Mid-infrared near-field investigation of resonances in doped semiconductors

• Nahfeld-Untersuchungen von Resonanzen dotierter Halbleiter im mittleren infraroten Spektralbereich

Jung, Lena; Taubner, Thomas (Thesis advisor); Schäpers, Thomas (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

In der Optoelektronik und Plasmonik im mittleren infraroten Spektralbereich hat die Materialklasse der Halbleiter großes Interesse geweckt, denn in diesen ist es durch das Einbringen von Dotieratomen möglich, die elektronischen Eigenschaften wie freie Ladungsträgerdichte, Elektronenmobilität oder elektrische Leitfähigkeit stark zu verändern. Zudem ändert sich auch die optische Antwort einer Halbleiterprobe auf Beleuchtung mit Licht aus dem mittleren infraroten Spektralbereich, da elektronische und optische Eigenschaften über die dielektrische Funktion miteinander verknüpft sind. Folglich ermöglicht ein präzises Einstellen dieser Eigenschaften eine enorme Flexibilität im Aufbau und Design optoelektronischer, sowie plasmonischer Bauelemente. Um das Verhalten solcher Bauteile zu quantifizieren eignen sich optische Charakterisierungsmethoden besonders, da sie eine zerstörungsfreie Charakterisierung von dotierten Halbleitern mit wenig Einschränkungen bezüglich des Probendesigns ermöglichen. In der Streulicht-Nahfeldmikroskopie (s-SNOM) werden durch Beleuchtung einer Rastersonde mit Laserlicht aus dem mittleren infraroten Spektralbereich optische Nahfelder erzeugt. Diese Methode verbindet die hohe laterale Auflösung von Rastersondenmikroskopiemethoden mit der Sensitivität optischer Charakterisierungsmethoden auf elektronische Probeneigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird s-SNOM zur Bestimmung lokaler Ladungsträger-Eigenschaften von dotierten Halbleiterstrukturen mit lateraler Auflösung im Nanometer-Bereich verwendet. Zudem wird deren Potential für plasmonische Anwendungen ausgelotet. Zur Erreichung der beschriebenen Ziele werden zwei verschiedene Arten an Resonanzen diskutiert, die relevant für dotierte Halbleitermaterialien sind. Auf der einen Seite gibt es die sogenannte Materialresonanz, die aus der Anregung kollektiver Elektronenoszillationen resultiert. Auf der anderen Seite führt eine Kopplung dieser kollektiven Elektronenoszillationen mit Licht zu gebundenen Zuständen an der Probenoberfläche, welche Oberflächen-Plasmon-Polaritonen genannt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Charakterisierung dotierter Halbleiterproben mittels ihrer Nahfeld-Materialresonanz diskutiert. In diesem Zusammenhang werden theoretische Modellrechnungen bezüglich des Einflusses ihrer Modellparameter auf die Nahfeld-Resonanzen untersucht. Zusätzlich kann die vertikale Zusammensetzung einer Probe untersucht werden, da das s-SNOM-Signal nicht rein oberflächen-sensitiv ist. Dadurch können Oberflächenschichten (z.B. Oxide oder Schutzschichten) sowie Inhomogenitäten (z.B. Ladungsträger-Anreicherungen oder -Verarmungen an der Oberfläche) untersucht werden. Insbesondere werden zu erwartende Nahfeld-Kontraste für verschiedene in Wisschenschaft und Technologie relevante Schichtsysteme diskutiert. Das gewonnene Wissen wird dazu verwendet, eine Ladungsträgeranreicherungsschicht an der Oberfläche einer dotierten Indiumarsenid-Probe nachzuweisen, indem spektroskopische Nahfeldmessungen mit theoretischer Modellierung verknüpft werden. Im nächsten Schritt wird die hohe laterale Auflösung von s-SNOM dazu verwendet, Ladungsträgerkonzentrationsgradienten zwischen dotierten und undotierten Bereichen in Silizium-Nanodrähten aufzulösen. Eine Auswertemethode wird eingeführt, die eine Zuordnung von Ladungsträgerkonzentrationswerten zu Positionen entlang des Nanodrahtes ermöglicht. Die Bestimmung der Ladungsträgerkonzentrationen ist dabei unabhängig von einer möglichen, den Nanodraht umgebenden, Oxidschicht mit unbekannten optischen Eigenschaften möglich. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das Potential diskutiert, mittels s-SNOM propagierende Oberflächen-Plasmon-Polaritonen abzubilden. Wellenmuster werden auf einer lateral homogenen dotierten Germanium-Probe abgebildet, welche mit der Anregung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen an einer Kante der Probe in Verbindung gebracht werden können.