DE102006010297B3 - Photoconductive terahertz antenna for producing or receiving high frequency electromagnetic radiation in terahertz range, has top semiconductor layer system with optical thickness equal to quarter wavelength of laser pulse - Google Patents

Photoconductive terahertz antenna for producing or receiving high frequency electromagnetic radiation in terahertz range, has top semiconductor layer system with optical thickness equal to quarter wavelength of laser pulse Download PDF

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Abstract

The antenna has multiple specific semiconductor layer systems (5), where each system has a middle layer (6) that works in an absorbing manner for the light of a laser pulse. Each system has two outer layers with a larger band gap than the photon energy of the laser pulse. A top semiconductor layer system (9) has an optical thickness equal to a quarter wavelength of the laser pulse. The system (9) has an uppermost absorbing layer (10) with a larger band gap than the photon energy of the laser pulse, where the band gap is low compared to the total thickness of the system (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine photoleitende Antenne zur Erzeugung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung.The The invention relates to a photoconductive antenna for generating or for receiving terahertz radiation.

Terahertz-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von etwa 0,1 bis 100 THz. Da es im Frequenzbereich der Terahertz-Strahlung Molekülschwingungen unterschiedlicher Substanzen gibt, kann mittels Absorptionsspektroskopie im Terahertz-Bereich die Untersuchung von Substanzen erfolgen und auch der Nachweis bestimmter chemischer Verbindungen geführt werden. So können beispielsweise Objekte im Terahertz-Bereich abgebildet werden (siehe beispielsweise EP 0 828 162 A2 ) oder tomographisch untersucht werden (siehe beispielsweise EP 0 864 857 A1 ). Es gibt daher sowohl ein wissenschaftliches als auch ein sicherheitsrelevantes Interesse an kostengünstigen und effizienten Emittern und Detektoren für Terahertz-Strahlung.Terahertz radiation is electromagnetic radiation in the frequency range of about 0.1 to 100 THz. Since there are molecular vibrations of different substances in the frequency range of terahertz radiation, it is possible to investigate substances by means of absorption spectroscopy in the terahertz range and also to detect certain chemical compounds. For example, objects in the terahertz range can be mapped (see for example EP 0 828 162 A2 ) or tomographically examined (see, for example EP 0 864 857 A1 ). There is therefore a scientific as well as a safety-relevant interest in low-cost and efficient emitters and detectors for terahertz radiation.

Es ist bekannt, dass Terahertz-Strahlung mit photoleitenden Antennen (englisch PCA – photoconductive antenna) unter Verwendung ultrakurzer Lichtpulse mit Pulsdauern ≤ 1 ps sowohl erzeugt als auch nachgewiesen werden kann ( US 5 789 750 ). Eine photoleitende Terahertz-Antenne besteht im Wesentlichen aus einer hochohmigen halbleitenden Schicht mit einer kurzen Relaxationszeit der Ladungsträger im Bereich einer Pikosekunde, die auf einem ebenfalls hochohmigen Substrat aufgebracht ist und auf der eine elektrisch leitende Antennenstruktur beispielsweise in der Form eines Dipols mit einem Gap als Unterbrechung im Zentrum des Dipols angeordnet ist. Zur Emission oder zum Nachweis von Terahertz-Strahlung wird die Halbleiterschicht im Gap der Antenne mit kurzen Laserpulsen bestrahlt. Die Photonenenergie der Laserpulse ist dabei größer als die elektronische Bandlücke der halbleitenden Schicht, so dass das Laserlicht in der halbleitenden Schicht absorbiert wird und bewegliche Ladungsträger erzeugt.It is known that terahertz radiation can be both generated and detected with photoconductive antennas (PCA) using ultrashort light pulses with pulse durations ≤ 1 ps ( US 5,789,750 ). A photoconductive terahertz antenna consists essentially of a high-resistance semiconducting layer with a short relaxation time of the charge carriers in the range of picosecond, which is applied to a likewise high-resistance substrate and on an electrically conductive antenna structure, for example in the form of a dipole with a Gap as interruption is arranged in the center of the dipole. To emit or detect terahertz radiation, the semiconductor layer in the gap of the antenna is irradiated with short laser pulses. The photon energy of the laser pulses is greater than the electronic band gap of the semiconductive layer, so that the laser light is absorbed in the semiconducting layer and generates mobile charge carriers.

Zur Emission von Terahertz-Strahlung wird an der Dipol Antenne eine Spannung angelegt. Dadurch entsteht im Gap der Antenne ein elektrisches Feld, dem die durch den optischen Puls erzeugten freien Ladungsträger folgen. In der Beschleunigungsphase der Ladungsträger wird elektromagnetische Strahlung im Terahertz Bereich emittiert. Wegen der geringen Relaxationszeit der Ladungsträger wird der entstandene elektrische Strom anschließend sehr schnell wieder gestoppt, was dazu führt, dass unerwünschte niederfrequente Strahlung im Gigahertz Bereich nur in sehr geringem Maße entsteht.to Terahertz radiation is emitted at the dipole antenna Voltage applied. This creates an electric field in the gap of the antenna, which is followed by the free carriers generated by the optical pulse. In the acceleration phase of the charge carrier becomes electromagnetic radiation emitted in the terahertz range. Because of the low relaxation time the charge carrier The resulting electric current is then stopped very quickly, which leads to, that unwanted Low frequency radiation in the gigahertz range only in very low Dimensions arise.

Zum Nachweis von Terahertz-Strahlung wird beispielsweise an die Dipol Antenne ein Stromverstärker angeschlossen. Ein Strom ist dann messbar, wenn an der Antenne ein elektrisches Feld der Terahertz-Strahlung anliegt und gleichzeitig der Laserpuls freie Ladungsträger erzeugt.To the Detection of terahertz radiation is, for example, to the dipole Antenna a power amplifier connected. A current is then measurable when connected to the antenna electric field of terahertz radiation is applied and simultaneously the laser pulse free charge carriers generated.

Als photoleitendes Material können Halbleiter wie GaAs und Si verwendet werden (US Patent 5 729 017). Sowohl für die Sende- als auch für die Empfangsantenne werden photoleitende Schichten mit einer geringen Rekombinationszeit der Ladungsträger möglichst im Femtosekunden Bereich benötigt, um eine schnelle Response der Antenne zu gewährleisten. Diese kurze Rekombinationszeit wird entweder durch das Aufwachsen einer GaAs oder InGaAs Schicht auf einem semiisolierendem GaAs Substrat bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 200 °C bis 300 °C (IEE Proc. Optoelectron., Seiten 98-101 (2004) oder durch Ionenimplantation in die photoleitende Schicht realisiert, siehe beispielsweise Applied Physics Letters 83, Seite 1322 (2003) oder Optics Express 12, Seiten 2954-2959 (2004). In der Patentschrift GB 2 393 037 A wurde gezeigt, dass es nach der Niedrigtemperatur Epitaxie von GaAs Schichten zweckmäßig ist, die photoleitenden Schichten bei einer Temperatur von etwa 450 °C nachzutempern, um einerseits einen hohen elektrischen Schichtwiderstand und andererseits eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit zu erreichen.As the photoconductive material, semiconductors such as GaAs and Si can be used (US Pat. No. 5,729,017). Both for the transmitting and for the receiving antenna photoconductive layers are required with a low recombination time of the charge carriers possible in the femtosecond range, to ensure a fast response of the antenna. This short recombination time is achieved either by growing a GaAs or InGaAs layer on a semi-insulating GaAs substrate at low temperatures in the range of 200 ° C to 300 ° C (IEE Proc. Optoelectron., Pp. 98-101 (2004) or by ion implantation into the photoconductive layer realized, see, for example, Applied Physics Letters 83, page 1322 (2003) or Optics Express 12, pages 2954-2959 (2004) GB 2 393 037 A It has been shown that, after the low-temperature epitaxy of GaAs layers, it is expedient to post-anneal the photoconductive layers at a temperature of about 450 ° C. in order on the one hand to achieve high electrical sheet resistance and, on the other hand, high charge carrier mobility.

Auf der photoleitenden Schicht wird eine elektrisch leitfähige Antennenstruktur mit einem Gap von typischerweise 5 μm bis 10 μm Länge aufgebracht, um entweder bei der Sendeantenne die zur Beschleunigung der Ladungsträger erforderliche Spannung anlegen zu können oder bei der Empfangsantenne den Stromverstärker zum Nachweis der elektrischen Feldstärke der Terahertz-Strahlung anschließen zu können. Als Material für die elektrisch leitfähige Antennenstruktur können Metalle wie Gold, Silber, Kupfer oder deren Legierungen, metallische Schichtsysteme wie Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Ag, Silicide oder dotiertes Poly-Si verwendet werden. In den Patentschriften GB 2 392 779 A und GB 2 409 337 A wurde gezeigt, dass es zweckmäßig ist, bei Sendeantennen besonders hochohmige Schichten für die Antennenstruktur wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid zu verwenden, um den Anteil hochfrequenter Terahertz Strahlung zu Ungunsten niederfrequenter Anteile zu erhöhen und um eine größere Lebensdauer der Antenne zu erreichen.An electrically conductive antenna structure with a gap of typically 5 .mu.m to 10 .mu.m in length is applied to the photoconductive layer in order to be able to apply the voltage required for accelerating the charge carriers in the transmitting antenna or the current amplifier for detecting the electric field strength of the terahertz in the receiving antenna Be able to connect radiation. As the material for the electrically conductive antenna structure, metals such as gold, silver, copper or their alloys, metallic layer systems such as Ti-Pd-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Ag, silicides or doped poly-Si can be used. In the patents GB 2 392 779 A and GB 2 409 337 A It has been shown that it is expedient to use transmission antennas with particularly high-impedance layers for the antenna structure, such as, for example, indium-tin oxide, in order to increase the proportion of high-frequency terahertz radiation to the disadvantage of low-frequency components and to achieve a longer service life of the antenna.

Sowohl für die Sende- als auch für die Empfangsantenne ist es wesentlich, einen möglichst großen elektrischen Widerstand der photoleitenden Schicht zu erreichen. Wie bereits erwähnt, sind dazu Verfahren der Niedrigtemperatur Epitaxie und der Ionenimplantation entwickelt worden, die eine hohen Schichtwiderstand ermöglichen. Der Widerstand der photoleitenden Schicht wird aber nicht allein durch den spezifischen Widerstand, sondern auch durch die Geometrie, insbesondere die Schichtdicke bestimmt. Die Dicke der photoleitenden Schicht muss so bemessen werden, dass der Hauptteil des Laserlichtes in der Schicht absorbiert wird. Bei einem direkten Halbleiter wie GaAs oder InGaAs ist dazu eine Schichtdicke von etwa 1 μm erforderlich. Im Falle von GaAs ist das kein Problem, da bei niedrigen Temperaturen gewachsenes GaAs (LT-GaAs) extrem hochohmig ist. Bei niedriger Temperatur gewachsenes InGaAs (LT-InGaAs) besitzt jedoch einen wesentlich geringeren spezifischen Widerstand als LT-GaAs. Deshalb ist es besonders schwierig, geeignete photoleitende Antennen für die kostengünstigen Femtosekundenlaser im Spektralbereich um 1040 nm oder 1550 nm herzustellen. Bei diesen Wellenlängen ist GaAs transparent und kann deshalb nicht als Photoleiter eingesetzt werden. Die Dicke der photoleitenden Schicht kann aber auch nicht ohne weiteres verringert werden, weil dann ein zu geringer Anteil der Laserpulse absorbiert und zur Ladungsträgererzeugung genutzt wird.For both the transmitting and the receiving antenna, it is essential to achieve the highest possible electrical resistance of the photoconductive layer. As already mentioned, methods of low-temperature epitaxy and ion implantation have been developed which allow high sheet resistance. The resistance of the photoconductive layer is not only by the specific resistance, but also by the geometry, in particular the layer thickness be Right. The thickness of the photoconductive layer must be such that the majority of the laser light is absorbed in the layer. For a direct semiconductor such as GaAs or InGaAs, a layer thickness of about 1 μm is required. In the case of GaAs, this is not a problem since GaAs grown at low temperatures (LT-GaAs) is extremely high-ohmic. However, low temperature grown InGaAs (LT-InGaAs) has much lower resistivity than LT GaAs. Therefore, it is particularly difficult to produce suitable photoconductive antennas for the low-cost femtosecond lasers in the spectral range around 1040 nm or 1550 nm. At these wavelengths, GaAs is transparent and therefore can not be used as a photoconductor. However, the thickness of the photoconductive layer can not be readily reduced, because then too small a proportion of the laser pulses is absorbed and used to generate charge carriers.

Ein Vorschlag, mit einer dünnen Absorptionsschicht auszukommen, ist in der Patentanmeldung WO 2003/073563 enthalten. In dieser Anmeldung wird eine Terahertz-Antenne vorgeschlagen, die gleichzeitig als Resonatorspiegel eines Kurzpulslasers fungiert. Demzufolge besteht die Terahertz-Antenne aus einem Bragg-Spiegel mit einer darauf befindlichen, das Laserlicht teilweise absorbierenden Halbleiterschicht aus einem Material mit kurzer Relaxationszeit für freie Elektronen, auf der elektrisch leitfähige Elektroden angebracht sind.One Suggestion, with a thin one Absorbing layer is in the patent application WO 2003/073563 contain. In this application, a terahertz antenna is proposed which simultaneously acts as a resonator mirror of a short pulse laser. As a result, the terahertz antenna consists of a Bragg mirror with an on it, the laser light partially absorbing Semiconductor layer of a material with a short relaxation time for free Electrons, mounted on the electrically conductive electrodes are.

Dadurch, dass bei dieser Terahertz-Antenne das anregende Laserlicht am Bragg-Spiegel reflektiert wird, kann es zweimal durch die auf dem Bragg-Spiegel angeordnete Absorberschicht hindurchlaufen und wird deshalb in dieser stärker absorbiert als bei einem einmaligen Durchlauf. Allerdings ist bei einer Nutzung der Anordnung als Resonatorspiegel des Lasers nur eine teilweise Absorption des Laserlichtes möglich, weil andernfalls der Laser nicht funktionieren würde.Thereby, that in this terahertz antenna, the exciting laser light is reflected at the Bragg mirror It can, twice through the arranged on the Bragg mirror Absorber layer run through and is therefore more absorbed in this as a one-time pass. However, in one use the arrangement as a resonator mirror of the laser only partially Absorption of the laser light possible, because otherwise the laser would not work.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine photoleitende Antenne zur Erzeugung und zum Empfang von Terahertz-Strahlung anzugeben, die bei einer geringen Dicke der photoleitenden Schicht den Hauptteil der optischen Laserpulse absorbiert und deshalb mit photoleitendem Material aufgebaut werden kann, das nicht so hochohmig wie LT-GaAs ist.It It is the object of the present invention to provide a photoconductive antenna indicate the generation and reception of terahertz radiation, at a small thickness of the photoconductive layer, the main part absorbed by the optical laser pulses and therefore with photoconductive Material can be built that is not as high-impedance as LT GaAs is.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die photoleitende Antenne zur Erzeugung oder zum Empfang hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung im Terahertz-Bereich gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Die photoleitende Antenne besteht aus einem photoleitenden Halbleiter auf einem elektrisch isolierenden Substrat mit darauf angeordnetem Bragg-Spiegel sowie einer darauf angeordneten elektrisch leitfähigen Antennenstruktur.According to the invention this Task by the photoconductive antenna for generating or receiving high-frequency electromagnetic radiation in the terahertz range according to the claim 1 solved. The photoconductive antenna consists of a photoconductive semiconductor on an electrically insulating substrate with Bragg mirror arranged thereon and an electrically conductive antenna structure arranged thereon.

Gemäß Anspruch 1 ist der photoleitende Halbleiter aus einem Schichtsystem mit folgenden Schichten aufgebaut:

  • – auf dem Bragg-Spiegel befinden sich mehrere λ/2-Halbleiterschichtsysteme mit der optischen Dicke einer halben Wellenlänge der anregenden Laserpulse
  • – die λ/2-Halbleiterschichtsysteme bestehen aus jeweils drei Schichten, wobei die mittlere Schicht für das Licht der Laserpulse absorbierend wirkt und die beiden äußeren Schichten eine größere Bandlücke als die Photonenenergie der Laserpulse besitzen und demzufolge nicht absorbieren
  • – das oberste Halbleiterschichtsystem besitzt eine optischen Dicke einer viertel Wellenlänge der anregenden Laserpulse und die zuoberst angeordnete Schicht mit einer größeren Bandlücke als die Photonenenergie der Laserpulse ist sehr dünn im Vergleich zur Gesamtdicke des obersten Halbleiterschichtsystems.
According to claim 1, the photoconductive semiconductor is composed of a layer system having the following layers:
  • - On the Bragg mirror are several λ / 2-semiconductor layer systems with the optical thickness of half a wavelength of the exciting laser pulses
  • - The λ / 2 semiconductor layer systems consist of three layers, the middle layer for the light of the laser pulses absorbing and the two outer layers have a larger band gap than the photon energy of the laser pulses and therefore do not absorb
  • The uppermost semiconductor layer system has an optical thickness of one quarter wavelength of the exciting laser pulses and the uppermost layer with a larger band gap than the photon energy of the laser pulses is very thin compared to the total thickness of the uppermost semiconductor layer system.

Der Bragg-Spiegel besteht aus abwechselnd optisch hoch- und niedrig brechenden Schichten der optischen Dicke einer viertel Wellenlänge der anregenden Laserpulse. Er sorgt dafür, dass das nur teilweise beim Durchgang durch die absorbierenden Schichten absorbierte Laserlicht wieder nach vom reflektiert wird und erneut die absorbierenden Schichten durchdringt. Dabei wird ein weiterer Teil des Laserlichtes zur Ladungsträgererzeugung genutzt.Of the Bragg mirror consists of alternately optically high and low refractive Layers of the optical thickness of a quarter wavelength of stimulating laser pulses. He makes sure that only partially when Passage through the absorbing layers absorbed laser light again after being reflected off and again the absorbing layers penetrates. In this case, another part of the laser light for generating charge is used.

Die gesamte optische Schichtdicke der λ/2-Halbleiterschichtsysteme und des oberen λ/4-Halbleiterschichtsystems ist ein ungeradzahliges Vielfaches einer viertel Wellenlänge der Laserpulse. Wenn das am Bragg-Spiegel reflektierte Laserlicht die vordere Grenzfläche der Schichtsystems erreicht, ergibt sich eine weitere Reflexion infolge des Brechzahlsprungs gegen die angrenzende Luft. Die Gesamtdicke der Schichtsysteme auf dem Bragg-Spiegel ist so bemessen, dass eine resonante Struktur entsteht, die eine wesentlich größere Absorption als beim einmaligen Durchgang des Lichtes durch das Schichtsystem bewirkt. Durch die Aufteilung der λ/2-Halbleiterschichtsysteme und des oberen λ/4-Halbleiterschichtsystems wird erreicht, dass die relativ niederohmigen Absorberschichten nur in den Bereichen großer Feldstärke des optischen Stehwellenfeldes vor dem Bragg-Spiegel positioniert sind.The total optical layer thickness of the λ / 2 semiconductor layer systems and the upper λ / 4 semiconductor layer system is an odd multiple of a quarter wavelength of the Laser pulses. If the laser light reflected at the Bragg mirror is the front interface reaches the layer system, there is a further reflection due to the refractive index jump against the adjacent air. The total thickness The layer systems on the Bragg mirror is dimensioned such that a resonant structure arises, which is a much greater absorption as in the single passage of light through the layer system causes. By the division of the λ / 2-semiconductor layer systems and the upper λ / 4 semiconductor layer system is achieved that the relatively low-resistance absorber layers only in the areas big field strength of the standing wave optical field positioned in front of the Bragg mirror are.

Weil der optische Puls das Schichtsystem auf dem Bragg-Spiegel mehrmals durchläuft, kann die Gesamt-Dicke der absorbierenden Schichten gering gehalten werden, obwohl die optische Absorption dieser Schichten sehr groß ist.Because the optical pulse the layer system on the Bragg mirror several times goes through For example, the overall thickness of the absorbent layers can be kept low although the optical absorption of these layers is very large.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, den Laserpuls vollständig zu absorbieren und dadurch bei einer geringen Dicke der absorbierenden Schicht(en) eine optimale Nutzung des Laserlichtes zur Ladungsträgererzeugung zu gewährleisten. Das wird dadurch erreicht, dass eine Impedanzanpassung der photoleitenden Halbleiterstruktur an die angrenzende Luft realisiert wird. Impedanzanpassung wird bei Einhaltung der Bedingung RV = RBT4 erreicht. Dabei bedeuten: Rv die Reflektivität der vorderen Grenzfläche des Halbleiterschichtsystems, RB die Reflektivität des Bragg-Spiegels und T die einfache Transmission des Schichtsystems.An advantageous embodiment of the inventions tion is given in claim 2. The development according to claim 2 makes it possible to completely absorb the laser pulse and thereby to ensure optimum utilization of the laser light for generating charge carriers with a small thickness of the absorbing layer (s). This is achieved by realizing an impedance matching of the photoconductive semiconductor structure to the adjacent air. Impedance matching is achieved if the condition R V = R B T 4 is met . In this case: R v is the reflectivity of the front interface of the semiconductor layer system, R B is the reflectivity of the Bragg mirror and T is the simple transmission of the layer system.

Die Reflektivität des Bragg-Spiegels ist nahezu Eins. Wenn das Halbleiterschichtsystem unbeschichtet ist, beträgt die Fresnel-Reflexion an der vorderen Grenzfläche im Falle von GaAs als Halbleiter etwa 0,3. In diesem Falle ist eine vollständige Absorption des Laserpulses erreicht, wenn die Transmission des absorbierenden Schichtsystems 0,75 beziehungsweise die Absorption 0,25 beträgt.The reflectivity Bragg Mirror is almost one. When the semiconductor layer system is uncoated is the Fresnel reflection at the front interface in the case of GaAs as semiconductor approximately 0.3. In this case, a complete absorption of the laser pulse achieved when the transmission of the absorbent layer system 0.75 and the absorption is 0.25.

Gemäß Patentanspruch 3 können die absorbierenden mittleren Schichten der Schichtsysteme aus einfachen Schichten mit einer geringeren Bandlücke als die Photonenenergie der Laserpulse bestehen.According to claim 3 can the absorbent middle layers of the layer systems of simple Layers with a smaller bandgap than the photon energy the laser pulses exist.

Im Patentanspruch 4 ist dazu alternativ die Möglichkeit angegeben, dass die absorbierenden Schichten nicht aus einer einzelnen Schicht bestehen, sondern aus mehreren absorbierenden Quantum-Wells.in the Claim 4 is alternatively indicated the possibility that the absorbent layers do not consist of a single layer, but from several absorbing quantum wells.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist der Einsatz von semiisolierendem GaAs als Substratmaterial insbesondere dann, wenn die Schichtsysteme auf der Basis von GaAs-AlAs-InGaAs gefertigt werden..A advantageous embodiment of the invention according to claim 5 is the use of semi-insulating GaAs as substrate material in particular then, when the layer systems are made on the basis of GaAs-AlAs-InGaAs become..

Im Patentanspruch 6 wird die für den praktischen Einsatz wichtige Materialkombination für eine Laserwellenlänge um 1040 nm angegeben. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die absorbierenden mittleren Schichten aus InGaAs und die äußeren, nicht absorbierenden Schichten aus GaAs anzufertigen.in the Claim 6 is the for the practical use important material combination for a laser wavelength around 1040 nm indicated. In this case it is expedient to use the absorbent medium Layers of InGaAs and the outer ones, not to make absorbing layers of GaAs.

Im Patentanspruch 7 wird die für den praktischen Einsatz wichtige Materialkombination für eine Laserwellenlänge um 1550 nm angegeben. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die absorbierenden mittleren Schichten aus GaInAs und die äußeren, nicht absorbierenden Schichten aus AlInAs anzufertigen.in the Claim 7 is the for the practical use important material combination for a laser wavelength around 1550 nm indicated. In this case it is expedient to use the absorbent medium Layers of GaInAs and the outer ones, not to make absorbing layers of AlInAs.

Es ist weiterhin zweckmäßig, entsprechend Anspruch 8 die Halbleiterschichtsysteme bei niedriger Temperatur zu wachsen, um dadurch eine kurze Relaxationszeit angeregter Ladungsträger zu erreichen.It is still appropriate, according to claim 8 to grow the semiconductor layer systems at low temperature, thereby to achieve a short relaxation time of excited charge carriers.

Eine im Anspruch 9 angegebene alternative Methode zur Erzielung einer kurzen Relaxationszeit der Ladungsträger ist die Ionenimplantation der Halbleiterschichtsysteme.A specified in claim 9 alternative method to achieve a short relaxation time of the charge carriers is the ion implantation the semiconductor layer systems.

Um die Bedingung der vollständigen Absorption der Laserpulse mit sehr dünnen, weniger absorbierenden Schichten zu erreichen, kann das Halbleiterschichtsystem gemäß Anspruch 10 mit einem reflexionserhöhenden Interferenzschichtsystem beschichtet werden. Dabei verringert sich allerdings die nutzbare spektrale Bandbreite, weil die Finesse des resonanten Schichtsystems erhöht wird.Around the condition of the complete Absorption of the laser pulses with very thin, less absorbent To achieve layers, the semiconductor layer system according to claim 10 with a reflection-enhancing Interference layer system are coated. This reduces however, the usable spectral bandwidth, because the finesse of the resonant Layer system increased becomes.

Die erfindungsgemäße photoleitende Antenne zur Erzeugung oder zum Empfang hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung im Terahertz Bereich wird nachfolgend an Hand von zwei Ausführungsbeispiele näher erläutert.The photoconductive according to the invention Antenna for generating or receiving high-frequency electromagnetic Radiation in the terahertz range will be followed by two embodiments explained in more detail.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigenIn the associated Drawings show

1a die Aufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der photoleitenden Terahertz Antenne gemäß Hauptanspruch 1 1a the top view of a first embodiment of the photoconductive terahertz antenna according to the main claim 1

1b den Schnitt A-A in 1a zu dem ersten Ausführungsbeispiel der photoleitenden Terahertz Antenne gemäß Hauptanspruch 1 1b the cut AA in 1a to the first embodiment of the photoconductive terahertz antenna according to the main claim 1

1c die spektrale Reflexion der photoleitenden Terahertz Antenne des ersten Ausführungsbeispiels 1c the spectral reflection of the photoconductive terahertz antenna of the first embodiment

2a die Aufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel der photoleitenden Terahertz Antenne gemäß Hauptanspruch 1 2a the top view of a second embodiment of the photoconductive terahertz antenna according to the main claim 1

2b den Schnitt A-A in 3a zum zweiten Ausführungsbeispiel der photoleitenden Terahertz Antenne gemäß Hauptanspruch 1 2 B the cut AA in 3a to the second embodiment of the photoconductive terahertz antenna according to the main claim 1

2c die spektrale Reflexion der photoleitenden Terahertz Antenne des zweiten Ausführungsbeispiels. 2c the spectral reflection of the photoconductive terahertz antenna of the second embodiment.

In 1a und 1b ist das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photoleitenden Terahertz-Antenne dargestellt. Die Antenne ist für den Betrieb mit einer Laserwellenlänge von 1040 nm ausgelegt. Auf dem semi-isolierenden GaAs Substrat 2 ist ein Bragg-Spiegel 4 mit 20 Schichtpaaren aus AlAs/GaAs aufgewachsen. Alle Spiegelschichten besitzen eine optische Dicke von 260 nm, was einer viertel Wellenlänge der anregenden Laserpulse entspricht. Die Reflexion des Bragg-Spiegels beträgt bei der Laserwellenlänge mehr als 0,99.In 1a and 1b is the first embodiment of the photoconductive terahertz antenna according to the invention shown. The antenna is designed for operation with a laser wavelength of 1040 nm. On the semi-insulating GaAs substrate 2 is a Bragg mirror 4 grown with 20 layer pairs of AlAs / GaAs. All mirror layers have an optical thickness of 260 nm, which corresponds to a quarter wavelength of the exciting laser pulses. The reflection of the Bragg mirror is at the laser wavelength is more than 0.99.

Auf dem Bragg-Spiegel 4 sind zwei λ/2-Halbleiterschichtsysteme 5 aus jeweils drei Schichten bei einer Temperatur von 270 °C aufgewachsen. Die optische Dicke dieser λ/2-Halbleiterschichtsysteme beträgt jeweils 520 nm. Die mittlere absorbierende Schicht 6 besteht aus InGaAs mit einem In-Anteil von 28% und besitzt eine optische Dicke von 173,3 nm, was einem Sechstel der Laserwellenlänge entspricht. Die beiden äußeren Schichten 7 und 8 bestehen aus GaAs und besitzen ebenfalls eine optische Dicke von 173,3 nm. Die GaAs Schichten sind für das Laserlicht transparent und absorbieren nicht. Sie befinden sich an den Stellen geringer optischer Feldstärke des Laserlichtes.On the Bragg mirror 4 are two λ / 2 semiconductor layer systems 5 grown from three layers at a temperature of 270 ° C. The optical thickness of these λ / 2 semiconductor layer systems is 520 nm in each case. The middle absorbent layer 6 consists of InGaAs with an In content of 28% and has an optical thickness of 173.3 nm, which corresponds to one-sixth of the laser wavelength. The two outer layers 7 and 8th consist of GaAs and also have an optical thickness of 173.3 nm. The GaAs layers are transparent to the laser light and do not absorb. They are in the places of low optical field strength of the laser light.

Auf den beiden λ/2-Halbleiterschichtsystemen ist das oberste Schichtsystem 9 mit einer optischen Dicke von 260 nm bei einer Temperatur von 270 °C aufgewachsen, was einer viertel Wellenlänge des Laserlichtes entspricht. Die absorbierende mittlere Schicht dieses Schichtsystems besteht aus InGaAs mit einem In-Anteil von 28% und besitzt eine optische Dicke von 80 nm. Die oberste nichtabsorbierende Schicht 10 dieses Schichtsystems 9 besteht aus GaAs und besitzt eine optische Dicke von 10 nm.On the two λ / 2 semiconductor layer systems is the top layer system 9 grown at an optical thickness of 260 nm at a temperature of 270 ° C, which corresponds to a quarter wavelength of the laser light. The absorbing middle layer of this layer system consists of InGaAs with an In content of 28% and has an optical thickness of 80 nm. The uppermost nonabsorbent layer 10 this layer system 9 consists of GaAs and has an optical thickness of 10 nm.

Die gesamte optische Dicke der absorbierenden InGaAs Schichten beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 426,6 nm, was bei einem Brechungsindex von 3,6 einer geometrischen Schichtdicke von 119 nm entspricht.The total optical thickness of the InGaAs absorbing layers is in this embodiment 426.6 nm, which at a refractive index of 3.6 a geometric Layer thickness of 119 nm corresponds.

In 1c ist die spektrale Reflexion der Antenne dargestellt. Die Transmission des Bragg-Spiegels ist geringer als 0,2% und daher vernachlässigbar. Der nicht reflektierte Anteil des auf die Antenne treffenden Lichtes wird von dieser absorbiert. Die optische Absorption der Antenne beträgt 78% und ist damit ausreichend für eine effektive Nutzung des Laserlichtes. Die InGaAs Schichtdicke ist wesentlich geringer als die bei einer homogenen Absorberschicht ohne Bragg-Spiegel entsprechend dem Stand der Technik erforderliche Dicke von 0,5 μm bis 1 μm. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Antenne hochohmiger.In 1c the spectral reflection of the antenna is shown. The transmission of the Bragg mirror is less than 0.2% and therefore negligible. The non-reflected portion of the incident on the antenna light is absorbed by this. The optical absorption of the antenna is 78% and is therefore sufficient for an effective use of the laser light. The InGaAs layer thickness is substantially lower than the thickness of 0.5 μm to 1 μm required for a homogeneous absorber layer without Bragg mirror according to the prior art. Accordingly, the antenna according to the invention is high-impedance.

In 2a und 2b ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen photoleitenden Terahertz-Antenne gemäß dem Hauptanspruch 1 dargestellt. Diese Antenne ist bis auf das aus dielektrischen Schichten 11 bestehende Deckschichtsystem identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel. Eine Erläuterung der Funktion der unter den dielektrischen Schichten 11 befindlichen Schichten ist deshalb nicht erforderlich. Die dielektrischen Schichten 11 bestehen aus einer Siliziumdioxid-Schicht und einer darüber liegenden Tantalpentoxid-Schicht mit jeweils einer optischen Dicke von 1/4 der Laserwellenlänge. Diese Schichten erhöhen die Reflexion der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und der angrenzenden Luft. Dadurch wird die Impedanzanpassung zwischen Halbleiter und Luft nahezu erreicht.In 2a and 2 B is a second embodiment of the photoconductive terahertz antenna according to the invention according to the main claim 1 shown. This antenna is apart from that of dielectric layers 11 existing cover layer system identical to the first embodiment. An explanation of the function of the under the dielectric layers 11 located layers is therefore not required. The dielectric layers 11 consist of a silicon dioxide layer and an overlying tantalum pentoxide layer, each having an optical thickness of 1/4 of the laser wavelength. These layers increase the reflection of the interface between the semiconductor and the adjacent air. As a result, the impedance matching between semiconductor and air is almost achieved.

In 2c ist die spektrale Reflexion der Antenne des zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Die Absorption der Antenne beträgt etwa 98%. In diesem Falle wird das Laserlicht trotz einer geringen Dicke der InGaAs Schichten optimal zur Ladungsträgererzeugung genutzt.In 2c the spectral reflection of the antenna of the second embodiment is shown. The absorption of the antenna is about 98%. In this case, the laser light is optimally used for generating charge despite a small thickness of the InGaAs layers.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichenlist the reference numerals used

11
photoleitender Halbleiterphotoconductive semiconductor
22
isolierendes Substratinsulating substratum
33
elektrisch leitfähige Antennenstrukturelectrical conductive antenna structure
44
Bragg-SpiegelBragg mirror
55
λ/2-Halbleiterschichtsystemλ / 2-type semiconductor layer system
66
mittlere absorbierende Schichtmiddle absorbing layer
77
äußere, nicht absorbierende Schichtouter, not absorbing layer
88th
äußere, nicht absorbierende Schichtouter, not absorbing layer
99
oberstes Halbleiterschichtsystemtop Semiconductor layer system
1010
obere absorbierende Schichtupper absorbing layer
1111
dielektrische Schicht(en) dielectric Layers)

Claims (10)

Photoleitende Terahertz-Antenne zur Erzeugung oder zum Empfang hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung im Terahertz Bereich unter Verwendung kurzer Laserpulse, bestehend aus einem photoleitfähigen Halbleiter (1) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (2) mit einem darauf angeordneten Bragg-Spiegel (4) sowie einer auf dem photoleitfähigen Halbleiter (1) angeordneten elektrisch leitfähigen Antennenstruktur (3), dadurch gekennzeichnet, dass der photoleitfähige Halbleiter (1) aus einem Schichtsystem mit folgenden Schichten besteht: a) auf dem Bragg-Spiegel (4) sind eine oder mehrere λ/2-Halbleiterschichtsysteme (5) mit einer kurzen Relaxationszeit angeregter Ladungsträger und der optischen Dicke einer halben Wellenlänge der anregenden Laserpulse angebracht, b) die λ/2-Halbleiterschichtsysteme (5) bestehen aus jeweils drei Schichten, wobei die mittlere Schicht (6) für das Licht der Laserpulse absorbierend wirkt und die beiden äußeren Schichten (7, 8) eine größere Bandlücke als die Photonenenergie der Laserpulse besitzen, c) das oberste Halbleiterschichtsystem (9) besitzt nur eine optischen Dicke einer viertel Wellenlänge der anregenden Laserpulse und die zuoberst angeordnete Schicht (10) mit einer größeren Bandlücke als die Photonenenergie der Laserpulse ist sehr dünn im Vergleich zur Gesamtdicke des obersten Halbleiterschichtsystems (9).A photoconductive terahertz antenna for generating or receiving high-frequency electromagnetic radiation in the terahertz range using short laser pulses, consisting of a photoconductive semiconductor ( 1 ) on an electrically insulating substrate ( 2 ) with a Bragg mirror ( 4 ) as well as one on the photoconductive semiconductor ( 1 ) arranged electrically conductive antenna structure ( 3 ), characterized in that the photoconductive semiconductor ( 1 ) consists of a layer system comprising the following layers: a) on the Bragg mirror ( 4 ) are one or more λ / 2 semiconductor layer systems ( 5 ) with a short relaxation time of excited charge carriers and the optical thickness of half a wavelength of the exciting laser pulses, b) the λ / 2 semiconductor layer systems (5) each consist of three layers, wherein the middle layer ( 6 ) absorbs the light of the laser pulses and the two outer layers ( 7 . 8th ) have a larger bandgap than the photon energy of the laser pulses, c) the uppermost semiconductor layer system ( 9 ) has only an optical thickness of a quarter wavelength of the exciting laser pulses and the uppermost layer ( 10 ) with a larger band gap than the photon energy of the laser pulses is very thin compared to the total thickness of the uppermost semiconductor layer system ( 9 ). Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Absorption aller mittleren Schichten (6) zusammen gerade so groß ist, dass die Bedingung für die Impedanzanpassung des gesamten Schichtsystems an die angrenzende Luft erfüllt ist und die Laserpulse nahezu vollständig absorbiert werden.Arrangement according to claim 1, characterized in that the optical absorption of all middle layers ( 6 ) is just so great that the condition for the impedance matching of the entire layer system to the adjacent air is fulfilled and the laser pulses are almost completely absorbed. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die absorbierenden mittleren Schichten (6) aus einem Halbleitermaterial mit geringerer Bandlücke als die Photonenenergie der Laserpulse bestehen.Arrangement according to claim 1, characterized in that the absorbent middle layers ( 6 ) consist of a semiconductor material with a lower band gap than the photon energy of the laser pulses. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die absorbierenden mittleren Schichten (6) aus einer Multi-Quantum-Well-Struktur bestehen, wobei die Bandlücke der Wells geringer und die Bandlücke der Barrieren größer als die Photonenenergie der Laserpulse ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the absorbent middle layers ( 6 ) consist of a multi-quantum-well structure, wherein the band gap of the wells is lower and the band gap of the barriers is greater than the photon energy of the laser pulses. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Substrat (2) aus semiisolierendem GaAs besteht.Arrangement according to claim 1, characterized in that the electrically insulating substrate ( 2 ) consists of semi-insulating GaAs. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Schichten (7, 8) mit der größere Bandlücke aus GaAs und die mittlere Schicht (6) mit der kleineren Bandlücke aus einer Halbleitermischschicht der Materialzusammensetzung GaInAs besteht.Arrangement according to claim 1, characterized in that the two outer layers ( 7 . 8th ) with the larger band gap of GaAs and the middle layer ( 6 ) with the smaller bandgap consists of a semiconductor mixture layer of the material composition GaInAs. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden äußeren Schichten (7, 8) mit der größere Bandlücke aus AlInAs und die mittlere Schicht (6) mit der kleineren Bandlücke aus einer Halbleitermischschicht der Materialzusammensetzung GaInAs besteht.Arrangement according to claim 1, characterized in that the two outer layers ( 7 . 8th ) with the larger AlInAs band gap and the middle layer ( 6 ) with the smaller bandgap consists of a semiconductor mixture layer of the material composition GaInAs. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtsysteme (5) mit der kurzen Relaxationszeit mittels eines Epitaxieverfahrens bei niedriger Temperatur gewachsen werden.Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor layer systems ( 5 ) are grown with the short relaxation time by means of a low-temperature epitaxy process. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichtsysteme (5) mit der kurzen Relaxationszeit mittels Ionenimplantation behandelt sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor layer systems ( 5 ) are treated with the short relaxation time by ion implantation. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem photoleitfähigen Halbleiterschichtsystem (1) eine oder mehrere dielektrische Schichten (11) derart angebracht sind, dass die Reflexion der Anordnung für die Wellenlänge der anregenden Laserpulse nahezu verschwindet.Arrangement according to claim 1, characterized in that on the photoconductive semiconductor layer system ( 1 ) one or more dielectric layers ( 11 ) are mounted such that the reflection of the arrangement for the wavelength of the exciting laser pulses almost disappears.
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