Investigation of nanometer scale charge carrier density variations with scattering-type scanning near-field microscopy in the THz regime

Near-field microscopy is a versatile technique for non-destructive detection of optical properties on the nanometer scale. Contrary to conventional microscopy techniques, the resolution in near-field microscopy is not restricted by the diffraction limit, but by the size of the probe only. Typically, wavelength-independent resolution in the range of few ten nanometers can be achieved. Many fundamental phenomena in solid states occur at such small length scales and can be probed by infrared and THz radiation. In the present work, nanoscale charge carrier distributions were investigated with near-field microscopy in classic semiconductors and state-of-the-art graphene field-effect transistors. A CO2 laser, the free-electron laser FELBE at the Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf and a photoconductive antenna were applied as radiation sources for illumination of the samples. In the theoretical part of the work, the band model for charge carriers in semiconductors is briefly explained to derive typical charge carrier densities of such materials. The influence of the charge carriers to the light-matter interaction is introduced via the Drude model and evaluated for both infrared and THz radiation. In field-effect transistors, charge carrier density waves can occur when strong AC fields are coupled into the device. The phenomena in such transistors are introduced as a more complex material system. To describe the near-field coupling of the samples to the nanoscopic probe, the dipole model is introduced and extended for periodic charge carrier density, as elicited by low repetition-rate excitation lasers. Consequently, sidebands occur as new frequencies in the signal spectrum, allowing for a more sensitive probing of such transient processes. Experimental investigations of these sidebands were performed with a CO2 laser setup on a bulk germanium sample which was excited with femtosecond laser pulses. New frequencies up to the 8th sideband could be observed. The results show a characteristic near-field decay for all sidebands when the probe-sample distance is increased. A nanoscale material contrast in the sidebands signatures has been demonstrated via near-field scans on a gold / germanium heterostructure. Near-field signatures of graphene-field effect transistors have been examined utilizing FELBE. The results match the predicted behavior of charge carriers in such a device and in particular represent the first direct observations of the plasma waves. In collaboration with the group of Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Goethe-Universität Frankfurt), the plasma wave velocity in the graphene field-effect transistor has been derived via fitting to the model for two datasets on different devices from independent fabrications. The obtained velocity is in good agreement with literature values. The results promise the application of field-effect transistors as THz detectors and emitters and may lead to faster communication technology.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Semiconductors 2.2 Plasma Waves in Graphene Field-Effect Transistors 2.3 Near-Field Microscopy 2.3.1 Aperture-SNOM 2.3.2 Scattering-SNOM 2.4 THz Optics 3 SNOM-Theory 3.1 Dipole Model 3.2 Detection and Demodulation 3.3 Pump-induced Sidebands in SNOM 3.4 Field Enhancement by Resonant Probes 4 Near-Field Microscope Setups 4.1 FELBE THz SNOM 4.2 Pump-modulated s-SNOM 4.3 THz Time-Domain-Spectroscopy SNOM 5 Sideband Results 5.1 Pump-induced Sidebands in Germanium 5.2 Fluence Dependence 5.3 Higher-order sidebands 5.4 Oscillation Amplitude 5.5 Technical Aspects of the Sideband Demodulation 6 Field-Effect Transistors 6.1 Device Design 6.2 Data Analysis 6.3 Near-Field Overview Scans 6.4 Plasma Wave Examination 6.5 Conclusion 7 Discussion and Outlook A Appendix A.1 Scanning Probe Microscopy A.2 Atomic Force Microscope List of Figures BibliographyNahfeldmikroskopie ist eine vielseite Technik für das zerstörungsfreie Auslesen von optischen Eigenschaften auf der Nanoskala. Im Gegensatz zur konventionellen Mikroskopie ist die Auflösung nicht durch Beugungseffekte, sondern durch die Größe der genutzten Sonde begrenzt. Überlicherweise werden wellenlängenunabhängig Auflösungen von einigen zehn Nanometern erreicht. Viele fundamentale Prozesse in der Festkörperphysik treten auf Längenskalen dieser Größenordnung auf und können mit Infrarot- und THz-Strahlung untersucht werden. In dieser Arbeit wurden nanoskalige Ladungsträgerverteilungen mit Rasternahfeldmikroskopie untersucht, einerseits in klassischen Halbleitern, anderseits in state-of-the-art Graphen Feldeffekttransistoren. Zur Beleuchtung der Proben wurden ein CO2 Laser, der freie-Elektronen Laser FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und eine photoleitende Antenne verwendet. Im theoretischen Teil der Arbeit wird das Bändermodell für Ladungsträger in Halbleitern erklärt, um daraus typische Ladungsträgerdichten in diesen Materialien abzuleiten. Der Einfluss der Ladungsträger auf die Interaktion mit Strahlung wird durch das Drude-Modell eingeführt und für Infrarot- und THz-Strahlung abgeschätzt. In Graphen Feldeffekttransistoren können Ladungsträgerdichtewellen auftreten, wenn starke Wechselfelder in das Bauelement eingekoppelt werden. Die Prozesse in solchen Transistoren werden als komplexeres Materialsystem eingeführt. Um die Nahfeldkopplung der Proben an die Sonde zu beschreiben, wird das Dipol-Modell eingeführt und für periodische Ladungsträgerdichten erweitert, wie sie bspw. durch Pumplaser mit niedrigen Repetitionsraten erzeugt werden können. In der Folge entstehen Seitenbänder als neue Frequenzen im Signalspektrum, welche eine sensitivere Messung solcher transienten Prozesse ermöglichen. Experimentelle Untersuchungen des erweiterten Dipol-Modells wurden mit einem CO2 Laser Aufbau an einem Germaniumkristall durchgeführt, welcher mit Femtosekunden Laserpulsen angeregt wird. Neue Frequenzen im Spektrum konnten bis zu dem achten Seitenband beobachtet werden. Die Resultate zeigen den typischen Abfall des Nahfeldes, wenn der Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert wird. Ein Materialkontrast auf der Nanoskale im Seitenband-Signal konnte durch laterale Rasternahfeld-Scans auf einer Gold/Germanium Heterostruktur gezeigt werden. Die Nahfeldsignaturen der Graphen Feldeffekttransistoren wurden mit FELBE untersucht. Die Resultate stimmen mit dem vorausgesagtem Verhalten der Ladungsträger in einem solchen Bauteil überein und sind die erste direkte Beobachtung solcher Plasmawellen. In Kooperation mit der Gruppe um Prof. Dr. Hartmut G. Roskos (Goethe-Universität Frankfurt) wurde die Geschwindigkeit der Plasmawelle durch Regression der Daten berechnet. Dabei wurden zwei Datensätzen an Bauteilen von unabhängigen Fabrikationsprozessen genutzt. Die berechnete Geschwindigkeit ist in guter Übereinstimmung mit Literaturwerten. Die Resultate verheißen die Anwendung von Feldeffekttransistoren als THz Sender und Detektoren und könnten zu schnellerer Kommunikationstechnologie führen.:1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Semiconductors 2.2 Plasma Waves in Graphene Field-Effect Transistors 2.3 Near-Field Microscopy 2.3.1 Aperture-SNOM 2.3.2 Scattering-SNOM 2.4 THz Optics 3 SNOM-Theory 3.1 Dipole Model 3.2 Detection and Demodulation 3.3 Pump-induced Sidebands in SNOM 3.4 Field Enhancement by Resonant Probes 4 Near-Field Microscope Setups 4.1 FELBE THz SNOM 4.2 Pump-modulated s-SNOM 4.3 THz Time-Domain-Spectroscopy SNOM 5 Sideband Results 5.1 Pump-induced Sidebands in Germanium 5.2 Fluence Dependence 5.3 Higher-order sidebands 5.4 Oscillation Amplitude 5.5 Technical Aspects of the Sideband Demodulation 6 Field-Effect Transistors 6.1 Device Design 6.2 Data Analysis 6.3 Near-Field Overview Scans 6.4 Plasma Wave Examination 6.5 Conclusion 7 Discussion and Outlook A Appendix A.1 Scanning Probe Microscopy A.2 Atomic Force Microscope List of Figures Bibliograph

THz Near-Field Microscopy and Spectroscopy

Imaging with THz radiation at nanoscale resolution is highly desirable for specific material investigations that cannot be obtained in other parts of the electromagnetic spectrum. Nevertheless, classical free-space focusing of THz waves is limited to a >100 μm spatial resolution, due to the diffraction limit. However, the scattering- type scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) promises to break this diffraction barrier. In this work, the realization of s-SNOM and spectroscopy for the THz spectral region from 30–300 μm (1–10 THz) is presented. This has been accomplished by using two inherently different radiation sources at distinct experimental setups: A femtosecond laser driven photoconductive antenna, emitting pulsed broadband THz radiation from 0.2–2 THz and a free-electron laser (FEL) as narrow-band high-intensity source, tunable from 1.3–10 THz. With the photoconductive antenna system, it was demonstrated for the first time that near-field spectroscopy using broadband THz-pulses, is achievable. Hereby, Terahertz time-domain spectroscopy with a mechanical delay stage (THz-TDS) was realized to obtain spectroscopic s-SNOM information, with an additional asynchronous optical sampling (ASOPS) option for rapid far-field measurements. The near-field spectral capabilities of the microscope are demonstrated with measurements on gold and on variably doped silicon samples. Here it was shown that the spectral response follows the theoretical prediction according to the Drude and the dipole model. While the broadband THz-TDS based s-SNOM in principle allows for the parallel recording of the full spectral response, the weak average power of the THz source ultimately limits the technique to optically investigate selected sample locations only. Therefore, for true THz near-field imaging, a FEL as a high-intensity narrow- band but highly-tunable THz source in combination with the s-SNOM technique, has been explored. Here, the characteristic near-field signatures at wavelengths from 35–230 μm are shown. Moreover, the realization of material sensitive THz near-field imaging is demonstrated by optically resolving, a structured gold rod with a reso- lution of up to 60 nm at 98 μm wavelength. Not only can the gold be distinguished from the silica substrate but moreover parts of the structure have been identified to be residual resin from the fabrication process. Furthermore, in order to explore the resolution capabilities of the technique, the near-fields of patterned gold nano- structures (Fischer pattern) were imaged with a 50 nm resolution at wavelengths up to 230 μm (1.2 THz). Finally, the imaging of a topography-independent optical material contrast of embedded organic structures, at exemplary 150 μm wavelength is shown, thereby demonstrating that the recorded near-field signal alone allows us to identify materials on the nanometer scale. The ability to measure spectroscopic images by THz-s-SNOM, will be of benefit to fundamental research into nanoscale composites, nano-structured conductivity phenomena and metamaterials, and furthermore will enable applications in the chemical and electronics industries.Die Bildgebung mit THz Strahlung im Nanobereich ist höchst wünschenswert für genaue Materialuntersuchungen, welche nicht in anderen Spektralbereichen durchgeführt werden kann. Aufgrund des Beugungslimits ist kann jedoch mit klassischen Methoden keine bessere Auflösung als etwa 100 μm für THz-Strahlung erreicht werden. Die Methode der Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) verspricht jedoch dieses Beugungslimit zu durchbrechen. In der vorliegenden Arbeit wird die Realisierung der Nahfeld-Mikroskopie und Spektroskopie im THz-Spektralbereich von 30–1500 μm (0.2–10 THz) präsentiert. Dies wurde mittels zweier grundsätzlich unterschiedlichen Strahlungsquellen an separaten Experimentaufbauten erreicht: Einer photoleitenden Antenne welche gepulste breitbandige THz-Strahlung von 0.2–2 THz emittiert, sowie einem Freie- Elektronen Laser (FEL) als schmalbandige hochleistungs Quelle, durchstimmbar von 1.3–10 THz. Mit dem photoleitenden Antennensystem konnte zum ersten mal demonstriert werden, dass mit breitbandigen THz-Pulsen Nahfeldspektroskopie möglich ist. Dazu wurde die übliche THz-Time-Domain-Spektroskopie (THz-TDS) zur Erhaltung der spektroskopischen s-SNOM Informationen, sowie asynchrones optisches Abtasten (ASOPS) für schnelle Fernfeld Spektroskopie eingesetzt. Die nahfeldspektroskopischen Fähigkeiten des Mikroskops wurden anhand von Messungen an Gold sowie unterschiedlich dotierten Siliziumproben demonstriert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die spektrale Antwort den theoretischen Voraussagen des Drude- sowie Dipol Modells folgt. Während das breitband THz-TDS basierte s-SNOM spektroskopische Nahfelduntersuchungen zulässt, limitiert jedoch die schwache Ausgangsleistung der THz-quelle diese Technik insofern, dass praktisch nur Punktspektroskopie an ausgesuchten Probenstellen möglich ist. Für echte nanoskopische Nahfeldbildgebung wurde daher ein FEL als durchstimmbare hochleistungs THz-Quelle in Kombination mit der s-SNOM-Technik erforscht. Hierzu wurden die charakteristischen Nahfeld-Signaturen bei Wellenlängen von 35–230 μm untersucht, gefolgt von die Verwirklichung materialsensitiver THz Nahfeldbildgebung gezeigt an Goldstreifen mit bis zu 60 nm Auflösung. Dabei kann nicht nur das Gold von dem Glassubstrat unterschieden werden, sondern auch Ablagerungen als Überreste des Fabrikationsprozesses identifiziert werden. Um die Grenzen der Auflösungsmöglichkeiten dieser Technik zu sondieren, wurden weiterhin die Nahfelder von gemusterten Gold-Nanostrukturen (Fischer-Pattern) bei Wellenlängen bis zu 230 μm (1.2 THz) abgebildet. Hierbei wurde eine Auflösung von 50 nm festgestellt. Schliesslich konnte der topographieunabhängige Materialkontrast von eingebetteten organischen Strukturen, exemplarisch bei 150 μm Wellenlänge, gezeigt werden. Die Fähigkeit, spektroskopische Aufnahmen mittels der THZ-s-SNOM Technik zu erzeugen, wird der Grundlagenforschung und in der Nanotechnologie zu Gute kommen, und weiterhin Anwendungen in der Chemischen- und Halbleiterindustrie ermöglichen

Photodetectors

In this book some recent advances in development of photodetectors and photodetection systems for specific applications are included. In the first section of the book nine different types of photodetectors and their characteristics are presented. Next, some theoretical aspects and simulations are discussed. The last eight chapters are devoted to the development of photodetection systems for imaging, particle size analysis, transfers of time, measurement of vibrations, magnetic field, polarization of light, and particle energy. The book is addressed to students, engineers, and researchers working in the field of photonics and advanced technologies