Quantum dot infrared photodetectors based on indium phosphide

Abstract

The subject of this work is a systematic study of quantum dot infrared photodetectors based on indium-phosphide substrate by means of various spectroscopic and electronic measurement methods in order to understand the physical and technological processes. This enables a concise definition of strategies in order to realize next generation devices in this material system and to gain overall progress in the research field of quantum dot infrared photodetedtors. The interpretation of the experimental results is supported by analytical and numerical simulations. The samples, grown by collaboration partners, were characterized using differential transmission and fast Fourier transform infrared spectroscopy, with a special emphasis on the latter one. Therefore, samples both in wedged waveguide geometry and samples with gold coated mesa structures have been processed. A large part of the discussion is dedicated to the current voltage characteristic of the devices, due to its large importance for device optimization, i.e. the reduction of the darkcurrent plays a crucial role in the research field of high temperature infrared photon-detection. Further, results of photoluminescence measurements, performed by collaboration partners, have been used in order to attain a more complete picture of the samples' electronic bandstructure and in order to obtain complementary information with respect to other measurement methods applied within the experimental work and the simulation of the structures. In agreement to the simulations, a photocurrent response was observed at 6 and at 12 µm up to a temperature of 80 K, depending on the samples' design. The principle of parameter scaling was applied to the samples, in order to assign physical effects either to details in the samples' design or to technological quality aspects, i.e. the doping level and the thickness of the capping layer was varied. In addition to that a quantum well was introduced within a series of samples in order to study the possibility to tailor the spectral properties of the detectors and the influence on the temperature- and detection performance in terms of detectivity and background limited performance. Besides the technical aspects concerning the device-functionality, the physics of excited carrier dynamics was analyzed. Therefore a thorough study of the photovoltaic and photoconductive photocurrent spectrum was performed as a function of bias voltage, temperature and excitation source.<br />

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die systematische Untersuchung von Photodetektoren basierend auf Quanten-Punkten auf Indium-Phosphid Substrat mit Hilfe von diversen spektroskopischen und elektronischen Messmethoden mit dem Ziel, physikalische und technologische Prozesse zu verstehen. Dies ermöglicht eine strategisch fundierte Vorgehensweise in der Weiterentwichlung der untersuchter Proben. Darüber hinaus wird jedoch auch das Ziel verfolgt für das gesamte Forschungsgebiet von Quanten-Punkt basierenden Photodetektoren einen Beitrag zu leisten. Dazu werden die experimentellen Ergebnisse mit Hilfe von analytischen und nummerischen Simulationen interpretiert. Die Proben, von Kooperationspartnern hergestellt, wurden anhand Transmissions- und Fourier-Infrarot-Spektroskopie charakterisiert, wobei der Schwerpunkt in dieser Arbeit auf letzteres gesetzt wird. Dafür wurden einerseits Proben in Wellenleitergeometrie mit schiefer Facettierung und andererseits Proben in Mesa-Struktur und Goldbeschichtung prozessiert. Ein wesentlicher Teil der Arbeit beschäftigt sicht mit der Strom-Spannungscharakteristik der Bauelemente, da die Reduktion des Dunkelstroms einen zentalen Stellenwert in der aktuellen Forschung einnimmt. Des weiteren auch Ergebnisse aus Photolumineszenz-Messungen (von Kooperationspartnern durchgeführt) verwertet, um Informationen zur elektronischen Bandstruktur der Proben zu erweitern und um komplementäre Informationen zu den verwendeten Messmethoden und Bauteil-Simulationen zu erhalten. In Überinstimmung mit den Simulationen wurde ein Photostrom zwischen 6 und 12 µm gemessen. Das Prinzip der Parameter Skalierung wurde auf die Proben angewendet, indem die Dotierung und die Dicke der auf die Quantum-Punkte folgenden Schicht verändert wurde. Das ermöglicht eine Zuordnung der physikalisch beobachteten Effekte zu Struktur-Design- oder technologisch Qualitäts-bedingten Faktoren. Darüber hinaus wurde in die Proben jeweils unterhalb der Quanten-Punkte ein Quanten-Topf eingebracht, um zu untersuchen wie man dadurch das Photostrom-Spektrum verändern kann und inwiefern dies das Temperaturverhalten beieinflusst (Einfluss auf Detektivität und HintergrundSchwarzkörper-Detektionslimit). Neben dem technologischen Aspekt, der vor allem die Bauteil-Funktionalität betrifft, wurde die Dynamik der angeregten Elektronen untersucht. Dazu wurde das photovoltaische- und das Photoleitungs-Spektrum in Abhängigkeit der Bias-Spannung, der Temperatur und der Anregungsquelle untersucht.