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
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.
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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 Quell
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 Roskos, Wolf Aßmus
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/05/30
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2012/05/03
Release Date:2012/05/30
Pagenumber: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
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoArchivex. zur Lesesaalplatznutzung § 52b UrhG

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