Terahertz-Messsystem auf Basis frequenzselektiver Detektorchips für den Einsatz als inlinefähige, industrielle Prüftechnik

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426328798

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Terahertz-Messsystems auf Basis frequenzselektiver Detektorchips für den Einsatz als inlinefähige, industrielle Prüftechnik. Die Transparenz vieler Dielektrika im Terahertz-Spektrum bietet in Verbindung mit der Gewinnung spektraler Informationen viele ungenutzte Anwendungspotenziale, bspw. in Bereichen der Warenkontrolle und Echtheitsprüfung, der Material- oder biomedizinischen Analyse. Diese können bisher mangels schneller, frequenzaufgelöster Messtechnik und kosteneffizienter Lösungen nur unzureichend adressiert werden. Einen Schritt in diese Richtung, jedoch ohne Nutzung der vorhandenen, spektralen Information, bietet das Produkt TeraSpeed des Anwendungspartners TOPTICA Photonics AG. Dort werden mittels leistungsfähiger, photokonduktiver Emitter in Verbindung mit ausgereifter Faserlasertechnologie spektral breitbandige Terahertz-Pulse erzeugt. Die Detektion erfolgt mittels gleichrichtender Schottky-Detektoren (SD’s), wobei eine Signalintegration über mehrere Pulse erfolgt. Dabei geht die spektrale Information der Pulse verloren. Zum anderen enthält das detektierte Signal die intrinsische Frequenzabhängigkeit der eingesetzten SD’s, insbesondere die starke Abnahme der 7Detektorsensitivität zu Frequenzen > 1 THz. Für die hier adressierten Anwendungspotenziale ist die schnelle, frequenzselektive Erfassung von spektralen Informationen über einen breiten Spektralbereich, insbesondere oberhalb von 1 THz, erforderlich. Hier setzt das geplante Vorhaben an. Halbleiterbasierte, antennengekoppelte Feldeffekttransistoren (TeraFETs) haben sich in den letzten Jahren als leistungsfähige Terahertz- Detektoren erwiesen, wie u.a. durch DFG geförderte Vorarbeiten des Universitätspartners gezeigt wurde. Während SD’s unterhalb von 1 THz den aktuellen Stand der Technik darstellen, erreichen TeraFETs deren Sensitivitäten bei 1 THz und zeigen oberhalb von 1 THz eine deutlich geringere Abnahme der Sensitivität. TeraFETs können nachweislich zur breitbandigen Detektion von Terahertz-Wellen auch bei Frequenzen > 1 THz verwendet werden und somit das Potential der Quelle des TeraSpeed effektiv ausnutzen. Der Zugang zur spektralen Information der Terahertz-Pulse soll auf zwei Arten erfolgen: (i) Durch die Kombination breitbandiger TeraFETs mit gezielt designten, schmalbandigen Filtern auf Basis von frequenzselektiven Oberflächen und (ii) durch die Verwendung resonanter, schmalbandiger TeraFETs. So kann auf dem Systemkonzept des TeraSpeed aufgebaut und in Kombination mit TeraFETs ein multispektrales Terahertz-Messsystem realisiert werden. Dieses wird anhand von anwendungsrelevanten spektroskopischen Messungen demonstriert werden, zu denen auch das schnelle Auslesen von Sicherheitsmerkmalen für die Echtheitsprüfung in einer Inline-Situation gehört.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: TOPTICA Photonics AG
• Kooperationspartner: Maris Bauer; Dr. Fabian Friederich