EP4147278A1 - Assembly for an antenna for generating or receiving terahertz radiation, antenna, terahertz system, and method for producing an assembly for an antenna - Google Patents

Assembly for an antenna for generating or receiving terahertz radiation, antenna, terahertz system, and method for producing an assembly for an antenna

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EP4147278A1
EP4147278A1 EP21723262.8A EP21723262A EP4147278A1 EP 4147278 A1 EP4147278 A1 EP 4147278A1 EP 21723262 A EP21723262 A EP 21723262A EP 4147278 A1 EP4147278 A1 EP 4147278A1
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EP
European Patent Office
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substrate
photoactive layer
antenna
layer
carrier
Prior art date
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Pending
Application number
EP21723262.8A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Björn GLOBISCH
Robert KOHLHAAS
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2283—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles mounted in or on the surface of a semiconductor substrate as a chip-type antenna or integrated with other components into an IC package
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    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/20—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements characterised by the operating wavebands
    • H01Q5/22—RF wavebands combined with non-RF wavebands, e.g. infrared or optical

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation, an antenna for generating or receiving terahertz radiation, a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation and a method for producing an arrangement for an antenna for Generating or receiving terahertz radiation.
  • Terahertz radiation is electromagnetic radiation with a frequency of between 0.05 THz and 20 THz, the frequency typically being between 0.1 THz and 10 THz.
  • these frequencies are very high, compared with the frequencies typical for photonics, on the other hand, very small, so that the quantum energy of terahertz radiation is still very low.
  • Measurement systems that work with terahertz radiation are therefore difficult to implement, which is why terahertz radiation forms the last area of the electromagnetic spectrum that has not yet been developed to a satisfactory extent for practical applications.
  • a terahertz system usually comprises a laser light source and two THz antennas, each optically coupled to the laser light source via an optical fiber and activated by light from this laser light source, of which a first serves as a transmitter antenna and a second as a receiver antenna.
  • the THz antennas each have a semiconductor chip contacted with antenna conductors, which comprises at least one photosensitive active layer with a band edge wavelength that is greater than a wavelength of the laser light source and at least one layer adjoining the active layer with a band edge wavelength that is smaller than the wavelength of the laser light source.
  • the antenna conductors are typically integrated on the respective semiconductor chip.
  • the laser light source can be used to generate short pulses or to generate beat signals in the THz range by superimposing two laser waves of slightly different wavelengths be trained.
  • the wavelength of a laser light source is defined in the present document as the focus of a wavelength spectrum of the light generated by the laser light source.
  • terahertz radiation can now be generated and coherently detected by applying a voltage to the antenna conductor of the transmitting antenna, while the transmitting antenna and the receiving antenna are activated simultaneously or with an adjustable delay with coherent radiation from the laser light source and one generated in the receiving antenna Current is measured by means of a sensor connected to the antenna conductors of the receiver antenna.
  • a received signal for various delays of a light transit time between the laser light source and the receiving antenna or the transmitting antenna can be detected in this way.
  • Terahertz systems of this type are known, for example, from the documents DE 102007044 8S9 A1 and DE 102010049658 A1.
  • these terahertz systems can be advantageously compact, robust and flexible.
  • the THz antenna 30 of FIG. 1 comprises a photoactive layer 21 with a fast charge carrier recombination time, which was produced by epitaxial growth on an electrically insulating substrate 22.
  • a metallic structure 23, 24 is formed as a THz antenna on the photoactive layer, which can be formed, for example, in dipole, bowtie or strip-line geometry.
  • the metallic structure 23, 24 has a gap through which a short (fs range) light pulse 11 can be directed onto the photoactive layer 21.
  • the antenna 20 of FIG. 1 is designed as a THz transmitter, for example.
  • the THz transmitter 20 a voltage is applied to the metallic structure 23, 24.
  • photocarriers are generated in the photoactive layer and strongly accelerated in the electric field, whereby electromagnetic radiation in the THz- Range (0.1 - 10 THz) is generated.
  • the radiation preferably propagates in the semiconductor material of the layer 21 and of the substrate 22.
  • the antenna chip or the substrate 22 is attached to the flat surface of a hyper-hemispherical Si lens 25 made of high-purity Si with high THz transparency.
  • the THz receiver looks identical. However, no voltage is applied here. Instead, the photocurrent caused by received THz radiation and excited photo charge carriers is measured in the THz receiver. A photocurrent only flows if - at the same time - a voltage is applied by the received THz radiation and the photoconductivity is effected by the light pulse.
  • a delay line is therefore installed in one of the beam paths, through which the temporal position of the received THz radiation and the scanning fs light pulse can be varied.
  • a "coherent" detection is effected in this way, and the amplitude and phase of the THz wave are sampled in a pump-probe process with high sensitivity and high speed potential.
  • the first THz systems used an excitation wavelength at 800 nm, as powerful pulse lasers with fs-small pulse width and photoconductors made from "low-temperature" grown LT-GaAs on a GaAs substrate with a very fast recombination time were available.
  • New systems often use excitation wavelengths at 1300 nm and at 1550 nm, since many components from developments for optical telecommunication technology are available here.
  • Femtosecond fiber lasers at 1550 nm are now inexpensive and maintenance-free, and glass fibers allow flexible connections from the laser to movable transmission and detection heads. This offers considerable advantages for the industrial use of THz sensors.
  • GaAs does not absorb at 1550 nm, fast photoconductors first had to be developed for this wavelength range.
  • InGaAs, InGaAsP, InAIAs, InGaAlAsP and InGaAlAs layers which are each grown on an InP substrate in an epitaxially lattice-adapted manner.
  • a typical thickness of the photoconductor layers is in the range 1-2 miti, which corresponds approximately to the penetration depth (1 / e) of the exciting light. Thicker layers require more effort for epitaxial growth. However, hardly any photo charge carriers are generated any more. In contrast, the background dark current (noise) increases unfavorably. In addition, long distances from the excitation location deep in the layer to surface contacts have an unfavorable effect on the time behavior (bandwidth of detection).
  • the stimulating optical radiation is not completely absorbed in the advantageously thin layers. With 800 nm systems this is not a problem, because the GaAs substrate also absorbs here, and with a typical substrate thickness of 300 - 500 pm the stimulating optical radiation is completely removed from the system.
  • the InP substrate is typically transparent for wavelengths above 1000 nm. Residual light behind the photoactive layer (i.e. behind the photoconductor), which was not absorbed by the photoactive layer, is therefore not absorbed in the downstream substrate, but remains in the system and can impair its function. It is particularly critical if residual light pulses activate the transmitting or receiving antenna with the wrong timing. In this way, the laser pulse stimulating the transmitting antenna can also reach the receiving antenna via the THz imaging optics. In the prior art, light filters in the THz beam path are used to block this path. What cannot be achieved with these external filters, however, is the blocking of interfering pulses caused by internal reflections at interfaces within the Hz antennas.
  • Such internal optical reflections are indicated by the dashed lines in FIG. 2, FIG. 2 showing a structure similar to FIG. 1. If these laser pulses excite the conductor layer a second time with an unfavorable time delay and thus generate "echo" -THz pulses 27 there, then this can considerably impair the function of a THz sensor system. Measurements of a system in the prior art show these interference pulses very much clearly, see THz echo pulses 27 in FIG. 3. It would therefore be advantageous if these THz echo pulses 27 caused by optical reflections can be avoided or at least reduced, since echo pulses themselves are extremely small Amplitude measurements can interfere significantly.
  • the disturbance of the echo pulse is estimated on the basis of the spatial extent of the optical pulse and at nearby interfaces.
  • n 3
  • a spatially 10 pm extended pulse stimulates the photoconduction. Reflections at the photoconductor interface or close to it are not perceived as a separate echo, but become part of a somewhat wider excitation pulse.
  • a free photoconductor layer would therefore not generate any echoes at the interfaces despite large jumps in the refractive index. However, such a layer would not be sufficiently stable mechanically.
  • the disturbance of the echo pulse can be estimated as follows. Reflections at more distant interfaces lead to echo pulses typically far outside the measurement window. So have the reflection on the outside of a Si lens (see. Lens 25 of Fig. 1) against air - because of the ho hen refractive index jump Dh of about 2.5 (refractive index of Si: 3.478 at a wavelength of 1550 nm, Refractive index of air: approx. 1 at a wavelength of 1550 nm) - a very high amplitude.
  • the distance between the photoconductor layer and the outside of the Si lens is quite large at 7.35 mm, with a thickness of the InP substrate of about 350 ⁇ m and a thickness of the Si lens of about 7 mm being assumed here. Since the echo pulse traverses this path twice, the additional running distance against the original pulse is about 14.7 mm. If one also takes into account the refractive index of approx. 3.4, this even results in an additional optical distance of approx. 50 mm and thus a delay of the echo pulse of approx. 150 ps. This means that these echo pulses lie outside the typical measurement window and generally do not interfere with the measurements.
  • this areally flush contact is difficult to achieve, in particular because of the limited planarity of the brittle InP substrate. If, as a result, an air gap forms between InP and Si in some areas, then significantly higher reflections can be expected at the semiconductor-air interfaces.
  • the width of the air gap relative to the wavelength also plays a role here.
  • the relatively slowly decaying wave protrudes through a sub-pm gap into the second semiconductor material and spreads there, so that a high level of reflection does not yet occur here can train.
  • the exciting laser pulse with a wavelength of e.g. 1.5 pm
  • the first resonator mode of the highest reflection forms at a slit width of 0.75 pm (half a wavelength), and the increase in reflection therefore begins even with smaller slit widths.
  • Small sub-pm air gaps therefore hardly have any effect on THz waves because of the different wavelengths by orders of magnitude, while the optical excitation pulse experiences a high level of reflection.
  • the in Figures 1 The InP substrate shown in FIG. 2 and FIG. 2 has a thickness of typically 350 ⁇ m, the way there and back is therefore 700 ⁇ m. If you include the speed of light in InP using the refractive index, the result is a delay of the echo to the main pulse of approx. 7 ps. Such a delay in the echo pulses can be measured and can be clearly seen in FIG. 3.
  • the pulses reflected on the front and back of the layer are around (with a refractive index assumed for the sample of 1.5) also a few ps apart. If one takes into account the multi-layer structure of the sample, the width of the THz pulses, and the low amplitude of the reflection at the inner lacquer interfaces, it becomes clear that echo pulses at this time significantly impair the measurement accuracy.
  • the reflections between the InP substrate and the Si lens are actually the critical reflections, as is also shown by measurements when using THz antennas in a time domain system (cf. FIG. 3).
  • Pre- and post-pulses are observed at a distance of approx. 7 ps from the main pulse. As described above, these 7 ps correspond exactly to the time delay of echo pulses due to reflection of the laser pulse at the interface between the InP substrate and the Si lens. Due to fluctuations in the thickness of the InP substrate (nominally 350 ⁇ m), the timing of one pulse varies somewhat when comparing different THz transmitter chips.
  • the echo pulses on the other side of the time axis are caused by the reflections of the fs laser in the THz receiver.
  • the receiver is the same in all measurements, which is why the associated echo pulses are also well aligned.
  • these echo pulses can therefore be calculated out in a fixed measuring system. However, it becomes critical when a weak measurement signal is close to one of the echo pulses. This will be explained using an important application example.
  • THz radiation 0.1 THz to 30 THz
  • dielectric materials such as plastics, lacquers and paper that are opaque to visible light. This creates possible uses in non-destructive material testing.
  • What is in demand is, for example, the measurement of the thickness of individual layers of plastic materials in composite and materials, preferably contact-free during the manufacturing process (e.g. extrusion).
  • a THz pulse 12 is directed onto a painted metal surface 33.
  • the various Grenzflä surfaces between the layers of paint 32 (typically rust protection - filling - colored lacquer - clear lacquer) and the metal carrier 33 are now reflections 34, which differ in time.
  • the reflected THz pulses 34 are now passed to the receiving antenna 31 and there the time offset of the reflected THz pulses is measured with the scanning laser pulse. If the index of refraction of the layers 32 is known, the individual thicknesses in the layer package can now be determined.
  • the refractive indices of the lacquers are often in the range from 1.5 to 1.6 for THz radiation.
  • a time-delayed replica 35 of the reflection pattern 34 is produced (cf. FIG. 5).
  • the strong reflection at the air boundary can be close to the weak reflections of the main pulse at the internal interfaces, see FIG just fall into the time window in which the main pulse scans the weak reflections at the transitions between the individual layers of paint.
  • this object is achieved by an arrangement, an antenna, a terahertz system and a method according to the independent claims. Developments are the subject of the dependent claims and the description below.
  • an arrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation comprises: a photoactive layer which can be activated by optical radiation in the range from 1200 nm to 1700 nm, a substrate which is transparent to the optical radiation and on which the photoactive layer is attached, a carrier which is transparent to the optical radiation, the substrate is attached to the carrier and is arranged between the photoactive layer and the carrier.
  • the substrate and the carrier are made of the same material.
  • the arrangement furthermore has a first adhesion-promoting layer, the first adhesion-promoting layer being arranged between the photoactive layer and the substrate and connecting the two to one another over a large area.
  • the first adhesion-promoting layer has a layer thickness of at most 5 ⁇ m.
  • the transit time of the light to the substrate interface and back is relatively short. Optical reflections caused by the first adhesion-promoting layer thus excite the photoactive layer almost simultaneously with the excitation light. In this way, spatially separated echo pulses can be avoided.
  • the substrate and the carrier are made of the same material, they have the same refractive index. As a result, there is no jump in the refractive index when the materials transition. As a result, reflections at the interfaces of the materials and thus the above-mentioned optical reflections or the optical echo pulses can be considerably reduced.
  • the first adhesion-promoting layer enables a surface flush contact between the photoactive layer and the substrate. In this way, air gaps between the photoactive layer and the substrate in particular can be prevented or reduced. Due to the small thickness of the adhesion-promoting layer, interfaces can be brought close to the photoactive layer so that pulses reflected at the interface between substrate and adhesion-promoting layer are within the pulse width of the original optical pulses. The reflected optical pulses can thereby merge with the original pulse, whereby the formation of separate echo pulses can be avoided.
  • the photoactive layer can have a layer thickness which is smaller than a substrate thickness of the substrate.
  • the photoactive layer has a layer thickness of at most 10 ⁇ m, preferably at most 5 ⁇ m.
  • the layer thickness can be in the range from 1 pm to 2 pm.
  • the substrate thus mainly serves to mechanically stabilize the photoactive layer.
  • the substrate can have a thickness which is at least 10 times or at least 100 times greater than the layer thickness of the photoactive layer. It can be provided that the substrate has a substrate thickness of at most 1 mm, preferably at most 0.5 mm and / or at least 0.2 mm, in particular at least 0.3 mm. Such substrate thicknesses are typical for semiconductor wafers or wafers.
  • the substrate can thus be made from a semiconductor disk, preferably a wafer or a semiconductor chip.
  • the photoactive layer attached to the wafer can then be subjected to a typical wafer processing and a large number of structures can thus be processed in parallel.
  • a side of the substrate facing away from the photoactive layer is preferably directly adjacent to the carrier. This can also reduce annoying reflections.
  • the carrier has a carrier thickness of at least 3 mm, preferably at least 5 mm, in particular at least 7 mm.
  • the substrate thickness is thus usually smaller than the carrier thickness.
  • the carrier thickness can, for example, be at least five times as great as the substrate thickness. Due to the relatively large carrier thickness compared to the layer thickness and the substrate thickness, the optical transit times of the optical radiation in the carrier can be relatively long, as a result of which the optical reflections can be shifted in time. For example, unavoidable reflective interfaces at a distance from the photoactive layer can be shifted outside of an interesting measurement window of a measurement by increasing the thickness of the adjacent carrier, so that the measurement is no longer impaired.
  • thicknesses or layer thicknesses are preferably measured perpendicular to layer planes and / or perpendicular to planar surfaces. Typically, all thicknesses and layer thicknesses are along measured in the same direction.
  • a side of the photoactive layer facing away from the substrate is at least partially free of coating and in particular is exposed to the ambient air. Due to the manufacturing process (see below) it can happen that the side of the photoactive layer facing away from the substrate has InP residues in some areas.
  • the optical radiation in the sense of the present document is understood as the electromagnetic radiation which is required to excite the photoactive layer, so that electron-hole pairs are generated in the photoactive layer.
  • the excitation energy of the optical radiation depends on a band gap, i.e. a distance between a valence band and a conduction band, of the photoactive material used.
  • the photoactive material of the photoactive layer can be selected in such a way that the band gap is matched to a specific excitation energy. If the band gap is temperature-dependent, its customarily defined values at operating temperature are always meant here, typically between 10 ° C and 50 ° C, preferably between 15 ° C and 25 ° C.
  • the photoactive layer has a band gap which corresponds to an excitation wavelength of at least 1200 nm, preferably at least 1250 and / or at most 1700 nm, preferably at most 1650 nm.
  • the photoactive layer can for example be made at least predominantly from a semiconductor material such as InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP and / or GaAlAs, or comprise a combination of several semiconductors.
  • the semiconductor used is usually doped with a transition metal, in particular Fe, Rh or Ru.
  • a concentration of the transition metal in the photoactive layer can be at least 10 18 cm 3 , preferably at least 10 19 cm 3 .
  • the photoactive layer is formed from a single layer of the photoactive material.
  • the photoactive layer can comprise a plurality of partial layers.
  • at least one active layer and one adjacent Layer be provided.
  • the active layer or each of the active layers will be embedded between two adjacent layers.
  • the adjacent layers serve as recombination layers.
  • the photoactive layer has a periodic layer structure with a multiplicity of alternately arranged active layers and recombination layers; where z. B. 100 or more active layers can be provided.
  • the effect of remaining echo pulses can be further minimized or reduced by restricting the expansion of the photoactive layer to the absolutely necessary area.
  • the photoactive layer can have a base area of at most 1 mm 2 , preferably at most 0.1 mm 2 , preferably at most 0.01 mm 2 .
  • a perpendicular projection of the photoactive layer onto the substrate can have an area of at most 1 mm 2 , preferably at most 0.1 mm 2 , preferably at most 0.01 mm 2 .
  • the aforementioned projection perpendicular to the substrate is a parallel projection, ie the projection rays emanating from the photoactive layer, which are referred to as projection lines, are parallel to one another.
  • the photoactive layer can have a lateral extent measured parallel to the substrate and / or a diameter of at most 1 mm, preferably at most 0.1 mm.
  • the photoactive layer can in particular be in the form of a mesa structure.
  • the substrate can be designed, for example, as a plane-parallel plate.
  • the carrier can be designed as a plane-parallel body or as a wedge-shaped body.
  • the substrate can be directly adjacent to the carrier, i.e. without an adhesive bond or layer in between.
  • a second adhesion-promoting layer is provided, which is arranged between the substrate and the carrier and connects the two to one another over a large area.
  • the first adhesion-promoting layer and the second adhesion-promoting layer can consist of the same material or comprise different materials. Different materials can be used for the respective adhesion-promoting layers. On the one hand, the material should connect the components to be connected to one another in a flat and flush manner. On the other hand, the material should be transparent to the THz radiation and / or be the optical radiation.
  • the first adhesion-promoting layer and / or the second adhesion-promoting layer is an adhesive layer, for example a layer of benzocyclobutene (BCB). Other suitable materials are also conceivable.
  • the substrate is designed as a silicon wafer.
  • the carrier can be designed as a silicon body. Silicon wafers and silicon bodies are available with high surface planarity.
  • thin Si wafers (0.2 mm - 1 mm) are usually elastic and bendable and adapt well to the adjoining silicon body, i.e. to the carrier.
  • van der Waals forces / cohesion can create seamless Si-Si connections between the substrate in the form of a Si wafer and the carrier in the form of an Si body. In this way, air gaps between the carrier and the substrate, and thus refractive index jumps, can advantageously be avoided.
  • the arrangement can also have a lens for the terahertz radiation.
  • convex lenses preferably plano-convex lenses, are used.
  • a hemispheric lens or a hyperhemispheric lens is used.
  • the lens is attached to the carrier.
  • the lens can be adjacent to the wearer.
  • a third adhesion-promoting layer can also be provided between the carrier and the lens, which connects the two with one another over a large area.
  • the lens can form the wearer.
  • the substrate is therefore attached directly to the lens without an additional carrier being present.
  • the lens is made from the same material as the substrate and / or the carrier.
  • the lens can also be made of a polymer material such as polymethylpentene (also called TPX or PMP).
  • a lens thickness, usually measured at a thickest point on the lens, can be at least 2 mm, preferably at least 3 mm.
  • the lens thickness and the carrier thickness can be the same.
  • the substrate and / or the carrier and / or the lens are usually made of an electrically insulating material.
  • the substrate and / or the carrier and / or the lens are usually transparent to the terahertz radiation generated. Furthermore, the lens is usually also transparent for the optical radiation.
  • an antenna for generating or receiving terahertz radiation comprises the arrangement of the type described above. Furthermore, the antenna has an antenna conductor with a first partial structure and a second partial structure. The first substructure and the second substructure are spaced apart from one another by a gap and contact the photoactive layer. Here, the substructures can contact the photoactive layer both electrically and mechanically.
  • the antenna conductor is usually made of a metal and in this case can have two metal structures. In particular, the antenna conductor can be formed by vapor-deposited or sputtered metal.
  • the geometry of the substructures creates e.g. dipole, bow-tie or so-called strip-line antennas.
  • At least the receiver antenna of the THz system is based on a photoconductor.
  • the same can also be the case with the transmitting antenna.
  • the transmitting antenna can also be based on a photodiode instead of a photoconductor, see publication DE 102010049 658 A1.
  • a particularly high efficiency of the transmitting antenna can be achieved by using a photodiode.
  • the photoactive layer can be in contact with the antenna conductor on a surface or on lateral end faces.
  • the antenna conductor is arranged on a side of the photoactive layer facing away from or facing the substrate.
  • the first substructure and the second substructure can be arranged next to the photoactive layer on the substrate. In this case, the photoactive layer can be arranged between the two structures.
  • a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation.
  • the Terahertz system comprises a laser light source and two THz antennas, each optically coupled to the laser light source and activated by optical radiation from this laser light source, of which a first serves as a transmitting antenna and a second as a receiving antenna.
  • the transmitting antenna and / or the Receiver antennas each include an antenna of the type described above.
  • the light from the laser light source preferably has a wavelength of at least 1200 nm, in particular at least 1250 nm and / or at most 1700 nm, in particular at most 1680 nm.
  • a pulsed laser is used as the laser light source.
  • CW laser continuous wave laser
  • the wavelength of the laser light source of the terahertz system can be in one of the telecommunications bands, for example in the O-band, E-band, S-band, C-band, L-band and / or U-band in the wavelength range between 1260 nm and 1675 nm, especially at 1300 nm and 1550 nm.
  • the use of a pulsed laser as a laser light source to activate the THz antennas is particularly advantageous if both THz antennas are photoconductor-based, Realize receiver sensitivity.
  • a femtosecond pulse laser with a wavelength between 1200 nm and 1700 nm can be used to implement the terahertz system as a pulse system. Femtosecond pulses have a duration of less than a picosecond, e.g. between 10 fs and 990 fs.
  • the laser light source can be designed as an optical vibration source.
  • the laser light source can be a dual mode laser or a system of two lasers and be set up to generate a beat signal of two laser waves, a beat frequency of this beat signal should be at least 0.05 THz and typically between 0.05 THz and 20 THz, preferably between 0.1 THz and 10 THz so that the terahertz radiation can be generated with the corresponding frequency and wavelength.
  • a lens arrangement is preferably provided for focusing the laser light on the photoactive layer. Since the laser light or the optical radiation is usually not completely absorbed by the photoactive layer, a remaining part of the light passes through the photoactive layer and downstream layers (substrate, adhesion-promoting layer, carrier and / or THz lens).
  • an optical echo pulse reflected at a certain distance typically strikes the photoactive layer in a divergent manner and can there again generate photo charge carriers over a large area. Even with a certain distance from the substructures of the antenna conductor, these photola dung carriers can still activate the antenna conductor, which means that THz echo pulses are generated. For this reason, it is advantageous if a lateral expansion of the photoactive layer is limited in such a way that the divergently reflected echo pulse can no longer hit the photoactive layer.
  • the photoactive layer can be designed as a mesa structure, for example.
  • the substructures can then be designed as side contacts.
  • the photoelectric effect does not take place outside the mesa, and so a large part of the optical echo pulses remains ineffective with regard to the excitation of the photoactive layer.
  • a preferred maximum lateral extent or areal extent of the photoactive layer reference is made to the dimensions mentioned above.
  • a method for producing an arrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation comprises at least the following steps:
  • the photoactive layer can be activated by optical radiation in the range from 1200 nm to 1700 nm.
  • the substrate and the carrier are made of the same material.
  • the substrate and the carrier are also transparent to the optical radiation.
  • the photoactive layer can in particular be grown on the auxiliary substrate made of InP in an epitaxially lattice-adapted manner.
  • Suitable materials for the photoactive layer with the required band gap can include InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP and / or GaAlAs.
  • the InP material is only used as an auxiliary substrate for growing the photoactive layer.
  • the auxiliary substrate made of InP is removed.
  • the auxiliary substrate is preferably removed by chemical etching.
  • the auxiliary substrate can be removed by mechanical etching.
  • the auxiliary substrate is completely removed.
  • the photoactive layer has detectable material residues of the auxiliary substrate on a side facing away from the substrate.
  • the photoactive layer produced on the InP auxiliary substrate alone is generally not sufficiently mechanically stable, since the photoactive layer often has a layer thickness of at most a few micrometers. For this reason, the photoactive layer is connected to the substrate before the InP auxiliary substrate is removed, which is thus provided for stabilizing the photoactive layer.
  • the substrate and the auxiliary substrate are usually located on opposite sides of the photoactive layer.
  • the photoactive layer is grown up by means of molecular beam lepitaxy at a temperature of 200 ° C. to 450 ° C., preferably 400 ° C.
  • the photoactive layer is grown epitakically and with a transition metal such as Fe, Rh, or Ru do- animals, preferably in concentrations above 10 18 cnr 3 .
  • an antenna conductor with a first partial structure and a second partial structure to the photoactive layer in such a way that the two partial structures are spaced from one another and contact the photoactive layer.
  • the step of applying the antenna conductor to the photoactive layer can be carried out before connecting the photoactive layer to the substrate or after removing the auxiliary substrate.
  • a lateral expansion of the photoactive layer can be reduced, e.g. to form a mesa structure. This can be done wet-chemically and / or by dry etching processes, for example.
  • surface passivation can be provided on the photoactive layer.
  • the surface passivation can comprise silicon nitride and / or silicon oxide, for example.
  • the substrate Before it is attached to the carrier, the substrate can still be present as an unprocessed wafer on which at least one structure is arranged.
  • at least one structure comprising the photoactive layer, the first adhesion-promoting layer and / or the antenna conductor can be attached to the substrate.
  • a large number of separate structures for example at least 5, at least 10, at least 50 or even at least 100 structures, are arranged on the substrate.
  • the active layer on the substrate can be processed using established technologies in semiconductor production for the parallel configuration of a large number of different structures.
  • the different, processed structures can then be isolated or separated from one another.
  • the substrate wafer can be divided into individual chips.
  • the method can thus be completed by separating the structures processed on the substrate and fastening the substrate with the processed structure on the carrier to form the above-mentioned arrangement.
  • the method is particularly suitable for producing the aforementioned arrangement and the aforementioned antenna.
  • Features that are mentioned in relation to the arrangement and the antenna can also be claimed for the method and vice versa.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a photoconductive THz antenna according to the prior art
  • FIG. 2 shows the photoconductive THz antenna from FIG. 1 with optical reflections
  • FIG. 5 shows the structure of FIG. 4 with THz echo pulses
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a THz antenna according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention.
  • 10 shows a schematic representation of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation according to an embodiment of the present invention.
  • the terahertz system 20 shown in FIG. 11 has a laser light source 15, a transmitting antenna 16 and a receiving antenna 17.
  • the transmitting antenna 16 and the receiving antenna 17 are each a THz antenna that can be activated by light from the laser light source 15.
  • a beam splitter 28 is connected behind an output of the laser light source 15, the transmitting antenna 16 and the receiving antenna 17 each being connected by an optical fiber 18 to one of two outputs of the beam splitter 28.
  • the laser light source 15 is a pulse laser, the wavelength of the laser light source 15 being between 1200 nm and 1700 nm and preferably 1300 nm or 1550 nm.
  • a controllable optical delay circuit 19 can be arranged with which a relative timing of optical control signals for activating the two THz antennas 16, 17 can be shifted.
  • the delay circuit 19 can have, for example, a delay line to which a variable electrical field can be applied.
  • the pulse laser forming the laser light source 15 can be a fiber pulse laser, e.g. with erbium doping, or a semiconductor pulse laser, e.g. based on an InGaAsP / InP material system.
  • FIGS. 6-10 show schematically THz Antennas according to embodiments of the present invention. For the sake of clarity, only THz transmission antennas 16 are shown here. It is clear, however, that the THz transmitting antennas shown in FIGS. 6-10 can also be used as THz receiving antennas.
  • FIG. 6 shows schematically an arrangement 1 which is part of the antenna 16 for generating terahertz radiation 12.
  • the arrangement 1 comprises a photoactive layer 2, a substrate S, a first adhesion-promoting layer 4 and a carrier 5.
  • the photoactive layer 2 can be activated by optical radiation 11 from the laser 15 in the range from 1200 nm to 1700 nm and thus has a corresponding band gap.
  • Suitable semiconductors for the photoactive layer 2 would be, for example, InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAIAs, InGaAIAsP or GaAIAs.
  • the semiconductor used for the photoactive layer 2 is generally doped with a transition metal such as Fe, Rh or Ru, in a concentration of at least 10 18 cm 3 , preferably at least 10 19 cm 3 . Layer thicknesses of the photoactive layer 2 of at most 10 ⁇ m and at least 0.5 ⁇ m are advantageous for generating THz radiation.
  • the total layer thickness can be 1 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the photoactive layer 2 is preferably composed of a single layer of the photoactive material.
  • the photoactive layer 2 can alternatively comprise a plurality of partial layers. For example, at least one active layer and an adjacent layer can be provided.
  • the photoactive layer 2 is attached to the substrate 3.
  • the first adhesion-promoting layer 4 applied over a large area is used for the fastening.
  • the first adhesion-promoting layer 4 is thus arranged between the photoactive layer 2 and the substrate 3 and connects both of them flat and flush with one another.
  • the adhesion-promoting layer 4 allows air gaps between the substrate 3 and the photoactive layer 2 to be largely avoided.
  • a layer thickness of the adhesion-promoting layer 4 should be at most 5 ⁇ m. Layer thicknesses in the range from 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m would be conceivable.
  • a suitable material for the adhesion-promoting layer 4, which is sometimes also called an adhesive layer would be, for example, BCB (benzocyclobutene), which Ches is used more often in the prior art for what is known as wafer bonding.
  • the substrate S consists of a material that is transparent to the laser radiation 11 and the THz radiation 12, preferably silicon.
  • the substrate S is also electrically insulating.
  • the substrate S ensures mechanical stability of the photoactive layer 2, in particular during the production of the arrangement 1 (cf. the production method below).
  • the sub strate S is usually designed as a plane-parallel plate.
  • the substrate S can advantageously be produced from a chip of a commercially available silicon wafer. This allows the use of established technologies of wafer processing and the parallel production of a large number of structures on one substrate.
  • a first side of the substrate S facing the photoactive layer 2 is thus a flat surface.
  • the substrate is attached to the carrier 5.
  • the substrate S is thus arranged between the photoactive layer 2 and the carrier 5.
  • a side of the substrate S facing the carrier 5 is preferably also designed as a flat surface.
  • the substrate S preferably has a substrate thickness, measured perpendicular to a substrate plane from the first side to the second side of the substrate S, which is significantly greater than the layer thickness of the photoactive layer 2.
  • the substrate S can, for example, have a substrate thickness of at most 1 mm, substrate thicknesses of at least 0.2 mm being common.
  • the substrate 3 has a constant substrate thickness in the range from 300 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the carrier 5 is made of the same material as the substrate 3, but has a much greater thickness.
  • the carrier 5 is designed as a plane-parallel silicon body or silicon block.
  • a first side of the carrier 5 facing the substrate 3 is therefore a planar surface.
  • a second side of the carrier 5, which faces away from the substrate 3, is designed as a flat surface.
  • the THz radiation 12 generated in the antenna 16 leaves the carrier 5 via the first side of the carrier 5 facing away from the substrate 3.
  • the carrier 5 preferably has a carrier thickness, measured from the first side to the second side of the carrier 5, which we - is significantly greater than the substrate thickness and the thickness of the photoactive layer 2.
  • optical reflections at the interface between carrier 5 and air, ie on the second side of carrier 5, can be delayed in time so that they lie outside the measurement window of interest.
  • Exemplary carrier thicknesses are at least 5 mm, preferably at least 8 mm.
  • the carrier 5 and the substrate 3 are made of the same material, reflections of the optical radiation 11 at the interface between the substrate 3 and the carrier 5 are strongly suppressed.
  • the carrier 5 and the substrate 3 are connected flush and their sides lie flat against one another, for example via a press contact.
  • the carrier 5 can thus directly adjoin the substrate 3.
  • a second adhesion-promoting layer (not shown) can also be provided between the substrate 3 and the carrier 5, which connects the substrate 3 and the carrier 5 to one another in a planar and flush manner.
  • the second adhesion-promoting layer can consist of a polymer material such as BCB.
  • an antenna conductor 6 which comprises a first partial structure 7 and a second partial structure 8.
  • the first partial structure 7 and the second partial structure 8 are spaced apart from one another by a gap 9.
  • the photoactive layer 2 is free of coating in the area of the mentioned gap 9 and is exposed there to the ambient air.
  • the optical radiation 11 of the laser 15 enters the photoactive layer 2 through the gap 9.
  • the substructures 7, 8 contact the photoactive layer 2 both electrically and mechanically.
  • the substructures 7, 8 are usually asbil det as metal structures, wherein they are formed by vapor deposition or sputtering of metal on the photoakti ve layer 2.
  • the partial structures 7, 8 are arranged on a side of the photoactive layer 2 facing away from the substrate 3.
  • the THz antenna 16 shown in FIG. 7 differs from the THz antenna shown in FIG. 6 in that the substructures 7, 8 of the antenna conductor 6 are arranged laterally next to the photoactive layer 2.
  • the photoactive layer 2 is thus located centrally between the substructures 7,
  • the photoactive layer 2 is located within the gap 9 and fills it completely.
  • the photoactive layer 2 is in the embodiment 7 is designed as a mesa structure with dimensions measured perpendicular to the layer thickness of at most 100 miti by 100 miti.
  • the mesa structure thus has a base area of at most 0.01 mm 2 .
  • a perpendicular projection of the photoactive layer 2 onto the substrate has an area which is reduced in such a way that only a very small proportion of the divergent reflections of the optical radiation 11 at the interface between substrate S and carrier 5 on the back of the photoactive Meet layer 2.
  • significantly fewer charge carriers are generated in the photoactive layer 2, and THz echo pulses can be effectively minimized.
  • the antenna 16 shown in FIG. 7 has the same properties as the antenna of FIG. 6.
  • the lens 13 couples the THz radiation 12 out of the antenna 16 and, in the exemplary embodiment of FIG. 8, is designed as a plano-convex lens, in particular a hemispherical lens or a hyperhemispherical lens.
  • the lens 13 is fastened on the carrier 5, the planar side of the lens 13 being connected to the second, planar side of the carrier 5.
  • the lens 13 is made of the same mate rial as the carrier 5 and the substrate 3, in the example shown Ausulate approximately thus made of Si.
  • the lens 13 can, for example, be connected to the carrier 5 by means of a press contact and directly adjoin the carrier 5.
  • the lens 13 could be connected flatly and flush with the carrier 5 by means of a third adhesive layer, for example by means of an adhesive layer made of BCB.
  • a lens thickness is preferably at least 2 mm, in particular at least 3 mm.
  • the lens 13 can have the same thickness as the carrier 5.
  • the lens can form the carrier.
  • This embodiment of the antenna 16 is shown in FIG.
  • the substrate 3 is therefore attached directly to the lens 14 without an additional carrier being required.
  • the lens 14 can adjoin the substrate 3 or it can be a fourth adhesion-promoting layer can be arranged between the lens 14 and the substrate IS, which connects the planar side of the lens 14 and the substrate 3 flatly and flush with one another.
  • the lens 14 is made of the same material as the substrate 3.
  • the photoactive layer 2 and the metal structures 7, 8 of the antenna conductor 6 are constructed in a similar manner as in the antenna of FIG Layer 2 and the metal structures 7, 8 of FIG. 6 can be used.
  • the antenna 16 shown in FIG. 10 has a similar structure to the antenna of FIG. 8 and only differs from the antenna of FIG. 8 with respect to the arrangement of the metal structures 7, 8.
  • the metal structures 7, 8 of the antenna conductor 6 of FIG. 10 are arranged on a side of the photoactive layer 2 facing the substrate 3, while in FIG. 6 they are arranged on a side of the photoactive layer facing away from the substrate 3.
  • the first adhesion-promoting layer 4 is arranged between the metal structures 7, 8 and the substrate 3, and connects the metal structures 7, 8 flatly with the substrate 3.
  • the first adhesive layer 4 thus has a reduced layer thickness in the area of the metal structures 7, 8.
  • An advantage of the arrangement shown in FIG. 10 is that reflected optical radiation strikes the opaque metal structures 7, 8 and thus does not generate any free charge carriers in the photoactive layer 2.
  • a side of the photoactive layer 2 facing away from the substrate 3 is completely free of coating and is exposed to the ambient air.
  • the antennas 16 of FIGS. 6-10 are preferably used in the terahertz system 20 of FIG.
  • a method for producing the arrangement 1 or for producing the antenna 16 is described below.
  • an auxiliary substrate made of InP is provided.
  • the photoactive layer 2 is then produced.
  • the photoactive layer 2 is generated by epitaxial growth on the InP auxiliary substrate.
  • the photoactive layer 2 is usually grown by means of molecular beam epitaxy at a temperature of 200 ° C. to 450 ° C. The temperature is preferably 400 ° C before.
  • the photoactive layer 2 is preferably doped with a transition metal in a concentration of at least 10 18 cm 3.
  • the side of the photoactive layer facing away from the auxiliary substrate can be connected over the entire surface to a silicon wafer with a diameter of at least 2 inches, preferably at least 5 inches and a wafer thickness between 0.2 mm and 1 mm, the first adhesion-promoting layer 4 being used for the connection.
  • the silicon wafer and the auxiliary substrate are now located on opposite sides of the photoactive layer 2.
  • the auxiliary substrate is then completely removed, preferably by chemical etching.
  • the auxiliary substrate can also be removed mechanically.
  • the antenna conductor 6 is contacted with the photoactive layer 2.
  • the antenna conductor 6 with the first partial structure 7 and the second partial structure 8 is placed on the photoactive layer 2 in such a way that the two partial structures 7, 8 are spaced from one another and contact the photoactive layer 2.
  • the antenna conductor 6 is preferably applied in a so-called lift-off process by means of vapor deposition or sputtering of metal.
  • the antenna conductor 6 can be applied immediately before the photoactive layer 2 is bonded to the substrate 3 (i.e. before the auxiliary substrate is removed) or only after the auxiliary substrate has been removed.
  • the photoactive layer 2 can be etched away in areas after the removal of the auxiliary substrate, usually by wet chemical etching processes and dry etching processes.
  • the metal structures 7, 8 can then be applied as described above.
  • the mesa structure of the photoactive layer 2 before connecting the photoactive ven layer 2 can be produced with the silicon wafer.
  • the metal structures 7, 8 are then applied to the photoactive layer 2 by vapor deposition or sputtering.
  • the first adhesion-promoting layer 4 is then applied to the metal structures 7, 8 and the photoactive layer 2.
  • the silicon wafer is connected to the photoactive layer 2 via the layer 4 a related party.
  • the auxiliary substrate is removed, preferably completely removed.
  • a surface passivation for example made of silicon nitride or silicon oxide, can optionally be applied to the photoactive layer 2 and / or the metallic substructures 7, 8.
  • the silicon wafer can be cut to size in such a way that a large number of chips are formed, each of which has a substrate 3 made of Si, the adhesion-promoting layer 4, the photoactive layer 2 and the metal structures 7, 8.
  • the Si wafer is thus used for the production of a large number of substrates 3.
  • the substrate 3 in the form of a chip at the beginning of the method.
  • the substrate 3 is attached to the carrier 5 or to the lens 14 designed as a carrier. If necessary, the lens 13 is then connected to the carrier 5.
  • the method described is particularly suitable for producing the arrangement 1 described above and the antenna 16 described in FIGS. 6-10.
  • Features that are only mentioned in relation to the arrangement and the antenna can also be claimed for the method and vice versa.

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Abstract

The invention relates to an assembly (1) for an antenna (16, 17) for generating or receiving terahertz radiation (12), comprising: - a photoactive layer (2) which can be activated by an optical radiation (11) ranging from 1200 nm to 1700 nm, - a substrate (3) which is transparent to the optical radiation (11) and on which the photoactive layer (2) is secured, - a first adhesive layer (4), wherein the first adhesive layer (4) is arranged between the photoactive layer (2) and the substrate (3) and connects the surface of the layer and the surface of the substrate together, and the first adhesive layer (4) has a thickness of maximally 5 µm, and - a support (5) which is transparent to the optical radiation (11). The substrate (3) is secured on the support (5) and is arranged between the photoactive layer (2) and the support (5), and the substrate (3) and the support (5) are made of the same material. The invention additionally relates to an antenna (16, 17), a terahertz system (20), and a method for producing the aforementioned assembly (1).

Description

Anordnung für eine Antenne zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz- Strahlung, Antenne. Terahertzsystem sowie Verfahren zur Herstellung einerArrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation, antenna. Terahertz system and method for producing a
Anordnung für eine Antenne Arrangement for an antenna
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Antenne zum Er zeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung, eine Antenne zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung, ein Terahertzsystem zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertzstrahlung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für eine Antenne zum Erzeugen oder Empfan gen von Terahertz-Strahlung. The present invention relates to an arrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation, an antenna for generating or receiving terahertz radiation, a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation and a method for producing an arrangement for an antenna for Generating or receiving terahertz radiation.
Als Terahertzstrahlung sei dabei elektromagnetische Strahlung einer Frequenz von zwischen 0,05 THz und 20 THz bezeichnet, wobei die Frequenz typischer weise zwischen 0,1 THz und 10 THz liegt. Für eine elektronische Signalverar beitung sind diese Frequenzen sehr hoch, verglichen mit den für Photonik ty pischen Frequenzen dagegen sehr klein, so dass eine Quantenenergie von Terahertzstrahlung noch sehr gering ist. Mit Terahertzstrahlung arbeitende Messsysteme sind daher schwer zu realisieren, weshalb Terahertzstrahlung den letzten Bereich des elektro-magnetischen Spektrums bildet, der für prak tische Anwendungen noch nicht in befriedigendem Maß erschlossen ist. Terahertz radiation is electromagnetic radiation with a frequency of between 0.05 THz and 20 THz, the frequency typically being between 0.1 THz and 10 THz. For electronic signal processing, these frequencies are very high, compared with the frequencies typical for photonics, on the other hand, very small, so that the quantum energy of terahertz radiation is still very low. Measurement systems that work with terahertz radiation are therefore difficult to implement, which is why terahertz radiation forms the last area of the electromagnetic spectrum that has not yet been developed to a satisfactory extent for practical applications.
Terahertzsysteme nutzen typischerweise opto-elektronische Halbleiterchips zum Erzeugen und Detektieren von Terahertzstrahlung. Ein Terahertzsystem umfasst dabei gewöhnlich eine Laserlichtquelle und zwei jeweils über einer Lichtleitfaser optisch mit der Laserlichtquelle gekoppelte und durch Licht die ser Laserlichtquelle aktivierbare THz-Antennen, von denen eine erste als Sen deantenne und eine zweite als Empfängerantenne dient. Dabei weisen die THz-Antennen jeweils einen mit Antennenleitern kontaktierten Halbleiterchip auf, der mindestens eine photoempfindliche aktive Schicht mit einer Bandkan tenwellenlänge, die größer ist als eine Wellenlänge der Laserlichtquelle, um fasst sowie mindestens eine an die aktive Schicht angrenzende Schicht mit einer Bandkantenwellenlänge, die kleiner ist als die Wellenlänge der Laser lichtquelle. Die Antennenleiter sind dabei typischerweise auf dem jeweiligen Halbleiterchip integriert. Die Laserlichtquelle kann dabei zum Erzeugen kurzer Pulse oder zum Erzeugen von Schwebungssignalen im THz-Bereich durch Überlagern zweier Laserwellen geringfügig unterschiedlicher Wellenlängen ausgebildet sein. Die Wellenlänge einer Laserlichtquelle sei in der vorliegen den Schrift jeweils definiert als Schwerpunkt eines Wellenlängenspektrums des von der Laserlichtquelle erzeugten Lichts. Terahertz systems typically use opto-electronic semiconductor chips to generate and detect terahertz radiation. A terahertz system usually comprises a laser light source and two THz antennas, each optically coupled to the laser light source via an optical fiber and activated by light from this laser light source, of which a first serves as a transmitter antenna and a second as a receiver antenna. The THz antennas each have a semiconductor chip contacted with antenna conductors, which comprises at least one photosensitive active layer with a band edge wavelength that is greater than a wavelength of the laser light source and at least one layer adjoining the active layer with a band edge wavelength that is smaller than the wavelength of the laser light source. The antenna conductors are typically integrated on the respective semiconductor chip. The laser light source can be used to generate short pulses or to generate beat signals in the THz range by superimposing two laser waves of slightly different wavelengths be trained. The wavelength of a laser light source is defined in the present document as the focus of a wavelength spectrum of the light generated by the laser light source.
Mit solchen Terahertzsystemen kann nun Terahertzstrahlung erzeugt und ko härent detektiert werden, indem an die Antennenleiter der Sendeantenne eine Spannung angelegt wird, während die Sendeantenne und die Empfän gerantenne gleichzeitig oder mit einstellbarer Verzögerung mit kohärenter Strahlung der Laserlichtquelle aktiviert werden und ein in der Empfängeran tenne erzeugter Strom gemessen wird mittels eines mit den Antennenleitern der Empfängerantenne verbundenen Sensors. Um eine zwischen der Sende antenne und der Empfängerantenne angeordnete Probe zu untersuchen, kann auf diese Weise ein Empfangssignal für verschiedene Verzögerungen einer Lichtlaufzeit zwischen der Laserlichtquelle und der Empfängerantenne oder der Sendeantenne detektiert werden. With such terahertz systems, terahertz radiation can now be generated and coherently detected by applying a voltage to the antenna conductor of the transmitting antenna, while the transmitting antenna and the receiving antenna are activated simultaneously or with an adjustable delay with coherent radiation from the laser light source and one generated in the receiving antenna Current is measured by means of a sensor connected to the antenna conductors of the receiver antenna. In order to examine a sample arranged between the transmitting antenna and the receiving antenna, a received signal for various delays of a light transit time between the laser light source and the receiving antenna or the transmitting antenna can be detected in this way.
Terahertzsysteme dieser Art sind z.B. aus den Druckschriften DE 102007044 8S9 Al und DE 102010049658 Al bekannt. Durch die Verwendung von Licht leitfasern zur Verbindung der Laserlichtquelle mit den THz-Antennen lassen sich diese Terahertzsysteme vorteilhaft kompakt, robust und flexibel realisie ren. Terahertz systems of this type are known, for example, from the documents DE 102007044 8S9 A1 and DE 102010049658 A1. By using optical fibers to connect the laser light source to the THz antennas, these terahertz systems can be advantageously compact, robust and flexible.
Nachfolgend wird näher auf eine in Fig. 1 gezeigte THz-Antenne gemäß einem Beispiel des Standes der Technik eingegangen. Die THz-Antenne 30 der Fig. 1 umfasst eine photoaktive Schicht 21 mit schneller Ladungsträger- Rekombinationszeit, die durch epitaktisches Wachstum auf einem elektrisch isolierenden Substrat 22 hergestellt wurde. Durch Aufdampf- und Lithogra phie-Prozesse wird auf der photoaktiven Schicht eine metallische Struktur 23, 24 als THz-Antenne ausgebildet, die beispielsweise in Dipol, Bowtie oder Strip- Line Geometrie ausgebildet sein kann. Die metallische Struktur 23, 24 hat eine Lücke, durch die ein kurzer (fs-Bereich) Lichtpuls 11 auf die photoaktive Schicht 21 gerichtet werden kann. Die Antenne 20 der Fig. 1 ist beispielhaft als THz-Sender ausgebildet. Im THz-Sender 20 wird an die metallische Struktur 23, 24 eine Spannung angelegt. Durch Anregung mit dem Lichtpuls 11 werden in der photoaktiven Schicht Photoladungsträger erzeugt und im elektrischen Feld stark beschleunigt, wodurch elektromagnetische Strahlung im THz- Bereich (0,1 - 10 THz) erzeugt wird. Wegen des großen Brechungsindex- Sprunges zu Luft breitet sich die Strahlung bevorzugt im Halbleitermaterial der Schicht 21 und des Substrats 22 aus. Zur besseren Auskopplung der THz-Welle in Luft wird der Antennen-Chip bzw. das Substrat 22 auf der planen Fläche ei ner hyper-hemisphärischen Si-Linse 25 aus hochreinem Si mit hoher THz- Transparenz angebracht. A THz antenna shown in FIG. 1 according to an example of the prior art is discussed in greater detail below. The THz antenna 30 of FIG. 1 comprises a photoactive layer 21 with a fast charge carrier recombination time, which was produced by epitaxial growth on an electrically insulating substrate 22. By vapor deposition and lithography processes, a metallic structure 23, 24 is formed as a THz antenna on the photoactive layer, which can be formed, for example, in dipole, bowtie or strip-line geometry. The metallic structure 23, 24 has a gap through which a short (fs range) light pulse 11 can be directed onto the photoactive layer 21. The antenna 20 of FIG. 1 is designed as a THz transmitter, for example. In the THz transmitter 20, a voltage is applied to the metallic structure 23, 24. By excitation with the light pulse 11, photocarriers are generated in the photoactive layer and strongly accelerated in the electric field, whereby electromagnetic radiation in the THz- Range (0.1 - 10 THz) is generated. Because of the large jump in the refractive index to air, the radiation preferably propagates in the semiconductor material of the layer 21 and of the substrate 22. For better decoupling of the THz wave in air, the antenna chip or the substrate 22 is attached to the flat surface of a hyper-hemispherical Si lens 25 made of high-purity Si with high THz transparency.
Der THz-Empfänger sieht im Prinzip baugleich aus. Hier wird aber keine Span nung angelegt. Stattdessen wird im THz-Empfänger der durch empfangene THz-Strahlung und angeregte Photoladungsträger bewirkte Photostrom ge messen. Ein Photostrom fließt aber nur, wenn - zeitgleich - durch die empfan gene THz-Strahlung eine Spannung angelegt wird und durch den Lichtpuls die Photoleitung bewirkt wird. In einem THz Time-Domain System wird deshalb in einem der Strahlengänge eine Verzögerungsleitung angebracht, durch die die zeitliche Lage von empfangener THz Strahlung und abtastendem fs-Lichtpuls variiert werden kann. Es wird so eine „kohärente" Detektion bewirkt, und mit hoher Empfindlichkeit und hohem Geschwindigkeitspotenzial werden Amplitude und Phase der THz-Welle in einem pump-probe Verfahren abgetas tet. In principle, the THz receiver looks identical. However, no voltage is applied here. Instead, the photocurrent caused by received THz radiation and excited photo charge carriers is measured in the THz receiver. A photocurrent only flows if - at the same time - a voltage is applied by the received THz radiation and the photoconductivity is effected by the light pulse. In a THz time-domain system, a delay line is therefore installed in one of the beam paths, through which the temporal position of the received THz radiation and the scanning fs light pulse can be varied. A "coherent" detection is effected in this way, and the amplitude and phase of the THz wave are sampled in a pump-probe process with high sensitivity and high speed potential.
Erste THz-System nutzten eine Anregungswellenlänge bei 800 nm, da hier leis tungsstarke Puls-Laser mit fs-kleiner Pulsbreite und Photoleiter aus „low- temperature" gewachsenem LT-GaAs auf GaAs-Substrat mit sehr schneller Rekombinationszeit zur Verfügung standen. The first THz systems used an excitation wavelength at 800 nm, as powerful pulse lasers with fs-small pulse width and photoconductors made from "low-temperature" grown LT-GaAs on a GaAs substrate with a very fast recombination time were available.
Neue Systeme nutzen vielfach Anregungswellenlängen bei 1300 nm und bei 1550 nm, da hier viele Komponenten aus Entwicklungen für die optische Tele kommunikationstechnik zur Verfügung stehen. Femtosekunden Faser-Laser bei 1550 nm sind mittlerweile kostengünstig und wartungsfrei, und Glasfasern erlauben flexible Verbindungen vom Laser zu beweglichen Sende- und Detek tions-Köpfen. Das bietet erhebliche Vorteile für den industriellen Einsatz der THz Sensorik. Da GaAs jedoch bei 1550 nm nicht absorbiert, mussten aber zunächst schnelle Photoleiter für diesen Wellenlängenbereich entwickelt wer den. Diese sind nun vorhanden, basierend auf InGaAs-, InGaAsP-, InAIAs-, InGaAlAsP- und InGaAlAs-Schichten, welche jeweils epitaktisch gitterange- passt auf einem InP-Substrat gewachsen werden. Eine typische Dicke der Photoleiterschichten liegt im Bereich 1-2 miti, was in etwa der Eindringtiefe (1/e) des anregenden Lichtes entspricht. Dickere Schichten erfordern mehr Aufwand beim epitaktischen Wachsen. Es werden allerdings kaum mehr Photoladungsträger erzeugt. Dagegen steigt der Hinter grund-Dunkelstrom (Rauschen) unvorteilhaft an. Außerdem wird durch lange Wege vom Anregungsort tief in der Schicht zu Oberflächenkontakten das Zeit verhalten (Bandbreite der Detektion) ungünstig beeinflusst. New systems often use excitation wavelengths at 1300 nm and at 1550 nm, since many components from developments for optical telecommunication technology are available here. Femtosecond fiber lasers at 1550 nm are now inexpensive and maintenance-free, and glass fibers allow flexible connections from the laser to movable transmission and detection heads. This offers considerable advantages for the industrial use of THz sensors. However, since GaAs does not absorb at 1550 nm, fast photoconductors first had to be developed for this wavelength range. These are now available, based on InGaAs, InGaAsP, InAIAs, InGaAlAsP and InGaAlAs layers, which are each grown on an InP substrate in an epitaxially lattice-adapted manner. A typical thickness of the photoconductor layers is in the range 1-2 miti, which corresponds approximately to the penetration depth (1 / e) of the exciting light. Thicker layers require more effort for epitaxial growth. However, hardly any photo charge carriers are generated any more. In contrast, the background dark current (noise) increases unfavorably. In addition, long distances from the excitation location deep in the layer to surface contacts have an unfavorable effect on the time behavior (bandwidth of detection).
In den vorteilhaft dünnen Schichten wird die anregende optische Strahlung nicht komplett absorbiert. Bei 800 nm Systemen ist das kein Problem, denn das GaAs-Substrat absorbiert hier auch, und bei einer typischen Substratdicke von 300 - 500 pm wird die anregende optische Strahlung komplett aus dem System entfernt. Das InP-Substrat ist jedoch typischerweise für Wellenlängen oberhalb von 1000 nm transparent. Restlicht hinter der photoaktiven Schicht (also hinter dem Photoleiter), welches nicht durch die photoaktive Schicht ab sorbiert wurde, wird somit nicht im nachgeschalteten Substrat absorbiert, sondern es verbleibt im System und kann dieses in seiner Funktion beein trächtigen. Kritisch ist insbesondere, wenn Restlicht-Pulse die Sende- oder Empfangsantenne mit falscher Zeitlage aktivieren. So kann der die Sende- Antenne anregende Laserpuls über die THz-Abbildungsoptiken auch die Emp fänger-Antenne erreichen. Zur Abblockung dieses Weges werden im Stand der Technik z.B. Lichtfilter im THz-Strahlengang eingesetzt. Was mit diesen exter nen Filtern jedoch nicht erreicht werden kann, ist die Abblockung von Störpul sen, die durch interne Reflexionen an Grenzflächen innerhalb derTHz- Antennen entstehen. The stimulating optical radiation is not completely absorbed in the advantageously thin layers. With 800 nm systems this is not a problem, because the GaAs substrate also absorbs here, and with a typical substrate thickness of 300 - 500 pm the stimulating optical radiation is completely removed from the system. However, the InP substrate is typically transparent for wavelengths above 1000 nm. Residual light behind the photoactive layer (i.e. behind the photoconductor), which was not absorbed by the photoactive layer, is therefore not absorbed in the downstream substrate, but remains in the system and can impair its function. It is particularly critical if residual light pulses activate the transmitting or receiving antenna with the wrong timing. In this way, the laser pulse stimulating the transmitting antenna can also reach the receiving antenna via the THz imaging optics. In the prior art, light filters in the THz beam path are used to block this path. What cannot be achieved with these external filters, however, is the blocking of interfering pulses caused by internal reflections at interfaces within the Hz antennas.
Derartige interne optische Reflexionen sind durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 angedeutet, wobei die Fig. 2 einen ähnlichen Aufbau wie die Fig. 1 zeigt. Wenn diese Laser-Pulse mit ungünstiger Zeitverzögerung ein zweites Mal die Pholeiterschicht anregen und so dort „Echo"-THz-Pulse 27 erzeugen, dann kann dies die Funktion eines THz-Sensorsystems erheblich beeinträchtigen. Messungen eines Systems im Stand der Technik zeigen diese Störpulse sehr deutlich, vgl. THz-Echo-Pulse 27 der Fig. 3. Es wäre somit vorteilhaft, wenn diese durch optische Reflexionen verursachten THz-Echo-Pulse 27 vermieden oder zumindest reduziert werden können, da Echo-Pulse selbst kleinster Amplituden Messungen signifikant stören können. Such internal optical reflections are indicated by the dashed lines in FIG. 2, FIG. 2 showing a structure similar to FIG. 1. If these laser pulses excite the conductor layer a second time with an unfavorable time delay and thus generate "echo" -THz pulses 27 there, then this can considerably impair the function of a THz sensor system. Measurements of a system in the prior art show these interference pulses very much clearly, see THz echo pulses 27 in FIG. 3. It would therefore be advantageous if these THz echo pulses 27 caused by optical reflections can be avoided or at least reduced, since echo pulses themselves are extremely small Amplitude measurements can interfere significantly.
Nachstehend soll die Störung durch optische Reflexionen abgeschätzt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei der Bewertung einer Störung durch optische Reflexionen nicht nur die Amplitude eingeht, sondern auch die Zeit lage eines Echopulses, und zwar The following is an estimate of the interference caused by optical reflections. It must be taken into account here that when evaluating a disturbance due to optical reflections, not only the amplitude is included, but also the timing of an echo pulse, namely
1. im Vergleich zur räumlichen Ausdehnung des optischen Pulses und1. Compared to the spatial expansion of the optical pulse and
2. in Bezug auf die Zeitlage des Messfensters. 2. in relation to the timing of the measurement window.
Zunächst wird beispielhaft die Störung des Echopulses anhand der räumlichen Ausdehnung des optischen Pulses und an nahen Grenzflächen abgeschätzt.First of all, the disturbance of the echo pulse is estimated on the basis of the spatial extent of the optical pulse and at nearby interfaces.
Ein typischerweise eingesetzter Laser-Puls einer Zeitbreite von 100 femto- Sekunden hat - abgeleitet aus der Lichtgeschwindigkeit - eine räumliche Breite von BO pm in Luft und von ca. 10 pm in Halbleitern mit einem Brechungsindex nahe bei n=3 (InP: 3,167 bei einer Wellenlänge von 1550 nm). Bei einer Pho toleiter-Schichtdicke von typisch 2-3 pm regt also ein räumlich 10 pm ausge dehnterer Puls die Photoleitung an. Reflexionen an der Photoleiter- Grenzfläche oder nahe daran werden nicht als separates Echo wahrgenom men, sondern werden Teil eines etwas breiteren Anregungspulses. Eine freie Photoleiterschicht würde also trotz großer Brechungsindexsprünge an den Grenzflächen keine Echos erzeugen. Allerdings wäre eine solche Schicht me chanisch nicht hinreichend stabil. A typical laser pulse with a time width of 100 femto seconds - derived from the speed of light - has a spatial width of BO pm in air and approx. 10 pm in semiconductors with a refractive index close to n = 3 (InP: 3.167 for a Wavelength of 1550 nm). With a photoconductor layer thickness of typically 2-3 pm, a spatially 10 pm extended pulse stimulates the photoconduction. Reflections at the photoconductor interface or close to it are not perceived as a separate echo, but become part of a somewhat wider excitation pulse. A free photoconductor layer would therefore not generate any echoes at the interfaces despite large jumps in the refractive index. However, such a layer would not be sufficiently stable mechanically.
In Bezug auf die Zeitlage des Messfensters und auf ferner liegende Grenzflä chen kann die Störung des Echopulses folgendermaßen abgeschätzt werden. Reflexionen an weiter entfernten Grenzflächen führen zu Echo-Pulsen typi scherweise weit außerhalb des Messfensters. So haben die Reflexion an der Außenseite einer Si-Linse (vgl. Linse 25 der Fig. 1) gegen Luft - wegen des ho hen Brechungsindex-Sprunges Dh von etwa 2,5 (Brechungsindex von Si: 3,478 bei einer Wellenlänge von 1550 nm, Brechungsindex von Luft: ca. 1 bei einer Wellenlänge von 1550 nm) - eine sehr hohe Amplitude. Der Abstand zwischen der Photoleiterschicht und der Außenseite der Si-Linse ist mit 7,35 mm recht groß, wobei hier von einer Dicke des InP-Substrats von etwa 350 pm und einer Dicke der Si-Linse von etwa 7 mm ausgegangen wurde. Da der Echo-Puls die sen Weg zwei Mal durchläuft beträgt die Zusatz-Laufstrecke gegen den Origi nal-Puls also etwa 14,7 mm. Berücksichtigt man noch den Brechungsindex von ca. 3,4, so ergibt sich sogar eine optische Zusatz-Wegstrecke von ca. 50 mm und somit eine Verzögerung des Echo-Pulses von ca. 150 ps. Damit liegen die se Echo-Pulse außerhalb der typischen Messfenster und stören die Messun gen in der Regel nicht. With regard to the timing of the measurement window and to further boundary surfaces, the disturbance of the echo pulse can be estimated as follows. Reflections at more distant interfaces lead to echo pulses typically far outside the measurement window. So have the reflection on the outside of a Si lens (see. Lens 25 of Fig. 1) against air - because of the ho hen refractive index jump Dh of about 2.5 (refractive index of Si: 3.478 at a wavelength of 1550 nm, Refractive index of air: approx. 1 at a wavelength of 1550 nm) - a very high amplitude. The distance between the photoconductor layer and the outside of the Si lens is quite large at 7.35 mm, with a thickness of the InP substrate of about 350 μm and a thickness of the Si lens of about 7 mm being assumed here. Since the echo pulse traverses this path twice, the additional running distance against the original pulse is about 14.7 mm. If one also takes into account the refractive index of approx. 3.4, this even results in an additional optical distance of approx. 50 mm and thus a delay of the echo pulse of approx. 150 ps. This means that these echo pulses lie outside the typical measurement window and generally do not interfere with the measurements.
Die Grenzfläche zwischen InP-Substrat (n = 3,167 bei 1550 nm) und Si-Linse (n = 3,478 bei 1550 nm) weist bei bündigem Kontakt einen Brechungsindex sprung von Dh = 0.311 auf. Dieser flächenhaft bündige Kontakt ist aber - ins besondere wegen der begrenzten Planarität des spröden InP-Substrats - schwer zu erreichen. Bildet sich als Folge in Teilbereichen ein Luftspalt zwi schen InP und Si aus, dann ist an den Halbleiter-Luft Grenzflächen mit wesent lich höheren Reflexionen zu rechnen. Dabei spielt aber auch die Breite des Luftspaltes relativ zur Wellenlänge eine Rolle. Bei einer Terahertz-Welle mit Wellenlängen im 100 pm - Bereich (3 THz) ragt die nur relativ langsam abklin gende Welle über einen sub-pm-Spalt hinaus ins zweite Halbeitermaterial hinein und breitet sich dort aus, sodass eine hohe Reflexion sich hier noch nicht ausbilden kann. Für den anregenden Laserpuls mit einer Wellenlänge von z.B. 1,5 pm aber bildet sich bereits bei einer Spaltbreite von 0,75 pm (hal be Wellenlänge) die erste Resonatormode höchster Reflexion aus, und der Anstieg der Reflexion setzt deshalb schon bei kleineren Spaltbreiten ein. Klei ne sub-pm Luftspalte wirken sich also wegen der um Größenordnungen un terschiedlichen Wellenlängen auf THz-Wellen kaum aus, während der opti sche Anregungspuls eine hohe Reflexion erfährt. The interface between the InP substrate (n = 3.167 at 1550 nm) and the Si lens (n = 3.478 at 1550 nm) has a refractive index jump of Dh = 0.311 when there is flush contact. However, this areally flush contact is difficult to achieve, in particular because of the limited planarity of the brittle InP substrate. If, as a result, an air gap forms between InP and Si in some areas, then significantly higher reflections can be expected at the semiconductor-air interfaces. The width of the air gap relative to the wavelength also plays a role here. In the case of a terahertz wave with wavelengths in the 100 pm range (3 THz), the relatively slowly decaying wave protrudes through a sub-pm gap into the second semiconductor material and spreads there, so that a high level of reflection does not yet occur here can train. For the exciting laser pulse with a wavelength of e.g. 1.5 pm, however, the first resonator mode of the highest reflection forms at a slit width of 0.75 pm (half a wavelength), and the increase in reflection therefore begins even with smaller slit widths. Small sub-pm air gaps therefore hardly have any effect on THz waves because of the different wavelengths by orders of magnitude, while the optical excitation pulse experiences a high level of reflection.
In den oben betrachteten THz-Systemen mit langwelliger Anregung bei 1,5 pm Wellenlänge von epitaktischen Schichten auf für diese Wellenlänge transpa rentem InP-Substrat sind es zusammenfassend die optischen Reflexionen an der Grenzfläche zwischen InP-Substrat und der Si-Linse (vgl. Grenzfläche 26 in Fig. 2), die zu störenden Echo-Pulsen führen, wobei die Echopulse die photo aktive Schicht verzögert ein zweites Mal treffen und anregen. Der THz-Sender emittiert dadurch Echo-Pulse, und im Empfänger wird das empfangene THz- Signal ein zweites Mal abgetastet. Daher entstehen zeitversetzte Replika der THz-Signalmuster. In the THz systems considered above with long-wave excitation at 1.5 pm wavelength of epitaxial layers on an InP substrate that is transparent for this wavelength, it is in summary the optical reflections at the interface between the InP substrate and the Si lens (see interface 26 in Fig. 2), which lead to disruptive echo pulses, the echo pulses hit the photoactive layer a second time with a delay and excite it. The THz transmitter then emits echo pulses, and the received THz signal is sampled a second time in the receiver. Therefore, time-shifted replicas of the THz signal patterns are created.
Zur Zeitlage der optischen Reflexion an der Grenzfläche InP-Substrat zu Si- Linse können z.B. folgende Aussagen getroffen werden. Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte InP-Substrat hat eine Dicke von typischerweise 350 pm, Hin- und Rückweg sind also 700 pm. Rechnet man über den Brechungsindex die Lichtgeschwindigkeit in InP ein, ein so ergibt sich eine Verzögerung des Echos zum Hauptpuls von ca. 7 ps. Eine derartige Verzögerung der Echo-Pulse ist messbar und in Fig. 3 deutlich erkennbar. The following statements, for example, can be made regarding the timing of the optical reflection at the InP substrate to Si lens interface. The in Figures 1 The InP substrate shown in FIG. 2 and FIG. 2 has a thickness of typically 350 μm, the way there and back is therefore 700 μm. If you include the speed of light in InP using the refractive index, the result is a delay of the echo to the main pulse of approx. 7 ps. Such a delay in the echo pulses can be measured and can be clearly seen in FIG. 3.
Will man im Vergleich z.B. eine Probe mit einer Mehrschicht-Struktur mit Schichtdicken im einige 100 pm-Bereich vermessen, so liegen die an Vorseite und Rückseite der Schicht reflektierten Pulse (Hin- und Rückweg 200 pm) um (bei einem für die Probe angenommenen Brechungsindex von 1,5) auch einige ps auseinander. Berücksichtigt man die Mehrschicht-Struktur der Probe, die Breite der THz-Pulse, und die geringe Amplitude der Reflexion an den inneren Lack-Grenzflächen, dann wird deutlich, dass Echopulse dieser Zeitlage die Messgenauigkeit erheblich beeinträchtigen. If, for example, a sample with a multilayer structure with layer thicknesses in the several 100 μm range is to be measured, the pulses reflected on the front and back of the layer (there and back 200 μm) are around (with a refractive index assumed for the sample of 1.5) also a few ps apart. If one takes into account the multi-layer structure of the sample, the width of the THz pulses, and the low amplitude of the reflection at the inner lacquer interfaces, it becomes clear that echo pulses at this time significantly impair the measurement accuracy.
Die Reflexionen zwischen dem InP-Sustrat und der Si-Linse sind tatsächlich die kritischen Reflexionen, wie auch Messungen bei Einsatz von THz-Antennen in einem Time-Domain System zeigen (vgl. Fig. 3). Beobachtet werden Vor- und Nach-Pulse mit einem Abstand von ca. 7 ps zum Hauptpuls. Wie oben be schrieben, entsprechen diese 7 ps genau der Zeitverzögerung von Echo-Pulsen durch Reflexion des Laserpulses an der Grenzfläche zwischen InP-Substrat und Si-Linse. Durch Dickenschwankungen des InP-Substrats (nominell 350 pm) va riiert bei Vergleich verschiedener THz-Sende-Chips die Zeitlage des einen Pul ses etwas. The reflections between the InP substrate and the Si lens are actually the critical reflections, as is also shown by measurements when using THz antennas in a time domain system (cf. FIG. 3). Pre- and post-pulses are observed at a distance of approx. 7 ps from the main pulse. As described above, these 7 ps correspond exactly to the time delay of echo pulses due to reflection of the laser pulse at the interface between the InP substrate and the Si lens. Due to fluctuations in the thickness of the InP substrate (nominally 350 μm), the timing of one pulse varies somewhat when comparing different THz transmitter chips.
Die Echo-Pulse auf der anderen Zeitachsen-Seite (vgl. Fig. 3) sind durch die Reflexionen des fs-Lasers im THz Empfänger bedingt. Der Empfänger ist in al len Messungen gleich, weshalb die zugehörigen Echo-Pulse auch gut überei- nanderliegen. Prinzipiell können diese Echo-Pulse in einem festen Mess- System also herausgerechnet werden. Kritisch wird es aber, wenn ein schwa ches Messsignal nahe bei einem der Echo-Pulse liegt. Dies soll an einem wich tigen Anwendungsbeispiel erläutert werden. The echo pulses on the other side of the time axis (cf. Fig. 3) are caused by the reflections of the fs laser in the THz receiver. The receiver is the same in all measurements, which is why the associated echo pulses are also well aligned. In principle, these echo pulses can therefore be calculated out in a fixed measuring system. However, it becomes critical when a weak measurement signal is close to one of the echo pulses. This will be explained using an important application example.
Wichtige Anwendungsgebiete ergeben sich daraus, dass THz-Strahlung (0,1 THz bis 30 THz) viele dielektrische Materialien wie Kunststoffe, Lacke und Pa pier durchdringen kann, die für sichtbares Licht undurchsichtig sind. Dies schafft Einsatzmöglichkeiten in der zerstörungsfreien Materialprüfung. Ge fragt ist z.B. die Messung der Dicke einzelner Lagen von Plastik-Materialien in Verb und- Werkstoffen, bevorzugt kontaktfrei schon beim Herstellungs-Prozess (z.B. Extrusion). Important areas of application result from the fact that THz radiation (0.1 THz to 30 THz) can penetrate many dielectric materials such as plastics, lacquers and paper that are opaque to visible light. this creates possible uses in non-destructive material testing. What is in demand is, for example, the measurement of the thickness of individual layers of plastic materials in composite and materials, preferably contact-free during the manufacturing process (e.g. extrusion).
Ein anderes Beispiel ist die Messung der Dicke von Lackschichten 32 (vgl. Fig. 4), und zwar innerhalb von Multischicht-Systemen und kontaktfrei bei noch feuchten Lacken, sodass der laufende Lackierungsprozess z.B. einer Auto- Karosserie gesteuert werden kann. Für diese Messung wird ein THz-Puls 12 auf eine lackierte Metallfläche 33 gerichtet. An den verschiedenen Grenzflä chen zwischen den Lackschichten 32 (typisch Rostschutz - Füllung - Farblack - Klarlack) sowie dem Metall-Träger 33 erfolgen nun Reflexionen 34, die sich in der Zeitlage unterscheiden. Die reflektierten THz-Pulse 34 werden nun zur Empfangsantenne 31 geleitet und dort wird mit dem abtastenden Laserpuls der Zeitversatz der reflektierten THz-Pulse gemessen. Bei Kenntnis der Bre chungsindizes der Schichten 32 können nun die einzelnen Dicken im Schicht paket ermittelt werden. Die Brechungsindizes von den Lacken liegen oftmals im Bereich 1,5 bis 1,6 für die THz-Strahlung. Another example is the measurement of the thickness of paint layers 32 (see Fig. 4), namely within multi-layer systems and without contact when the paint is still wet, so that the ongoing painting process, e.g. of a car body, can be controlled. For this measurement, a THz pulse 12 is directed onto a painted metal surface 33. At the various Grenzflä surfaces between the layers of paint 32 (typically rust protection - filling - colored lacquer - clear lacquer) and the metal carrier 33 are now reflections 34, which differ in time. The reflected THz pulses 34 are now passed to the receiving antenna 31 and there the time offset of the reflected THz pulses is measured with the scanning laser pulse. If the index of refraction of the layers 32 is known, the individual thicknesses in the layer package can now be determined. The refractive indices of the lacquers are often in the range from 1.5 to 1.6 for THz radiation.
Bedacht werden muss nun, dass die Brechungsindizes der Lacke sich nur rela tiv gering voneinander unterscheiden, die Reflexionsamplituden an den inne ren Grenzflächen also klein sind, während die Grenzflächen Luft zu Lack oder Lack zu Metall viel stärkere Reflexionen bewirken. Dieses THz-Reflexions- muster 34 ist schematisch in Fig. 4 skizziert. It must now be taken into account that the refractive indices of the paints differ only slightly from one another, i.e. the reflection amplitudes at the inner interfaces are small, while the air-to-paint or paint-to-metal interfaces cause much stronger reflections. This THz reflection pattern 34 is sketched schematically in FIG.
Emittiert der THz-Sender 30 nun durch optische Mehrfach-Anregung Echo- Pulse, so entsteht eine zeitverzögertes Replika 35 des Reflexionsmusters 34 (vgl. Fig. 5). Dabei kann im Replika 35 die starke Reflektion an der Luftgrenze gerade nahe bei den schwachen Reflexionen des Hauptpulses an den internen Grenzflächen liegen, vgl. Fig. 5. Weiterhin kann durch Echo-Pulse im Empfän ger 31 die starke Reflexion an der Lack-Metall Grenzfläche gerade in das Zeit fenster fallen, in dem der Hauptpuls die schwachen Reflexionen an den Über gängen zwischen den einzelnen Lackschichten abtastet. If the THz transmitter 30 now emits echo pulses through multiple optical excitation, a time-delayed replica 35 of the reflection pattern 34 is produced (cf. FIG. 5). In the replica 35, the strong reflection at the air boundary can be close to the weak reflections of the main pulse at the internal interfaces, see FIG just fall into the time window in which the main pulse scans the weak reflections at the transitions between the individual layers of paint.
Aus dem Obigen wird somit offensichtlich, dass die Mess-Qualität auch durch schwache Echo-Pulse erheblich beeinträchtigt werden kann. Echos in den THz Antennen - sowohl in Sender SO als auch in Empfänger 31 - sollten also unbe dingt vermieden werden. From the above it is therefore evident that the measurement quality can also be considerably impaired by weak echo pulses. Echoes in the THz Antennas - both in the transmitter SO and in the receiver 31 - should therefore be avoided at all costs.
Das vorstehend gezeigte Beispiel soll die Wichtigkeit der Echo-Unterdrückung verdeutlichen. Aber auch in Mess-Systemen in Transmissions-Anordnung oder bei spektroskopischen Analysen, bei denen eine Fourier-Transformation des detektierten Pulszuges zum Einsatz kommt, können die Echo-Pulse erheblich stören und deren störende Wirkung kann nicht immer heraus gerechnet wer den. In sogenannten „continuous wave" THz-Systemen (CW THz-Systemen) sind Echo-Signale nicht so augenfällig, aber nachvollziehbar deformieren sie auch hier die optischen Schwebungssignale und die Phase und Form derTHz- Wellen. The example shown above is intended to illustrate the importance of echo suppression. But also in measuring systems in a transmission arrangement or in spectroscopic analyzes in which a Fourier transformation of the detected pulse train is used, the echo pulses can significantly interfere and their interfering effect cannot always be calculated out. In so-called "continuous wave" THz systems (CW THz systems) echo signals are not so obvious, but they also deform the optical beat signals and the phase and shape of the Hz waves in a comprehensible manner.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu konzipieren, mit der die oben geschilderten Probleme zumindest teilweise gelöst werden können. Es wäre insbesondere vorteilhaft, eine Anordnung bereitzustellen, mit der die genann ten Echo-Pulse verhindert oder zumindest reduziert werden können. Außer dem wäre es vorteilhaft, wenn ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung bereitgestellt werden kann. It is the object of the invention to devise an arrangement with which the problems outlined above can be at least partially solved. It would be particularly advantageous to provide an arrangement with which the mentioned echo pulses can be prevented or at least reduced. In addition, it would be advantageous if a method of manufacturing the assembly can be provided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung, eine Antenne, ein Terahertzsystem und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche sowie der nachstehenden Beschreibung. According to the invention, this object is achieved by an arrangement, an antenna, a terahertz system and a method according to the independent claims. Developments are the subject of the dependent claims and the description below.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung für eine Antenne zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung bereit gestellt. Die Anordnung umfasst: eine photoaktive Schicht, welche durch optische Strahlung im Be reich 1200 nm bis 1700 nm aktivierbar ist, ein für die optische Strahlung transparentes Substrat, auf dem die photoaktive Schicht befestigt ist, einen für die optische Strahlung transparenten Träger, wobei das Substrat auf dem Träger befestigt ist und zwischen der photoakti ven Schicht und dem Träger angeordnet ist. Das Substrat und derTräger sind aus einem gleichen Material hergestellt. Weiter weist die Anordnung eine erste haftvermittelnde Schicht auf, wobei die erste haftvermittelnde Schicht zwischen der photoaktiven Schicht und dem Substrat angeordnet ist und beide flächig miteinander verbindet. Die ers te haftvermittelnde Schicht weist eine Schichtdicke von höchstens 5 pm auf. According to one aspect of the present invention, an arrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation is provided. The arrangement comprises: a photoactive layer which can be activated by optical radiation in the range from 1200 nm to 1700 nm, a substrate which is transparent to the optical radiation and on which the photoactive layer is attached, a carrier which is transparent to the optical radiation, the substrate is attached to the carrier and is arranged between the photoactive layer and the carrier. The substrate and the carrier are made of the same material. The arrangement furthermore has a first adhesion-promoting layer, the first adhesion-promoting layer being arranged between the photoactive layer and the substrate and connecting the two to one another over a large area. The first adhesion-promoting layer has a layer thickness of at most 5 μm.
Durch die geringe Dicke der ersten haftvermittelnden Schicht ist die Laufzeit des Lichtes zur Substrat-Grenzfläche und zurück relativ kurz. Somit regen durch die erste haftvermittelnde Schicht verursachte optische Reflexionen fast zeitgleich mit dem Anregungslicht die photoaktive Schicht an. Somit kön nen räumlich getrennte Echo-Pulse vermieden werden. Due to the small thickness of the first adhesion-promoting layer, the transit time of the light to the substrate interface and back is relatively short. Optical reflections caused by the first adhesion-promoting layer thus excite the photoactive layer almost simultaneously with the excitation light. In this way, spatially separated echo pulses can be avoided.
Dadurch dass das Substrat und der Träger aus dem gleichen Material herge stellt sind, weisen sie einen gleichen Brechungsindex auf. Folglich gibt es beim Übergang der Materialien keinen Sprung des Brechungsindex. Hierdurch kön nen Reflektionen an den Grenzflächen der Materialien und somit die obenge nannten optischen Reflexionen bzw. die optischen Echo-Pulse erheblich redu ziert werden. Because the substrate and the carrier are made of the same material, they have the same refractive index. As a result, there is no jump in the refractive index when the materials transition. As a result, reflections at the interfaces of the materials and thus the above-mentioned optical reflections or the optical echo pulses can be considerably reduced.
Die erste haftvermittelnde Schicht ermöglicht einen flächenhaft bündigen Kontakt zwischen der photoaktiven Schicht und dem Substrat. Hierdurch kön nen insbesondere Luftspalte zwischen der photoaktiven Schicht und dem Sub strat unterbunden bzw. reduziert werden. Durch die geringe Schichtdicke der haftvermittelnden Schicht können Grenzflächen nahe an die photoaktive Schicht gebracht werden, sodass an der Grenzfläche Substrat zu haftvermit telnder Schicht reflektierte Pulse innerhalb der Pulsbreite der optischen Origi nal-Pulse liegen. Die reflektierten optischen Pulse können hierdurch mit dem Originalpuls verschmelzen, wodurch die Bildung getrennter Echo-Pulse ver mieden werden kann. The first adhesion-promoting layer enables a surface flush contact between the photoactive layer and the substrate. In this way, air gaps between the photoactive layer and the substrate in particular can be prevented or reduced. Due to the small thickness of the adhesion-promoting layer, interfaces can be brought close to the photoactive layer so that pulses reflected at the interface between substrate and adhesion-promoting layer are within the pulse width of the original optical pulses. The reflected optical pulses can thereby merge with the original pulse, whereby the formation of separate echo pulses can be avoided.
Materialien oder Komponenten sollen im Sinne der vorliegenden Schrift als transparent bezeichnet werden, wenn sie durchlässig für mindestens 90 % und/oder mindestens 95 % und/oder 99 % der einfallenden Strahlung im inte ressierenden elektromagnetischen Spektralbereich sind. Die photoaktive Schicht kann eine Schichtdicke haben, die kleiner als eine Substratdicke des Substrats ist. Beispielsweise hat die photoaktive Schicht ei ne Schichtdicke von höchstens 10 pm, vorzugsweise höchstens 5 pm. Insbe sondere kann die Schichtdicke im Bereich 1 pm bis 2 pm liegen. Derartige Schichtdicken sind allerdings oftmals nicht hinreichend mechanisch stabil. Das Substrat dient somit hauptsächlich der mechanischen Stabilisierung der pho toaktiven Schicht. Materials or components should be referred to as transparent in the context of this document if they are permeable to at least 90% and / or at least 95% and / or 99% of the incident radiation in the electromagnetic spectral range of interest. The photoactive layer can have a layer thickness which is smaller than a substrate thickness of the substrate. For example, the photoactive layer has a layer thickness of at most 10 μm, preferably at most 5 μm. In particular, the layer thickness can be in the range from 1 pm to 2 pm. However, such layer thicknesses are often not sufficiently mechanically stable. The substrate thus mainly serves to mechanically stabilize the photoactive layer.
Das Substrat kann eine Dicke haben, die mindestens 10-mal oder mindestens 100-mal größer als die Schichtdicke der photoaktiven Schicht ist. Es kann vor gesehen sein, dass das Substrat eine Substratdicke von höchstens 1 mm, vor zugsweise höchstens 0,5 mm und/oder wenigstens 0,2 mm, insbesondere wenigstens als 0,3 mm aufweist. Derartige Substratdicken sind typisch für Halbleiterscheiben bzw. Wafer. Das Substrat kann somit aus einer Halbleiter scheibe, vorzugsweise einem Wafer oder einem Halbleiter-Chip gefertigt sein. Die auf dem Wafer befestigte photoaktive Schicht kann dann einer typischen Wafer-Prozessierung unterworfen werden und es können so eine Vielzahl von Strukturen parallel bearbeitet werden. Eine der photoaktiven Schicht abge wandte Seite des Substrats grenzt vorzugsweise direkt an den Träger an. Hier durch können störende Reflektionen ebenfalls verringert werden. The substrate can have a thickness which is at least 10 times or at least 100 times greater than the layer thickness of the photoactive layer. It can be provided that the substrate has a substrate thickness of at most 1 mm, preferably at most 0.5 mm and / or at least 0.2 mm, in particular at least 0.3 mm. Such substrate thicknesses are typical for semiconductor wafers or wafers. The substrate can thus be made from a semiconductor disk, preferably a wafer or a semiconductor chip. The photoactive layer attached to the wafer can then be subjected to a typical wafer processing and a large number of structures can thus be processed in parallel. A side of the substrate facing away from the photoactive layer is preferably directly adjacent to the carrier. This can also reduce annoying reflections.
Gemäß einer Variante weist der Träger eine Trägerdicke von mindestens 3 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm, insbesondere mindestens 7 mm auf. Die Substratdicke ist somit üblicherweise kleiner als die Trägerdicke. Die Trägerdi cke kann z.B. mindestens fünfmal so groß sein wie die Substratdicke. Auf grund der relativ großen Trägerdicke im Vergleich zur Schichtdicke und der Substratdicke können die optischen Laufzeiten der optischen Strahlung im Träger relativ lang sein, wodurch die optischen Reflektionen zeitlich verscho ben werden können. So können unvermeidliche reflektierende Grenzflächen mit Abstand zur photoaktiven Schicht durch Erhöhung der Dicke des angren zenden Trägers außerhalb eines interessierenden Messfensters einer Mes sung verschoben werden, sodass die Messung nicht mehr beeinträchtigt wird. According to one variant, the carrier has a carrier thickness of at least 3 mm, preferably at least 5 mm, in particular at least 7 mm. The substrate thickness is thus usually smaller than the carrier thickness. The carrier thickness can, for example, be at least five times as great as the substrate thickness. Due to the relatively large carrier thickness compared to the layer thickness and the substrate thickness, the optical transit times of the optical radiation in the carrier can be relatively long, as a result of which the optical reflections can be shifted in time. For example, unavoidable reflective interfaces at a distance from the photoactive layer can be shifted outside of an interesting measurement window of a measurement by increasing the thickness of the adjacent carrier, so that the measurement is no longer impaired.
Dicken oder Schichtdicken werden in der vorliegenden Schrift vorzugsweise senkrecht zu Schichtebenen und/oder senkrecht zu planen Oberflächen ge messen. Typischerweise werden sämtliche Dicken und Schichtdicken entlang einer gleichen Richtung gemessen. In the present document, thicknesses or layer thicknesses are preferably measured perpendicular to layer planes and / or perpendicular to planar surfaces. Typically, all thicknesses and layer thicknesses are along measured in the same direction.
Es kann vorgesehen sein, dass eine dem Substrat abgewandte Seite der pho toaktiven Schicht zumindest bereichsweise beschichtungsfrei ist und insbe sondere an der Umgebungsluft freiliegt. Herstellungsbedingt (s. unten) kann es Vorkommen, dass die dem Substrat abgewandte Seite der photoaktiven Schicht bereichsweise InP-Rückstände aufweist. It can be provided that a side of the photoactive layer facing away from the substrate is at least partially free of coating and in particular is exposed to the ambient air. Due to the manufacturing process (see below) it can happen that the side of the photoactive layer facing away from the substrate has InP residues in some areas.
Die optische Strahlung im Sinne der vorliegenden Schrift wird als die elektro magnetische Strahlung verstanden, welche zum Anregen der photoaktiven Schicht benötigt wird, sodass in der photoaktiven Schicht Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Die Anregungsenergie der optischen Strahlung hängt hierbei von einer Bandlücke, also einem Abstand zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband, des verwendeten photoaktiven Materials ab. Umgekehrt kann das photoaktive Material der photoaktiven Schicht derart gewählt wer den, dass die Bandlücke auf eine bestimmte Anregungsenergie abgestimmt ist. Sofern die Bandlücke temperaturabhängig ist, seien hier stets ihre in übli cher Weise definierten Werte bei Betriebstemperatur gemeint, typischer weise bei zwischen 10 °C und 50 °C, vorzugsweise zwischen 15 °C und 25 °C. Um auf bekannte Komponenten der optischen Telekommunikationstechnik zurückgreifen zu können, wird die photoaktive Schicht eine Bandlücke aufwei sen, welche einer Anregungswellenlänge von mindestens 1200 nm, vorzugs weise mindestens 1250 und/oder höchstens 1700 nm, vorzugsweise höchs tens 1650 nm entspricht. Die photoaktive Schicht kann zum Beispiel zumin dest überwiegend aus einem Halbleitermaterial, wie InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP und/oder GaAlAs hergestellt sein, oder eine Kombination von mehreren Halbleitern umfassen. Der verwendete Halbleiter ist üblicher weise mit einem Übergangsmetall, insbesondere Fe, Rh oder Ru, dotiert. Eine Konzentration des Übergangsmetalls in der photoaktiven Schicht kann min destens 1018 cm 3, vorzugsweise mindestens 1019 cm 3 betragen. The optical radiation in the sense of the present document is understood as the electromagnetic radiation which is required to excite the photoactive layer, so that electron-hole pairs are generated in the photoactive layer. The excitation energy of the optical radiation depends on a band gap, i.e. a distance between a valence band and a conduction band, of the photoactive material used. Conversely, the photoactive material of the photoactive layer can be selected in such a way that the band gap is matched to a specific excitation energy. If the band gap is temperature-dependent, its customarily defined values at operating temperature are always meant here, typically between 10 ° C and 50 ° C, preferably between 15 ° C and 25 ° C. In order to be able to fall back on known components of optical telecommunications technology, the photoactive layer has a band gap which corresponds to an excitation wavelength of at least 1200 nm, preferably at least 1250 and / or at most 1700 nm, preferably at most 1650 nm. The photoactive layer can for example be made at least predominantly from a semiconductor material such as InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP and / or GaAlAs, or comprise a combination of several semiconductors. The semiconductor used is usually doped with a transition metal, in particular Fe, Rh or Ru. A concentration of the transition metal in the photoactive layer can be at least 10 18 cm 3 , preferably at least 10 19 cm 3 .
Vorzugsweise ist die photoaktive Schicht aus einer einzigen Schicht des pho toaktiven Materials gebildet. Preferably, the photoactive layer is formed from a single layer of the photoactive material.
Alternativ kann die photoaktive Schicht mehrere Teilschichten umfassen. Bei spielsweise können mindestens eine aktive Schicht und eine angrenzende Schicht vorgesehen sein. In der Regel wird dabei die aktive Schicht oder jede der aktiven Schichten jeweils zwischen zwei angrenzenden Schichten einge bettet sein. Die angrenzenden Schichten dienen dabei als Rekombinations schichten. Es kann vorgesehen sein, dass die photoaktive Schicht eine perio dische Schichtstruktur hat mit einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten aktiven Schichten und Rekombinationsschichte n; wobei z. B. 100 oder mehr aktive Schichten vorgesehen sein können. Alternatively, the photoactive layer can comprise a plurality of partial layers. For example, at least one active layer and one adjacent Layer be provided. As a rule, the active layer or each of the active layers will be embedded between two adjacent layers. The adjacent layers serve as recombination layers. It can be provided that the photoactive layer has a periodic layer structure with a multiplicity of alternately arranged active layers and recombination layers; where z. B. 100 or more active layers can be provided.
Die Wirkung verbleibender Echo-Pulse kann weiter minimiert bzw. reduziert werden, indem die Ausdehnung der photoaktiven Schicht auf die unbedingt nötige Fläche beschränkt wird. Die photoaktive Schicht kann eine Grundfläche von höchstens 1 mm2, vorzugsweise höchstens 0,1 mm2, bevorzugt höchstens 0,01 mm2 aufweisen. Eine senkrechte Projektion der photoaktiven Schicht auf das Substrat kann eine Fläche von höchstens 1 mm2, vorzugsweise höchstens 0,1 mm2, bevorzugt höchstens 0,01 mm2 aufweisen. Die genannte Projektion senkrecht auf das Substrat ist hierbei eine Parallelprojektion, d.h. die von der photoaktiven Schicht ausgehenden Projektionsstrahlen, die als Projektionsli nien bezeichnet werden, sind parallel zueinander. Die photoaktive Schicht kann eine seitliche Ausdehnung gemessen parallel zum Substrat und/oder ei nen Durchmesser von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,1 mm aufwei sen. Die photoaktive Schicht kann insbesondere als Mesa-Struktur vorliegen. The effect of remaining echo pulses can be further minimized or reduced by restricting the expansion of the photoactive layer to the absolutely necessary area. The photoactive layer can have a base area of at most 1 mm 2 , preferably at most 0.1 mm 2 , preferably at most 0.01 mm 2 . A perpendicular projection of the photoactive layer onto the substrate can have an area of at most 1 mm 2 , preferably at most 0.1 mm 2 , preferably at most 0.01 mm 2 . The aforementioned projection perpendicular to the substrate is a parallel projection, ie the projection rays emanating from the photoactive layer, which are referred to as projection lines, are parallel to one another. The photoactive layer can have a lateral extent measured parallel to the substrate and / or a diameter of at most 1 mm, preferably at most 0.1 mm. The photoactive layer can in particular be in the form of a mesa structure.
Das Substrat kann zum Beispiel als planparallele Platte ausgeführt sein. Der Träger kann als planparalleler Körper oder als keilförmiger Körper ausgeführt sein. Das Substrat kann direkt an den Träger angrenzen, d.h. ohne eine dazwi schenliegende Klebeverbindung oder Schicht. In alternativen Ausführungs formen ist eine zweite haftvermittelnde Schicht vorgesehen, welche zwischen dem Substrat und dem Träger angeordnet ist und beide flächig miteinander verbindet. The substrate can be designed, for example, as a plane-parallel plate. The carrier can be designed as a plane-parallel body or as a wedge-shaped body. The substrate can be directly adjacent to the carrier, i.e. without an adhesive bond or layer in between. In alternative embodiments, a second adhesion-promoting layer is provided, which is arranged between the substrate and the carrier and connects the two to one another over a large area.
Die erste haftvermittelnde Schicht und die zweite haftvermittelnde Schicht können aus dem gleichen Material bestehen oder unterschiedliche Materia lien umfassen. Es kommen unterschiedliche Materialien für die jeweiligen haftvermittelnde Schichten in Betracht. Hierbei sollte das Material einerseits die zu verbindenden Komponenten flächig und bündig miteinander verbinden. Andererseits sollte das Material transparent für die THz-Strahlung und/oder die optische Strahlung sein. In einer Ausführungsform ist die erste haftvermit telnde Schicht und/oder die zweite haftvermittelnde Schicht eine Klebe schicht, zum Beispiel eine Schicht aus Benzocyclobuten (BCB). Andere geeig nete Materialien sind auch denkbar. The first adhesion-promoting layer and the second adhesion-promoting layer can consist of the same material or comprise different materials. Different materials can be used for the respective adhesion-promoting layers. On the one hand, the material should connect the components to be connected to one another in a flat and flush manner. On the other hand, the material should be transparent to the THz radiation and / or be the optical radiation. In one embodiment, the first adhesion-promoting layer and / or the second adhesion-promoting layer is an adhesive layer, for example a layer of benzocyclobutene (BCB). Other suitable materials are also conceivable.
In einer Ausführungsform ist das Substrat als Silizium-Wafer ausgeführt. Der Träger kann als Silizium-Körper ausgeführt sein. Silizium-Wafer und Silizium- Körper sind mit hoher Oberflächenplanarität verfügbar. Außerdem sind dünne Si-Wafer (0,2 mm - 1 mm) in der Regel elastisch und biegbar, und passen sich gut an den angrenzenden Silizium-Körper, also an den Träger, an. In manchen Ausführungsformen können durch van der Waals Kräfte / Kohäsion flächen haft lückenlose Si-Si Verbindungen zwischen dem als Si-Wafer ausgeführten Substrat und dem als Si-Körper ausgeführten Träger geschaffen werden. Hier durch können vorteilhaft Luftspalte zwischen dem Träger und dem Substrat, und somit Brechungsindexsprünge, vermieden werden. In one embodiment, the substrate is designed as a silicon wafer. The carrier can be designed as a silicon body. Silicon wafers and silicon bodies are available with high surface planarity. In addition, thin Si wafers (0.2 mm - 1 mm) are usually elastic and bendable and adapt well to the adjoining silicon body, i.e. to the carrier. In some embodiments, van der Waals forces / cohesion can create seamless Si-Si connections between the substrate in the form of a Si wafer and the carrier in the form of an Si body. In this way, air gaps between the carrier and the substrate, and thus refractive index jumps, can advantageously be avoided.
Die Anordnung kann außerdem eine Linse für die Terahertzstrahlung aufwei sen. Typischerweise werden konvexe Linsen, vorzugsweise plankonvexe Lin sen verwendet. Oftmals wird hierbei auf eine hemisphärische Linse oder eine hyperhemisphärische Linse zurückgegriffen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Linse auf dem Träger befestigt. Die Linse kann an den Träger angrenzen. Es kann aber auch eine dritte haftvermittelnde Schicht zwischen dem Träger und der Linse vorgesehen sein, welche beide flächig miteinander verbindet. Alter nativ kann die Linse den Träger bilden. In diesem Fall ist das Substrat also di rekt auf der Linse befestigt, ohne dass ein zusätzlicher Träger vorhanden ist. Gemäß einer Variante ist die Linse aus dem gleichen Material wie das Substrat und/oder der Träger hergestellt. Die Linse kann alternativ auch aus einem Po lymermaterial, wie Polymethylpenten (auch TPX oder PMP genannt), herge stellt sein. Eine Linsendicke, in der Regel gemessen an einer dicksten Stelle der Linse, kann wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 3 mm betragen. Die Linsendicke und die Trägerdicke können gleich groß sein. The arrangement can also have a lens for the terahertz radiation. Typically, convex lenses, preferably plano-convex lenses, are used. Often a hemispheric lens or a hyperhemispheric lens is used. According to one embodiment, the lens is attached to the carrier. The lens can be adjacent to the wearer. However, a third adhesion-promoting layer can also be provided between the carrier and the lens, which connects the two with one another over a large area. Alternatively, the lens can form the wearer. In this case, the substrate is therefore attached directly to the lens without an additional carrier being present. According to a variant, the lens is made from the same material as the substrate and / or the carrier. Alternatively, the lens can also be made of a polymer material such as polymethylpentene (also called TPX or PMP). A lens thickness, usually measured at a thickest point on the lens, can be at least 2 mm, preferably at least 3 mm. The lens thickness and the carrier thickness can be the same.
Das Substrat und/oder der Träger und/oder die Linse sind in der Regel aus ei nem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Das Substrat und/oder der Träger und/oder die Linse sind üblicherweise transparent für die erzeugte Terahertzstrahlung. Weiterhin ist die Linse in der Regel ebenfalls transparent für die optische Strahlung. The substrate and / or the carrier and / or the lens are usually made of an electrically insulating material. The substrate and / or the carrier and / or the lens are usually transparent to the terahertz radiation generated. Furthermore, the lens is usually also transparent for the optical radiation.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Antenne zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung bereitgestellt. Die Antenne umfasst die Anordnung der zuvor beschriebenen Art. Des Weiteren weist die Antenne einen Antennenleiter mit einer ersten Teilstruktur und ei ner zweiten Teilstruktur auf. Die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur sind durch eine Lücke voneinander beabstandet und kontaktieren die photo aktive Schicht. Hierbei können die Teilstrukturen die photoaktive Schicht so wohl elektrisch als auch mechanisch kontaktieren. Der Antennenleiter ist ge wöhnlich aus einem Metall gefertigt und kann in diesem Fall zwei Metallstruk turen aufweisen. Insbesondere kann der Antennenleiter durch aufgedampftes oder gesputtertes Metall gebildet sein. Durch die Geometrie der Teilstruktu ren werden z.B. Dipol, Bow-Tie oder sog. Strip-Line Antennen ausgebildet. According to a further aspect of the present invention, an antenna for generating or receiving terahertz radiation is provided. The antenna comprises the arrangement of the type described above. Furthermore, the antenna has an antenna conductor with a first partial structure and a second partial structure. The first substructure and the second substructure are spaced apart from one another by a gap and contact the photoactive layer. Here, the substructures can contact the photoactive layer both electrically and mechanically. The antenna conductor is usually made of a metal and in this case can have two metal structures. In particular, the antenna conductor can be formed by vapor-deposited or sputtered metal. The geometry of the substructures creates e.g. dipole, bow-tie or so-called strip-line antennas.
Typischerweise wird zumindest die Empfängerantenne des THz-Systems auf einem Photoleiter basieren. Das gleiche kann auch bei der Sendeantenne der Fall sein. Die Sendeantenne kann auch auf einer Photodiode anstelle eines Photoleiters basieren, vgl. die Veröffentlichung DE 102010049 658 Al. Durch die Verwendung einer Photodiode lässt sich eine besonders hohe Effizienz der Sendeantenne erreichen. Typically, at least the receiver antenna of the THz system is based on a photoconductor. The same can also be the case with the transmitting antenna. The transmitting antenna can also be based on a photodiode instead of a photoconductor, see publication DE 102010049 658 A1. A particularly high efficiency of the transmitting antenna can be achieved by using a photodiode.
Die photoaktive Schicht kann an einer Oberfläche oder an seitlichen Stirnflä chen mit dem Antennenleiter kontaktiert sein. Beispielsweise ist der Anten nenleiter auf einer dem Substrat abgewandten oder zugewandten Seite der photoaktiven Schicht angeordnet. Alternativ können die erste Teilstruktur und die zweite Teilstruktur neben der photoaktiven Schicht auf dem Substrat an geordnet sein. In diesem Fall kann die photoaktive Schicht zwischen den bei den Strukturen angeordnet sein. The photoactive layer can be in contact with the antenna conductor on a surface or on lateral end faces. For example, the antenna conductor is arranged on a side of the photoactive layer facing away from or facing the substrate. Alternatively, the first substructure and the second substructure can be arranged next to the photoactive layer on the substrate. In this case, the photoactive layer can be arranged between the two structures.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Terahertzsystem zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertzstrahlung vorgeschlagen. Das Tera hertzsystem umfasst eine Laserlichtquelle und zwei jeweils optisch mit der Laserlichtquelle gekoppelte und durch optische Strahlung dieser Laserlicht quelle aktivierbare THz-Antennen, von denen eine erste als Sendeantenne und eine zweite als Empfängerantenne dient. Die Sendeantenne und/oder die Empfängerantenne umfassen jeweils eine Antenne der zuvor beschriebenen Art. According to a further aspect, a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation is proposed. The Terahertz system comprises a laser light source and two THz antennas, each optically coupled to the laser light source and activated by optical radiation from this laser light source, of which a first serves as a transmitting antenna and a second as a receiving antenna. The transmitting antenna and / or the Receiver antennas each include an antenna of the type described above.
Das Licht der Laserlichtquelle hat vorzugsweise eine Wellenlänge von wenigs tens 1200 nm, insbesondere wenigstens 1250 nm und/oder höchstens 1700 nm, insbesondere höchstens 1680 nm. Gemäß manchen Ausführungsformen wird ein Pulslaser als Laserlichtquelle verwendet. Alternativ kann auch ein Dauerstrichlaser (CW-Laser) verwendet werden. The light from the laser light source preferably has a wavelength of at least 1200 nm, in particular at least 1250 nm and / or at most 1700 nm, in particular at most 1680 nm. According to some embodiments, a pulsed laser is used as the laser light source. Alternatively, a continuous wave laser (CW laser) can also be used.
Die Wellenlänge der Laserlichtquelle des Terahertzsystems kann in einem der Bänder der Telekommunikation liegen, zum Beispiel im O-Band, E-Band, S- Band, C-Band, L-Band und/oder U-Band im Wellenlängenbereich zwischen 1260 nm und 1675 nm, insbesondere bei 1300 nm und 1550 nm. Die Verwen dung eines Pulslasers als Laserlichtquelle zum Aktivieren der THz-Antennen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beide THz-Antennen photoleiterbasiert sind, da sich mit einem Pulslaser besonders gut eine hohe Sendeleistung und eine hohe Empfängerempfindlichkeit verwirklichen lassen. Für eine Ausfüh rung des Terahertzsystems als Puls-System kann ein Femtosekunden-Pulslaser mit einer Wellenlänge zwischen 1200 nm und 1700 nm verwendet werden. Femtosekundenpulse haben hierbei eine Dauer von weniger als eine Pikose- kunde, z.B. zwischen 10 fs und 990 fs. The wavelength of the laser light source of the terahertz system can be in one of the telecommunications bands, for example in the O-band, E-band, S-band, C-band, L-band and / or U-band in the wavelength range between 1260 nm and 1675 nm, especially at 1300 nm and 1550 nm. The use of a pulsed laser as a laser light source to activate the THz antennas is particularly advantageous if both THz antennas are photoconductor-based, Realize receiver sensitivity. A femtosecond pulse laser with a wavelength between 1200 nm and 1700 nm can be used to implement the terahertz system as a pulse system. Femtosecond pulses have a duration of less than a picosecond, e.g. between 10 fs and 990 fs.
Bei anderen Ausführungen kann die Laserlichtquelle als eine optische Schwe bungsquelle ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle durch einen Zweimodenlaser oder ein System zweier Laser gegeben sein und einge richtet sein zur Erzeugung eines Schwebungssignals zweier Laserwellen, wobei eine Schwebungsfrequenz dieses Schwebungssignals mindestens 0,05 THz be tragen sollte und typischerweise zwischen 0,05 THz und 20 THz, vorzugsweise zwischen 0,1 THz und 10 THz liegt, damit die Terahertzstrahlung mit entspre chender Frequenz und Wellenlänge erzeugt werden kann. Die Ausführung mit einem Zweimodenlaser oder einem System zweier Laser und die Aktivierung der THz-Antennen mit einem entsprechenden Schwebungssignal führt insbe sondere dann zu befriedigenden Ergebnissen, wenn die Sendeantenne photo diodenbasiert ist, da sich durch die Verwendung einer photodiodenbasierten Sendeantenne das bei einer Aktivierung durch ein Schwebungssignal beson ders gravierende Problem zu geringer Sendeleistungen vermeiden lässt. Vorzugsweise ist eine Linsenanordnung zum Fokussieren des Laserlichts auf die photoaktive Schicht vorgesehen. Da in der Regel das Laserlicht bzw. die optische Strahlung nicht vollständig durch die photoaktive Schicht absorbiert wird, durchquert ein verbleibender Teil des Lichts die photoaktive Schicht und nachgeschaltete Schichten (Substrat, haftvermittelnde Schicht, Träger und/oder THz-Linse). Ein in einem gewissen Abstand reflektierter optischer Echopuls trifft typischerweise divergent auf die photoaktive Schicht und kann dort erneut großflächig Photoladungsträger erzeugen. Auch bei einem gewis sen Abstand zu den Teilstrukturen des Antennenleiters können diese Photola dungsträger den Antennenleiter noch aktivieren, wodurch THz-Echopulse er zeugt werden. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn eine seitliche Aus dehnung der photoaktiven Schicht derart begrenzt wird, dass der divergent reflektierte Echopuls die photoaktive Schicht nicht mehr treffen kann. Um dies zu realisieren kann die photoaktive Schicht z.B. als Mesastruktur ausgebildet sein. Die Teilstrukturen können dann als Seitenkontakten ausgebildet sein. In diesem Fall findet außerhalb des Mesas der Photoeffekt nicht statt, und so bleibt ein großer Teil der optischen Echo-Pulse bezüglich einer Anregung der photoaktiven Schicht wirkungslos. Für eine bevorzugte maximale seitliche Ausdehnung bzw. flächige Ausdehnung der photoaktiven Schicht sei auf die oben genannten Abmessungen verwiesen. In other embodiments, the laser light source can be designed as an optical vibration source. For example, the laser light source can be a dual mode laser or a system of two lasers and be set up to generate a beat signal of two laser waves, a beat frequency of this beat signal should be at least 0.05 THz and typically between 0.05 THz and 20 THz, preferably between 0.1 THz and 10 THz so that the terahertz radiation can be generated with the corresponding frequency and wavelength. The implementation with a two-mode laser or a system of two lasers and the activation of the THz antennas with a corresponding beat signal leads to particularly satisfactory results when the transmitting antenna is photo diode-based, since the use of a photo-diode-based transmitting antenna means that this is possible when activated Beat signal can avoid a particularly serious problem of insufficient transmission power. A lens arrangement is preferably provided for focusing the laser light on the photoactive layer. Since the laser light or the optical radiation is usually not completely absorbed by the photoactive layer, a remaining part of the light passes through the photoactive layer and downstream layers (substrate, adhesion-promoting layer, carrier and / or THz lens). An optical echo pulse reflected at a certain distance typically strikes the photoactive layer in a divergent manner and can there again generate photo charge carriers over a large area. Even with a certain distance from the substructures of the antenna conductor, these photola dung carriers can still activate the antenna conductor, which means that THz echo pulses are generated. For this reason, it is advantageous if a lateral expansion of the photoactive layer is limited in such a way that the divergently reflected echo pulse can no longer hit the photoactive layer. In order to achieve this, the photoactive layer can be designed as a mesa structure, for example. The substructures can then be designed as side contacts. In this case, the photoelectric effect does not take place outside the mesa, and so a large part of the optical echo pulses remains ineffective with regard to the excitation of the photoactive layer. For a preferred maximum lateral extent or areal extent of the photoactive layer, reference is made to the dimensions mentioned above.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen einer An ordnung für eine Antenne zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz- Strahlung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst wenigstens die Schritte: According to a further aspect, a method for producing an arrangement for an antenna for generating or receiving terahertz radiation is provided. The method comprises at least the following steps:
Herstellen einer photoaktiven Schicht auf einem Hilfssubstrat, wel ches zumindest überwiegend aus InP gebildet ist, flächiges Verbinden der photoaktiven Schicht mit einem Substrat mittels einer ersten haftvermittelnden Schicht, welche eine Schichtdicke von höchstens 5 pm aufweist, Production of a photoactive layer on an auxiliary substrate which is formed at least predominantly from InP, areal connection of the photoactive layer to a substrate by means of a first adhesion-promoting layer which has a layer thickness of at most 5 μm,
Entfernen des Hilfssubstrats, vorzugsweise durch chemisches Ät zen, und Removing the auxiliary substrate, preferably by chemical etching, and
Befestigen des Substrats auf einem Träger, sodass das Substrat zwischen der photoaktiven Schicht und dem Träger angeordnet ist. Die photoaktive Schicht ist durch optische Strahlung im Bereich 1200 nm bis 1700 nm aktivierbar. Außerdem sind das Substrat und der Träger aus einem gleichen Material hergestellt. Das Substrat und der Träger sind zudem trans parent für die optische Strahlung. Fixing the substrate on a carrier, so that the substrate is arranged between the photoactive layer and the carrier. The photoactive layer can be activated by optical radiation in the range from 1200 nm to 1700 nm. In addition, the substrate and the carrier are made of the same material. The substrate and the carrier are also transparent to the optical radiation.
Die photoaktive Schicht kann insbesondere epitaktisch gitterangepasst auf dem Hilfssubstrat aus InP aufgewachsen werden. Geeignete Materialien für die photoaktive Schicht mit der geforderten Bandlücke können InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP und/oder GaAlAs umfassen. Für weitere Eigen schaften der photoaktiven Schicht sei auf die obigen Ausführungen verwiesen. The photoactive layer can in particular be grown on the auxiliary substrate made of InP in an epitaxially lattice-adapted manner. Suitable materials for the photoactive layer with the required band gap can include InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP and / or GaAlAs. For further properties of the photoactive layer, reference is made to the statements above.
Nachteile eines auf InP basiertem Substrats sind oben beschrieben (z.B. Bre chungsindexsprung von InP zu Si; InP ist oftmals spröde, wodurch Luftspalte an den Grenzflächen der Komponenten entstehen). Deswegen wird das InP Material erfindungsgemäß lediglich als Hilfssubstrat zum Aufwachsen der photoaktiven Schicht verwendet. Nach dem Herstellen der photoaktiven Schicht wird das Hilfssubstrat aus InP entfernt. Das Hilfssubstrat wird vor zugsweise durch chemisches Ätzen entfernt. Alternativ kann das Hilfssubstrat durch mechanisches Ätzen entfernt werden. Vorzugsweise wird das Hilfssub strat vollständig entfernt. Obwohl eine vollständige Entfernung des Hilfssub strats angestrebt wird, kann es Vorkommen, dass in der mit dem beschriebe nen Verfahren hergestellten Anordnung die photoaktive Schicht auf einer dem Substrat abgewandten Seite nachweisbare Materialrückstände des Hilfs substrats aufweist. Die auf dem InP-Hilfssubstrat erzeugte photoaktive Schicht alleine ist in der Regel nicht hinreichend mechanisch stabil, da die photoaktive Schicht oftmals eine Schichtdicke von höchstens einigen Mikrometern auf weist. Aus diesem Grund wird die photoaktive Schicht vor dem Entfernen des InP-Hilfssubstrats mit dem Substrat verbunden, welches somit zur Stabilisie rung der photoaktiven Schicht vorgesehen ist. Vor dem Entfernen des Hilfs substrats befinden sich das Substrat und das Hilfssubstrat üblicherweise an gegenüberliegenden Seiten der photoaktiven Schicht. Disadvantages of a substrate based on InP are described above (e.g. jump in refractive index from InP to Si; InP is often brittle, which creates air gaps at the interfaces of the components). Therefore, according to the invention, the InP material is only used as an auxiliary substrate for growing the photoactive layer. After the photoactive layer has been produced, the auxiliary substrate made of InP is removed. The auxiliary substrate is preferably removed by chemical etching. Alternatively, the auxiliary substrate can be removed by mechanical etching. Preferably, the auxiliary substrate is completely removed. Although a complete removal of the auxiliary substrate is sought, it can happen that in the arrangement produced with the described method the photoactive layer has detectable material residues of the auxiliary substrate on a side facing away from the substrate. The photoactive layer produced on the InP auxiliary substrate alone is generally not sufficiently mechanically stable, since the photoactive layer often has a layer thickness of at most a few micrometers. For this reason, the photoactive layer is connected to the substrate before the InP auxiliary substrate is removed, which is thus provided for stabilizing the photoactive layer. Before the auxiliary substrate is removed, the substrate and the auxiliary substrate are usually located on opposite sides of the photoactive layer.
Gemäß einer Variante wird die photoaktive Schicht mittels Molekularstrah lepitaxie bei einer Temperatur 200 °C bis 450 °C, vorzugsweise 400 °C aufge wachsen. Gemäß einer weiteren Variante wird die photoaktive Schicht epitak tisch aufgewachsen und mit einem Übergangsmetall wie Fe, Rh, oder Ru do- tiert, vorzugsweise in Konzentrationen oberhalb 1018 cnr3. According to a variant, the photoactive layer is grown up by means of molecular beam lepitaxy at a temperature of 200 ° C. to 450 ° C., preferably 400 ° C. According to a further variant, the photoactive layer is grown epitakically and with a transition metal such as Fe, Rh, or Ru do- animals, preferably in concentrations above 10 18 cnr 3 .
Das Verfahren kann durch den folgenden Prozessschritt ergänzt werden: The procedure can be supplemented by the following process step:
Aufbringen eines Antennenleiters mit einer ersten Teilstruktur und einer zweiten Teilstruktur auf die photoaktive Schicht derart, dass die beiden Teilstrukturen voneinander beabstandet sind und die photoaktive Schicht kontaktieren. Application of an antenna conductor with a first partial structure and a second partial structure to the photoactive layer in such a way that the two partial structures are spaced from one another and contact the photoactive layer.
Hierbei kann der Schritt des Aufbringens des Antennenleiters auf die photoak tive Schicht vor dem Verbinden der photoaktiven Schicht mit dem Substrat oder nach dem Entfernen des Hilfssubstrats erfolgen. Here, the step of applying the antenna conductor to the photoactive layer can be carried out before connecting the photoactive layer to the substrate or after removing the auxiliary substrate.
Optional kann, z.B. zur Bildung einer Mesa -Struktur, eine seitliche Ausdeh nung der photoaktiven Schicht reduziert werden. Dies kann z.B. nasschemisch und/oder durch Trockenätzprozesse erfolgen. In einer Variante des Verfah rens kann eine Oberflächenpassivierung auf die photoaktive Schicht vorgese hen werden. Die Oberflächenpassivierung kann zum Beispiel Siliziumnitrid und/oder Siliziumoxid umfassen. Optionally, a lateral expansion of the photoactive layer can be reduced, e.g. to form a mesa structure. This can be done wet-chemically and / or by dry etching processes, for example. In a variant of the method, surface passivation can be provided on the photoactive layer. The surface passivation can comprise silicon nitride and / or silicon oxide, for example.
Das Substrat kann vor dem Befestigen mit dem Träger noch als unverarbeite ter Wafer vorliegen, auf dem mindestens eine Struktur angeordnet ist. So kann mindestens eine Struktur (Teilanordnung), umfassend die photoaktive Schicht, die erste haftvermittelnde Schicht und/oder den Antennenleiter, auf dem Substrat befestigt sein. In der Regel ist eine Vielzahl von separaten Struk turen, z.B. mindestens 5, mindestens 10, mindestens 50 oder sogar mindes tens 100 Strukturen, auf dem Substrat angeordnet. Hierdurch kann eine Pro- zessierung der aktiven Schicht auf dem Substrat mit etablierten Technologien der Halbleiterfertigung zur parallelen Ausgestaltung einer Vielzahl verschiede ner Strukturen erfolgen. Anschließend können die verschiedenen, prozessier ten Strukturen vereinzelt bzw. voneinander getrennt werden. Insbesondere kann der Substrat-Wafer hierbei in einzelne Chips geteilt werden. Das Verfah ren kann somit durch Vereinzelung der auf dem Substrat prozessierten Struk turen und Befestigung des Substrats mit der prozessierten Struktur auf dem Träger zur Bildung der oben genannten Anordnung abgeschlossen werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der oben genannten Anordnung und der genannten Antenne. Merkmale die in Bezug auf die An ordnung und die Antenne genannt werden können auch für das Verfahren beansprucht werden und andersherum. Before it is attached to the carrier, the substrate can still be present as an unprocessed wafer on which at least one structure is arranged. Thus, at least one structure (partial arrangement) comprising the photoactive layer, the first adhesion-promoting layer and / or the antenna conductor can be attached to the substrate. As a rule, a large number of separate structures, for example at least 5, at least 10, at least 50 or even at least 100 structures, are arranged on the substrate. As a result, the active layer on the substrate can be processed using established technologies in semiconductor production for the parallel configuration of a large number of different structures. The different, processed structures can then be isolated or separated from one another. In particular, the substrate wafer can be divided into individual chips. The method can thus be completed by separating the structures processed on the substrate and fastening the substrate with the processed structure on the carrier to form the above-mentioned arrangement. The method is particularly suitable for producing the aforementioned arrangement and the aforementioned antenna. Features that are mentioned in relation to the arrangement and the antenna can also be claimed for the method and vice versa.
Ausführungsbeispiele der Anordnung, der Antenne und des Terahertzsystems sind in den beigefügten Figuren dargestellt und werden anhand der nachfol genden Beschreibung näher erläutert. Embodiments of the arrangement, the antenna and the terahertz system are shown in the accompanying figures and are explained in more detail with reference to the following description.
Es zeigen Show it
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer photoleitenden THz-Antenne ge mäß dem Stand der Technik; Fig. 1 is a schematic representation of a photoconductive THz antenna according to the prior art;
Fig. 2 die photoleitende THz-Antenne aus Fig. 1 mit optischen Reflexionen; FIG. 2 shows the photoconductive THz antenna from FIG. 1 with optical reflections; FIG.
Fig. 3 normierte Terahertz-Amplituden von verschiedenen THz-Sendern auf getragen über eine Verzögerungszeit und gemessen in einer THz- Empfängerantenne gemäß dem Stand der Technik; 3 normalized terahertz amplitudes from different THz transmitters plotted over a delay time and measured in a THz receiver antenna according to the prior art;
Fig. 4 schematisch einen Aufbau zum Messen von Dicken von Lackschichten; 4 schematically shows a structure for measuring the thickness of lacquer layers;
Fig. 5 den Aufbau der Fig. 4 mit THz-Echo-Pulsen; FIG. 5 shows the structure of FIG. 4 with THz echo pulses; FIG.
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer THz-Antenne gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung; 6 shows a schematic representation of a THz antenna according to an embodiment of the present invention;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren THz- Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 7 shows a schematic illustration of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer weiteren THz- Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 8 shows a schematic representation of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren THz-Antenne gemäß ei ner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 10 eine schematische Darstellung einer weiteren THz- Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 9 shows a schematic representation of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention; 10 shows a schematic representation of a further THz antenna according to an embodiment of the present invention; and
Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Terahertzsystems zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertzstrahlung gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung. 11 shows a schematic representation of a terahertz system for generating and coherently detecting terahertz radiation according to an embodiment of the present invention.
Das in Fig. 11 gezeigte Terahertzsystem 20 weist eine Laserlichtquelle 15, eine Sendeantenne 16 und eine Empfängerantenne 17 auf. Bei der Sendeantenne 16 und der Empfängerantenne 17 handelt es sich jeweils um eine durch Licht der Laserlichtquelle 15 aktivierbare THz-Antenne. Dazu ist ein Strahlteiler 28 hinter einen Ausgang der Laserlichtquelle 15 geschaltet, wobei die Sendean tenne 16 und die Empfängerantenne 17 jeweils durch eine Lichtleitfaser 18 mit einem von zwei Ausgängen des Strahlteilers 28 verbunden sind. The terahertz system 20 shown in FIG. 11 has a laser light source 15, a transmitting antenna 16 and a receiving antenna 17. The transmitting antenna 16 and the receiving antenna 17 are each a THz antenna that can be activated by light from the laser light source 15. For this purpose, a beam splitter 28 is connected behind an output of the laser light source 15, the transmitting antenna 16 and the receiving antenna 17 each being connected by an optical fiber 18 to one of two outputs of the beam splitter 28.
Bei der Laserlichtquelle 15 handelt es sich um einen Pulslaser, wobei eine Wellenlänge der Laserlichtquelle 15 zwischen 1200 nm und 1700 nm liegt und vorzugsweise 1300 nm oder 1550 nm beträgt. An einem Eingang oder in ei nem Verlauf einer der Lichtleitfasern 18 kann eine steuerbare optische Verzö gerungsschaltung 19 angeordnet sein, mit der eine relative Zeitlage optischer Steuersignale zur Aktivierung der beiden THz-Antennen 16, 17 verschoben werden kann. Dazu kann die Verzögerungsschaltung 19 z.B. eine mit einem variablen elektrischen Feld beaufschlagbare Verzögerungsleitung aufweisen. Schließlich ist auch eine zwischen der Sendeantenne 16 und der Empfänger antenne 17 angeordnete Probe 29 dargestellt, die mit dem Terahertzsystem 20 untersucht werden kann. The laser light source 15 is a pulse laser, the wavelength of the laser light source 15 being between 1200 nm and 1700 nm and preferably 1300 nm or 1550 nm. At an input or in a course of one of the optical fibers 18, a controllable optical delay circuit 19 can be arranged with which a relative timing of optical control signals for activating the two THz antennas 16, 17 can be shifted. For this purpose, the delay circuit 19 can have, for example, a delay line to which a variable electrical field can be applied. Finally, a sample 29, which is arranged between the transmitting antenna 16 and the receiving antenna 17 and can be examined with the terahertz system 20, is also shown.
Der die Laserlichtquelle 15 bildende Pulslaser kann ein Faser-Pulslaser, z.B. mit Erbium-Dotierung, oder ein Halbleiter-Pulslaser, z.B. auf einem Material system InGaAsP/lnP basierend, sein. The pulse laser forming the laser light source 15 can be a fiber pulse laser, e.g. with erbium doping, or a semiconductor pulse laser, e.g. based on an InGaAsP / InP material system.
Für weitere Details des Terahertzsystems 20 sei ergänzend auf die Veröffentli chung DE 10 2010049 658 Al verwiesen. For further details of the terahertz system 20, reference is additionally made to Publication DE 10 2010049 658 A1.
Im Folgenden wird auf Einzelzeiten der THz-Antennen 16 und 17 des Tera hertzsystems 20 eingegangen. Die Figuren 6 bis 10 zeigen schematisch THz- Antennen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Hierbei sind der Übersichtlichkeit halber lediglich THz-Sendeantennen 16 gezeigt. Es ist jedoch klar, dass die in den Figuren 6-10 gezeigten THz-Sendeantennen auch als THz-Empfängerantennen verwendet werden können. In the following, the individual times of the THz antennas 16 and 17 of the terahertz system 20 will be discussed. Figures 6 to 10 show schematically THz Antennas according to embodiments of the present invention. For the sake of clarity, only THz transmission antennas 16 are shown here. It is clear, however, that the THz transmitting antennas shown in FIGS. 6-10 can also be used as THz receiving antennas.
Die Fig. 6 zeigt schematisch eine Anordnung 1, welche ein Bestandteil der An tenne 16 zum Erzeugen von Terahertz-Strahlung 12 ist. Die Anordnung 1 um fasst eine photoaktive Schicht 2, ein Substrat S, eine erste haftvermittelnde Schicht 4 und einen Träger 5. FIG. 6 shows schematically an arrangement 1 which is part of the antenna 16 for generating terahertz radiation 12. The arrangement 1 comprises a photoactive layer 2, a substrate S, a first adhesion-promoting layer 4 and a carrier 5.
Die photoaktive Schicht 2 ist durch optische Strahlung 11 des Lasers 15 im Be reich 1200 nm bis 1700 nm aktivierbar und hat somit eine entsprechende Bandlücke. Geeignete Halbleiter für die photoaktive Schicht 2 wären zum Bei spiel InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAIAs, InGaAIAsP oder GaAIAs. Der für die photoaktive Schicht 2 verwendete Halbleiter ist in der Regel mit einem Über gangsmetall wie Fe, Rh oder Ru, in einer Konzentration von mindestens 1018 cm 3, vorzugsweise mindestens 1019 cnr3dotiert. Für die Erzeugung von THz-Strahlung sind Schichtdicken der photoaktiven Schicht 2 von höchstens 10 pm und mindestens 0,5 pm vorteilhaft. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Schichtdicke insgesamt 1 pm bis2 pm betragen. Vorzugsweise be steht die photoaktive Schicht 2 aus einer einzigen Schicht des photoaktiven Materials. Die photoaktive Schicht 2 kann alternativ mehrere Teilschichten umfassen. Beispielsweise können mindestens eine aktive Schicht und eine an grenzende Schicht vorgesehen sein. The photoactive layer 2 can be activated by optical radiation 11 from the laser 15 in the range from 1200 nm to 1700 nm and thus has a corresponding band gap. Suitable semiconductors for the photoactive layer 2 would be, for example, InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAIAs, InGaAIAsP or GaAIAs. The semiconductor used for the photoactive layer 2 is generally doped with a transition metal such as Fe, Rh or Ru, in a concentration of at least 10 18 cm 3 , preferably at least 10 19 cm 3 . Layer thicknesses of the photoactive layer 2 of at most 10 μm and at least 0.5 μm are advantageous for generating THz radiation. In the exemplary embodiment shown, the total layer thickness can be 1 μm to 2 μm. The photoactive layer 2 is preferably composed of a single layer of the photoactive material. The photoactive layer 2 can alternatively comprise a plurality of partial layers. For example, at least one active layer and an adjacent layer can be provided.
Die photoaktive Schicht 2 ist auf dem Substrat 3 befestigt. Für die Befestigung wird hierbei die flächig aufgetragene erste haftvermittelnde Schicht 4 benutzt. Die erste haftvermittelnde Schicht 4 ist also zwischen der photoaktiven Schicht 2 und dem Substrat 3 angeordnet und verbindet beide flächig und bündig miteinander. Durch die haftvermittelnde Schicht 4 können Luftspalte zwischen dem Substrat 3 und der photoaktiven Schicht 2 weitgehend vermie den werden. Um nachteilige Reflexionen des Laserlichts 12 weiter zu unter drücken, sollte eine Schichtdicke der haftvermittelnden Schicht 4 höchstens 5 pm sein. Denkbar wären Schichtdicken im Bereich 0,5 pm bis 2 pm. Ein geeig netes Material für die haftvermittelnden Schicht 4, welche manchmal auch Klebeschicht genannt wird, wäre zum Beispiel BCB (Benzocyclobuten), wel- ches im Stand der Technik öfter für das sogenannte Wafer-Bonden verwendet wird. The photoactive layer 2 is attached to the substrate 3. The first adhesion-promoting layer 4 applied over a large area is used for the fastening. The first adhesion-promoting layer 4 is thus arranged between the photoactive layer 2 and the substrate 3 and connects both of them flat and flush with one another. The adhesion-promoting layer 4 allows air gaps between the substrate 3 and the photoactive layer 2 to be largely avoided. In order to further suppress adverse reflections of the laser light 12, a layer thickness of the adhesion-promoting layer 4 should be at most 5 μm. Layer thicknesses in the range from 0.5 μm to 2 μm would be conceivable. A suitable material for the adhesion-promoting layer 4, which is sometimes also called an adhesive layer, would be, for example, BCB (benzocyclobutene), which Ches is used more often in the prior art for what is known as wafer bonding.
Das Substrat S besteht aus einem für die Laserstrahlung 11 und die THz- Strahlung 12 transparenten Material, vorzugsweise Silizium. Das Substrat S ist außerdem elektrisch isolierend. Das Substrat S sorgt für eine mechanische Stabilität der photoaktiven Schicht 2, insbesondere während der Herstellung der Anordnung 1 (vgl. das untenstehende Herstellungsverfahren). Das Sub strat S ist gewöhnlich als planparallele Platte ausgeführt. Das Substrat S kann in vorteilhafter Weise aus einem Chip eines handelsüblichen Silizium-Wafers hergestellt werden. Dies erlaubt die Anwendung von etablierten Technologien der Wafer-Prozessierung und die parallele Herstellung einer Vielzahl von Strukturen auf einem Substrat. Eine erste der photoaktiven Schicht 2 zuge wandten Seite des Substrats S ist somit eine plane Fläche. Auf einer zweiten der photoaktiven Schicht 2 abgewandten Seite ist das Substrat auf dem Träger 5 befestigt. Das Substrat S ist somit zwischen der photoaktiven Schicht 2 und dem Träger 5 angeordnet. Eine dem Träger 5 zugewandten Seite des Substrats S ist vorzugsweise ebenfalls als plane Fläche ausgestaltet. Das Substrat S hat vorzugsweise eine Substratdicke, gemessen senkrecht zu einer Substratebene von der ersten Seite bis zur zweiten Seite des Substrats S, welche wesentlich größer als die Schichtdicke der photoaktiven Schicht 2 ist. Das Substrat S kann z.B. eine Substratdicke von höchstens 1 mm aufweisen, wobei Substratdicken von mindestens 0,2 mm üblich sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Substrat 3 eine konstante Substratdicke im Bereich 300 pm bis 500 pm. Nach Abschluss der Wafer-Prozessierung werden die Strukturen vereinzelt und auf dem Träger befestigt. The substrate S consists of a material that is transparent to the laser radiation 11 and the THz radiation 12, preferably silicon. The substrate S is also electrically insulating. The substrate S ensures mechanical stability of the photoactive layer 2, in particular during the production of the arrangement 1 (cf. the production method below). The sub strate S is usually designed as a plane-parallel plate. The substrate S can advantageously be produced from a chip of a commercially available silicon wafer. This allows the use of established technologies of wafer processing and the parallel production of a large number of structures on one substrate. A first side of the substrate S facing the photoactive layer 2 is thus a flat surface. On a second side facing away from the photoactive layer 2, the substrate is attached to the carrier 5. The substrate S is thus arranged between the photoactive layer 2 and the carrier 5. A side of the substrate S facing the carrier 5 is preferably also designed as a flat surface. The substrate S preferably has a substrate thickness, measured perpendicular to a substrate plane from the first side to the second side of the substrate S, which is significantly greater than the layer thickness of the photoactive layer 2. The substrate S can, for example, have a substrate thickness of at most 1 mm, substrate thicknesses of at least 0.2 mm being common. In the exemplary embodiment shown, the substrate 3 has a constant substrate thickness in the range from 300 μm to 500 μm. After completion of the wafer processing, the structures are separated and attached to the carrier.
Der Träger 5 ist aus dem gleichen Material wie das Substrat 3 hergestellt, hat allerdings eine vielfach größere Dicke. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Träger 5 als planparalleler Siliziumkörper oder Siliziumblock ausgeführt. Eine erste dem Substrat 3 zugewandte Seite des Trägers 5 ist daher eine plane Fläche. Außerdem ist eine zweite Seite des Trägers 5, welche dem Substrat 3 abgewandt ist, als plane Fläche ausgeführt. Die in der Antenne 16 erzeugte THz-Strahlung 12 verlässt den Träger 5 über die erste dem Substrat 3 abge wandte Seite des Trägers 5. Der Träger 5 hat vorzugsweise eine Trägerdicke, gemessen von der ersten Seite bis zur zweiten Seite des Trägers 5, welche we- sentlich größer als die Substratdicke und die Dicke der photoaktiven Schicht 2 ist. Hierdurch können optische Reflexionen an der Grenzfläche Träger 5 zu Luft, d.h. an der zweiten Seite des Trägers 5, zeitlich so verzögert werden, dass sie außerhalb des interessierenden Messfensters liegen. Beispielhafte Trägerdicken sind mindestens 5 mm, vorzugsweise mindestens 8 mm. The carrier 5 is made of the same material as the substrate 3, but has a much greater thickness. In the exemplary embodiment shown, the carrier 5 is designed as a plane-parallel silicon body or silicon block. A first side of the carrier 5 facing the substrate 3 is therefore a planar surface. In addition, a second side of the carrier 5, which faces away from the substrate 3, is designed as a flat surface. The THz radiation 12 generated in the antenna 16 leaves the carrier 5 via the first side of the carrier 5 facing away from the substrate 3. The carrier 5 preferably has a carrier thickness, measured from the first side to the second side of the carrier 5, which we - is significantly greater than the substrate thickness and the thickness of the photoactive layer 2. As a result, optical reflections at the interface between carrier 5 and air, ie on the second side of carrier 5, can be delayed in time so that they lie outside the measurement window of interest. Exemplary carrier thicknesses are at least 5 mm, preferably at least 8 mm.
Dadurch dass derTräger 5 und das Substrat 3 aus dem gleichen Material ge fertigt sind, werden Reflexionen der optischen Strahlung 11 an der Grenzflä che Substrat 3 zu Träger 5 stark unterdrückt. Because the carrier 5 and the substrate 3 are made of the same material, reflections of the optical radiation 11 at the interface between the substrate 3 and the carrier 5 are strongly suppressed.
Der Träger 5 und das Substrat 3 sind bündig verbunden und deren Seiten lie gen flächig aneinander an, beispielsweise über einen Presskontakt. Der Träger 5 kann somit direkt an das Substrat 3 angrenzen. Alternativ kann auch eine zweite haftvermittelnde Schicht (nicht gezeigt) zwischen dem Substrat 3 und dem Träger 5 vorgesehen sein, welche das Substrat 3 und den Träger 5 flächig und bündig miteinander verbindet. Die zweite haftvermittelnde Schicht kann aus einem Polymermaterial, wie BCB, bestehen. The carrier 5 and the substrate 3 are connected flush and their sides lie flat against one another, for example via a press contact. The carrier 5 can thus directly adjoin the substrate 3. Alternatively, a second adhesion-promoting layer (not shown) can also be provided between the substrate 3 and the carrier 5, which connects the substrate 3 and the carrier 5 to one another in a planar and flush manner. The second adhesion-promoting layer can consist of a polymer material such as BCB.
Außerdem ist ein Antennenleiter 6 vorgesehen, welche eine erste Teilstruktur 7 und eine zweite Teilstruktur 8 umfasst. Die erste Teilstruktur 7 und die zwei te Teilstruktur 8 sind durch eine Lücke 9 voneinander beabstandet. De photo aktive Schicht 2 ist im Bereich der genannten Lücke 9 beschichtungsfrei und liegt dort an der Umgebungsluft frei. Durch die Lücke 9 tritt die optische Strahlung 11 des Lasers 15 auf die photoaktive Schicht 2. Beide TeilstrukturenIn addition, an antenna conductor 6 is provided which comprises a first partial structure 7 and a second partial structure 8. The first partial structure 7 and the second partial structure 8 are spaced apart from one another by a gap 9. The photoactive layer 2 is free of coating in the area of the mentioned gap 9 and is exposed there to the ambient air. The optical radiation 11 of the laser 15 enters the photoactive layer 2 through the gap 9. Both substructures
7, 8 kontaktieren die photoaktive Schicht 2 sowohl elektrisch als auch mecha nisch. Die Teilstrukturen 7, 8 sind in der Regel als Metallstrukturen ausgebil det, wobei sie durch Aufdampfen oder Sputtern von Metall auf die photoakti ve Schicht 2 gebildet sind. In der Ausführungsform der Fig. 6 sind die Teilstruk turen 7, 8 auf einer dem Substrat 3 abgewandten Seite der photoaktiven Schicht 2 angeordnet. 7, 8 contact the photoactive layer 2 both electrically and mechanically. The substructures 7, 8 are usually ausgebil det as metal structures, wherein they are formed by vapor deposition or sputtering of metal on the photoakti ve layer 2. In the embodiment of FIG. 6, the partial structures 7, 8 are arranged on a side of the photoactive layer 2 facing away from the substrate 3.
Die in der Fig. 7 gezeigte THz-Antenne 16 unterscheidet sich von der in der Fig. 6 gezeigten THz-Antenne dadurch, dass die Teilstrukturen 7, 8 des Anten nenleiters 6 seitlich neben der photoaktiven Schicht 2 angeordnet sind. Die photoaktive Schicht 2 befindet sich also mittig zwischen den Teilstrukturen 7,The THz antenna 16 shown in FIG. 7 differs from the THz antenna shown in FIG. 6 in that the substructures 7, 8 of the antenna conductor 6 are arranged laterally next to the photoactive layer 2. The photoactive layer 2 is thus located centrally between the substructures 7,
8. Die photoaktive Schicht 2 befindet sich innerhalb der Lücke 9 und füllt diese vollständig aus. Insbesondere ist die photoaktive Schicht 2 in der Ausführungs- form der Fig. 7 als Mesa-Struktur mit Abmessungen gemessen senkrecht zur Schichtdicke von höchstens 100 miti mal 100 miti ausgeführt. Die Mesa- Struktur hat somit eine Grundfläche von höchstens 0,01 mm2. Wie in der Fig. 8. The photoactive layer 2 is located within the gap 9 and fills it completely. In particular, the photoactive layer 2 is in the embodiment 7 is designed as a mesa structure with dimensions measured perpendicular to the layer thickness of at most 100 miti by 100 miti. The mesa structure thus has a base area of at most 0.01 mm 2 . As in Fig.
7 angedeutet ist, hat eine senkrechte Projektion der photoaktiven Schicht 2 auf das Substrat eine Fläche, welche derart reduziert ist, dass nur noch ein sehr kleiner Anteil der divergenten Reflexionen der optischen Strahlung 11 an der Grenzfläche Substrat S zu Träger 5 auf die Rückseite der photoaktiven Schicht 2 treffen. Hierdurch werden deutlich weniger Ladungsträger in der photoaktiven Schicht 2 erzeugt, und THz-Echo-Pulse können effektiv mini miert werden. Abgesehen von der Anordnung der Teilstrukturen 7, 8 relativ zur photoaktiven Schicht 2 und die Ausführung der photoaktiven Schicht 2 als Mesa-Struktur hat die in der Fig. 7 gezeigte Antenne 16 die gleichen Eigen schaften wie die Antenne der Fig. 6. 7, a perpendicular projection of the photoactive layer 2 onto the substrate has an area which is reduced in such a way that only a very small proportion of the divergent reflections of the optical radiation 11 at the interface between substrate S and carrier 5 on the back of the photoactive Meet layer 2. As a result, significantly fewer charge carriers are generated in the photoactive layer 2, and THz echo pulses can be effectively minimized. Apart from the arrangement of the substructures 7, 8 relative to the photoactive layer 2 and the implementation of the photoactive layer 2 as a mesa structure, the antenna 16 shown in FIG. 7 has the same properties as the antenna of FIG. 6.
In der Fig. 8 ist eine Antenne 16 gezeigt, welche zusätzlich zur Antenne 16 der Fig. 6 eine Linse 13 für THz-Strahlung 12 aufweist. Die Linse 13 koppelt die THz-Strahlung 12 aus der Antenne 16 aus und ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 als plankonvexe Linse, insbesondere eine hemisphärische Linse oder ei ne hyperhemisphärische Linse ausgebildet. Die Linse 13 ist auf dem Träger 5 befestigt, wobei die plane Seite der Linse 13 mit der zweiten, planen Seite des Trägers 5 verbunden ist. Vorzugsweise ist die Linse 13 aus dem gleichen Mate rial wie der Träger 5 und das Substrat 3 hergestellt, im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel also aus Si. In diesem Fall kann die Linse 13 beispielhaft mittels eines Presskontakts mit dem Träger 5 verbunden sein und direkt an den Trä ger 5 angrenzen. Alternativ können auch andere Materialien für die Linse 13 verwendet werden. Denkbar wären zum Beispiel Polymermaterialien, wie Po- lymethylpenten. In diesem Fall könnte die Linse 13 mittels einer dritten haft vermittelnden Schicht flächig und bündig mit dem Träger 5 verbunden wer den, beispielsweise mittels einer Klebeschicht aus BCB. Eine Linsendicke be trägt vorzugsweise wenigstens 2 mm, insbesondere wenigstens 3 mm. Die Linse 13 kann eine gleiche Dicke wie der Träger 5 haben. 8 shows an antenna 16 which, in addition to antenna 16 in FIG. 6, has a lens 13 for THz radiation 12. The lens 13 couples the THz radiation 12 out of the antenna 16 and, in the exemplary embodiment of FIG. 8, is designed as a plano-convex lens, in particular a hemispherical lens or a hyperhemispherical lens. The lens 13 is fastened on the carrier 5, the planar side of the lens 13 being connected to the second, planar side of the carrier 5. Preferably, the lens 13 is made of the same mate rial as the carrier 5 and the substrate 3, in the example shown Ausfüh approximately thus made of Si. In this case, the lens 13 can, for example, be connected to the carrier 5 by means of a press contact and directly adjoin the carrier 5. Alternatively, other materials can also be used for the lens 13. For example, polymer materials such as polymethylpentene would be conceivable. In this case, the lens 13 could be connected flatly and flush with the carrier 5 by means of a third adhesive layer, for example by means of an adhesive layer made of BCB. A lens thickness is preferably at least 2 mm, in particular at least 3 mm. The lens 13 can have the same thickness as the carrier 5.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Linse den Träger bilden. Diese Ausführungsform der Antenne 16 ist in der Fig. 9 gezeigt. Hier ist das Substrat 3 also direkt auf der Linse 14 befestigt, ohne dass ein zusätzlicher Träger be nötigt wird. Die Linse 14 kann an das Substrat 3 angrenzen oder es kann sich eine vierte haftvermittelnde Schicht zwischen der Linse 14 und dem Substrat IS angeordnet sein, welche die plane Seite der Linse 14 und das Substrat 3 flächig und bündig mit einander verbindet. Die Linse 14 ist aus dem gleichen Material wie das Substrat 3 hergestellt. Für weitere Merkmale der Linse 14 sei auf die obige Linse 13 verwiesen. In an alternative embodiment, the lens can form the carrier. This embodiment of the antenna 16 is shown in FIG. Here, the substrate 3 is therefore attached directly to the lens 14 without an additional carrier being required. The lens 14 can adjoin the substrate 3 or it can be a fourth adhesion-promoting layer can be arranged between the lens 14 and the substrate IS, which connects the planar side of the lens 14 and the substrate 3 flatly and flush with one another. The lens 14 is made of the same material as the substrate 3. For further features of the lens 14, reference is made to the lens 13 above.
In der Antenne 16 der Fig. 9 sind die photoaktive Schicht 2 und die Metall strukturen 7, 8 des Antennenleiters 6 in ähnlicher Weise aufgebaut, wie in der Antenne der Fig. 7. Es ist jedoch klar, dass alternativ auch auf den Aufbau der photoaktiven Schicht 2 und der Metallstrukturen 7, 8 der Fig. 6 zurückgegrif fen kann. In the antenna 16 of FIG. 9, the photoactive layer 2 and the metal structures 7, 8 of the antenna conductor 6 are constructed in a similar manner as in the antenna of FIG Layer 2 and the metal structures 7, 8 of FIG. 6 can be used.
Die in der Fig. 10 gezeigte Antenne 16 hat einen ähnlichen Aufbau wie die An tenne der Fig. 8 und weicht lediglich in Bezug auf die Anordnung der Metall strukturen 7, 8 von der Antenne der Fig. 8 ab. Die Metallstrukturen 7, 8 des Antennenleiters 6 der Fig. 10 sind auf einer dem Substrat 3 zugewandten Seite der photoaktiven Schicht 2 angeordnet, während sie in der Fig. 6 auf einer dem Substrat 3 abgewandten Seite der photoaktiven Schicht angeordnet sind. In der Fig. 10 ist angedeutet, dass die erste haftvermittelnde Schicht 4 zwi schen den Metallstrukturen 7, 8 und dem Substrat 3 angeordnet ist, und die Metallstrukturen 7, 8 flächig mit dem Substrat 3 verbindet. Die erste haftver mittelnde Schicht 4 hat also im Bereich der Metallstrukturen 7, 8 eine verrin gerte Schichtdicke. Ein Vorteil der in Fig. 10 gezeigten Anordnung ist, dass re flektierte optische Strahlung auf die lichtundurchlässige Metallstrukturen 7, 8 trifft und somit keine freien Ladungsträger in der photoaktiven Schicht 2 er zeugt. Eine dem Substrat 3 abgewandten Seite der photoaktiven Schicht 2 ist komplett beschichtungsfrei und liegt frei an der Umgebungsluft. The antenna 16 shown in FIG. 10 has a similar structure to the antenna of FIG. 8 and only differs from the antenna of FIG. 8 with respect to the arrangement of the metal structures 7, 8. The metal structures 7, 8 of the antenna conductor 6 of FIG. 10 are arranged on a side of the photoactive layer 2 facing the substrate 3, while in FIG. 6 they are arranged on a side of the photoactive layer facing away from the substrate 3. In FIG. 10 it is indicated that the first adhesion-promoting layer 4 is arranged between the metal structures 7, 8 and the substrate 3, and connects the metal structures 7, 8 flatly with the substrate 3. The first adhesive layer 4 thus has a reduced layer thickness in the area of the metal structures 7, 8. An advantage of the arrangement shown in FIG. 10 is that reflected optical radiation strikes the opaque metal structures 7, 8 and thus does not generate any free charge carriers in the photoactive layer 2. A side of the photoactive layer 2 facing away from the substrate 3 is completely free of coating and is exposed to the ambient air.
Die Antennen 16 der Figuren 6-10 werden bevorzugt in dem Terahertzsystem 20 der Fig. 11 verwendet. The antennas 16 of FIGS. 6-10 are preferably used in the terahertz system 20 of FIG.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung 1 bzw. zur Herstellung der Antenne 16 beschrieben. A method for producing the arrangement 1 or for producing the antenna 16 is described below.
Zunächst wird ein Hilfssubstrat (nicht gezeigt) aus InP bereitgestellt. Danach wird die photoaktive Schicht 2 hergestellt. Die photoaktive Schicht 2 wird durch epitaktisches Wachstum auf dem InP Hilfssubstrat erzeugt. Üblicher weise wird die photoaktive Schicht 2 mittels Molekularstrahlepitaxie bei einer Temperatur von 200 °C bis 450 °C aufgewachsen. Die Temperatur liegt vor zugsweise bei 400 °C. Beim epitaktischen Aufwachen wird die photoaktive Schicht 2 vorzugsweise mit einem Übergangsmetall in einer Konzentration von mindestens 1018 cm 3 dotiert. First, an auxiliary substrate (not shown) made of InP is provided. The photoactive layer 2 is then produced. The photoactive layer 2 is generated by epitaxial growth on the InP auxiliary substrate. The photoactive layer 2 is usually grown by means of molecular beam epitaxy at a temperature of 200 ° C. to 450 ° C. The temperature is preferably 400 ° C before. During epitaxial waking up, the photoactive layer 2 is preferably doped with a transition metal in a concentration of at least 10 18 cm 3.
Nach dem Herstellen der photoaktiven Schicht 2 kann die dem Hilfssubstrat abgewandte Seite der photoaktiven Schicht vollflächig mit einem Silizium- Wafer mit einem Durchmesser von mindestens 2 Zoll, vorzugsweise mindes tens S Zoll und einer Waferdicke zwischen 0,2 mm und 1 mm, verbunden werden, wobei für die Verbindung die erste haftvermittelnde Schicht 4 be nutzt wird. Der Silizium-Wafer und das Hilfssubstrat befinden sich nun auf ge genüberliegenden Seiten der photoaktiven Schicht 2. Anschließend wird das Hilfssubstrat vollständig entfernt, vorzugsweise durch chemisches Ätzen. Al ternativ kann das Hilfssubstrat auch mechanisch entfernt werden. After the photoactive layer 2 has been produced, the side of the photoactive layer facing away from the auxiliary substrate can be connected over the entire surface to a silicon wafer with a diameter of at least 2 inches, preferably at least 5 inches and a wafer thickness between 0.2 mm and 1 mm, the first adhesion-promoting layer 4 being used for the connection. The silicon wafer and the auxiliary substrate are now located on opposite sides of the photoactive layer 2. The auxiliary substrate is then completely removed, preferably by chemical etching. As an alternative, the auxiliary substrate can also be removed mechanically.
In einem zusätzlichen Schritt wird der Antennenleiter 6 mit der photoaktiven Schicht 2 kontaktiert. Der Antennenleiter 6 mit der ersten Teilstruktur 7 und der zweiten Teilstruktur 8 wird derart auf die photoaktive Schicht 2 aufge bracht, dass die beiden Teilstrukturen 7, 8 voneinander beabstandet sind und die photoaktive Schicht 2 kontaktieren. Das Aufbringen des Antennenleiters 6 erfolgt vorzugsweise in einem sogenannten Lift-Off-Prozess mittels Aufdamp fens oder Sputterns von Metall. In an additional step, the antenna conductor 6 is contacted with the photoactive layer 2. The antenna conductor 6 with the first partial structure 7 and the second partial structure 8 is placed on the photoactive layer 2 in such a way that the two partial structures 7, 8 are spaced from one another and contact the photoactive layer 2. The antenna conductor 6 is preferably applied in a so-called lift-off process by means of vapor deposition or sputtering of metal.
Das Aufbringen des Antennenleiters 6 kann hierbei unmittelbar vor dem Ver binden der photoaktiven Schicht 2 mit dem Substrat 3 (also vor dem Entfer nen des Hilfssubstrats) oder erst nach dem Entfernen des Hilfssubstrats erfol gen. The antenna conductor 6 can be applied immediately before the photoactive layer 2 is bonded to the substrate 3 (i.e. before the auxiliary substrate is removed) or only after the auxiliary substrate has been removed.
Für die Herstellung der in der Figuren 7 und 9 gezeigten Mesa-Strukturen der photoaktiven Schicht 2 kann die photoaktive Schicht 2 nach dem Entfernen des Hilfssubstrats bereichsweise weggeätzt werden, in der Regel durch nass chemische Ätzprozesse und Trockenätzprozesse. Hiernach können die Metall strukturen 7, 8 wie oben beschrieben aufgebracht werden. Alternativ kann die Mesa-Struktur der photoaktiven Schicht 2 vor dem Verbinden der photoakti- ven Schicht 2 mit dem Silizium-Wafer hergestellt werden. Danach werden die Metallstrukturen 7, 8 durch Aufdampfen oder Sputtern auf die photoaktive Schicht 2 aufgebracht. Anschließend wird die erste haftvermittelnde Schicht 4 auf die Metallstrukturen 7, 8 und die photoaktive Schicht 2 aufgetragen. Dann wird der Silizium-Wafer mit der photoaktiven Schicht 2 über die Schicht 4 ver bunden. In einem weiteren Schritt wird das Hilfssubstrat entfernt, vorzugs weise vollständig entfernt. For the production of the mesa structures of the photoactive layer 2 shown in FIGS. 7 and 9, the photoactive layer 2 can be etched away in areas after the removal of the auxiliary substrate, usually by wet chemical etching processes and dry etching processes. The metal structures 7, 8 can then be applied as described above. Alternatively, the mesa structure of the photoactive layer 2 before connecting the photoactive ven layer 2 can be produced with the silicon wafer. The metal structures 7, 8 are then applied to the photoactive layer 2 by vapor deposition or sputtering. The first adhesion-promoting layer 4 is then applied to the metal structures 7, 8 and the photoactive layer 2. Then the silicon wafer is connected to the photoactive layer 2 via the layer 4 a related party. In a further step, the auxiliary substrate is removed, preferably completely removed.
Optional kann eine Oberflächenpassivierung, beispielsweise aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, auf die photoaktive Schicht 2 und/oder die metallischen Teilstrukturen 7, 8 aufgebracht werden. A surface passivation, for example made of silicon nitride or silicon oxide, can optionally be applied to the photoactive layer 2 and / or the metallic substructures 7, 8.
Nachdem die photoaktive Schicht 2, der Wafer, die haftvermittelnde Schicht 4 und die Metallstrukturen 7, 8 relativ zueinander angeordnet wurden, kann der Silizium-Wafer derart zugeschnitten werden, dass eine Vielzahl von Chips ge formt werden, die jeweils ein Substrat 3 aus Si, die haftvermittelnde Schicht 4, die photoaktive Schicht 2 und die Metallstrukturen 7, 8 aufweisen. Der Si- Wafer wird also für die Herstellung einer Vielzahl von Substraten 3 benutzt. Selbstverständlich kann anstelle des Wafers auch das als Chip ausgebildete Substrat 3 bereits am Anfang des Verfahrens genutzt werden. After the photoactive layer 2, the wafer, the adhesion-promoting layer 4 and the metal structures 7, 8 have been arranged relative to one another, the silicon wafer can be cut to size in such a way that a large number of chips are formed, each of which has a substrate 3 made of Si, the adhesion-promoting layer 4, the photoactive layer 2 and the metal structures 7, 8. The Si wafer is thus used for the production of a large number of substrates 3. Instead of the wafer, it is of course also possible to use the substrate 3 in the form of a chip at the beginning of the method.
Danach wird das Substrat 3 auf dem Träger 5 oder auf der als Träger ausgebil deten Linse 14 befestigt. Gegebenenfalls wird anschließend noch die Linse 13 mit dem Träger 5 verbunden. Thereafter, the substrate 3 is attached to the carrier 5 or to the lens 14 designed as a carrier. If necessary, the lens 13 is then connected to the carrier 5.
Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung der oben beschriebenen Anordnung 1 und der beschriebenen Antenne 16 der Fi guren 6-10. Merkmale die nur in Bezug auf die Anordnung und die Antenne genannt werden können auch für das Verfahren beansprucht werden und an dersherum. The method described is particularly suitable for producing the arrangement 1 described above and the antenna 16 described in FIGS. 6-10. Features that are only mentioned in relation to the arrangement and the antenna can also be claimed for the method and vice versa.
Bezugszeichenliste: List of reference symbols:
1 Anordnung für eine THz-Antenne 1 arrangement for a THz antenna
2 photoaktive Schicht 2 photoactive layer
3 Substrat 4 haftvermittelnde Schicht3 substrate 4 bonding layer
5 Träger 5 carriers
6 Antennenleiter 6 antenna conductors
7 Metallstruktur 7 metal structure
8 Metallstruktur 8 metal structure
9 Lücke 9 gap
10 plane Grenzfläche 10 plane interface
11 fs-Laserpuls 11 fs laser pulse
12 THz-Puls 12 THz pulse
13 Linse 13 lens
14 Linse 14 lens
15 Laser 15 lasers
16 Sendeantenne 16 transmitting antenna
17 Empfängerantenne 17 Receiver antenna
18 Lichtleitfaser 18 optical fiber
19 Verzögerungsschaltung19 Delay circuit
20 Terahertzsystem 20 terahertz system
21 photoaktive Schicht21 photoactive layer
22 Substrat 22 substrate
23 Metallstruktur 23 metal structure
24 Metallstruktur 24 metal structure
25 Träger 25 carriers
26 Grenzfläche 26 interface
27 Echopuls 27 echo pulse
28 Strahteiler 28 beam splitter
29 Probe 29 sample
30 THz-Sender 30 THz transmitters
31 THz-Empfänger 31 THz receivers
32 Lackschicht 32 layer of paint
33 Metallträger 33 metal beams
34 THz-Reflexionsmuster34 THz reflection pattern
35 Replika 35 replica
36 Probe 36 sample

Claims

SO Patentansprüche SO claims
1. Anordnung (1) für eine Antenne (16, 17) zum Erzeugen oder Empfan gen von Terahertz-Strahlung (12), umfassend eine photoaktive Schicht (2), welche durch optische Strahlung (11) im Bereich 1200 nm bis 1700 nm aktivierbar ist, ein für die optische Strahlung (11) transparentes Substrat (S), auf dem die photoaktive Schicht (2) befestigt ist, einen für die optische Strahlung (11) transparenten Träger (5), wo bei das Substrat (S) auf dem Träger (5) befestigt ist und zwischen der photoaktiven Schicht (2) und dem Träger (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) und derTräger (5) aus einem gleichen Material hergestellt sind, wobei eine erste haftvermittelnde Schicht (4) zwischen der photoakti ven Schicht (2) und dem Substrat (S) angeordnet ist und beide flächig miteinander verbindet, und wobei die erste haftvermittelnde Schicht (4) eine Schichtdicke von höchstens 5 pm aufweist. 1. Arrangement (1) for an antenna (16, 17) for generating or receiving terahertz radiation (12), comprising a photoactive layer (2) which can be activated by optical radiation (11) in the range 1200 nm to 1700 nm is, a for the optical radiation (11) transparent substrate (S) on which the photoactive layer (2) is attached, a for the optical radiation (11) transparent support (5), where with the substrate (S) on the Carrier (5) is attached and is arranged between the photoactive layer (2) and the carrier (5), characterized in that the substrate (S) and the carrier (5) are made of the same material, a first adhesion-promoting layer ( 4) is arranged between the photoactive layer (2) and the substrate (S) and connects the two flatly to one another, and wherein the first adhesion-promoting layer (4) has a layer thickness of at most 5 μm.
2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die photoaktive Schicht (2) eine Schichtdicke von höchstens 10 pm, vorzugsweise mindestens 0,5 pm aufweist und/oder das Substrat (S) eine Substratdicke von höchstens 1 mm, vorzugs weise mindestens 0,2 mm aufweist und/oder der Träger (5) eine Trägerdicke von mindestens 3 mm, vorzugswei se mindestens 5 mm aufweist. 2. Arrangement (1) according to claim 1, wherein the photoactive layer (2) has a layer thickness of at most 10 μm, preferably at least 0.5 μm and / or the substrate (S) has a substrate thickness of at most 1 mm, preferably at least 0 , 2 mm and / or the carrier (5) has a carrier thickness of at least 3 mm, preferably at least 5 mm.
3. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Träger (5) und das Substrat (3) aus Silizium herge stellt sind und/oder wobei die photoaktive Schicht (2) zumindest überwiegend aus InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP und/oder GaAlAs herge stellt ist und vorzugsweise mit einem Übergangsmetall dotiert ist.3. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the carrier (5) and the substrate (3) are Herge made of silicon and / or wherein the photoactive layer (2) is at least predominantly made of InGaAs, InAIAs, InGaAsP, InGaAlAs, InGaAlAsP and / or GaAlAs is manufactured and is preferably doped with a transition metal.
4. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (3) als planparallele Platte und/oder derTräger (5) als planpa ralleler Körper ausgeführt sind. 4. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the substrate (3) is designed as a plane-parallel plate and / or the carrier (5) is designed as a plane-parallel body.
5. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Linse (13) für die Terahertzstrahlung (12), vorzugsweise eine plan konvexe Linse, hemisphärische Linse oder eine hyperhemisphärische Linse, wobei die Linse (13) auf dem Träger (5) befestigt ist oder wobei die Linse (13) den Träger (5) bildet. 5. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, comprising a lens (13) for the terahertz radiation (12), preferably a planar convex lens, hemispherical lens or a hyperhemispherical lens, wherein the lens (13) on the carrier (5) is attached or wherein the lens (13) forms the carrier (5).
6. Anordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine dem Substrat (3) abgewandte Seite der photoaktiven Schicht (2) zu mindest bereichsweise beschichtungsfrei ist und vorzugsweise an der Umgebungsluft freiliegt. 6. Arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein a side of the photoactive layer (2) facing away from the substrate (3) is at least partially free of coating and is preferably exposed to the ambient air.
7. Antenne (16, 17) zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz strahlung (12), umfassend eine Anordnung (1) nach einem der vorste henden Ansprüche und einen Antennenleiter (6) mit einer ersten Teil struktur (7) und einer zweiten Teilstruktur (8), wobei die erste Teil struktur (7) und die zweite Teilstruktur (8) durch eine Lücke (9) vonei nander beabstandet sind und die photoaktive Schicht (2) kontaktieren. 7. Antenna (16, 17) for generating or receiving terahertz radiation (12), comprising an arrangement (1) according to one of the preceding claims and an antenna conductor (6) with a first partial structure (7) and a second partial structure ( 8), the first partial structure (7) and the second partial structure (8) being spaced apart from one another by a gap (9) and contacting the photoactive layer (2).
8. Antenne (16, 17) nach Anspruch 7, wobei der Antennenleiter (6) auf einer dem Substrat (3) abgewandten oder zugewandten Seite der pho toaktiven Schicht (2) angeordnet ist. 8. antenna (16, 17) according to claim 7, wherein the antenna conductor (6) is arranged on a side of the photo-active layer (2) facing away from or facing away from the substrate (3).
9. Antenne (16, 17) nach Anspruch 7, wobei die erste Teilstruktur (7) und die zweite Teilstruktur (8) auf dem Substrat (3) seitlich neben der pho toaktiven Schicht (2) angeordnet sind und die photoaktive Schicht (2) zwischen den beiden Strukturen (7, 8) angeordnet ist. 9. antenna (16, 17) according to claim 7, wherein the first partial structure (7) and the second partial structure (8) are arranged on the substrate (3) laterally next to the photoactive layer (2) and the photoactive layer (2) is arranged between the two structures (7, 8).
10. Antenne (16, 17) nach Anspruch 9, wobei die photoaktive Schicht (2) eine Grundfläche von höchstens 1 mm2, vorzugsweise höchstens 0,1 mm2, insbesondere höchstens 0,01 mm2 aufweist. 10. Antenna (16, 17) according to claim 9, wherein the photoactive layer (2) has a base area of at most 1 mm 2 , preferably at most 0.1 mm 2 , in particular at most 0.01 mm 2 .
11. Terahertzsystem (20) zum Erzeugen und kohärenten Detektieren von Terahertzstrahlung (12), umfassend eine Laserlichtquelle (15) und zwei jeweils optisch mit der Laserlichtquelle gekoppelte und durch optische Strahlung (11) dieser Laserlichtquelle aktivierbare THz-Antennen (16, 17), von denen eine erste als Sendeantenne (16) und eine zweite als Empfängerantenne (17) dient, wobei die Sendeantenne (16) und/oder die Empfängerantenne (17) jeweils eine Antenne nach einem der An sprüche 8 bis 10 umfassen. 11. Terahertz system (20) for generating and coherently detecting terahertz radiation (12), comprising a laser light source (15) and two THz antennas (16, 17) each optically coupled to the laser light source and activated by optical radiation (11) from this laser light source, of which a first serves as a transmitting antenna (16) and a second as a receiving antenna (17), the transmitting antenna (16) and / or the receiving antenna (17) each comprising an antenna according to one of claims 8 to 10.
12. Terahertzsystem (20) nach Anspruch 11, wobei die optische Strahlung (11) der Laserlichtquelle (15) eine Wellenlänge von wenigstens 1200 nm und/oder höchstens 1700 nm hat. 12. terahertz system (20) according to claim 11, wherein the optical radiation (11) of the laser light source (15) has a wavelength of at least 1200 nm and / or at most 1700 nm.
13. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung (1) für eine Antenne (16, 17) zum Erzeugen oder Empfangen von Terahertz-Strahlung (12), um fassend die Schritte: 13. A method for producing an arrangement (1) for an antenna (16, 17) for generating or receiving terahertz radiation (12), comprising the steps:
Herstellen einer photoaktiven Schicht (2) auf einem Hilfssubstrat, welches zumindest überwiegend aus InP gebildet ist, flächiges Verbinden der photoaktiven Schicht (2) mit einem Sub strat (3) mittels einer ersten haftvermittelnden Schicht (4), welche eine Schichtdicke von höchstens 5 pm aufweist, Production of a photoactive layer (2) on an auxiliary substrate which is at least predominantly made of InP, areal connection of the photoactive layer (2) with a sub strate (3) by means of a first adhesion-promoting layer (4), which has a layer thickness of at most 5 μm having,
Entfernen des Hilfssubstrats, vorzugsweise durch chemisches Ät zen, und Befestigen des Substrats (3) auf einem Träger (5), sodass das Sub strat (3) zwischen der photoaktiven Schicht (2) und dem Träger (5) angeordnet ist, wobei die photoaktive Schicht (2) durch optische Strahlung (11) im Bereich 1200 nm bis 1700 nm aktivierbar ist, wobei das Substrat (3) und derTräger (5) aus einem gleichen Material hergestellt sind und transparent für die optische Strahlung (11) sind. Removing the auxiliary substrate, preferably by chemical etching, and Attaching the substrate (3) on a carrier (5) so that the sub strate (3) is arranged between the photoactive layer (2) and the carrier (5), the photoactive layer (2) by optical radiation (11) in the Range 1200 nm to 1700 nm can be activated, the substrate (3) and the carrier (5) being made of the same material and being transparent to the optical radiation (11).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die photoaktive Schicht (2) mittels Molekularstrahlepitaxie bei einer Temperatur von 200 °C bis 450 °C aufgewachsen wird und/oder wobei die photoaktive Schicht epitak tisch aufgewachsen wird und mit einem Übergangsmetall in einer Kon zentration von mindestens 1018 cm 3 dotiert ist. 14. The method according to claim 13, wherein the photoactive layer (2) is grown by means of molecular beam epitaxy at a temperature of 200 ° C to 450 ° C and / or wherein the photoactive layer is grown epitakically and with a transition metal in a concentration of at least 10 18 cm 3 is doped.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, mit dem zusätzlichen Schritt: 15. The method according to any one of claims 13 or 14, with the additional step:
Aufbringen eines Antennenleiters (6) mit einer ersten Teilstruktur (7) und einer zweiten Teilstruktur (8) auf die photoaktive SchichtApplication of an antenna conductor (6) with a first partial structure (7) and a second partial structure (8) to the photoactive layer
(2) derart, dass die beiden Teilstrukturen (7, 8) voneinander beab- standet sind und die photoaktive Schicht (2) kontaktieren, wobei der Schritt des Aufbringens des Antennenleiters (6) auf die pho toaktive Schicht (2) vor dem Verbinden der photoaktiven Schicht (2) mit dem Substrat(2) such that the two substructures (7, 8) are spaced apart and contact the photoactive layer (2), the step of applying the antenna conductor (6) to the photoactive layer (2) prior to connecting the photoactive layer (2) with the substrate
(3) oder nach dem Entfernen des Hilfssubstrats erfolgt. (3) or after removing the auxiliary substrate.
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