Halbleiterübergitter-Strahlungsquellen zur Erzeugung von Millimeterwellen mit Frequenzen oberhalb 100 GHz

摘要

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. udBei 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. udDer 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.udIm 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. udDer 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.udDer 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.udDer 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 %. udDie 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. udDie 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.ud