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京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第12860号 / 論工博第4107号 / 新制||工||1609(附属図書館) / 31540 / (主査)教授 北野 正雄, 教授 川上 養一, 准教授 酒井 道 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

In this thesis, we investigate the collective electron dynamics in single and coupled superlattice systems under the influence of a DC electric field. Firstly, we illustrate that Bloch oscillations suppress electron transport and the resulting charge domains form self-sustained current oscillations. Upon the application of a tilted magnetic field, stochastic web structures are shown to form in the phase space of the electron trajectory. This occurs only when the Bloch and cyclotron frequencies are commensurate allowing the electrons to demonstrate chaotic unbounded trajectories, leading to an increase in transport. The charge domain dynamics also present additional peaks during such resonances. The rapid changes in the dynamical states found is an example of non-KAM chaos. We show then the amplitude and frequency of current oscillations in a single superlattice can be controlled. Secondly, two models are designed to mutually couple two semiconductor superlattices by a common resistive load. We examine the effects of coupling strength and frequency detuning on the collective current dynamics. The devices are considered to be arranged together on a single substrate as well as on individual substrates. Large AC power is witnessed during anti-phase and in-phase synchronization between current oscillations. Finally, two superlattices are coupled through a resonance circuit incorporating single mode resonances from external influences in the circuit. In this system, chaotic current dynamics are induced with regions of chaos separating different regions of synchronization. High frequency oscillations with minimal phase difference cause the largest power generation. In all three coupling models high frequency components are found in the Fourier power spectra. The power generated in the coupled systems is found greater and at times more than double the power generated in the autonomous superlattice. Thus this thesis provides innovative methods of enhancing and controlling powerful high-frequency signals. This effectively gives manipulation over the intensity of the electromagnetic radiation produced by the superlattice.

In schwach gekoppelten Halbleiterübergittern können die Elektronen resonant von dem untersten Subband eines Quantentopfes in verschiedene höhere Subbänder des benachbarten Topfes durch die Potenzialbarriere tunneln. In stark dotierten Übergittern kann sich eine Ladungsakkumulationsschicht im Übergitter ausbilden, die es in zwei Felddomänen mit verschiedenen Feldstärken teilt. Aus der detaillierten Untersuchung des Stromverhaltens bei schnellen Spannungsänderungen konnten wichtige Erkenntnisse über die Dynamik der Akkumulationsschicht gewonnen werden, die zum besseren Verständnis von selbstgenerierten Stromoszillationen beitragen. Die beobachteten Stromoszillationen liegen in einem Frequenzbereich von einigen hundert kHz bis zu einigen GHz. Es werden zwei Oszillationsmoden ausführlich beschrieben und gezeigt, wie man sie unterscheiden kann. Die erste Mode tritt bei Proben mit einer gut leitenden Kontaktschicht und moderater Dotierung auf, bei denen die Feldverteilung im Übergitter instabil ist. Die zweite Mode kann dagegen auch bei stark dotierten Übergittern auftreten. Die Voraussetzung ist, dass die Emitterkontaktschicht einen genügend großen spezifischen Widerstand besitzt. Mit dem dargestellten Escape-Time-Modell kann man aus den Übergitterparametern die Oszillationsfrequenzen und die zu erwartenden Stromdichten in den verschiedenen Plateaus abschätzen. Weiterhin wird gezeigt, wie sich die äußere Beschaltung auf die Eigenschaften auswirkt. Durch den Einbau des Übergitters in einen Resonator können diskrete Frequenzen mit einem konstanten Frequenzabstand erzeugt werden. In der Arbeit wird auch der Einfluss von DX-Zentren in den Kontaktschichten beschrieben, welche die Eigenschaften der Proben bei tiefen Temperaturen stark beeinträchtigen können. Durch die Verbesserung der Probeneigenschaften oszilliert der Strom in den Übergittern auch bei Raumtemperatur. Die Frequenz ist mit Hilfe der angelegten Spannung innerhalb eines Plateaus kontinuierlich um bis zu einem Faktor vier durchstimmbar. Es wird die Verwendung von Oszillatoren, basierend auf schwach gekoppelten Halbleiterübergittern, als Bauelement für die Nachrichtenübermittlung vorgeschlagen. / In weakly coupled semiconductor superlattices, the electrons can resonantly tunnel from the first subband of a quantum well into a higher subband of the adjacent well. In highly doped superlattices, a charge accumulation layer can be formed, which divides the superlattice in two field domains of different field strengths. From detailed investigations of the current transients after fast voltage switches, one can obtain important insights into the dynamics of the accumulation layer, which is important for the understanding of self-sustained current oscillations. The frequencies of the resulting current oscillations of the investigated samples are in the range between several hundred kHz and a few GHz. Two possible oscillation modes and their identification from the oscillation characteristics are described. The first mode is observed in samples with contacts with a small resistance and moderately doped superlattices with an unstable field distribution. The second mode appears, if the resistance of the emitter contact layer is sufficiently large and a depletion layer can be injected. A semiclassical model is introduced for the estimation of the oscillation frequencies and the current density in the different plateaus from the superlattice parameters. Finally, the influence of the electrical circuit on the properties of the oscillations will be shown. If the superlattice is put into a resonator, discrete frequencies with constant distances are observed. In this thesis also the influences of DX-centers in the contact layers are described, which can significantly alter the properties of the samples at low temperatures. By applying a larger voltage or by illumination, the contact resistance can be recovered to a common value. Due to the improvement of the sample parameters, the samples also oscillate at room temperature and above. The frequency within a plateau is continuously tunable by a factor of two to four. An application as a tunable oscillator device for wireless and optical communication is proposed.