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Entwicklung neuartiger Terahertz-Bauelemente auf der Basis von Nanotechnologien

Hajo, Ahid S. (2022):
Entwicklung neuartiger Terahertz-Bauelemente auf der Basis von Nanotechnologien. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020269,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung neuartiger Terahertz-Bauelemente auf der Basis von Nanotechnologien
Language: German
Abstract:

Der Bedarf an THz-Bauelementen ist in den vergangenen Jahren durch die vielfältigen Anwendungen der THz-Strahlung (100 GHz - 10 THz) stark angewachsen. Allerdings sind die THz-Systeme immer noch zu teuer, leistungsschwach sowie unhandlich. Kostengünstige THz-Quellen mit hoher Leistung und hoher Frequenz sowie kostengünstige THz-Detektoren mit hoher Sensitivität sind erwünscht. Nanodraht-basierte Schottky-Dioden, GaN-basierte Gunn-Dioden und CNT-basierte Schwarzkörperstrahler (SKS) sind vielversprechende Technologien, um solche THz-Systeme aufzubauen. Vor allem können diese leistungsstarken Bauelemente ohne Laser- oder Kryostat-Systeme bei Raumtemperatur betrieben werden.

Diese Arbeit präsentiert neue Konzepte für die Erzeugung und Detektion von THz-Strahlung. Das endgültige Ziel ist neue nanobasierte Techniken vorzustellen, die die Ansprüche der zukünftigen THz-Systeme genügen. Dahingehend werden verschiedene neuartige Ansätze basierend auf den Nanotechnologien entwickelt, untersucht, analysiert und experimentell demonstriert. Die in dieser Arbeit beschriebenen Techniken unterstreichen das enorme Potential der neuen THz-Bauelemente für die Zukunft vor allem in Bezug auf die Leistung und Effizienz. Zum einen können die in dieser Arbeit entwickelten nanokontaktierten Schottky-Detektoren basierend auf Galliumarsenid (GaAs)- und Indiumgalliumarsenid (InGaAs)-Materialien den Vorteil einer hohen örtlichen Auflösung und eines geringen Rauschens liefern. Der vertikale NW-InGaAs-basierte Schottky-Detektor zeigte im Vergleich zu dem auf NW-GaAs-basierten Schottky-Detektor bzw. dem Standard-Detektor mit aufgedampften Schottky-Kontakt verbesserte Leistung bei Nullvorspannung. Der NW-InGaAs basierte Schottky-Detektor erreichte eine Grenzfrequenz bis zu 1,2 THz (limitiert durch das verwendete System) mit einer geschätzten NEP von 7 pW/√Hz bei 1 THz. Zum anderen bieten die während der Dissertation patentierten GaN-Gunn-Dioden durch die Feldplatten- und Seitenkontakttechnologien die Möglichkeit, hohe THz-Ausgangsleistungen im niedrigen mW-Bereich zu erzeugen und können für definierte, einstellbare Terahertz-Strahlung hergestellt werden. Der angestrebte Frequenzbereich lag zwischen 300 GHz und ≥ 1 THz, da in diesem Bereich noch keine THz-Quellen mit kompaktem Aufbau und hoher Ausgangsleistung verfügbar sind. Mit der neuen Seitenkontakttechnologie wurde ein Bereich mit hohem negativen differenziellen Widerstand gezeigt. Die Messungen zeigten den Gunn-Effekt mit einem hohen Durchflussstrom bis 0,8 A, einem hohen Stromabfall von ~ 100 mA sowie einer kleinen effektiven Diodenkanalhöhe von etwa 600 nm. Die berechnete maximale Grundfrequenz der Dioden für diese Höhe beträgt 0,3 - 0,4 THz. Durch Verwendung höherer Harmonischen oder spezieller Anregungen sind sogar Frequenzen > 1 THz mit einer integrierten Antenne möglich.

Weitere Bauelemente wie der THz-SKS auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren (Englisch: Carbon nanotubes, CNT) wurden hergestellt und charakterisiert. Ein einzelnes CNT-Garn wurde für die breitbandige Dauerstrich-THz-Emission verwendet. Der CNT-SKS zeigte hohe elektrische Ströme von > 70 mA bzw. > 500 mA mit einem Garn-Durchmesser von 20 μm bzw. 100 μm und schnelle elektrische Eigenmodulation bis > 200 Hz der Ausgangsleistung. Somit können THz Messungen ohne einen mechanischen Modulator durchgeführt werden. Angewandt wurden diese THz-Quellen bei der Durchleuchtung von Briefen bzw. Klebestoffen. Zuletzt wurden Zinkselenid (ZnSe)-basierte UV-MS-Schottky-Dioden (Englisch: Ultraviolet metal-semiconductor-metal Schottky diodes) entwickelt, die in der Zukunft als THz-Quelle mit hoher Leistung betrieben werden können. Die höchste Leistung der ZnSe-basierten UV-MS-Schottky-Dioden wurde mit interdigitalen Ni/Au-Kontakten mit einer Breite von 500 nm erzielt. Dies ist auf die hohe Schottky-Barrierenhöhe von 1,49 eV zurückzuführen. Hierbei wurde eine sehr hohe Responsivität von 5,40 A/W bei einer Vorspannung von 15 V unter Verwendung eines UV-Lasers mit einer Wellenlänge von 325 nm und einer optischen Ausgangsleistung von 56,5 mW erhalten.

Zusammenfassend können die in dieser Dissertation entwickelten, innovativen Konzepte zu den THz-Technologien einen immensen Beitrag leisten. Diese THz-Bauelemente können in der Bildgebung und der spektroskopischen Identifizierung verschiedener Materialien eine Anwendung finden. Das Anwendungsgebiet kann auch auf biomedizinische Diagnostik, Sicherheitskontrolle und drahtlose Kommunikationssysteme ausgedehnt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The demand for THz devices has proliferated in recent years due to multiple applications of THz radiation (100 GHz - 10 THz). However, THz systems are still too costly, low-power and bulky. Low-cost THz sources with high power and high frequency, as well as low-cost THz detectors with high sensitivity are required. Nanowire-based Schottky diodes, GaN based Gunn diodes and CNT-based blackbody emitters are promising technologies to build such THz systems. Especially, these powerful devices can be operated at room temperature without laser or cryostat systems.

This work presents new concepts for the generation and detection of THz radiation. The final goal is to introduce new nano-based techniques that meet the ambitious targets of future THz systems. Towards that goal, several novel approaches based on nanotechnologies are developed, investigated, analysed and experimentally demonstrated. The techniques described in this work highlight the enormous potential of the new THz devices for the future, especially in terms of performance and efficiency. On the one hand, the nanocontacted Schottky detectors based on gallium arsenide (GaAs) and indium gallium arsenide (InGaAs) materials developed in this work can provide the advantage of high local resolution and low noise. The vertical NW-InGaAs-based Schottky detector showed improved performance at zero bias operation compared to the NW-GaAs based Schottky detector or the standard Schottky detector with a vapor-deposited contact. The NW-InGaAs-based Schottky detector achieved a cutoff frequency up to 1.2 THz (limited by the employed system) with an estimated NEP of 7 pW/√Hz at 1 THz. On the other hand, the GaN Gunn diodes (incorporating the field plate and side-contact technologies) patented during the dissertation offer the ability to produce high THz output power in the low mW range and can be fabricated for defined, tunable Terahertz radiation. The targeted frequency range was between 300 GHz and 1 THz, since THz sources with compact design and high output power are not yet available in this range. With the novel side contact technology, a region of high negative differential resistance was demonstrated. The measurements showed the Gunn effect with a high forward current up to 0.8 A, a high current drop of ~ 100 mA, and a small effective diode channel height of about 600 nm. The calculated maximum fundamental frequency of the diodes for this height is 0.3 - 0.4 THz. By using higher harmonics or special excitations, even frequencies > 1 THz are possible with an integrated antenna.

Other devices such as the THz blackbody emitter based on carbon nanotubes (CNTs) were fabricated and characterized. A single CNT yarn was used for broadband continuous-wave THz emission. Reliable operation was demonstrated for high electrical currents of > 70 mA and > 500 mA with yarn diameters of 20 μm and 100 μm, respectively, and fast electrical self-modulation up to > 200 Hz of output power. Thus, THz measurements can be performed without a mechanical modulator. These THz sources were used in the screening of envelopes and adhesive materials. Lastly, zinc selenide (ZnSe)-based ultraviolet metal-semiconductor-metal Schottky diodes (UV-MS-Schottky diodes) were developed which can be operated as a high-power THz source in the future. The highest performance of the ZnSe-based UV-MS-Schottky diodes was obtained with interdigitated Ni/Au contacts with a width of 500 nm. This is due to the high Schottky barrier height of 1.49 eV. Here, a very high responsivity of 5.40 A/W at a bias voltage of 15 V was obtained using a UV laser with a wavelength of 325 nm and an optical output power of 56.5 mW.

In conclusion, the innovative concepts developed in this dissertation can contribute immensely to THz technologies. These THz devices can attribute in imaging and spectroscopic applications for the identification of various materials. The field of applications can also be extended to biomedical diagnostics, security monitoring and wireless communication systems.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 165 Seiten
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 (IMP) > Terahertz Devices and Systems
Date Deposited: 08 Feb 2022 14:34
Last Modified: 08 Feb 2022 14:35
DOI: 10.26083/tuprints-00020269
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-202697
Referees: Yilmazoglu, PD Dr. Oktay ; Preu, Prof. Dr. Sascha ; Schneider, Prof. Dr. Jörg J.
Date of oral examination: 20 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20269
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