Hajo, Ahid S. (2022)
Entwicklung neuartiger Terahertz-Bauelemente auf der Basis von Nanotechnologien.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00020269
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (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.

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