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ErAs:In(Al)GaAs photoconductors for 1550 nm-based Terahertz time domain spectroscopy systems

Nandi, Uttam (2021):
ErAs:In(Al)GaAs photoconductors for 1550 nm-based Terahertz time domain spectroscopy systems. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019407,
[Ph.D. Thesis]

Abstract

ErAs:In(Al)GaAs photoconductors have proven to be outstanding devices for photonic terahertz (0.1 THz-10 THz) generation and detection. These superlattices are composed of ErAs, InGaAs and InAlAs layers, grown by Molecular Beam Epitaxy. This thesis presents the so far most detailed material characterization of these photoconductor materials followed by an investigation of THz performance. The variation of the material properties as a function of the ErAs concentration and the superlattice structure is discussed for both emitter and receiver materials. Infrared spectroscopy shows an absorption coefficient in the range of 4700-6600 cm⁻¹ at 1550 nm, with shallow absorption edges towards longer wavelengths caused by absorption by ErAs precipitates. The carrier lifetime of the material was obtained using differential transmission measurements. The carrier dynamics also featured a bias-dependent bi-exponential decay, which has been described by a proposed theoretical modeling. Hall measurements show that samples with only 0.8 monolayers (ML) of compensation-doped ErAs precipitates (p-delta-doped at 5×10¹³ cm⁻²) with InAlAs spacer layer featured a carrier concentration of 3.6±0.4×10¹² cm⁻³ which is almost reaching the intrinsic carrier concentration of InGaAs. The IV characteristics featured a resistance in the range of ~10-20 MΩ and high breakdown field strengths beyond 100 kV/cm, corresponding to >500 V for a 50 μm electrode gap. With a higher ErAs concentration of 1.6 ML (2.4 ML) the resistance decreases by a factor of ~40 (120) for an otherwise identical superlattice structure. We further propose a theoretical model for the calculation of the excess current generated due to heating and for estimation of the photocurrent from the total illuminated current.

The THz performance has been investigated for all dedicated source material structures. TDS measurements and emitted THz power proves that In(Al)GaAs with 0.8 ML ErAs precipitates is suitable for fabricating high-performance THz devices. THz characterization shows that ErAs:InGaAs receivers are suitable for detecting high average THz power of ~14 mW with current responsivity in the range of 110±25 μA/√W, yet showing slight saturation. Investigation on the antenna performance showed that low frequency optimized 200 μm H-dipole antennas emits the maximum THz signal. Similarly, 50 μm H-dipole antennas used as receivers showed a higher THz peak-peak signal with enhancement of the low-frequency spectrum, whereas for 25 μm H-dipole receivers the spectrum was enhanced uniformly. These measurements were in line with the simulated radiation resistance of the antenna structures. The maximum THz peak-peak signal obtained was 1580 nA corresponding to approx. 113 dB peak dynamic range using source and receiver antenna combinations optimized around 0.2-1 THz where the peak of the spectrum occurs. Bandwidth-optimized antenna structures feature a bandwidth of 6.5 THz. A maximum THz power of 472±35 μW was emitted by low frequency optimized 200 μm H-dipole antenna using p-compensated 0.8 ML ErAs In(Al)GaAs photoconductor material. We finally make a comparison between the emitted THz signal for antenna emitter (AE) and large are emitter (LAE), operated under low laser power (45 mW). Antenna-coupled emitters enhance the overall emitted THz signal, with a maximum of 2.42-fold increase in the THz peak-peak signal corresponding to 12 dB higher dynamic range using 200 μm H-dipole antenna. A theoretical modelling had also been developed which supports these measured results.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2021
Creators: Nandi, Uttam
Status: Publisher's Version
Title: ErAs:In(Al)GaAs photoconductors for 1550 nm-based Terahertz time domain spectroscopy systems
Language: English
Abstract:

ErAs:In(Al)GaAs photoconductors have proven to be outstanding devices for photonic terahertz (0.1 THz-10 THz) generation and detection. These superlattices are composed of ErAs, InGaAs and InAlAs layers, grown by Molecular Beam Epitaxy. This thesis presents the so far most detailed material characterization of these photoconductor materials followed by an investigation of THz performance. The variation of the material properties as a function of the ErAs concentration and the superlattice structure is discussed for both emitter and receiver materials. Infrared spectroscopy shows an absorption coefficient in the range of 4700-6600 cm⁻¹ at 1550 nm, with shallow absorption edges towards longer wavelengths caused by absorption by ErAs precipitates. The carrier lifetime of the material was obtained using differential transmission measurements. The carrier dynamics also featured a bias-dependent bi-exponential decay, which has been described by a proposed theoretical modeling. Hall measurements show that samples with only 0.8 monolayers (ML) of compensation-doped ErAs precipitates (p-delta-doped at 5×10¹³ cm⁻²) with InAlAs spacer layer featured a carrier concentration of 3.6±0.4×10¹² cm⁻³ which is almost reaching the intrinsic carrier concentration of InGaAs. The IV characteristics featured a resistance in the range of ~10-20 MΩ and high breakdown field strengths beyond 100 kV/cm, corresponding to >500 V for a 50 μm electrode gap. With a higher ErAs concentration of 1.6 ML (2.4 ML) the resistance decreases by a factor of ~40 (120) for an otherwise identical superlattice structure. We further propose a theoretical model for the calculation of the excess current generated due to heating and for estimation of the photocurrent from the total illuminated current.

The THz performance has been investigated for all dedicated source material structures. TDS measurements and emitted THz power proves that In(Al)GaAs with 0.8 ML ErAs precipitates is suitable for fabricating high-performance THz devices. THz characterization shows that ErAs:InGaAs receivers are suitable for detecting high average THz power of ~14 mW with current responsivity in the range of 110±25 μA/√W, yet showing slight saturation. Investigation on the antenna performance showed that low frequency optimized 200 μm H-dipole antennas emits the maximum THz signal. Similarly, 50 μm H-dipole antennas used as receivers showed a higher THz peak-peak signal with enhancement of the low-frequency spectrum, whereas for 25 μm H-dipole receivers the spectrum was enhanced uniformly. These measurements were in line with the simulated radiation resistance of the antenna structures. The maximum THz peak-peak signal obtained was 1580 nA corresponding to approx. 113 dB peak dynamic range using source and receiver antenna combinations optimized around 0.2-1 THz where the peak of the spectrum occurs. Bandwidth-optimized antenna structures feature a bandwidth of 6.5 THz. A maximum THz power of 472±35 μW was emitted by low frequency optimized 200 μm H-dipole antenna using p-compensated 0.8 ML ErAs In(Al)GaAs photoconductor material. We finally make a comparison between the emitted THz signal for antenna emitter (AE) and large are emitter (LAE), operated under low laser power (45 mW). Antenna-coupled emitters enhance the overall emitted THz signal, with a maximum of 2.42-fold increase in the THz peak-peak signal corresponding to 12 dB higher dynamic range using 200 μm H-dipole antenna. A theoretical modelling had also been developed which supports these measured results.

Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 140 Seiten
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Terahertz Devices and Systems
TU-Projects: DFG|PR1413/3-1|Selten-Erd:Photoleit
Date Deposited: 09 Sep 2021 07:28
DOI: 10.26083/tuprints-00019407
Official URL: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/19407
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-194070
Referees: Preu, Prof. Dr. Sascha ; Saraceno, Prof. Dr. Clara
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 30 July 2021
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

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.

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