05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Sharp MIR plasmonic modes in gratings made of heavily doped pulsed laser-melted Ge1-xSnx(2023) Berkmann, Fritz; Steuer, Oliver; Ganss, Fabian; Prucnal, Slawomir; Schwarz, Daniel; Fischer, Inga Anita; Schulze, JörgItem Open Access Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen(2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.Item Open Access Plasmonic gratings from highly doped Ge1-ySny films on Si(2021) Berkmann, Fritz; Ayasse, Markus; Schlipf, Jon; Mörz, Florian; Weißhaupt, David; Oehme, Michael; Prucnal, Slawomir; Kawaguchi, Yuma; Schwarz, Daniel; Fischer, Inga Anita; Schulze, JörgPlasmonic modes in metal structures are of great interest for optical applications. While metals such as Au and Ag are highly suitable for such applications at visible wavelengths, their high Drude losses limit their usefulness at mid-infrared wavelengths. Highly n-doped Ge1-ySny alloys are interesting possible alternative materials for plasmonic applications in this wavelength range. Here, we investigate the use of highly n-doped Ge1-ySny films grown directly on Si by molecular beam epitaxy with varying Sn-content from 0% up to 7.6% for plasmonic grating structures. We compare plasma wavelengths and relaxation times obtained from electrical and optical characterization. While theoretical considerations indicate that the decreasing effective mass with increasing Sn content in Ge1-ySny films could improve performance for plasmonic applications, our optical characterization results show that the utilization of Ge1-ySny films grown directly on Si is only beneficial if material quality can be improved.Item Open Access Measurement of transient overvoltages by capacitive electric field sensors(2024) Probst, Felipe L.; Beltle, Michael; Tenbohlen, StefanThe accurate measurement and the investigation of electromagnetic transients are becoming more important, especially with the increasing integration of renewable energy sources into the power grid. These sources introduce new transient phenomena due to the extensive use of power electronics. To achieve this, the measurement devices must have a broadband response capable of measuring fast transients. This paper presents a capacitive electric field sensor-based measurement system to measure transient overvoltages in high-voltage substations. The concept and design of the measurement system are first presented. Then, the design and concept are validated using tests performed in a high-voltage laboratory. Afterwards, two different calibration techniques are discussed: the simplified method (SM) and the coupling capacitance compensation (CCC) method. Finally, three recorded transients are evaluated using the calibration methods. The investigation revealed that the SM tends to overestimate the maximum overvoltage, highlighting the CCC method as a more suitable approach for calibrating transient overvoltage measurements. This measurement system has been validated using various measurements and can be an efficient and flexible solution for the long-term monitoring of transient overvoltages in high-voltage substations.Item Open Access Band-gap and strain engineering in GeSn alloys using post-growth pulsed laser melting(2022) Steuer, Oliver; Schwarz, Daniel; Oehme, Michael; Schulze, Jörg; Mączko, Herbert; Kudrawiec, Robert; Fischer, Inga A.; Heller, René; Hübner, René; Khan, Muhammad Moazzam; Georgiev, Yordan M.; Zhou, Shengqiang; Helm, Manfred; Prucnal, SlawomirThe pseudomorphic growth of Ge1-xSnx on Ge causes in-plane compressive strain, which degrades the superior properties of the Ge1-xSnx alloys. Therefore, efficient strain engineering is required. In this article, we present strain and band-gap engineering in Ge1-xSnx alloys grown on Ge a virtual substrate using post-growth nanosecond pulsed laser melting (PLM). Micro-Raman and x-ray diffraction (XRD) show that the initial in-plane compressive strain is removed. Moreover, for PLM energy densities higher than 0.5 J cm-2, the Ge0.89Sn0.11 layer becomes tensile strained. Simultaneously, as revealed by Rutherford Backscattering spectrometry, cross-sectional transmission electron microscopy investigations and XRD the crystalline quality and Sn-distribution in PLM-treated Ge0.89Sn0.11 layers are only slightly affected. Additionally, the change of the band structure after PLM is confirmed by low-temperature photoreflectance measurements. The presented results prove that post-growth ns-range PLM is an effective way for band-gap and strain engineering in highly-mismatched alloys.Item Open Access Adaptive error control for stratospheric long-distance optical links(2024) Parthasarathy, Swaminathan; Kirstädter, Andreas (Prof. Dr.-Ing.)Free-space optical (FSO) communication plays a crucial role in aerospace technology, utilizing lasers to establish high-speed, wireless connections over long distances. FSO surpasses conventional RF wireless technology in various aspects and supports high-data-rate connectivity for services such as Internet access, data transfer, voice communication, and image transfer. High-Altitude Platforms (HAPs) have emerged as ideal hosts for FSO communication networks, offering ultra-high data rates for applications like high-speed Internet, video conferencing, telemedicine, smart cities, and autonomous driving. FSO via HAPs ensures minimal latency, making it suitable for real-time tasks like remote surgery and autonomous vehicle control. The swift, long-distance communication links with low delays make FSO-equipped HAPs ideal for RF-congested areas, providing cost-effective solutions in remote regions and contributing to environmental monitoring. This thesis explores the use of adaptive code-rate Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) methods and channel state information (CSI) to improve the transmission efficiency of Free-Space Optical (FSO) links between High Altitude Platforms (HAPs). The study looks at channel problems like atmospheric turbulence and static pointing errors, focusing on the weak fluctuation regime of atmospheric turbulence. It explores the reciprocal behavior in bidirectional FSO channels to improve performance efficiency, providing evidence of channel reciprocity. The research proposes using HARQ, an adaptive Reed-Solomon (RS) code-rate technique, and different CSI types to address these impairments. Simulations of various situations are used to test how well these methods work. This helps us learn more about how efficient HARQ protocols are in inter-HAP FSO links, how important different CSI is in adaptive rate HARQ, and possible ways to make the system more efficient. This thesis looks at the channel model for inter-High Altitude Platform (HAP) Free-Space Optical (FSO) links in great detail, taking atmospheric conditions and static pointing errors into account. The channel is modeled as a lognormal fading channel under a weak fluctuation regime. The principle of channel reciprocity and the measures used to quantify it are discussed, providing a foundational understanding for the subsequent investigations. Forward Error Correction (FEC) schemes, with a specific emphasis on the Reed-Solomon (RS) scheme, and various Automatic Repeat reQuest (ARQ) schemes are thoroughly examined. A meticulous comparison of different ARQ schemes highlights that Selective Repeat ARQ (SR-ARQ) is the most efficient for high-error-rate channels, making it the preferred choice for inter-HAP FSO channels. Conversely, Stop and Wait ARQ (SW-ARQ) and Go-Back-N ARQ (GBN-ARQ) are found to be less suitable for these channels. An innovative approach is introduced, leveraging various types of Channel State Information (CSI) to adjust the Reed-Solomon Forward Error Correction (FEC) code-rate. Four types of CSI: perfect CSI (P-CSI), reciprocal CSI (R-CSI), delayed CSI (D-CSI), and fixed mean CSI (F-CSI) are employed. The adaptation of the Reed-Solomon FEC code-rate, aligned with Selective Repeat ARQ, is explored, and the optimal power selection is identified through rigorous analysis. It shows simulation models that use OMNET++ and gives information about the inter-HAP channel and the event-based selective repeat HARQ model. The study demonstrates reciprocity in the longest recorded ground-to-ground bidirectional Free-Space Optical (FSO) link, holding promise to mitigate signal scintillation caused by atmospheric turbulence. It evaluates the performance of different ARQ protocols and adaptive Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) schemes in inter-HAP FSO communication systems. The results show how channel state information, turbulence in the atmosphere, and pointing errors affect the performance of the system. They also suggest ways to improve system efficiency, such as using CSI prediction and soft combining. These findings offer valuable insights for the design and optimization of ARQ and HARQ schemes in inter-HAP FSO communication systems and suggest promising avenues for future research.