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Titel:Photoconductive Terahertz Emitters and Detectors for the Operation with 1550 nm Pulsed Fiber Lasers
Autor:Globisch, Björn
Weitere Beteiligte: Koch, Martin (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0466
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0466
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-04666
DDC: Physik
Titel(trans.):Photoleitende Terahertz Emitter und Detektoren für die Anregung mit femtosekunden Faserlasern bei 1550 nm
Publikationsdatum:2017-06-22
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
antennas, Spektroskopie, Time-domain spectroscopy, Photoleiter, Photoleiter, photoconductor, Terahertz, Zeitbereichsspektroskopie, Zerstörungsfreie Prüfung, Sensorik, Terahertz, non-destructive testing, Antennen

Summary:
In this thesis, photoconductive terahertz (THz) emitters and detectors suitable for the excitation with femtosecond laser pulses centered on 1550 nm are investigated. The motivation for this study is the development of cost-efficient, flexible and rapid THz time-domain-spectroscopy (TDS) systems for the application in growing fields like non-destructive testing (NDT) and inline process monitoring. In order to achieve this goal, the physics of the generation and detection of THz radiation in photoconductors is investigated. The combination of experimental data with the analytic modeling of the carrier dynamics in THz photoconductors allows for a detailed understanding of the interplay between the growth conditions of the photoconductor and the properties of the fabricated THz device. In this work, three different photoconductive materials were studied as THz emitters and detectors. All these photoconductors contain layers of the ternary semiconductor indium gallium arsenide (InGaAs). When InGaAs is grown lattice matched to an indium phosphide (InP) substrate, the material can be excited by erbium doped femtosecond fiber lasers with a central wavelength around 1550 nm. Therefore, InGaAs is a predestinated absorber in photoconductive THz emitters and detectors. Aside from the common InGaAs layers, the photoconductors investigated in this thesis feature essentially different electrical and optical properties. The reason is that theoretical models and experimental results obtained within the last two decades revealed different demands on photoconductors for THz emitters and detectors. On the detector side, a sub-picosecond electron lifetime is required for the detection of broadband THz radiation with high dynamic range. In contrast, photoconductive materials for THz emitters require high breakdown fields and carrier mobility, whereas the electron lifetime is of minor importance. Therefore, the first part of this work is dedicated to the development of InGaAs-based photoconductors for THz emitters and receivers. Photoconductors with sub-picosecond electron lifetimes were obtained by low-temperature growth of InGaAs with molecular beam epitaxy (MBE). At temperatures below 300 °C the growth is non-stoichiometric and arsenic antisites are incorporated as point defects into the lattice. When these antisites are ionized they serve as fast trapping and recombination centers. In this work, it is shown that the concentration of the (ionized) antisites can be controlled by the growth temperature, by using an additional p-dopant (beryllium), and by the temperature and the duration of a post-growth annealing step. Electron lifetimes as short as 140 fs were obtained. The precise adjustment of all these parameters allowed for the design and the fabrication of THz receivers with a spectral bandwidth of up to 6 THz and a peak dynamic range exceeding 95 dB. For THz emitters, a high mobility, which is generally equivalent to a low defect density, is required in order to enable the efficient acceleration of the photoexcited carriers in the electric field applied to the emitter. Due to the high density of defects, low-temperature-grown (LTG) InGaAs based photoconductors are not the material of choice for THz emitters. Instead, a material comprising almost defect free layers of InGaAs surrounded by InAlAs barriers containing a high density of deep defects was used. These properties were achieved at growth temperatures close to 400 °C in a MBE system. At those temperatures, alloying forms deep defects inside the InAlAs layers, whereas InGaAs grows almost defect free. A THz-power of up to 112 μW ± 7 μW was measured for emitters fabricated from this photoconductor, which is an increase by a factor of 100 compared to emitters made of the LTG material. By combining the optimized photoconductive emitters and receivers compact THz-TDS systems with up to 6 THz bandwidth and 90 dB peak dynamic range were realized. In addition, an all fiber-coupled THz spectrometer with kHz measurement rate as well as a fully fibercoupled near-field imaging system with a lateral resolution of 100 μm was demonstrated with these optimized photoconductive devices. However, a critical disadvantage of individual THz emitter and detector devices appears when THz-TDS measurements are performed in reflection geometry. Since many applications in NDT and in-line process monitoring allow only one side access to the sample under test, reflection measurements are the common use-case of THz-TDS in these fields. In this thesis, a fiber-coupled, monolithically integrated THz transceiver was developed, which combines the emitter and the receiver on a single photoconductive chip. As the photoconductor, Be-doped LTG-InGaAs/InAlAs with 0.5 ps electron lifetime was used in order to enable a broadband detection. The optical coupling of the transceiver was realized with the help of a polymer waveguide chip. With a bandwidth of 4.5 THz and a peak dynamic range larger than 70 dB this THz transceiver showed a significant performance increase compared to previous transceiver concepts (2 THz bandwidth and 50 dB peak dynamic range). In order to further increase the performance of THz transceivers a novel photoconductor had to be developed, which combines the required properties of THz emitters and detectors in the same material. For this purpose, iron (Fe) doped InGaAs grown by MBE was investigated. At growth temperatures close to 400 °C iron could be incorporated homogenously up to concentrations of 5 × 1020 cm-3. The resulting material combined sub-picosecond electron lifetime with high breakdown fields and high mobility. Applied as a photoconductive emitter, 75 μW ± 5 μW of radiated THz power were measured. As a detector, THz pulses with a bandwidth of up to 6 THz and a peak dynamic range of 95 dB were obtained. Hence, Fe-doped InGaAs has not only the potential to replace the relatively complex state-of-the art photoconductors, it also bears great potential for future integrated THz devices. In conclusion, the systematic study of the electrical properties and the carrier dynamics in InGaAs-based photoconductive materials led to significant improvements of individual THz emitter and detector devices. The detectable bandwidth was increased by 50 % from below 4 THz to 6 THz and the emitted THz power was enhanced by a factor of 100. Further, the knowledge from these studies was exploited for the fabrication of a fiber-coupled, monolithically integrated THz transceiver with a 4.5 THz bandwidth and 70 dB peak dynamic range. These results are a significant increase in THz performance compared to previous transceiver concepts (2 THz bandwidth and 50 dB dynamic range). In order to allow for further improvements of THz transceivers and integrated THz devices, Fe-doped InGaAs was investigated as a photoconductive emitter and detector. Due to the unique combination of subpicosecond electron lifetime, high resistivity (> 2 Ω cm) and high mobility (> 900 cm2V-1s-1) Fe-doped InGaAs showed a performance comparable to the optimized THz photoconductors. Hence, the results presented in this work pave the way for compact and integrated THz devices for applications in industrial environments.

Zusammenfassung:
In dieser Dissertation werden photoleitende Halbleiter zur Erzeugung und zur Detektion von Terahertz (THz) Strahlung untersucht, die mithilfe von Erbium-dotierten Faserlasern betrieben werden können. Das Ziel dieser Untersuchungen ist die Entwicklung von kostengünstigen, stabilen und kompakten THz Zeitbereichsspektrometern, die für Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung und der industriellen Prozesskontrolle geeignet sind. Dabei ist das detaillierte Verständnis der physikalischen Prozesse bei der Erzeugung und Detektion von THz Strahlung die Voraussetzung für die gezielte Optimierung des THz Photoleiters. Durch ausführliche Messreihen in Verbindung mit analytischen Modellen der Ladungsträgerdynamik werden in dieser Arbeit die elektrischen und dynamischen Eigenschaften von Photoleitern mit der Leistungscharakteristik der daraus hergestellten THz Emitter und Detektoren verknüpft. Diese Arbeit analysiert drei unterschiedliche Materialkonzepte für photoleitende THz Emitter und Detektoren, wobei alle diese Photoleiter Schichten des ternären Halbleiters Indiumgalliumarsenid (InGaAs) enthalten. InGaAs ist der ideale Absorber für Femtosekundenpulse mit einer Zentralwellenlänge um 1550 nm, da die Bandlücke dieses Materials, bei gitterangepasster Komposition zu InP, mit der Energie der infraroten Laserpulse übereinstimmt, die von einem Erbium-dotierten Faserlaser emittiert werden. Abgesehen von den InGaAs-Absorberschichten unterscheiden sich die untersuchten photoleitenden Materialien signifikant in ihren elektrischen und optischen Eigenschaften. Dies ist durch die deutlich unterschiedlichen Anforderungen bedingt, die photoleitende THz Sender und Empfänger an ein optimales Halbleitermaterial stellen. Während beim Empfänger eine Ladungsträgerlebensdauer unterhalb einer Pikosekunde für die breitbandige Detektion von THz Strahlung unbedingt erforderlich ist, benötigen photoleitende Sender vor allem eine hohe Ladungsträgermobilität und eine hohe Durchbruchfeldstärke. Die Ladungsträgerlebens-dauer muss lediglich klein gegenüber der Pulswiederholrate des Lasers sein. Daher wurde im ersten Teil dieser Arbeit zunächst jeweils ein Photoleiterkonzept für die Anwendung als THz-Emitter bzw. THz-Detektor untersucht. Photoleiter mit einer Ladungsträgerlebensdauer unterhalb von 1 ps wurden mithilfe des Niedrigtemperaturwachstums in einer Molekularstrahlepitaxieanlage (MBE) hergestellt. Bei Wachstumstemperaturen unterhalb von 300 °C wird zunehmend Überschuss Arsen (As) als Substitutionsdefekt in das InGaAs-Kristallgitter eingebaut. Diese As-Punktdefekte bilden schnelle Einfang- und Rekombinationszentren, wenn sie durch einen p-Dotierstoff ionisiert werden. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Studien konnten zeigen, dass die Konzentration der ionisierten As-Substitutionsdefekte durch die Wachstumstemperatur, durch die Konzentration des p-Dotierstoffs Beryllium und durch die Temperatur und die Dauer eines an das eigentliche Wachstum angeschlossenen Ausheilschritts gezielt beeinflusst werden kann. Elektronenlebensdauern bis hinunter zu 140 fs konnten so erreicht werden. Mithilfe der THz Empfänger, die aus dem optimierten Photoleiter hergestellt wurden, konnten Pulse mit einer Bandbreite von 6 THz und einem maximalen Dynamikbereich von mehr als 95 dB detektiert werden. Um eine möglichst effiziente Beschleunigung der Ladungsträger im photoleitenden THz Emitter zu erreichen, ist eine hohe Mobilität erforderlich, was im Allgemeinen gleichbedeutend mit einer möglichst geringen Defektdichte ist. Das durch das Niedrigtemperaturwachstum hergestellte Photoleitermaterial enthält aufgrund der kurzen Ladungsträgerlebensdauer allerdings eine hohe Defektdichte, wodurch dieses Material als THz Emitter nicht optimal ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein photoleitendes Material als THz Emitter erforscht, welches aus nahezu defektfreien InGaAs Schichten besteht, die eine hohe Mobilität gewährleisten, und von Schichten aus Indiumaluminiumarsenid (InAlAs) umgeben sind, die eine hohe Konzentration tiefliegender Störstellen aufweisen. Durch dieses Prinzip sind die THz Erzeugung in den InGaAs-Schichten und die Ladungsträgerrekombination in den InAlAs- Schichten räumlich voneinander getrennt. Die oben beschriebenen Eigenschaften konnten bei Wachstumstemperaturen um 400 °C in einer MBE erreicht werden. Durch Legierungsentmischung bilden sich in diesem Temperaturbereich tiefe Störstellen im InAlAs, während InGaAs nahezu defektfrei wächst. THz-Sender, die aus diesem Photoleiter hergestellten wurden, emittieren eine mittlere Leistung von bis zu 112 μW ± 7 μW. Im Vergleich zu THz-Emittern, die auf niedrigtemperaturgewachsenen Photoleitern basieren, entspricht dies einer Leistungserhöhung um den Faktor 100. Durch die Kombination der optimierten THz-Emitter und THz-Detektoren konnte ein fasergekoppeltes THz System mit einer Bandbreite von 6 THz und einem Dynamikbereich von mehr als 90 dB realisiert werden. Außerdem haben die verbesserten photoleitenden Komponenten die Entwicklung von Spektrometern mit Messraten im kHz-Bereich sowie fasergekoppelte Nahfeldmesssysteme mit einer lateralen Auflösung von 100 μm ermöglicht. Die Verwendung von diskreten und individuell optimierten THz-Sendern und Empfängern stellt sich bei Messungen in Reflexionsanordnung als sehr unvorteilhaft heraus, da der resultierende THz Strahlengang komplex und verlustbehaftet ist. Viele Anwendungen in Bereichen der zerstörungsfreien Materialprüfung erfordern jedoch THz-Reflexionsmessungen, da die zu untersuchenden Bauteile lediglich von einer Seite zugänglich sind. Für dieses Anwendungsgebiet ist daher ein THz-Messkopf erforderlich, welcher sowohl den Sender als auch den Empfänger enthält und orthogonal zur Bauteiloberfläche betrieben werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solcher THz-Transceiver entwickelt, bei dem Sender und Empfänger in einem Abstand von lediglich 45 μm auf demselben photoleitenden Chip monolithisch integriert wurden. Der verwendete Photoleiter besteht aus einer Be-dotierten InGaAs/InAlAs Struktur mit einer Ladungsträgerlebensdauer von 0.5 ps, um einen breitbandigen THz-Empfänger im Transceiver zu ermöglichen. Die optische Faserkopplung wurde mithilfe eines Polymerwellenleiters realisiert. Mit einer Bandbreite von 4.5 THz und einem maximalen Dynamikbereich von mehr als 70 dB ist dieser Transceiver eine erhebliche Verbesserung bestehender Konzepte, die lediglich eine maximale Bandbreite von 2 THz und einen Dynamikbereich von 50 dB ermöglichten. Somit ist der hier vorgestellte Transceiver ein vielversprechender Ansatz für die Anwendung der THz-Spektroskopie in Bereichen der zerstörungsfreien Materialprüfung. Um die Leistungsfähigkeit von THz Transceivern weiter zu steigern, ist jedoch ein photoleitendes Material erforderlich, welches sowohl die optimalen Eigenschaften eines THz- Senders als auch die eines THz-Empfängers in nur einem Halbleiter kombiniert. Vor dieser Arbeit war ein solches Material für eine Anregungswellenlänge um 1550 nm noch nicht bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde eisendotiertes (Fe) InGaAs als geeigneter Photoleiter identifiziert, mit dem eine Ladungsträgerlebensdauer von 300 fs, eine Mobilität von mehr als 900 cm2V-1s-1 und ein elektrischer Widerstand oberhalb von 2 kΩ cm erreicht werden können. Photoleitende THz-Sender, die aus Fe-dotiertem InGaAs hergestellt wurden, emittierten eine THz-Leistung von bis zu 75 μW ± 5 μW. THz-Pulse mit einer Bandbreite von bis zu 6 THz und einem Dynamikbereich von mehr als 95 dB wurden mithilfe von Fe-dotierten InGaAs Empfängern detektiert. Somit erreicht eisendotiertes InGaAs die THz- Eigenschaften optimierter, individueller Photoleiter und ist daher ein vielversprechendes Material für zukünftige integrierte THz Bauteile. Durch die systematische Analyse der elektrischen und dynamischen Eigenschaften von THz- Photoleitern auf der Basis von InGaAs wurden in dieser Arbeit deutliche Verbesserungen sowohl auf Sender- als auch auf der Empfängerseite erzielt. Die detektierte Bandbreite konnte von ca. 4 THz auf 6 THz erhöht werden, und die vom Sender emittierte THz-Leistung wurde um den Faktor 100 gesteigert. Für THz-Reflexionsmessungen wurde erstmals ein monolithisch integrierter, fasergekoppelter Transceiver mit einer Bandbreite von 4.5 THz entwickelt. Dieser Transceiver ist ein kompakter Messkopf, der mithilfe kommerziell erhältlicher THz- Spektrometer in der zerstörungsfreien Materialprüfung eingesetzt werden kann. Um die Leistungsfähigkeit von THz-Transceivern weiter zu steigern wird allerdings ein Photoleiter benötigt, welcher die optimalen Eigenschaften eines Senders und eines Empfängers in einem Material vereint. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eisendotiertes InGaAs durch die Kombination von ultraschnellem Ladungsträgereinfang, hohem elektrischen Widerstand und hoher Ladungsträgermobilität die THz-Leistungscharakteristik optimierter Sender- und Empfänger erreicht. Somit sind die Ergebnisse dieser Dissertation ein wichtiger Schritt für die Anwendung der THz Technologie im industriellen Umfeld.


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