DE102012010926A1

DE102012010926A1 - Bimetall-Halbleiterstruktur zur Erzeugung von gepulsten und kontinuierlichen elektromagnetischen Feldsignalen im Mikrowellen-, Millimeterwellen und Terahertz-Frequenzbereich

Info

Publication number: DE102012010926A1
Application number: DE201210010926
Authority: DE
Inventors: Michael Nagel
Original assignee: Amo GmbH
Current assignee: Amo GmbH
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2013-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) zur optischen Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale im Mikrowellen, Millimeterwellenlängenbereich und Terahertz(THz)-Frequenzbereich, bestehend aus einer Metall-Halbleiter basierten Anordnung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Metall-Halbleiter basierte Anordnung (101, 102, 103, 104, 201, 202) aufweist: – ein photoleitendes Halbleitermaterial 11 dessen Oberfläche mit einer Anordnung von mindestens zwei lateral begrenzten metallischen Schichten (12, 13) versehen ist, – die metallischen Schichten 12 und 13 aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Auftrittsarbeiten gefertigt sind, – die metallischen Schichten (12, 13) sich lateral benachbart jeweils in direktem Kontakt mit dem Halbleitermaterial 11 befinden und ein Materialschluss innerhalb der Metallschichten (12, 13) besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine photoleitende Struktur zur Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale, insbesondere gepulster und kontinuierlicher (so genannter Dauerstrich) Feldsignale im Frequenzbereich von 1 GHz bis 10 THz, insbesondere einem Halbleitersubstrat, auf dem sich mindestens zwei Metallstreifen welche aus wenigstens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten zusammengefügt sind und lateral erstrecken, die durch optische Anregung in einen photoleitenden Zustand versetzt wird, der die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldsignals im Frequenzbereich von 1 GHz bis 10 THz hervorruft. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Flächenanordnung einer Vielzahl der genannten photoleitenden Srukturen, eine messtechnische Anordnung, bei der die erfindungsgemäße photoleitende Struktur Verwendung findet, sowie ein Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale unter Verwendung der erfindungsgemäßen photoleitenden Struktur.
Derartige photoleitende Strukturen können zu Emission und Erzeugung von elektrischen Feldsignalen vom Mikrowellenbereich (0,3 bis 300 Gigahertz) bis zum Terahertzbereich (300 Gigahertz bis 10 Terahertz) dienen und eignen sich dadurch als Signalquelle für Messungen in diesen Frequenzbereichen, deren Bedeutung in den letzten Jahren stark zugenommen hat.
Die Erzeugung von elektromagnetischen Signalen und Strahlung im THz-Frequenzbereich mit Hilfe von kompakten, effizienten, kostengünstigen und robusten Quellen ist ein bislang nur unbefriedigend gelöstes technisches Problem.
Die Entwicklung einer technischen Lösung dieses Problems ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, da eine Vielzahl von neuen Anwendungen identifiziert werden konnte (etwa im Bereich der Sicherheitstechnik, Bioanalyse, zerstörungsfreier Materialprüfung oder Kommunikationstechnik), deren kommerzielle Umsetzung aufgrund der oben genannten Defizite der bisherigen THz-Signalquellen stark eingeschränkt ist.
In den letzten Jahren hat das Interesse an photoleitenden Strukturen zur Erzeugung von THz-Strahlung stark zugenommen. Insbesondere Emitteransätze, deren aktive Abstrahlfläche durch eine zweidimensionale Array-Anordnung, das heißt durch eine in der Regel periodische Strukturvervielfachung, skaliert werden können werden immer beliebter, da sie aufgrund ihrer Flächengröße relativ hohe absolute THz-Ausgangsleistungen ermöglichen und Sättigungsverluste bei hoher optischer Anregungsintensität, die bei kleinflächigen Emitter schon bei geringen optischen Anregungsleistungen auftreten, vermieden werden. Der Stand der Technik zu diesen großflächig skalierbaren THz-Emittern, zu dessen Gattung auch die vorliegende Erfindung gehört, wurde vor kurzem von Winnerl in dem Artikel „Scalable Microstructured Photoconductive Terahertz Emitters", in J Infrared Milli Terahz Waves (2012) 33: 431–454 zusammengefasst.
Der grundlegende Mechanismus zur THz-Signalerzeugung in photoleitenden Halbleitermaterialstrukturen basiert auf der Emission von THz-Wellen durch optisch angeregte Ladungsträger, die in einem elektrischen Feld beschleunigt werden oder unterschiedliche Elektron-Loch Diffusionslängen besitzen. Ein Beschleunigungsfeld kann z. B. über zwei beabstandete auf der Halbleitersubstratoberfläche platzierte Streifenleiter angelegt werden. Hohe Beschleunigungsfelder bei geringer Vorspannung erfordern kleine Streifenleiterabstände innerhalb einer solchen Metall-Halbleiter-Metall (MHM) Struktur. Bei einer Array-Anordnung dieser MHM-Strukturen muss berücksichtigt werden, dass zwischen allen benachbarten MHM-Emitterelementen zur Vermeidung eines Kurzschlusses ein Abstand eingehalten werden muss, wodurch weitere MHM-Zwischenelemente mit entgegengesetztem Beschleunigungsfeld ausgebildet werden. Dies kann eine starke Verringerung oder sogar vollständige Auslöschung der THz-Emission durch destruktive Interferenz im Fernfeld hervorrufen. Zur Vermeidung dieser destruktiven Interferenz sind bereits verschieden Ansätze vorgeschlagen worden.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO2006/047975 ist ein Verfahren bekannt, dass eine optisch transparente Isolationsdeckschicht vorsieht, auf der nicht transparente Maskierungselemente zur Vermeidung einer optischen Anregung der MHM-Zwischenelemente angeordnet sind. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwändig und darüber hinaus beeinträchtigt durch einen hohen parasitären Dunkelstrom der MHM-Zwischenelemente, der die maximale Vorspannung begrenzt. Darüber hinaus besteht eine hohe Defektanfälligkeit auf Kurzschlüsse innerhalb der vorgespannten Elektroden. Ein einzelner Kurzschluss zerstört bereits vollständig die Betriebsfähigkeit des gesamten Bauelementes.
In der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2007/002790 wird ein anderes Verfahren beschrieben, dass die vollständige Entfernung des Halbleitermaterials in den Bereichen der MHM-Zwischenelemente vorsieht, wodurch der Dunkelstrom verringert wird. Der Herstellungsaufwand ist jedoch immer noch vergleichsweise hoch, da stark ausgedünnte Halbleiterschichten verwendet werden müssen, die zur Stabilisierung auf ein isolierendes, optisch transparentes Substrat transferiert werden müssen. Weiterhin besteht auch hier eine große Gefahr eines Komplettausfalles durch einen Kurzschluss. Dieselben Nachteile bezüglich Herstellungsaufwand, Dunkelstrom und Defektanfälligkeit gelten auch für den Ansatz der in der deutschen Patentanmeldung DE.10.2006.059573B3 beschrieben ist und ein Mikrolinsen-Array zur gezielten Vermeidung einer optischen Anregung der MHM-Zwischenelemente vorsieht.
Eine erste Lösung des Problems der hohen Defektanfälligkeit durch Kurzschlüsse wurde vor kurzem in der deutschen Patentanmeldung PCT/EP2009/004258 vorgestellt. Die dort beschriebene Anordnung speziell geformter Metallstreifen ermöglicht die Erzeugung eines parallel zur Halbleiteroberfläche (also lateralen) Photostroms aufgrund unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeiten der optisch angeregten Elektronen und Löcher, dem so genannten Photo-Dember-Effekt. Diese Anordnung erfordert keine Vorspannung der Streifenleiter und ist deshalb auch im Fall sogar mehrerer Kurzschlussdefekte noch immer funktionsfähig, bei nur marginaler Verringerung der Ausgangsleistung. Ein schwerwiegender Nachteil ist jedoch die geringe Effizienz des Photo-Dember-Effekts, wodurch die erreichbare Konversionseffizienz sehr gering ausfällt. Die Vermeidung von destruktiven Interferenzeffekten ist bei diesem Ansatz zudem technisch so aufwändig, das in der bisherigen Praxis ein relativ hoher Anteil an destruktiver Interferenz in Kauf genommen wird.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe erfindungsgemäß darin besteht, eine Struktur zur THz-Signalerzeugung bereitzustellen, die eine möglichst hohe Konversionseffizienz in Bezug auf die optische Anregungsleistung ermöglicht, eine geringe Defektanfälligkeit besitzt und möglichst kostengünstig gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Metall-Halbleiterstruktur gemäß Anspruch 1 sowie durch die messtechnische Anordnung gemäß Anspruch 13 und das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen formuliert und werden nachfolgend näher beschrieben.
Ein Hauptmerkmal der vorgeschlagenen Struktur ist die laterale versetzte Anordnung von mindestens zwei Metallstreifen mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten auf einer Halbleitersubstratoberfläche. Die Erzeugung eines lateralen Photostroms zur THz Emission wird in diesem Ansatz nicht mit Hilfe des Photo-Dember-Effekts vollzogen, sondern durch Beschleunigung optisch angeregter Ladungsträger innerhalb der internen, instantan auftretenden elektrostatischen Felder an den Metall-Halbleiter-(MH)-Übergängen – also innerhalb der sogenannten Raumladungszonen.
Eine gezielte Anordnung von mindestens zwei Metallstreifenleitern bestehend aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten innerhalb eines Arrays wird dazu verwendet, um destruktive Interferenzeffekte im Idealfall – d. h. bei geeigneter Kombination des Halbleitermaterials und der unterschiedlichen Metalle – vollständig zu vermeiden. Dies geschieht durch eine gezielte unidirektionale Einstellung der MH-Grenzfelder in Abhängigkeit der Metallsorte an lateral aufeinanderfolgenden MH-Kanten.
Innerhalb der Array-Anordnung kann im Sinne der Erfindung beispielsweise eine sich lateral wiederholende „a-b-c”-Reihenfolge verwendet werden, bestehend aus direkt angrenzenden Bereichen der folgenden Art: Halbleiter-Metallsorte 1-Metallsorte 2.
Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang, dass die THz-Emission durch feldinduzierte Ladungsträgerbeschleunigung an Metall-Halbleiter-Grenzflächenfeldern unter typischen Anregungsbedingungen um ein vielfaches Effizienter als der Photo-Dember-Effekt ist, wodurch unter anderem vielfach höhere Konversionseffizienzen im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht werden können.
Die vorgeschlagene Struktur benötigt keine externe Vorspannung, sondern nutzt die instantan auftretenden Grenzflächenfelder an Metall-Halbleiterübergängen. Der Ansatz ist daher resistent gegenüber Kurzschlussdefekten. Die Herstellung der vorgeschlagenen Strukturen ist darüber hinaus, wie im Weiteren beschrieben wird, mit minimalem technischem Aufwand unter Verwendung von selbstjustierenden Strukturierungsprozessen möglich.
Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Struktur ist, dass geeignete Halbleitermaterialien nicht notwendigerweise einen ausgeprägten Photo-Dember-Effekt besitzen müssen. Andererseits trägt ein starker Photo-Dember-Effekt innerhalb des gewählten Halbleitermaterials weder zur Verbesserung noch zur Verschlechterung der THz-Generationseffizienz der vorgeschlagenen Struktur bei. Vor diesem Hintergrund ist die Auswahl geeigneter Halbleitermaterialien deutlich weniger stark eingeschränkt im Vergleich zur Photo-Dember-Effekt basierten THz-Erzeugung. In einer aktuelle Untersuchung von Reklaitis (J. Appl. Phys. 109, 083108 (2011)) wird darüber hinaus belegt, dass der Photo-Dember-Effekt generell nur wirksam genutzt werden kann, falls die Photonenenergie der optischen Anregestrahlung signifikant über der Bandlückenenergie des verwendeten Halbleitermaterials liegt, was einer kostengünstigen Nutzung ebenfalls entgegenspricht. Die wichtigsten Kriterien zu Wahl des Halbleitermaterials sind eine möglichst hohe Ladungsträgermobilität, eine ausreichend kurze Ladungsträgerlebensdauer sowie eine ausreichend hohe Absorption im Wellenlängenbereich der optischen Anregung. Diese Kriterien gelten im Falle der Photo-Dember-Effekt basierten THz-Erzeugung zusätzlich zu den oben genannten Voraussetzungen. Im vorliegenden Fall kommen zum Beispiel für die Wahl des photoleitendes Materiales verschiedene III/V-Halbleiter wie GaAs, InGaAs, InAs, aber auch Gruppe-IIII Halbleiter wie Si, Ge oder alternativ auch Semimetalle wie Graphen bzw. Graphit in Frage. Falls eine THz-Signalauskopplung durch die Substratrückseite erfolgen soll, muss zudem auf eine möglichst geringe Absorption des Halbleitermaterials im THz-Frequenzbereich geachtet werden, welche in der Regel bei schwach- oder undotierten Halbleitern gegeben ist.
Ein wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Struktur ist weiterhin, dass der Anteil der inaktiven zur aktiven Fläche innerhalb der gesamt Struktur im Vergleich zu den bisherigen Ansätzen deutlich kleiner ausfallen kann, was ebenfalls erheblich zur Verbesserung der erreichbaren Konversionseffizienz beiträgt. Begründet ist dies dadurch, dass sich zwei benachbarte MHM-Elemente erfindungsgemäß in direktem Kontakt befinden dürfen. Bislang störende MHM-Zwischenbereiche entfallen somit vollständig, wodurch nicht zuletzt ein direkter Anstieg des relativen aktiven Flächenanteils resultiert. Gleichzeitig kann durch die vollständige Vermeidung von MHM-Zwischenbereichen und bei geeigneter Wahl der unterschiedlichen Metallsorten destruktive Interferenz ebenfalls vollständig vermieden. Der direkte Kontakt zweier unterschiedlicher Metalle ist ein charakteristisches Kennzeichen der vorgeschlagenen Anordnung. Um dies zu verdeutlichen wird diese Struktur im Folgenden als Metall-Metall-Halbleiter (MMH) Struktur bezeichnet werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten der THz-Emitterstruktur sind äußerst vielfältig. Insbesondere kann eine Anwendung als THz-Signalquelle in der Qualitätsprüfung und Entwicklung von integrierten Höchstfrequenzschaltungen, im Bereich der Medizintechnik, in der Bioanalytik, in der Sicherheitstechnik zur Spektroskopie zum Nachweis von Gefahrenstoffen oder für die Grundlagenforschung im Bereich neuartiger photonischer Materialien und Strukturen erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1 eine schematische Darstellung der Draufsicht auf ein einzelnes Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelement zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
2(a) eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform sowie (b) das zugehörige Bändermodell dieser Anordnung;
3 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung einer Array-Anordnung mehrerer Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform;
7 eine schematische Darstellung einer Array-Anordnung mehrerer Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform;
8(a) Gemessener zeitlicher Verlauf des erzeugten THz-Signals bei unterschiedlicher axialer Ausrichtung der Metall-Metall-Halbleiter Array-Struktur zum Nachweis eines unidirektionalen lateralen Photostroms als Ursache der THz Emission. (b) Schematische Darstellung der Messanordnung.
9 Gemessenes Emissionsspektrum einer Metall-Metall-Halbleiter-Array Struktur.
Die in 1 schematisch dargestellte Anordnung zeigt eine Draufsicht der Oberfläche eines Einzelelements einer MMH-Emitterstruktur 101 gemäß dem Konzept der Erfindung, welche für die Erzeugung eines kontinuierlichen und gepulsten Terahertz-Signals ausgelegt ist. Das Einzelelement der Emitterstruktur 101 basiert auf einem Halbleitersubstrat 11 auf dem sich ein Streifenleiter 12 einer ersten Metallsorte a sowie ein Streifenleiter 13 einer zweiten Metallsorte b, deren Austrittsarbeit sich von der Austrittsarbeit der Metallsorte b unterscheidet, erstrecken. Zwischen Streifenleiter 12 und Streifenleiter 13 besteht zumindest teilweise ein Materialschluss. Streifenleiter 12 und Streifenleiter 13 sind lateral versetzt unmittelbar benachbart auf dem Halbleitersubstrat 11 in der Form angeordnet, dass direkte Kontaktbereiche zwischen Halbleitersubstrat 11 und Metallsorte a sowie Halbleitersubstrat 11 und Metallsorte b gebildet werden. Streifenleiter 12 besitzt eine laterale Breite w1, Streifenleiter 13 besitzt eine laterale Breite w2, die Breite der Streifenleiteranordnung bestehend aus Streifenleiter 12 und 13 entspricht w3, das Einzelelement der Emitterstruktur 101 besitzt eine Breite w4 und eine Länge l1. Zur Bildung eines Bereichs zur THz-Signalerzeugung wird w3 kleiner als w4 gewählt. In bestimmten Fällen kann eine Integration von lokal nicht THz emittierenden Bereichen gewünscht sein; zum Beispiel in einer Array Anordnung von Einzelemittern. In diesen Fällen kann lokal w3 gleich w4 gewählt werden, wobei die Streifenleiter auch von einer einfachen geraden Form abweichen können.
In 2(a) ist ein Einzelelement einer Emitterstruktur 101 im Querschnitt dargestellt. Zur Erzeugung einer Emission 161 und 162 im THz-Frequenzbereich wird das Einzelelement 101 vorzugsweise von der mit den Streifenleitern 12 und 13 besetzten Seite mit einer optischen Strahlung 14 angeregt. Bei ausreichend dünnen Halbleitersubstraten, mit einer Dicke kleiner als die optische Eindringtiefe des anregenden Anregungssignals, ist auch eine rückseitige optische Anregung möglich. Zur Verdeutlichung des grundlegenden THz-Emissionsprozesses, ist in 2(b) ein Bändermodell 11 der Anordnung 101 skizziert. Die optische Anregungsstrahlung 14 besitzt vorzugsweise eine Photonenenergie 17, die größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials 11 ist und dadurch in der Lage ist, Elektronen 19 und Loch 20 Paare effizient zu generieren. Entsprechend der jeweiligen Austrittsarbeiten der Metallstreifen 12 und 13 stellen sich im Halbleitermaterial 11 unterschiedliche Bandverbiegungen und somit unterschiedliche Grenzflächenfelder an den jeweiligen Metall-Halbleiterübergängen 11/12 und 11/13 ein. Im Idealfall zur THz-Erzeugung mit maximaler Effizienz werden die Metallsorten a und b entsprechend des verwendeten Halbleitermaterials 11 so gewählt, dass sich an den beiden MH-Übergangsbereichen die Bandverbiegungen in Amplitudenstärke und Vorzeichen möglichst stark voneinander unterscheiden. Welche Metalle hierfür in Frage kommen, hängt von dem gewählten Halbleitermaterial ab. Mit GaAs als Halbleitermaterial kann beispielsweise eine Kombination aus Ti und Au, Al und Au oder Al und Pd verwendet werden.
Zur prinzipiellen Erzeugung eines THz-Signals mit Hilfe der betrachteten Struktur ist auch ein geringerer Unterschied der Grenzflächenfelder an den Metall-Halbleiterübergängen 11/12 und 11/13 bereits wirksam. Bei identischen Metallsorten für die Streifenleiter 12 und 13 verschwindet die THz-Emission jedoch vollständig. Dieser Zusammenhang erklärt sich wie folgt: An beiden Metall-Halbleiterübergängen 11/12 und 11/13 werden nach optischer Anregung im Halbleitermaterial 11 auf Grund der lokalen Präsenz der Grenzflächenfelder laterale Photoströme 151 und 152 erzeugt. Die Photoströme resultieren aus der lateralen Beschleunigung 18 der optisch angeregten Elektronen 19 und Löcher 20 im Bereich der Grenzflächenfelder. Diese lateralen lokalen Photoströme induzieren lokale THz-Emissionen die sich mit zunehmendem Abstand von den Emissionsbereichen zu einer Gesamtemission überlagert. Im Falle identischer Metallsorten für die Streifenleiter 12 und 13 besitzen die Photoströme 151 und 152 identische Beträge jedoch lateral entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen. Die resultierenden THz-Emissionen überlagern sich in diesem Fall vollständig destruktiv d. h. sie löschen sich aus. Besitzen die Photoströme jedoch eine identische Ausbreitungsrichtung oder zumindest eine unterschiedliche Amplitudenstärke, findet eine konstruktive Überlagerung der THz-Emissionen bzw. zumindest eine nicht vollständig destruktive Überlagerung statt. Die beiden letztgenannten Zustände werden erfindungsgemäß durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Metallsorten für die Streifenleiter 12 und 13 erzielt, die einen lateralen Symmetriebruch in dem Bandverlauf des Halbleitermaterials erzeugen, der die vollständige destruktive Überlagerung der THz-Emissionen verhindert bzw. in eine konstruktive Überlagerung – d. h. einen absoluten Emissionsgewinn – umkehrt. Die Verwendung Grenzflächenfeld-induzierter Photoströme hat sich gegenüber dem bisherigen in PCT/EP2009/004258 beschriebenen Ansatz basierend auf Diffusionsinduzierten Photoströmen, welcher mit Metallstreifen nur einer Metallsorte auskommt, zusätzlich jedoch lokal variierende Transmissionseigenschaften dieser Metallstreifen benötigt, als der um mehrere Größenordnungen effizienterer Ansatz herausgestellt. Der technologische Mehraufwand durch die Applikation zweier unterschiedlicher Metallsorten ist bei geeigneter Wahl der Strukturierungsprozesse (z. B. selbstjustierender Prozesse) in der Regel vernachlässigbar.
Im Folgenden sind weitere Beispiele zur technischen Umsetzung der grundlegenden Erfindung, einer THz emittierenden MMH-Struktur aufgezeigt. In 3 ist ein Querschnitt einer im Sinne der Erfindung ebenfalls zur THz-Emission geeigneten MMH-Struktur 102 dargestellt, bei der der Streifenleiter 13 den Streifenleiter 12 überlappt. Die zwingende Voraussetzung eines direkten zumindest lateralen Kontaktes der lateral benachbarten Streifenleiter 12 und 13 ist in der Praxis häufig nur unter Inkaufnahme einer partiellen Überlappung beider Streifenleiter zu erreichen. Dies gilt insbesondere für verschiedene selbstjustierende Strukturierungs- und Abscheideverfahren. Die Überlappung des einen Streifenleiters 12 durch den anderen Streifenleiter 13 – sei sie nun partiell oder vollständig – stellt jedoch erfindungsgemäß keine Beeinträchtigung des zugrundeliegenden Emissionsmechanismus dar, da hierfür ausschließlich die laterale Abfolge der Metallsorten a and b, die in unmittelbarem Kontakt mit der Halbleitersubstratoberfläche stehen von Bedeutung ist. Die Überlappung des Streifenleiters 12 durch den Streifenleiter 13 ändert nicht die Eigenschaft und Ausbildung des Grenzflächenfeldes an dem Metall-Halbleiterübergang 11/12 und folglich ebenfalls nicht den THz-Emissionsprozess. Allerdings darf in diesem Beispiel der Streifenleiter 13 den Streifenleiter 12 nicht vollständig umschließen (das heißt einen Halbleiterkontakt auf beiden Seiten des Streifenleiters 12 bilden), da in diesem Fall wiederum ein nicht gewünschter symmetrischer Bandverlauf erzeugt würde.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform 102 einer THz emittierenden MMH-Struktur kann beispielsweise in einem halbleitertechnischen Verfahren unter Verwendung von Photolithographie hergestellt werden. Nach einer Aufbringung von Photolackstreifen auf der Halbleiteroberfläche können beide Metallsorten nacheinander durch Aufdampfung unter zwei unterschiedlichen zur Substratoberfläche verkippten Aufdampfwinkel abgeschieden werden. Anschließend werden die Photolackstreifen inklusive des darüber abgeschiedenen Metalls in einem geeigneten Lösemittel von dem Substrat entfernt („Lift-off Prozess”). Diese Herstellungsmethode erfordert nur einen Lithographieschritt und durch den selbstjustierenden Bedampfungsprozess keine aufwändige Maskenjustage zur Platzierung der lateral versetzten Streifenleiter 13.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform 103 einer THz emittierenden MMH-Struktur dargestellt, bei der der Streifenleiter 12 der Metallsorte a während des Herstellungsprozesses selbst zur Maskierung und Ausbildung eines unbeschichteten Halbleitersubstrats während der Abscheidung der Metallsorte b des Streifenleiters 13 dient und dabei vollständig von Streifenleiter 13 bedeckt aber nicht vollständig umschlossen wird. Streifenleiter 13 wird in dieser Ausführungsform in der Mitte geteilt. In dieser Ausführungsform können sehr effizient besonders kleine laterale Abstände der Streifenleiter 12 und 13 bis in den Bereich weniger Nanometer realisiert werden. Streifenleiterabstände im Bereich von etwa 10 nm bis 200 nm können beispielsweise durch eine damit verbundene Induzierung plasmonischer Resonanzen in den Streifenleitern eine drastische Feldüberhöhung der optischen Anregungsstrahlung bewirken und dadurch ebenfalls zur Erhöhung der THz Emissionseffizienz beitragen. Die geringen Streifenleiterabstände dieser Ausführungsform resultieren darüber hinaus in der Bildung eines lokal stark begrenzten Photostroms 153 und somit einer einzelnen Punktquelle zur THz Emission 163. Die Ausführungsform 103 ermöglicht darüber hinaus die Fertigung besonders kleiner Einzelemitterstrukturen und demnach eine sehr hohe Flächendichte von Einzelemittern innerhalb der im Weiteren erläuterten Array-Anordnungen
Eine weitere Ausführungsform 104 einer THz emittierenden MMH-Struktur ist in 5 skizziert. Eine Verbesserung des THz-Abstrahlverhaltens wird in dieser Ausführung durch die Einbringung einer grabenförmigen Aussparung 15 in das Halbleitersubstrat 11 erreicht. Weiterhin kann die Aussparung 15 zur Maskierung während des Metallisierungsprozesses in der bereits erwähnten Form alternativ zu einer Maskierung durch Photolackstreifen genutzt werden.
Die Größe der Photoströme 151, 152, 153 und der THz Emissionsfeldstärke 161, 162, 163 steigt üblicherweise linear mit der Intensität der optischen Anregung 14. Für große Anregungsintensitäten und demzufolge hohen Ladungsträgerdichten treten jedoch Abschirmungseffekte des Grenzflächenfeldes auf, die einen sublinearen Anstieg der THz-Emissionsfeldstärke zur Folge hat. Demzufolge verringert sich die Konversionseffizienz mit steigender optischer Anregungsintensität. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und eine maximale Konversionseffizienz zu erreichen ist eine Array-Anordnung der MMH-Einzelemitterstrukturen hilfreich. Die verfügbare Anregungsleistung wird hier auf eine größere Fläche verteilt, wodurch die Intensität pro Einzelemitter sinkt und jeder Einzelemitter in einem degradationsfreien Intensitätsbereich betrieben werden kann.
Jede bereits erwähnte Ausführungsform des MMH-Einzelemitters (101, 102, 103 und 104) kann zur Konversionseffizienzsteigerung in eine Array-Anordnung übertragen werden, in der Form, dass die jeweiligen Einzelstrukturen mehrfach nebeneinander auf der Halbleitersubstratoberfläche platziert werden. Beispiele für Array-Anordnungen sind in 6 und 7 skizziert. Die laterale Vervielfachung kann vorzugsweise periodisch in einer zweidimensional orthogonalen oder hexagonalen Array-Anordnung stattfinden. Aperiodische Anordnungen sind jedoch im Sinne der Erfindung ebenfalls möglich. Das spektrale, zeitliche und räumliche THz-Abstrahlverhalten wird insbesondere durch die lateralen Abstände s1 und s2 der Einzelstrukturen 101, 102, 103 oder 104 beeinflusst. Die Abstände s1 und s2 werden üblicherweise in einem Bereich zwischen s1, s2 = 0 und maximal einer Länge im Bereich der erzeugten THz Wellenlänge gewählt.
Die optische Anregung der oben genannten MMH-Strukturen zur THz-Signalerzeugung kann sowohl mit gepulsten optischen Signalen als auch mit kontinuierlicher optischer Anregung stattfinden. Bei gepulster optischer Anregung sollte die Lebensdauer der im Halbleitermaterial 11 optisch angeregten Ladungsträger zumindest kürzer als die verwendete Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen sein, um Feldabschirmungseffekte durch akkumulierte Ladungsträger zu vermeiden. Die optische Anregung mit optischen Pulsen ermöglicht die Erzeugung einer ebenfalls gepulsten THz-Emission. Die Erzeugung einer kontinuierlichen THz-Emission mit Hilfe der vorgeschlagenen Strukturen ist nach dem Prinzip der photokonduktiven Differenzfrequenzerzeugung möglich, bei der die Ausgangssignale zweier kontinuierlicher optische Anregungsquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge auf der Oberfläche der Einzelemitter 101, 102, 103, 104 oder Array-Anordnungen 201, 202 überlagert werden. Die Frequenz der erzeugten THz-Emission entspricht in diesem Fall der Differenzfrequenz der optischen Anregungssignale.
Die hohe Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird im Folgenden anhand experimenteller Untersuchungen demonstriert. Gefertigt wurde eine Array-Anordnung (201, 202) auf Basis von InGaAs als Halbleitermaterial und Ti und Au als die Metallsorten für Streifenleiter 12 bzw. 13. Diese Struktur wurde mit optischen Pulsen mit einer Wellenlänge von 800 nm, Pulsdauern von 150 fs und einer Pulswiederholfrequenz von 78 MHz angeregt. in 8(a) ist der zeitliche Verlauf des emittierten THz Signal E_x,THz für verschiedene axiale Ausrichtungswinkel der Emitter Array-Anordnung (201, 202) dargestellt. Wie in 8(b) dargestellt, wird die Array-Anordnung (201, 202) um die z-Achse rotiert und das in k-Richtung emittierte THz-Feld und davon die Polarisation in x-Richtung gemessen. Die Detektion des THz-Signals fand in geringer Entfernung (im Nahfeld) zur Rückseite der Array-Anordnung statt. Für den Winkel φ = 0° wird eine positive THz-Feldamplitude gemessen, während für φ = 180° eine negative THz-Feldamplitude detektiert wird und für φ = 90° das Signal verschwindet. Dieses Ergebnis bestätigt eindeutig, dass die THz-Signalerzeugung dominierend durch die Erzeugung eines lateral unidirektionalen Photostroms hervorgerufen wird. Eine Vergleichsstruktur mit Streifenleitern bestehend aus nur einer Metallsorte und das Halbleitersubstrat ohne Metallstreifen zeigten keine messbare THz-Emission.
Das Amplitudenspektrum der gemessenen THz-Emission ist in 9 dargestellt. Die Bandbreite dieses Emitter-Prototyps erreicht bereits die verfügbare Bandbreite des verwendeten Detektionssystems von ca. 10 GHz bis 4 THz.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) zur optischen Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale im Mikrowellen, Millimeterwellenlängenbereich und Terahertz(THz)-Frequenzbereich, bestehend aus einer Metall-Halbleiter basierten Anordnung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Metall-Halbleiter basierte Anordnung (101, 102, 103, 104, 201, 202) aufweist:

– ein photoleitendes Halbleitermaterial 11 dessen Oberfläche mit einer Anordnung von mindestens zwei lateral begrenzten metallischen Schichten (12, 13) versehen ist,
– die metallischen Schichten 12 und 13 aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Auftrittsarbeiten gefertigt sind,
– die metallischen Schichten (12, 13) sich lateral benachbart jeweils in direktem Kontakt mit dem Halbleitermaterial 11 befinden und ein Materialschluss innerhalb der Metallschichten (12, 13) besteht.

Bezugszeichenliste

11: Halbleiter
12: Metallschicht
13: Metallschicht
14: Anregungsstrahlung
15: Halbleiter-Vertiefung
17: Optische Anregungsenergie
18: Ladungsträgertransport
19: Elektron
20: Loch
101: Einzelemitter-Struktur
102: Einzelemitter-Struktur
103: Einzelemitter-Struktur
151: Photostrom
152: Photostrom
153: Photostrom
161: Mikrowellen-, Millimeterwellen- und THz-Emission
162: Mikrowellen-, Millimeterwellen- und THz-Emission
163: Mikrowellen-, Millimeterwellen- und THz-Emission
201: Array Anordnung
202: Array Anordnung
L1: Metallschichtlänge
W1: Metallschichtbreite
W2: Metallschichtbreite
W3: Metallschichtbreite
W4: Metallschichtbreite
S1: Emitterabstand
S2: Emitterabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/047975 [0007]
EP 2007/002790 [0008]
DE 102006059573 B3 [0008]
EP 2009/004258 [0009, 0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel „Scalable Microstructured Photoconductive Terahertz Emitters”, in J Infrared Milli Terahz Waves (2012) 33: 431–454 [0005]
J. Appl. Phys. 109, 083108 (2011) [0017]

Claims

Photoleitende Struktur, optoelektronisches Bauelement – insbesondere Strahlungsquelle – (101, 102, 103, 104) zur optischen Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale im Mikrowellen, Millimeterwellenlängenbereich und Terahertz(THz)-Frequenzbereich, bestehend aus einer Metall-Halbleiter basierten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass – ein photoleitendes Halbleitermaterial 11 dessen Oberfläche mit einer Anordnung von mindestens zwei lateral begrenzten metallischen Schichten (12, 13) versehen ist, – die metallischen Schichten 12 und 13 aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Auftrittsarbeiten gefertigt sind, – die metallischen Schichten (12, 13) sich lateral benachbart jeweils in direktem Kontakt mit dem Halbleitermaterial 11 befinden und ein Materialschluss innerhalb der Metallschichten (12, 13) besteht.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Schicht (12) der Metallsorte a von der zweiten metallischen Schicht (13) der Metallsorte b teilweise bedeckt ist
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische Array- bzw. Matrix-Anordnung (201, 202) einer Vielzahl von photoleitenden Strukturen nach Anspruch 1 gebildet wird.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine aperiodische Anordnung einer Vielzahl von photoleitenden Strukturen nach Anspruch 1 gebildet wird.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenanordnung einer Vielzahl von photoleitenden Strukturen nach Anspruch 1 gebildet wird, die eine unterschiedliche axiale Ausrichtung besitzen.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial 11 GaAs, InGaAs, InAs, InSb, GaP, Si, CdHgTe, Ge, InN, ZnSe, Te, PbTe oder CdTe verwendet wird.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt eines Halbleitermaterials 11 das Halbmetall Graphit oder Graphene verwendet wird.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial 11 eine epitaktisch gewachsene Schicht verwendet wird.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial 11 bei tiefen Temperaturen epitaktisch gewachsenes GaAs ist.
Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der metallischen Schichten (12, 13) aus Ti, Au, Al, Pd, Ag, Cu, Cr, Zr, Ni, W, Pt oder Zn besteht.
Photoleitende Struktur (201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Abstand zwischen zwei Metallschichten zweier Benachbarter photoleitender Strukturen (101, 102, 103, 104) weniger als 5 μm – insbesondere weniger als 200 nm – beträgt.
Verwendung einer photoleitenden Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als photovoltaische Energiequelle oder Photodetektor.
Mess- und/oder Detektionssystem mit einer photoleitenden Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer photoleitenden Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – erst eine lateral begrenzte Metallschicht 12 einer ersten Metallsorte auf einer Halbleiteroberfläche 11 aufgebracht wird – danach eine zweite Metallschicht 13 einer zweiten Metallsorte durch einen Aufdampfungsprozess unter einer zur Halbleiteroberfläche nicht senkrechten Bedampfungsrichtung erfolgt.