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Terahertz-Detektoren mit halbmetallischen und halbleitenden Quantengräben

Gouider, Fathi GND

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Erforschung geeigneter THz-Detektoren, die sowohl eine hohe Empfindlichkeit, hohe Detektivität und spektrale Durchstimmbarkeit besitzen. Die Detektion beruht hier auf optisch oder thermisch angeregten Übergängen zwischen Landauniveaus, wobei die Energielücke zwischen zwei Landau-Niveaus mit einem Magnetfeld durchgestimmt werden kann. Da die Energielücken zwischen Landau-Niveaus in typischen Quanten-Hall-Systemen (QHS) bei etwa 7-12 meV liegen, was Zyklotronresonanzfrequenzen von 1.7-2.9 THz entspricht, kommen die QHS als THz-Detektoren in Frage. Zur optischen Anregung steht uns ein p-Germanium-Laser zur Verfügung, der zwischen 1.7 und 2.5 THz (lambda=120-180 mikrometer) durchstimmbar ist. Der Laser arbeitet im Impulsbetrieb (Impulslänge einstellbar zwischen 0.3 und 50 mikrosekunde, Wiederholrate 1 Hz) und wird mit einer Starkstrom-Impulsquelle (durch ein Modul mit Feldeffekt-Transistoren, FET) elektrisch gepumpt. Die Messungen wurden an HgTe/HgCdTe und InSb/AlInSb-Strukturen bei tiefen Temperaturen (T=4K) und bei hohen Magnetfeldern 0T<B<7T durchgeführt. Alle Proben wurden charakterisiert, bevor sie der THz-Strahlung ausgesetzt wurden. Die Messungen zur Untersuchung der Fotoleitfähigkeit wurden an QH-Proben in Corbino-Geometrie durchgeführt, da hier eine impedanzangepasste Messung des Fotosignals mit einer Hochfrequenz-Apparatur möglich ist. Das Fotosignal wird durch Überlagerung des Zyklotronresonanz-(ZR)- und des Bolometer-Effektes erklärt. Weiterhin haben wir die Transmission von THz-Wellen durch unsere Proben bei verschiedenen Photonenenergien in Arbeitsbereich unseres Lasers gemessen, dadurch werden die Zyklotronmasse bestimmt. Die spektrale Auflösung als anwendungsrelevante Größe konnte aus magnetfeldabhängigen Messungen bestimmt werden. Durch ausführliche zeitaufgelöste Messungen wurde die Relaxationszeit in Abhängigkeit vom Lastwiderstand bestimmt. Folglich können wir aus den Messergebnissen schließen, dass die beiden Materialsysteme (HgTe/HgCdTe, InSb/AlInSb) als THz-Detektoren bei Magnetfeldern unter 2 T geeignet sind.

This work deals with the development and investigation of suitable THz detectors, which have a high sensitivity, high detectivity and spectral tunability. The detection here is based on optically or thermally excited transitions between Landau levels, where the energy gap between two Landau levels can be tuned with a magnetic field. Since the energy gaps between Landau levels in a typical quantum Hall systems (QHS) are about 7-12 meV (corresponding to cyclotron resonance frequency of 1.7-2.9 THz) the QHS are suitable as THz detectors. For our studies, we use a p-Ge laser which is continuously tunable in the wavelength range of lambda=120- 180 micrometer (1.7-2.5THz).The laser operates in pulsed mode (pulse length is adjustable between 0.3 and 50 microseconds, repetition rate 1 Hz) and with a high-voltage pulse source (through a module with field effect transistors, FET) electrically pumped. The measurements were performed on HgTe / HgCdTe and InSb / AlInSb structures at low temperatures (T = 4K) and in high magnetic fields of 0T <B <7T. All samples were characterized before they were exposed to the THz radiation. The measurements for the investigation of the photoconductivity were performed on samples in the QH-Corbino geometry since an impedance-matched measurement of the photosignal with a high-frequency measuring setup is possible. The photosignal is explained by the superposition of the cyclotron resonance (CR) - and the bolometer effect. Furthermore, we have measured the transmission of THz waves by our samples at different photon energies in the operational area of our laser. This way we determined the cyclotron mass. The spectral resolution as an application-relevant parameter could be determined from magnetic field-dependent measurements. By detailed time-resolved measurements, the relaxation time was determined by varying the load resistance. Consequently, we can deduce from the measurement results that the two material systems (HgTe / HgCdTe, InSb / AlInSb) are suitable as THz detectors for magnetic fields below 2 T.

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