Elektrooptische Höchstfrequenzuntersuchungen an Supraleitern und Halbleitern

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine Apparatur aufgebaut, mit der es mit Hilfe einer stroboskopisehen optischen Methode möglich ist, elektrische Pulse von weniger als 1 ps Dauer zu erzeugen und anschließend, nach der Wechselwirkung mit einem Bauelement, zeitaufgelöst zu detektieren. Die Meßmethode hat einen sehr breiten Anwendungsbereich, der die zeitaufgelöste Messung von Schaltzeiten ultraschneller Bauelemente, wie z.B. Photoschalter und MSM-Dioden ebenso ermöglicht, wie die spektroskopische Analyse von Materialeigenschaften, beispielsweise des Supraleiters YBa$_{2}$Cu$_{3}$O$_{7-x}$. Die obere Grenze der Zeitauflösung liegt bei dem hier verwendeten Meßkristall LiTaO$_{3}$ bei etwa 300 fs, der erfaßte Frequenzbereich erstreekt sich von ca. 10 bis über 600 GHz. Es wurden Photoschalter aus sehr unterschiedlichen Materialkombinationen hergestellt und ihre Schaltzeiten vermessen. Bei der Herstellung von Photoschaltern auf der Basis von ionenimplantiertem SoS ($\textit{Silicon-on-Sapphire}$) wurden Si-Ionen einer Implantationsenergie von 400 keV verwendet, Dabei stellte sich heraus, daß eine Dosis von 5 $\cdot$10$^{14}$ cm$^{-2}$ ausreichend ist, urn Schaltzeiten von weniger als 1 ps zu erreichen. Der kürzeste erreichte Wert betrug 0,8 ps. Mit diesen Photoschaltern auf Si-Basis ließen sich allerdings aufgrund der gemessenen Beweglichkeit der Ladungsträger von $\mu$ = 28 cm$^{2}$/Vs nur Spannungen von ca. 150 mV schalten. Photoschalter auf Basis von LTGaAs weisen demgegenüber eine gemessene Beweglichkeit von $\mu$ = 250 cm$^{2}$/Vs auf. Mit diesen Photoschaltern wurden Schaltzeiten von unter 0,5 ps und geschaltete Spannungen von über 10 V erreicht. Diese Schaltzeiten sind so kurz, daß damit die Auflösungsgrenze der Meßmethode bei Verwendung eines LiTaO$_{3}$-Kristalls erreicht wird. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der RWTH-Aachen (Institut für Halbleiterphysik II) wurde eine neuartige MSM-Diode auf Basis von InP/InGaAs untersucht. Bei dieser Diode wird die Schaltzeit nicht wie bei üblichen MSM-Dioden durch die Flugzeit der Ladungsträger zwischen den Metallkontakten bestimmt, sondern durch den schnellen Ladungstransfer von der InP-Schicht in eine darunterliegende InGaAs-Schicht mit einem geringeren Bandabstand. Die Lebensdauer der Ladungsträger in dieser InGaAs-Schicht ist viel länger als die Schaltzeit der Diode. Da diese Ladungsträger aber durch eine Barriere von der InP-Schicht getrennt sind, tragen sie nicht mehr zum Ladungstransport und damit zur Pulsverlängerung bei. Mit dieser Diode wurden Schaltzeiten von 0,6 ps erzielt. Die geschaltete Spannung betrug 60 % der angelegten Vorspannung. Durch Variation der Schichtdicken von InP- und InGaAs-Schicht läßt sich die Schaltzeit und -effizienz dieser Diode in weiten Grenzen verändern. Ein wesentlicher Teil der Arbeit ist der Untersuchung der Propagation von elektrischen Pulsen auf Hochfrequenz-Verbindungsleitungen aus mikrostrukturierten YBa2Cu3O$_{7-x}$-Schichten gewidmet.Besonderes Gewicht wird dabei auf die Integration der Supraleiter mit halbleitenden Substraten und Photoschaltern gelegt. Bei diesen Experimenten wird aus cler Pulspropagation die Absorption [...