Selten-Erd:Photoleiter zur Erzeugung und Detektion von Terahertz Strahlung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Gregor Koblmüller; Professor Dr. Sascha Preu
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278381540

Unter den vielen Realisierungen von Terahertz (0.1 bis 10 THz) Quellen und Detektoren stechen Photoleiter heraus: extreme Bandbreiten können mit einem einzigen System realisiert werden, typischerweise von einigen 10 GHz bis zu mehreren THz. Dies eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen z.B. in der Spektroskopie oder der zerstörungsfreien Prüfung mittels Laufzeitmessung, wo die kurze THz-Pulsdauer von ca. 300 fs ein Alleinstellungsmerkmal darstellt. Für zukünftige kommerzielle und industrielle Anwendungen sind 1550 nm kompatible Photomischer von höchstem Interesse, da sie kompatibel mit hoch entwickelten und erschwinglichen Komponenten der Telekom-Branche sind.Im Rahmen des Vorgängerprojektes wurden solche Photoleiter auf Basis des Materialsystems ErAs:In(Al)GaAs erforscht, und dessen Leitungsfähigkeit unter Beweis gestellt. Einige der erreichten Spezifikationen sind z.B. ein Spitzendynamikbereich von 100 dB sowohl im Dauerstrich- als auch im Pulsbetrieb, eine Bandbreite von 6.5 THz im Pulsbetrieb, eine Rauschgrenze von 1.8 fW/Hz bei 189 GHz im Dauerstrichbetrieb und Ladungsträgerlebensdauern von nur 470±50 fs. Diese Photoleiter zählen somit bereits jetzt zu den Besten weltweit. Ein schwerwiegendes Problem des Vorgängerantrages war die mangelhafte Verfügbarkeit des Ausgangsmaterials. Nur eine Handvoll Gruppen weltweit sind in der Lage, dieses anspruchsvolle Material zu wachsen. Dieses Problem soll im Rahmen dieses Nachfolgeprojektes behoben und ergänzt werden. Am Walter Schottky-Institut, TU München, soll eine Erbium-Zelle in Betrieb genommen und in einem ersten Schritt das ErAs:In(Al)GaAs Photoleiter-Wachstum etabliert werden. Während das Wachstum und die Materialcharakterisierung in München erfolgen, wird das Probendesign, die Prozessierung und THz-Charakterisierung (Dauerstrichbetrieb und gepulst) an der TU Darmstadt durchgeführt.In nachfolgenden Schritten werden die Materialeigenschaften weiter verbessert. Dies erfolgt zum einen durch Optimierung der Schichtstruktur, zum anderen durch Einbringung eines kleinen Anteils von Antimon, mit dem Ziel, den Bauteilwiderstand weiter zu erhöhen bei gleichzeitig verbesserter Ladungsträgermobilität.Parallel zum Materialwachstum wird das elektrische Layout der Bauteile mittels neuartiger Elektrodenkonzepte, z.B. basierend auf Graphen, verbessert, sowie der Optimierung der Antennenstrukturen durchgeführt. Durch alle angestrebten Verbesserungen erwarten wir eine Steigerung des Dynamikbereichs von wenigstens zwei, ggf. drei Größenordnungen.Weitere Verbesserung erwarten wir durch synchrone Detektion mit zwei Photoleitern. Dadurch soll gemeinsames Rauschen, z.B. von den Lasern oder durch Streufelder im Labor, unterdrückt werden. In Summe erwarten wir, dass die Rauschgrenze der Detektoren auf den mittleren Attowatt-Bereich verringert werden kann, einem Messbereich, der bisher supraleitenden Detektoren vorbehalten war. Dies sollte passive Detektion ermöglichen, welche als finales Ziel demonstriert werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen