Temporally and spectrally resolved studies of mid-infrared to terahertz transitions in silicon-based optoelectronic devices
Description
The mid-infrared and terahertz region of the electromagnetic spectrum carry a wide variety of information, leading to a diverse field of applications for these spectral regimes. As further monolithic integrable silicon optoelectronics are one of the possible means of overcoming the challenge faced by integrated circuit scaling associated with the limited bandwidth of electric chip interconnects, there is a strong need for silicon-based detectors as well as laser sources. One of the concepts for implementing a lasing device in the silicon system is that of quantum cascade lasers, which has been successfully realized in III-V materials. Despite the successful demonstration of electroluminescence at various wavelengths in p-type SiGe quantum cascade devices, electrically pumped group-IV lasing has yet to be achieved. With an extensive research interest in the realization of a SiGe quantum cascade laser and due to the inability to achieve population inversion in such a device so far, the thorough study of intersubband transitions in SiGe heterostructures and in particular of intersubband relaxation times has become a crucial issue on the road to an electrically pumped group-IV laser. The main part of this work presents time-resolved photocurrent experiments on p-type SiGe quantum well structures, aiming at the determination of intersubband relaxation times of relevance for pursuing the quantum cascade concept in this material system. The hole lifetimes were measured by photocurrent pump-pump experiments using a free-electron-laser for providing ultrashort pulses in the picosecond to sub-picosecond regime at wavelengths in the mid- to far-infrared. By establishing a non-equilibrium occupation of an excited hole state by one laser pulse and probing this occupation into the valence band continuum by a second pulse delayed from the first, the photocurrent through the individual samples originating from a two-photon process was measured as a function of the delay between the two pulses. By using a fit model, whose accuracy was confirmed by density matrix simulation, the intersubband relaxation times were extracted from the pump-pump characteristics. By employing photocurrent pump-pump experiments in the course of this work, the first direct measurement of the relaxation time between an excited heavy-hole (HH) state and the HH ground state with a transition energy above longitudinal optical (LO) phonon energies in a SiGe heterostructure could be reported. For a HH2-HH1 transition energy of 160 meV, an ultrafast intersubband relaxation time of about 550 fs was determined. The hole scattering by non-polar optical phonons in SiGe structures was thus found to be of similar efficiency as the electron relaxation by polar optical phonons in III-V systems. In an effort to study the effect of diagonal transitions on intersubband relaxation times for transition energies in the terahertz regime, time-resolved experiments were carried out for a series of voltages applied to p-type SiGe quantum well structures. The concept of diagonal lasing transitions in a quantum cascade device is probably the only means of manipulating intersubband relaxation times according to the requirements for population inversion in the SiGe system. The bias-dependence of the relaxation times between the excited light-hole (LH) state and the HH ground state of the investigated quantum well structures was determined, where the decay times of the order of ten picoseconds could be increased by a factor of two when increasing the voltage applied to the devices. This increase in intersubband relaxation times was directly associated with the voltage-induced spatial separation between the HH ground state and the excited LH state, whose occupation was monitored during the experiment. Thus, by altering the voltage applied to the structure, the nature of the LH-HH transition with a transition energy of 30 meV was changed from spatially direct to diagonal. The studies presented in this work therefore demonstrated a voltage-tuning of hole intersubband relaxation times in a SiGe heterostructure and a direct determination of the difference in the non-radiative relaxation time between a spatially direct and a diagonal transition within one and the same structure. This thesis further covers a novel approach to the fabrication of ultra-sensitive detectors operating in the terahertz regime, so-called blocked impurity band detectors (BIBs). The conventional fabrication of BIBs by molecular beam epitaxy is technologically extremely cumbersome due to the high requirements associated with the growth of an ultra-pure silicon layer, which is required in order to suppress dark-current, and alternative means of fabrication are needed. In the course of this work it could be demonstrated, that competitive Si:B BIBs can be fabricated by completely non-epitaxial means, namely by ion-implantation of the required impurities into an ultra-pure, commercially available silicon substrate. The optoelectronic performance of the ion-implanted Si:B BIBs was thoroughly characterized, where competitive responsivities of 0.5 A/W were observed at low dark-current and at a photon energy of 30 meV. (author)
Availability note (English)
Available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (AT)Abstract (German)
Die spektralen Bereiche des mittleren Infrarot und der Terahertzstrahlung tragen eine Vielzahl von Informationen, weshalb sie fuer einen breiten Anwendungsbereich von Interesse sind. Des Weiteren wird die monolithische Integration von silizium-basierten optoelektronischen Komponenten als ein moeglicher Ansatz zur ueberwindung einer der Haupthuerden bei der weiteren Verringerung der Strukturgroessen von integrierten Schaltungen Gehandelt. Eines der Konzepte zur Realisierung eines Laserbauteils im Silizium-Materialsystem ist das des Quanten-Kaskaden-Lasers, ein Bauteil das in den III-V Halbleitersystemen seit geraumer Zeit aeuserst erfolgreich umgesetzt wird. Trotz der erfolgreichen Demonstration von Elektrolumineszenz in p-typ SiGe Quanten-Kaskaden-Strukturen bei einer Vielzahl von Wellenlaengen ist die Umsetzung eines elektrisch gepumpten Gruppe-IV-Lasers bis jetzt ausgeblieben. Das breite wissenschaftliche Interesse an der Realisierung eines SiGe Quanten-Kaskaden-Lasers und das bisherige Unvermoegen, in einer entsprechenden Struktur Populationsinversion zu erreichen, haben dazu gefuehrt, dass umfassende Studien an Intersubbanduebergaengen in SiGe-Heterostrukturen und insbesondere zeitaufgeloeste Experimente von ausschlaggebender Bedeutung bei der Entwicklung eines elektrisch gepumpten siliziumbasierten Lasers sind. Der Hauptteil der voliegenden Arbeit behandelt zeitaufgeloeste Photoleitungsexperimente an p-typ SiGe Quantentopfstrukturen, die auf die experimentelle Bestimmung von Intersubbandrelaxationszeiten abzielen, welche fuer die Umsetzung des Quanten-Kaskaden-Laser-Konzepts in diesem Materialsystem von Relevanz sind. Dabei wurden die Lochlebenszeiten mittels Photostrom-Pump-Pump-Experimenten gemessen, die mit Hilfe von ultrakurzen, von einem Freien-Elektronen-Laser generierten Laserpulsen durchgefuehrt wurden. Die Wellenlaenge der Pikosekunden und kuerzer dauernden Pulse lag im mittleren und fernen Infrarot. Mit Hilfe des ersten Laserpulses wurde eine Besetzung von angeregten Lochzustaenden jenseits des Gleichgewichts erzeugt, die daraufhin von einem zweiten, zeitverzoegert auf die Probe treffenden Puls ins Valenzbandkontinuum angeregt wurde. Der Photostrom, der sich aus dem Einfluss eines Pulspaares ueber einen Zwei-Photonen-Prozess auf die Halbleiterstrukture ergab, wurde in Abhaengigkeit vom Ausmass der Zeitverzoegerung zwischen den zwei Pulsen gemessen. Unter Zuhilfenahme eines Fit-Modells, wurden die Intersubbandlebenszeiten aus den gemessenen Pump-Pump-Kurven bestimmt. Unter Anwendung von Photostrom-Pump-Pump-Experimenten konnte im Zuge dieser Arbeit die erste direkte Messung von Relaxationszeiten zwischen dem ersten angeregten schweren Lochzustand und dem Grundzustand des schweren Lochbandes mit einer uebergangsenergie ueber den longitudinal-optischen Phononenenergien in einem SiGe Quantentopf vorgenommen werden. Bei einer HH2-HH1 uebergangsenergie von 160 meV (HH steht fuer einen Zustand im schweren Lochband, Heavy-Hole), die deutlich ueber den Energien von longitudinal-optischen Phononen in einer SiGe Struktur liegt, wurden ultrakurze Intersubbandrelaxationszeiten um 550 fs gemessen. Demnach ist die Lochstreuung ueber die Wechselwirkung mit unpolaren optischen Phononen im SiGe-System ebenso effizient wie die Elektronenrelaxation mittels polar optischer Phononenstreuung in III-V Halbleitern. Im Zuge der Bestrebung, die Auswirkung der oertlichen Diagonalisierung von Intersubbanduebergaengen im Terahertzbereich auf die charakterisischen Relaxationszeiten zu untersuchen, wurde eine Serie von zeitaufgeloesten Messungen bei verschiedenen an die Probe gelegten Spannungen vorgenommen. Die Spannungsabhaengigkeit von Relaxationszeiten zwischen angeregten Zustaenden des leichten Lochbandes und dem Grundzustande im schweren Lochband des untersuchten Quantentopfsystems wurde ermittelt und ergab, dass die LH-HH-Relaxationszeiten (LH steht fuer leichtes Loch, Light-Hole) in der Groessenordnung von 10 ps mit Erhoehen der angelegten Spannung verdoppelt werden koennen. Diese Steigerung in den Intersubbandrelaxationszeiten wurde direkt mit einer spannungsinduzierten oertlichen Trennung zwischen dem angeregten Zustand und dem Grundzustand des untersuchten uebergangs in Verbindung gebracht. Durch aendern der an die Struktur gelegten Spannung wurde folglich ein im Ortsraum direkter LH-HH -uebergang, dessen Energie 30 meV betrug, in einen diagonalen uebergefuehrt. Die in dieser Arbeit vorliegenden Untersuchungen demonstrieren demnach eine Manipulation der nichtstrahlenden Relaxationszeiten einer SiGe-Heterostruktur ueber die angelegte Spannung, und stellen eine direkte Beobachtung des Unterschieds in der Intersubbandrelaxationszeit zwischen oertlich direkten und diagonalen uebergaengen in ein und derselben Struktur dar. Die vorliegende Arbeit behandelt weiters einen neuartigen Zugang zur Herstellung von ultrasensitiven Terahertzdetektoren, so genannten BIBs (fuer Blocked Impurity Band Detectors). Die konventionelle Herstellung von QWIPs mittels Molekularstrahlepitaxie ist nun ein technologisch extrem aufwendiges Unterfangen und wegen der hohen Anforderungen an das Wachstum einer unumgaenglichen ultrareinen Siliziumschicht zur Unterdrueckung von Dunkelstrom nur in spezialisierten Anlagen moeglich, weshalb ein Bedarf an alternativen Herstellungsmethoden besteht. Im Zuge dieser Arbeit wurde demonstriert, dass die Herstellung von konkurenzfaehigen Si:B BIBs unter voelligem Verzicht auf epitaxielle Verfahren moeglich ist, naemlich durch die Ionenimplantation der benoetigten Dotieratome in ein ultrareines, kommerzielles Siliziumsubstrat. Die optoelektronischen Eigenschaften der so erzeugten BIBs wurden in der vorliegenden Arbeit sorgfaeltig untersucht, wobei konkurenzfaehige Responsivitaeten um 0.5 A/W bei niedrigem Dunkelstrom und einer Photonenenergie um 30 meV beobachtet wurden. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 302 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44007626
- Subject category
- S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- DENSITY MATRIX; ELECTROLUMINESCENCE; FREE ELECTRON LASERS; GERMANIUM SILICIDES; GROUND STATES; INFRARED RADIATION; MEV RANGE; MOLECULAR BEAM EPITAXY; MULTI-PHOTON PROCESSES; PUMPS; QUANTUM WELLS; RELAXATION; RELAXATION TIME; SILICON
- Descriptors DEC
- CRYSTAL GROWTH METHODS; ELECTROMAGNETIC RADIATION; ELEMENTS; EMISSION; ENERGY LEVELS; ENERGY RANGE; EPITAXY; EQUIPMENT; GERMANIUM COMPOUNDS; LASERS; LUMINESCENCE; MATRICES; NANOSTRUCTURES; PHOTON EMISSION; RADIATIONS; SEMIMETALS; SILICIDES; SILICON COMPOUNDS