Terahertz-Antwort von zweidimensionalen Ladungsträgersystemen in GaAs-basierten Heterostrukturen

Autor: Grunwald, Torben
Přispěvatelé: Chatterjee, Sangam (Dr.)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2010
Předmět:
DOI: 10.17192/z2010.0036
Popis: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der THz-Antwort zweidimensionaler Ladungsträgersysteme in verschiedenen Halbleiterheterostrukturen unter wechselnden Bedingungen. Zur Durchführung der Experimente wird ein Spektrometer verwendet, welches in Kombination sowohl zeitaufgelöste Optische-Anrege--THz-Abfrage-Experimente, als auch optische Anrege-Abfrage-Experimente im Nahinfraroten für identische Bedingungen ermöglicht. Damit werden Untersuchungen der transversalen dielektrischen Funktion sowohl eines (GaIn)As/GaAs-Quantenfilms unter verschiedenen Bedingungen, als auch eines zweidimensionalen Elektronengases in einer GaAs-basierten Heterostruktur durchgeführt. Zunächst wird für einen (GaIn)As/GaAs-Quantenfilm die THz-Antwort eines durch Interbandübergänge generierten Elektron-Loch-Plasmas für verschiedene Ladungsträgerdichten betrachtet. Das Plasma zeigt in der gemessenen transversalen dielektrischen Funktion ein Verhalten gemäß dem klassischen Drude-Oszillatormodell, ebenso wie eine gute Übereinstimmung mit einer mikroskopischen Theorie der THz-Antwort von entsprechenden Vielteilchensystemen. Darüber hinaus findet man bei Betrachtung des negativen Imaginärteils der inversen dielektrischen Funktion eine Plasmaresonanz, deren quadrierte Maximumsfrequenz proportional zur Ladungsträgerdichte des Plasmas ist. Dieses Verhalten entspricht der Plasmafrequenz eines dreidimensionalen Elektron-Loch-Plasmas. Insgesamt kann gezeigt werden, dass sich die transversale THz-Antwort eines zweidimensionalen Elektron-Loch-Plasmas somit wie bei einem dreidimensionales Plasma verhält. Die durch THz-Felder gemessene transversale Antwort eines Elektron-Loch-Plasmas scheint daher unabhängig von der Dimension des Ladungsträgersystems zu sein. Anschließend wird die Situation im Quantenfilm für ein von 1s-Exzitonen dominiertes Ladungsträgersystem untersucht. Für die dielektrische Funktion ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und mikroskopischer Theorie. Bei der Betrachtung des negativen Imaginärteils der inversen dielektrischen Funktion zeigt bereits ein schwach angeregtes exzitonisches System einen Resonanzpol bei der intraexzitonischen 1s-2p-Übergangsfrequenz. Für steigende Ladungsträgerdichten beginnt sich das Ladungsträgersystem schließlich plasma-artig zu verhalten. Dies geschieht allerdings bereits für Dichten, bei denen noch ein signifikanter Exzitonenanteil im Ladungsträgersystem verbleibt. Die Exzitonenpopulation ist noch nicht vollständig ionisiert, was durch ergänzende optische Anrege-Abfrage-Experimente untermauert wird. Das Ladungsträgersystem beginnt also bereits plasma-artiges Verhalten zu zeigen, bevor die Mott-Dichte erreicht wird. Zuletzt wird ein reines zweidimensionales Elektronengas (2DEG) in einer GaAs-Heterostruktur untersucht. Auch hier zeigt sich im Ergebnis sowohl in der dielektrischen Funktion, als auch im Imaginärteil der inversen dielektrischen Funktion ein Verhalten analog zu einem dreidimensionalen Plasma. Im Unterschied zum Elektron-Loch-Plasma des Quantenfilms kann dies im Falle des 2DEG allerdings nicht vollständig durch ein Drude-Oszillatormodell beschrieben werden. Es ergibt sich jedoch eine gute Übereinstimmung zu der mikroskopischen Theorie. Daher scheinen hier Vielteilcheneffekte eine größere Rolle zu spielen, welche den ponderomotiven Beitrag der THz-Antwort erheblich modifizieren.
This thesis deals with the THz response of two-dimensional charge carrier systems in different semiconductor heterostructures under varying conditions. The utilized spectrometer is suitable for time-resolved optical pump - THz probe experiments, as well as for optical pump-probe experiments in the near infrared for identical conditions. It allows the investigation of the transverse dielectric function of both, a (GaIn)As/GaAs quantum well and a two-dimensional electron gas in a GaAs-based heterostructure. First, the THz response of an electron-hole plasma is examined for different carrier densities. The plasma is generated by interband transitions in a (GaIn)As/GaAs quantum well. The measured transverse dielectric function reveals that the plasma behaves in accordance with the classical Drude oscillator model. It also conforms to the microscopic theory of the THz response of corresponding many-body systems. Evidence of a plasma resonance in the negative imaginary part of the inverse dielectric function is found. The squared peak frequency of the resonance is proportional to the carrier density of the plasma. This behavior corresponds to the plasma frequency of a three-dimensional plasma. Overall, it can be shown that the transverse THz response of a two-dimensional electron-hole plasma behaves like the response of a three-dimensional plasma. Therefore, the transversal THz response of an electron-hole plasma seems to be independent of the dimension of the charge carrier system. Secondly, the behavior of the quantum well for a 1s-exciton dominated carrier system is investigated. A good agreement between experiment and microscopic theory is obtained for the dielectric function. The negative imaginary part of the inverse dielectric function shows a resonance at the intraexcitonic 1s-2p transition frequency, even in weakly excited excitonic systems. Increasing the carrier density leads to a plasma-like behavior of the system. However, in these densities a significant exciton fraction remains in the carrier system. The exciton population is not yet completely ionized. This is supported by matching optical pump-probe experiments. The carrier system begins to show plasma-like behavior, before the Mott density is reached. Finally, a pure two-dimensional electron gas (2DEG) in a GaAs heterostructure is investigated. A behavior similar to a three-dimensional plasma is observed both in the dielectric function, as well as in the imaginary part of the inverse dielectric function. However, in contrast to the electron-hole plasma of the quantum well, this cannot be described by a Drude oscillator model in the case of the 2DEG. Nevertheless, there is a good agreement with the microscopic theory. It seems that many-body effects appear to play a greater role, significantly modifying the ponderomotive contribution of the THz response.
Databáze: OpenAIRE
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