Multi-THz Oszillatoren mit Resonanztunneldioden

Resonanztunneldioden (RTDs) sind aktive elektronischen Bauteile, die bei allerhöchsten Frequenzen arbeiten. In 2010-2011 wurde nachgewiesen, dass die RTD-Oszillatoren bei Frequenzen höher als 1 THz arbeiten können, mittlerweile liegen die Arbeitsfrequenzen bei fast 2 THz und die Ausgangsleistung der Oszillatoren hat sich in jüngster Zeit ebenfalls verbessert. Die RTD-Oszillatoren haben eine einfache Konstruktion, sind sehr kompakt und arbeiten bei Raumtemperatur. RTD- Versuchssysteme für Spektroskopie-, Bildgebungs- und drahtlose Hochgeschwindigkeits- Kommunikations-Anwendungen sind inzwischen auch vorgestellt worden. Die neueste Entwicklung in diesem Bereich zeigt, dass RTD-Oszillatoren eine Technologie sein können, die reale Anwendungen im THz-Bereich ermöglichen soll. Allerdings deuten die bisherigen Untersuchungen darauf hin, dass es noch viel Raum für Verbesserungen und weitere Entwicklungen von THz-RTD-Quellen gibt. Das experimentell zu zeigen, ist das Ziel unseres Projektes. Von unseren bisherigen Untersuchungen der RTDs und RTD-Oszillatoren wissen wir, dass RTDs bei Frequenzen höher als 2 THz arbeiten sollten. Unser jetziges Ziel ist es, die Frequenzen im Bereich 2-3 THz mit RTD-Oszillatoren zu erreichen. Ein RTD-Oszillator besteht aus einem Resonator oder einer Resonanz-Antenne, in denen eine oder mehrere RTDs integriert sind. Wir haben vor, zwei Typen dieser Oszillatoren zu untersuchen. Eine der beiden Typen beinhaltet eine Resonanz-Schlitz- Antenne, die auf der Oberfläche eines Halbleiter-Chips hergestellt wird. Solche Chips sind auf eine Si- Linse montiert. Die andere Type - ein Membran-Oszillator - ist, technologisch gesehen, deutlich anspruchsvoller. Membran-Oszillatoren sind wesentlich kompakter und im Prinzip effizienter als es die On-Chip-Oszillatoren sein können. Um Frequenzen im Bereich von 2-3 THz erreichen zu können, muss man die Parameter der Antennen/Resonatoren und der RTDs optimieren, auf richtige Weise aneinander anpassen, die parasitären Elemente minimieren, effizient emittierende THz-Antennen entwickeln, usw. Die Vielzahl dieser Anforderungen macht das Design und den Herstellungsprozess von RTD-Oszillatoren zu einer sehr komplizierten Aufgabe. Für die Optimierung des Designs der Oszillatoren werden wir einen elektromagnetischen Simulator verwenden. Mit Ausnahme der RTD- Barrieren - die dünner werden sollen - haben wir nicht vor, die RTD-Schichten im Vergleich zu unseren vorherigen Arbeiten wesentlich zu verändern. Die Abmessungen der THz-RTDs liegen im Bereich 0.1-1 Mikrometer. Deshalb werden wir im Herstellungsprozess der RTD-Oszillatoren optische und E-Beam-Lithographie kombinieren. Bei der Herstellung der Membran-Oszillatoren müssen wir noch die Rückseite der Proben bearbeiten, was den Herstellungsprozess noch komplexer macht. Bei erfolgreichem Abschluss des Projektes sollten wir die Arbeitsfrequenzen der RTD- Oszillatoren auf bis zu 3 THz erweitern können. Dann werden die Oszillatoren den größten Teil des THz-Spektrums abdecken und den Frequenzbereich der Elektronik deutlich erweitern. Obwohl das Projekt eine evolutionäre Entwicklung von RTD-Oszillatoren im Fokus hat, sollten die Konsequenzen revolutionär sein: Solche RTD-Oszillatoren sollen den Einsatz von sehr hohen THz-Frequenzen in den realen Anwendungen ermöglichen. 1

THz-Frequenzen sind tausendmal höher als diejenige der elektronischen Geräte wie z.B. Handys, während sie gleichzeitig tausendmal niedriger sind als optische Frequenzen, beispielsweise des sichtbaren Lichts. Aufgrund der hohen Komplexität der wissenschaftlichen Messsystemen, die derzeit den Zugang zum THz-Frequenzbereich ermöglichen, sind reale Anwendungen in diesem Bereich unmöglich. Um diesen Umstand zu ändern, haben wir uns auf die Untersuchung von Resonanztunneldioden (RTDs) und RTD-Oszillatoren konzentriert, die derzeit die höchsten Frequenzen unter allen aktiven elektronischen Halbleiterstrukturen aufweisen. In diesem Projekt haben wir uns auf die Untersuchung der Limitierungen von Arbeitsfrequenzen und Ausgangsleistungen von RTD-Oszillatoren konzentriert. Unser Fokus lag auf den Schlitz- und Patch-Antennen-RTD-Oszillatoren. Diese Typen der RTD-Oszillatoren weisen jeweils spezifische Vor- und Nachteile auf. Wir haben tiefgehende theoretische Untersuchung der fundamentalen Limitierungen der oberen Typen der RTD-Oszillatoren durchgeführt. Insbesondere haben wir festgestellt, dass 2 THz die nahezu ultimative Grenze für einfache Schlitzantennen-RTD-Oszillatoren darstellt. Wir haben die optimalen Parameter und Konfigurationen identifiziert, um die höchstmöglichen Frequenzen und Ausgangsleistungen mit diesem Oszillatortyp zu erreichen. Zusätzlich haben wir ein allgemeines nichtlineares Modell für RTDs entwickelt, das eine genaue Analyse der Arbeitsfrequenzen und anderer Parameter der RTD-Oszillatoren ermöglicht. Auf experimenteller Ebene haben wir fortgeschrittene Technologien zur Herstellung von RTD-Oszillatoren entwickelt. Eine spezielle 'Insel'-Technologie wurde für Schlitzantennen-RTD-Oszillatoren eingeführt, um Verluste bei Frequenzen in der Nähe von 2 THz drastisch zu reduzieren. Damit konnten wir eine Rekord-Ausgangsleistung von 2.2 W bei einer Frequenz von 1.74 THz erreichen. Mit einer anderen Technologie könnten wir die parasitären Verluste in den Doppel-RTD-Patch-Antenne-Oszillatoren erheblich verringern. Damit könnten wir die Ausgangsleistungen von etwa 10-30 W bei Frequenzen von 1.09-0.6 THz mit Patch-Antennen-RTD-Oszillatoren nachweisen, was die ersten Patch-Antennen-RTD-Oszillatoren mit fundamentalen Frequenzen über 1 THz darstellt. Darüber hinaus haben wir auch einige Schritte außerhalb des ursprünglichen Projektplanes unternommen: Verwendung von RTD-Oszillatoren in Radarsystemen, Erforschung von Array-RTD-Oszillatoren, und wir haben eine additive breitbändige parasitäre Strahlung in Dauerstrich-THz-Photomischer-Systemen entdeckt (die Photomischer haben wir versucht für die Steuerung der RTD-Oszillatoren anzuwenden). In allen diesen Fällen haben wir Spitzenergebnisse erzielt. Die Projektergebnisse haben zum Abschluss von zwei Promotionen und zur Veröffentlichung einer Vielzahl von Spitzenpublikationen geführt.