Plasmonische GaN-Detektoren und -Emitter für den THz-Bereich
Abb. 1: GaN-HEMT mit Antennenstruktur
Abb. 2: Detektorempfindlichkeit (noise-equivalent power) im Vergleich zum Gate Bias für verschiedene Transistor-Gateweiten
Unter Nutzung plasmonischer Effekte können elektronische Bauelemente oberhalb der Transitfrequenz betrieben werden. Seit einiger Zeit ist bekannt, dass der Ladungsträgertransport in Halbleiterbauelementen, wie etwa beim Feldeffekttransistor, Plasmaeffekte bei Terahertzfrequenzen (THz) aufweist. Diese Effekte können für die Detektion bei THz-Frequenzen mit Standard-CMOS oder III/V-Transistoren genutzt werden, was bereits gut dokumentiert wurde. Einige Publikationen berichten auch über mögliche Emissionen bei THz-Frequenzen. Dieses Thema ist äußerst interessant, um THz-Strahlung mit konventionellen Transistortechnologien zu erzeugen. GaN high-electron mobility transistors (GaN-HEMTs) sind sowohl für die Detektion als auch für die Emissionserzeugung bei THz-Frequenzen von großem Interesse. GaN-HEMTs zeigen eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und damit niedrige Bahnwiderstände mit einer gleichzeitig hohen Durchbruchspannung. Aufgrund der charakteristischen Eigenschaften vieler Materialien bietet der THz-Frequenzbereich eine Vielzahl möglicher Anwendungen im Bereich der Biologie, Medizin und Industrie.
In Kooperation mit der Goethe-Universität Frankfurt initiierte das FBH eine Reihe von Aktivitäten auf dem Gebiet der Detektion und Emission bei THz-Frequenzen mithilfe von GaN-HEMTs. Ihre Emissionseigenschaft wird im Rahmen eines DFG-Projektes untersucht. Hier liegt der Fokus auf der Herstellung einer Messumgebung für den Hochfrequenzbereich, die frei von parasitären Einflüssen ist. In dieser Umgebung sollen reproduzierbare Experimente zur THz-Emission von GaN-HEMTs durchgeführt werden, welche für ein tiefgreifendes Verständnis des Emissionsprozesses essentiell sind.
Mit finanzieller Unterstützung der Leibniz-Gesellschaft begann 2014 ein zusätzliches Projekt. Darin soll der GaN-MMIC-Prozess des FBH verwendet werden, der es erlaubt, die Transistoren für die speziellen Erfordernisse der THz-Detektion und -Emission anzupassen und spezielle Antennenstrukturen in diesen Prozess zu integrieren. Abb. 1 zeigt eine Bow-Tie-Antenne mit einem integrierten GaN-HEMT in der Mitte. Erste Ergebnisse sind in Abb. 2 für GaN-Detektoren dargestellt, die vielversprechende Empfindlichkeitswerte zeigen, die die mit CMOS erzielten Werte übertreffen (vgl. Veröffentlichung).
Publikation:
M. Bauer, A. Lisauskas, S. Boppel, M. Mundt, V. Krozer, H.G. Roskos, S. Chevtchenko, J. Würfl, W. Heinrich, G. Tränkle, "Bow-Tie-Antenna-Coupled Terahertz Detectors using AlGaN/GaN Field-Effect Transistors with 0.25 Micrometer Gate Length", Proc. 8th European Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMIC 2013), Nürnberg, Germany, Oct. 6-8, pp. 212-215 (2013).
FBH-Forschung: 16.01.2014