Preparation and optimization of low-temperature grown GaAs photomixers

Mikulics, Martin; Lüth, H.

doi:10.18154/RWTH-CONV-121681

Preparation and optimization of low-temperature grown GaAs photomixers

Mikulics, Martin (Author)

2004 & 2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Mikulics

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangII, 110 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Prüfungsjahr: 2004. - Publikationsjahr: 2005

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, H. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-07-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-11177
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-121681
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/59942/files/59942.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Galliumarsenid (Genormte SW) ; Kristallwachstum (Genormte SW) ; Photodetektor (Genormte SW) ; Frequenzumsetzung (Genormte SW) ; Terahertzbereich (Genormte SW) ; Physik (frei) ; LT-GaAs photomixers (frei) ; photodetectors (frei) ; freestanding photoswitches (frei) ; Nitrogen implanted GaAs (frei) ; host substrates (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und die Herstellung von Fotomischern auf LT GaAs und deren Optimierung in Hinblick auf eine maximale Ausgangsleistung. Der Hauptbestandteil eines Fotomischers ist die MSM-Fotodetektorstruktur, weshalb deren Optimierung einen Schwerpunkt bildete. Ein Satz unserer Fotomischer mit Dipolantennen wurde für 460 GHz Ausgangsfrequenz optimiert. Ein zweiter Satz verwendet breitbrandige „Bow-ties“ für den Frequenzbereich bis 1.6 THz bzw. breitbrandige Spiralantennen bis 3.7 THz. Der Einfluß der Temperatur beim Wachstum von LT GaAs auf die wesentlichen Eingeschäften (großer Widerstand, großes elektrisches Durchbruchsfeld, kurze Lebensdauer, usw.) ist in Kapitel 2 beschrieben. Daß mit ansteigender Wachstumstemperatur auch die Lebensdauer in diesem Material ansteigt, ist allgemein bekannt. Diese Lebensdauer der Ladungsträger ist ein Hauptparameter für die Begrenzung der maximalen Ausgangsfrequenz eines Fotomischers, welcher nicht durch die RC-Konstante begrenzt ist. Der zweite wichtige Optimierungsfaktor für die Ausgangsleistung von Fotomischern ist die Beweglichkeit der fotogenerieren Ladungsträger. Ebenfalls bekannt ist, daß mit steigender Wachstumstemperatur auch die Ladungsträgerbeweglichkeit in LT GaAs steigt. Die Ausgangsleistung von Fotomischern ist abhängig von beiden Parametern. Deshalb ist die Wachstumstemperatur einer der wichtigsten Parameter, welche für die Erhöhung der Ausgangsleistung von Fotomischern zur Verfügung stehen. Für 460 GHz entworfene Fotomischer benötigen teilweise höhere Wachstumstemperaturen für LT GaAs – 275-300°C –, wie in Kapitel 6 gezeigt ist. Ionenimplantation ist eine weitere Möglichkeit, die Lebensdauer in GaAs zu verringern. In dieser Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, welche zeigen, daß diese Technik für die Herstellung von Materialien mit Lebensdauern im Subpikosekunden-Bereich geeignet ist. Die Materialien wurden mit Dosen im Bereich 1012-1016 Ionen/cm2 und mit Energien im Bereich 82-880 keV implantiert, und ihre Eingeschaften vor und nach dem Ausheilen wurden untersucht. Fotodetektoren, die mit Stickstoff-implantiertem Material bei 880 keV hergestellt wurden, zeigen eine um 50% höhere Sensitivität im Vergleich zu den besten hier in dieser Arbeit hergestellten LT GaAs-Fotodetektoren. Diese Ergebnisse zeigen eine neue Möglichkeit auf, die Ausgangsleistung von Fotomischern zu erhöhen, denn mit optimierter Implantationsenergie und -dosis ist es möglich, Materialien mit Lebensdauern im Subpikosekunden-Bereich und mit höherer Beweglichkeit als in anderen, früher beschriebenen Materialien herzustellen. Die nächste Verbesserung der Fotomischer war, daß die MSM-Kontakte nicht nur auf der Oberfläche des fotoleitenden Materials hergestellt, sondern in das Material versenkt wurden. Die versenkten Strukturen weisen höhere Durchbruchspannungen auf, die von der Tiefe der Versenkung abhängen. Ebenso wurde beobachtet, daß Fotodetektoren mit versenkten Kontakten empfindlicher sind als auf der Oberfläche hergestellte. Versenkte Kontakte, hergestellt durch naßchemisches Ätzen bzw. IBE, sind in Kapitel 3 beschrieben. In beiden Fällen konnten Erhöhungen der Sensitivitäten von 40-200%, abhängig von der Tiefe der Versenkung, gemessen werden. Der wichtige Effekt ist, daß bei versenkten Kontakten in optimaler Tiefe mehr fotogenerierte Ladungsträger aus tieferen Gebieten eingesammelt werden. Allerdings wird nicht nur die Gesamtanzahl der Ladungsträger vergrößert, sondern auch die Zeit verringert, da der Abstand der Elektroden effektiv verkleinert wird. Dies konnte in dieser Arbeit ebenfalls beobachtet werden. Erste Ergebnisse von Fotomischern mit Breitbandantennen zeigen im Frequenzbereich von 100 GHz bis 1 THz ungefähr doppelt so große Ausgangsleistung wie Fotomischer mit nicht-versenkten Kontakten. Durch die Kombination von hier präsentierten Neuerungen können in Zukunft weitere Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften von Fotodetektoren und Fotomischern erwartet werden.

The aim of this work was to design and prepare photomixer devices based on LT GaAs and to optimize them with respect to the maximal output power. Essential part of the photomixer is the MSM photodetector structure. For this reason a major part of the optimization process was done on photodetector structures. One set of our photomixers was optimized for the 460 GHz output frequency employing single dipole antenna. The second set of photomixers used broadband bow-tie and spiral antennas designed for the frequency range up to 1.6 THz and 3.7 THz, respectively. The influence of the growth temperature of GaAs on its desired properties (high resistivity, high electric breakdown field, low carrier lifetime, etc.) is presented in Chapter 2. It is well know that with increasing the growth temperature the carrier lifetime in this material increases as well. This is a major parameter for limitation of the maximal output frequency of a photomixer device, that is not RC-constant limited. The second important factor for optimization of the maximal photomixer output power is the mobility of photogenerated carriers. It is a well established fact that with increasing the growth temperature the mobility also increases in GaAs material. The output power of a photomixer device depends on both above mentioned parameters which are in trade-off. Thus, the growth temperature is one of the most important parameters contributing to the output power increase of our photomixers. Photomixers designed for 460 GHz require partially higher growth temperature of LT GaAs, 275-300°C, as shown in Chapter 6. Ion implantation is another possibility how to decrease carrier lifetime in GaAs. In this work we present results showing that employing this technique fabrication of materials with subpicosecond carrier lifetime is possible. Materials implanted with various ion doses (1012-1016 ions/cm2) and implantation energies in the range 82 keV-880 keV were prepared and their properties and dynamics before and after annealing were studied. Photodetectors based on 880 keV nitrogen-implanted GaAs show 50% higher sensitivity than our best LT GaAs photodetectors. These results outline new possibilities for increasing of photomixer output power because with right choice of implantation energy and dose it is possible to prepare materials with subpicosecond carrier lifetime and with higher mobility of photogenerated carriers than in previously reported materials. Next improvement, necessary for photomixer devices, is that MSM contact could be also fabricated not only on the surface of photoconductive material, but also in the material. Recessed contacts exhibit higher breakdown voltage, which depends on the depth of recession. In this work we also observed that photodetectors with recessed contacts are more sensitive in comparison to MSM fabricated on the surface. Recessed contacts fabricated by wet etching and IBE are presented in Chapter 3. In both cases we observed sensitivities from 40% to 200% higher in dependence on the recession depth than for non-recessed structures. Very important fact is that recessed contacts could for optimal recession depth more efficiently collect photogenerated carriers from deeper regions and so not only increase total number of photogenerated carriers, but also in shorter time, because of decreasing of distance to the collecting electrodes. This was also observed in this work. Our first results from the photomixers with broadbanding antenna show in frequency range from 100 GHz to 1 THz approximately 2 times higher output power than photomixers with non-recessed contacts. In the future combination of here presented improvements will be used to reach next improvement of electrical properties of photodetector and photomixer devices.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)