Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5595
Main Title: Dynamik von Nichtgleichgewichtsladungsträgern in n- und p-Germanium
Translated Title: Dynamics of nonequilibrium charge carriers in n- and p-type germanium
Author(s): Deßmann, Nils
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Referee(s): Dekorsy, Thomas
Dähne, Mario
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In recent years, THz sources which deliver short pulses in the picosecond range with relatively high peak power have become more widespread. These short-pulse THz sources require fast broadband detectors with a large dynamic range. Germanium (Ge) photoconductive detectors have the potential to comply with the requirements necessary for these sources. The detection mechanism is based on the photo ionization of so called shallow centers. These centers create hydrogen-like energy levels in the bandgap. THz photons can be absorbed due to their low binding energy. On that account these detectors operate at liquid Helium temperatures. Examples for shallow centers are p-type dopant antimony (Sb) and n-type dopant gallium (Ga). Thus far, the shortest response time of a Ge photoconductive detector at THz frequencies was obtained using highly compensated (32%-52%) p-Ge:Ga:As:Se with a moderate acceptor concentration of (1−2)×1E15 cm−3 and a total compensating donor concentration of (5.2−14)×1E14 cm−3. The response time to a 100ps-long THz pulse (2.5 THz) of a free electron laser (FEL) was about 3ns. The recovery speed of the detector material is, however, fundamentally limited only by the band-to-impurity recombination time down to the impurity ground state. The purpose of this work was to determine these fundamental recombination times in differently doped Ge crystals. This has been carried out for the first time in n- and p-type Ge with a dedicated pump-probe-experiment using the FEL FELBE of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Moreover, the lifetimes of some excited states have been ascertained. For these measurements special Ge samples have been fabricated by the Leibniz-Institute for Crystal Growth in Berlin. Mainly these samples can be subdivided into two groups, i.e. moderately doped Ge (n-Ge:Sb, n-Ge:As und n-Ge:Ga, ≈1E15 cm−3) and heavily doped and highly compensated Ge (p-Ge:Ga:Sb and n-Ge:Sb:Ga, with NGa , NSb ≈1E16 cm−3 and |N_ Ga−N_Sb|≈1E15 cm−3). The recombination time was shown to depend on the photon flux density of the FEL, typical values are a few ns. With supporting measurements of the temperature dependence on the recombination times an excitation and recombination scheme in p- and n-Ge is proposed. This scheme includes intraband processes. The time constant of the intraband relaxation is independent on the doping level and on the photon flux density for the investigated samples and amounts to ≈200ps. The refined cascade model is commonly used to describe the capture of non-equilibrium carriers by ionized centers. It predicts two regimes. In the case of low photon flux density, i.e. low ionization density, the recombination time has a different dependence on the ionization level in the sample compared to a high ionization density at large low photon flux densities. Both dependences could be identified by the experiment. This supports the refined cascade model in its two limiting cases. The determination of the recombination times in highly doped and highly compensated p- and n-Ge delivered values between a few ps up to ≈300ps . Despite the same net concentration this is one to two orders of magnitude shorter compared to moderately doped Ge. Due to the high doping the recombination times cannot be explained by the refined cascade model. With the highly doped and highly compensated material a photoconductive detector has been fabricated and characterized. To a 10ps-long FEL pulse it was possible to obtain a detector response with a full width half maximum of ≈160ps. This is the fastest response ever demonstrated with an extrinsic Ge photoconductor and it is about 20 times faster than the previous record.
In den letzten Jahren ist die Erzeugung von THz-Pulsen im Femto- bzw. Pikosekundenbereich mit hohen Spitzenleistungen stetig verbessert und gebräuchlicher geworden. Diese Strahlungsquellen erfordern schnelle und spektral breitbandige Detektoren mit einem hohen dynamischen Bereich. Extrinsische Germanium-Photoleiter (Ge) haben das Potential diese Lücke zu schließen. Der Detektionsmechanismus basiert auf der Photoionisation von sogenannten flachen Störstellen. Diese erzeugen wasserstoffartige Energieniveaus in der Bandlücke. Aufgrund der geringen Bindungsenergie der Störstellen können THz-Photonen detektiert werden. Dafür müssen diese Detektoren jedoch bei flüssig Helium-Temperaturen betrieben werden. Zu den flachen Störstellen gehören beispielsweise das p-dotierende Gallium (Ge:Ga) und das n-dotierende Antimon (Ge:Sb). Die bislang kürzeste Antwortzeit eines solchen Detektors wurde mittels einer hoch kompensierten p-Ge:Ga:As:Se-Probe mit einer moderaten Akzeptorkonzentration von (1−2)×1E15 cm−3 und einer Gesamtkonzentration an Donatoren von (5,2 − 12)×1E14 cm−3 erreicht. Die Antwortzeit auf einen 100ps-langen THz-Puls (2,5THz) eines Freie-Elektronen-Lasers (FEL) betrug etwa 3ns. Auf fundamentalem Niveau ist die Antwortzeit limitiert durch die Rekombination freier Nichtgleichgewichtsladungsträger mit ionisierten Störstellen. Das Ziel der Arbeit bestand darin, diese fundamentalen Rekombinationszeiten in verschieden dotierten Ge-Kristallen zu bestimmen. Dies wurde hier erstmalig für n- und p-Ge mit einem dedizierten Ein-Farben-Pump-Probe-Experiment mit dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) FELBE des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf durchgeführt. Außerdem wurden die Lebensdauern einiger angeregter Zustände bestimmt. Für die Messungen wurden Ge-Proben am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung in Berlin hergestellt. Die Proben teilen sich auf in moderat dotiertes Ge (n-Ge:Sb, n-Ge:As und n-Ge:Ga, ≈1E15 cm−3) und hoch dotiertes und hoch kompensiertes Ge (p-Ge:Ga:Sb und n-Ge:Sb:Ga, mit N_Ga , N_Sb≈1E16 cm−3 und |N_Ga−N_Sb|≈1E15 cm−3). Die Rekombination hat eine Zeitkonstante, die von der Photonenflussdichte des FELs abhängt und typischerweise einige ns beträgt. Mit der zusätzlichen Bestätigung durch temperaturabhängige Messungen wurde ein Anregungs- bzw. Rekombinationsmechanismus in p- und n-Ge vorgeschlagen, der Intrabandprozesse berücksichtigt. Die Zeitkonstante der Intrabandrelaxation ist unabhängig von der Dotierung und der Photonenflussdichte für die Proben und beträgt ≈200ps. Das erweiterte Kaskadenmodell dient der Beschreibung des Einfangs freier Ladungsträger durch ionisierte Störstellen und sagt zwei Regime voraus. Im Bereich geringer Photonenflussdichten, d. h. geringer Ionisierungsdichten weist die Rekombinationszeit eine andere Abhängigkeit vom Ionisierungsgrad auf als im Bereich sehr hoher Ionisierungsdichten. Diese Abhängigkeit konnte für beide Bereiche nachgewiesen werden. Das erweiterte Kaskadenmodell kann in den Grenzfällen damit als bestätigt angesehen werden. Die Bestimmung der Rekombinationszeiten in hoch dotiertem und hoch kompensiertem p- und n-Ge lieferte Werte von einigen ps bis maximal ≈300ps . Diese waren bei gleicher Nettokonzentration um ein bis zwei Größenordnungen kleiner als bei moderat dotiertem Ge. Aufgrund der hohen Dotierung lassen sich die Rekombinationszeiten nicht mehr durch das Kaskadenmodell beschreiben. Mit dem kompensierten Material wurde ein photoleitender Ge-Detektor hergestellt und charakterisiert. Es ist gelungen etwa 10ps-lange FEL-Pulse mit einer Halbwertsbreite von ungefähr 160ps zu messen. Dies ist die kürzeste jemals gezeigte Antwortzeit eines Ge-Photoleiters und ist etwa um den Faktor 20 schneller als der bisherige Rekord.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6011
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5595
Exam Date: 23-Sep-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 1-Dec-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): germanium
pump-probe spectroscopy
THz
semiconductor
time-resolved measurements
Germanium
Pump-Probe-Spektroskopie
Halbleiter
zeitaufgelöste Messungen
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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