Design und Realisierung GaN-HEMT basierter THz-Detektoren (PDF)

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie State-of-the-Art THz-Detektoren mittels eines niederfrequenten Standard MMIC Prozesses zu realisieren sind. Für den zugrundeliegenden Detektionsmechanismus wird die theoretische Grundlage hergeleitet und herausgearbeitet, wie die einzelnen Elemente des Detektors interagieren. Die THz-Detektoren sind in einem GaN-on-SiC-HEMT-MMIC-Prozess realisiert. Dabei werden Bow-Tie-Antennen, logarithmische Spiralantennen und die jeweilige komplementäre Schlitz-Antennenkonfiguration miteinander verglichen. In diesem Zusammenhang wurde ein neuartiges Design entworfen, welches in Japan, den USA und der Europäischen Union erfolgreich zum Patent angemeldet ist.
Die gesamte Detektorstruktur wird durch Simulationen und Gegenüberstellungen von Messungen an gefertigten THz-Detektorstrukturen verifiziert. Im Vergleich zwischen den simulierten und den gemessenen Detektionsströmen zeigt sich, trotz noch vorhandener Unsicherheiten bei Messung und Modell, über der Frequenz von 0,1 THz bis 1,2 THz eine gute Übereinstimmung. Die Kombination einer mittels 3D-EM-Simulationen nachgebildeten passiven Antennenstruktur mit einem den inneren Transistor beschreibenden Modell zu einer Gesamtsimulation der Detektorstruktur ist ein fundamentaler Bestandteil dieser Arbeit. Die realisierten THz-Detektorstrukturen mit teils neuartigen Antennen sind bei Raumtemperatur besonders empfindlich und stellen den aktuellen Entwicklungstand von GaN-basierten THz-Detektoren dar. Der Hauptdetektionsmechanismus liegt dabei im resistiven Selbstmischen, wodurch die Detektoren ein instantanes Ansprechverhalten bei hoher Linearität besitzen.