Wzbudzenia dwuwymiarowej plazmy elektronowej w strukturach półprzewodnikowych - detekcja oraz emisja promieniowania THz

W niniejszej pracy doktorskiej prowadziłem badania wzbudze´n dwuwymiarowego gazu elektronowego (2DEG) o cz˛estotliwo´sciach z zakresu promieniowania elektromagnetycznego przypadaja˛cych na zakres fal terahercowych (THz). Celem pracy było poznanie mechanizmów stoja˛cych za generacja˛ oraz detekcja˛ promieniowania THz przez 2DEG oraz zaproponowanie nowych struktur półprzewodnikowych, które moga˛ znalez´c´ zastosowanie w konstrukcji generatorów oraz detektorów promieniowania THz. Badania detekcji oraz emisji prowadziłem w niezale˙znych seriach eksperymentów i wykonywałem je na strukturach półprzewodnikowych, których znaczna˛ cze˛s´c´ wykonałem technika˛ litografii elektronowej. W przypadku badan´ emisji u˙zywałem komercyjnych tranzystorów polowych na bazie GaAs/GaInAs oraz próbek wykonanych na heterostrukturze GaAs/GaAlAs. Do bada´n detekcyjnych u˙zywałem próbek zawieraja˛cych podwójna˛ oraz pojedyncza˛ studnie˛ kwantowa˛CdTe/CdMgTe. Inspiracja˛ badan´ dotycza˛cych emisji promieniowania THz były prace teoretyczne M. Dyakonova oraz M. Shura, które przewiduja˛ moz˙liwos´c´ generacji promieniowania THz przez tranzystory polowe oraz prace do´swiadczalne, w których była obserwowana emisja z tranzystorów polowych. Wniniejszej pracy powtórzyłem cz˛e´s´c eksperymentów opisanych w pracach do´swiadczalnych. Celem tego zabiegu było, po pierwsze, lepsze zrozumienie mechanizmów stoja˛cych za generacja˛ promieniowania THz z tranzystorów polowych. Po drugie, chciałem zrozumiec´ przyczyny istnieja˛cej rozbiez˙nos´ci pomie˛dzy doniesieniami naukowymi o obserwacji emisji promieniowania THz z tranzystorów polowych a faktycznym brakiem opartych na tranzystorach emiterów promieniowania THz. Po upływie prawie szesnastu lat od pierwszej publikacji, w której taka˛ emisje˛ zaobserwowano nadal nie ma komercyjnych rozwia˛zan´ w tym zakresie. Pracuja˛c nad zagadnieniem emisji promieniowania THz z tranzystorów polowych uzyskałem wyniki eksperymentalne, których analiza wskazuje na to, ˙ze po pierwsze, niektóre nanometrowe tranzystory polowe moga˛ byc´ z´ródłem promieniowania mikrofalowego o dosyc´ duz˙ej mocy. Po drugie pokazałem, ˙ze u˙zycie detektora InSb strojonego polem magnetycznym do analizy spektralnej wia˛z˙e sie˛ z uwzgle˛dnieniem ograniczen´, nieuwzgle˛dnienie których mo˙ze prowadzi´c do bł˛ednej interpretacji otrzymanych widm. Oprócz bada´n emisyjnych z tranzystorów polowych prowadziłem badania emisyjne ze struktur wykonanych z heterostruktury GaAs/GaAlAs zawieraja˛cej dwuwymiarowy gaz elektronowy o wysokiej ruchliwo´sci no´sników. Badania te doprowadziły do zaobserwowania rezonansowej emisji promieniowania THz o cz˛estotliwo´sci rz˛edu 400 GHz. Przeprowadzone pomiary pokazały, z˙e emisja ta nie jest zwia˛zana z kształtem i geometria˛ próbek, lecz z sama˛ heterostruktura˛, z jakiej próbki zostały wykonane. Analiza wyników eksperymentalnych oraz prac innych autorów sugeruja˛, z˙e emisja moz˙e byc´ zwia˛zana z jonizacja˛ zderzeniowa˛ płytkich domieszek znajduja˛cych sie˛ w heterostrukturze. Inspiracja˛ do badan´, dotycza˛cych detekcji promieniowania THz była praca S. Mikhailova, w której autor opisuje mo˙zliwo´s´c wzmocnienia rezonansu plazmonowego poprzez utworzenie na powierzchni próbki, zawieraja˛cej dwuwymiarowy gaz elektronowy, siatki dyfrakcyjnej o koncentracji elektronów porównywalnej do koncentracji elektronów w studni kwantowej. Ide˛e sprz˛e˙zenia dwuwymiarowego gazu elektronowego w studni kwantowej z promieniowaniem THz przy u˙zyciu siatki dyfrakcyjnej o koncentracji no´sników zbli˙zonej do koncentracji no´sników w studni udało si˛e zrealizowa´c przy u˙zyciu odpowiednio sprocesowanej struktury półprzewodnikowej zawieraja˛cej podwójna˛ studnie˛ kwantowa˛ CdTe/CdMgTe. Realizacja ta polegała na wytrawieniu w górnej studni rowków w ten sposób, ˙ze niewytrawione obszary górnej studni układały sie˛ w szereg pasków zawieraja˛cych 2DEG. Wytworzyłem szereg takich struktur róz˙nia˛cych sie˛ głe˛bokos´cia˛ wytrawionych obszarów. Dodatkowo, wytworzyłem szereg struktur z „klasycznymi” sprz˛egaczami 2DEG z promieniowaniem THz, w postaci złotych siatek dyfrakcyjnych. Struktury pokryte siatkami półprzewodnikowymi i metalowymi zostały przebadane w pomiarach magnetotransmisji (pomiar transmisji promieniowania THz w funkcji pola magnetycznego) w szerokim zakresie cz˛estotliwo´sci promieniowania THz oraz w temperaturze nadciekłego helu. Uzyskane wyniki zostały zinterpretowane w ramach modelu opisuja˛cego wzbudzenia magnetoplazmonów (wzbudzenia plazmonów w polu magnetycznym) w 2DEG. Pokazały one, ˙ze próbki z siatkami półprzewodnikowymi moga˛ zostac´ uz˙yte jako rezonansowe detektory promieniowania THz strojone takimi parametrami, jak: pole magnetyczne, ´swiatło białe oraz geometryczne parametry siatki dyfrakcyjnej. Drugim wa˙znym wynikiem było okre´slenie polaryzacji wzbudzanego w próbkach magnetoplazmonu; stało si˛e to mo˙zliwe dzie˛ki zastosowaniu półprzewodnikowych siatek dyfrakcyjnych, które nie wykazuja˛ wła´sciwo´sci polaryzacyjnych. Słowa kluczowe: promieniowanie THz, spektroskopia THz, tranzystory polowe, dwuwymiarowy gaz elektronowy, magnetoplazmony, rezonans cyklotronowy, InSb, CdTe, GaAs.

In this dissertation I carried out research on two-dimensional electron gas (2DEG) excitations in the range of electromagnetic radiation of terahertz (THz) frequencies. The aim of the work was to understand the mechanisms behind the generation and detection of THz radiation by 2DEG and to propose new semiconductor structures that can be used in construction of new sources and detectors of THz radiation. I carried out the detection and emission studies in independent series of experiments and performed them on numerous semiconductor structures, a large part of which was fabricated using the electron-beam lithography technique. In the case of emission studies, I used commercial field-effect transistors based on GaAs/GaInAs and samples made on a GaAs/GaAlAs heterostructure. For detection studies, I used samples containing double and single CdTe/CdMgTe quantum wells. The research on THz radiation emission was inspired by theoretical works of M. Dyakonov and M. Shur, who predicted a possibility of THz radiation generation by field-effect transistors, and by experimental works in which the emission from field-effect transistors was observed. In my work, I repeated some of experiments described in experimental papers of other authors. The aim of this was, first, to better understand mechanisms behind generation of THz radiation from field-effect transistors. Secondly, I wanted to understand an existing discrepancy between scientific reports on observation of THz radiation emission from field-effect transistors and an apparent lack of transistor-based THz radiation sources almost sixteen years after the first publication in which such emission was observed. Working on the issue of THz radiation emission from field-effect transistors, I obtained experimental results the analysis of which indicates that, first of all, some nanometer field-effect transistors can be a source of quite high power microwave radiation. Second, I have shown that the use of a magnetic-field-tuned InSb detector for spectral analysis has a limitation that, if not taken into account, can lead to a wrong interpretation of spectra. In addition to emission research from field-effect transistors, I carried out research on emission from structures made of GaAs/GaAlAs heterostructure containing a two-dimensional electron gas of a high electron mobility. These studies led to observation of a resonant THz radiation emission with a frequency of 400 GHz. The performed measurements showed that the emission was not related to the shape and geometry of the samples but to parameters of the heterostructure. The analysis of experimental results and the work of other authors suggest that the emission may be related to the impact ionization of shallow impurities in the heterostructure. The research on the detection of THz radiation was inspired by the work of S. Mikhailov in which the author describes a possibility of enhancing plasma resonance by creating a grating on the sample surface containing a two-dimensional electron gas, with an electron concentration comparable to the concentration of electrons in a quantum well. The idea of coupling a two-dimensional electron gas in a quantum well with THz radiation using a grating with a carrier concentration similar to the concentration of carriers in the well was achieved by using an appropriately processed semiconductor structure containing a double CdTe/CdMgTe quantum well. This implementation consisted of etching grooves in the upper well such that non-etched areas of the upper well formed a series of 2DEG-containing stripes. I created a number of such structures that differed with parameters of etched areas, i.e. the parameters of the semiconductor gratings. These parameters are etch depth, etch width and the period of grating. Additionally, I created a series of single quantum well structures with a ”classic” coupler of THz radiation with a 2DEG in the form of a golden grating. Structures covered with semiconductor and metal grids have been studied in magnetotransmission measurements (measurement of THz radiation transmission as a function of magnetic field) in a wide range of THz radiation and at the temperature of superfluid helium. Obtained results were interpreted in the framework of a model describing magnetoplasmon excitation (excitation of a plasmon in magnetic field) in a 2DEG. Obtained results showed that samples with semiconductor grids can be used as resonant THz radiation detectors tuned with such parameters as: magnetic field, white light and geometric parameters of the grating. The second important result was the determination of the polarization of the magnetoplasmon excited in the samples; it became possible thanks to the use of semiconductor gratings that do not act as polarizers. Keywords: THz radiation, THz spectroscopy, field-effect transistors, two-dimensional electron gas, magnetoplasmons, cyclotron resonance, InSb, CdTe, GaAs.