title: Photoconductive Terahertz Emitters and Detectors for the Operation with 1550 nm Pulsed Fiber Lasers
title: Photoleitende Terahertz Emitter und Detektoren für die Anregung mit femtosekunden Faserlasern bei 1550 nm
Creators: name: Globisch, Björn
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Photoleiter
Spektroskopie
Physics
Physik
Antennen
Terahertz, Time-domain spectroscopy
Terahertz, Zeitbereichsspektroskopie
non-destructive testing
Sensorik, Zerstörungsfreie Prüfung
photoconductor
antennas

description: In this thesis, photoconductive
      terahertz (THz) emitters and detectors suitable for the
      excitation with femtosecond laser pulses centered on 1550 nm
      are investigated. The motivation for this study is the
      development of cost-efficient, flexible and rapid THz
      time-domain-spectroscopy (TDS) systems for the application in
      growing fields like non-destructive testing (NDT) and inline
      process monitoring. In order to achieve this goal, the
      physics of the generation and detection of THz radiation in
      photoconductors is investigated. The combination of
      experimental data with the analytic modeling of the carrier
      dynamics in THz photoconductors allows for a detailed
      understanding of the interplay between the growth conditions
      of the photoconductor and the properties of the fabricated
      THz device. In this work, three different photoconductive
      materials were studied as THz emitters and detectors. All
      these photoconductors contain layers of the ternary
      semiconductor indium gallium arsenide (InGaAs). When InGaAs
      is grown lattice matched to an indium phosphide (InP)
      substrate, the material can be excited by erbium doped
      femtosecond fiber lasers with a central wavelength around
      1550 nm. Therefore, InGaAs is a predestinated absorber in
      photoconductive THz emitters and detectors. Aside from the
      common InGaAs layers, the photoconductors investigated in
      this thesis feature essentially different electrical and
      optical properties. The reason is that theoretical models and
      experimental results obtained within the last two decades
      revealed different demands on photoconductors for THz
      emitters and detectors. On the detector side, a
      sub-picosecond electron lifetime is required for the
      detection of broadband THz radiation with high dynamic range.
      In contrast, photoconductive materials for THz emitters
      require high breakdown fields and carrier mobility, whereas
      the electron lifetime is of minor importance. Therefore, the
      first part of this work is dedicated to the development of
      InGaAs-based photoconductors for THz emitters and receivers.
      Photoconductors with sub-picosecond electron lifetimes were
      obtained by low-temperature growth of InGaAs with molecular
      beam epitaxy (MBE). At temperatures below 300 °C the growth
      is non-stoichiometric and arsenic antisites are incorporated
      as point defects into the lattice. When these antisites are
      ionized they serve as fast trapping and recombination
      centers. In this work, it is shown that the concentration of
      the (ionized) antisites can be controlled by the growth
      temperature, by using an additional p-dopant (beryllium), and
      by the temperature and the duration of a post-growth
      annealing step. Electron lifetimes as short as 140 fs were
      obtained. The precise adjustment of all these parameters
      allowed for the design and the fabrication of THz receivers
      with a spectral bandwidth of up to 6 THz and a peak dynamic
      range exceeding 95 dB. For THz emitters, a high mobility,
      which is generally equivalent to a low defect density, is
      required in order to enable the efficient acceleration of the
      photoexcited carriers in the electric field applied to the
      emitter. Due to the high density of defects,
      low-temperature-grown (LTG) InGaAs based photoconductors are
      not the material of choice for THz emitters. Instead, a
      material comprising almost defect free layers of InGaAs
      surrounded by InAlAs barriers containing a high density of
      deep defects was used. These properties were achieved at
      growth temperatures close to 400 °C in a MBE system. At those
      temperatures, alloying forms deep defects inside the InAlAs
      layers, whereas InGaAs grows almost defect free. A THz-power
      of up to 112 μW ± 7 μW was measured for emitters fabricated
      from this photoconductor, which is an increase by a factor of
      100 compared to emitters made of the LTG material. By
      combining the optimized photoconductive emitters and
      receivers compact THz-TDS systems with up to 6 THz bandwidth
      and 90 dB peak dynamic range were realized. In addition, an
      all fiber-coupled THz spectrometer with kHz measurement rate
      as well as a fully fibercoupled near-field imaging system
      with a lateral resolution of 100 μm was demonstrated with
      these optimized photoconductive devices. However, a critical
      disadvantage of individual THz emitter and detector devices
      appears when THz-TDS measurements are performed in reflection
      geometry. Since many applications in NDT and in-line process
      monitoring allow only one side access to the sample under
      test, reflection measurements are the common use-case of
      THz-TDS in these fields. In this thesis, a fiber-coupled,
      monolithically integrated THz transceiver was developed,
      which combines the emitter and the receiver on a single
      photoconductive chip. As the photoconductor, Be-doped
      LTG-InGaAs/InAlAs with 0.5 ps electron lifetime was used in
      order to enable a broadband detection. The optical coupling
      of the transceiver was realized with the help of a polymer
      waveguide chip. With a bandwidth of 4.5 THz and a peak
      dynamic range larger than 70 dB this THz transceiver showed a
      significant performance increase compared to previous
      transceiver concepts (2 THz bandwidth and 50 dB peak dynamic
      range). In order to further increase the performance of THz
      transceivers a novel photoconductor had to be developed,
      which combines the required properties of THz emitters and
      detectors in the same material. For this purpose, iron (Fe)
      doped InGaAs grown by MBE was investigated. At growth
      temperatures close to 400 °C iron could be incorporated
      homogenously up to concentrations of 5 × 1020 cm-3. The
      resulting material combined sub-picosecond electron lifetime
      with high breakdown fields and high mobility. Applied as a
      photoconductive emitter, 75 μW ± 5 μW of radiated THz power
      were measured. As a detector, THz pulses with a bandwidth of
      up to 6 THz and a peak dynamic range of 95 dB were obtained.
      Hence, Fe-doped InGaAs has not only the potential to replace
      the relatively complex state-of-the art photoconductors, it
      also bears great potential for future integrated THz devices.
      In conclusion, the systematic study of the electrical
      properties and the carrier dynamics in InGaAs-based
      photoconductive materials led to significant improvements of
      individual THz emitter and detector devices. The detectable
      bandwidth was increased by 50 % from below 4 THz to 6 THz and
      the emitted THz power was enhanced by a factor of 100.
      Further, the knowledge from these studies was exploited for
      the fabrication of a fiber-coupled, monolithically integrated
      THz transceiver with a 4.5 THz bandwidth and 70 dB peak
      dynamic range. These results are a significant increase in
      THz performance compared to previous transceiver concepts (2
      THz bandwidth and 50 dB dynamic range). In order to allow for
      further improvements of THz transceivers and integrated THz
      devices, Fe-doped InGaAs was investigated as a
      photoconductive emitter and detector. Due to the unique
      combination of subpicosecond electron lifetime, high
      resistivity (&gt; 2 Ω cm) and high mobility (&gt; 900
      cm2V-1s-1) Fe-doped InGaAs showed a performance comparable to
      the optimized THz photoconductors. Hence, the results
      presented in this work pave the way for compact and
      integrated THz devices for applications in industrial
      environments.
description: In dieser Dissertation werden
      photoleitende Halbleiter zur Erzeugung und zur Detektion von
      Terahertz (THz) Strahlung untersucht, die mithilfe von
      Erbium-dotierten Faserlasern betrieben werden können. Das
      Ziel dieser Untersuchungen ist die Entwicklung von
      kostengünstigen, stabilen und kompakten THz
      Zeitbereichsspektrometern, die für Anwendungen in der
      zerstörungsfreien Materialprüfung und der industriellen
      Prozesskontrolle geeignet sind. Dabei ist das detaillierte
      Verständnis der physikalischen Prozesse bei der Erzeugung und
      Detektion von THz Strahlung die Voraussetzung für die
      gezielte Optimierung des THz Photoleiters. Durch ausführliche
      Messreihen in Verbindung mit analytischen Modellen der
      Ladungsträgerdynamik werden in dieser Arbeit die elektrischen
      und dynamischen Eigenschaften von Photoleitern mit der
      Leistungscharakteristik der daraus hergestellten THz Emitter
      und Detektoren verknüpft. Diese Arbeit analysiert drei
      unterschiedliche Materialkonzepte für photoleitende THz
      Emitter und Detektoren, wobei alle diese Photoleiter
      Schichten des ternären Halbleiters Indiumgalliumarsenid
      (InGaAs) enthalten. InGaAs ist der ideale Absorber für
      Femtosekundenpulse mit einer Zentralwellenlänge um 1550 nm,
      da die Bandlücke dieses Materials, bei gitterangepasster
      Komposition zu InP, mit der Energie der infraroten Laserpulse
      übereinstimmt, die von einem Erbium-dotierten Faserlaser
      emittiert werden. Abgesehen von den InGaAs-Absorberschichten
      unterscheiden sich die untersuchten photoleitenden
      Materialien signifikant in ihren elektrischen und optischen
      Eigenschaften. Dies ist durch die deutlich unterschiedlichen
      Anforderungen bedingt, die photoleitende THz Sender und
      Empfänger an ein optimales Halbleitermaterial stellen.
      Während beim Empfänger eine Ladungsträgerlebensdauer
      unterhalb einer Pikosekunde für die breitbandige Detektion
      von THz Strahlung unbedingt erforderlich ist, benötigen
      photoleitende Sender vor allem eine hohe
      Ladungsträgermobilität und eine hohe Durchbruchfeldstärke.
      Die Ladungsträgerlebens-dauer muss lediglich klein gegenüber
      der Pulswiederholrate des Lasers sein. Daher wurde im ersten
      Teil dieser Arbeit zunächst jeweils ein Photoleiterkonzept
      für die Anwendung als THz-Emitter bzw. THz-Detektor
      untersucht. Photoleiter mit einer Ladungsträgerlebensdauer
      unterhalb von 1 ps wurden mithilfe des
      Niedrigtemperaturwachstums in einer
      Molekularstrahlepitaxieanlage (MBE) hergestellt. Bei
      Wachstumstemperaturen unterhalb von 300 °C wird zunehmend
      Überschuss Arsen (As) als Substitutionsdefekt in das
      InGaAs-Kristallgitter eingebaut. Diese As-Punktdefekte bilden
      schnelle Einfang- und Rekombinationszentren, wenn sie durch
      einen p-Dotierstoff ionisiert werden. Die im Rahmen dieser
      Arbeit durchgeführten Studien konnten zeigen, dass die
      Konzentration der ionisierten As-Substitutionsdefekte durch
      die Wachstumstemperatur, durch die Konzentration des
      p-Dotierstoffs Beryllium und durch die Temperatur und die
      Dauer eines an das eigentliche Wachstum angeschlossenen
      Ausheilschritts gezielt beeinflusst werden kann.
      Elektronenlebensdauern bis hinunter zu 140 fs konnten so
      erreicht werden. Mithilfe der THz Empfänger, die aus dem
      optimierten Photoleiter hergestellt wurden, konnten Pulse mit
      einer Bandbreite von 6 THz und einem maximalen Dynamikbereich
      von mehr als 95 dB detektiert werden. Um eine möglichst
      effiziente Beschleunigung der Ladungsträger im photoleitenden
      THz Emitter zu erreichen, ist eine hohe Mobilität
      erforderlich, was im Allgemeinen gleichbedeutend mit einer
      möglichst geringen Defektdichte ist. Das durch das
      Niedrigtemperaturwachstum hergestellte Photoleitermaterial
      enthält aufgrund der kurzen Ladungsträgerlebensdauer
      allerdings eine hohe Defektdichte, wodurch dieses Material
      als THz Emitter nicht optimal ist. Im Rahmen dieser Arbeit
      wurde ein photoleitendes Material als THz Emitter erforscht,
      welches aus nahezu defektfreien InGaAs Schichten besteht, die
      eine hohe Mobilität gewährleisten, und von Schichten aus
      Indiumaluminiumarsenid (InAlAs) umgeben sind, die eine hohe
      Konzentration tiefliegender Störstellen aufweisen. Durch
      dieses Prinzip sind die THz Erzeugung in den InGaAs-Schichten
      und die Ladungsträgerrekombination in den InAlAs- Schichten
      räumlich voneinander getrennt. Die oben beschriebenen
      Eigenschaften konnten bei Wachstumstemperaturen um 400 °C in
      einer MBE erreicht werden. Durch Legierungsentmischung bilden
      sich in diesem Temperaturbereich tiefe Störstellen im InAlAs,
      während InGaAs nahezu defektfrei wächst. THz-Sender, die aus
      diesem Photoleiter hergestellten wurden, emittieren eine
      mittlere Leistung von bis zu 112 μW ± 7 μW. Im Vergleich zu
      THz-Emittern, die auf niedrigtemperaturgewachsenen
      Photoleitern basieren, entspricht dies einer
      Leistungserhöhung um den Faktor 100. Durch die Kombination
      der optimierten THz-Emitter und THz-Detektoren konnte ein
      fasergekoppeltes THz System mit einer Bandbreite von 6 THz
      und einem Dynamikbereich von mehr als 90 dB realisiert
      werden. Außerdem haben die verbesserten photoleitenden
      Komponenten die Entwicklung von Spektrometern mit Messraten
      im kHz-Bereich sowie fasergekoppelte Nahfeldmesssysteme mit
      einer lateralen Auflösung von 100 μm ermöglicht. Die
      Verwendung von diskreten und individuell optimierten
      THz-Sendern und Empfängern stellt sich bei Messungen in
      Reflexionsanordnung als sehr unvorteilhaft heraus, da der
      resultierende THz Strahlengang komplex und verlustbehaftet
      ist. Viele Anwendungen in Bereichen der zerstörungsfreien
      Materialprüfung erfordern jedoch THz-Reflexionsmessungen, da
      die zu untersuchenden Bauteile lediglich von einer Seite
      zugänglich sind. Für dieses Anwendungsgebiet ist daher ein
      THz-Messkopf erforderlich, welcher sowohl den Sender als auch
      den Empfänger enthält und orthogonal zur Bauteiloberfläche
      betrieben werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein
      solcher THz-Transceiver entwickelt, bei dem Sender und
      Empfänger in einem Abstand von lediglich 45 μm auf demselben
      photoleitenden Chip monolithisch integriert wurden. Der
      verwendete Photoleiter besteht aus einer Be-dotierten
      InGaAs/InAlAs Struktur mit einer Ladungsträgerlebensdauer von
      0.5 ps, um einen breitbandigen THz-Empfänger im Transceiver
      zu ermöglichen. Die optische Faserkopplung wurde mithilfe
      eines Polymerwellenleiters realisiert. Mit einer Bandbreite
      von 4.5 THz und einem maximalen Dynamikbereich von mehr als
      70 dB ist dieser Transceiver eine erhebliche Verbesserung
      bestehender Konzepte, die lediglich eine maximale Bandbreite
      von 2 THz und einen Dynamikbereich von 50 dB ermöglichten.
      Somit ist der hier vorgestellte Transceiver ein
      vielversprechender Ansatz für die Anwendung der
      THz-Spektroskopie in Bereichen der zerstörungsfreien
      Materialprüfung. Um die Leistungsfähigkeit von THz
      Transceivern weiter zu steigern, ist jedoch ein
      photoleitendes Material erforderlich, welches sowohl die
      optimalen Eigenschaften eines THz- Senders als auch die eines
      THz-Empfängers in nur einem Halbleiter kombiniert. Vor dieser
      Arbeit war ein solches Material für eine Anregungswellenlänge
      um 1550 nm noch nicht bekannt. Im Rahmen der vorliegenden
      Dissertation wurde eisendotiertes (Fe) InGaAs als geeigneter
      Photoleiter identifiziert, mit dem eine
      Ladungsträgerlebensdauer von 300 fs, eine Mobilität von mehr
      als 900 cm2V-1s-1 und ein elektrischer Widerstand oberhalb
      von 2 kΩ cm erreicht werden können. Photoleitende THz-Sender,
      die aus Fe-dotiertem InGaAs hergestellt wurden, emittierten
      eine THz-Leistung von bis zu 75 μW ± 5 μW. THz-Pulse mit
      einer Bandbreite von bis zu 6 THz und einem Dynamikbereich
      von mehr als 95 dB wurden mithilfe von Fe-dotierten InGaAs
      Empfängern detektiert. Somit erreicht eisendotiertes InGaAs
      die THz- Eigenschaften optimierter, individueller Photoleiter
      und ist daher ein vielversprechendes Material für zukünftige
      integrierte THz Bauteile. Durch die systematische Analyse der
      elektrischen und dynamischen Eigenschaften von THz-
      Photoleitern auf der Basis von InGaAs wurden in dieser Arbeit
      deutliche Verbesserungen sowohl auf Sender- als auch auf der
      Empfängerseite erzielt. Die detektierte Bandbreite konnte von
      ca. 4 THz auf 6 THz erhöht werden, und die vom Sender
      emittierte THz-Leistung wurde um den Faktor 100 gesteigert.
      Für THz-Reflexionsmessungen wurde erstmals ein monolithisch
      integrierter, fasergekoppelter Transceiver mit einer
      Bandbreite von 4.5 THz entwickelt. Dieser Transceiver ist ein
      kompakter Messkopf, der mithilfe kommerziell erhältlicher
      THz- Spektrometer in der zerstörungsfreien Materialprüfung
      eingesetzt werden kann. Um die Leistungsfähigkeit von
      THz-Transceivern weiter zu steigern wird allerdings ein
      Photoleiter benötigt, welcher die optimalen Eigenschaften
      eines Senders und eines Empfängers in einem Material vereint.
      Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eisendotiertes
      InGaAs durch die Kombination von ultraschnellem
      Ladungsträgereinfang, hohem elektrischen Widerstand und hoher
      Ladungsträgermobilität die THz-Leistungscharakteristik
      optimierter Sender- und Empfänger erreicht. Somit sind die
      Ergebnisse dieser Dissertation ein wichtiger Schritt für die
      Anwendung der THz Technologie im industriellen
      Umfeld.