• Fotorisposta
• Litografia
• Self-Mixing

Questa Tesi di Laurea Specialistica si pone l’obiettivo di studiare le proprietà
di dispositivi elettronici e fotonici basati su nanofili a semiconduttore e di sfruttarli
per realizzare rivelatori di radiazione Terahertz.
L’affinamento delle tecniche di crescita di queste nanostrutture permette di controllarne
le caratteristiche elettriche, offrendo la possibilit`a di integrarle in dispositivi
nanoelettronici come diodi e transistor. Già dagli anni ’80 i FET sono stati usati
per la rivelazione diretta di onde elettromagnetiche a frequenze inferiori ai 5 GHz;
solo recentemente il range di operazione di questi dispositivi è stato esteso al THz.
Il loro principio di funzionamento si basa sulla dipendenza non lineare della corrente
di drain rispetto alla tensione di gate, che produce la rettificazione del potenziale
alternato indotto dall’onda elettromagnetica incidente. La prima evidenza sperimentale
della possibilità di utilizzare un FET come rivelatore di radiazione THz a
temperatura ambiente risale al 2004, con i MOSFET al Silicio. Lo studio di questi
dispositivi ha portato negli ultimi anni alla realizzazione di strumenti competitivi
rispetto a quelli tradizionali (bolometri, celle di Golay). Sebbene siano stati ottenuti
NEP dell’ordine di 10pW/√Hz e responsività di decine di kV/W, le prestazioni si
riducono notevolmente quando la frequenza di lavoro supera 1 THz.
In questo scenario si inserisce il mio lavoro. Mi sono occupato della progettazione
e realizzazione di una promettente classe di rivelatori a temperatura ambiente, basata
su FET a gate laterale il cui canale è costituito da un nanofilo omogeneo di InAs.
La radiazione THz viene accoppiata al dispositivo nanoscopico dagli elettrodi di
source e gate, disegnati in forma di antenne planari a banda larga. La nonlinearità
del nanofilo genera un segnale rettificato che viene misurato sull’elettrodo di drain
come potenziale continuo.
I FET sono stati realizzati con le moderne tecniche di litografia ottica ed elettronica.
La caratterizzazione elettrica dei dispositivi ha consentito di scegliere i
candidati migliori per le misure di fotorisposta. La geometria di questi è stata concepita
per funzionare in maniera ottimale con due sorgenti diverse, un diodo Gunn a
0.3 THz e un laser QCL a 1.5 THz. Per la prima configurazione sono stati ottenuti
una responsività di 1.5 V/W e un NEP di 2 nW/√Hz; nel secondo caso si sono
raggiunti valori di responsività superiori ai 10 V/W e un NEP di 60 pW/√Hz.
Questo risultato è significativamente migliore di quelli ottenibili con rivelatori termici
operanti a temperatura ambiente e competitivo con quelli raggiunti dai MOSFET
a frequenze > 1 THz. Esso costituisce la prima evidenza di rivelazione THz con
nanofili a semiconduttore.
I margini di miglioramento in fase di fabbricazione, insieme alla possibilità di
estendere il funzionamento di questi dispositivi a frequenze più alte e a quella di
integrare il singolo FET all’interno di matrici multi-pixel accoppiate con sorgenti
QCL, rendono questo tipo di tecnologia molto competitivo per la realizzazione futura
di sistemi di rivelazione per la radiazione THz