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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-3349
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10156
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) | ||||||||||||
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| Open Access Type: | Primary Publication | ||||||||||||
| Date: | 15 January 2004 | ||||||||||||
| Referee: | Karl (Prof. Dr.) Renk | ||||||||||||
| Date of exam: | 25 November 2003 | ||||||||||||
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Rupert Huber | ||||||||||||
| Classification: |
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| Keywords: | Millimeterwellentechnik , Übergitter , Oszillator , Frequenzvervielfachung , Terahertzelektronik , Oberwellenoszillator , galvanische Abformung , semiconductor superlattice , millimeterwave technology, oscillator , frequency multiplication , galvanoforming | ||||||||||||
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics | ||||||||||||
| Status: | Published | ||||||||||||
| Refereed: | Yes, this version has been refereed | ||||||||||||
| Created at the University of Regensburg: | Yes | ||||||||||||
| Item ID: | 10156 |
Abstract (German)
In dieser Arbeit wird berichtet über Halbleiterübergitter-Strahlungsquellen zur Erzeugung von kohärenter Millimeterwellenstrahlung mit Frequenzen oberhalb 100 GHz. Zum einen wird berichtet über einen Halbleiterübergitter-Frequenzvervielfacher. Der Vervielfacher erzeugte durch Verdreifachung Strahlung im Frequenzbereich von 195 GHz bis 270 GHz. Zum anderen wird ein ...
Abstract (German)
In dieser Arbeit wird berichtet über Halbleiterübergitter-Strahlungsquellen zur Erzeugung von kohärenter Millimeterwellenstrahlung mit Frequenzen oberhalb 100 GHz. Zum einen wird berichtet über einen Halbleiterübergitter-Frequenzvervielfacher. Der Vervielfacher erzeugte durch Verdreifachung Strahlung im Frequenzbereich von 195 GHz bis 270 GHz. Zum anderen wird ein Halbleiterübergitter-Oberwellenoszillator vorgestellt. Der Oberwellenoszillator gab Strahlung mit Frequenzen um 170 GHz ab. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit war die Entwicklung einer Mikrostrukturierungstechnik für die Herstellung des Oberwellenoszillators. Die Technik verbindet Photolithographie mit galvanischer Abformung und erlaubt die Herstellung von Strukturen mit Abmessungen deutlich unter 1 mm.
Bei den Übergittern handelte es sich um periodische Heterostrukturen aus GaAs und AlAs. Zur Strahlungserzeugung wurde der nichtlineare Transport von Elektronen in den Übergittern, insbesondere die negative differentielle Beweglichkeit, genutzt. Die Grundlage der negativen differentiellen Beweglichkeit waren Blochoszillationen. Es wurden Übergitterbauelemente verwendet, die jeweils ein Übergittermesa enthielten.
Der Frequenzvervielfacher erzeugte Strahlung nach einem neuen Prinzip. Dieses beruht auf der Entstehung und Zerstörung von Raumladungsdomänen in einem Übergitter. Ursache der Domänenentstehung war die negative differentielle Beweglichkeit von Elektronen im Übergitter. Der Auf- und Abbau von Domänen führte zu nicht-sinusförmigen Stromänderungen und zur Erzeugung von Harmonischen.
Im Oberwellenoszillator wurde die Strahlung von einer selbsterregten Oszillation erzeugt. Die selbsterregte Oszillation entstand durch eine Wechselwirkung von laufenden Raumladungsdomänen mit dem elektromagnetischen Feld im Hochfrequenzkreis des Oszillators. Die Oszillation setzte sich zusammen aus einer Grundharmonischen im Biaskreis und höheren Harmonischen. Zur Erzeugung von Strahlung bei Frequenzen oberhalb 100 GHz wurde eine höhere Harmonische (die fünfte) ausgekoppelt.
Der Frequenzvervielfacher enthielt zwei Übergitterbauelemente. Zwei Koaxialleitungen ermöglichten das Anlegen einer Vorspannung an die Bauelemente. Zur Einkopplung des externen Mikrowellenfeldes und zur Auskopplung der frequenzvervielfachten Strahlung dienten jeweils Rechteckhohlleiter.
Der Oberwellenoszillator bestand aus einem Hohlleiter, einem Übergitterbauelement, das in den Hohlleiter eingesetzt wurde, und aus einer Koaxialleitung zur Spannungsversorgung. Der Hohlleiter diente der Auskopplung von Strahlung bei Frequenzen oberhalb 160 GHz. In die Koaxialleitung war ein Bandstoppfilter integriert. Das Filter bestand aus dem Innenleiter der Koaxialleitung und einem Außenleiter, dessen Querschnitt periodisch moduliert war. Die Abmessungen des Hohlleiters lagen, durch den angestrebten Frequenzbereich bedingt, unterhalb 1 mm, Strukturen des Filters hatten Abmessungen unterhalb 100 µm. Der Hohlleiter und das Filter wurden aus zwei zueinander symmetrischen Hälften zusammengesetzt, die durch galvanische Abformung hergestellt wurden. Ein Model für die Abformung wurde aus vier Photolackschichten aufgebaut, die auf ein Siliziumsubstrat aufgetragen und individuell mikrostrukturiert wurden.
Der Frequenzvervielfacher erzeugte unter Einfluss eines externen Mikrowellenfeldes im Frequenzbereich 65 GHz bis 90 GHz Strahlung bei der dritten Harmonischen (195 GHz bis 270 GHz). Die höchste Ausgangsleistung betrug 0,3 mW. Das entspricht einer Effizienz der Konversion von Eingangsleistung (aus dem externen Mikrowellenfeld entnommen) in Ausgangsleistung von 5 %.
Die Grundharmonische der selbsterregten Oszillation im Oberwellenoszillator hatte eine Frequenz von 34 GHz. Strahlung bei der fünften, sechsten und siebten Harmonischen wurde beobachtet. Die leistungsstärkste Oberwelle war die fünfte Harmonische (170 GHz) mit einer Leistung von 0,1 mW. Ein gleichartig aufgebauter Oszillator lieferte Strahlung bei 177 GHz mit einer Leistung von 0,4 mW. Das entspricht einem Wirkungsgrad (Strahlungsleistung bei der fünften Harmonischen geteilt durch aufgenommene Leistung) von rund 1 %. Damit wurde - bei vergleichbarer Leistung - eine wesentlich höhere Frequenz erreicht als mit bisherigen Oszillatoren auf der Basis von GaAs/AlAs-Übergittern; auch die Frequenzen von bisherigen Oszillatoren mit InGaAs/InAlAs-Übergittern wurden übertroffen.
Die intrinsischen Prozesse, welche die negative differentielle Beweglichkeit von Elektronen in Übergittern bewirken, geschehen auf einer Zeitskala von 100 fs. Daraus ergibt sich eine Grenzfrequenz für das Auftreten von negativer differentieller Beweglichkeit von etwa 1 THz. Die Kombination aus Halbleiterübergittern als hinreichend schnellen Bauelementen und mikrotechnisch gefertigten Hochfrequenzkomponenten könnte einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Festkörper-Strahlungsquellen zur Erzeugung von Strahlung bis etwa 1 THz leisten.
Translation of the abstract (English)
This work concerns semiconductor superlattice radiation sources for the generation of coherent millimeterwaves with frequencies above 100 GHz. Firstly, a superlattice frequency multiplier is reported. The multiplier generated radiation in the frequency range 195 GHz - 270 GHz. Secondly, a superlattice higher-harmonic oscillator is presented. The higher-harmonic oscillator emitted radiation with ...
Translation of the abstract (English)
This work concerns semiconductor superlattice radiation sources for the generation of coherent millimeterwaves with frequencies above 100 GHz. Firstly, a superlattice frequency multiplier is reported. The multiplier generated radiation in the frequency range 195 GHz - 270 GHz. Secondly, a superlattice higher-harmonic oscillator is presented. The higher-harmonic oscillator emitted radiation with frequencies around 170 GHz. A major part of the work was to develop a microstructuring technique for the fabrication of the higher-harmonic oscillator. The technique combines photolithography and galvanoforming and allows the fabrication of structures with dimensions below 1 mm.
The radiation was generated by superlattices consisting of alternating layers of GaAs and AlAs. The nonlinear electron transport and, in particular, the negative differential mobility of electrons in the superlattice were used for the generation of radiation. The negative differential mobility resulted from Bloch oscillations. Superlattice devices containing a superlattice mesa were applied.
The frequency multiplier employs a new principle of frequency multiplication. The principle is based on the formation and annihilation of space charge domains in a superlattice. The formation of domains resulted from the negative differential mobility of electrons. The formation and annihilation of domains caused nonsinusoidal current changes and the generation of harmonics.
The radiation emitted from the higher-harmonic oscillator was caused by a self sustained current oscillation. The self sustained oscillation resulted from an interaction of propagating space charge domains with the electromagnetic field in the high-frequency circuit of the oscillator. The oscillation consisted of a fundamental harmonic and higher harmonics. For the generation of radiation above 100 GHz, a higher harmonic (the fifth) was extracted.
The frequency multiplier contained two superlattice devices. Two coaxial lines allowed to apply a bias voltage to the devices. Two rectangular waveguides were provided for, one to insert an external field and the other to extract the frequency multiplied radiation.
The higher-harmonic oscillator consisted of a rectangular waveguide, a superlattice device mounted in the waveguide, and a coaxial line for the bias supply. A band stop filter was integrated in the coaxial line. It consisted of the inner conductor of the coaxial line and an outer conductor with a periodically modulated cross-section. The dimensions of the waveguide were below 1 mm, according to the desired frequency range, details of the filter had dimensions below 100 µm. The waveguide and the filter were composed of two halves, symmetric to each other, which were fabricated by galvanoforming. A mold for the galvanoforming was built from four layers of a photoresist. The layers were spread one on top of another on a silicon substrate and microstructured individually.
Exposed to an external microwave field in the frequency range 65 GHz - 90 GHz, the frequency multiplier generated radiation at the third harmonic (195 GHz - 270 GHz). The maximum power was 0.3 mW. This corresponds to an efficiency of conversion from input power (from the external microwave field) to output power of 5 %.
The fundamental harmonic of the self sustained oscillation in the higher-harmonic oscillator had a frequency of 34 GHz. Radiation at the fifth, sixth, and seventh harmonic was observed. The fifth harmonic was the strongest higher harmonic with a power of 0.1 mW. Another sample of oscillator emitted radiation at 177 GHz with a power of 0.4 mW. This corresponds to an efficiency of about 1 %. A substantially higher frequency was achieved-at comparable power-than was generated with GaAs/AlAs-superlattice oscillators before. Also the frequencies of InGaAs/InAlAs superlattice oscillators were exceeded.
The intrinsic processes underlying the negative differential mobility of electrons in a superlattice take place on a time scale of 100 fs. Hence, a maximum frequency of approximately 1 THz can be expected for the occurrence of a negative differential mobility in a superlattice. The combination of semiconductor superlattices as sufficiently fast devices and microstructured high frequency passive components may contribute to the development of solid state radiation sources for frequencies up to 1 THz.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 13:37
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