Hochleistungsfähige Terahertz-Antireflexionsstrukturen auf Silizium

• Antragsteller: Dr. Benjamin Röben; Dr.-Ing. Thomas Siefke
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563444588

Die Terahertz- (THz-) Technologie hat ausgehend von ersten Demonstrationen bis hin zu Anwendungen in der Grundlagenforschung und der Industrie einen weiten Weg zurückgelegt und wird zukünftig eine entscheidende Rolle in der drahtlosen Kommunikation nach 5G sowie im biomedizinischen Sektor spielen. Weitere Fortschritte werden jedoch dadurch behindert, dass es keine wirksamen Methoden zur Verringerung der Oberflächenreflexion von THz-optischen Komponenten (ToKs) wie z. B. Linsen gibt, die für praktisch alle THz-Geräte und -Instrumente erforderlich sind. Diese Einschränkung steht im Gegensatz zum sichtbaren Spektralbereich, wo Antireflexionsbeschichtungen für optische Technologien unerlässlich sind. Für sog. „High-Resistivity“-Silizium - eines der besten Materialien für ToKs - ist das Problem der Oberflächenreflexion besonders gravierend. Da Antireflexionsbeschichtungen im THz-Bereich nur begrenzt anwendbar sind, liegt unser Ansatz zur Verringerung von Oberflächenreflexionen in der Herstellung von Antireflexstrukturen auf den Oberflächen siliziumbasierter ToKs. In diesem Projekt legen wir die Grundlagen für das Design und die Herstellung von antireflektierenden Oberflächen im THz-Bereich mit höchsten Effizienzen und möglichst großen spektralen Bandbreiten. Zu diesem Zweck vergleichen wir drei verschiedene Ansätze für Antireflexstrukturen auf Silizium im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit. Zur Herstellung dieser Strukturen verwenden wir reaktives Ionenätzen mit induktiv gekoppeltem Plasma - eine der leistungsfähigsten Techniken zur Strukturierung von Silizium. Die Ätzprozesse für die Herstellung der geplanten Strukturen werden über den derzeitigen Stand der Technik hinaus weiterentwickelt, um die erforderlichen hohen Ätztiefen und Aspektverhältnisse sowie die komplexen Seitenwandprofile der Strukturen erreichen zu können. Die THz-Charakterisierung erfolgt mittels Fourier-Transform- und Zeitbereich-Spektroskopie. Während die Möglichkeiten für die Charakterisierung in Transmission bei senkrechtem Einfall bereits vorhanden sind, wird ein goniometrischer Aufbau entworfen und gefertigt, der es uns ermöglicht, den Transmissions- und Reflexionsgrad bei variablen Einfalls- und Austritts-/Reflexionswinkeln zuverlässig zu messen. Ein wichtiges Ziel des Projekts ist ein umfassendes Verständnis zwischen Struktur und Antireflexverhalten mittels Modellierung und Full-Wave-Simulationen, die durch Struktur-Charakterisierungen und THz-Messungen der Proben validiert werden. Dies mündet in optimalen Antireflex-Strukturen für ToKs, was als Katalysator für die Weiterentwicklung von THz-Technologien hin zu unerreichter Performance und neuartigen Anwendungen wirken wird. Darüber hinaus werden die Fortschritte bei der THz-Charakterisierung für eine Vielzahl von Festkörperproben von Nutzen sein, während die Entwicklungen in der Siliziumtechnologie und das umfassende Verständnis der Antireflexstrukturen auch außerhalb des THz-Bereichs von großem Wert sein werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen