DE102012010926A1 - Photoconductive structure e.g. radiation source, for optical generation of field signals in terahertz- frequency range in bio analysis, has metallic layers formed from locations and provided in direct contact with semiconductor material - Google Patents
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Abstract
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.The present invention relates to a photoconductive structure for generating electromagnetic field signals, in particular pulsed and continuous (so-called continuous wave) field signals in the frequency range of 1 GHz to 10 THz, in particular a semiconductor substrate on which at least two metal strips which at least two different metal types with different work functions are joined together and extend laterally, which is set by optical excitation in a photoconductive state, which causes the generation of an electromagnetic field signal in the frequency range of 1 GHz to 10 THz. Furthermore, the invention relates to the surface arrangement of a plurality of said photoconductive structures, a metrological arrangement in which the photoconductive structure according to the invention is used, and a method for generating electromagnetic field signals using the photoconductive structure according to the invention.
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.Such photoconductive structures can be used for emission and generation of electric field signals from the microwave range (0.3 to 300 gigahertz) to terahertz range (300 gigahertz to 10 terahertz) and are thus suitable as a signal source for measurements in these frequency ranges, their importance in recent years has increased sharply.
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.The generation of electromagnetic signals and radiation in the THz frequency range by means of compact, efficient, cost-effective and robust sources is a hitherto unsatisfactorily solved technical 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.The development of a technical solution to this problem is of great economic importance, since a large number of new applications have been identified (for example in the field of safety engineering, bioanalysis, non-destructive materials testing or communication technology), whose commercial implementation is due to the aforementioned shortcomings of the previous THz signal sources is severely restricted.
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
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.The fundamental mechanism for THz signal generation in photoconductive semiconductor material structures is based on the emission of THz waves by optically excited charge carriers, which are accelerated in an electric field or have different electron-hole diffusion lengths. An acceleration field can, for. B. across two spaced on the semiconductor substrate surface placed stripline can be applied. High low-bias acceleration fields require small stripline pitches within such a metal-semiconductor-metal (MHM) structure. In the case of an array arrangement of these MHM structures, it must be taken into account that a distance must be maintained between all adjacent MHM emitter elements in order to avoid a short circuit, whereby further MHM intermediate elements with opposite acceleration field are formed. This can cause a large reduction or even complete extinction of THz emission by destructive far-field interference. To avoid this destructive interference, various approaches have been proposed.
Aus der internationalen Patentanmeldung
In der internationalen Patentanmeldung
Eine erste Lösung des Problems der hohen Defektanfälligkeit durch Kurzschlüsse wurde vor kurzem in der deutschen Patentanmeldung
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.At this point, the invention is based, whose task is to provide a structure for THz signal generation, which allows the highest possible conversion efficiency with respect to the optical excitation power, has a low susceptibility to defects and can be manufactured as inexpensively.
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.This object is achieved by a metal-semiconductor structure according to
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.A key feature of the proposed structure is the lateral offset arrangement of at least two metal strips with different work functions on a semiconductor substrate surface. The generation of a lateral photocurrent for THz emission is accomplished in this approach not by the Photo-Dember effect, but by acceleration of optically excited charge carriers within the internal, instantaneous electrostatic fields at the metal-semiconductor (MH) transitions - ie within the so-called space charge zones.
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.A targeted arrangement of at least two metal strip conductors consisting of at least two different metal types with different work functions within an array is used to destructive interference effects in the ideal case - d. H. with a suitable combination of the semiconductor material and the different metals - completely avoided. This is done by a targeted unidirectional adjustment of the MH boundary fields as a function of the metal type at laterally successive MH edges.
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.For example, within the array arrangement, a laterally repeating "a-b-c" sequence may be used, consisting of directly adjacent regions of the following type:
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.It is advantageous in this context that the THz emission by field-induced charge carrier acceleration at metal-semiconductor interface fields under typical excitation conditions is many times more efficient than the Photo-Dember effect, which, among other things, enables many times higher conversion efficiencies compared to the prior art can be.
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.The proposed structure does not require external bias, but utilizes the instantaneously occurring interface fields at metal-semiconductor junctions. The approach is therefore resistant to short-circuit defects. The production of the proposed structures is moreover, as will be described below, possible with minimal technical effort using self-aligning structuring processes.
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 (
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.An important advantage of the proposed structure is further that the proportion of inactive to active area within the overall structure can be significantly smaller compared to the previous approaches, which also contributes significantly to improving the achievable conversion efficiency. This is justified by the fact that two adjacent MHM elements according to the invention may be in direct contact. So far disturbing MHM intermediate areas are thus completely eliminated, which not least results in a direct increase in the relative active area proportion. At the same time, destructive interference can also be completely avoided by completely avoiding MHM intermediate regions and with a suitable choice of the different metal types. The direct contact of two different metals is a characteristic feature of the proposed arrangement. To illustrate this, this structure will be referred to hereinafter as the metal-metal-semiconductor (MMH) structure.
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.The applications of the THz emitter structure are extremely diverse. In particular, it can be used as a THz signal source in the quality testing and development of integrated ultrahigh-frequency circuits, in the field of medical technology, in bioanalytics, in safety technology for spectroscopy for the detection of hazardous substances or for basic research in the field of novel photonic materials and structures.
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.Embodiments of the invention will now be described below with reference to the drawings. This is not necessarily to scale the embodiments, but the drawing, where appropriate for explanation, executed in a schematized and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings directly recognizable from the drawing reference is made to the relevant prior art. It should be noted that various modifications and changes may be made in the form and detail of an embodiment without departing from the general idea of the invention. The disclosed in the description, in the drawing and in the claims features of the invention may be essential both individually and in any combination for the development of the invention. In addition, all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the drawings and / or the claims fall within the scope of the invention. The general idea of the invention is not limited to the exact form or detail of the preferred embodiment shown and described below or limited to an article that would be limited in comparison with the subject matter claimed in the claims. For the given design ranges, values within the stated limits should also be disclosed as limit values and be arbitrarily usable and claimable. For simplicity, the same reference numerals are used below for identical or similar parts or parts with identical or similar function.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of the preferred embodiments and from the drawings; these show in:
Die in
In
Zur prinzipiellen Erzeugung eines THz-Signals mit Hilfe der betrachteten Struktur ist auch ein geringerer Unterschied der Grenzflächenfelder an den Metall-Halbleiterübergängen
Im Folgenden sind weitere Beispiele zur technischen Umsetzung der grundlegenden Erfindung, einer THz emittierenden MMH-Struktur aufgezeigt. In
Die in
In
Eine weitere Ausführungsform
Die Größe der Photoströme
Jede bereits erwähnte Ausführungsform des MMH-Einzelemitters (
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
Die hohe Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird im Folgenden anhand experimenteller Untersuchungen demonstriert. Gefertigt wurde eine Array-Anordnung (
Das Amplitudenspektrum der gemessenen THz-Emission ist in
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine photoleitende Struktur (
- –
ein photoleitendes Halbleitermaterial 11 dessen Oberfläche mit einer Anordnung von mindestens zwei lateral begrenzten metallischen Schichten (12 ,13 ) versehen ist, - – die metallischen Schichten
12 und13 aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Auftrittsarbeiten gefertigt sind, - – die metallischen Schichten (
12 ,13 ) sich lateral benachbart jeweils in direktem Kontaktmit dem Halbleitermaterial 11 befinden und ein Materialschluss innerhalb der Metallschichten (12 ,13 ) besteht.
- A
photoconductive semiconductor material 11 its surface with an arrangement of at least two laterally delimited metallic layers (12 .13 ), - - the
metallic layers 12 and13 are made of at least two different types of metal with different performance work, - - the metallic layers (
12 .13 ) laterally adjacent each in direct contact with thesemiconductor material 11 and a material shortage within the metal layers (12 .13 ) consists.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1111
- Halbleitersemiconductor
- 1212
- Metallschichtmetal layer
- 1313
- Metallschichtmetal layer
- 1414
- Anregungsstrahlungexcitation radiation
- 1515
- Halbleiter-VertiefungSemiconductor recess
- 1717
- Optische AnregungsenergieOptical excitation energy
- 1818
- LadungsträgertransportCharge carrier transport
- 1919
- Elektronelectron
- 2020
- Lochhole
- 101101
- Einzelemitter-StrukturSingle emitter structure
- 102102
- Einzelemitter-StrukturSingle emitter structure
- 103 103
- Einzelemitter-StrukturSingle emitter structure
- 151151
- Photostromphotocurrent
- 152152
- Photostromphotocurrent
- 153153
- Photostromphotocurrent
- 161161
- Mikrowellen-, Millimeterwellen- und THz-EmissionMicrowave, millimeter wave and THz emission
- 162162
- Mikrowellen-, Millimeterwellen- und THz-EmissionMicrowave, millimeter wave and THz emission
- 163163
- Mikrowellen-, Millimeterwellen- und THz-EmissionMicrowave, millimeter wave and THz emission
- 201201
- Array AnordnungArray arrangement
- 202202
- Array AnordnungArray arrangement
- L1L1
- MetallschichtlängeMetal Film length
- W1W1
- MetallschichtbreiteMetal layer width
- W2W2
- MetallschichtbreiteMetal layer width
- W3W3
- MetallschichtbreiteMetal layer width
- W4W4
- MetallschichtbreiteMetal layer width
- S1S1
- Emitterabstandemitter spacing
- S2S2
- Emitterabstandemitter spacing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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