Terahertz measurement system based on frequency-selective detector chips for inline industrial monitoring

• Applicant: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering ; Measurement Systems
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 426328798

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Terahertz-Messsystem auf Basis frequenzselektiver Detektorchips für den Einsatz als inlinefähige industrielle Prüftechnik »TeraSpect«. Terahertz-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen Mikrowellen (Wellenlängen im Zentimeter- bis Millimeterbereich, klassische Hochfrequenzen) und dem Infrarotbereich (Wellenlängen im Mikrometerbereich). Viele nichtleitende Materialien erscheinen im Terahertz-Bereich transparent, was sich für zerstörungsfreie Materialuntersuchungen nutzen lässt. Die verwendete Strahlung erfordert dabei keinen Kontakt zum Prüfstück und kann somit berührungsfrei eingesetzt werden, zum anderen ist Terahertz-Strahlung gesundheitlich unbedenklich. Spektrale Fingerabdrücke identifizieren. Neben der Aufnahme von 3D Bildern zur Qualitätskontrolle von ganzen Bauteilen können zusätzlich spektrale Informationen im Terahertz-Bereich genutzt werden, um Materialien genauer zu identifizieren und zu untersuchen, beispielsweise für Zwecke der chemischen oder biomedizinischen Analyse aber auch für Echtheitsprüfungen in der Warenkontrolle. In diesem Zusammenhang spricht man auch von »spektralen Fingerabdrücken«, welche sich durch eindeutige Spektrallinien in breitbandigen Terahertz-Spektren zeigen. Im gemeinsamen Forschungsvorhaben »TeraSpect« der Verbundpartner Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, Goethe-Universität Frankfurt am Main und der TOPTICA Photonics AG wurden frequenzselektive Detektorchips zum Einsatz in der industriellen Prüftechnik entwickelt. Diese Chips nutzen Transistoren als hochsensitive Terahertz-Detektoren (sogenannte TeraFETs) und lassen sich in Standardprozessen der Halbleiterindustrie herstellen. In Kombination mit einer breitbandigen Terahertz-Strahlungsquelle, wie sie die TOPTICA Photonics AG entwickelt hat, können so die o.g. spektralen Fingerabdrücke vermessen und identifiziert werden. Im »TeraSpect«-Projekt wurden so zwei erfolgreiche Technologien der Terahertz-Messtechnik zu einem neuen Messprinzip kombiniert. Mit dem entwickelten Terahertz-Spektrometer lassen sich eine Reihe vielversprechender Anwendungen adressieren. Naheliegend ist der Einsatz zur Materialidentifikation, beispielsweise für pulverförmige Substanzen wie etwa Drogen und Sprengstoffe, aber auch anderer, ungefährlicher Stoffe. Schließlich lassen sich spektrale Fingerabdrücke im Terahertz-Bereich auch künstlich aufprägen, zum Beispiel durch in diesem Projekt untersuchte frequenzselektive Oberflächen (FSS) in dünnen Metallfolien. Dank der durchdringenden Eigenschaften der Terahertz-Strahlung können diese Merkmale unsichtbar, etwa in Verpackungen, Briefumschläge oder Dokumente, eingearbeitet werden und mit Hilfe des entwickelten Terahertz-Spektrometers zur Echtheitsprüfung abgefragt werden.

Publications

• Jahresbericht Fraunhofer ITWM 2019/20, p. 79-84 “Durchblick mit Millimeter-, Terahertz- und optischen Wellen“
  Georg von Freymann
  
• Jahresbericht Fraunhofer ITWM 2020/21, p. 73, “TeraSpect für multispektrale Messungen“
  Weber, Stefan
  
• Control and Optimization of Patch-Antenna-Coupled THz Detector Performance using Superstrate Dielectric and Silicon Lens. 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2. IEEE.
  Krysl, Anastasiya; But, Dmytro B.; Ikamas, Kestutis; Yuan, Hui; Kocybik, Michael; Bauer, Maris; Friederich, Fabian; Lisauskas, Alvydas & Roskos, Hartmut G.
  
• Resonant Terahertz Field-effect Transistors for Spectroscopic Sensing Applications. 2022 47th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2. IEEE.
  Kocybik, Michael; Krysl, Anastasiya; Vieweg, Nico; Lisauskas, Alvydas; Roskos, Hartmut G.; Bauer, Maris & Friederich, Fabian
  
• “Frequency Selective Terahertz Sensing with CMOS TeraFETs“, in 2022 18th Conference on Advanced Properties and Processes in Optoelectronic Materials and Systems (APROPOS), Vilnius, Lithuania, 2022
  M. Kocybik, A. Krysl, N. Vieweg, A. Lisauskas, H. G. Roskos, M. Bauer & F. Friederich
  
• “Sensitive Antenna-coupled Room-temperature Power Detectors for Frequencies above 1THz“, 10th International Workshop on Terahertz Technology and Applications, Kaiserslautern, Germany, 2022
  A. Krysl, M. Kocybik, M. Bauer, K. Ikamas, A.Lisauskas, I. Grigelionis, D. Seliuta, L. Minkevičius, F. Friederich & Hartmut G. Roskos
  
• “Terahertz Frequency-selective Measurements with Resonant TeraFETs for Fast Spectral Sensing Applications“, French- German THz Conference 2022, La Grande Motte, France, 2022
  M. Bauer, M. Kocybik, A. Krysl, N. Vieweg, A. Lisauskas, H. G. Roskos & F. Friederich
  
• Implementation of a multi-element detector consisting of an 8x8 network of patch-antenna-coupled TeraFETs for gas spectroscopy with THz-QCLs. 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 1-2. IEEE.
  Holstein, J.; Horbury, M.; North, N.; Godden, H.; Krysl, A.; Lisauskas, A.; Li, L. H.; Valavanis, A.; Freeman, J. R.; Linfield, E. H. & Roskos, H. G.
  
• “On-Chip Direct Laser Writing of Spectral Filter Structures for Terahertz Field-Effect Transistors,” in 2023 48th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Montreal, Canada, 2023
  M. Kocybik, J. Holstein, E. Waller, A. Lisauskas, H. G. Roskos, M. Bauer & F. Friederich
  
• Modeling of Antenna-Coupled Si MOSFETs in the Terahertz Frequency Range. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 14(3), 414-423.
  Ludwig, Florian; Holstein, Jakob; Krysl, Anastasiya; Lisauskas, Alvydas & Roskos, Hartmut G.
  
• Parasitic mixing in photomixers as continuous wave terahertz sources. Scientific Reports, 14(1).
  Kocybik, Michael; Bauer, Maris & Friederich, Fabian
  
• “Frequency-selective Spectroscopy System Covering Terahertz Range Between 0.5 THz to 2.5 THz Using Ten Resonant TeraFET Detectors in Array Configuration“, 11th International Workshop on Terahertz Technology and Applications, Kaiserslautern, Germany, 2024
  Jakob Holstein, Michael Kocybik, Maris Bauer, Erik Waller, Anastasiya Krysl, Nico Vieweg, Kestutis Ikamas, Fabian Friederich, Alvydas Lisauskas & Hartmut G. Roskos
  
• “Parasitic mixing in photo mixers as continuous wave terahertz sources”, 11th International Work shop on Terahertz Technology and Applications, Kaiserslautern, Germany
  Kocybik, Michael; Bauer, Maris & Friederich, Fabian