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Patrick Rauter - Nanostrukturen für Zweifarben-Wärmedetektoren

Intraband absorption and photospectroscopy of SiGe quantum cascades

oder

Nanostrukturen für Zweifarben-Wärmedetektoren

Patrick Rauter
angefertigt an der Abteilung für Halbleiterphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik

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Jedwede Strahlung, die von einem Körper abgegeben wird, trägt Informationen über seine Form und seine Temperatur. Im Falle eines Gases als Quelle der Strahlung lässt sich von dem abgegebenen Licht im infraroten Spektralbereich auf dessen Zusammensetzung schließen. Da Infrarotstrahlung außerdem von der Atmosphäre weniger gestreut und absorbiert wird als sichtbares Licht, ergibt sich von Wärmebildkameras bis zu Geräten für Schadstoffmessungen eine Vielzahl von möglichen Anwendungen für Bauteile, die infrarotes Licht detektieren.

In dieser Diplomarbeit wurde eine neuartige, auf Silizium und Germanium basierende Nanostruktur für die Detektion von Wärmestrahlung im infraroten Spektralbereich entwickelt. Die Struktur ist aus 10 Perioden einer Abfolge von Silizium- und Germaniumschichten aufgebaut. Diese Schichten bilden "Quantentöpfe", das heißt Potentialtöpfe mit einer Breite von wenigen Nanometern, in denen sich Ladungsträger nicht wie Teilchen, sondern wie stehende Wellen verhalten. Die Wellenamplituden, die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ladungsträger in den Quantentöpfen beschreiben, sind in Abbildung 1 dargestellt. Die in der Arbeit entwickelte Nanostruktur beinhaltet zwei unterschiedlich tiefe Hauptquantentöpfe pro Periode. Diese sind mit W1 und W5 in Abbildung 1 bezeichnet. Zwischen den beiden Haupttöpfen befinden sich drei schmälere Töpfe (W2-W4 in Abbildung 1), die den Ladungsträgern ein quantenmechanisches Tunneln zwischen den Haupttöpfen ermöglichen.

Abbildung 1: Höhenschichtlinendarstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Ladungsträger in den Quantentöpfen W1-W5 als Funktion ihrer Energie (rote / violette Linien: kleine / große Aufenthaltswahrscheinlichkeit). Gezeigt ist die Situation für eine angelegte Spannung von - 4V.

Bei Stickstofftemperatur (77 K) ist es den in den Haupttöpfen gefangenen Ladungsträgern unmöglich, daraus zu entkommen und einen Stromfluss zu bilden. Fällt aber Infrarotstrahlung ein, so absorbieren die Ladungsträger in den Töpfen Energie aus dieser Strahlung und können mit deren Hilfe die Töpfe verlassen. Die entkommenen Ladungsträger sind frei beweglich und bewirken einen Stromfluss. Abhängig vom Vorzeichen der an die Struktur angelegten Spannung sammeln sich die Ladungsträger entweder im tiefsten oder im seichtesten Topf einer Periode. Ladungsträger, die in einem tiefen Topf gefangen sind, benötigen zum Freikommen höhere Energie, d. h. Infrarotstrahlung mit kürzerer Wellenlänge, als solche in einem seichten Topf. Daher kann in diesen neuartigen Detektoren mittels Ändern des Vorzeichens der am Detektor angelegten Spannung die maximale Empfindlichkeit zwischen zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen (3.2 mm und 5 mm) hin- und hergeschaltet werden. Diese beiden Wellenlängen entsprechen den unterschiedlichen Tiefen der Haupttöpfe. Die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der angelegten Spannung ist in Bild 2 gezeigt.

Abbildung 2: Detektorstom in Abhängigkeit der Wellenlänge der Infrarotstrahlung für verschiedene an den Detektor angelegte Spannungen. Die Zahlen bei den Kurven geben die Größe und das Vorzeichen der Spannung an.

In der vorliegenden Arbeit wurde sowohl der Entwurf als auch die Prozessierung und vollständige Charakterisierung dieser neuartigen Zwei-Farbendetektoren durchgeführt und publiziert.