Intensive wellenleitergebundene Terahertz-Strahlenquelle auf InN-Basis

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ambacher; Privatdozent Dr.-Ing. Frank Schwierz; Privatdozent Dr. Markus Walther
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 165521999

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts wurden breitbandige Terahertz (THz)-Strahlungsquellen untersucht, die auf der photoinduzierten Oberflächenemission an epitaktisch gewachsenen Indium-Nitrid (InN) Oberflächen basieren. Diese Entwicklung erfolgte durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den drei Eckpfeilern InN-Herstellung, numerische Simulation und experimentelle Charakterisierung. Durch eine kritische Auseinandersetzung mit den publizierten theoretischen Arbeiten wurde ein Simulationsmodell zu Vorhersage der Feldverteilung der THz-Emission entwickelt. Als wichtigstes Ergebnis wurde das große Potential von lateralen THz-Emittern auf InN-Basis aufgezeigt. Weiterhin wurde die Bedeutung der elektronischen Transporteigenschaften unterstrichen. Es gelang, ein Epitaxieverfahren zum Aufwachsen von hochwertigen InN-Schichten zu entwickeln. Durch die Konzentration auf eine feste Zielschichtdicke konnten Transporteigenschaften erreicht werden, die über den Stand der Technik hinausgingen. Die Rolle einer Kohlenstoffdotierung wurde geklärt, wobei jedoch keine kompensierende oder gar p-dotierende Wirkung festgestellt wurde. Anstelle der geplanten dreidimensionalen Mikrostrukturen wurden die simulierten lateralen THz-Emitter hergestellt und charakterisiert. Zur kontrollierten Erfassung der THz-Emission wurde eine hochwertige Messumgebung aufgebaut, die sowohl in Reflexion und Transmission eingesetzt werden kann. Vor allem ist auch eine räumliche Aufnahme des THz-Feldes möglich. Damit wurden großflächige Photo- Dember Emitter auf InN-Basis demonstriert. Durch Strukturierung konnte die Effizienz der THz-Emission signifikant erhöht werden. Durch weitere Optimierung der Strukturen in Verbindung mit verfeinerten Simulationen zum Einfluss des Metall-Halbleiter-Kontaktes ist eine weitere Steigerung zu erwarten. Letztendlich wurden erste Ansätze zur Realisierung von frequenz-selektiven Emittern und ein mögliches Konzept zur Ankopplung an oberflächen-plasmonische Wellenleiter zur Feldfokussierung aufgezeigt. Damit ergibt sich folgendes Gesamtfazit: InN hat sich wie erwartet als leistungsstarker und effizienter THz-Emitter erwiesen. Allerdings konnten die elektronischen Transporteigenschaften, insbesondere die hohe Hintergrunddotierung, nicht entscheidend verbessert werden. so dass InN sein theoretisch vorhandenes Potenzial gegenüber anderen Materialien nicht vollständig ausspielen konnte. Es konnte aber gezeigt werden, wie laterale Strukturen die Effizienz der THz-Emission deutlich erhöhen. Dadurch steigt auch die Attraktivität von THz-Emittern unter Nutzung des Photo-Dember-Effekts im Vergleich zu den konkurrierenden Photoleitern, an denen üblicherweise eine hohe Spannung angelegt werden muss.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Electron and hole accumulation in InN/InGaN heterostructures“, Phys. Status Solidi C 8 (2011) 485–487
  V. Lebedev, V. Polyakov, A. Knübel, R. Aidam, L. Kirste, V. Cimalla, R. Granzner, F. Schwierz, and O. Ambacher
  
• “X-ray absorption spectra of In(x)Ga(1-x)N alloys with insight from atom-specific simulations”, Physical Review B 86 (2012), 155211
  Amidani, L.; Filippone, F.; Bonapasta, A. A.; Ciatto, G.; Lebedev, V.; Knübel, A.; Boscherini, F.
  
• “N-type conductivity and properties of carbon-doped InN(0001) films grown by molecular beam epitaxy”, Journal of Applied Physics 113 (2013), 033501
  Himmerlich, M.; Knübel, A.; Aidam, R.; Kirste, L.; Eisenhardt, A.; Krischok, S.; Pezoldt, J.; Schley, P.; Sakalauskas, E.; Goldhahn, R.; Félix, R.; Mánuel, J.M.; Morales, F. M.; Carvalho, D.; Ben, T.; García, R.; Koblmüller, G.
  
• ”Fano line shape and phase reversal in a split-ring resonator based metamaterial”, Physical Review B 88, 195118 (2013)
  J. Wallauer and M. Walther
  
• ”Optimal plasmonic focusing on a metal disc under radially polarized terahertz illumination”. New Journal of Physics, 15, 075005 (2013)
  S. Waselikowski, C. Fischer, J. Wallauer and M. Walther
  
• "Mapping the coupling between a photo-induced local dipole and the eigenmodes of a terahertz metamaterial“, Opt. Lett., 39 (21), 6138-6141 (2014)
  J. Wallauer, C. Grumber, and M. Walther
  
• „Vacancy defect formation in PA-MBE grown C-doped InN”, physica status solidi c 11 (2014), 3-4, 530- 532
  Prozheeva, V.; Tuomisto, F.; Koblmüller, G.; Speck, J. S.; Knübel, A.; Aidam, R.
  
• Bias-free lateral terahertz emitters—A simulation study. J. Appl. Phys. 118, 043102 (2015)
  R. Granzner, V. M. Polyakov, V. Cimalla, O. Ambacher and F. Schwierz
  
• Large area InN terahertz emitters based on the lateral photo-Dember effect. Appl. Phys. Lett. 107, 111102 (2015)
  J. Wallauer, C. Grumber, V. Polyakov, R. Iannucci, V. Cimalla, O. Ambacher, and M. Walther