Terahertz-Photoleiter mit separierten Rekombinations-Schichten (SepaRek-Schichten)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes sind Photoleiterschichten mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit, die zwischen Schichten mit schnellen Rekombinationszentren (separierte Rekombination, SepaRek) eingebettet werden. Die Photoleiterschichten dürfen nur wenige nm dick sein, damit der Weg zu den Rekombinationszentren kurz isl. Periodische Wiederholungen der Strukturen sind nötig um eine ausreichende Gesamtdicke und einen ausreichenden Photoeffekt zu erreichen. Ein erster Erfolg im Projekt war die Entwicklung eines Epitaxieprozesses, mit dem abwechselnd InAlAs-Schichten guter Kristallqualiläl und InAlAs-Schichten mit hoher Konzentration tiefer Störstellen gewachsen werden können. Der entwickelte Epitaxieprozess ist gut praktikabel, ein periodischer Temperaturwechsel ist nicht nötig. Es wird eine Anomalie des InAlAs-Wachstums ausgenutzt, und hierfür muss lediglich eine spezielle Wachstumstemperatur im Bereich von 350- 400°C gewählt werden. An den realisierten Multi-Schicht Strukturen konnte dann das Prinzip der separierten Rekombination untersucht werden: Photoleitung im InGaAs, Rekombination im InAlAs. Es wurde so ein Weg aufgezeigt, die sonst gekoppelten Parameter Rekombinationsgeschwindigkeil und Ladungsträgerbeweglichkeit auch getrennt steuern zu können. Im Vergleich zu InGaAs/InAlAs LT-Schichten, die derzeit erfolgreich in 1,5 μm THz-Syslemen eingesetzt werden, konnte die Beweglichkeil um mehr als eine Größenordnung von 300 cm2/Vs auf 4000 cm2/Vs gesteigert werden. Die erreichte Rekombinationszeit der SepaRek-Struktur von 18 ps (gemessen mit differentieller Transmission) ist zwar langsamer als für LT-Schichten (< 1 ps), aber deutlich schneller als für perfektes InGaAs zu erwarten wäre (ns-Bereich). Die Funktion des SepaRek- Ansatzes konnte so demonstriert werden. Aus den entwickelten SepaRek-Strukturen wurden THz-Antennen mit Mesa-Kontakten gefertigt und in einem kohärenten THz Time-Domain Spektrometer (THz TDS) vergleichend zu Standard LT-Antennen untersucht. Bei sonst gleichen Antennengeometrien und Betriebsparametern konnte die detektierte Signalamplitude durch die SepaRek-Struktur - aufgrund der höheren Beweglichkeit - um einen Faktor 6 verbessert werden. Die Spektren zeigten eine Bandbreite von 4 THz, trotz der etwas langsameren Rekombination nur wenig reduziert gegenüber dem LT-System (5 THz). Weitere Arbeiten konzentrierten sich auf die Verbesserung der THz-Sendeleistung, wobei eine kalibrierte Golay-Zelle als Maßstab diente. In einem ersien Schritt wurde die Antennengeometrie variiert, insbesondere der Abstand der Streifen-Wellenleiter. Bei Erhöhung des Abstandes von 25 μm auf 100 μm und bei gleicher angelegter Feldstärke aber größerem Laser-Anregungsfleck konnte die THz-Sendeleistung um einen Faktor 10 von 1,8 μW auf 18 μW gesteigert werden. Bei LT-Material dagegen hatten der Slreifenabstand und die Größe des Anregungsflecks keinen erkennbaren Einfluss auf die Sendeleistung. Dies ist zum einen auf die erhöhte Beweglichkeil und zum anderen auf die verbesserte Lichiabsorption in den bei Tg=400°C gewachsenen InGaAs-Schichten zurück zu führen. In einem letzten Schritt des Projekts wurde die Geometrie des Multi-Schicht-Paketes variiert, insbesondere der Einfluss dünnerer InAlAs-Barriere-Schichten untersucht. Die Wellenfunktionen dringen so liefer vom InGaAs in die InAlAs-Barriere ein, was zu verstärkter Wechselwirkung mit den tiefen Störslellen und zu schnellerer Rekombination führen sollte. Diese wurde zwar nicht erreicht, aber bei der Charakterisierung als Sender zeigte sich eine nochmalige drastische Steigerung der THz-Emission bis auf 64 μW. Zum Vergleich: Die Standard-Antennen aus LT InGaAs/lnAlAs liefem bei gleicher optischer Anregung nur ca. 0,5 μW THz-Leistung. Zusammengefasst hat die Entwicklung der SepaRek-Strukturen erhebliche Verbesserunen der Sendeleistung von photoleitenden THz-Anlenne gebracht. Das SepaRek-Konzept, dessen Realisierbarkeit und die Nützlichkeit derartiger innovativer Strukturen sind, konnten so unter Beweis gestellt werden. Trotz der Erfolge bei der Sendeleistung sind die Optimierungen der Strukturen und das Verständnis der Effekte und deren Zusammenspiel noch nicht abgeschlossen. Bezüglich der Optimierung als Empfänger stehen die Arbeiten noch am Anfang, hier wurde eine Verbesserung gegenüber LT-Material noch nicht erreicht. Das Design muss hier die schnelle Rekombination in den Vordergrund stellen, bei Akzeptanz von einer etwas geringeren Beweglichkeit. Durch die signifikant erhöhte Emissionsleistung und Effizienz der SepaRek basierten Senderantennen eröffnet sich erhebliches Anwendungspotential für effiziente, kompakte und dennoch leistungsfähige TDS-Systeme. Das HHI entwickelt bereits Komponenten und Systeme fur Industriekunden, welche die im Projekt gewonnen Methoden und Erkenntnisse direkt nutzen. Darüber hinaus eröffnet sich weiteres erhebliches Potential für Verbesserungen der photoleitenden Antennen, insbesondere, wie erwähnt für verbesserte Empfangerantennen, unter Ausnutzung des Ansatzes der separierten Rekombination. Aus physikalischer Sicht ist ein tieferes Verständnis der Ladungsträgerrelaxationsdynamik und der Transporteigenschaften wünschenswert, im Besonderen ihrer Auswirkung auf die THz-Erzeugung und THz-Detektion. Hierzu existiert noch kein quantenmechanisches Modell, das diese Prozesse beschreibt. Es ist deshalb vorgesehen diese Fragestellungen in zukünftigen Projekten weiter zu verfolgen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Improving Photoconductive THz Antennas for 1.5 μm Operation", Winter Topicals 2010, Palma de Mallorca, Spanien
R.J.B. Dietz et al.
- "Mesa-structured InGaAs/InAlAs photoconductive antennas for THz time domain systems operated al 1.5 μm",CLEO 2010, San Jose USA
R.J.B. Dietz et al.
- "High efficiency InGaAs/lnAlAs photoswitches for 1.5 μm excitation based on spatially separated photoconductive and recombination layers". Terahertz Nanoscience 2011, Osaka. JP
R.J.B. Dietz et al.
- "Mesa Structured Photoconductive Antennas for 1.5 μm: All-Fibre THz-TDS Spectroscopy Beyond 4 THz". IRMMW-THz 2011, Rom, Italien
R.J.B. Dietz et al.
- "Pholoconductive THz generation at 1.5 μm excitation in InGaAs/InAl/As structures with separated photoconductive and trapping layers". IRMMW-THz 2011, Houston TX. USA
R.J.B. Dietz el al.
- "THz generation at 1.55 μm excitation: six-fold increase in THz conversion efficiency by separated photoconductive and trapping regions'". Opt. Express Vol. 19, 27, 25911-917 (2011)
Roman J.B. Dietz, Marina Gerhard, Dennis Stanze, Martin Koch, Bernd Sartorius and Martin Schell
- ''Photoluminescence study of (GaIn)As/(AlIn)As-based THz antenna materials for 1.55 μm excitation", Journal of Luminescence, Volume 138, June 2013, Pages 179-181
T. Jung, R. Dietz, A. Chemikov, F. Kuik, B. Sartorius, M. Schell, M. Koch, S. Chatterjee
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2013.02.022)
