@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{Riegler2011,
  author    = {Riegler, Andreas},
  title     = {Ferromagnetic resonance study of the Half-Heusler alloy NiMnSb : The benefit of using NiMnSb as a ferromagnetic layer in pseudo-spin-valve based spin-torque oscillators},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-66305},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Seit der Entdeckung des Spin-Torque durch Berger und Slonczewsky im Jahre 1996 gewann dieser Effekt immer mehr an Einfluss in dem Gebiet der Spintronic. Dies geschah besonders durch den Einfluss des Spin-Torque auf die Informationsspeicher und Kommunikationstechnologien (z.B. die M{\"o}glichkeit einen magnetischen Zustand eines Speicherelementes mit Hilfe von Strom und nicht wie bisher durch das Anlegen eines magnetischen Feldes zu {\"a}ndern, oder die Realisierung eines hochfrequenten Spin-Torque-Oszillator (STO). Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen der D{\"a}mpfung in Ferromagneten und der kritischen Stromdichte, die n{\"o}tig ist um ein Spin-Ventil zu schalten oder ein Pr{\"a}zidieren der Magnetisierung zu induzieren, wurde die Forschung an Ferromagneten mit geringer D{\"a}mpfung zunehmend forciert. In dieser Arbeit werden Studien der ferromagnetischen Resonanz (FMR) von NiMnSb Schichten und Transportmessungen an NiMnSb basierten Spin-Ventilen pr{\"a}sentiert. Das Halbmetall NiMnSb ist mit einer theoretischen 100\%igen Spinpolarisation pr{\"a}destiniert f{\"u}r die Verwendung in GMR Elementen. Neben der theoretisch vorhergesagten hohen Spinpolarisation zeigen die durchgef{\"u}hrten FMR Messungen einen {\"u}beraus geringen D{\"a}mpfungsfaktor f{\"u}r dieses Material. Dieser liegt in der Gr{\"o}ßenordnung von wenigen 10-3. Somit ist die D{\"a}mpfung in NiMnSb um den Faktor zwei geringer als in Permalloy und gut vergleichbar mit epitaktisch gewachsenen Eisen-Schichten. Neben den guten D{\"a}mpfungseigenschaften zeigen jedoch theoretische Modelle den Verlust der 100\%igen Spinpolarisation durch das Brechen der Translationssymmetrie an Grenzfl{\"a}chen und das Kollabieren der Aufspaltung im Minorit{\"a}ts-Spin-Band. Da ein Wachstum in (111) Richtung diesen Prozess entgegen wirken kann, werden in dieser Arbeit zudem auf (111)(In,Ga)As gewachsene NiMnSb Schichten mittels FMR untersucht. Die Messungen an diesen Proben zeigen, im Vergleich zu (001) orientierten Schichten, eine erh{\"o}hte D{\"a}mpfung. Zudem kann bei diesen Schichten eine schichtdickenabh{\"a}ngige uni-direktionale magnetische Anisotropie gemessen werden. Im Hinblick auf den m{\"o}glichen industriellen Einsatz in Speicherelementen werden {\"u}berdies Messungen an Sub-Mikrometer großen NiMnSb Elementen auf (001) orientierten Substraten pr{\"a}sentiert. Die Elemente wurden mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt und mittels FMR vermessen. Auch die so prozessierten Schichten zeigen einen D{\"a}mpfungsfaktor im unteren 10-3 Bereich. Das Auftreten von magnetostatischen Moden in den Messungen ist ein weiterer indirekter Nachweis der hohen Qualit{\"a}t der NiMnSb-Schichten. Im Jahre 2001 wurde von Mizukamie und seinen Kollegen eine dickenabh{\"a}ngige Erh{\"o}hung der Gilbertd{\"a}mpfung bei, mit Metallen bedeckten, Permalloy-Schichten beobachtet. Im Jahr darauf wurde von Tserkovnyak, Brataas und Bauer eine Theorie erarbeitet die dieses Ph{\"a}nomen auf ein Pumpen von Spins aus dem Ferromagneten in die Metalschicht zur{\"u}ckf{\"u}hrt. Aus diesem Grund werden Messungen von NiMnSb Schichten, die mit verschiedenen Metallen und Isolatoren in-situ vor Oxidation gesch{\"u}tzt wurden, pr{\"a}sentiert. Nach diesen materialspezifischen Voruntersuchungen werden auf NiMnSb und Permalloy basierte Pseudo-Spin-Ventile unter Verwendung eines selbst ausrichtenden lithographischen Prozesses hergestellt. Transportmessungen an den Proben zeigen ein GMRVerh{\"a}ltnis von 3,4\% bei Raumtemperatur und fast das doppelte bei tiefen Temperaturen. Diese sind sehr gut vergleichbar mit den besten ver{\"o}ffentlichten GMR-Verh{\"a}ltnissen f{\"u}r Einzelschichtsysteme. {\"U}berdies kann in den Experimenten eine viel versprechend geringe kritische Stromdichte, die n{\"o}tig ist, um die magnetische Orientierung zu {\"a}ndern, gemessen werden. Diese ist vergleichbar mit kritischen Stromdichten aktuellster metallbasierter GMR-Elemente oder auf dem Tunneleffekt basierenden Spin-Ventilen. Das eigentliche Potential der auf NiMnSb basierenden Spin-Ventile wird erst ersichtlich wenn diese als STO zum Emittieren hochfrequenter, durchstimmbarer und schmalbandiger elektromagnetischer Wellen verwendet werden. Auf Heusler basierende STO zeigen einen {\"u}berdurchschnittlich hohen q-Faktor von 4180, sogar im Betrieb ohne extern angelegtes Magnetfeld. Dieser ist um mehr als eine Gr{\"o}ßenordnung h{\"o}her als der h{\"o}chste ver{\"o}ffentliche q-Faktor eines ohne externes Feld arbeitenden STO. W{\"a}hrend die Heusler basierten STO ebenso wie alle anderen STO unter einer geringen Ausgangsleistung leiden, machen die Maßst{\"a}be im Sub-Mikrometer Bereich eine On-Chip Herstellung m{\"o}glich. Somit kann durch ein Parallelschalten von gekoppelten Oszillatoren eine Erh{\"o}hung der Ausgangsleistung erzielt werden.},
  subject      = {Nickelverbindungen},
  language  = {en}
}