Far field and near field terahertz spectroscopy on parabolic quantum wells [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Guillermo Pedro Acuña

Acuna Guillermo

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 17
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Far Field and Near Field
Terahertz Spectroscopy on
Parabolic Quantum Wells
Dissertation an der Fakultät für Physik
der Ludwig–Maximilians–Universität München
vorgelegt von Guillermo Acuña aus Buenos Aires,
Argentinien
München, im Februar 2010Betreuer: Prof. Dr. Roland Kersting
Zweitgutachter: Prof. Dr. Achim Hartschuh
Mündliche Prüfung am 03.05.2010
2Content
1 Introduction 11
2 Background 13
2.1 Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 DispersionRelation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.2 DirectandIndirectSemiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 DopingofSemiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.4 CarrierDrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1.5 OpticalPropertiesofDopedSemiconductors:TheDrudeModel . . . . . . 17
2.2 Al Ga As-GaAsSemiconductorHeterointerfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18x 1−x
2.2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2 ModulationDoping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 DigitalAlloyTechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 IntersubbandTransitionsinQuantumWells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.2 OpticalExcitationofIntersubbandTransitions . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3 ParabolicQuantumWells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.4 Dephasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4 MetalSemiconductorContactsandControloftheChargeCarrierDensity . . . . 28
2.4.1 TheSchottkyContact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2 TheOhmicContact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3 Terahertz Spectroscopy and Terahertz Microscopy 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 TerahertzGeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 OpticalRectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 CurrentSurgeEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 TerahertzDetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.1 PhotoconductiveSwitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.2 Electro-opticSampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 IntroductiontoNearFieldMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.1 LimitationsofConventionalOpticalMicroscopy . . . . . . . . . . . . . . . 38
33.4.2 NearFieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM) . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.3 Imaging Mechanisms in Aperture-less Near Field Scanning Optical Mi-
croscopy(ANSOM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 Development of a Terahertz Near Field Microscope 47
4.1 ExperimentalSetup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 DevelopmentofaNovelTHzEmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.2 Fabrication. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.3 ResultsonthePerformanceoftheTHzEmitter . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 AnalysisandImprovementtotheSignaltoNoiseRatio . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 DevelopmentofaShearForceControlSystemforTHz-ANSOMTechniques . . . 57
4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.2 OverviewandRealizationofaShearForceControlTechnique . . . . . . . 58
4.4.3 CharacterizationandSpatialResolutionoftheMicrocospe . . . . . . . . . 61
5 Preparation and Characterization of the Parabolic Quantum Well Structure 67
5.1 TheParabolicQuantumWell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 ElectronicCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 NumericalAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 Far Field and Near Field Terahertz Spectroscopy Measurements 81
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Electro-ModulationSpectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.3 ExtensionoftheThinFilmEquationsforaTheoreticalAnalysis . . . . . . . . . . 83
6.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.1 DrudeResponse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4.2 IntersubbandTransitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7 Conclusions and Outlook 95
Appendix 99
A Proportional-Integral(PI)Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
B AllowedIntersubbandTransitionsonParabolicQuantumWells . . . . . . . . . . 100
4List of Publications during this
Dissertation
i. F.Buersgens,G.Acuna,C.H.Lang,S.ManusandR.Kersting, ”Shearforcecontrolfora
terahertznearfiledmicroscope”,
Rev.Sci.Instr.78,113701(2007).
ii. F.Buersgens,G.AcunaandR.Kersting, ”Millimeterwaveprobingoftheacousticphase
forconcealedobjectdetection”,
Opt.Express15,8838(2007).
iii. F.Buersgens,G.AcunaandR.Kersting, ”Acousticphaseimagingwithterahertz
radiation”,
Opt.Express15,4427(2007).
iv. F.Buersgens,G.AcunaandR.Kersting, ”Terahertzimagingofconcealedobjectsby
acousticphasedetection”,
TerahertzMil.Sec.Appl.IV,6949,94905(2008).
v. R.Kersting,F.BuersgensandG.Acuna, ”Mappingtheacousticphasewithterahertzand
millimeterwavetechniques”,
TM-TechnischesMessen75,51(2008).
vi. G.Acuna,F.Buersgens,C.H.LangandR.Kersting, ”ImpactofHigh-FieldCharge
TransportonTerahertzEmissionFromSemiconductorDevices”,
IEEEJ.Sel.Top.Quant.Electr.14,1(2008).
vii. R.Kersting,F.Buersgens,G.AcunaandG.C.Cho, ”TerahertzNear-FieldMicroscopy”,
AdvancesinSolidStatePhysics,Bd.47.
SpringerBerlin/Heidelberg(2008).
viii. G.Acuna,F.Buersgens,C.H.Lang,M.Handloser,A.GuggenmosandR.Kersting,
”Interdigitatedterahertzemitters”,
Electr.Lett.44,3(2008).
ix. G.Acuna,S.Heucke,F.Kuchler,H-T.Chen,A.TaylorandR.Kersting, ”Surface
plasmonsinterahertzmetamaterials”,
Opt.Express16,18745(2008).
5x. S.Funk,G.Acuna,M.HandloserandR.Kersting, ”Probingthemomentumrelaxation
timeofchargecarriersinultrathinlayerswithterahertzradiation”,
Opt.Express17,17450(2009).
Previous Publications
i. A.Medus,G.AcuñaandC.Dorso, ”Detectionofcommunitystructuresinnetworksvia
globaloptimization”,
PhysicaA358,593(2005).
ii. G.AcuñaandJ.Miraglia, ”Time-dependentinducedpotentialsinconvoyelectron
emission”,
SurfaceScience600,4961(2006).
6Contributions to Conferences
i. G.Acuna,andR.Kersting,”Interdigitatedterahertzemitters”,InternationalConference
onInfraredandMillimeterWaves2007,Cardiff,Wales.
ii. F.Buersgens,G.Acuna,andR.Kersting,”Concealedobjectdetectionbyfarinfrared
sensingoftheacousticphase”,InternationalConferenceonInfraredandMillimeter
Waves2007,Cardiff,Wales.
iii. G.Acuna,F.Buersgens,C.H.Lang,andR.Kersting,”TerahertzEmissionfromCharge
TransportinInhomogeneousFields”,CLEOQELS2008,SanJosé,California,USA.
iv. G.Acuna,F.Kuchler,R.Kersting,H-TChen,A.Taylor,andAGossard,”Time-resolved
TerahertzMicroscopyofNanostructures”,CLEOQELS2008,SanJosé,California,USA.
v. F.Buersgens,G.Acuna,andR.Kersting,”Terahertzimagingofconcealedobjectsby
acousticphasedetection”,SPIEDefense&SecuritySymposium2008,Orlando,Florida,
USA.
vi. G.Acuna,S.F.Heucke,M.Handloser,andR.Kersting,”Terahertznear-fieldmicroscopy
withextremesubwavelengthresolution”,IIInternationalSymposium”TopicalProblems
ofBiophotonics”2009,Samara,Russia.
78Kurzfassung
DieDynamikunddasStreuverhaltenvonElektroneninzweidimensionalenElektronengasen(2DEG)hat
wissenschaftlich und technologisch große Bedeutung. Einerseits bestimmt die Dynamik grundlegende
PhänomenewiedenQuanten-Hall-EffektundanderseitsistsiemaßgeblichfürdasVerhaltenvonHalblei-
terbauelementenundderenlangfristigerreichbareSchaltgeschwindigkeit.HierbeiistvorallemdieFrage
nachdenUrsachenundBeiträgenderverschiedenenStreuprozessebislangnichteindeutiggeklärt.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Untersuchung und Quantifizierung der Streuung in
2DEGs in AlGaAs-GaAs-Halbleiter-Heterostrukturen mit Hilfe von Terahertz (THz) Fern- und Nahfeld-
spektroskopie.ImgewähltenModellsystemwerdendieunterschiedlichenBandlückenbeiderMaterialien
so eingesetzt, dass der resultierende parabolische Potentialverlauf im Leitungsband einen Quantentopf
bildet,indemdieelektronischenZuständeentlangderWachstumsrichtungquantisiertsind.Derparabo-
lische Quantentopf ist hierbei so bemessen, dass die äquidistanten Subbänder Übergangsfrequenzen im
Terahertz-Bereich haben. Hingegen können sich die Elektronen in der Ebene senkrecht zur Wachstums-
richtungdesQuantentopfsfreib