Höchste Frequenz auf kleinstem Raum
Resonanztunneldiode der TU Darmstadt erzeugt die bisher höchste Terahertz-Frequenz eines elektronischen Senders.
Sowohl Sender als auch Empfänger von Terahertz-Strahlung sind bislang sehr groß und sehr teuer. Das könnte bald anders werden: Darmstädter Physiker und Ingenieure haben einen Sender entwickelt, der kleiner als ein Quadratmillimeter ist und deren Herstellungsprozess auf mehr oder weniger herkömmlicher Halbleitertechnologie basiert. Gleichzeitig ist er winzig klein und funktioniert bei Raumtemperatur. Zudem stellten die Forscher um Michael Feiginov vom Institut für Mikrowellentechnik und Photonik der TU einen neuen Rekord bei der Frequenz auf: Ihre Quelle, eine Resonanztunneldiode (RTD), sendet mit einer Frequenz von 1,111 Terahertz.
Abb.: Der Silizium-montierte Membran-RTD-Oszillator verfügt über einen Schlitzantennen-Resonator (Ausschnitt; Bild: M. Feiginov, TU Darmstadt)
Das ist die höchste Frequenz, die ein aktives Halbleiterbauelement jemals erreicht hat. Theoretisch konnte Feiginov außerdem zeigen, dass ein solch kleiner Sender noch deutlich höhere Frequenzen bis drei Terahertz erzeugen kann. Dadurch könnte die Materialanalyse mithilfe von Terahertz-Strahlung bei einer höheren Auflösung durchgeführt werden als dies mit niedrigeren Terahertz-Frequenzen möglich ist. Dass die RTD-Diode der Darmstädter Wissenschaftler zudem bei Raumtemperatur funktioniert, macht sie noch attraktiver für technische Anwendungen. „Sie könnte zum Beispiel für spektroskopische Untersuchungen an Molekülen dienen, die im Terahertz-Bereich ihre Resonanzen haben“, sagt Feiginov. Davon könne unter anderem die zerstörungsfreien Materialprüfung profitieren oder die Medizin, um etwa krankes von gesundem Gewebe im Körper zu unterscheiden.
Die Miniaturisierung des Bauelements geht an die Grenze des technisch Möglichen. Das Herz der RTD-Diode ist eine Doppel-Barriere-Struktur, in die ein Quantum-Well eingebettet ist, eine hauchdünne Schicht des Halbleiters Indium-Gallium-Arsenid, die zwischen zwei äußerst dünnen Barriere-Schichten des Halbleiters Aluminium-Arsenid eingebettet ist.
Jede der Schichten ist ein bis wenige Nanometer dünn. Diese Doppel-Barriere-Struktur sorgt dafür, dass elektrische Schwingungen in einem Terahertz-Oszillator nicht abklingen, sondern sich immer wieder verstärken, bis er eine konstante Terahertz-Strahlung emittiert. Bei der Herstellung ihrer Diode arbeiteten die TU-Forscher mit der Darmstädter ACST GmbH zusammen, einem Hersteller elektronischer Bauelemente.
TUD / OD
