Electromagnetic radiation in the frequency range between about 100 GHz and 5 THz can be used for spectroscopy and microscopy, but it is also promising for security screening and even wireless communication. In the present thesis a planar photoconducting large-area THz radiation source is presented. The device exhibits outstanding properties, in particular high THz field strength and generation efficiency and large spectral bandwidth with short THz pulse length. The THz emission is based on acceleration and deceleration of photoexcited carriers in semiconductor substrates. A metallic interdigitated structure at the surface of semi-insulating GaAs provides the electrodes of an Auston switch. In a biased structure photoexcited charge carriers are accelerated. Hence electromagnetic waves are emitted. An appropriately structured second metallization, electrically isolated from the electrodes, prevents destructive interference of the emitted waves. The structure investigated here combines several advantages of different conventional photoconducting THz sources. First, it provides high electric acceleration fields at moderate voltages owing to the small electrode separation. Second, the large active area in the mm2 range allows excitation by large optical powers of some mW. Optical excitation with near-infrared femtosecond lasers is possible with repetition rates in the GHz range. The presented results point out the excellent characteristics regarding the emitted THz field strength, average power, spectral properties, and easy handling of the interdigitated structure in comparison to various conventional emitter structures. Various modifications of the semiconductor substrate and the optimum excitation conditions were investigated. In the second part of this thesis the dynamic conductivity of GaAs/AlxGa1-xAs superlattices in an applied static electric field was investigated with time-resolved THz spectroscopy. The original goal was to explore whether the predicted effect of gain of electromagnetic radiation at THz frequencies is present in such structures. Superlattice samples were grown according to the experimental requirements, which include high specific resistance and sufficient THz transparency. The characterization of the superlattices by Fourier transform infrared spectroscopy and photoluminescence spectroscopy confirms the pronounced miniband properties of the bandstructure. Furthermore indications of Bloch oscillations were found by transport measurements. However, we could not measure a change of the dynamic conductivity when the electric field was toggled. Specific reasons for this and related experiments of other groups are discussed. / Elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich zwischen etwa 100 GHz und 5 THz wird für verschiedene Anwendungen wie Spektroskopie und Mikroskopie genutzt, kann aber auch für Sicherheitstechnik oder sogar Datenübertragung interessant sein. In der hier vorgestellten Forschungsarbeit wird eine großflächige fotoleitende THz-Strahlungsquelle beschrieben, die sich durch eine große THz-Feldstärke und große spektrale Bandbreite auszeichnet. Die THz-Emission basiert auf der Beschleunigung und Verzögerung fotogenerierter Ladungen in Halbleitersubstraten. Eine metallische Interdigitalstruktur auf der Oberfläche von semi-isolierendem GaAs bildet die Elektroden eines Fotoschalters. Ist an diese Struktur eine Spannung angeschlossen, werden optisch generierte Ladungsträger beschleunigt und strahlen elektromagnetische Wellen ab. Eine geeignet strukturierte und isolierte zweite Metallisierung verhindert destruktive Interferenzen der abgestrahlten Wellen. Die vorgeschlagene Struktur vereinigt dabei die Vorteile verschiedener herkömmlicher fotoleitender THz-Quellen. Einerseits ermöglicht der kleine Elektrodenabstand große elektrische Felder zur Beschleunigung fotogenerierter Ladungen schon bei moderaten Spannungen. Andererseits kann die große aktive Fläche von einigen mm2 mit großen optischen Leistungen im Bereich einiger mW angeregt werden. Die optische Anregung mit Nahinfrarot-Femtosekunden- Lasern kann mit Wiederholraten bis in den GHz-Bereich geschehen. Bedingt durch die Eigenschaften der Anregungspulse entstehen kurze spektral breite THz-Pulse. Die vorliegenden Ergebnisse verdeutlichen die hervorragenden Eigenschaften der Interdigitalstruktur im Vergleich zu verschiedenen herkömmlichen Geometrien bezüglich der Feldstärke der abgestrahlten Wellen, der mittleren Leistung und der spektralen Eigenschaften. Dabei ist die Struktur sehr einfach zu handhaben. Es wurden verschiedene Modifikationen des Substrates und die optimalen Bedingungen der optischen Anregung untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Erforschung der dynamische Leitfähigkeit von GaAs/AlxGa1-xAs-Übergittern in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld mit Hilfe der zeitaufgelösten THz-Spektroskopie. Es sollte geklärt werden, ob der vorhergesagte Effekt der Verstärkung elektro-magnetischer Strahlung in solchen Strukturen möglich ist. Dazu wurden Übergitterproben gemäß den experimentellen Anforderungen hergestellt. Zu den Vorgaben gehört ein hoher spezifischer Widerstand und ausreichende Transparenz im THz-Bereich. Die Charakterisierung der Übergitter mit Fotolumineszenz- und Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie bestätigte die ausgeprägten Minibandeigenschaften der Bandstruktur. Hinweise auf Bloch-Oszillationen wurden durch Ladungstransportmessungen gefunden. Dennoch war eine Änderung der dynamischen Leitfähigkeit beim Schalten des elektrischen Feldes nicht messbar. Gründe dafür und ähnliche Experimente anderer Gruppen werden diskutiert.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:14-ds-1216373870368-92045 |
| Date | 18 July 2008 |
| Creators | Dreyhaupt, Andre |
| Contributors | Technische Universität Dresden, Physik, Technische Universität Dresden, Forschungszentrum Dresden Rossendorf, Prof. Manfred Helm, Prof. Manfred Helm, Prof. Karl Leo, Prof. Thomas Dekorsy |
| Publisher | Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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