Design und Realisierung GaN-HEMT basierter THz-Detektoren

Rämer, Adam

• Verlag: Cuvillier Verlag
• Jahr: 2023
• eBook-ISBN:
  9783736967434
• ISBN drucken:
  9783736977433
• Auflage: 1

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.

Inhaltsverzeichnis

• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• 1 Einleiteung
• 2 Detektionsmechanismen
• 2.1 Einleitung
• 2.2 Resistive Selbstmischung
• 2.3 Plasmonische Detektion
• 2.4 Betrachtung der Detektionsmechanismen
• 3 GaN-HEMT Technologie
• 3.1 Einleitung
• 3.2 Theoretische Grundlagen
• 3.3 Modelle
• 4 Antennen
• 4.1 Einleitung
• 4.2 Grundlagen Antennentechnik
• 4.3 Chip Antenne
• 4.4 Breitbandige Antennen
• 4.5 Einfluss von zusätzlichem Metall im Antennenfußpunkt
• 4.6 Schlitzantennen
• 4.7 Silizium-Linse
• 5 Realisierung der Detektorstruktur
• 5.1 Einleitung
• 5.2 MMIC Prozess
• 5.3 Transistor- und Kurzschluss-Design
• 5.4 Design der Detektorstruktur
• 6 Simulation und Messung der Detektorstruktur
• 6.1 Einleitung
• 6.2 Detektoraufbau und Messsystem
• 6.3 Die Detektorstrukturen
• 6.4 DC-Verhalten der Detektorstrukturen und deren Modellierung
• 6.5 HF-Messungen der Detektorstrukturen
• 6.6 Simulation der Detektorstruktur
• 6.7 Vergleich zwischen Messung und Simulation
• 6.8 Theoretische Betrachtung der Simulationsergebnisse
• 7 THz-Kamera
• 7.1 Einleitung
• 7.2 Aufbau
• 7.3 Messung
• 8 Zusammenfassung und Ausblick
• 8.1 Ausblick
• Quellenverzeichnis
• Anhang Appendix A