Plasmonische GaN-Detektoren für den THz-Bereich

Transistorbauelemente eignen sich für die Signaldetektion und den Heterodynempfang bei Terahertz-Frequenzen (THz), insbesondere wenn sie bei Raumtemperatur betrieben werden. Da Transistortechnologien die monolithische Integration von großen Arrays mit direkter Antennenankopplung erlauben, sind sie eine bevorzugte Alternative zu herkömmlich verwendeten Dioden. Sie sind robuster und ermöglichen eine kompaktere Bauform. Auch zeigt der Ladungsträgertransport in Halbleiterbauelementen, wie z.B. bei Feldeffekttransistoren, Plasma-Wellen-Effekte speziell bei Terahertz-Frequenzen. Dank dieser plasmonischen Effekte können elektronische Bauelemente auch oberhalb ihrer Transitfrequenzen betrieben werden. Auf diese Weise können z.B. Standard-CMOS- oder III/V-Transistoren für die Detektion bei Frequenzen von mehreren THz eingesetzt werden. Das macht plasmonische Detektoren äußerst interessant für den Nachweis von THz-Strahlung mit herkömmlichen MMIC-Technologien. Der THz-Frequenzbereich bietet aufgrund der charakteristischen Eigenschaften vieler Materialien in diesem Spektralbereich eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Biologie, Medizin und Industrie. GaN high-electron mobility transistors (GaN HEMTs) sind für die Detektion bei THz-Frequenzen wegen der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit und damit niedrigen Bahnwiderstände sowie der gleichzeitig hohen Durchbruchspannung besonders geeignet.

Das FBH hat in Kooperation mit der Goethe-Universität Frankfurt eine Reihe von Aktivitäten auf dem Gebiet der Detektion bei THz-Frequenzen mithilfe von GaN-HEMT-Transistoren initiiert. Mit finanzieller Unterstützung der Leibniz-Gemeinschaft startete 2014 ein Projekt zur Entwicklung von breitbandigen THz-Detektoren. In diesem Projekt wird der FBH-GaN-MMIC-Prozess verwendet, der es erlaubt, Epitaxie und Transistoren für die speziellen Erfordernisse der THz-Detektion anzupassen und in spezielle Antennenstrukturen zu integrieren. Abb. 1 zeigt einen hergestellten Chip mit unterschiedlichen Transistoren und Antennen, Abb. 2 die Vergrößerung einer Bow-Tie-Antennenstruktur mit integriertem GaN-HEMT. Der GaN-HEMT hat eine Gate-Weite von 3 µm und eine Gate-Länge von 250 nm. Die realisierten Bow-Tie- und Log-Spiral-Antennenstrukturen zeigen sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die breitbandigen Detektionseigenschaften und Spitzenwerte für die optische rauschäquivalente Leistung (NEP) von 57 pW/√Hz bei 900 GHz für die Bow-Tie Struktur bzw. von 43 pW/√H bei 700 GHz für die Log-Spiral-Struktur.

Publikation:

M. Bauer, A. Rämer, S. Boppel, S. Chevtchenko, A. Lisauskas, W. Heinrich, V. Krozer and H.G. Roskos High-Sensitivity Wideband THz Detectors Based on GaN HEMTs with Integrated Bow-Tie Antennas Proc. 10th European Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMiC 2015), Paris, France, Sep. 7-8, pp. 1-4 (2015).