Resonant plasmon and subband excitation in heterostructures

Abstract

Heterostrukturen und Übergitter bieten ein breites Anwendungsspektrum in der Halbleiterphysik. Sie können als Energiefilter für Elektronen, bedarfsangepasste Lichtquellen verwendet werden und finden als resonante Tunnel Strukturen mit negativer differentieller Leitfähigkeit Anwendung. Das Verständnis der Transporteigenschaften von Heterostrukturen und Übergittern ist unerlässlich für die weitere Entwicklung derartiger Anwendungen. Ziel dieser Arbeit war es Injektionsstrukturen zu optimieren and neuartige Mechanismen zur Anregung von Plasmon Resonanzen zu finden um Elektronenoszillationen kontrolliert zu manipulieren.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurden biperiodische Übergitter untersucht, die aus einer ungeraden Zahl an Quantentöpfen mit zwei unterschiedlichen sich abwechselnden Topfbreiten bestehen. Diese Strukturen zeigen eine charakteristische Aufspaltung des Minibandes in zwei Subminibänder, wobei die beiden Subminibänder deutlich unterschiedliche Transporteigenschaften aufweisen. Weiterhin lassen sich diese Transportunterschiede an Hand der Abfolge der Quantentöpfe so steuern, dass entweder das Subminiband bei niedriger Energie oder bei höherer Energie einen höheren Elektronentransport und dementsprechend einen höherern Strom ermöglicht, als das jeweils Andere. Durch ein angelegtes elektrisches Feld lässt sich ein charakteristisches Lokalisieren und Verkoppeln der Energiezustände beobachten.<br />Die angewandte ballistische Elektronenspektroskopie ist ein nützliches Hilfsmittel um die quantenmechanischen Eigenschaften derartiger Strukturen zu untersuchen. Insbesondere die Möglichkeit ein zusätzliches elektrisches Feld unabhängig zu steuern, ist von großer Bedeutung für Untersuchungen des elektrischen Transports, der auf feldabhängig gekoppelten Eigenzuständen in Quantentöpfen basiert.<br />Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Reihe von Strukturen untersucht, die darauf abzielten, Terahertzstrahlung, durch die kontrollierte Anregung einer Plasma Instabilität (PI) zu erzeugen. Diese Instabilität tritt unter speziellen Bedingungen als attraktive Rückkopplung zweier Intersubbandplasmon Moden auf. Dies führt zu einer Wachstumsrate, die die Dämpfung der beiden Plasmonmoden reduziert. Ist die Rate groß genug um die Dämpfung aufzuheben führt dies zu einer kontinuierlichen Plasmaoszillation. Die untersuchten Proben wurden sowohl an Hand ihrer Transporteigenschaften als auch optisch charakterisiert. Es wurde sowohl Galliumarsenid als auch Indiumgalliumarsenid in der aktiven Zone verwendet.. Messungen an InGaAs Proben zeigten erstmals Intersubband Resonanz Effekte. Das theoretisch erwartete Emissions und Absorbtionsverhalten wurde gefunden. Es ist die erste Bestätigung für das Auftreten einer Intersubband Plasmon Resonanz, die eine Vorbedingung für die erwünschte Plasma Instabilität darstellt.<br />

Heterostructures and superlattices offer a wide spectrum of different applications in semiconductor physics. They are used as electron energy filters, tailored light sources and resonant tunneling devices offering negative differential conductivity. The understanding of the transport properties of heterostructures and superlattices is essential for the development of these applications. The aim of this thesis was to optimize injection structures and to find new excitations on plasmon resonances for the controlled manipulation of electronic oscillations.<br />In the present work the transport characteristics of biperiodic superlattices were investigated. These superlattices consist of an odd number of wells with alternating width. They show a characteristic splitting of the minibands into two subminibands separated by a subminigap providing strongly differing transport properties.<br />Furthermore depending on the sequence of the wells one can design a structure providing a high electron transport (resulting in a high current) of the subminiband at lower energy and a low current transport behavior in the upper subminiband or vice versa. The application of an electric field to the superlattice results in a characteristic mixture of localization of energy states in the individual quantum wells and the realignment of energy states at special fields, resulting in an anticrossing behavior. The ballistic electron spectroscopy method used in this work is a useful tool for a detailed study of the quantum mechanical nature of these applications. Especially the possibility to control an additional electric field applied to the investigated structure plays an important role for the design of transport applications based on the interaction of coupled quantum well levels, minibands and anticrossing. In the second part of this work a set of structures is investigated, intended to obtain Terahertz emission by the controlled excitation of intersubband plasma instability (PI). This PI occurs under special circumstances by the resonant crossing of two intersubband plasmon modes. The interactions between these two modes result in a growth rate, which reduces the damping of the individual plasmon modes. A sufficiently strong growth rate, which overcomes the plasmon damping can therefore result in a continuous oscillation.<br />The samples differ in the expected emission frequency as well as in the sufficient current density for the excitation. Furthermore the samples consist of nanostructures based on different material systems. The samples are characterized by transport measurements as well as by optical measurements.<br />The introduction of indium gallium arsenide in the active region of several samples results in a strong development of the desired behavior of these structures. Measurements at these samples showed a strong evidence of the desired intersubband resonance behavior in current voltage as well as in optical measurements. A characteristic mixture of sharp emission lines and absorption features is detected, which is the first evidence for the occurrence of a intersubband plasmon resonance, which is a prerequisite of the plasma instability.<br />