"Fern-Infrarot Photoleitungsspektroskopie und Spin-Bahn Wechselwirkung in Halbleiter Heterostrukturen"

"Far-Infrared Photoconductivity Spectroscopy and Spin-Orbit Interaction in Semiconductor Heterostructures"

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde Ferninfrarot-(FIR)-Photoleitungsspektroskopie an niedrig dimensionalen Elektronensystemen in GaAs und InAs durchgeführt. Zusätzlich wurden Magnetotransport-Messungen an InAs-Quantendrähten verschiedener Breite durchgeführt und die beobachtete schwache Antilokalisierung analysiert.

Um die Intensität des bolometrischen Photoleitungssignals von nanostrukturierten Elektronensystemen zu erhöhen, können planare FIR-Antennen benutzt werden. Die untersuchten Antennen haben log-periodische und "bow­tie" Geometrie und zeigen eine lokale Erhöhung der THz Strahlungsintensität in ihrem Zentrum. Ihre Verstärkungs­ und Spektraleigenschaften wurden mittels Photoleitungsspektroskopie untersucht. Diese Experimente demonstrieren eine neue Methode zur Nahfeldspektroskopie, die im Prinzip eine örtliche Auflösung in Subwellenlängenbereich ermöglicht. Eine weitere Methode, das Photoleitungssignal von Nanostrukturen zu erhöhen, besteht in der Senkung der Temperatur. Daher wurde in dieser Arbeit ein ³He-Kryostat mit einem FIR-Wellenleiter ausgestattet, um Photoleitungsspektroskopie bei T = 0.3 K durchzuführen.

FIR­Photoleitung wurde auch mittels eines FIR-­Lasers im Nichtgleichgewichts­Grenzfall hoher Intensität untersucht. In diesen Messungen wurden nach unserer Kenntnis zum ersten Mal FIR-induzierte Oszillationen des Magnetowiderstandes beobachtet. Sie zeigen Minima bei Magnetfeldern von B_n = 4/(4n + 1)B_c , wobei n eine positive ganze Zahl ist und B_c das Zyklotronresonanzfeld. Die Probe ist ein 10 nm GaAs/AlGaAs Quantentopf mit einer moderaten Beweglichkeit von µ = 1.6 x 10⁶ cm²/Vs. Die Oszillationen sind analog zu mikrowelleninduzierten Widerstandsoszillationen. Diese Messungen öffnen die Tür für weitere Untersuchungen zum Verständnis des Effektes, insbesondere des Zusammenhanges zwischen seiner Beobachtbarkeit und der Beweglichkeit der Probe, der Photonenenergie und des Photonenflusses im Mikrowellen­ und benachbarten FIR­Bereich. Sie geben auch Einsichten in die unterschiedliche Natur der Oszillationen und des bolometrischen Photo­leitungssignals.

Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt Magnetotransport-Messungen und Photoleitungsspektroskopie an InAs-­ und InP-Quantendrähten mit Spin­Bahn Wechselwirkung. Einzelne Quantendrähte und parallele Quantendrähte mit unterschiedlichen Breiten wur­den untersucht. Die spektral aufgelösten Photoleitfähigkeitsmessungen der Quantendrähte repräsentieren nach unserer Kenntnis die ersten Messungen dieser Art.

Spinkohärenz ist eine fundamentale Vorraussetzung für zukünftige "spintronic" Schaltelemente. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von lateralem Einschluss auf die Spinre­laxation in diffusiven InAs-Quantendrähten verschiedener Breite untersucht. Die schwache Antilokalisierung wurde als Funktion der Quantendrahtbreite analysiert, indem sie mit drei diffusiven Transporttheorien gefittet wurde, die die Dimensionalität in unterschiedlicher Weise berücksichtigen. Die Spinrelaxationslänge L_so und die Phasenrelaxationslänge L_φ wurden extrahiert und die Anwendbarkeit der Theorien in dem 1D­-2D Übergangsbereich untersucht. Die extrahierte Spinrelaxationslänge l_so ist erhöht für Quantendrahtbreiten W , die sich der Spinpräzessionslänge l_sp nähern.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this work far-infrared (FIR) photoconductivity spectroscopy on low-dimensional electron systems in GaAs and in InAs was performed. Additionally, magnetotransport measurements of InAs quantum wires of varying widths were studied by weak antilocalization analysis.

To enhance the intensity of the bolometric photoconductivity signal of nanostructured electron systems, planar FIR antennas can be used. The studied antennas have log-periodic and bow-tie geometry and show a local enhancement of THz radiation intensity in their central region. Their amplification and spectral characteristics were studied by photoconductivity spectroscopy. These experiments demonstrate a novel approach to perform near-field spectroscopy, which in principle would allow sub-wavelength spatial resolution. Another approach to increase the photoconductive signal of nanostructures is to lower the temperature. Therefore, in this work a 3He cryostat was fitted with a waveguide for FIR radiation to perform photoconductivity spectroscopy at temperatures down to T = 0.3 K.

FIR photoconductivity was also explored in the high intensity non equilibrium limit using a FIR-laser. In these measurements FIR radiation Induced Resistance Oscillations (FIROs) have been observed for the first time to our knowledge. They exhibit minima at magnetic fields B_n=4/(4n+1)*B_c, where n is a positive integer and B_c the cyclotron resonance field. The sample is a 10 nm GaAs/AlGaAs quantum well with a moderate mobility of µ = 1.6 x 10⁶ cm²/Vs. The oscillations are analogous to microwave induced resistance oscillations. These measurements open the door for further studies and understanding of the effect, especially the relation between its appearance and sample mobility, photon energy and photon flux in the microwave and neighboring FIR regime. They also provide insight into the different nature of FIROs compared to the bolometric photoconductivity signal.

The second part of this work focusses on magnetotransport and photoconductivity spectroscopy on InAs and InP quantum wires with spin-orbit interaction. Single quantum wires as well as arrays of parallel quantum wires of varying widths were studied. The spectrally resolved photoconductivity measurements of quantum wires presented in this work represent the first such measurements to our knowledge.

Spin coherence is a fundamental prerequisite for future spintronic devices. In this work the influence of the lateral geometric confinement on the spin relaxation in diffusive InAs quantum wires of varying widths was studied. The weak antilocalization effect was analyzed as a function of quantum wire width by fitting it according to three different diffusive transport theories, which take the dimensionality into account in different ways. The spin-relaxation length l_so and phase relaxation length l_φ were extracted and the applicability of the theories in the 1D-2D crossover regime was studied. The extracted spin-relaxation length l_so was found to be increased for quantum wire widths W approaching the spin-precession length l_sp.