Triple-barrier resonant tunneling diodes for mobile THz emission and sensitive zero-bias detection

Arzi, Khaled GND

Coherent, compact design, and battery-operated signal sources and sensitive signal detectors operating in the THz-frequencies are currently subject of intense research.
Within this work, a promising solution that is suitable to fulfill these requirements is investigated. Therefore, for a compact design and low power consumption operation, a novel device structure is developed.
By enhancing the double barrier resonant tunneling diode material system with a third barrier a new zero-bias detection capability is added, while maintaining the known de-attenuation functionality of a resonant tunneling device. Providing one device that depending on its bias point, can rectify or generate signals in the sub- and THz range.
Furthermore, during this work a novel subharmonic signal injection locking method is developed to overcome the major challenge of coherent THz signal source, which is the output signal phase and frequency control. A wireless signal injection approach has been developed to isolate the injection signal source and the THz signal emitter. In addition, the wireless signal injection concept is well suited for heterogeneous integration of both signal sources achieving a compact THz signal source, especially for array-based integration. Within this work a new material stack design improved the maximum current density from 200 up to 900 kA/cm2.
The characterization and fabrication flow are established and enhanced. Further, a novel low-cost solution for small-area devices via soft-UV nano-imprint mechanisms is developed. For characterization and modeling of single devices, on-wafer DC and scattering parameter measurements were carried out. Different commercial electromagnetic simulators were used to design and characterize the antennae.
Monolithic integration technology of the characterized triple barrier resonant tunneling diode into a slotantenna for oscillator and detector operation, and the integration into a self-complementary bowtie antenna for broadband detection are developed and successful operated for the first time in the sub- THz range. Oscillation at 260 GHz with an output power of 92 μW were measured, achieving a competitive value for internal DC-to-RF conversion efficiency of ƞDC-RF ≅ 1.5%, and a resonant detection maximum at 280 GHz.
The broadband detection accomplished a high average internal voltage responsivity of 2000 V/W and noise equivalent power of 1 fW/Hz0.5 in the frequency range between 220 and 330 GHz. Within this work, the first experimental proof of concept for a successful wireless subharmonic signal injection locking in the THz-range at f0=550 GHz and an externally injected signal at finj=f0/2 is presented.
After locking the THz oscillator an improvement of the full width at half maximum of the output signal from 34.69 MHz to 483 Hz at the carrier frequency f0=550 GHz is achieved, providing a single-sideband phase noise value of -121 dBc/Hz at an offset frequency of 10 MHz from the carrier frequency.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit innovativen Ansätzen für die Entwicklung und Optimierung von kompakten Signalquellen mit einer niedrigen Betriebsleistung sowie hoch empfindlichen Signaldetektoren für den Betrieb im THz-Bereich.
Hierfür wird eine Drei-Barrieren-Resonanztunneldiode eingesetzt. Durch das asymmetrische Stromspannungsverhalten, sowie den negativen differenzialen Widerstandsbereich eignet sich dieses Bauelement für die Signalerzeugung als auch -Detektion.
Des Weiteren wird eine neuartige Methode, basierend auf der Einkopplung eines externen subharmonischen Signals, zur Steuerung der Phase und Frequenz des Ausgangssignals entwickelt. Diese Methode eignet sich auch zur Heterointegration beider Signalquellen, insbesondere für Array-basierte THz-Signalquellen. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist die Isolierung beider Signalquellen durch die drahtlose Signaleinkopplung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch systematische Materialschicht-Design-Optimierung der Drei-Barrieren-Resonanztunneldiode die maximale Stromdichte von 200 auf 900 kA/cm2 erhöht.
Der Charakterisierungs- und Fertigungsablauf wurde optimiert und ein neuartiger, kostengünstiger Prozess zur Herstellung von kleinflächigen Bauelementen mittels Soft-UVNanoimprint- Technologie entwickelt. Zur elektrischen Charakterisierung und Modellierung einzelner Bauelemente wurden On-Wafer-DC- und Streuparameter-Messungen durchgeführt.
Für die Entwicklung und Verbesserung der Antennen wurden verschiedene kommerzielle elektromagnetische Simulationsprogramme eingesetzt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Drei-Barrieren-Resonanztunneldioden wurden zum einen in eine Slot-Antenne integriert, so dass diese als Oszillator und resonanter Detektor betrieben werden kann. Zum anderen wurde diese in eine selbst komplementäre Bow-Tie Antenne integriert, so dass diese für die Breitband-Detektion eingesetzt werden kann. Für beide Anwendungen werden dadurch erstmals Frequenzen für Oszillation und Detektion im Sub-THz-Bereich erfolgreich erreicht.
Es werden Oszillationen bei 260 GHz mit einer Ausgangsleistung von 92 μW gemessen. Die Oszillationen weisen einen DC-RF-Wirkungsgrad von ƞDC-RF ≅ 1.5% auf und ein resonantes Detektionsmaximum bei 280 GHz. Die breitbandige Signaldetektion zeichnet sich durch eine hohe mittlere interne Spannungsempfindlichkeit von 2000 V/W und eine äquivalente Rauschleistung von 1 fW/Hz0,5 im Frequenzbereich von 220 bis 330 GHz aus. Desweitern konnte im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal experimentell das Ausgangssignal einer Resonanztunneldiode integrieret in eine Slot-Antenne oszillierend bei f0=550 GHz mit einem extern eingekoppelten Signal, oszillierend bei finj=f0/2 synchronisiert werden.
Dabei wurde eine Verbesserung der Halbwertsbreite des Ausgangssignals von 34,69 MHz auf 483 Hz bei f0=550 GHz erreicht, wodurch ein Einseitenband-Phasenrauschwert von -121 dBc/Hz, bei einer Offset-Frequenz von 10 MHz zur Trägerfrequenz f0 bestimmt wird.

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Arzi, K., 2020. Triple-barrier resonant tunneling diodes for mobile THz emission and sensitive zero-bias detection. https://doi.org/10.17185/duepublico/71829
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