Ultraschnelle Detektion von THz Strahlung mittels großflächigen Feldeffekttransistoren

• Antragsteller: Professor Dr. Sascha Preu
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 241750018

Das Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines Konzepts zur ultraschnellen THz Detektion. Der Detektor wird über einen weiten THz-Bereich sensitiv sein (0.1 THz- 7 THz). Außerdem erlaubt das Konzept simultane Detektion von optischen/nahinfraroten Pulsen und THz Pulsen mit einer Zeitauflö-sung besser als 30 ps. Solche Detektoren sind Schlüsselelemente für den Aufbau und die Kalibrierung von optischen Pump-THz Probe und THz Pump-optischen Probe Experimenten. Des Weiteren zeigen die Detektoren eine hohe Zerstörschwelle, was den Einsatz in leistungsstarken THz Systemen sowohl im Labormaßstab als auch an Großforschungseinrichtungen wie freien Elektronenlasern erlaubt. Der Detektor ist aus großflächigen, parallelgeschalteten, gleichrichtenden Feldeffekttransistoren (LA-FETs) aufgebaut. Der gleichrichtende Effekt resultiert aus simultaner Modulation der Ladungsträgerkonzentration und der Ladungsträgergeschwindigkeit im Kanal durch eine einfallende THz-Welle. Die Gleichrichtung bleibt auch bei THz Frequenzen weit oberhalb der 3 dB Frequenzen des Transistors für Strom- und Leistungsverstärkung sehr effizient. Die Sensitivität bezüglich optischer/nahinfraroter Strahlung beruht auf dem Photostrom, der durch Trennung optisch generierter Ladungsträger mittels einer Source-Drain Gleichspannung entsteht. Erste Vorexperimente mit (Al)GaAs High Electron Mobility Transistoren (HEMTs) zeigen bereits die exzellenten Perspektiven dieses Konzeptes auf. Die Vorexperimente haben aber eine Reihe von Fragen aufgeworfen, die im Rahmen dieses Projektes beantwortet werden sollen: Gegenwärtig ist noch unklar, welcher Teil des Bauelements für die schnelle optische Antwort verantwortlich ist. Außerdem wollen wir die Details der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Bauteil und THz Puls erforschen. Wir werden ein konsistentes Modell sowohl für die optische als auch für die THz Detektion entwickeln, das plasmonische Anregungen des zweidimensionalen Elektronengases mit einbezieht. Das Modell wird auf einem leitungstheoretischen Ansatz beruhen. Im Anschluss werden wir die gewonnenen Resultate nutzen, um Bauteile bezüglich der Anwendung am freien Elektronenlaser FELBE, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, zu optimieren und anschließend testen. Die Verbesserungen beziehen sich v.a. auf ultraschnelle Detektion, einen großen Linearitätsbereich, hohe Zerstörschwelle, niedriges Rauschen und große Bandbreite, um zukünftige Pump-Probe Experimente drastisch zu vereinfachen. Dies umfasst optische Pump-THz Probe sowie THz Pump-THz Probe Experimente. Weitere Detektoren werden für Anwendungen in THz Systemen im Labormaßstab optimiert werden. Die Responsivität wird zu Lasten der Detektorzeitkonstante optimiert. Ziel ist die Entwicklung eines Detektors, der wenigstens 5 Größenordnungen schneller als gegenwärtige thermische THz Detektoren ist, bei gleicher oder geringerer Rauschgrenze. Dies erlaubt extrem schnelle Datenaufnahme.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Beteiligte Personen: Professor Arthur C. Gossard (†); Dr. Hong Lu; Dr. Stephan Winnerl