Terahertz-Photoleitung von Quanten-Hall-Systemen

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung der Terahertz-(THz)-Photoleitung in Systemen unter Quanten-Hall-(QH)-Bedingungen. Diese Untersuchungen sind einerseits interessant im Hinblick auf eine potentielle Anwendung von QH-Systemen als leistungsfähige THz-Detektoren. Andererseits werden grund-lagenorientierte Fragen zur Photoleitung in QH-Systemen behandelt. Als THz-Strahlungsquelle wurde vorwiegend ein p-Ge-Lasersystem genutzt, das im Frequenzbereich um 2 THz emittiert (dies entspricht Photonenenergien von rund 10 meV). Die Messungen wurden an GaAs/AlGaAs- und HgTe/HgCdTe-Heterostrukturen bei tiefer Temperatur T = 4 K und hohem Magnetfeld 0 < B < 8 durchgeführt. Die photoinduzierte Änderung der Längsleitfähigkeit bzw. des Längswiderstandes wurde in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Magnetfeld, Photonenenergie und Ladungsträgerkonzentration untersucht. Das Photosignal wird durch Überlagerung des Zyklotronresonanz-(ZR)- und des Bolometer-Effektes erklärt. Die spektrale Auflösung Γ als anwendungsrelevante Größe konnte aus magnetfeldabhängigen Messungen bestimmt werden. Den besten Wert von Γ = 1 meV bei rund 8 meV Photonenenergie erreicht eine Probe in Corbino-Geometrie mit einer Elektronenbeweglichkeit von 50 m²/(Vs). Durch ausführliche zeitaufgelösten Messungen wurde die Relaxationszeit τ in Abhängigkeit der Source-Drain-Spannung VSD bestimmt. Es ergeben sich Relaxationszeiten von 10 ns bis über 200 ns. Die Abhängigkeit τ(VSD) konnte mit einem zwei-Niveau-Bild erklärt werden. Ein Teil der Untersuchungen wurde an HgTe/HgCdTe-Systemen durchgeführt, an denen bisher keine Messungen der THz-Photoleitung publiziert waren. Aufgrund der geringen effektiven Masse tritt ZR bei geringen Magnetfeldern auf (etwa 2 T bei 9 meV). Deshalb ist dieses Materialsystem besonders interessant für Detektoranwendungen, für die sich QHSysteme wegen der hohen Empfindlichkeit, spektralen Einstellbarkeit und schnellen Ansprechzeit anbieten.