Untersuchung von photoleitenden Schaltern basierend auf LTG-GaAs für die Erzeugung von CW und gepulster TH-Strahlung

The main subject of the thesis is the investigation of low-temperature-grown (LTG) GaAs-based photoconductive switches used in the generation of continuous-wave (CW) and pulsed terahertz (THz) radiation. The use of photoconductive switches based on low-temperature-grown GaAs proved to be a viable option in generating electromagnetic transients on a subpicosecond time-scale, corresponding to frequencies of ~1012 Hz (between microwave and far-infrared). The most appealing property of LTG-GaAs is the ultra-short carrier lifetime obtained by incorporation of a large number of As defects when GaAs is grown at low temperatures. However, the reason for poor THz emission efficiency (low CW-THz power lrvrls) is still up to this date not fully understood. The various reasons are to be found in both, optoelectronic properties of the active layer (photoconducting material) as well as in the device characteristics. The thesis focuses primarily on the limitation imposed to the performance of the THz emitters by the material of choice for the active layer (LTG-GaAs) and secondarily, on the impact of a particular emitter design on the THz radiation efficiency. In the beginning of the thesis one finds an ample overview on the electrical and optical properties of the LTG-GaAs material. A special chapter deals with the main features of current-voltage and CW-THz emission characteristics measured from a photoconductive antenna employed as photomixer. We observed deviations from the theoretical predictions of photomixing theory which were explained by considering the high-field electrons effects (velocity overshoot and elongation of the carrier trapping time). With the scope to provide a better understanding of the correlation between device and material properties when the LTG-GaAs material is integrated with a planar antenna (photoswitch), a special THz double-pulse technique (THz-pump and -probe) was implemented. The experimental results assisted by modeling of the double-pulse THz data provide a gainful insight into the ultrafast dynamics of the electrical field and photogenerated carriers. The outcome of the double-pulse experiments is the evidence for long-living carriers in the LTG-GaAs-based photoconductive antenna under applied bias, with a deleterious impact upon the emitter performance (especially for the CW case). Additionally, by measuring the THz transients generated by a constant laser pulse with and without a CW laser background illumination, we obtained further evidence of strong field-screening effects. This phenomenon was also attributed to the existence of long-living space-charge effects. For both cases (pulsed as well as CW) we derived the de-screening time constant. The principal conclusion of the present study is that, besides shortcomings imposed by the THz-circuitry, photomixers based on materials with traps (defects) exhibit great “affinity” for space-charge screening effects with cumulative and therefore long-lived deleterious impact upon device’s performance. An alternative would be the usage of a transient-time limited device where the response time is given by the carrier collection time, possibly with only one type of carrier responsible for THz signal generation.Das Hauptthema dieser Arbeit ist die Untersuchung von niedrigtemperatur-gewachsene GaAs (engl. low-temperature-grown - LTG) GaAs basierten photoleitende Schaltern die zur Erzeugung von Dauerstrich und gepulster Terahertz Strahlung genutzt werden. Die auf LTG-GaAs basierenden photoleitende Schalter haben sich als praktikable Option zur Erzeugung von elektromagnetischen Transienten auf subpicosekunden Zeitskalen herausgestellt, entsprechende Frequenzen von ca. 1012 Hz (also zwischen Mikrowellen und fernem Infrarot) generierend. Die überzeugendste Eigenschaft von LTG-GaAs ist die Ultrakurze Einfangzeit der Ladungsträger die man durch Einfügung von einer Vielzahl von As defekten bei dem Tieftemperatur Wachstum erhält. Jedoch ist der Grund für die geringe THz Emissions- effizienz (geringe Leistung von Dauerstrich (CW) THz Strahlung) bis heute nicht vollständig Verstanden. Die vielfältigen Gründe hierfür können in den optoelektronischen Eigenschaften der aktiven Schicht (des photoleitenden Materials) einerseits, als auch in den Schaltkreis Eigenschaften der gefertigten Bauelemente andererseits, liegen. Die Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit den Beschränkungen die das gewählte Material der aktiven Schicht (LTG-GaAs) bedingt, sowie ausserdem dem Effekt den ein spezielles Emitter Design auf die TH-Emissions-Effizienz hat. Zu Beginn der Arbeit wird ein großzügiger Einblick in die elektrischen als auch die optischen Eigenschaften des LTG-GaAs-Materials gegeben. Ein eigenes Kapitel behandelt dann die Eigenschaften der Strom-Spannungs- sowie der CW-THz Emissions-Kennlinien die an einer Photoleitenden Antenne, genutzt als Photomischer, gemessen wurden. Die beobachteten Abweichungen der experimentalen Ergebnisse von den Vorhersagen der Photomischertheorie konnten nur erklärt werden nur wenn man Hochfeld Elektronentransport Effekte (die so genannte „velocity overshoot“ und Verlängerung der Einfangzeit der Elektronen) berücksichtigt. Um den Zusammenhang zwischen Bauelemente- und Materialeigenschaften bei der Integration des LTG-GaAs-Materials in einem Photoschalter besser zu Verstehen wurde eine spezielle THz-Doppelpuls Technik (THz-Anregung-Abfrage) implementiert. Die Experimentellen Ergebnisse sowie die Modellierung der THz-Doppelpuls Daten gewähren einen gewinnbringenden Einblick in die ultraschnelle Dynamik des elektrischen Feldes sowie der photogenerierte Ladungsträger. Die Ergebnisse des Doppelpuls Experiments sind Nachweis für langlebige Ladungsträger in der LTG-GaAs basierten Photoleitenden Antenne unter angelegter Vorspannung, die sich negativ auf die Emitter Effizienz auswirken, im speziellen bei CW THz betrieb Modus. Zusätzlich, durch Messung der THz Transienten die durch einen konstanten Laserpuls mit als auch ohne CW-Laser Hintergrundbeleuchtung hervorgerufen wurde, gibt es Anzeichen für starke Feldabschirmung Effekte. Dieses Phänomen wurde ebenso den langlebigen Raumladungseffekten zugeordnet. Für beide Fälle (gepulst und CW) wurde die Feldabschirmung Relaxationszeit abgeleitet. Die Prinzipiellen Schlussfolgerungen dieser Studie sind, neben den Ausführungsmängeln bei der THz-Verschaltung, dass Photomischer die auf Defektmaterialien basierend, eine große „Affinität“ für Raumladungs Feldabschirmung Effekten mit kumulativer Wirkung und dadurch langlebigen negativen Effekten auf die Emitter Effizienz haben. Eine Alternative könnte die Nutzung von einem Transitzeitlimitierte Emitter sein, bei welchem die Antwortzeiten gegeben ist durch die „Kolleiktion“-zeit der Ladungsträger, möglicherweise dann mit nur einem für die TH-Erzeugung verantwortlichen Ladungsträgertyp