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Dovilė Čibiraitė-Lukenskienė

• Terahertz (THz) technology is an emerging field that considers the radiation between microwave and far-infrared regions where the electronic and photonic technologies merge. THz generation and THz sensing technologies should fill the gap between photonics and electronics which is defined as a region where THz generation power and THz sensing capabilities are at a low technology readiness level (TRL). As one of the options for THz detection technology, field-effect transistors with integrated antennae were suggested to be used as THz detectors in the 1990s by M. Dyakonov and M. Shur from where the development of field-effect transistor-based detector began. In this work, various FET technologies are presented, such as CMOS, AlGaN/GaN, and graphene-based material systems and their further sensitivity enhancement in order to reach the performance of well-developed Schottky diode-based THz sensing technology. Here presented FET-based detectors were explored in a wide frequency range from 0.1 THz up to 5 THz in narrowband and broadband configurations. For proper implementation of THz detectors, the well-defined characterization is of high importance. Therefore, this work overviews the characterization methods, establishes various definitions of detector parameters, and summarizes the state-of-the-art THz detectors. The electrical, optical, and cryogenic characterization techniques are also presented here, as well as the best results obtained by the development of the characterization methods, namely graphene FET stabilization, low-power THz source characterization for detector calibration, and technology development for cryogenic detection. Following the discussion about the detector characterization, a wide range of THz applications, which were tested during the last four years of Ph.D. and conducted under the ITN CELTA project from HORIZON2020 program, are presented in this work. The studies began with spectroscopy applications and imaging and later developed towards hyperspectral imaging and even passive imaging of human body THz radiation. As various options for THz applications, single-pixel detectors as well as multi-pixel arrays are also covered in this work. The conducted research shows that FET-based detectors can be used for spectroscopy applications or be easily adapted for the relevant frequency range. State-of-the-art detectors considered in this work reach the resonant performance below 20 pW/√Hz at 0.3 THz and 0.5 THz, as well as 404 pW/√Hz cross-sectional NEP at 4.75 THz. The broadband detectors show NEP as low as 25 pW/√Hz at around 0.6 THz for the best AlGaN/GaN design and 25 pW/√Hz around 1 THz for the best CMOS design. As one of the most promising applications, metamaterial characterization was tested using the most sensitive devices. Furthermore, one of the single-pixel devices and a multi-pixel array were tested as an engineering solution for a radio astronomy system called GREAT in a stratosphere observatory named SOFIA. The exploration of the autocorrelation technique using FET-based devices shows the opportunity to employ such detectors for direct detection of THz pulses without an interferometric measurement setup. This work also considers imaging applications, which include near-field and far-field visualization solutions. A considerable milestone for the theory of FET technology was achieved when scanning near-field microscopy led to the visualization of plasma (or carrier density) waves in a graphene FET channel. Whereas another important milestone for the THz technology was achieved when a 3D scan of a mobile phone was performed under the far-field imaging mode. Even though the imaging was done through the phone’s plastic cover, the image displayed high accuracy and good feature recognition of the smartphone, inching the FET-based detector technology ever so close to practical security applications. In parallel, the multi-pixel array testing was carried out on 6x7 pixel arrays that have been implemented in configurable-size aperture and imaging configurations. The configurable aperture size allowed the easier detector focusing procedure and a better fit for the beam size of the incident radiation. The imaging has been tested on various THz sources and compared to the TeraSense 16x16 pixel array. The experimental results show the big advantage of the developed multi-pixel array against the used commercial technology. Furthermore, two ultra-low-power applications have been successfully tested. The application on hyper-frequency THz imaging tested in the specially developed dual frequency comb and our detector system for 300 GHz radiation with 9 spectral lines led to outstanding imaging results on various materials. The passive imaging of human body radiation was conducted using the most sensitive broadband CMOS detector with a log-spiral antenna working in the 0.1 – 1.5 THz range and reaching the optical NEP of 42 pW/√Hz. The NETD of this device reaches 2.1 K and overcomes the performance limit of passive room-temperature imaging of the human body radiation, which was less than 10 K above the room temperature. This experiment opened a completely new field that was explored before only by the multiplier chain-based or thermal detectors. ...
• Mikrowellen- und IR-technologien verschmelzen miteinander bei der Entwicklung der elektronischen und photonischen Technologien im terahertz (THz) Bereich. Die Quellen- und Sensortechnologien sollten die Lücke zwischen Photonik und Elektronik schließen, wo die Strehlungsleistung und die Empfindlichkeit von Sensoren schwach sind. Als eine der Optionen für die THz-Detektionstechnologie schlagen wir Feldeffekttransistoren vor, die mit integrierten Antennen erforscht werden sollen, um hochempfindliche Bauelemente für den THz Bereich bereitzustellen. Die Transistoren wurden theoretisch in den 1990er Jahren von M. Dyakonov und M. Shur als THz-Detektoren vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden wir verschiedene FET-Technologien, wie CMOS, AlGaN/GaN und graphenbasierte Materialsysteme, untersuchen. Die Detektoren werden in einem breiten Frequenzbereich von 0,1 bis 5 THz in Schmalband- und Breitbandkonfigurationen erforscht. Für die richtige Implementierung von THz-Detektoren ist die gut definierte Charakterisierung von großer Bedeutung. Deshalb werden in dieser Arbeit die Charakterisierungsmethoden und verschiedene Definitionen von Detektorparametern vorgestellt. Wir werden den Stand der Technik von THz-Detektoren und unsere neuesten Entwicklungen zusammenfassen. Von der Seite der Charakterisierung werden wir die elektrischen, optischen und kryogenen Charakterisierungstechniken verwenden und die besten Ergebnisse präsentieren. Manche neue Techniken wurden durch die Entwicklung der Charakterisierungsmethoden entwickelt, nämlich Graphen-FET-Stabilisierung, Charakterisierung von THz Quellen mit niedriger Leistung für die Detektorkalibrierung, und Technologieentwicklung für den kryogene Messungen. Diese Techniken werden hier auch präsentiert. In dieser Arbeit wird ein breites Spektrum von THz-Anwendungen untersucht. Angefangen bei den spektroskopischen Anwendungen und der Bildgebung bis hin zur hyperspektralen Bildgebung und sogar zur passiven Bildgebung der THz-Strahlung des menschlichen Körpers. In dieser Arbeit werden sowohl Einzel-Pixel-Detektoren als auch Multi-Pixel-Arrays vorgestellt. Die untersuchte Autokorrelationstechnik zeigt die Möglichkeit, solche Detektoren für die direkte Detektion von THz Pulsen ohne interferometrischen Messaufbau einzusetzen. Unsere hochmodernen Detektoren erreichen eine schmalbandige Sensitivität unter 20 pW/√Hz bei 0,3 THz und 0,5 THz, sowie 404 pW/√Hz Querschnitts-NEP bei 4,75 THz. Die breitbandige Detektoren zeigen ein NEP von nur 25 pW/√Hz bei etwa 0,6 THz für das beste AlGaN/GaN-HEMT Design und 25 pW/√Hz bei etwa 1 THz für das beste CMOS FET Design. Diese Detektoren können für Spektroskopie angewendet werden und einfach für den relevanten Frequenzbereich angepasst werden. Als eine der vielversprechendsten Anwendungen wurde die Charakterisierung von Metamaterialien mit den entwickelten Geräten getestet. Eines der Ein-Pixel-Geräte und ein Multi-Pixel-Array wurden als technische Lösung für ein Radioastronomiesystem namens GREAT im Stratosphären-Observatorium namens SOFIA getestet. Zu den vorgestellten Bildgebungsanwendungen gehören Nahfeld- und Fernfeldlösungen. Die rasternde Nahfeldmikroskopie führte zur Visualisierung von Plasmawellen in einem Graphen-FET-Kanal. Die Fernfeld-Bildgebung hingegen machte einen 3D-Scan eines Mobiltelefons durch dessen Kunststoffabdeckung hindurch und zeigte eine hohe Genauigkeit und eine gute Erkennung der Merkmale des Smartphones. Für die Multi-Pixel-Array-Tests verwendeten wir 6x7-Pixel-Arrays, die in Konfigurationen von konfigurierbarer Größe der Apertur oder Bildgebung implementiert wurden. Die konfigurierbare Größe der Apertur ermöglicht eine einfachere Detektorfokussierung und eine bessere Anpassung an die Strahlgröße der einfallenden Strahlung. Die Bildgebung wurde an verschiedenen THz-Quellen getestet und mit TeraSense 16x16 Pixel-Arrays verglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen den hohen Vorteil unserer Entwicklung gegenüber der verwendeten kommerziellen Technologie. Zwei Anwendungen unter sehr niedrigem THz Leistung wurden erfolgreich getestet. Die Anwendung auf Hyperfrequenz-THz-Bildgebung, die im speziell entwickelten Doppelfrequenzkamm getestet wurde, und unser Detektorsystem für 300 GHz-Strahlung mit 9 Spektrallinien führten zu hervorragenden Bildgebungsergebnissen auf verschiedenen Materialien. Die passive Bildgebung der Strahlung des menschlichen Körpers, die mit dem vorgestellten Breitband-CMOS-Detektor mit Log-Spiral-Antenne erreicht wurde, der im Bereich von 0,1 - 1,5 THz arbeitet und die optische NEP von 42 pW/√Hz und NETD von 2,1 K erreicht, übertrifft die Leistungsgrenze der passiven Raumtemperatur-Bildgebung der Strahlung des menschlichen Körpers, die weniger als 10 K über der Raumtemperatur lag. Dieses Experiment eröffnete ein völlig neues Feld, das zuvor nur von den elektronischen Vervielfacherketten oder thermischen Detektoren erforscht wurde. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass Feldeffekt-Transistoren dienen als universelle Leistungsdetektoren im THz Bereich und können für verschiedene Breitband- und Schmalbandanwendungen Anwendungen bei Raumtemperatur eingesetzt werden, wie zum Beispiel, Kurzpulserkennung, Spektroskopie im Zeit- oder Frequenzbereich, aktive Nahfeld- und hauptsächlich Fernfeldabbildung in verschiedenen optischen Konfigurationen. Die Detektoren lassen sich leicht als Multi-Pixel-Arrays herstellen und können zur Erhöhung der Empfindlichkeit gekühlt werden.