Triple-Barrier Resonant Tunneling Diodes for Sensitive THz Detection
Die zunehmende Nutzung der Terahertz-Technologie in den Bereichen Bildgebung, Sensorik und Kommunikation hat den Bedarf nach sensitiven, kompakten und bei Raumtemperatur einsetzbaren Terahertz-Detektoren, welche sich für mobile und batteriebetriebene Anwendungen eignen, enorm steigen lassen. Aus diesem Grund wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Drei-Barrieren-Resonanz-Tunneldiode als Halbleiterbauelement für die direkte Terahertz-Detektion untersucht. Die hohe Empfindlichkeit der Detektion wird dabei durch das einzigartige Transportverhalten, die nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik sowie das rauscharme Verhalten der Tunneldiode ermöglicht. Ziel der Arbeit ist, die Leistungsfähigkeit dieses Bauelements im Terahertz-Frequenzbereich durch Modellierungen, experimentelle Analyse sowie Integration der Tunneldiode zu erfassen und zu optimieren. Hierfür wird ein Großsignal-Ersatzschaltmodell entwickelt, das das Verhalten der Tunneldiode präzise abbildet und eine darauf basierende Schaltungsentwicklung ermöglicht. Die Gültigkeit des Modells wird durch On-Wafer-Streuparametermessungen bis zu 500 GHz bestätigt. Weitere On-Wafer-Experimente zur Leistungsbewertung zeigen eine maximale Empfindlichkeit des Detektors von 2123 V/W und eine sehr niedrige rauschäquivalente Leistung von nur 1,15 pW/√Hz im WR2 Frequenzband von 330 GHz bis 500 GHz. Abschließend demonstriert die erfolgreiche Integration der Diode mit einer planaren, für den Breitbandbetrieb bis zu 1 THz ausgelegten Spiralantenne auf einem Chip ihre Effizienz im Frequenzbereich von 220 GHz bis 330 GHz und unterstreicht das Potenzial des Bauelements für reale Anwendungen. Die in der Arbeit erzielten Ergebnisse bestätigen die Drei-Barrieren-Resonanz-Tunneldiode als vielversprechende Lösung für die effiziente Terahertz-Detektion und bieten eine Grundlage für weitere Entwicklungsfortschritte in der hochauflösenden Bildgebung, der nicht-invasiven Diagnostik sowie der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation.
The demand for sensitive, compact, and room-temperature-operable terahertz (THz) detectors, suitable for mobile and battery-powered applications, has become increasingly important with the growing use of THz technology in fields such as imaging, sensing, and communications. This thesis investigates the Triple-Barrier Resonant Tunneling Diode (TBRTD) semiconductor device as a zero-bias THz detector, leveraging its unique transport properties, non-linear current-voltage characteristics, and low-noise zero-bias operation to achieve high sensitivity in direct THz detection. The research focuses on the theoretical modeling, experimental characterization, and integration of the TBRTD to verify and optimize its performance in the THz frequency range. A large-signal equivalent circuit model is developed to predict TBRTD behavior and is validated through on-wafer scattering parameter measurements up to 500 GHz. On-wafer experimental measurements of detector performance demonstrate a peak responsivity of 2123 V/W and a Noise Equivalent Power (NEP) as low as 1.15 pW/√Hz in the WR2 band (330–500 GHz). Successful integration with a planar on-chip logarithmic spiral antenna, designed for broadband THz operation up to 1 THz, demonstrates effective performance in the 220–330 GHz range, underscoring the potential of the TBRTD for real-world THz applications. These findings establish the TBRTD as a high-performance solution for efficient THz direct detection, paving the way for advancements in high-resolution imaging, non-invasive diagnostics, and high-speed wireless communications.