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Authors: Griebel, Martin
Title: Ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in LTG-GaAs und ErAs:GaAs Übergittern : Grundlagen und Anwendungen
Other Titles: Ultrafast charge-carrier dynamics in LTG-GaAs and ErAs:GaAs superlattices : fundamentals and applications
Issue Date: 2002
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-11788
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6521
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6504
Abstract: Die Motivation für die Experimente dieser Arbeit entspringt dem Ziel, ultrahoch-zeitaufgelöste Transportmessungen an mesoskopischen Bauelementen durchzuführen. Derartige Messungen erfordern Zeitauflösungen weit unterhalb von 10 ps, gleichzeitig muss die verwendete Messmethode kompatibel zu tiefsten Temperaturen (T << 1 K) und hohen Magnetfeldern sein. Allein die geforderte Zeitauflösung schließt die Verwendung rein elektronischer Methoden zur Durchführung derartiger Experimente aus. In dieser Arbeit stellen wir ausgehend von der Methode des Photoleitungs-Samplings eine zu den Anforderungen mesoskopischer Bauelemente kompatible, integrierte Anordnung zur Durchführung hoch-zeitaufgelöster Transportexperimente vor, die sowohl die Erzeugung der hochfrequenten Signale als auch ihre Detektion und Konvertierung in quasi-DC Signale in unmittelbarer Nähe zum eigentlichen Untersuchungsobjekt innerhalb einer einzigen Probenstruktur ermöglicht. Da derartige Experimente zur Vermeidung übermäßiger Aufheizung durch Wärmestrahlung in fensterlosen Kryostaten betrieben werden sollten, wurde die Beleuchtung der Photoleitungs-Sampling Struktur durch kurze Laserpulse mithilfe optischer Fasern realisiert. Der Erfolg dieses Ansatzes hängt von der Verfügbarkeit photoleitender Materialien ab, die es einerseits erlauben, mithilfe kurzer optischer Pulse unter dem Einfluss tiefer Temperaturen und hoher Magnetfelder ultrakurze elektrische Pulse zu erzeugen und die andererseits zur monolithischen Integration mit den zur Herstellung mesoskopischer Bauelemente notwendigen Heterostrukturen geeignet sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag zunächst in der Untersuchung neuartiger photoleitender Materialien im Hinblick auf die Erfüllung dieser Kriterien. Besonderes Gewicht wurde auf die Aufklärung der für die Ladungsträgerdynamik relevanten physikalischen Mechanismen gelegt. Im Anschluss daran wurden die zur Erzeugung, Propagation und Detektion elektrischer Pulse mit Bandbreiten von einigen Terahertz notwendigen Methoden entwickelt und zur Verwendung unter dem Einfluss tiefer Temperaturen und hoher Magnetfelder optimiert. Ein Ausgangsmaterial für Photoleitungsschalter, das, wie wir zeigen konnten, den gestellten Anforderungen genügt, besteht aus einem Übergitter äquidistanter ErAs-Inselschichten in einer GaAs Matrix (ErAs:GaAs). Die Ladungsträgerdynamik in ErAs:GaAs wurde als Funktion der Übergitterperiode mithilfe von Autokorrelationsmessungen an Photoleitungsschaltern sowie mithilfe von Pulspropagationsexperimenten an koplanaren Streifenleitungen untersucht. Wir beobachten einen Anstieg der Elektronenlebensdauer um nahezu zwei Größenordnungen von 190 fs auf 17 ps bei einer Erhöhung der Übergitterperiode von 10 auf 400 nm. Dieses Verhalten kann im Rahmen eines Diffusionsmodells verstanden werden, das in Übereinstimmung mit den experimentellen Daten eine quadratische Abhängigkeit der Elektronenlebensdauer von der Übergitterperiode vorhersagt. ErAs:GaAs zeichnet sich nicht nur durch seine sehr kurze Elektronenlebensdauer aus, sondern besitzt darüber hinaus eine bislang in diesem Maße nicht beobachtete Abstimmbarkeit der Elektronenlebensdauer, eine hohe thermische Stabilität sowie zusätzliche, unabhängige Materialparameter zur Kontrolle des Dunkelstroms. Unter Verwendung dieses neuartigen Substratmaterials wurden Photoleitungssampling-Experimente durchgeführt, indem jeweils zwei Photoleitungsschalter in eine koplanare Wellenleiterstruktur integriert und über optische Monomodenfasern mit Subpikosekunden-Laserpulsen beleuchtet wurden. Für eine Propagationsdistanz von 1.5 mm konnten wir dabei eine Zeitauflösung von weniger als 2.0 ps erreichen. In Experimenten unter kryogenen Bedingungen erwies sich diese Zeitauflösung sowohl als temperatur- als auch als magnetfeldunabhängig. Ein numerisches Modell zur Beschreibung der Generation, Propagation und Detektion der elektrischen Pulse konnte die Dispersion der koplanaren Wellenleiter sowie die Kapazitäten der Photoleitungsschalter als limitierende Faktoren der Zeitauflösung identifizieren. Durch die Verringerung der Bandlücke des die ErAs-Inseln umgebenden Matrixmaterials können Photoleitungsschalter bei längeren Wellenlängen betrieben werden. Als besonders attraktiv erweist sich in diesem Zusammenhang InGaAs mit einer an InP Substrate angepassten Komposition. Dieses Material absorbiert bis zu Wellenlängen von 1.67 µm, so dass die für Kommunikationszwecke relevanten Wellenlängen abgedeckt werden können. In Photostrom-Autokorrelationsmessungen an Proben mit einer Übergitterperiode von 40 nm konnten wir eine Elektronenlebensdauer von 1.1 ps bei einer Wellenlänge von 800 nm erzielen. Eine Veränderung der Wellenlänge von 750 nm auf 1 µm ergab keine Veränderung der Ladungsträgerlebensdauer, so dass kurze Elektronenlebensdauern bis hin zu 1.67 µm erwartet werden können.
The impetus for the experiments described in this work originates from our long term vision of performing ultrafast time-resolved transport measurements in mesoscopic devices. This goal imposes stringent simultaneous requirements: A time resolution well below 10 ps, compatibility with an ultra-cold environment (T << 1 K) and high magnetic fields. This set of conditions precludes all-electronic means and the use of coaxial lines to achieve this goal. Here we present an all-on-one-chip solution in which both the generation of high frequency signals as well as their detection and down-conversion to quasi-DC signals proceeds in close proximity to the device under test. To this end, the photoconductive sampling approach has been extended with the help of fiber optics to yield a technical implementation that satisfies the above criteria. The mature techniques developed by the optics community to produce and shape sub-picosecond optical pulses with variable time delays are combined with the virtues single mode optical fibers offer to bring such pulses into a low temperature cryostat while avoiding excessive thermal loading from optical windows. The entire method hinges on the availability of suitable photoconductive materials that on the one hand succeed in transducing incident optical pulses into electrical pulses of comparable width despite the low temperature and presence of high magnetic fields and on the other hand are flexible and compatible enough to allow monolithic integration with those materials needed to fabricate mesoscopic components. Hence, the present work is in part devoted to the exploration of promising novel photoconductive materials with an emphasis on the underlying physical processes responsible for their carrier dynamics. Here, a novel material composed of equidistant layers of self-assembled ErAs islands embedded in a GaAs matrix (ErAs:GaAs) is investigated. The carrier dynamics is studied as a function of the superlattice period with the help of either photocurrent autocorrelation experiments on photoconductive switches or pulse propagation experiments on coplanar striplines. We observe an increase of the electron lifetimes by nearly two orders of magnitude from 190 fs to 17 ps if the superlattice-period is enlarged from 10 to 400 nm. This behavior is understood in terms of a diffusion model, that predicts a quadratic dependence of the electron lifetime on the lattice period in excellent agreement with the data. ErAs:GaAs not only competes with the shortest lifetimes reported previously on other materials, it also derives particular advantages from its straightforward, unparalleled lifetime tunability, thermal stability, and availability of additional control parameters to influence the dark current. Using this new substrate material photoconductive sampling has been performed by embedding photoconductive switches in a coplanar waveguide structure. Illuminating the switches with subpicosecond laser pulses by means of optical fibers we accomplished a time resolution of less than 2.0 ps for propagation along an approximately 1.5 mm long waveguide. Cryogenic experiments revealed that this time resolution is temperature independent and insensitive to magnetic fields. A numerical model describing the generation, propagation and detection of the electrical pulses identified the dispersion of the coplanar waveguide and the capacitance of the photoconductive switches as the limiting factors of the time resolution. By narrowing the bandgap of the matrix material surrounding the ErAs island layers, photoconductive switches may be operated at longer wavelengths. InGaAs lattice-matched to InP is particular attractive. It absorbs at wavelengths up to 1.67 µm, so that the all-important optical communication wavelengths can be covered. Photocurrent autocorrelation experiments on an ErAs:InGaAs superlattice sample with a lattice period of 40 nm displayed electron lifetimes of 1.1 ps at 800 nm. Tuning the wavelength from 750 nm to 1 µm revealed no change, so that trouble-free operation at wavelengths up to 1.6 µm can be expected.
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