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Dissertation

Autor(en): Marco Rogozia
Titel: Oszillatoren aus schwach gekoppelten Halbleiterübergittern für den MHz- und GHz-Bereich – Domänendynamik und Stromoszillationen
Gutachter: Klaus H. Ploog; M. Helm; Ted W. Masselink
Erscheinungsdatum: 26.03.2002
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10016987)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): GaAs, Halbleiterübergitter, Oszillationen, elektrischer Transport, AlAs
Schlagwörter (eng): GaAs, semiconductor superlattice, oscillations, electrical transport, AlAs
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Zitationshinweis: Rogozia, Marco: Oszillatoren aus schwach gekoppelten Halbleiterübergittern für den MHz- und GHz-Bereich – Domänendynamik und Stromoszillationen; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 26.03.2002, urn:nbn:de:kobv:11-10016987
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Abstract (ger):
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.
Abstract (eng):
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.
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