Untersuchung plasmonische Moden für die Nutzung in vollständig halbleiterbasierten MIR-Detektoren

• Antragsteller: Dr. Fritz Berkmann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537010567

Ziel diese Vorhabend ist es die umsetzend eines CMOS-kompatiblen MIR Detektors der vollständig aus epitaktisch gewachsen Halbleitern hergestellt ist. Hierfür sollen plasmonische Antennen aus hoch dotierten Halbleiter der Gruppe IV genutzt werden. In dieser werden durch die Dämpfung plasmonische Moden heiße Ladungsträger generiert welche als Photostrom gemessen werden können. Der Einsatz von Gruppe IV Halbleiter als aktive materialen in plasmonischen Anwendungen ist ein virales Forschungsfeld. Neben dem Vorteil der vollständigen Integrationsmöglichkeit in den CMOS-Prozess, weisen hoch dotierte Halbleiter eine extrem hohe Feldkonzentration im Vergleich zu Standard materialen wie Gold oder Silbers auf. Für die Umsetzung dieses Ziels muss die örtliche elektrischen Feldverteilung von plasmonischen Moden und der Einfluss der Antennen Geometrie sowie des darunter befindlichen Substrates auf diese, näher untersucht werden. Durch dieses Wissen, soll es ermöglich werden, eine ideale drei dimensionale Antennen Geometrie für einen MIR Detektor zu finden. Als erster Schritt soll hierfür ein Ideals Material, für die Antennen, gefunden werden. Um unterschiedliche Materialien zu charakterisieren und zu vergleichen, werden Reflexionsmessungen durchgeführt. Aus diesen kann mittels der Kramer-Kronig Relation die Permittivität und die charakteristischen Drude Parameter der Materialien extrahiert werden, welche als Vergleichspunkte dienen sollen. Diese Parameter können als zweiten Schritt in eine FDTD Simulationsumgebung überführt werden, um das plamonische verhalten von Antennen, welche aus diesem Material hergestellt wurden, zu untersuchen. Mittels dieser Simulationen soll eine ideale drei dimensionale Antennen Geometrie gefunden werden. Eine ideale Geometrie bedeutet hierbei, dass eine möglichst kompakte und hohe Feldüberhöhung durch die Antennen generiert wird. In den Simulationen wird der Einfluss der dreidimensionalen Antenne Geometrie sowie des darunterliegenden Substrates auf die Feldverteilung untersucht, um so ein tieferes Verständnis für die Manipulation der Feldverteilung zu erlangen. Diese Antenne werden anschließen Mittels Standard Nano Fabrikationsprozessen wie elektronenstrahl Lithographie etc. hegestellt und in einem ersten Schritt, mittels FTIR Spektroskopie optisch charakterisiert. Diese Schritte können in einem Feed-back loop durchgeführt werden, umso iterative eine ideale Antennengeometer sowie Material und Fabrikationsprozess zu bestimmen. Abschließend wird mit diesen Ergebnissen ein „Proof of concept“ Bauteil hergestellt und dieses Elektro-optisch Messungen charakterisiert. Das Bauteil wird dafür in ein Kryostat eingebaut und elektrisch kontaktiert. Dieses Kryostat kann in ein IR Mikroskop-Messaufbau eingebaut werden, sodass die elektrische Antwort des Bauteils auf ein Optisches Signal gemessen werden kann. Dabei kann dies sowohl Temperatur abhängig als auch Zeit aufgelöst geschehen um die Reaktionszeit des Detektors zu ermitteln.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Italien
• Gastgeberinnen / Gastgeber: Professorin Dr. Leonetta Baldassarre; Professor Dr. Michele Ortolani