ErAs:In(Al)GaAs Photoleiter lassen sich hervorragend zur Erzeugung und Detektion von Terahertz-Strahlung (0,1 THz-10 THz) mittels Laser nutzen. Diese Übergitter-strukturen bestehen aus ErAs, InGaAs und InAlAs Schichten, die durch Molekularstrahlepitaxie gewachsen wurden. Wir zeigen die bislang detaillierteste Materialcharakterisierung dieser Photoleitermaterialien, gefolgt von einer Untersuchung der THz-Performanz. Die Variation der Materialeigenschaften als Funktion der ErAs Konzentration und der Übergitterstruktur wird sowohl für Emitter- als auch für Empfängermaterialien diskutiert. Infrarotspektroskopie zeigt einen Absorptionskoeffizienten im Bereich von 4700-6600 cm⁻¹ bei 1550 nm mit flachen Ausläufern zu längeren Wellenlängen, die durch Absorption der ErAs Partikel verursacht werden. Die Ladungsträgerlebensdauer des Materials wurde unter Verwendung von differentiellen Transmissionsmessungen ermittelt. Die Ladungsträgerdynamik zeigte einen vorspannungsabhängigen biexponentiellen Abfall, der durch ein theoretisches Modell beschrieben wurde. Hallmessungen zeigen, dass Proben mit nur 0,8 Monolagen (ML) aus p-typ kompensierten ErAs Schichten (p-Delta-dotiert bei 5×10¹³ cm⁻²) mit InAlAs-Abstandsschicht eine Ladungsträgerkonzentration von 3.6±0.4×10¹² cm⁻³ aufwiesen und damit fast die intrinsische Ladungsträgerkonzentration von InGaAs erreichten. Die IV Charakterisierung zeigte einen Widerstand im Bereich von ~10-20 MΩ und hohe Durchbruchfeldstärken über 100 kV/cm, entsprechend >500 V bei einem Elektrodenabstand von 50 μm. Bei einer höheren ErAs Konzentration von 1,6 ML(2,4 ML) nimmt der Widerstand für eine ansonsten identische Übergitterstruktur um den Faktor ~40 (120) ab. Wir schlagen ferner ein theoretisches Modell zur Berechnung des durch Erwärmung erzeugten zusätzlichen Stromes und zur Abschätzung des Anteils an Photostrom vor.

Die emittierte THz Leistung wurde für alle designierten Quell-Materialstrukturen untersucht. TDS Messungen und emittierte THz Leistung beweisen, dass In(Al)GaAs mit 0,8 ML ErAs zur Herstellung von Hochleistungs-THz-Bauelementen geeignet ist. Die THz Charakterisierung der Empfänger zeigt, dass ErAs:InGaAs Photoleiter für eine sehr hohe durchschnittliche THz Leistung von ~14 mW mit einer Stromempfindlichkeit im Bereich von 110±25 μA/√W geeignet sind. Bei diesen Leistungspegeln tritt eine geringfügige Sättigung von etwa 35% auf. Untersuchungen zur Antennenstruktur ergaben, dass ein niederfrequenzoptimierter 200 μm H-Dipol die THz Spitzenleistung maximiert. In ähnlicher Weise zeigten 50 μm H-Dipole, die als Empfänger verwendet wurden, ein höheres THz p-p Signal mit Verbesserung des Niederfrequenzspektrums, während 25 μm H-Dipol Empfänger das Spektrum gleichmäßig verstärkten. Diese Messungen stimmten mit dem simulierten Strahlungswiderstand über die Frequenz der Antennenstrukturen überein. Unter Verwendung der geeigneten Antennenkombination betrug das maximal erhaltene THz p-p Signal 1580 nA, was ca. 113 dB Dynamikbereich entspricht, während bandbreitenoptimierte Antennenstrukturen eine Bandbreite von 6,5 THz aufweisen. Eine maximale THz-Leistung von 472±35 μW wurde von einem niederfrequenzoptimierten 200 μm H-Dipol unter Verwendung von p-kompensiertem 0,8 ML ErAs In(Al)GaAs-Photoleitermaterial emittiert. Die Arbeit schließt mit einem Vergleich zwischen dem emittierten THz Signal für Antennenemitter (AE) und großflächige Emitter (large area emitter, LAE), welche mit einem fasergekoppelten Anschluss mit niedriger Laserleistung (45 mW) betrieben werden, ab. Antennengekoppelte Emitter verbessern das insgesamt emittierte THz Signal um einen Faktor von 2,42, was einem 12 dB höheren Dynamikbereich unter Verwendung eines 200 μm H-Dipols entspricht. Es wurde auch ein theoretisches Modell entwickelt, welches diese Messergebnisse bekräftigt.