Towards a THz Bloch laser

  • The realisation of tunable THz laser sources working at room temperature would give rise to further applications in this range of the electromagnetic spectrum. The THz Bloch laser could therefore become the basis for a technological breakthrough. Beside this practical relevance, the physics of the gain mechanism has been investigated theoretically for a long time and the experimental implementation of a self-starting laser still has not been achieved. At the beginning of this thesis the basic principles of Bloch oscillations and the related Bloch gain are described. The need of a superlattice structure to make Bloch oscillations possible in a semiconductor material is discussed. In this context, the effect of negative differential resistance and its influence on the field distribution due to Gunn domains is explained. The latter lead to an inhomogeneous field which may suppress the Bloch gain mechanism. The Krömer criterion is introduced and the concept of field-pinning layers to improve the field homogeneity is deduced. Finally, the design of the laser material is shown and different types of laser waveguides are compared. In chapter 3 detailed recipes for the processing of samples are given. Different types of contacts (ohmic and Schottky), the wafer bonding process required for double-metal lasers and the application of different photoresists for different purposes are described. An explanation of the formation of waveguides due to dry etching, wet etching and ion implantation follows. Dry etching is an established technique in the field of microstructure processing but the challenge of etching about 20 μm has led to problems. The high etching depth also makes wet etching difficult but this method could be improved due to a hard bake of the photoresist. The protection of critical areas on the surface of the samples with photoresist during ion implantation was increased by optimising the spin coating process. However, a full implantation of the active layer between the waveguides was not achieved which was the reason for the development of the hybrid technology. Here a prior wet etching of about 10 μm is performed and the rest of the material is implanted. The experimental setup is shown in chapter 4. An alternative method for the electrical contacting with the help of a copper bar is introduced. This improves the current distribution and the risk of an electrical breakdown during the measurements could therefore be lowered. Devices for THz beam guidance and spectroscopic measurements are shown and the method of biasing the samples with pulses below 100 ns and determining the effective voltage applied to the sample is depicted. These short pulses are required to prevent the samples heating up drastically due to high power. Chapter 5 contains the current-voltage characterisation of several structures including I-V-samples, Bloch laser samples and a quantum cascade laser. Different contacts (ohmic and Schottky) and different techniques for the formation of the ridges have been used in the processing of these samples (performed at the University of Frankfurt in all cases) and their influence on the I-V-dependence is discussed. The properties of the THz emission of the quantum cascade laser are in good agreement with published results from lasers processed with the same material. Another important result of this chapter is that the Bloch laser samples show unstable behaviour compared to the quantum cascade structure even with short pulses (of about 10 ns) where the risk of an electrical breakdown or the building of filaments is low. THz radiation emitted from one of the Bloch laser samples could not be observed. Two aspects that may have prevented the Bloch laser to emit are discussed in chapter 6. The saturation of the gain for higher amplitudes of the THz wave is investigated in single mode and multiple mode operation (the latter could occur due to the Bloch gain being expected to be broadband). In both cases it is shown that the saturation effect would limit the output power only to values clearly above the detection limit. In the subsequent section the distribution of the electric field is simulated with SILVACO software. Structures with transit layer lengths above the Krömer criterion are compared with structures which include field-pinning layers. It is shown that the latter are useful to avoid propagating Gunn domains as they build up in similar structures without field-pinning layers. Nevertheless, the electric field inside the superlattice regions is not stable. Beside spatial inhomogeneities also temporal variations of the field magnitude are observed. The lack of a suitable field distribution is expected to be the main reason for the samples not to work.
  • Der Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen Infrarot und Mikrowellen wird als THz-Strahlung bezeichnet (Wellenlängen von 3 mm bis 30 μm, Frequenzen von 0,1 THz bis 10 THz). Bisher sind wenig praktikable Quellen für derartige Frequenzen verfügbar, was Anwendungen einschränkt. THz-Laser sind als Quantenkaskadenlaser realisiert worden, jedoch emittieren diese bis heute nur bis maximal ca. 170 K. Der in dieser Arbeit behandelte und theoretisch schon seit mehreren Jahrzehnten vorausgesagte Bloch-Laser hingegen sollte in der Frequenz abstimmbar sein und sogar bei Raumtemperatur hohe Ausgangsleistungen erreichen. Die Umsetzung dieses Konzepts könnte daher die THz-Strahlung in vielen weiteren Bereichen einsetzbar machen. Die vorliegende Arbeit beschreibt in Kapitel 2 zunächst den physikalischen Hintergrund des THz-Bloch-Lasers. Der zugrundeliegende Verstärkungsmechanismus ist eng mit den so genannten Bloch-Oszillationen verknüpft: Wird an eine Halbleiterstruktur der Gitterperiode d ein Feld E angelegt, so führen die Elektronen (der Ladung e) Oszillationen mit der Bloch-Kreisfrequenz ωB = exExd/h aus (h ist die Planck-Konstante geteilt durch 2π). Dies wird allerdings nicht in herkömmlichen Halbleitern beobachtet, sondern lediglich in Halbleiterübergittern, weil hier die Streumechanismen die Bloch-Oszillationen nicht stören. Die Bloch-Verstärkung wurde 1972 von Ktitorov et al. semiklassisch beschrieben. Eine elektromagnetische Welle mit einer THz-Frequenz unter der Bloch-Frequenz sollte demnach in einem geeigneten Übergitter verstÄrkt werden. In solchen Strukturen wird ein negativer differentieller Widerstand beobachtet: Bei steigendem angelegtem Feld sinkt die Driftgeschwindigkeit der Elektronen ab einem kritischen Feld. Dies kann zur Bildung von so genannten Gunn-Domänen führen, welche die Homogenität des Feldes in der Struktur zerstören. Die Bloch-Verstärkung wird aber in wesentlichen Arbeiten unter der Annahme eines homogenen Feldes betrachtet, so dass davon ausgegangen werden kann, dass Gunn-Domänen den Verstärkungsmechanismus unterdrücken. Um dies zu verhindern, wird das Konzept der Feldfixierungsschichten in Zusammenhang mit dem Krömer-Kriterium genutzt, auf dem das Design der verwendeten Proben basiert. Darüber hinaus wird in Kapitel 2 die Fermi-Level-Anpassung an den Übergängen von Übergitterschichten zu Feldfixierungsschichten und das "double-metal design" für Wellenleiter beschrieben. Kapitel 3 setzt sich detailliert mit der Bearbeitung der Wafer zur Fertigung einer Laserprobe auseinander. Es werden Rezepte für das Aufbringen verschiedener Arten von Kontakten (ohmsche und Schottky-Kontakte) und das beim "double-metal design" benötigte "wafer bonding" (hier Gold-Indium) diskutiert. In einem weiteren Abschnitt werden Anleitungen für das Aufschleudern von verschiedenen Photolacken gegeben, die neben der üblichen Anwendung bei der Lithographie auch als Schutzschicht für das Nassätzen von Wellenleiterstegen oder die Ionenimplantation verwendet wurden. Eine alternative Methode für die elektrische Kontaktierung der Wellenleiteroberseite mit Hilfe von Kupferstegen ist am Anfang von Kapitel 4 beschrieben. Der Vorteil gegen über dem sonst gängigen Ultraschall-Drahtbonden ist eine gleichmäßigere Verteilung des Stroms, wodurch das Risiko eines elektrischen Durchbruchs der Probe durch lokal hohe Stromdichten verringert wird. Im Weiteren wird die THz-Strahlführung mit Hilfe eines optischen Konzentrators (Winston Cone) und die FTIR-Spektroskopie ("Fourier Transform Infra Red2) dargestellt. Zudem wird beschrieben, wie kurze Strompulse von ungefähr 100 ns Länge oder darunter erzeugt werden und wie man die tatsächlich an der Probe angelegte Spannung, die nicht mit der von der Spannungsquelle zur Verfügung gestellten übereinstimmt, ermittelt. Die Strom-Spannungs-Kennlinien verschiedener Proben, die Aufschluss über das kritische Feld geben können, werden in Kapitel 5 diskutiert. Dabei werden die Einflüsse der Kontaktschichten und der Länge der angelegten Pulse beschrieben. Ein komplett an der Universität Frankfurt gefertigter Quantenkaskadenlaser wird zum Vergleich untersucht. Die Reproduzierbarkeit einzelner Messungen ist bei dem Quantenkaskadenlaser weit besser als bei den Bloch-Laserproben. Dies ist ein Hinweis auf elektrische Instabilitäten in diesen Strukturen. Eine eindeutige Emission von THz-Strahlung konnte für den Quantenkaskadenlaser nachgewiesen werden. Temperaturabhängigkeit und Frequenzspektrum des Signals sind sehr ähnlich wie die Werte aus den Originalveröffentlichungen zu diesem Material. Dadurch wird verifiziert, dass die im Zusammenhang mit dieser Arbeit erarbeiteten Methoden zur Fertigung von Halbleiter-THz-Lasern hinreichend sind. Zudem zeigen die Messungen, dass der verwendete Aufbau in der Lage ist, die Signale zu detektieren. Dennoch konnte bei mehreren Bloch-Laserproben mit verschiedenen Kontakten und unterschiedlich erzeugten Wellenleiterstegen über einen Temperaturbereich von ca. 20 K bis 300 K keine Lasertätigkeit festgestellt werden. Da keine der gefertigten Bloch-Laserproben eine THz-Emission gezeigt hat, wurden verschiedene Simulationen durchgeführt, um mögliche grundsätzliche Probleme des Konzepts zu untersuchen. In Kapitel 6 wird zunächst beschrieben, welche Ausgangsleistung bei einsetzender Sättigung der Verstärkung für eine einzelne oder mehrere Moden zu erwarten wäre. Die ermittelten Werte sind weit über dem Detektorlimit, was ausschließen lässt, dass dieser Effekt für die ausbleibende Emission verantwortlich ist. Im Weiteren wird daher der Aspekt der Feldverteilung untersucht. Es wird geprüft, ob die Aussagen des Krömer-Kriteriums quantitativ richtig sind und sich in der vorliegenden Struktur mit Feldfixierungsschichten das Auftreten von sich bewegenden Gunn-Domänen verhindern lässt. Dabei zeigt sich, dass mit dem beschriebenen Konzept zwar sich bewegende Gunn-Domänen unterdrückt werden können, dies aber nicht bedeutet, dass das Feld hinreichend homogen ist. Es treten verschieden (temperaturabhängige) raumzeitliche Inhomogenitäten auf, die als der Hauptgrund dafür, dass die gefertigten Proben keine THz-Strahlung emittiert haben, angesehen werden können. In der abschließenden Diskussion werden Ansätze für weitere Forschung angesprochen. So könnten die Feldfixierungsschichten durch wenige Schichten mit positivem differentiellen Widerstand ersetzt werden, welche den negativen differentiellen Widerstand der Übergitterschichten kompensieren könnten. Des Weiteren ist die Idee von Krömer zu nennen, eine Übergitterstruktur mit einer variierenden Vorspannung zu stabilisieren (vergleichbar mit dem "limited space charge accumulation"-Modus, der bei Gunn- Dioden verwendet wird).

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Metadaten
Author:Jan Schmidt
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-242139
Referee:Hartmut RoskosORCiDGND, Wolf AßmusGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/05/30
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2012/05/03
Release Date:2012/05/30
Page Number:109
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:312631928
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
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