Neuartige Photomischer mit eindimensionalen und zweidimensionalen Nanokontakten für den Terahertz-Bereich

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Franko Küppers; Privatdozent Dr.-Ing. Oktay Yilmazoglu
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 280259559

Neue Entwicklungen von THz-Komponenten und -Systemen in den letzten Jahren eröffnen attraktive Möglichkeiten für neue Sicherheitsanwendungen wie bildgebende Messungen von versteckten Objekten, Spektroskopie von gefährlichen Substanzen sowie abhörsichere drahtlose Breitbandkommunikation. Es werden jedoch weiterhin stabile, leistungsfähige Dauerstrich-Quellen für Frequenzen bis zu mehreren THz benötigt, die sehr einfache Systemarchitekturen erlauben. Die herkömmlichen Technologien haben erhebliche Begrenzungen hinsichtlich der erzielbaren THz-Leistungen und -Frequenzen. Das geplante Forschungsprojekt baut auf innovative 1D- bzw. 2D-Nanokontakte mit hohen zuverlässigen Photoströmen > 3 mA und kleinen Bauelementkapazitäten < 0,5 fF auf. Somit können viel höhere THz-Leistungen >100 µW bei Frequenzen < 2 THz erzielt werden, um bildgebende Messungen auch von entfernten Objekten durchzuführen sowie höchste THz-Frequenzen > 5 THz abgedeckt werden, um die spektralen Absorptionslinien verschiedener gefährlicher Substanzen eindeutig zu identifizieren. Darüber hinaus sind auch Qualitätsuntersuchungen von Materialien sowie Lebensmitteln möglich. Die hohen THz-Leistungen und großes Signal-zu-Rauschverhältnis werden viel schnellere Messungen als mit herkömmlichen Photomischern ermöglichen. Zu Beginn werden kommerzielle Nanodrähte (z. B. Silberdrähte) sowie mehrschichtige Graphenschichten auf ihre Eignung als Kontaktmaterial auf LT-GaAs untersucht und die Haftung sowie zuverlässige Stromdichten bestimmt. An Hand dieser Ergebnisse werden erste laterale und vertikale THz-Photomischer entworfen und gefertigt sowie messtechnisch vorerst bis 2 THz untersucht und modelliert. Ein resultierendes Photomischer-Ersatzschaltbild ermöglicht die Optimierung ausgewählter Antennenkonzepte für den Einsatz in kompakten THz-Quellen. Der nanokontaktierte Photomischer eröffnet auch die Möglichkeit den aktiven Photomischerbereich bei weiterhin hohen Photoströmen und THz-Leistungen zu verkleinern, um Antennenkonzepte für > 2 THz integrieren zu können. Zusammen mit den kleineren Kapazitäten können Frequenzen > 5 THz mit einem großen Signal-zu-Rauschverhältnis erzielt werden. Die realistische Potenzialanalyse hinsichtlich THz-Leistung, Grenzfrequenz sowie Zuverlässigkeit der neuen Photomischer wird bei einem 800 nm-System durchgeführt. Diese Technologie kann auch ohne Weiteres bei einem 800 nm-System mit günstigen und kompakten Oberflächenemittern (VCSELs) sowie bei einem 1,55 µm-System mit Lasern für den Telekombereich Einsatz finden, um die Systemarchitektur stark zu vereinfachen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen