Open Access

Maris Bauer

• Terahertz (THz) physics are an emerging field of research dealing with electromagnetic radiation in the far-infrared to microwave region. The development of innovative technologies for the generation and detection of THz radiation has only in the recent past led to a tremendous rise of both fundamental research as well as investigation of possible fields of application for THz radiation. The most prominent reason has long been the scarce accessibility of the THz region of the electromagnetic spectrum - commonly loosely located between 0.1 and 30 THz - to broad research, and it was mostly limited to astronomy and high energy physics facilities. Over the recent years, numerous novel concepts on both the source and detector side have been proposed and successfully implemented to overcome this so-called THz gap. New technology has become available and paved the way for wide-spread experimental laboratory work and accompanying theoretical investigations. First application studies have emerged and in some cases even commercial development of the field of THz physics is on the rise. Despite these enormous progresses, a continuing demand for more efficient THz detectors still impels current technological research. Relatively low source powers are often a major limiting factor and the request for new detection concepts, their understanding and implementation, as well as the optimization on a device basis has been and still remains in place. One of these concepts is the use of field-effect transistors (FETs) high above their conventional cut-off frequencies as electronic THz detectors. The concept has been proposed in a number of theoretical publications by M. Dyakonov and M. Shur in the early 1990's, who pioneered to show that under certain boundary conditions, non-linear collective excitations of the charge carrier system of a two-dimensional electron gas (2DEG) by incident THz radiation can exhibit rectifying behaviour - a detection principle, which has become known as plasma wave or plasmonic mixing. Up until this day, the concept has been successfully implemented in many device realizations - most advanced in established silicon CMOS technology - and stands on the edge of becoming commercially available on a large scale. The main direction of the work presented in this thesis was the modeling and experimental characterization of antenna-coupled FETs for THz detection - termed TeraFETs in this and the author's previous works - which have been implemented in different material systems. The materials presented in this thesis are AlGaN/GaN HEMTs and graphene FETs. In a number of scientific collaborations, TeraFETs were designed based on a hydrodynamic transport model, fabricated in the respective materials, and characterized mainly in the lower THz frequency region from 0.2 to 1.2 THz. The theoretical description of the plasma wave mixing mechanism in TeraFETs, as initiated by Dyakonov and Shur, was based on a fluid-dynamic transport model for charge carriers in the transistor channel. The THz radiation induces propagating charge density oscillations (plasma waves) in the 2DEG, which via non-linear self-mixing cause rectification of the incident THz signals. Over the course of this work, it became evident in the on-going detector characterization experiments that this original theoretical model of the detection process widely applied in the respective literature does not suffice to describe some of the experimental findings in TeraFET detection signals. Thorough measurements showed signal contributions, which are identified in this work to be of thermoelectric origin arising from an inherent asymmetric local heating of charge carriers in the devices. Depending on the material, these contributions constituted a mere side effect to plasmonic detection (AlGaN/GaN) or even reached a comparable magnitude (graphene FETs). To include these effects in the detector model, the original reduced fluid-dynamic description was extended to a hydrodynamic transport model. The model yields at the current stage a reasonable qualitative agreement to the measured THz detection signals. This thesis presents the formulation of a hydrodynamic charge carrier transport model and its specific implementation in a circuit simulation tool. A second modeling aspect is that the transport equations cover only the intrinsic plasmonic detection process in the active gated part of the TeraFET's transistor channel. In order to model and simulate the behavior of real devices, extrinsic detector parts such as ungated channel regions, parasitic resistances and capacitances, integrated antenna impedance, and others must be considered. The implemented detector model allows to simulate THz detection in real devices with the above influences included. Besides presentation of the detector model, experimental THz characterization of the fabricated TeraFETs is presented in this work. Careful device design yielded record detection performance for detectors in both investigated materials. The respective results are shown and the experimental observations of the thermoelectric effect in TeraFETs are compared to modeling results. It is the goal of this work to provide a framework for further theoretical and experimental studies of the plasmonic and thermoelectric effect in TeraFETs, which could eventually lead to a new type of THz detectors particularly exploiting the thermoelectric effect to enhance the sensitivity of today's plasmonic TeraFETs.
• Die Terahertz-(THz)-Physik ist ein aufstrebendes Forschungsfeld, welches sich mit elektromagnetischer Strahlung vom Ferninfraroten bis hin zum Mikrowellenbereich befasst. Die Entwicklung innovativer Technologien zur Erzeugung und Detektion von THz-Strahlung führte erst in der jüngeren Vergangenheit zu einem gewaltigen Anstieg von Grundlagenforschung sowie der Auslotung möglicher Anwendungsfelder von THz Strahlung. Der vorrangige Grund war die lange Zeit spärliche Zugänglichkeit des THz-Bereichs - üblicherweise lose veranlagt zwischen 0.1 und 30 THz - für breite Forschung und der Bereich war hauptsächlich beschränkt auf Einrichtungen der Astronomie und der Hochenergiephysik. In den letzten Jahren wurden zahlreiche neuartige Konzepte sowohl auf der Seite von Quellen als auch Detektoren vorgeschlagen und erfolgreich implementiert um diese sogenannte THz-Lücke zu überwinden. Neue Technologie wurde zugänglich und ebnete den Weg für breit angelegte experimentelle Laborarbeit und begleitende theoretische Untersuchungen. Erste Anwendungsstudien wurden durchgeführt und in einigen Fällen ist sogar die kommerzielle Erschließung der THz Physik auf dem Vormarsch. Trotz dieses enormen Fortschritts wird die technologische Forschung noch immer durch die anhaltende Nachfrage nach effizienteren THz-Detektoren angetrieben. Oftmals sind geringe Ausgangsleistungen von Quellen der vorherrschende, limitierende Faktor und die Anforderung an neue Detektionskonzepte, deren Verständnis und Implementierung, sowie die Optimierung auf Bauelementebene, waren und sind stets vorhanden. Eines dieser Konzepte ist die Anwendung von Feldeffekttransistoren (FETs) weit über deren herkömmlichen Cut-off Frequenzen als elektronische THz-Detektoren. Das Konzept wurde in einer Reihe von theoretischen Beiträgen von M. Dyakonov und M. Shur anfang der neunziger Jahre vorgeschlagen, als diese erstmals zeigten, dass unter bestimmten Randbedingungen nichtlineare kollektive Anregungen des Ladungsträgersystems eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) durch die einfallende THz-Strahlung gleichrichtend wirken können - das Detektionsprinzip wurde bekannt unter dem Namen Plasmawellen- oder plasmonisches Mischen. Bis heute wurde das Konzept in zahlreichen konkreten Bauelementen erfolgreich implementiert - am weitesten fortgeschritten in etablierter Silizium CMOS Technologie - und steht vor dem Sprung in großem Maße kommerziell verfügbar zu werden. Die zentrale Ausrichtung der in dieser Arbeit vorgestellten Aktivitäten war die Modellierung und experimentelle Charakterisierung antennengekopplter FETs für die THz Detektion - in dieser und in früheren Arbeiten des Autors TeraFETs genannt - welche in verschiedenen Materialsystemen implementiert wurden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Materialien sin AlGaN/GaN HEMTs und Graphene-FETs. In einer Reihe wissenschaftlicher Zusammenarbeiten wurden TeraFETs auf der Basis eines hydrodynamischen Transportmodells entworfen, in den entsprechenden Materialien hergestellt und hauptsächlich im unteren THz-Frequenzbereich von 0.2 bis 1.2 THz charakterisiert. Die theoretische Beschreibung des Mechanismus des Mischens mit Plasmawellen in TeraFETs, wie ursprünglich von Dyakonov und Shur angestoßen, basierte auf einem fluiddynamischen Transportmodel für Ladungsträger innerhalb des Transistorkanals. Die THz Strahlung induziert laufende Ladungsträgerdichtewellen (Plasmawellen) innerhalb des 2DEGs, welche durch nicht-lineares Selbstmischen eine nichtlineare Gleichrichtung des einfallenden THz-Signals bewirken. Im Verlaufe dieser Arbeit zeigte sich im Zuge der Detektionsexperimente, dass dieses weitverbreitete, ursprüngliche, theoretische Model des Detektionsmechanismus nicht aussreicht einige der experimentellen Befunde in den Detektionssignalen zu erklären. In gründlichen Messungen zeigten sich Signalbeiträge, welche in dieser Arbeit als thermoelektrisch identifiziert werden, ausgelöst durch ein inhärentes, lokales Anheizen von Ladungsträgern in dem Bauelement. In Abhängigkeit des Materials stellten diese Beiträge lediglich einen Nebeneffekt zur plasmonischen Detektion dar (AlGaN/GaN) oder erreichten eine vergleichbare Stärke (Graphen FETs). Um diese Effekte in das Detektormodell zu intergrieren wurde das ursprüngliche fluiddynamische Modell zu einem hydrodynamischen Transportmodell erweitert. Das Modell erzielt in der jetzigen Form eine vernünftige, qualitative Übereinstimmung mit den gemessenen THz-Detektionssignalen. In dieser Arbeit wird die Formulierung eines hydrodynamischen Ladungsträgertransportmodells und dessen spezifische Implementierung in einem Schaltkreis-Simulationstool dargestellt. Ein weiterer Aspekt der Modellierung ist, dass die Transportgleichungen nur den intrinsischen plasmonischen Detektionsprozess in dem aktiven gegateten Teil des Transistorkanals abdecken. Um realistische Bauelemente zu modelieren und zu simulieren müssen extrinsische Elemente, wie z.B. ungegatete Teile des Kanals, parasitäre Widerstände und Kapazitäten, die Impedanz der integrierten Antenne u.a. berücksichtigt werden. Das implementierte Detektormodell erlaubt eine Simulation der THz-Detektion in realen Bauelementen unter Berücksichtigung dieser Einflüsse. Neben der Darstellung des Detektormodells wird die experimentelle Charakterisierung der hergestellten TeraFETs präsentiert. Ein gründliches Design der Detektoren führte zu Rekordwerten der Detektionsleistung in beiden dargestellten Materialien. Die entsprechenden Messergebnisse werden gezeigt und die experimentelle Beobachtung des thermoelektrischen Effekts in TeraFETs verglichen mit Ergebnissen der Modellierung. Es ist das Ziel dieser Arbeit ein Rahmenwerk für weitere theoretische und experimentelle Studien des plasmonischen Mischens und des thermoelektrischen Effekts in TeraFETs zu liefern, welche letztendlich zu einer neuen Art von THz Detektoren führen könnten, welche im Speziellen den thermoelektrischen Effekt ausnutzen um die Sensitivität heutiger plasmonischer TeraFETs zu erhöhen.