Anomalous temperature effects in superlattices and novel material systems for quantum cascade detectors

Abstract

Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist ein vielseitiges Werkzeug das sowohl Grundlagenforschung an Universitäten als auch die Produktion von Bauelementen in der Industrie erlaubt. In der vorliegenden Arbeit wurden Zinkblende III-V Halbleiter mit MBE gewachsen, wobei der Schwerpunkt bei der mittleren-Infrarot (MIR) bis THz Optoelektronik liegt. Genauer gesagt, beim Wachstum in Beziehung zu THz Quantenkaskadenlasern (QCLs) und kurz- bis mittel- Infrarot Quantenkaskadendetektoren (QCDs). Bauelemente in diesem Spektralbereich finden Anwendung in der Spektroskopie, der Telekommunikation, und der Bildgebung.Die Doktorarbeit umfasst das Design, das Wachstum, die Analyse, die Herstellung, und die optische Charakterisierung von QCDs, die auf das vielversprechende InAs/Al(As)Sb Materialsystem erweitert wurden und auf InAs oder GaSb Substraten gewachsen wurden. Dieses Materialsystem bietet vorteilhafte intrinsische Eigenschaften wie eine der niedrigsten effektiven Elektronenmassen, welche die optische Absorptionsstärke erhöht, als auch einen der höchsten Leitungsband-Versätze (CBO), der Übergangsenergien bis zu Wellenlängen im nahen Infrarot erlaubt. Um InAs/Al(As)Sb zu wachsen wurden Wachstumsparameter, wie Gruppe-V Flüsse, Oxid-Entfernungstemperaturen, sowie Wachstumstemperaturen optimiert. Um ungewollte Gruppe-V Durchmischung oder As-f ür-Sb Austausch zu minimieren, wurden Shutter-Sequenzen implementiert, die in scharfen Grenzflächenübergängen resultieren. Es wurden QCDs mit Absorptionswellenlängen, die von 2.7 - 5.5 μm reichen designt, gewachsen, hergestellt, und charakterisiert und somit die weite Wellenlängenbandbreite dieses Materialsystems demonstriert, und, in diesem Prozess, die Reife von InAs/Al(As)Sb QCDs verbessert. Im Besonderen wurde ein Oberseiten-beleuchteter (normal auf die Oberfläche) InAs/AlAs0.16Sb0.84 QCD gitterangepasst auf InAs gewachsen, produziert und mit einem Beugungsgitter verwirklicht. Die Absorptionswellenlänge von 2.7 μm liegt im Zentrum einer CO2 Absorptionslinie und entspricht Energien über der Bandlückenenergie von InAs. Auf GaSb Substraten wurden InAs/AlSb QCDs spannungsausgeglichen gewachsen mit einem InAs:AlSb Verhältnis drei Mal größer als das Verhältnis, das man benötigen würde um spannungsausgeglichen zu wachsen. Das wurde mit inkludierten sub-Monolagen InSb Lagen erreicht und ist notwendig, um die Freiheit zurückzugewinnen, die man mit gitterangepassten Materialien hat, das Design zu optimieren.Wegen der Typ-II Bandausrichtung des InAs/Al(As)Sb Materialsystems ist die effektive Bandlücke für Interbandübergänge in den nahen Infrarotbereich reduziert. Das resultiert in der Beobachtung von starken breitbandigen Interbandsignalen von1.2 - 3 μm, die direkt neben dem QCD Signal liegen.MBE erlaubt es auch an material- und strukturellen Eigenschaften zu forschen. Im Speziellen wurde ein anormales Temperaturverhalten im Schwellenstrom vonTHz QCLs untersucht - wobei der Schwellenstrom zuerst mit der Temperatur niedriger wird bevor er sich erhöht. Für diese Studie wurde eine umfassende Serie von Übergitter-Strukturen, die einfacher zu interpretieren sind, mit ähnlichen Charakteristiken zu niedrig gedopten aktiven Zonen von THz QCLs gewachsen, die auch vergleichbare Kontaktlagen aufweisen. Die temperaturabhängigen Strom-Spannungskennlinien weisen in manchen Fällen, den gleichen anomalen Temperatureffekt auf. Basierend auf experimentellen Resultaten und Resultaten von Simulationen, wird der Ursprung der Temperaturabhängigkeit dieses Effektes erklärt.

Molecular beam epitaxy (MBE) is a versatile tool that allows both fundamental research at universities and the production of devices by industry. In the present thesis, zinc-blende III-V semiconductors are grown with MBE, where the emphasis lies in mid-infrared (MIR) to THz optoelectronics, centered on the growth related to THz quantum cascade lasers (QCLs) and short- to mid-infrared quantum cascade detectors (QCDs). Devices in this spectral region find applications in spectroscopy, telecommunication, and imaging. This thesis encompasses the design, growth, analysis, fabrication, and optical characterization of QCDs expanded to the promising InAs/Al(As)Sb material system grown on InAs or GaSb substrates. This material system offers beneficial intrinsic properties like one of the lowest effective electron masses, which increases the optical absorption strength, and one of the highest conduction band offsets (CBOs), allowing for transition energies up to wavelengths in the near-infrared. To grow InAs/Al(As)Sb, growth parameters, like group-V fluxes, oxide removal, or growth temperatures are optimized. To minimize unwanted group-V intermixing or As-for-Sb exchange, shutter sequences are implemented that result in sharp interfaces. QCDs with absorption wavelengths ranging from 2.7- 5.5 μm are designed, grown, fabricated, and characterized. Thus, demonstrating the material systems’ wide wavelength range and, in this process, increasing the maturity of InAs/Al(As)Sb QCDs. In particular, a top-side illuminated (surface normal) InAs/AlAs0.16Sb0.84 QCD, grown lattice matched to InAs, is produced and realized with a diffraction grating. The absorption wavelength of 2.7 μm lies in the center of a CO2 absorption line and corresponds to energies above the bandgap energy of InAs. On GaSb substrates, InAs/AlSb QCDs are grown strain-balanced with an InAs:AlSb ratio three times higher than the ratio required for strain-compensated growth. This is achieved by including sub-monolayer InSb layers and is a necessary measure for regaining the freedom lattice-matched materials have in optimizing the design. Due to the type-II band alignment of the InAs/Al(As)Sb material system, the effective bandgap for interband transitions reduces to the near-infrared region resulting in the observation of strong broadband interband signals from 1.2 - 3 μm, which lie directly next to the QCD signal. Preliminary measurements resulted in an interesting bias dependency of the interband signal. MBE also enables research on material and structural properties. In particular, an anomalous temperature behavior of the threshold current of some THz QCLs is investigated - the threshold current first decreases before it increases with temperature. For the study, a comprehensive series of superlattice structures, which are easier to interpret, are grown with similar characteristics to low-doped THz QCLs: low-doped active regions, and comparable contact layers. The temperature-dependent current voltage (IV) characteristics show, in some cases, the same anomalous temperature effect. Based on experimental and simulation results the origin and the temperature dependence of the effect is explained.