DE102016011383A1 - Photoconductive antenna for generating or receiving terahertz radiation - Google Patents

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Abstract

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine photoleitende Antenne anzugeben, die bei Verwendung als Sendeantenne eine große THz-Leistung mit einer hohen Radiance emittiert und bei Verwendung als Empfangsantenne eine hohe Effizienz bei der Umwandlung des empfangenen THz-Signals in eine Detektorspannung besitzt. Die erfindungsgemäße photoleitende Antenne besteht aus zwei metallischen Kontakten 2, 3 auf einer Licht absorbierenden Halbleiterschicht 4. In der Lücke zwischen den metallischen Kontakten 2, 3 sind auf der Halbleiterschicht 4 ein oder mehrere nicht miteinander verbundene Metallflächen 1 angeordnet. Die erfindungsgemäße Antenne kann als Terahertz Sender verwendet werden. Die Leistung der abgestrahlten THz-Strahlung ist größer als bei einer Antenne gleicher Länge mit einer kleinen Lücke zwischen den Antennenkontakten. Die Antenne kann auch zum Nachweis von THz-Strahlung verwendet werden. Die entstehende Signalspannung ist dabei größer als bei einer Antenne gleicher Länge mit einer kleinen Lücke zwischen den Antennenkontakten.It is the object of the invention to provide a photoconductive antenna which, when used as a transmitting antenna, emits a large THz power with a high radiance and, when used as a receiving antenna, has high efficiency in converting the received THz signal to a detector voltage. The photoconductive antenna according to the invention consists of two metallic contacts 2, 3 on a light-absorbing semiconductor layer 4. In the gap between the metallic contacts 2, 3, one or more non-interconnected metal surfaces 1 are arranged on the semiconductor layer 4. The antenna according to the invention can be used as a terahertz transmitter. The power of the radiated THz radiation is greater than an antenna of equal length with a small gap between the antenna contacts. The antenna can also be used to detect THz radiation. The resulting signal voltage is greater than an antenna of the same length with a small gap between the antenna contacts.

Description

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

Als Terahertz (THz) Strahlung wird elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich von etwa 0,1 bis 10 THz bezeichnet. THz-Strahlung ist für den Menschen ungefährlich. Da THz-Strahlung dielektrische Stoffe wie beispielsweise Papier, Plaste, Textilien, Holz oder Schaumstoff durchdringt, können auch Objekte innerhalb von Verpackungen geortet werden. Mit THz-Messeinrichtungen können verpackte Produkte geprüft sowie Schichtdicken und Schichtzusammensetzungen dielektrischer Materialien während des Produktionsprozesses überwacht werden. Es gibt daher ein ökonomisches Interesse an kostengünstigen und effizienten Emittern und Empfängern für THz-Strahlung.Terahertz (THz) radiation is electromagnetic radiation in the frequency range of about 0.1 to 10 THz. THz radiation is harmless to humans. Since THz radiation permeates dielectric materials such as paper, plastics, textiles, wood or foam, objects can also be located within packaging. With THz measuring devices, packaged products can be tested and layer thicknesses and layer compositions of dielectric materials can be monitored during the production process. There is therefore an economic interest in inexpensive and efficient emitters and receivers for THz radiation.

Es ist bekannt, dass THz-Strahlung mit photoleitenden Antennen (englisch PCA – photoconductive antenna) unter Verwendung ultrakurzer Lichtpulse mit Pulsdauern ≤ 1 ps sowohl erzeugt als auch nachgewiesen werden kann (Patentschrift US 5 789 750 ). Eine photoleitende THz-Antenne besteht im Wesentlichen aus einer hochohmigen halbleitenden Schicht mit einer kurzen Relaxationszeit der Ladungsträger im Bereich einer Pikosekunde, welche auf einem ebenfalls hochohmigen Substrat aufgebracht ist und auf der eine elektrisch leitende Antennenstruktur in der Form zweier metallischer Kontakte beispielsweise in der Form eines Dipols mit einer Lücke als Unterbrechung im Zentrum der Antenne angeordnet ist. Zur Abstrahlung oder zum Nachweis von THz-Strahlung wird die Halbleiterschicht in der Lücke zwischen den Kontakten 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 ( US 5729017 ; WO 03/047036 A1 ).It is known that THz radiation can be both generated and detected with photoconductive antennas (PCA) using ultrashort light pulses with pulse durations ≦ 1 ps (Patent US 5,789,750 ). A photoconductive THz antenna essentially consists of a high-resistance semiconductive layer with a short relaxation time of the charge carriers in the range of one picosecond, which is applied to a likewise high-resistance substrate and on which an electrically conductive antenna structure in the form of two metallic contacts, for example in the form of a Dipole is arranged with a gap as an interruption in the center of the antenna. For radiating or detecting THz radiation, the semiconductor layer is irradiated in the gap between the contacts with short laser pulses. The photon energy of the laser pulses is greater than the electronic band gap of the semiconducting layer, so that the laser light is absorbed in the semiconducting layer and generates mobile charge carriers ( US 5729017 ; WO 03/047036 A1 ).

Zur Abstrahlung von THz-Strahlung wird an der Antenne eine Spannung angelegt. Dadurch entsteht in der Lücke zwischen den metallischen Kontakten ein elektrisches Feld, dem die durch den optischen Puls erzeugten freien Ladungsträger folgen. In der Beschleunigungsphase der Ladungsträger wird elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich emittiert. Der dabei entstehende elektrische Strom kompensiert das elektrische Feld in der Lücke, so dass in der Folge der Strom gestoppt wird. Dies führt erneut zur Emission von THz-Strahlung mit umgekehrter Polarität. Im Ergebnis der aufeinander folgenden Beschleunigung und Verzögerung der freien Ladungsträger in der Halbleiterschicht wird bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen den Metallkontakten und dem Auftreffen eines Laserpulses auf die Halbleiterschicht in der Lücke zwischen den Kontakten ein THz-Puls abgestrahlt, dessen Verlauf der zeitlichen Ableitung des Intensitätsverlaufs des optischen Pulses entspricht. Wegen der geringen Relaxationszeit der Ladungsträger wird die halbleitende Schicht nach dem optischen Puls wieder hochohmig, so dass sich erneut ein elektrisches Feld in der Lücke zwischen den Kontakten aufbauen kann.To emit THz radiation, a voltage is applied to the antenna. This creates an electric field in the gap between the metallic contacts, which is followed by the free charge carriers generated by the optical pulse. In the acceleration phase of the charge carriers, electromagnetic radiation in the THz range is emitted. The resulting electric current compensates the electric field in the gap, so that in the sequence of the power is stopped. This again leads to the emission of reverse polarity THz radiation. As a result of the successive acceleration and deceleration of the free charge carriers in the semiconductor layer, a THz pulse is emitted when an electrical voltage is applied between the metal contacts and the impact of a laser pulse on the semiconductor layer in the gap between the contacts, the course of the time derivative of the intensity profile corresponds to the optical pulse. Because of the low relaxation time of the charge carriers, the semiconductive layer becomes high-impedance again after the optical pulse, so that once again an electric field can build up in the gap between the contacts.

Zum Nachweis von THz-Strahlung kann eine photoleitende Antenne mit dem gleichen Aufbau wie zur Erzeugung von THz-Strahlung verwendet werden. Die halbleitende Lücke der Antenne wird dazu beim Eintreffen der zu messenden THz-Strahlung mit einem optischen Puls beleuchtet. Während der Beleuchtung werden freie Ladungsträger in der Halbleiterschicht erzeugt. Die Ladungsträger können dem zu messenden elektrischen THz-Feld zwischen den metallischen Kontakten folgen und dieses kompensieren. Nach dem optischen Puls wird die Halbleiterschicht wieder hochohmig so dass die vorher verschobenen Ladungsträger zwischen den Metallkontakten eine Spannung aufbauen, welche mit einem Spannungsverstärker nachgewiesen werden kann.For detection of THz radiation, a photoconductive antenna having the same structure as that for generating THz radiation can be used. The semiconductive gap of the antenna is illuminated with the arrival of the measured THz radiation with an optical pulse. During illumination, free charge carriers are generated in the semiconductor layer. The charge carriers can follow the electric THz field to be measured between the metallic contacts and compensate for this. After the optical pulse, the semiconductor layer is again high impedance so that the previously shifted charge carriers between the metal contacts build up a voltage that can be detected with a voltage amplifier.

Die Form der beiden elektrischen Kontakte der photoleitenden Antenne bestimmt in starker Maße die spektrale Empfindlichkeit der Antenne, weil sich der elektrische Strom in der Halbleiterschicht in den Metallkontakten fortsetzt. Ein wesentliches Maß für die spektrale Empfindlichkeit der Antenne ist deren Länge. Mit kürzer werdender (Dipol)-Länge der Antenne steigt die Empfindlichkeit für höhere Frequenzen und verringert sich die Effizienz der Antenne für den gesamten Spektralbereich. Ein Kompromiss zwischen nutzbarem Spektralbereich und Signalamplitude bei niedrigen Frequenzen ist daher erforderlich.The shape of the two electrical contacts of the photoconductive antenna greatly determines the spectral sensitivity of the antenna because the electrical current in the semiconductor layer continues in the metal contacts. An essential measure of the spectral sensitivity of the antenna is its length. As the antenna gets shorter (dipole) length, the sensitivity for higher frequencies increases and the efficiency of the antenna decreases for the entire spectral range. A compromise between usable spectral range and signal amplitude at low frequencies is therefore required.

Ungeachtet der Vielzahl in der Praxis verwendeter Formen photoleitender Antennen kann der Stand der Technik bezüglich ihrer Funktionsweise in folgende Kategorien eingeteilt werden:

  • – Photoleitende Antennen mit einer schmalen Lücke zwischen den Metallkontakten.
  • – Photoleitende Antennen mit einer breiten Lücke zwischen den Metallkontakten.
  • – Photoleitende Antennen mit Kontakten in der Form einer Interdigitalstruktur.
Regardless of the variety of forms of photoconductive antennas used in practice, the prior art may be classified in terms of its operation into the following categories:
  • - Photoconductive antennas with a narrow gap between the metal contacts.
  • - Photoconductive antennas with a wide gap between the metal contacts.
  • - Photoconductive antennas with contacts in the form of an interdigital structure.

Die Vor- und Nachteile dieser Antennen-Kategorien werden nachstehend beschrieben, um den Erfindungsgedanken und den Nutzen der vorliegenden Erfindung zu erläutern.The advantages and disadvantages of these antenna categories are described below to illustrate the spirit and utility of the present invention.

Photoleitende Antennen mit einer schmalen Lücke zwischen den Metallkontakten sind beispielsweise in den Patentschriften US 5227621 A , US 020060152412 A1 , DE 10 2006 010 297 B3 und in der Publikation Applied Physics Letters Vol. 71, No. 15, p. 2076, 1997 beschrieben. Die Breite der Lücke zwischen den Metallkontakten liegt bei diesen Antennen im Bereich von 1 bis 10 μm. Um die Bestrahlung der Lücke mit einem fokussierten Laserstrahl zu vereinfachen, wird zweckmäßig die Abmessung der Lücke senkrecht zur Stromrichtung etwa gleich der Breite der Lücke in Stromrichtung gewählt. Wird eine solche Antenne zur Erzeugung von THz-Strahlung eingesetzt, können Betriebsspannungen im Bereich von 5 bis 50 V verwendet werden. Die angelegte Spannung ist durch die Durchbruchsspannung des verwendeten Halbleitermaterials und die Erwärmung durch den elektrischen Strom bei Beleuchtung sowie die absorbierte optische Energie begrenzt. Die Effizienz der Abstrahlung steigt mit wachsender elektrischer Feldstärke an der Sendeantenne. Die Effizienz der Empfangsantenne wird hauptsächlich durch das Verhältnis der elektrischen Widerstände der unbeleuchteten und beleuchteten Halbleiterschicht bestimmt. Es ist nicht zweckmäßig, eine Empfangsantenne mit einer größeren Lücke als etwa 10 μm zu verwenden, weil in diesem Fall der beleuchtete Halbleiterwiderstand wesentlich größer ist als ein entsprechender metallischer Kontakt. Die von einer photoleitenden Sendeantenne mit einer schmalen Lücke erzeugte THz-Strahlung ist durch die maximale elektrische Stromstärke begrenzt, die ihrerseits durch die maximale Stromdichte in der Halbleiterschicht gegeben ist. Eine solche Antenne liefert zwar THz-Strahlung hoher Radiance (THz-Leistung pro Fläche und Raumwinkel), aber absolut geringer Leistung. Die hohe Radiance wird hauptsächlich durch die geringe Sendefläche mit dem Durchmesser einer Wellenlänge der emittierten THz-Strahlung bestimmt. Wird eine solche Antenne als Empfänger eingesetzt, muss die zu messende THz-Strahlung exakt auf die Antenne fokussiert werden. Infolge von Abbildungsfehlern und Beugungseffekten der THz-Strahlführungsoptik ist der THz-Fokus auf der Empfängerseite meist größer als die Antenne, so dass nur ein Teil der ankommenden THz-Strahlung zur Messung genutzt werden kann.Photoconductive antennas having a narrow gap between the metal contacts are disclosed, for example, in the patents US 5227621 A . US 020060152412 A1 . DE 10 2006 010 297 B3 and in the publication Applied Physics Letters Vol. 71, no. 15, p. 2076, 1997. The width of the gap between the metal contacts is in these antennas in the range of 1 to 10 microns. In order to simplify the irradiation of the gap with a focused laser beam, the dimension of the gap perpendicular to the current direction is advantageously chosen approximately equal to the width of the gap in the current direction. If such an antenna is used to generate THz radiation, operating voltages in the range of 5 to 50 V can be used. The applied voltage is limited by the breakdown voltage of the semiconductor material used and the heating by the electric current under illumination as well as the absorbed optical energy. The efficiency of the radiation increases with increasing electric field strength at the transmitting antenna. The efficiency of the receiving antenna is determined mainly by the ratio of the electrical resistances of the unlit and illuminated semiconductor layer. It is not practical to use a receiving antenna with a larger gap than about 10 microns, because in this case the illuminated semiconductor resistor is substantially larger than a corresponding metallic contact. The THz radiation generated by a narrow gap photoconductive transmission antenna is limited by the maximum electric current given by the maximum current density in the semiconductor layer. Although such an antenna provides THz radiation of high radiance (THz power per area and solid angle), but absolutely low power. The high radiance is mainly determined by the small transmitting surface with the diameter of a wavelength of the emitted THz radiation. If such an antenna is used as a receiver, the THz radiation to be measured must be focused exactly on the antenna. Due to aberrations and diffraction effects of the THz beam guiding optics, the THz focus on the receiver side is usually larger than the antenna, so that only a part of the incoming THz radiation can be used for the measurement.

Photoleitende Antennen mit einer breiten Lücke zwischen den Metallkontakten sind beispielsweise in den Publikationen IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 32, No. 10, p 1839, 1996 und J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 13, No. 11, p. 2424, 1996 sowie in der Patentschrift US64770881 beschrieben. Sie können zweckmäßig nur zur Erzeugung von THz-Strahlung verwendet werden. Solche Antennen besitzen meistens eine Lücke im Bereich von etwa 0,1 mm bis 10 mm und müssen zur Erzeugung der erforderlichen elektrischen Feldstärke im Halbleitermaterial mit Spannungen im Bereich von 100 V bis 10 kV betrieben werden. Es wurde experimentell gefunden, dass nicht die gesamte Lücke zwischen den Metallkontakten mit Laserlicht bestrahlt werden muss, sondern nur ein Bereich in der Nähe eines Kontakts. Der Vorteil dieser Antenne besteht darin, dass die Bandbreite der erzeugten THz-Strahlung nicht durch die Form der Metallkontakte bestimmt wird, sondern hauptsächlich durch die Eigenschaften und Größe der beleuchteten Halbleiterfläche. Bei geeigneter Wahl der Parameter kann ein breites THz-Frequenzspektrum erzeugt werden. Nachteilig an dieser Anordnung sind die erforderliche hohe Betriebsspannung, die große optische Pulsenergie zur Beleuchtung der großen Lücke sowie die geringe Effizienz der Umwandlung optischer Energie in THz Energie. Die wesentliche Ursache der geringen Umwandlungseffizienz von optischer Energie in Terahertz Energie ist die geringere elektrische Leitfähigkeit der beleuchteten Halbleiterschicht im Vergleich zu den metallischen Kontakten, welche bei dieser Antenne kaum in die Erzeugung der THz-Strahlung einbezogen werden.Photoconductive antennas having a wide gap between the metal contacts are disclosed, for example, in the publications IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 10, p 1839, 1996 and J. Opt. Soc. At the. B, Vol. 13, no. 11, p. 2424, 1996 and in the patent US64770881 described. They can be suitably used only for the generation of THz radiation. Such antennas usually have a gap in the range of about 0.1 mm to 10 mm and must be operated to generate the required electric field strength in the semiconductor material with voltages in the range of 100 V to 10 kV. It has been found experimentally that not the entire gap between the metal contacts has to be irradiated with laser light, but only an area in the vicinity of a contact. The advantage of this antenna is that the bandwidth of the generated THz radiation is not determined by the shape of the metal contacts, but mainly by the properties and size of the illuminated semiconductor surface. With appropriate choice of parameters, a broad THz frequency spectrum can be generated. Disadvantages of this arrangement are the required high operating voltage, the large optical pulse energy for illuminating the large gap and the low efficiency of the conversion of optical energy into THz energy. The main cause of the low conversion efficiency of optical energy in terahertz of energy is the lower electrical conductivity of the illuminated semiconductor layer compared to the metallic contacts, which are hardly involved in the generation of THz radiation in this antenna.

Photoleitende Antennen mit Kontakten in der Form einer Interdigitalstruktur können gleichermaßen als Sende- und Empfangsantenne genutzt werden. Sie bilden ein Antennenarray, bei dem die einzelnen Antennen elektrisch parallel geschaltet sind. Durch geeignete Maßnahmen muss dafür gesorgt werden, dass bei einer solchen Interdigitalstruktur nur jede zweite Lücke zwischen den Metallkontakten beleuchtet wird, um eine Auslöschung der Signale im Fernfeld zu vermeiden. Dazu kann entweder jede zweite Lücke mit einer lichtundurchlässigen Schicht abgedeckt werden (Patent DE 10 2004 046 123 A1 ) oder nur jede zweite Lücke mit einem geeigneten Mikrolinsenarray beleuchtet werden (Patent DE 2006 059 573 B3 ). Eine weitere Lösung dieses Problems ist in der Patentschrift DE 10 2006 014 801 A1 angegeben. Hier wird die photoleitende Halbleiterschicht in jedem zweiten Fingerabstand entfernt.Photoconductive antennas having contacts in the form of an interdigital structure can equally be used as transmitting and receiving antennas. They form an antenna array in which the individual antennas are electrically connected in parallel. By means of suitable measures it must be ensured that in such an interdigital structure only every second gap between the metal contacts is illuminated in order to avoid an extinction of the signals in the far field. For this purpose, either every second gap can be covered with an opaque layer (Patent DE 10 2004 046 123 A1 ) or only every other gap can be illuminated with a suitable microlens array (Patent DE 2006 059 573 B3 ). Another solution to this problem is in the patent DE 10 2006 014 801 A1 specified. Here, the photoconductive semiconductor layer is removed every second finger distance.

Auf der Sendeseite addieren sich die THz-Felder aller Einzelemitter, während sich auf der Empfangsseite die Ströme aller Einzeldetektoren addieren. Obwohl die abgestrahlte THz-Leistung eines solchen Antennenarrays größer ist als die eines Einzel-Emitters, ist deren Radiance geringer wegen der wesentlich größeren Sendefläche. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass die erforderliche geringe Leiterbreite der Metallfinger den Strom bei Beleuchtung der Antenne begrenzt, weshalb die abgestrahlte Leistung geringer ist als die Summe entsprechend vieler Einzelantennen. Bei Verwendung der Antenne als Empfänger ist der parallel geschaltete Dunkelwiderstand des Halbleitermaterials zwischen den Fingern sehr klein und es wird deshalb in den Pausen zwischen den optischen Pulsen ein Teil der während des optischen Pulses erzeugten Signalspannung an diesem Widerstand in Wärme umgesetzt und geht deshalb als Signal verloren.On the send side, the THz fields of all individual emitters add up, while the currents of all individual detectors add up on the receive side. Although the radiated THz power of such an antenna array is greater than that of a single emitter, its radiance is lower because of the much larger transmission area. The disadvantage of this arrangement is that the required small conductor width of the metal fingers limits the current when the antenna is illuminated, which is why the radiated power is less than the sum corresponding to many individual antennas. When using the antenna as a receiver, the parallel dark resistance of the semiconductor material between the fingers is very small and it is therefore in the pauses between the optical pulses, a portion of the signal voltage generated during the optical pulse at this resistor converted into heat and is therefore lost as a signal ,

Fasst man den Stand der Technik bei photoleitenden Antennen zusammen, dann kann man folgende Feststellungen treffen:

  • – Die höchste Radiance besitzt eine Antenne mit geringer Lücke. Ihre maximal abgestrahlte THz-Leistung ist hauptsächlich durch den Leistungsumsatz und die dabei erzeugte Wärme in der kleinen Lücke begrenzt und deshalb gering.
  • – Antennen mit großer Lücke können zur Erzeugung breitbandiger THz-Strahlung mit etwas größerer abgestrahlter Leistung verwendet werden. Infolge des relativ großen elektrischen Widerstands des beleuchteten Halbleitermaterials im Verhältnis zum Widerstand einer Metallschicht sind jedoch die elektrische Stromdichte im Halbleitermaterial und die erreichbare Radiance geringer als bei einer Antenne mit kleiner Lücke.
  • – Antennen mit Kontakten in der Form einer Interdigitalstruktur sind als breitbandige Sendeantennen mit größerer abgestrahlter Leistung und als breitbandige Empfangsantennen mit größerer Empfängerfläche verwendbar. Die Effizienz als Sendeantenne wird hauptsächlich durch den elektrischen Widerstand der schmalen und langen metallischen Finger begrenzt. Außerdem ist die Radiance der Antenne geringer als die eines Einzelemitters, weil ihre laterale Ausdehnung wesentlich größer ist als die abgestrahlte Wellenlänge. Die Effizienz als Empfangsantenne wird durch die Parallelschaltung der halbleitenden Flächen infolge des Leckstromes verringert.
If one summarizes the state of the art in photoconductive antennas, then one can make the following statements:
  • - The highest Radiance has an antenna with a small gap. Their maximum radiated THz power is limited mainly by the power conversion and the heat generated in the small gap and therefore low.
  • - Large gap antennas can be used to generate broadband THz radiation with slightly higher radiated power. Due to the relatively large electrical resistance of the illuminated semiconductor material in relation to the resistance of a metal layer, however, the electrical current density in the semiconductor material and the achievable radiance are lower than in the case of a small-gap antenna.
  • Antennas with contacts in the form of an interdigital structure can be used as broadband transmitting antennas with greater radiated power and as broadband receiving antennas with larger receiver area. The efficiency as a transmitting antenna is limited mainly by the electrical resistance of the narrow and long metallic fingers. In addition, the radiance of the antenna is lower than that of a single emitter, because its lateral extent is much larger than the radiated wavelength. The efficiency as a receiving antenna is reduced by the parallel connection of the semiconducting surfaces due to the leakage current.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine photoleitende Antenne anzugeben, die bei Verwendung als Sendeantenne eine große THz-Leistung mit einer hohen Radiance emittiert und bei Verwendung als Empfangsantenne eine hohe Effizienz bei der Umwandlung des empfangenen THz-Signals in eine Detektorspannung besitzt.It is the object of the present invention to provide a photoconductive antenna which, when used as a transmitting antenna, emits a large THz power with a high radiance and, when used as a receiving antenna, has a high efficiency in converting the received THz signal to a detector voltage.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass gemäß Patentanspruch 1 innerhalb der Lücke zwischen den elektrischen Kontakten der photoleitenden Antenne auf der Licht absorbierenden Halbleiterschicht ein oder mehrere nicht miteinander verbundene Metallflächen angeordnet sind.According to the invention this object is achieved in that according to claim 1 within the gap between the electrical contacts of the photoconductive antenna on the light-absorbing semiconductor layer one or more non-interconnected metal surfaces are arranged.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht bei der Verwendung der Antenne als Emitter darin, dass die Vorteile einer Antenne mit großer Lücke (große Sendefläche und Bandbreite) mit der hohen Radiance einer Antenne mit kleiner Lücke verbunden werden. Bei der erfindungsgemäßen Antenne werden Teile der Halbleiterschicht in der Lücke zwischen den Kontakten durch Metallflächen bedeckt und dadurch kurzgeschlossen. Auf diese Weise wird die integrale elektrische Leitfähigkeit zwischen den Kontakten erhöht und eine größere Stromstärke und THz-Leistung bei Beleuchtung ermöglicht. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Antenne als Detektor werden durch das zu messende THz-Feld bei jeder Beleuchtung der Halbleiterschicht Ladungsträger zwischen benachbarten Metallflächen verschoben und dort infolge der Kapazität der Metallflächen gespeichert. Die Spannungen zwischen den Metallflächen addieren sich und führen dadurch zu einer höheren Signalspannung zwischen den Kontakten als bei einer Antenne mit kleiner Lücke.The essential idea of the invention when using the antenna as an emitter is that the advantages of a large gap antenna (large transmission area and bandwidth) are combined with the high radiance of a small gap antenna. In the antenna according to the invention, parts of the semiconductor layer in the gap between the contacts are covered by metal surfaces and thereby short-circuited. In this way, the integral electrical conductivity between the contacts is increased, allowing greater current and THz performance under illumination. When using the antenna according to the invention as a detector charge carriers are moved between adjacent metal surfaces by the measured THz field at each illumination of the semiconductor layer and stored there due to the capacity of the metal surfaces. The voltages between the metal surfaces add up, resulting in a higher signal voltage between the contacts than with a small gap antenna.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Antenne können wie folgt angegeben werden: Beim Einsatz der Antenne zur Erzeugung von THz-Strahlung entsteht infolge der angelegten Betriebsspannung zwischen den Kontakten eine höhere elektrische Feldstärke in den frei gebliebenen Bereichen der Halbleiterschicht als bei einer Antenne mit großer Lücke, weil die mit den Metallflächen bedeckten Halbleiterbereiche kurzgeschlossen sind. Der Leistungsumsatz pro Fläche bei der Erzeugung des elektrischen Stroms durch Beleuchtung der Halbleiterschicht kann dadurch ebenso groß sein wie bei einer Antenne mit kleiner Lücke. Weil aber die beleuchtete Halbleiterfläche zwischen den Kontakten der erfindungsgemäßen Antenne insgesamt größer ist als bei einer Antenne mit kleiner Lücke kann eine größere Gesamt-Stromstärke und damit eine größere THz-Leistung erzeugt werden. Solange die lateralen Abmessungen der Antenne, die hauptsächlich durch den Abstand der Kontakte und die Breite des Strom führenden Bereichs gegeben sind, nicht größer sind als die Wellenlänge der THz-Strahlung, besitzt die erfindungsgemäße Antenne etwa die Radiance einer Antenne mit kleiner Lücke, aber infolge der größeren genutzten Halbleiterfläche eine höhere Gesamtleistung.The advantages of the antenna according to the invention can be stated as follows: Due to the applied operating voltage between the contacts, the use of the antenna for generating THz radiation results in a higher electric field strength in the remaining areas of the semiconductor layer than in the case of an antenna with a large gap, because the With the metal surfaces covered semiconductor regions are short-circuited. The power conversion per area in the generation of the electric current by illumination of the semiconductor layer can thereby be as large as in the case of a small-gap antenna. However, because the illuminated semiconductor area between the contacts of the antenna according to the invention is generally larger than in the case of an antenna with a small gap, a greater overall current intensity and thus a greater THz power can be generated. As long as the lateral dimensions of the antenna, which are mainly given by the distance of the contacts and the width of the current-carrying region, are not greater than the wavelength of the THz radiation, the antenna according to the invention has approximately the radiance of a small-gap antenna, but as a result the larger semiconductor area used a higher overall performance.

Die erfindungsgemäße Antenne kann im Gegensatz zu einer Antenne mit kleiner Lücke so gestaltet werden, dass ihre Länge in Richtung des elektrischen Stromes etwa gleich dem Abstand der elektrischen Kontakte ist. In diesem Fall kann fast die gesamte Länge der Antenne zur Energieumwandlung in THz-Strahlung eingesetzt werden, was zu einer hohen Effizienz bei der Erzeugung der THz-Strahlung führt.In contrast to an antenna with a small gap, the antenna according to the invention can be designed so that its length in the direction of the electrical current is approximately equal to the distance of the electrical contacts. In this case, almost the entire length of the antenna can be used for energy conversion in THz radiation, resulting in a high efficiency in the generation of THz radiation.

Wird die erfindungsgemäße Antenne zum Empfang von THz-Strahlung eingesetzt, dann besitzt sie einen hohen elektrischen Widerstand im unbeleuchteten Zustand, weil die Halbleiterbereiche zwischen den Metallflächen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dadurch verringert sich der Leckstrom zwischen den Kontakten der Antenne im unbeleuchteten Zustand und es geht in der Zeit zwischen den Laserpulsen weniger Signalspannung verloren als bei einer Antenne mit einer kleinen Lücke zwischen den Kontakten. Die erfindungsgemäße Antenne liefert eine höhere Signalspannung als eine Antenne mit kleiner Lücke. Demzufolge besitzt die erfindungsgemäße Antenne eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von THz-Strahlung in eine Detektorspannung.If the antenna according to the invention is used to receive THz radiation, then it has a high electrical resistance in the unlit state, because the semiconductor regions between the metal surfaces are electrically connected in series. This reduces the leakage current between the contacts of the antenna in the unlit state and less signal voltage is lost in the time between the laser pulses than with an antenna with a small gap between the contacts. The antenna according to the invention provides a higher signal voltage than an antenna with a small gap. Consequently, the antenna according to the invention has a higher efficiency in the conversion of THz radiation into a detector voltage.

Entsprechend Patentanspruch 2 ist es zweckmäßig, wenn die Metallflächen zwischen den elektrischen Kontakten die Form von Rechtecken besitzen, die mit ihren langen Seiten parallel zueinander auf der Halbleiterschicht senkrecht zur Stromrichtung angeordnet sind. In diesem Fall kann bei Beleuchtung der Halbleiterschicht ein großer Strom fließen, der proportional zur Längsausdehnung der rechteckigen Metallflächen ist ist. According to claim 2, it is expedient if the metal surfaces between the electrical contacts have the shape of rectangles which are arranged with their long sides parallel to each other on the semiconductor layer perpendicular to the current direction. In this case, when the semiconductor layer is illuminated, a large current that is proportional to the longitudinal extent of the rectangular metal surfaces may flow.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 erläutert. Um die optische Energie eines auf die Antenne fokussierten Laserstrahls zur Anregung von Ladungsträgern in den halbleitenden Bereichen effizient zu nutzen, soll der Abstand zwischen den beiden elektrischen Kontakten etwa gleich der Längsausdehnung der parallel angeordneten Metallflächen zwischen diesen Kontakten sein.A further embodiment of the invention is explained in claim 3. In order to efficiently use the optical energy of a laser beam focused on the antenna to excite charge carriers in the semiconductive regions, the distance between the two electrical contacts should be approximately equal to the longitudinal extent of the metal surfaces arranged in parallel between these contacts.

Um eine gleichmäßige Verteilung der zwischen den Kontakten der Antenne angelegten Spannung auf die nicht abgedeckten Halbleiterflächen zwischen den Kontakten zu erreichen, ist es gemäß Patentanspruch 4 zweckmäßig, wenn alle Abstände zwischen den Metallflächen gleich groß sind. Ein wesentlicher Erfindungsgedanke besteht wie oben beschrieben darin, dass ein Teil der Halbleiterschicht zwischen den Kontakten der Antenne mit Metallflächen bedeckt ist und damit der Energieumsatz auf die verbleibenden unbedeckten Halbleiterflächen konzentriert wird. Gemäß Patentanspruch 4 ist es daher günstig, wenn die Abstände zwischen den Metallflächen kleiner sind als die Ausdehnung der Metallflächen in Stromrichtung zwischen den Kontakten.In order to achieve a uniform distribution of the voltage applied between the contacts of the antenna voltage on the uncovered semiconductor surfaces between the contacts, it is expedient according to claim 4, when all distances between the metal surfaces are equal. An essential idea of the invention as described above is that a part of the semiconductor layer between the contacts of the antenna is covered with metal surfaces and thus the energy conversion is concentrated on the remaining uncovered semiconductor surfaces. According to claim 4, it is therefore advantageous if the distances between the metal surfaces are smaller than the extent of the metal surfaces in the current direction between the contacts.

Zur effizienten Nutzung des Laserlichts ist es nach Patentanspruch 5 zweckmäßig, wenn über der strukturierten Metallschicht ein Array aus Zylinderlinsen angeordnet ist, wobei diese Zylinderlinsen senkrecht zur Halbleiterschicht einfallendes Licht in die Lücken zwischen den Metallflächen fokussieren. Mit einer solchen Anordnung kann man mit einer geringeren Laserleistung zur gleichen Effizienz der erfindungsgemäßen Antenne kommen, weil die Beleuchtung der Metallflächen keinen nutzbaren Effekt bei der Erzeugung oder dem Nachweis der THz-Strahlung verursacht.For efficient use of the laser light, it is expedient according to claim 5, if over the structured metal layer, an array of cylindrical lenses is arranged, said cylindrical lenses focus perpendicular to the semiconductor layer incident light in the gaps between the metal surfaces. With such an arrangement, one can come to the same efficiency of the antenna according to the invention with a lower laser power, because the illumination of the metal surfaces causes no useful effect in the generation or detection of THz radiation.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne wird im Patentanspruch 6 vorgeschlagen. Dabei besteht die Licht absorbierende Halbleiterschicht aus Gallium-Arsenid oder aus einer Indium-Gallium-Arsenid Legierung mit einer geringen Relaxationszeit für angeregte Elektronen und die strukturierte Metallschicht besteht aus Gold. Der Vorteil der III-IV-Halbleiter als Absorberschicht besteht in ihrer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit. Die Verwendung von Gold als Metallschicht verbindet die Vorzüge hoher elektrischer Leitfähigkeit mit chemischer Stabilität.A further advantageous embodiment of the antenna according to the invention is proposed in claim 6. The light-absorbing semiconductor layer consists of gallium arsenide or of an indium-gallium-arsenide alloy with a low relaxation time for excited electrons, and the structured metal layer consists of gold. The advantage of the III-IV semiconductor as an absorber layer is its high charge carrier mobility. The use of gold as a metal layer combines the benefits of high electrical conductivity with chemical stability.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt in 1 die Aufsicht auf die Struktur einer erfindungsgemäßen Antenne mit drei voneinander getrennten Metallflächen 1 zwischen den Kontakten 2 und 3 der Antenne. Die Abstände zwischen den Metallflächen 1 und den Kontakten 2, 3 betragen jeweils 5 μm. Die Ausdehnung der rechteckigen Metallflächen 1 in Richtung des elektrischen Stroms zwischen den beiden elektrischen Kontakten 2, 3 beträgt einheitlich 20 μm. Die rechteckigen Metallflächen besitzen in ihrer Längsrichtung eine Ausdehnung von 80 μm. Ihre Länge ist damit gleich dem Abstand der beiden elektrischen Kontakte 2, 3. Die Halbleiterschicht 4 besteht aus GaAs mit einer Relaxationszeit der Ladungsträger von 500 fs. Alle Metallschichten bestehen aus einer 200 nm dicken Gold-Schicht auf einer wenige Nanometer dicken Haftschicht aus Titan.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. The accompanying drawing shows in 1 the plan view of the structure of an antenna according to the invention with three separate metal surfaces 1 between the contacts 2 and 3 the antenna. The distances between the metal surfaces 1 and the contacts 2 . 3 are each 5 microns. The extent of the rectangular metal surfaces 1 in the direction of the electrical current between the two electrical contacts 2 . 3 is uniformly 20 microns. The rectangular metal surfaces have in their longitudinal direction an extension of 80 microns. Their length is thus equal to the distance between the two electrical contacts 2 . 3 , The semiconductor layer 4 consists of GaAs with a carrier relaxation time of 500 fs. All metal layers consist of a 200 nm thick gold layer on a few nanometer thick adhesion layer of titanium.

Die gesamte Länge der Antenne von 120 μm bestimmt die Designwellenlänge beziehungsweise die Designfrequenz, bei der die höchste Effizienz besteht. Die Designwellenlänge beträgt etwa 0,7 mm und die entsprechende Designfrequenz etwa 0,4 THz. Bei geringeren oder höheren Frequenzen verringert sich die Effizienz der Antenne. Der Abfall ist zu höheren Frequenzen wegen der endlichen Ladungsträger-Relaxationszeit starker.The entire length of the antenna of 120 μm determines the design wavelength or the design frequency at which the highest efficiency exists. The design wavelength is about 0.7 mm and the corresponding design frequency is about 0.4 THz. At lower or higher frequencies, the efficiency of the antenna is reduced. The drop is stronger at higher frequencies because of the finite carrier relaxation time.

Die Antenne kann als Sender mit einer Spannung von ca. 100 V und einer mittleren optischen Leistung von ca. 200 mW eines Femtosekunden-Lasers mit einer Repetitionsrate von 100 MHz betrieben werden. In diesem Fall ist die Leistung der erzeugten THz-Strahlung etwa um eine Größenordnung größer als bei einer Antenne gleicher Länge mit einer kleinen Lücke zwischen den Antennenkontakten. Mit der gleichen optischen Leistung kann die Antenne auch zum Nachweis von THz-Strahlung verwendet werden. Die entstehende Signalspannung ist dabei etwa um den Faktor 4 größer als bei einer Antenne gleicher Länge mit einer kleinen Lücke zwischen den Antennenkontakten.The antenna can be operated as a transmitter with a voltage of about 100 V and a mean optical power of about 200 mW of a femtosecond laser with a repetition rate of 100 MHz. In this case, the power of the generated THz radiation is about an order of magnitude greater than an antenna of equal length with a small gap between the antenna contacts. With the same optical power, the antenna can also be used to detect THz radiation. The resulting signal voltage is about 4 times larger than an antenna of the same length with a small gap between the antenna contacts.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (6)

Photoleitende Antenne zur Erzeugung oder zum Empfang von Terahertz-Strahlung unter Verwendung von Laserlicht, bestehend aus einer strukturierten Metallschicht auf einer Licht absorbierenden Halbleiterschicht, wobei die strukturierte Metallschicht zwei durch eine Lücke voneinander getrennte elektrische Kontakte besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Lücke zwischen den elektrischen Kontakten (2, 3) auf der Licht absorbierenden Halbleiterschicht (4) ein oder mehrere nicht miteinander verbundene Metallflächen (1) angeordnet sind.A photoconductive antenna for generating or receiving terahertz radiation using laser light consisting of a patterned metal layer on a light-absorbing semiconductor layer, the patterned metal layer having two electrical contacts separated by a gap, characterized in that between the gaps electrical contacts ( 2 . 3 ) on the light-absorbing semiconductor layer ( 4 ) one or more non-interconnected metal surfaces ( 1 ) are arranged. Photoleitende Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallflächen (1) zwischen den elektrischen Kontakten (2, 3) die Form von Rechtecken besitzen und mit ihren langen Seiten parallel zueinander senkrecht zur Stromrichtung zwischen den elektrischen Kontakten (2, 3) auf der Licht absorbierenden Halbleiterschicht (4) angeordnet sind.Photoconductive antenna according to claim 1, characterized in that the metal surfaces ( 1 ) between the electrical contacts ( 2 . 3 ) have the shape of rectangles and with their long sides parallel to each other perpendicular to the current direction between the electrical contacts ( 2 . 3 ) on the light-absorbing semiconductor layer ( 4 ) are arranged. Photoleitende Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Metallflächen (1) etwa gleich dem Abstand zwischen den elektrischen Kontakten (2, 3) ist.Photoconductive antenna according to claim 2, characterized in that the length of the metal surfaces ( 1 ) approximately equal to the distance between the electrical contacts ( 2 . 3 ). Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Abstände zwischen den Metallflächen (1) untereinander gleich sind und dass die Breite der Metallflächen (1) in Stromrichtung zwischen den Kontakten (2, 3) größer ist als die Abstände zwischen den Metallflächen (1).Photoconductive antenna according to one of claims 1 to 3, characterized in that all distances between the metal surfaces ( 1 ) are equal to each other and that the width of the metal surfaces ( 1 ) in the current direction between the contacts ( 2 . 3 ) is greater than the distances between the metal surfaces ( 1 ). Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array aus Zylinderlinsen über den rechteckigen Metallflächen (1) so angeordnet ist, dass senkrecht auf das Array aus Zylinderlinsen einfallendes Licht in die Lücken zwischen den Metallflächen (1) fokussiert wird.Photoconductive antenna according to one of claims 2 to 4, characterized in that an array of cylindrical lenses over the rectangular metal surfaces ( 1 ) is arranged so that perpendicular to the array of cylindrical lenses incident light in the gaps between the metal surfaces ( 1 ) is focused. Photoleitende Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierende Halbleiterschicht (4) aus Gallium-Arsenid oder aus einer Indium-Gallium-Arsenid Legierung mit einer geringen Relaxationszeit für angeregte Ladungsträger besteht und dass die strukturierte Metallschicht (1) aus Gold besteht.Photoconductive antenna according to one of claims 1 to 5, characterized in that the light-absorbing semiconductor layer ( 4 ) consists of gallium arsenide or of an indium-gallium-arsenide alloy with a low relaxation time for excited charge carriers and that the structured metal layer ( 1 ) consists of gold.
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