Ein integriertes Messsystem für die Gasspektroskopie bei 2-5 THz – Leistungsdetektion und heterodyne Detektion unter Verwendung von TeraFETs undTHz QCLs

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut G. Roskos
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468734522

Ungefähr die Hälfte des Lichtes in der Galaxis liegt im Terahertz-(THz-)Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums, auch als Ferninfrarotbereich bekannt (0.3-10 THz, Wellenlänge: 0.03-1 mm) vor. Er ist dennoch mit bestehenden satellitengestützten Instrumenten nicht beobachtbar. Könnte man diesen Teil des Spektrums zugänglich machen, würde man viel über die Enstehungsprozesse von Sternen und Planeten lernen können. Außerdem ließen sich viele Lücken unserer Wissens über die chemischen Prozesse in der Erdatmosphäre schließen. Leider sind THz-Messsysteme zu groß, zu unhandlich und zu komplex für die Anwendung außerhalb des Labors. Eine Schlüsselrolle kommt hier den THz-Detektoren zu, die entweder eine geringe Empfindlichkeit bei hohen THz-Frequenzen aufweisen, extreme Kühlung benötigen oder zu langsam sind, um chemische Reaktionen zeitlich auflösen zu können. Wir wollen diese Hindernisse durch die Entwicklung von kompakten, empfindlichen und schnellen THz-Detektionssystemen, die zur Spurengasdetektion und zum Einbau in Satelliten taugen, überwinden. Die Grundlage hierfür sind „TeraFET“-Bauelemente – spezielle, mit Antennen versehene Feldeffekttransistoren, die sich in den letzten Jahren als leistungsfähige Detektoren für den kompletten THz-Frequenzbereich erwiesen haben. Sie können vollständig in Halbleiterfabriken mit den Technologien der Standardmikroelektronik hergestellt werden, was viele Vorteile wie die einer hohen Reproduzierbarkeit der Leistungsdaten und die Möglichkeit, Detektorarrays herzustellen, mit sich bringt.Wir werden TeraFET-Detektoren für Frequenzbänder bei 2.0, 3.5 and 4.7 THz entwickeln. Dort liegen charakteristische Spektrallinien wichtiger Gasspezies (O, OH, CO, NO und HO2), deren Beobachtung Aufschlüsse über die im All und in der oberen Erdatmosphäre ablaufenden chemischen Prozesse ermöglicht. Wir werden die Sensitivität, den Frequenzgang sowie das Rauschverhalten dieser neuartigen Detektoren detailliert untersuchen. Als Strahlungsquellen kommen hierbei für diese Frequenzbänder optimierte THz-Quantenkaskadenlaser (THz-QCLs) zum Einsatz. Dies sind sehr kompakte Halbleiterlaser, die mehr als die tausendfache Leistung ähnlich dimensionierter Emitter zur Verfügung stellen können. TeraFETs werden sowohl hinsichtlich der Leistungsdetektion, als auch – mit Blick auf zukünftige Anwendungen als Heterodynempfänger in Satelliten – als elektronische Mischerbauelemente optimiert. Wir werden das erste kompakte und integrierte THz-Messsystem entwickeln, bei dem ein THz-QCL und ein TeraFET-Bauelement zur in-situ Leistungsüberwachung des Lasers gemeinsam in einem Kroystaten gehäust sind. Des weiteren werden wir einen Messdemonstrator für die Spurengasdetektion entwickeln und mit diesem die funktionelle Verwendbarkeit dieser für eine weitgehende Systemintegration vielversprechenden Detektoren nachweisen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2314: Integrierte Terahertz-Systeme mit neuartiger Funktionalität (INTEREST)
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Joshua Freeman; Professor Dr. Edmund Linfield; Professor Dr. Alexander Valavanis