modellierung und erlaubt einen kontinuierlichen Übergang zu einem symmetrischen Gaußpuls. Weiter erlaubt das neue Modell, die gaußförmige Limitierung in der Zwischenfrequenz (engl. Abk. IF) mit einzubeziehen. Mit dem Faltungsansatz kann die Heisenberg-Gabor-Beschränkung umgangen werden, da exponentielle Anstiegszeiten deutlich unterhalb der gaußförmigen IF-Limitierung gemessen werden können.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Microwave Engineering and Photonics > Terahertz Systems Technology
Date Deposited: 05 Nov 2019 10:45
Last Modified: 05 Nov 2019 10:45
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-91893
Referees: Preu, Prof. Dr. Sascha and Roskos, Prof. Dr. Hartmut
Refereed: 14 October 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9189
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