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

The structure has metal semiconductor based arrangement, a photoconductive semiconductor material (11) with a surface provided with an arrangement of two lateral limited metallic layers i.e. strip conductors (12, 13). The metallic layers are formed from two different metal locations with different appearances. The metallic layers are laterally provided in direct contact with the semiconductor material. A material bond is provided within the metallic layers. One metallic layer of one metal location is partly covered by the other metallic layer of another metal location. An independent claim is also included for a method for manufacturing a photoconductive structure.

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 Artikel „Scalable Microstructured Photoconductive Terahertz Emitters”, in J Infrared Milli Terahz Waves (2012) 33: 431–454 zusammengefasst.In recent years, interest in photoconductive structures for generating THz radiation has greatly increased. Emitter approaches in particular, whose active emission surface can be scaled by a two-dimensional array arrangement, that is to say by a generally periodic structure multiplication, are becoming increasingly popular since, due to their surface size, they permit relatively high absolute THz output powers and saturation losses at high optical excitation intensity in the case of small-area emitters, even at low optical excitation powers, it is to be avoided. The state of the art for these large-scale scalable THz emitters, to which the present invention belongs, has recently been described by Winnerl in US Pat Scalable Microstructured Photoconductive Terahertz Emitters, J Infrared Milli Terahz Waves (2012) 33: 431-454 summarized.

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 WO2006/047975 ist ein Verfahren bekannt, dass eine optisch transparente Isolationsdeckschicht vorsieht, auf der nicht transparente Maskierungselemente zur Vermeidung einer optischen Anregung der MHM-Zwischenelemente angeordnet sind. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwändig und darüber hinaus beeinträchtigt durch einen hohen parasitären Dunkelstrom der MHM-Zwischenelemente, der die maximale Vorspannung begrenzt. Darüber hinaus besteht eine hohe Defektanfälligkeit auf Kurzschlüsse innerhalb der vorgespannten Elektroden. Ein einzelner Kurzschluss zerstört bereits vollständig die Betriebsfähigkeit des gesamten Bauelementes.From the international patent application WO2006 / 047975 For example, a method is known that provides an optically transparent insulating cover layer on which non-transparent masking elements are arranged to prevent optical excitation of the MHM intermediate elements. However, this method is very complex and moreover affected by a high parasitic dark current of the MHM intermediate elements, which limits the maximum bias voltage. In addition, there is a high susceptibility to short circuiting within the biased electrodes. A single short-circuit already completely destroys the operability of the entire component.

In der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2007/002790 wird ein anderes Verfahren beschrieben, dass die vollständige Entfernung des Halbleitermaterials in den Bereichen der MHM-Zwischenelemente vorsieht, wodurch der Dunkelstrom verringert wird. Der Herstellungsaufwand ist jedoch immer noch vergleichsweise hoch, da stark ausgedünnte Halbleiterschichten verwendet werden müssen, die zur Stabilisierung auf ein isolierendes, optisch transparentes Substrat transferiert werden müssen. Weiterhin besteht auch hier eine große Gefahr eines Komplettausfalles durch einen Kurzschluss. Dieselben Nachteile bezüglich Herstellungsaufwand, Dunkelstrom und Defektanfälligkeit gelten auch für den Ansatz der in der deutschen Patentanmeldung DE.10.2006.059573B3 beschrieben ist und ein Mikrolinsen-Array zur gezielten Vermeidung einer optischen Anregung der MHM-Zwischenelemente vorsieht.In the international patent application PCT / EP2007 / 002790 Another method is described which provides for the complete removal of the semiconductor material in the regions of the MHM interpositories, thereby reducing the dark current. However, the production cost is still comparatively high, since highly thinned semiconductor layers must be used, which must be transferred to stabilize on an insulating, optically transparent substrate. Furthermore, there is also a great risk of complete failure due to a short circuit. The same disadvantages with respect to production costs, dark current and susceptibility to defects also apply to the approach of the German patent application DE.10.2006.059573B3 is described and a microlens array for targeted avoidance of optical excitation of the MHM intermediate elements provides.

Eine erste Lösung des Problems der hohen Defektanfälligkeit durch Kurzschlüsse wurde vor kurzem in der deutschen Patentanmeldung PCT/EP2009/004258 vorgestellt. Die dort beschriebene Anordnung speziell geformter Metallstreifen ermöglicht die Erzeugung eines parallel zur Halbleiteroberfläche (also lateralen) Photostroms aufgrund unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeiten der optisch angeregten Elektronen und Löcher, dem so genannten Photo-Dember-Effekt. Diese Anordnung erfordert keine Vorspannung der Streifenleiter und ist deshalb auch im Fall sogar mehrerer Kurzschlussdefekte noch immer funktionsfähig, bei nur marginaler Verringerung der Ausgangsleistung. Ein schwerwiegender Nachteil ist jedoch die geringe Effizienz des Photo-Dember-Effekts, wodurch die erreichbare Konversionseffizienz sehr gering ausfällt. Die Vermeidung von destruktiven Interferenzeffekten ist bei diesem Ansatz zudem technisch so aufwändig, das in der bisherigen Praxis ein relativ hoher Anteil an destruktiver Interferenz in Kauf genommen wird.A first solution to the problem of high defect susceptibility to short circuits has recently been disclosed in the German patent application PCT / EP2009 / 004258 presented. The arrangement of specially shaped metal strips described therein enables the generation of a parallel to the semiconductor surface (ie lateral) photocurrent due to different diffusion speeds of the optically excited electrons and holes, the so-called Photo-Dember effect. This arrangement requires no biasing of the strip conductors and is therefore still functional in the case of even multiple short circuit defects, with only a marginal reduction in output power. A serious disadvantage, however, is the low efficiency of the Photo-Dember effect, whereby the achievable conversion efficiency is very low. The avoidance of destructive interference effects is also technically so complex in this approach that in the previous practice a relatively high proportion of destructive interference is accepted.

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 claim 1 and by the metrological arrangement according to claim 13 and the manufacturing method according to claim 14. Advantageous developments of the invention are formulated in the subclaims and will be described in more detail below.

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: semiconductor metal type 1 metal type 2.

Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang, dass die THz-Emission durch feldinduzierte Ladungsträgerbeschleunigung an Metall-Halbleiter-Grenzflächenfeldern unter typischen Anregungsbedingungen um ein vielfaches Effizienter als der Photo-Dember-Effekt ist, wodurch unter anderem vielfach höhere Konversionseffizienzen im Vergleich zum Stand der Technik ermöglicht werden können.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 ( J. Appl. Phys. 109, 083108 (2011) ) wird darüber hinaus belegt, dass der Photo-Dember-Effekt generell nur wirksam genutzt werden kann, falls die Photonenenergie der optischen Anregestrahlung signifikant über der Bandlückenenergie des verwendeten Halbleitermaterials liegt, was einer kostengünstigen Nutzung ebenfalls entgegenspricht. Die wichtigsten Kriterien zu Wahl des Halbleitermaterials sind eine möglichst hohe Ladungsträgermobilität, eine ausreichend kurze Ladungsträgerlebensdauer sowie eine ausreichend hohe Absorption im Wellenlängenbereich der optischen Anregung. Diese Kriterien gelten im Falle der Photo-Dember-Effekt basierten THz-Erzeugung zusätzlich zu den oben genannten Voraussetzungen. Im vorliegenden Fall kommen zum Beispiel für die Wahl des photoleitendes Materiales verschiedene III/V-Halbleiter wie GaAs, InGaAs, InAs, aber auch Gruppe-IIII Halbleiter wie Si, Ge oder alternativ auch Semimetalle wie Graphen bzw. Graphit in Frage. Falls eine THz-Signalauskopplung durch die Substratrückseite erfolgen soll, muss zudem auf eine möglichst geringe Absorption des Halbleitermaterials im THz-Frequenzbereich geachtet werden, welche in der Regel bei schwach- oder undotierten Halbleitern gegeben ist.Another advantage of the proposed structure is that suitable semiconductor materials do not necessarily have to have a pronounced photo-Dember effect. On the other hand, a strong Photo-Dember effect within the selected semiconductor material does not contribute to the improvement or deterioration of the THz generation efficiency of the proposed structure. Against this background, the selection of suitable semiconductor materials is significantly less limited compared to the photo-Dember effect-based THz generation. In a recent study of Reklaitis ( J. Appl. Phys. 109, 083108 (2011) ) also demonstrates that the photovoltaic effect of the optical stimulation radiation is significantly more effective than the band gap energy of the semiconductor material used, which also counteracts cost-effective use. The most important criteria for choosing the semiconductor material are the highest possible charge carrier mobility, a sufficiently short charge carrier lifetime and a sufficiently high absorption in the Wavelength range of the optical excitation. These criteria apply in the case of Photo-Dember effect based THz generation in addition to the above requirements. In the present case, for example, for the choice of the photoconductive material different III / V semiconductors such as GaAs, InGaAs, InAs, but also group IIII semiconductors such as Si, Ge or alternatively also semimetals such as graphene or graphite in question. If a THz signal decoupling is to take place through the substrate rear side, care must also be taken to minimize the absorption of the semiconductor material in the THz frequency range, which is generally the case with weakly or undoped semiconductors.

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:

1 eine schematische Darstellung der Draufsicht auf ein einzelnes Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelement zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform; 1 a schematic representation of the top view of a single metal-metal-semiconductor structural element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to a first preferred embodiment;

2(a) eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform sowie (b) das zugehörige Bändermodell dieser Anordnung; 2 (a) a schematic representation of the cross section of a single metal-metal-semiconductor structural element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to a first preferred embodiment and (b) the associated band model of this arrangement;

3 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; 3 a schematic representation of the cross section of a single metal-metal-semiconductor structural element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to a second preferred embodiment;

4 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform; 4 a schematic representation of the cross section of a single metal-metal-semiconductor structural element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to a third preferred embodiment;

5 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines einzelnen Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform; 5 a schematic representation of the cross section of a single metal-metal-semiconductor structural element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to a fourth preferred embodiment;

6 eine schematische Darstellung einer Array-Anordnung mehrerer Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß der ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform; 6 a schematic representation of an array arrangement of a metal-semiconductor-semiconductor structure element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to the first and second preferred embodiment;

7 eine schematische Darstellung einer Array-Anordnung mehrerer Metall-Metall-Halbleiter-Strukturelements zur optischen Signalerzeugung im Terahertz-Frequenzbereich gemäß der dritten und vierten bevorzugten Ausführungsform; 7 a schematic representation of an array arrangement of a metal-semiconductor-semiconductor structure element for optical signal generation in the terahertz frequency range according to the third and fourth preferred embodiment;

8(a) Gemessener zeitlicher Verlauf des erzeugten THz-Signals bei unterschiedlicher axialer Ausrichtung der Metall-Metall-Halbleiter Array-Struktur zum Nachweis eines unidirektionalen lateralen Photostroms als Ursache der THz Emission. (b) Schematische Darstellung der Messanordnung. 8 (a) Measured time course of the generated THz signal with different axial alignment of the metal-metal-semiconductor array structure to detect a unidirectional lateral photocurrent as the cause of the THz emission. (b) Schematic representation of the measuring arrangement.

9 Gemessenes Emissionsspektrum einer Metall-Metall-Halbleiter-Array Struktur. 9 Measured emission spectrum of a metal-metal-semiconductor-array structure.

Die in 1 schematisch dargestellte Anordnung zeigt eine Draufsicht der Oberfläche eines Einzelelements einer MMH-Emitterstruktur 101 gemäß dem Konzept der Erfindung, welche für die Erzeugung eines kontinuierlichen und gepulsten Terahertz-Signals ausgelegt ist. Das Einzelelement der Emitterstruktur 101 basiert auf einem Halbleitersubstrat 11 auf dem sich ein Streifenleiter 12 einer ersten Metallsorte a sowie ein Streifenleiter 13 einer zweiten Metallsorte b, deren Austrittsarbeit sich von der Austrittsarbeit der Metallsorte b unterscheidet, erstrecken. Zwischen Streifenleiter 12 und Streifenleiter 13 besteht zumindest teilweise ein Materialschluss. Streifenleiter 12 und Streifenleiter 13 sind lateral versetzt unmittelbar benachbart auf dem Halbleitersubstrat 11 in der Form angeordnet, dass direkte Kontaktbereiche zwischen Halbleitersubstrat 11 und Metallsorte a sowie Halbleitersubstrat 11 und Metallsorte b gebildet werden. Streifenleiter 12 besitzt eine laterale Breite w1, Streifenleiter 13 besitzt eine laterale Breite w2, die Breite der Streifenleiteranordnung bestehend aus Streifenleiter 12 und 13 entspricht w3, das Einzelelement der Emitterstruktur 101 besitzt eine Breite w4 und eine Länge l1. Zur Bildung eines Bereichs zur THz-Signalerzeugung wird w3 kleiner als w4 gewählt. In bestimmten Fällen kann eine Integration von lokal nicht THz emittierenden Bereichen gewünscht sein; zum Beispiel in einer Array Anordnung von Einzelemittern. In diesen Fällen kann lokal w3 gleich w4 gewählt werden, wobei die Streifenleiter auch von einer einfachen geraden Form abweichen können.In the 1 schematically illustrated arrangement shows a plan view of the surface of a single element of an MMH emitter structure 101 according to the concept of the invention, which is designed to generate a continuous and pulsed terahertz signal. The single element of the emitter structure 101 based on a semiconductor substrate 11 on which a strip conductor 12 a first type of metal a and a strip conductor 13 a second metal species b, whose work function is different from the work function of the metal species b, extend. Between stripline 12 and stripline 13 there is at least in part a material shortage. stripline 12 and stripline 13 are laterally offset immediately adjacent to one another on the semiconductor substrate 11 arranged in the form that direct contact areas between semiconductor substrate 11 and metal type a and semiconductor substrate 11 and metal grade b are formed. stripline 12 has a lateral width w1, strip conductor 13 has a lateral width w2, the width of the stripline assembly consisting of strip conductor 12 and 13 corresponds to w3, the single element of the emitter structure 101 has a width w4 and a length l1. To form an area for THz signal generation, w3 is set smaller than w4. In certain cases, integration of locally non-THz emitting regions may be desired; for example in an array of single emitters. In these cases, locally w3 can be chosen equal to w4, whereby the strip conductors can also deviate from a simple straight shape.

In 2(a) ist ein Einzelelement einer Emitterstruktur 101 im Querschnitt dargestellt. Zur Erzeugung einer Emission 161 und 162 im THz-Frequenzbereich wird das Einzelelement 101 vorzugsweise von der mit den Streifenleitern 12 und 13 besetzten Seite mit einer optischen Strahlung 14 angeregt. Bei ausreichend dünnen Halbleitersubstraten, mit einer Dicke kleiner als die optische Eindringtiefe des anregenden Anregungssignals, ist auch eine rückseitige optische Anregung möglich. Zur Verdeutlichung des grundlegenden THz-Emissionsprozesses, ist in 2(b) ein Bändermodell 11 der Anordnung 101 skizziert. Die optische Anregungsstrahlung 14 besitzt vorzugsweise eine Photonenenergie 17, die größer als die Bandlücke des Halbleitermaterials 11 ist und dadurch in der Lage ist, Elektronen 19 und Loch 20 Paare effizient zu generieren. Entsprechend der jeweiligen Austrittsarbeiten der Metallstreifen 12 und 13 stellen sich im Halbleitermaterial 11 unterschiedliche Bandverbiegungen und somit unterschiedliche Grenzflächenfelder an den jeweiligen Metall-Halbleiterübergängen 11/12 und 11/13 ein. Im Idealfall zur THz-Erzeugung mit maximaler Effizienz werden die Metallsorten a und b entsprechend des verwendeten Halbleitermaterials 11 so gewählt, dass sich an den beiden MH-Übergangsbereichen die Bandverbiegungen in Amplitudenstärke und Vorzeichen möglichst stark voneinander unterscheiden. Welche Metalle hierfür in Frage kommen, hängt von dem gewählten Halbleitermaterial ab. Mit GaAs als Halbleitermaterial kann beispielsweise eine Kombination aus Ti und Au, Al und Au oder Al und Pd verwendet werden.In 2 (a) is a single element of an emitter structure 101 shown in cross section. To generate an emission 161 and 162 in the THz frequency range, the single element 101 preferably from the one with the strip conductors 12 and 13 occupied side with an optical radiation 14 stimulated. With sufficiently thin semiconductor substrates, with a thickness smaller than the optical penetration depth of the exciting excitation signal, a rear optical excitation is possible. To clarify the basic THz emission process, is in 2 B) a ligament model 11 the arrangement 101 outlined. The optical excitation radiation 14 preferably has a photon energy 17 greater than the bandgap of the semiconductor material 11 is and thus is able to electrons 19 and hole 20 To generate couples efficiently. According to the respective work functions of the metal strip 12 and 13 arise in the semiconductor material 11 different Bandverbiegungen and thus different interface fields at the respective metal-semiconductor junctions 11 / 12 and 11 / 13 one. Ideally for THz generation with maximum efficiency, the metal types a and b will be according to the semiconductor material used 11 chosen so that at the two MH transition areas the Bandverbiegungen in amplitude magnitude and sign as much as possible differ from each other. Which metals are suitable depends on the chosen semiconductor material. With GaAs as the semiconductor material, for example, a combination of Ti and Au, Al and Au or Al and Pd can be used.

Zur prinzipiellen Erzeugung eines THz-Signals mit Hilfe der betrachteten Struktur ist auch ein geringerer Unterschied der Grenzflächenfelder an den Metall-Halbleiterübergängen 11/12 und 11/13 bereits wirksam. Bei identischen Metallsorten für die Streifenleiter 12 und 13 verschwindet die THz-Emission jedoch vollständig. Dieser Zusammenhang erklärt sich wie folgt: An beiden Metall-Halbleiterübergängen 11/12 und 11/13 werden nach optischer Anregung im Halbleitermaterial 11 auf Grund der lokalen Präsenz der Grenzflächenfelder laterale Photoströme 151 und 152 erzeugt. Die Photoströme resultieren aus der lateralen Beschleunigung 18 der optisch angeregten Elektronen 19 und Löcher 20 im Bereich der Grenzflächenfelder. Diese lateralen lokalen Photoströme induzieren lokale THz-Emissionen die sich mit zunehmendem Abstand von den Emissionsbereichen zu einer Gesamtemission überlagert. Im Falle identischer Metallsorten für die Streifenleiter 12 und 13 besitzen die Photoströme 151 und 152 identische Beträge jedoch lateral entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen. Die resultierenden THz-Emissionen überlagern sich in diesem Fall vollständig destruktiv d. h. sie löschen sich aus. Besitzen die Photoströme jedoch eine identische Ausbreitungsrichtung oder zumindest eine unterschiedliche Amplitudenstärke, findet eine konstruktive Überlagerung der THz-Emissionen bzw. zumindest eine nicht vollständig destruktive Überlagerung statt. Die beiden letztgenannten Zustände werden erfindungsgemäß durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Metallsorten für die Streifenleiter 12 und 13 erzielt, die einen lateralen Symmetriebruch in dem Bandverlauf des Halbleitermaterials erzeugen, der die vollständige destruktive Überlagerung der THz-Emissionen verhindert bzw. in eine konstruktive Überlagerung – d. h. einen absoluten Emissionsgewinn – umkehrt. Die Verwendung Grenzflächenfeld-induzierter Photoströme hat sich gegenüber dem bisherigen in PCT/EP2009/004258 beschriebenen Ansatz basierend auf Diffusionsinduzierten Photoströmen, welcher mit Metallstreifen nur einer Metallsorte auskommt, zusätzlich jedoch lokal variierende Transmissionseigenschaften dieser Metallstreifen benötigt, als der um mehrere Größenordnungen effizienterer Ansatz herausgestellt. Der technologische Mehraufwand durch die Applikation zweier unterschiedlicher Metallsorten ist bei geeigneter Wahl der Strukturierungsprozesse (z. B. selbstjustierender Prozesse) in der Regel vernachlässigbar.For the fundamental generation of a THz signal with the aid of the structure under consideration, there is also a smaller difference in the interfacial fields at the metal-semiconductor junctions 11 / 12 and 11 / 13 already effective. For identical metal types for the strip conductors 12 and 13 However, the THz emission disappears completely. This relationship can be explained as follows: At both metal-semiconductor junctions 11 / 12 and 11 / 13 become after optical excitation in the semiconductor material 11 due to the local presence of the interface fields, lateral photocurrents 151 and 152 generated. The photocurrents result from the lateral acceleration 18 the optically excited electrons 19 and holes 20 in the area of the interface fields. These lateral local photocurrents induce local THz emissions, which are superimposed with increasing distance from the emission areas to a total emission. In case of identical metal grades for the strip conductors 12 and 13 own the photocurrents 151 and 152 identical amounts, however, laterally opposite propagation directions. The resulting THz emissions are in this case completely destructive, ie they are extinguished. However, if the photocurrents have an identical propagation direction or at least a different amplitude strength, a constructive superimposition of the THz emissions or at least a non-completely destructive superposition takes place. The two latter states are inventively by the use of two different types of metal for the strip conductor 12 and 13 achieved which generate a lateral symmetry break in the band of the semiconductor material, which prevents the complete destructive superposition of the THz emissions or in a constructive overlay - ie an absolute emission gain - reversed. The use of interfacial field-induced photocurrents has changed from the previous ones in PCT / EP2009 / 004258 described approach based on diffusion-induced photocurrents, which requires metal strips of only one type of metal, but additionally requires locally varying transmission properties of these metal strips, as highlighted by several orders of magnitude more efficient approach. The additional technological effort due to the application of two different metal types is generally negligible given a suitable choice of the structuring processes (eg self-aligning processes).

Im Folgenden sind weitere Beispiele zur technischen Umsetzung der grundlegenden Erfindung, einer THz emittierenden MMH-Struktur aufgezeigt. In 3 ist ein Querschnitt einer im Sinne der Erfindung ebenfalls zur THz-Emission geeigneten MMH-Struktur 102 dargestellt, bei der der Streifenleiter 13 den Streifenleiter 12 überlappt. Die zwingende Voraussetzung eines direkten zumindest lateralen Kontaktes der lateral benachbarten Streifenleiter 12 und 13 ist in der Praxis häufig nur unter Inkaufnahme einer partiellen Überlappung beider Streifenleiter zu erreichen. Dies gilt insbesondere für verschiedene selbstjustierende Strukturierungs- und Abscheideverfahren. Die Überlappung des einen Streifenleiters 12 durch den anderen Streifenleiter 13 – sei sie nun partiell oder vollständig – stellt jedoch erfindungsgemäß keine Beeinträchtigung des zugrundeliegenden Emissionsmechanismus dar, da hierfür ausschließlich die laterale Abfolge der Metallsorten a and b, die in unmittelbarem Kontakt mit der Halbleitersubstratoberfläche stehen von Bedeutung ist. Die Überlappung des Streifenleiters 12 durch den Streifenleiter 13 ändert nicht die Eigenschaft und Ausbildung des Grenzflächenfeldes an dem Metall-Halbleiterübergang 11/12 und folglich ebenfalls nicht den THz-Emissionsprozess. Allerdings darf in diesem Beispiel der Streifenleiter 13 den Streifenleiter 12 nicht vollständig umschließen (das heißt einen Halbleiterkontakt auf beiden Seiten des Streifenleiters 12 bilden), da in diesem Fall wiederum ein nicht gewünschter symmetrischer Bandverlauf erzeugt würde.In the following, further examples of the technical implementation of the basic invention, a THz emitting MMH structure are shown. In 3 is a cross section of an MMH structure which is likewise suitable for the purpose of the invention for THz emission 102 shown in which the strip conductor 13 the stripline 12 overlaps. The mandatory requirement of a direct at least lateral contact of the laterally adjacent strip conductors 12 and 13 In practice, this can often only be achieved by accepting a partial overlap of the two strip conductors. This applies in particular to various self-aligning structuring and deposition methods. The overlap of a stripline 12 through the other strip conductor 13 However, whether partial or complete, according to the invention it does not adversely affect the underlying emission mechanism, as it is only the lateral sequence of the metal types a and b that are in direct contact with the semiconductor substrate surface that is of importance. The overlap of the stripline 12 through the strip conductor 13 does not change the property and formation of the interface field at the metal-semiconductor junction 11 / 12 and consequently also not the THz emission process. However, in this example may the strip conductor 13 the stripline 12 not completely enclose (ie, a semiconductor contact on both sides of the strip conductor 12 form), since in this case again an undesirable symmetrical band profile would be generated.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform 102 einer THz emittierenden MMH-Struktur kann beispielsweise in einem halbleitertechnischen Verfahren unter Verwendung von Photolithographie hergestellt werden. Nach einer Aufbringung von Photolackstreifen auf der Halbleiteroberfläche können beide Metallsorten nacheinander durch Aufdampfung unter zwei unterschiedlichen zur Substratoberfläche verkippten Aufdampfwinkel abgeschieden werden. Anschließend werden die Photolackstreifen inklusive des darüber abgeschiedenen Metalls in einem geeigneten Lösemittel von dem Substrat entfernt („Lift-off Prozess”). Diese Herstellungsmethode erfordert nur einen Lithographieschritt und durch den selbstjustierenden Bedampfungsprozess keine aufwändige Maskenjustage zur Platzierung der lateral versetzten Streifenleiter 13.In the 3 illustrated embodiment 102 For example, a THz-emitting MMH structure can be fabricated in a semiconductor technique using photolithography. After application of photoresist strips on the semiconductor surface, both types of metal can be deposited successively by vapor deposition under two different evaporation angles tilted towards the substrate surface. Subsequently, the photoresist strips, including the metal deposited above, are removed from the substrate in a suitable solvent ("lift-off process"). This production method requires only one lithography step and no time-consuming mask adjustment for the placement of the laterally offset strip conductors due to the self-adjusting sputtering process 13 ,

In 4 ist eine weitere Ausführungsform 103 einer THz emittierenden MMH-Struktur dargestellt, bei der der Streifenleiter 12 der Metallsorte a während des Herstellungsprozesses selbst zur Maskierung und Ausbildung eines unbeschichteten Halbleitersubstrats während der Abscheidung der Metallsorte b des Streifenleiters 13 dient und dabei vollständig von Streifenleiter 13 bedeckt aber nicht vollständig umschlossen wird. Streifenleiter 13 wird in dieser Ausführungsform in der Mitte geteilt. In dieser Ausführungsform können sehr effizient besonders kleine laterale Abstände der Streifenleiter 12 und 13 bis in den Bereich weniger Nanometer realisiert werden. Streifenleiterabstände im Bereich von etwa 10 nm bis 200 nm können beispielsweise durch eine damit verbundene Induzierung plasmonischer Resonanzen in den Streifenleitern eine drastische Feldüberhöhung der optischen Anregungsstrahlung bewirken und dadurch ebenfalls zur Erhöhung der THz Emissionseffizienz beitragen. Die geringen Streifenleiterabstände dieser Ausführungsform resultieren darüber hinaus in der Bildung eines lokal stark begrenzten Photostroms 153 und somit einer einzelnen Punktquelle zur THz Emission 163. Die Ausführungsform 103 ermöglicht darüber hinaus die Fertigung besonders kleiner Einzelemitterstrukturen und demnach eine sehr hohe Flächendichte von Einzelemittern innerhalb der im Weiteren erläuterten Array-AnordnungenIn 4 is another embodiment 103 a THz emitting MMH structure shown in which the strip conductor 12 the type of metal a during the manufacturing process itself to mask and form an uncoated semiconductor substrate during the deposition of the metal species b of the stripline 13 serves and completely by stripline 13 covered but not completely enclosed. stripline 13 is divided in the middle in this embodiment. In this embodiment, particularly small lateral spacings of the strip conductors can very efficiently 12 and 13 be realized in the range of a few nanometers. Strip conductor spacings in the range from about 10 nm to 200 nm can cause a drastic field elevation of the optical excitation radiation, for example, by an associated induction of plasmonic resonances in the strip conductors and thereby also contribute to increasing the THz emission efficiency. The small stripline pitches of this embodiment also result in the formation of a locally highly limited photocurrent 153 and thus a single point source for THz emission 163 , The embodiment 103 moreover allows the production of particularly small individual emitter structures and accordingly a very high areal density of individual emitters within the array arrangements explained below

Eine weitere Ausführungsform 104 einer THz emittierenden MMH-Struktur ist in 5 skizziert. Eine Verbesserung des THz-Abstrahlverhaltens wird in dieser Ausführung durch die Einbringung einer grabenförmigen Aussparung 15 in das Halbleitersubstrat 11 erreicht. Weiterhin kann die Aussparung 15 zur Maskierung während des Metallisierungsprozesses in der bereits erwähnten Form alternativ zu einer Maskierung durch Photolackstreifen genutzt werden.Another embodiment 104 THz emitting MMH structure is in 5 outlined. An improvement of the THz radiation behavior is in this embodiment by the introduction of a trench-shaped recess 15 in the semiconductor substrate 11 reached. Furthermore, the recess 15 be used for masking during the metallization process in the already mentioned form as an alternative to masking by photoresist strips.

Die Größe der Photoströme 151, 152, 153 und der THz Emissionsfeldstärke 161, 162, 163 steigt üblicherweise linear mit der Intensität der optischen Anregung 14. Für große Anregungsintensitäten und demzufolge hohen Ladungsträgerdichten treten jedoch Abschirmungseffekte des Grenzflächenfeldes auf, die einen sublinearen Anstieg der THz-Emissionsfeldstärke zur Folge hat. Demzufolge verringert sich die Konversionseffizienz mit steigender optischer Anregungsintensität. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und eine maximale Konversionseffizienz zu erreichen ist eine Array-Anordnung der MMH-Einzelemitterstrukturen hilfreich. Die verfügbare Anregungsleistung wird hier auf eine größere Fläche verteilt, wodurch die Intensität pro Einzelemitter sinkt und jeder Einzelemitter in einem degradationsfreien Intensitätsbereich betrieben werden kann.The size of the photocurrents 151 . 152 . 153 and the THz emission field strength 161 . 162 . 163 usually increases linearly with the intensity of the optical excitation 14 , However, for large excitation intensities and consequently high carrier densities, shielding effects of the interface field occur, resulting in a sublinear increase in THz emission field strength. As a result, the conversion efficiency decreases as the optical excitation intensity increases. To counteract this effect and to achieve maximum conversion efficiency is an array arrangement of the MMH Single emitter structures helpful. The available excitation power is distributed here over a larger area, whereby the intensity per single emitter decreases and each individual emitter can be operated in a degradation-free intensity range.

Jede bereits erwähnte Ausführungsform des MMH-Einzelemitters (101, 102, 103 und 104) kann zur Konversionseffizienzsteigerung in eine Array-Anordnung übertragen werden, in der Form, dass die jeweiligen Einzelstrukturen mehrfach nebeneinander auf der Halbleitersubstratoberfläche platziert werden. Beispiele für Array-Anordnungen sind in 6 und 7 skizziert. Die laterale Vervielfachung kann vorzugsweise periodisch in einer zweidimensional orthogonalen oder hexagonalen Array-Anordnung stattfinden. Aperiodische Anordnungen sind jedoch im Sinne der Erfindung ebenfalls möglich. Das spektrale, zeitliche und räumliche THz-Abstrahlverhalten wird insbesondere durch die lateralen Abstände s1 und s2 der Einzelstrukturen 101, 102, 103 oder 104 beeinflusst. Die Abstände s1 und s2 werden üblicherweise in einem Bereich zwischen s1, s2 = 0 und maximal einer Länge im Bereich der erzeugten THz Wellenlänge gewählt.Each embodiment of the MMH single emitter ( 101 . 102 . 103 and 104 ) can be transferred to an array arrangement for conversion efficiency increase, in the form that the respective individual structures are placed several times side by side on the semiconductor substrate surface. Examples of array arrangements are in 6 and 7 outlined. The lateral multiplication may preferably occur periodically in a two-dimensional orthogonal or hexagonal array arrangement. However, aperiodic arrangements are also possible within the meaning of the invention. The spectral, temporal and spatial THz radiation behavior is in particular due to the lateral distances s1 and s2 of the individual structures 101 . 102 . 103 or 104 affected. The distances s1 and s2 are usually selected in a range between s1, s2 = 0 and at most a length in the region of the generated THz wavelength.

Die optische Anregung der oben genannten MMH-Strukturen zur THz-Signalerzeugung kann sowohl mit gepulsten optischen Signalen als auch mit kontinuierlicher optischer Anregung stattfinden. Bei gepulster optischer Anregung sollte die Lebensdauer der im Halbleitermaterial 11 optisch angeregten Ladungsträger zumindest kürzer als die verwendete Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen sein, um Feldabschirmungseffekte durch akkumulierte Ladungsträger zu vermeiden. Die optische Anregung mit optischen Pulsen ermöglicht die Erzeugung einer ebenfalls gepulsten THz-Emission. Die Erzeugung einer kontinuierlichen THz-Emission mit Hilfe der vorgeschlagenen Strukturen ist nach dem Prinzip der photokonduktiven Differenzfrequenzerzeugung möglich, bei der die Ausgangssignale zweier kontinuierlicher optische Anregungsquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge auf der Oberfläche der Einzelemitter 101, 102, 103, 104 oder Array-Anordnungen 201, 202 überlagert werden. Die Frequenz der erzeugten THz-Emission entspricht in diesem Fall der Differenzfrequenz der optischen Anregungssignale.The optical excitation of the above MMH structures for THz signal generation can take place both with pulsed optical signals and with continuous optical excitation. With pulsed optical excitation, the lifetime should be that in the semiconductor material 11 optically excited charge carriers should be at least shorter than the duration used between two consecutive pulses in order to avoid field shielding effects due to accumulated charge carriers. The optical excitation with optical pulses allows the generation of a likewise pulsed THz emission. The generation of a continuous THz emission with the aid of the proposed structures is possible on the principle of photocoupling differential frequency generation, in which the output signals of two continuous optical excitation sources with different wavelengths on the surface of the single emitter 101 . 102 . 103 . 104 or array arrangements 201 . 202 be superimposed. The frequency of the generated THz emission in this case corresponds to the difference frequency of the optical excitation signals.

Die hohe Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird im Folgenden anhand experimenteller Untersuchungen demonstriert. Gefertigt wurde eine Array-Anordnung (201, 202) auf Basis von InGaAs als Halbleitermaterial und Ti und Au als die Metallsorten für Streifenleiter 12 bzw. 13. Diese Struktur wurde mit optischen Pulsen mit einer Wellenlänge von 800 nm, Pulsdauern von 150 fs und einer Pulswiederholfrequenz von 78 MHz angeregt. in 8(a) ist der zeitliche Verlauf des emittierten THz Signal Ex,THz für verschiedene axiale Ausrichtungswinkel der Emitter Array-Anordnung (201, 202) dargestellt. Wie in 8(b) dargestellt, wird die Array-Anordnung (201, 202) um die z-Achse rotiert und das in k-Richtung emittierte THz-Feld und davon die Polarisation in x-Richtung gemessen. Die Detektion des THz-Signals fand in geringer Entfernung (im Nahfeld) zur Rückseite der Array-Anordnung statt. Für den Winkel φ = 0° wird eine positive THz-Feldamplitude gemessen, während für φ = 180° eine negative THz-Feldamplitude detektiert wird und für φ = 90° das Signal verschwindet. Dieses Ergebnis bestätigt eindeutig, dass die THz-Signalerzeugung dominierend durch die Erzeugung eines lateral unidirektionalen Photostroms hervorgerufen wird. Eine Vergleichsstruktur mit Streifenleitern bestehend aus nur einer Metallsorte und das Halbleitersubstrat ohne Metallstreifen zeigten keine messbare THz-Emission.The high effectiveness of the proposed approach is demonstrated below on the basis of experimental investigations. An array arrangement was made ( 201 . 202 ) based on InGaAs as a semiconductor material and Ti and Au as the metal types for strip conductors 12 respectively. 13 , This structure was excited with optical pulses with a wavelength of 800 nm, pulse durations of 150 fs and a pulse repetition frequency of 78 MHz. in 8 (a) is the time profile of the emitted THz signal E x, THz for different axial orientation angles of the emitter array arrangement ( 201 . 202 ). As in 8 (b) shown, the array arrangement ( 201 . 202 ) is rotated about the z axis and the THz field emitted in the k direction and the polarization thereof in the x direction is measured. The detection of the THz signal took place at a short distance (in the near field) to the back of the array arrangement. For the angle φ = 0 ° a positive THz field amplitude is measured, while for φ = 180 ° a negative THz field amplitude is detected and for φ = 90 ° the signal disappears. This result clearly confirms that THz signal generation is dominated by the generation of a laterally unidirectional photocurrent. A comparison structure with strip conductors consisting of only one type of metal and the semiconductor substrate without metal strips showed no measurable THz emission.

Das Amplitudenspektrum der gemessenen THz-Emission ist in 9 dargestellt. Die Bandbreite dieses Emitter-Prototyps erreicht bereits die verfügbare Bandbreite des verwendeten Detektionssystems von ca. 10 GHz bis 4 THz.The amplitude spectrum of the measured THz emission is in 9 shown. The bandwidth of this emitter prototype already reaches the available bandwidth of the detection system used from about 10 GHz to 4 THz.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) zur optischen Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale im Mikrowellen, Millimeterwellenlängenbereich und Terahertz(THz)-Frequenzbereich, bestehend aus einer Metall-Halbleiter basierten Anordnung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Metall-Halbleiter basierte Anordnung (101, 102, 103, 104, 201, 202) aufweist:

  • ein photoleitendes Halbleitermaterial 11 dessen Oberfläche mit einer Anordnung von mindestens zwei lateral begrenzten metallischen Schichten (12, 13) versehen ist,
  • – die metallischen Schichten 12 und 13 aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Auftrittsarbeiten gefertigt sind,
  • – die metallischen Schichten (12, 13) sich lateral benachbart jeweils in direktem Kontakt mit dem Halbleitermaterial 11 befinden und ein Materialschluss innerhalb der Metallschichten (12, 13) besteht.
In summary, the invention relates to a photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) for the optical generation of electromagnetic field signals in the microwave, millimeter wavelength range and terahertz (THz) frequency range, consisting of a metal-semiconductor-based arrangement. According to the invention, it is provided that the metal-semiconductor-based arrangement ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) having:
  • A photoconductive semiconductor material 11 its surface with an arrangement of at least two laterally delimited metallic layers ( 12 . 13 ),
  • - the metallic layers 12 and 13 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 the semiconductor 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

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

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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

Claims (14)

Photoleitende Struktur, optoelektronisches Bauelement – insbesondere Strahlungsquelle – (101, 102, 103, 104) zur optischen Erzeugung elektromagnetischer Feldsignale im Mikrowellen, Millimeterwellenlängenbereich und Terahertz(THz)-Frequenzbereich, bestehend aus einer Metall-Halbleiter basierten Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass – ein photoleitendes Halbleitermaterial 11 dessen Oberfläche mit einer Anordnung von mindestens zwei lateral begrenzten metallischen Schichten (12, 13) versehen ist, – die metallischen Schichten 12 und 13 aus mindestens zwei unterschiedlichen Metallsorten mit unterschiedlichen Auftrittsarbeiten gefertigt sind, – die metallischen Schichten (12, 13) sich lateral benachbart jeweils in direktem Kontakt mit dem Halbleitermaterial 11 befinden und ein Materialschluss innerhalb der Metallschichten (12, 13) besteht.Photoconductive structure, optoelectronic component - in particular radiation source - ( 101 . 102 . 103 . 104 ) for the optical generation of electromagnetic field signals in the microwave, millimeter wavelength range and terahertz (THz) frequency range, consisting of a metal-semiconductor based arrangement, characterized in that - a photoconductive semiconductor material 11 its surface with an arrangement of at least two laterally delimited metallic layers ( 12 . 13 ), - the metallic layers 12 and 13 are made of at least two different types of metal with different appearance work, - the metallic layers ( 12 . 13 ) laterally adjacent each in direct contact with the semiconductor material 11 and a material shortage within the metal layers ( 12 . 13 ) consists. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Schicht (12) der Metallsorte a von der zweiten metallischen Schicht (13) der Metallsorte b teilweise bedeckt istPhotoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 ) according to claim 1, characterized in that a metallic layer ( 12 ) of the metal grade a from the second metallic layer ( 13 ) of the metal type b is partially covered Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine periodische Array- bzw. Matrix-Anordnung (201, 202) einer Vielzahl von photoleitenden Strukturen nach Anspruch 1 gebildet wird.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 ) according to claim 1 or 2, characterized in that a periodic array or matrix arrangement ( 201 . 202 ) of a plurality of photoconductive structures according to claim 1 is formed. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine aperiodische Anordnung einer Vielzahl von photoleitenden Strukturen nach Anspruch 1 gebildet wird.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that an aperiodische arrangement of a plurality of photoconductive structures according to claim 1 is formed. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenanordnung einer Vielzahl von photoleitenden Strukturen nach Anspruch 1 gebildet wird, die eine unterschiedliche axiale Ausrichtung besitzen.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a surface arrangement of a plurality of photoconductive structures is formed according to claim 1, which have a different axial orientation. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial 11 GaAs, InGaAs, InAs, InSb, GaP, Si, CdHgTe, Ge, InN, ZnSe, Te, PbTe oder CdTe verwendet wird.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that as semiconductor material 11 GaAs, InGaAs, InAs, InSb, GaP, Si, CdHgTe, Ge, InN, ZnSe, Te, PbTe or CdTe. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass anstatt eines Halbleitermaterials 11 das Halbmetall Graphit oder Graphene verwendet wird.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that instead of a semiconductor material 11 the semi-metal graphite or graphene is used. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial 11 eine epitaktisch gewachsene Schicht verwendet wird.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that as semiconductor material 11 an epitaxially grown layer is used. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial 11 bei tiefen Temperaturen epitaktisch gewachsenes GaAs ist.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the semiconductor material 11 At low temperatures epitaxially grown GaAs is. Photoleitende Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der metallischen Schichten (12, 13) aus Ti, Au, Al, Pd, Ag, Cu, Cr, Zr, Ni, W, Pt oder Zn besteht.Photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that one of the metallic layers ( 12 . 13 ) consists of Ti, Au, Al, Pd, Ag, Cu, Cr, Zr, Ni, W, Pt or Zn. Photoleitende Struktur (201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Abstand zwischen zwei Metallschichten zweier Benachbarter photoleitender Strukturen (101, 102, 103, 104) weniger als 5 μm – insbesondere weniger als 200 nm – beträgt.Photoconductive structure ( 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the lateral distance between two metal layers of two adjacent photoconductive structures ( 101 . 102 . 103 . 104 ) is less than 5 μm, in particular less than 200 nm. Verwendung einer photoleitenden Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als photovoltaische Energiequelle oder Photodetektor.Use of a photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of claims 1 to 11 as a photovoltaic energy source or photodetector. Mess- und/oder Detektionssystem mit einer photoleitenden Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Measuring and / or detection system with a photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to any one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung einer photoleitenden Struktur (101, 102, 103, 104, 201, 202) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – erst eine lateral begrenzte Metallschicht 12 einer ersten Metallsorte auf einer Halbleiteroberfläche 11 aufgebracht wird – danach eine zweite Metallschicht 13 einer zweiten Metallsorte durch einen Aufdampfungsprozess unter einer zur Halbleiteroberfläche nicht senkrechten Bedampfungsrichtung erfolgt.Process for the preparation of a photoconductive structure ( 101 . 102 . 103 . 104 . 201 . 202 ) according to one of the preceding claims, characterized in that - first a laterally delimited metal layer 12 a first type of metal on a semiconductor surface 11 is applied - then a second metal layer 13 a second type of metal is carried out by a vapor deposition process under a not perpendicular to the semiconductor surface evaporation direction.
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