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Design und Realisierung GaN-HEMT basierter THz-Detektoren

Rämer, Adam

FG Hochfrequenzsysteme

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie es möglich ist, einen State of the Art THz-Detektor mittels eines Standard MMIC Prozesses für den GHz-Bereich zu realisieren. Für den zugrundeliegenden Detektionsmechanismus wird die theoretische Grundlage hergeleitet und herausgearbeitet, wie die einzelnen Elemente des Detektors interagieren. Es werden die notwendigen Schritte von der Erarbeitung der Theorie bis zur Umsetzung des THz-Detektors dargestellt. Die THz-Detektoren sind in einem GaN-on-SiC-HEMT-MMIC-Prozess realisiert worden. Dabei sind Bow-Tie-Antennen, logarithmische Spiralantennen und die jeweilige komplementäre Schlitz-Antennenkonfiguration verglichen und ein neuartiges Design entworfen worden. Dieses Design wurde erfolgreich in Japan, den USA und der Europäischen Union zum Patent angemeldet. Die gesamte Detektorstruktur wird durch Simulationen und einen Vergleich mit Messungen an gefertigten THz-Detektorstrukturen verifiziert. Im Vergleich zwischen den simulierten und den gemessenen Detektionsströmen zeigt sich über der Frequenz von 0,1 THz bis 1,2 THz eine - angesichts der noch vorhandenen Unsicherheiten bei Messung und Modell - gute Übereinstimmung. Die Kombination einer passiven Antennenstruktur, die mittels 3D-EM-Simulationen nachgebildet wird, mit einem Modell, das den inneren Transistor beschreibt, zu einer Gesamtsimulation der Detektorstruktur ist ein fundamentaler Bestandteil dieser Arbeit. Die realisierten THz-Detektorstrukturen mit zum Teil neuartigen Antennen weisen eine herausragende Empfindlichkeit bei Raumtemperatur auf und stellen den aktuellen Entwicklungstand von GaN-basierten THz-Detektoren dar. Der Hauptdetektionsmechanismus liegt dabei im resistiven Selbstmischen, dadurch besitzen die Detektoren ein instantanes Ansprechverhalten bei hoher Linearität.
In this paper it is shown how it is possible to realize a state-of-the-art THz detector using a GHzfrequency MMIC process.The theoretical foundation for the underlying mechanism of detection is derived and it is established how the elements of the detector interact. The necessary steps starting with the development of the theory and ending with the implementation of the THz detector are presented. The THz detectors are realized using a GaN-on-SiC-HEMT-MMIC process. Thereby the Bow-Tie antennas, logarithmic corkscrew antennas and the respective complementary stenopeic configuration of the antennas were compared and an innovative design was developed. This design was successfully registered as patent in Japan, the USA and the European Union. The whole structure of the detector is verified by simulations and by a comparison with measurements of manufactured THz detector structures. Good agreement between the simulated and the measured detector currents is observed above the frequency of 0.1 up to 1.2 THz given the existing uncertainties within measurement and model. The combination of a passive antenna structure emulated from 3D-EM simulations with a model describing the internal transistor resulting in an overall simulation of the entire detector is a fundamental part of this paper. The implemented structures of the THz detector with partially innovative antennas show a excellent sensitivity at room temperature and represent the current stage of development of GaN based THz detectors. The main mechanism of detection is based on resistive self-mixing. As a consequence the detectors possess a high-speed impulse response at high linearity.