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Terahertz-Strahlung auf der Basis beschleunigter Ladungsträger in GaAs

Authors
Publisher
Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden
Publication Date
Keywords
  • Thz-Strahlung
  • Ladungsträgerdynamik
  • Gaas
  • Thz
  • Ultrafast
  • Far Infrared
  • Carrier Dynamics
  • Ddc:530
  • Rvk:Un 2000

Abstract

Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen etwa 100 GHz und 5 THz wird für verschiedene Anwendungen wie Spektroskopie und Mikroskopie genutzt, kann aber auch für Sicherheitstechnik oder sogar Datenübertragung interessant sein. In der hier vorgestellten Forschungsarbeit wird eine großflächige fotoleitende THz-Strahlungsquelle beschrieben, die sich durch eine große THz-Feldstärke und große spektrale Bandbreite auszeichnet. Die THz-Emission basiert auf der Beschleunigung und Verzögerung fotogenerierter Ladungen in Halbleitersubstraten. Eine metallische Interdigitalstruktur auf der Oberfläche von semi-isolierendem GaAs bildet die Elektroden eines Fotoschalters. Ist an diese Struktur eine Spannung angeschlossen, werden optisch generierte Ladungsträger beschleunigt und strahlen elektromagnetische Wellen ab. Eine geeignet strukturierte und isolierte zweite Metallisierung verhindert destruktive Interferenzen der abgestrahlten Wellen. Die vorgeschlagene Struktur vereinigt dabei die Vorteile verschiedener herkömmlicher fotoleitender THz-Quellen. Einerseits ermöglicht der kleine Elektrodenabstand große elektrische Felder zur Beschleunigung fotogenerierter Ladungen schon bei moderaten Spannungen. Andererseits kann die große aktive Fläche von einigen mm2 mit großen optischen Leistungen im Bereich einiger mW angeregt werden. Die optische Anregung mit Nahinfrarot-Femtosekunden- Lasern kann mit Wiederholraten bis in den GHz-Bereich geschehen. Bedingt durch die Eigenschaften der Anregungspulse entstehen kurze spektral breite THz-Pulse. Die vorliegenden Ergebnisse verdeutlichen die hervorragenden Eigenschaften der Interdigitalstruktur im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen Geometrien bezüglich der Feldstärke der abgestrahlten Wellen, der mittleren Leistung und der spektralen Eigenschaften. Dabei ist die Struktur sehr einfach zu handhaben. Es wurden verschiedene Modifikationen des Substrates und die optimalen Bedingungen der optischen Anregung untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Erforschung der dynamische Leitfähigkeit von GaAs/AlxGa1-xAs-Übergittern in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld mit Hilfe der zeitaufgelösten THz-Spektroskopie. Es sollte geklärt werden, ob der vorhergesagte Effekt der Verstärkung elektro-magnetischer Strahlung in solchen Strukturen möglich ist. Dazu wurden Übergitterproben gemäß den experimentellen Anforderungen hergestellt. Zu den Vorgaben gehört ein hoher spezifischer Widerstand und ausreichende Transparenz im THz-Bereich. Die Charakterisierung der Übergitter mit Fotolumineszenz- und Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie bestätigte die ausgeprägten Minibandeigenschaften der Bandstruktur. Hinweise auf Bloch-Oszillationen wurden durch Ladungstransportmessungen gefunden. Dennoch war eine Änderung der dynamischen Leitfähigkeit beim Schalten des elektrischen Feldes nicht messbar. Gründe dafür und ähnliche Experimente anderer Gruppen werden diskutiert.

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