@phdthesis{Pfenning2018,
  author    = {Pfenning, Andreas Theo},
  title     = {Optoelektronische Transportspektroskopie an Resonanztunneldioden-Fotodetektoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-163205},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit optoelektronischer Transportspektroskopie verschiedener Resonanztunneldioden (RTDs). Die Arbeit ist thematisch in zwei Schwerpunktee untergliedert. Im ersten Schwerpunkt werden anhand GaAs-basierter RTD-Fotosensoren f{\"u}r den Telekommunikationswellenl{\"a}ngenbereich um 1,3 µm die Akkumulationsdynamiken photogenerierter Minorit{\"a}tsladungstr{\"a}ger und deren Wirkung auf den RTD-Tunnelstrom untersucht. Im zweiten Schwerpunkt werden GaSb-basierte Al(As)Sb/GaSb-Doppelbarrieren-Quantentrog-RTDs in Hinblick auf ihren Raumtemperaturbetrieb entwickelt und erforscht. Diese legen den Grundstein f{\"u}r die sp{\"a}tere Realisation von RTD-Fotodetektoren im mittleren infraroten (MIR) Spektralbereich. Im Folgenden ist eine kurze inhaltliche Zusammenfassung der einzelnen Kapitel gegeben. Kapitel 1 leitet vor dem Hintergrund eines stark steigenden Bedarfs an verl{\"a}sslichen und sensitiven Fotodetektoren f{\"u}r Telekommunikationsanwendungen sowie f{\"u}r die optische Molek{\"u}l- und Gasspektroskopie in das {\"u}bergeordnete Thema der RTD-Fotodetektoren ein. Kapitel 2 erl{\"a}utert ausgew{\"a}hlte physikalische und technische Grundlagen zu RTD-Fotodetektoren. Ausgehend von einem kurzem {\"U}berblick zu RTDs, werden aktuelle Anwendungsgebiete aufgezeigt und die physikalischen Grundlagen elektrischen Transports in RTDs diskutiert. Anschließend werden Grundlagen, Definitionen und charakteristische Kenngr{\"o}ßen optischer Detektoren und Sensoren definiert. Abschließend werden die physikalischen Grundlagen zum Fotostrom in RTDs beschrieben. In Kapitel 3 RTD-Fotosensor zur Lichtdetektion bei 1,3 µm werden AlGaAs/GaAs-Doppelbarrieren-Quantentrog-Resonanztunneldioden (DBQW-RTDs) mit gitterangepasster, quatern{\"a}rer GaInNAs-Absorptionsschicht als Raumtemperatur-Fotodetektoren f{\"u}r den nahen infraroten (NIR) Spektralbereich bei der Telekommunikationswellenl{\"a}nge von λ=1,3 µm untersucht. RTDs sind photosensitive Halbleiterbauteile, die innerhalb der vergangenen Jahre aufgrund ihrer hohen Fotosensitivit{\"a}t und F{\"a}higkeit selbst einzelne Photonen zu detektieren, ein beachtliches Interesse geweckt haben. Die RTD-Fotosensitivit{\"a}t basiert auf einer Coulomb-Wechselwirkung photogenerierter und akkumulierter Ladungstr{\"a}ger. Diese ver{\"a}ndern das lokale elektrostatische Potential und steuern so einen empfindlichen Resonanztunnelstrom. Die Kenntnis der zugrundeliegenden physikalischen Parameter und deren Spannungsabh{\"a}ngigkeit ist essentiell, um optimale Arbeitspunkte und Bauelementdesigns zu identifizieren. Unterkapitel 3.1 gibt einen {\"U}berblick {\"u}ber das Probendesign der untersuchten RTD-Fotodetektoren, deren Fabrikationsprozess sowie eine Erl{\"a}uterung des Fotodetektionsmechanismus. {\"U}ber Tieftemperatur-Elektrolumineszenz-Spektroskopie wird die effektive RTD-Quantentrog-Breite zu d_DBQW≃3,4 nm bestimmt. Die Quantisierungsenergien der Elektron- und Schwerloch-Grundzust{\"a}nde ergeben sich zu E_Γ1≈144 meV und E_hh1≈39 meV. Abschließend wird der in der Arbeit verwendeten Messaufbau skizziert. In Unterkapitel 3.2 werden die physikalischen Parameter, die die RTD-Fotosensitivit{\"a}t bestimmen, auf ihre Spannungsabh{\"a}ngigkeit untersucht. Die Fotostrom-Spannungs-Kennlinie des RTD-Fotodetektors ist nichtlinear und {\"u}ber drei spannungsabh{\"a}ngige Parametern gegeben: der RTD-Quanteneffizienz η(V), der mittleren Lebensdauer photogenerierter und akkumulierter Minorit{\"a}tsladungstr{\"a}ger (L{\"o}cher) τ(V) und der RTD-I(V)-Kennlinie im Dunkeln I_dark (V). Die RTD Quanteneffizienz η(V) kann {\"u}ber eine Gaußsche-Fehlerfunktion modelliert werden, welche beschreibt, dass Lochakkumulation erst nach {\"U}berschreiten einer Schwellspannung stattfindet. Die mittlere Lebensdauer τ(V) f{\"a}llt exponentiell mit zunehmender Spannung V ab. {\"U}ber einen Vergleich mit thermisch limitierten Lebensdauern in Quantentr{\"o}gen k{\"o}nnen Leitungsband- und Valenzband-Offset zu Q_C \≈0,55 und Q_V≈0,45 abgesch{\"a}tzt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Modell f{\"u}r die Fotostrom-Spannungs-Kennlinie erstellt, das eine elementare Grundlage f{\"u}r die Charakterisierung von RTD-Photodetektoren bildet. In Unterkapitel 3.3 werden die physikalischen Parameter, die die RTD-Fotosensitivit{\"a}t beschr{\"a}nken, detailliert auf ihre Abh{\"a}ngigkeit gegen{\"u}ber der einfallenden Lichtleistung untersucht. Nur f{\"u}r kleine Lichtleistungen wird eine konstante Sensitivit{\"a}t von S_I=5,82×〖10〗^3 A W-1 beobachtet, was einem Multiplikationsfaktor von M=3,30×〖10〗^5 entspricht. F{\"u}r steigende Lichtleistungen f{\"a}llt die Sensitivit{\"a}t um mehrere Gr{\"o}ßenordnungen ab. Die abfallende, nichtkonstante Sensitivit{\"a}t ist maßgeblich einer Reduktion der mittleren Lebensdauer τ zuzuschreiben, die mit steigender Lochpopulation exponentiell abf{\"a}llt. In Kombination mit den Ergebnissen aus Unterkapitel 3.2 wird ein Modell der RTD-Fotosensitivit{\"a}t vorgestellt, das die Grundlage einer Charakterisierung von RTD-Fotodetektoren bildet. Die Ergebnisse k{\"o}nnen genutzt werden, um die kritische Lichtleistung zu bestimmen, bis zu der der RTD-Fotodetektor mit konstanter Sensitivit{\"a}t betrieben werden kann, oder um den idealen Arbeitspunkt f{\"u}r eine minimale rausch{\"a}quivalente Leistung (NEP) zu identifizieren. Dieser liegt f{\"u}r eine durch theoretisches Schrotrauschen limitierte RTD bei einem Wert von NEP=1,41×〖10〗^(-16) W Hz-1/2 bei V=1,5 V. In Kapitel 4 GaSb-basierte Doppelbarrieren-RTDs werden unterschiedliche Al(As)Sb/GaSb-DBQW-RTDs auf ihre elektrische Transporteigenschaften untersucht und erstmalig resonantes Tunneln von Elektronen bei Raumtemperatur in solchen Resonanztunnelstrukturen demonstriert. Unterkapitel 4.1 beschreibt den Wachstums- und der Fabrikationsprozess der untersuchten AlAsSb/GaSb-DBQW-RTDs. In Unterkapitel 4.2 wird Elektronentransport durch eine AlSb/GaSb-DBQW-Resonanztunnelstruktur untersucht. Bei einer Temperatur von T=4,2 K konnte resonantes Tunneln mit bisher unerreicht hohen Resonanz-zu-Talstrom-Verh{\"a}ltnisse von PVCR=20,4 beobachtet werden. Dies wird auf die exzellente Qualit{\"a}t des Halbleiterkristallwachstums und des Fabrikationsprozesses zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. Resonantes Tunneln bei Raumtemperatur konnte hingegen nicht beobachtet werden. Dies wird einer Besonderheit des Halbleiters GaSb zugeschrieben, welche daf{\"u}r sorgt, dass bei Raumtemperatur die Mehrheit der Elektronen Zust{\"a}nde am L-Punkt anstelle des Γ Punktes besetzt. Resonantes Tunneln {\"u}ber den klassischen Γ Γ Γ-Tunnelpfad ist so unterbunden. In Unterkapitel 4.3 werden die elektrischen Transporteigenschaften von AlAsSb/GaSb DBQW RTDs mit pseudomorph gewachsenen tern{\"a}ren Vorquantentopfemittern untersucht. Der prim{\"a}re Zweck der Vorquantentopfstrukturen liegt in der Erh{\"o}hung der Energieseparation zwischen Γ- und L-Punkt. So kann Elektronentransport {\"u}ber L- Kan{\"a}le unterdr{\"u}ckt und Elektronenzust{\"a}nde am Γ-Punkt wiederbev{\"o}lkert werden. Zudem ist bei gen{\"u}gend tiefen Vorquantentopfstrukturen aufgrund von Quantisierungseffekten eine Verbesserung der RTD-Transporteigenschaften m{\"o}glich. Strukturen ohne Vorquantentopf-Emitter zeigen ein Tieftemperatur- (T=77 K) Resonanz-zu-Talstrom-Verh{\"a}ltnis von PVCR=8,2, w{\"a}hrend bei Raumtemperatur kein resonantes Tunneln beobachtet werden kann. Die Integration von Ga0,84In0,16Sb- beziehungsweise GaAs0,05Sb0,95-Vorquantentopfstrukturen f{\"u}hrt zu resonantem Tunneln bei Raumtemperatur mit Resonanz-zu-Talstrom-Verh{\"a}ltnissen von PVCR=1,45 und 1,36. In Unterkapitel 4.4 wird die Abh{\"a}ngigkeit der elektrischen Transporteigenschaften von AlAsSb/GaSb RTDs vom As-Stoffmengenanteil des GaAsSb-Emitter-Vorquantentopfs und der AlAsSb-Tunnelbarriere untersucht. Eine Erh{\"o}hung der As-Stoffmengenkonzentration f{\"u}hrt zu einem erh{\"o}hten Raumtemperatur-PVCR mit Werten von bis zu 2,36 bei gleichzeitig reduziertem Tieftemperatur-PVCR. Das reduzierte Tieftemperatur-Transportverm{\"o}gen wird auf eine mit steigendem As-Stoffmengenanteil zunehmend degradierende Kristallqualit{\"a}t zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. In Kapitel 5 AlAsSb/GaSb-RTD-Fotosensoren zur MIR-Lichtdetektion werden erstmalig RTD-Fotodetektoren f{\"u}r den MIR-Spektralbereich vorgestellt und auf ihre optoelektronischen Transporteigenschaften hin untersucht. Zudem wird erstmalig ein p-dotierter RTD-Fotodetektor demonstriert. In Unterkapitel 5.1 wird das Probendesign GaSb-basierter RTD-Fotodetektoren f{\"u}r den mittleren infraroten Spektralbereich vorgestellt. Im Speziellen werden Strukturen mit umgekehrter Ladungstr{\"a}gerpolarit{\"a}t (p- statt n-Dotierung, L{\"o}cher als Majorit{\"a}tsladungstr{\"a}ger) vorgestellt. In Unterkapitel 5.2 werden die optischen Eigenschaften der gitterangepassten quatern{\"a}ren GaInAsSb-Absorptionsschicht mittels Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie untersucht. {\"U}ber das Photolumineszenz-Spektrum wird die Bandl{\"u}ckenenergie zu E_Gap≅(447±5) meV bestimmt. Das entspricht einer Grenzwellenl{\"a}nge von λ_G≅(2,77±0,04) µm. Aus dem niederenergetischen monoexponentiellem Abfall der Linienform wird eine Urbach-Energie von E_U=10 meV bestimmt. Der hochenergetische Abfall folgt der Boltzmann-Verteilungsfunktion mit einem Abfall von k_B T=25 meV. In Unterkapitel 5.3 werden die elektrischen Transporteigenschaften der RTD-Fotodetektoren untersucht und mit denen einer n-dotierten Referenzprobe verglichen. Erstmalig wird resonantes Tunneln von L{\"o}chern in AlAsSb/GaSb-DBQW-RTDs bei Raumtemperatur demonstriert. Dabei ist PVCR=1,58. Bei T=4,2 K zeigen resonantes Loch- und Elektrontunneln vergleichbare Kenngr{\"o}ßen mit PVCR=10,1 und PVCR=11,4. Die symmetrische I(V)-Kennlinie der p-dotierten RTD-Fotodetektoren deutet auf eine geringe Valenzbanddiskontinuit{\"a}t zwischen GaSb und der GaInAsSb-Absorptionsschicht hin. Zudem sind die p-dotierten RTDs besonders geeignet f{\"u}r eine sp{\"a}tere Integration mit Typ-II-{\"U}bergittern. In Unterkapitel 5.4 werden die optoelektronischen Transporteigenschaften p-dotierter RTD-Fotodetektoren untersucht. Das vorgestellte neuartige RTD-Fotodetektorkonzept, welches auf resonanten Lochtransport als Majorit{\"a}tsladungstr{\"a}ger setzt, bietet speziell im f{\"u}r den MIR-Spektralbereich verwendeten GaSb-Materialsystem Vorteile, l{\"a}sst sich aber auch auf das InP- oder GaAs- Materialsystem {\"u}bertragen. Die untersuchten p-dotierten Fotodetektoren zeigen eine ausgepr{\"a}gte Fotosensitivit{\"a}t im MIR-Spektralbereich. Fotostromuntersuchungen werden f{\"u}r optische Anregung mittels eines Halbleiterlasers der Wellenl{\"a}nge λ=2,61 µm durchgef{\"u}hrt. Bei dieser Wellenl{\"a}nge liegen fundamentale Absorptionslinien atmosph{\"a}rischen Wasserdampfs. Die Fotostrom-Spannungs-Charakteristik best{\"a}tigt, dass die Fotosensitivit{\"a}t auf einer Modulation des resonanten Lochstroms {\"u}ber Coulomb-Wechselwirkung akkumulierter photogenerierter Minorit{\"a}tsladungstr{\"a}ger (Elektronen) beruht. Es werden Sensitivit{\"a}ten von S_I=0,13 A W-1 ermittelt. Durch eine verbesserte RTD-Quanteneffizienz aufgrund eines optimierten Dotierprofils der Absorptionsschicht l{\"a}sst sich die Sensitivit{\"a}t auf S_I=2,71 A W-1 erh{\"o}hen, was einem Multiplikationsfaktor von in etwa M\≈8,6 entspricht. Gleichzeitig wird jedoch der RTD-Hebelfaktor verringert, sodass n_(RTD p2)=0,42⋅n_(RTD p1). Erstmalig wurde damit erfolgreich Gas-Absorptionsspektroskopie anhand von H2O-Dampf mittels MIR-RTD-Fotodetektor an drei beieinanderliegenden Absorptionslinien demonstriert.},
  subject      = {Resonanz-Tunneldiode},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Slobodskyy2005,
  author    = {Slobodskyy, Anatoliy},
  title     = {Diluted magnetic semiconductor Resonant Tunneling Structures for spin manipulation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-18263},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {In this work we investigate magnetic resonant tunneling diode (RTD) structures for spin manipulation. All-II-VI semiconductor RTD structures based on [Zn,Be]Se are grown by molecular beam epitaxy. We observe a strong, magnetic field induced, splitting of the resonance peaks in the I-V characteristics of RTDs with [Zn,Mn]Se diluted magnetic semiconductors (DMS) quantum well. The splitting saturates at high fields and has strong temperature dependence. A phonon replica of the resonance is also observed and has similar behaviour to the peak. We develop a model based on the giant Zeeman splitting of the spin levels in the DMS quantum well in order to explain the magnetic field induced behaviour of the resonance.},
  subject      = {Resonanz-Tunneldiode},
  language  = {en}
}