Ontwerp, fabricage en karakterisatie van Plasmonische Fotogeleidende Terahertz emitters
Summary
We beschrijven methoden voor het ontwerp, de fabricage en karakterisering van plasmonische fotogeleidende emitters, die twee ordes van grootte hoger terahertz vermogen in vergelijking met conventionele fotogeleidende emitters bieden.
Abstract
In deze video artikel beschrijven we een gedetailleerde demonstratie van een zeer efficiënte methode voor het genereren van terahertz golven. De techniek is gebaseerd op photoconduction, dat is een van de meest gebruikte technieken voor terahertz generatie 1-8. Terahertz generatie in een fotogeleidend emitter wordt bereikt door het pompen van een ultrasnelle fotoconductor met een gepulste of heterodyned laser verlichting. De geïnduceerde fotostroom die de omhullende van de pomp laser volgt, wordt naar een terahertz stralende antenne die op de fotogeleider contact elektroden terahertz straling genereren. Hoewel de quantum efficiency van een fotogeleidend emitter kan theoretisch 100% te bereiken, hebben de relatief lange transport weglengte van foto-gegenereerde vervoerders om het contact elektrodes van conventionele fotogeleiders ernstig hun kwantumrendement beperkt. Daarnaast is de vervoerder screening effect en thermische afbraak strikt te beperken de maximale output power van conventionele fotogeleidende terahertz bronnen. Om de quantum efficiency beperkingen van conventionele fotogeleidende terahertz vervuilers aan te pakken, hebben we een nieuwe fotogeleidende emitter concept dat een plasmonische contact elektrode configuratie te hoog kwantum-efficiëntie en ultrasnelle werking tegelijkertijd bieden verwerkt ontwikkeld. Door het gebruik van nano-schaal plasmonische contactelektroden, we aanzienlijk de gemiddelde foto-generated carrier transport pad naar fotoconductor contactelektroden vergelijking met conventionele fotogeleiders 9 verminderen. Onze methode maakt het ook mogelijk het verhogen fotoconductor actieve gebied zonder een aanzienlijke verhoging van de capacitieve belasting aan de antenne, het stimuleren van de maximale terahertzstraling vermogen door te voorkomen dat de vervoerder screening effect en thermische afbraak bij hoge optische pomp bevoegdheden. Door de integratie van plasmonische contactelektroden, demonstreren we het verbeteren van de optische-to-terahertz kracht omzettingsrendement van een conventionele fotogeleidende terahertz emitter met een factor 50 10.
Introduction
We presenteren een nieuwe fotogeleidende terahertz emitter dat een plasmonische contact elektrode configuratie gebruikt om de optische-to-terahertz omzettingsrendement te verhogen door twee ordes van grootte. Onze techniek richt zich op de belangrijkste beperkingen van conventionele fotogeleidende terahertz vervuilers, namelijk lage uitgangsvermogen en een slechte energie-efficiëntie, die afkomstig zijn van de inherente afweging tussen hoge quantum efficiency en ultrasnelle werking van conventionele fotogeleiders.
Een van de belangrijkste nieuwigheden in ons ontwerp die tot deze haasje prestatieverbetering is een contactelektrode configuratie die een groot aantal foto-gegenereerde dragers in de nabijheid van de contactelektroden, accumuleert zodanig te ontwerpen dat ze kunnen worden verzameld in een sub- picoseconde tijdschaal. Met andere woorden, wordt de afweging tussen fotogeleider ultrasnelle werking en hoge kwantumefficiëntie afgezwakt door ruimtelijke manipulatie van de foto-generated dragers. Plasmonische contactelektroden bieden deze unieke mogelijkheid door (1) waardoor het licht opsluiting in nanoschaal apparaat actieve gebieden tussen de plasmonische elektroden (buiten diffractie limiet), (2) buitengewone lichte verbetering in de metaal contact en foto-absorberende halfgeleider-interface 10, 11. Een ander belangrijk kenmerk van onze oplossing is dat het herbergt grote fotoconductor actieve gebieden zonder een aanzienlijke verhoging van de parasitaire belasting aan de terahertz stralende antenne. Gebruik makend van grote fotoconductor actieve gebieden kunnen verzachten van de screening op dragerschap effect en thermische afbraak, waardoor de uiteindelijke beperkingen voor de maximale straling die gebruikmaken van traditionele fotogeleidende vervuilers zijn. Deze video artikel is geconcentreerd op de unieke eigenschappen van onze oplossing gepresenteerd door het beschrijven van de regerende fysica, numerieke modellering en experimentele verificatie. We experimenteel aan te tonen 50 maal hoger terahertz machten uit een plasmonische photoconductive emitter in vergelijking met een vergelijkbaar fotogeleidend emitter met niet-plasmon-contact elektroden.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze video artikel, presenteren we een nieuwe fotogeleidende terahertz generatie techniek die een plasmonische contact elektrode configuratie gebruikt om de optische-to-terahertz omzettingsrendement te verhogen door twee ordes van grootte. De aanzienlijke stijging van de terahertz straling kracht van de gepresenteerde plasmonische fotogeleidende emitters is zeer waardevol voor toekomstige hoge gevoeligheid terahertz imaging, spectroscopie en spectrometrie systemen die worden gebruikt voor geavanceerde chemische ident…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag Picometrix bedanken voor het verstrekken van de LT-GaAs-substraat en zeer erkentelijk voor de financiële steun van Michigan Space Grant Consortium, DARPA Young Faculty Award beheerd door Dr John Albrecht (contract # N66001-10-1-4027), NSF CARRIÈRE Award beheerd door dr. Samir El-Ghazaly (contract # N00014-11-1-0096), ONR Young Investigator Award beheerd door dr. Paul Maki (contract # N00014-12-1-0947), en ARO Young Investigator Award beheerd door Dr Dev Palmer (contract # W911NF-12-1-0253).
Materials
| 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 | |
| Pyroelectric 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Auston, D. H., Cheung, K. P., Smith, P. R. Picosecond photocoducting Hertzian dipoles. Appl. Phys. Lett. 45, 284-286 (1984).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Terahertz generation using plasmonic photoconductive gratings. New Journal of Physics Focus Issue on Terahertz Plasmonics. 14, 105029 (2012).
- 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).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Ultrafast Photoconductors based on Plasmonic Gratings. Proc. Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. , 1-2 (2011).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Plasmonically-enhanced localization of light into photoconductive antennas. Proc. Conf. Lasers and Electro-Optics. , CFI2 (2010).
- Berry, C. W., Jarrahi, M. Principles of impedance matching in photoconductive antennas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz. , (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jarrahi, M. Terahertz radiation-band engineering through spatial beam-shaping. Photonic Technology Letters. 21, 2019620 (2009).
- Jarrahi, M., Lee, T. H. High power tunable terahertz generation based on photoconductive antenna arrays. Proc. IEEE International Microwave Symposium. , 391-394 (2008).
- 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).
- 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).
- Kim, J. H., Polley, A., Ralph, S. E. Efficient photoconductive terahertz source using line excitation. Opt. Lett. 30, 2490-2492 (2005).
- Dreyhaupt, A., Winnerl, S., Dekorsy, T., Helm, M. High-intensity terahertz radiation from a microstructured large-area photoconductor. Appl. Phys. Lett. 86, 121114 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, N., Berry, C. W., Hashemi, M. R., Jarrahi, M. Plasmonic photoconductive detectors for enhanced terahertz detection sensitivity. Optics Express. , (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
