Light-matter interaction in triple barrier resonant tunneling diodes

Abstract

Neuartige optische Bauelemente sind eines der zentralen Forschungsgebiete in der Photonik. Ein Bauelement, welches vielfach für elektrische, aber auch optische Anwendungen diskutiert wurde, ist die Resonante Tunneldiode. Dieses quantenmechanische Bauelement ist bekannt für seinen negativen differentiellen Widerstand. Durch die hohe Geschwindigkeit wird sie auch für Terahertz-Elektronik in Betracht gezogen. Zusätzlich zu den außergewöhnlichen elektrischen Eigenschaften zeigt die Tunneldiode auch interessante optische Eigenschaften, hervorgerufen durch ihre Struktur, die auf einem Quantentopf basiert. In dieser Arbeit wird eine spezielle Art der Tunneldiode, nämlich die sogenannte Triple Barrier Resonant Tunneling Diode, welche von Nakagawa et. al. in 1987 vorgestellt wurde, elektrisch als auch optisch, mit Fokus auf das starke Wechselwirkungsregime, untersucht. Die resonante Wechselwirkung von Licht und Elektronen in Quantentöpfen führt theoretisch zur Bildung von Intersubband Polaritonen. Diese Quasi-Teilchen wurden in Strukturen mit vielen Quantentöpfen oft experimentell nachgewiesen. Ein Effekt, der im starken Wechselwirkungsregime auftritt, ist die Rabi-Aufspaltung, welche sichtbar wird, wenn die fundamentale Mode eines optischen Resonators einem Intersubband-Übergang angepasst wird. Die Kopplungsstärke, welche von der Anzahl der Ladungsträger, der Anzahl der Quantentöpfe und von geometrischen Faktoren abhängt, bestimmt die Stärke der Aufspaltung Das Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung der Triple Barrier Resonant Tunneling Dioden für die Messung von Intersubband Polaritonen. Probleme, die dabei auftreten, sind die Absorption der Kontaktschichten in der Halbleiter-Heterostruktur und die schwache Kopplungsstärke, hervorgerufen durch die geringe Anzahl an Quantentöpfen und Ladungsträgern. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die von Nakagawa et. al. vorgestellten Triple Barrier Resonant Tunneling Dioden für optische Messungen optimiert. Dazu wurden Adaptionen der Dotierung in den Kontaktschichten und in den Quantentöpfen vorgenommen. Alle für optische Messungen hergestellten Halbleiter Heterostrukturen wurden außerdem mit Intersubband Absorptionsmessungen charakterisiert. Neben optisch messbaren Proben wurden auch elektrisch messbare Proben hergestellt und charakterisiert. Dabei zeigte sich die Resonante Tunnel Eigenschaft der Triple Barrier Resonant Tunneling Dioden sehr deutlich. Zusätzlich wurden optische Resonatoren, welche geometrisch leicht stimmbar und auch elektrisch kontaktierbar sind, dimensioniert, hergestellt und mittels Reflektionsmessungen optisch charakterisiert. Es wird auch die für die Beschreibung der Triple Barrier Resonant Tunneling Dioden und der Licht-Materie Wechselwirkung notwendige Theorie sowie die eingesetzte Prozesstechnik beleuchtet.

Novel optical devices are one of the central pillars of research in photonics. A device that has been repeatedly discussed both for electrical and optical applications is the resonant tunneling diode. This quantum mechanical device is best known for its negative differential resistance region. Due to its fast speed, it has been extensively discussed for terahertz switching. Additionally to its outstanding electrical properties the resonant tunneling diode also shows interesting optical properties due to its structure based on a quantum well. In this thesis a special version of the resonant tunneling diode, namely the triple barrier resonant tunneling diode as proposed by Nakagawa et. al. in 1987 is investigated in respect to electrical and optical properties with a focus on the strong light-matter coupling regime. The resonant interaction of the light field and the electrons in the quantum wells of the triple barrier resonant tunneling diode theoretically lead to the formation of intersubband polaritons. These quasi particles have often been experimentally reported for multi quantum well structures. An effect caused by the strong light-matter coupling regime is the so called Rabi splitting, which becomes obvious when tuning a fundamental cavity mode to an intersubband transition. The coupling strength, which depends on the number of charge carriers, number of quantum wells and geometrical parameters, determines the strength of the splitting. The aim of this thesis is the optimization of the triple barrier resonant tunneling diodes in such a way that the measurement of intersubband polaritons becomes possible. Challenges that arise are the absorption of the contact layers in the semiconductor heterostructure and the low coupling strength caused by the low amount of quantum wells and charge carriers. In this thesis the triple barrier resonant tunneling diodes proposed by Nakagawa et. al. were optimized for optical measurements. Therefore the nominal doping of the contact layers and the wells was adapted. All samples that were grown for optical measurements were characterized by using intersubband absorption measurements. Besides optically measurable samples also electrically measurable samples were fabricated. The characterization of these sample confirmed the resonant tunneling property of the triple barrier resonant tunneling diodes by showing very pronounced peaks in their IV-characteristics. Additionally optical cavities, which are easily tune-able and electrically contactable, were designed and characterized using reflection measurements. Furthermore the theory required for describing triple barrier resonant tunneling diodes and light-matter interaction in the structures as well as the used process technology is discussed.