Plasmonics in Semiconductors.

Abstract

This thesis establishes a mathematical, physical and experimental framework for description, characterization, and application of semiconductor plasmonic properties. Plasmonic phenomena in semiconductors are found in the Terahertz and far-infrared domain, where they have the potential to improve sensors or be the basis of novel devices. III-V semiconductor samples (GaAs, InP, InSb, and InAs) with various doping were analyzed spectroscopically in broad spectral range. Fourier Transform Infrared Spectroscopy together with Terahertz time-domain spectroscopy were used for characterization of the free carrier (plasmonic) and lattice (phononic) optical properties of the samples. The Drude-Lorentz model was used to describe these properties, with the addition of magneto-optical (MO) effects. High mobility semiconductors (InSb and InAs) exhibit huge free carrier magneto-optical effect for small external magnetic field. These measurements were compared to electric Hall effect measurement using Van der Pauw method.

Based on the spectroscopic and MO characterization of the samples, the applicability of semiconductor as plasmonic materials is discussed. Huge advantage of semiconductors is the tunability their plasmonic properties. Three methods of controlling the plasmonic behavior of semiconductors were analyzed: Shifting of plasma frequency to higher frequencies by increasing of n-type doping concentration. Modification of the material permittivity (conductivity) tensor spectra by the external magnetic field. Shifting of plasmonic resonance by generation of nanogratings in the material, either by carrier concentration modulation by interference light illumination (sinusoidal grating) or by lithography (lamellar grating). The effective medium approximation of nanogratings was verified using Rigorous Coupled Wave Analysis.

An experimental application of widely tunable THz surface plasmon resonance sensor on semiconductors is presented. Generation of surface plasmon polariton at the interface between undoped InSb(InAs) and dielectric is experimentally demonstrated. This sensor has the added functionality of strong magnetic tuning. The applicability of this sensor is discussed, along with analysis of different sensor architecture.

Tato práce zavádí matematický, fyzikální a experimentální rámec pro popis, charakterizaci a aplikaci plasmonických vlastností polovodičů. Plasmonické jevy v polovodičích jsou přítomny v terahertzové a daleké infračervené oblasti, kde mohou posloužit k vývoji nových zařízení nebo zlepšení stávajích senzorů.

Vzorky III-V polovodičů (GaAs, InP, InSb a InAs) s různým stupněm dopování byly analyzovány spektroskopicky v široké spektrální oblasti. Infračervné spektroskopie s Fourierovou transformací a terahertzová spektroskopie v časové doméně byly použity pro charakterizaci optických vlastností volných nosičů náboje (plasmonické vlastnosti) a optických vlastností vibrací atomové mřížky (fononické vlastnosti). K popsání těchto vlastností byl použit Drude-Lorentzův model, i s přidanou teorií pro popis magneto-optických jevů. Polovodiče s vysokou mobilitou nosičů náboje (InAs, InSb) vykazují obrovské magneto-optické jevy pro malé externí magnetické pole. Tyto optická měření byla porovnána s elektrickým měřením Hallova jevu pomocí Van der Pauwovy metody.

Z výsledků spektroskopických a magneto-optických měření vzorků je diskutována použitelnost polovodičů jako plasmonických materiálů. Výhodou polovodičů možnosti ladění jejich plasmonických vlastností. Tři metody ladění byly analyzovány: Zvyšování plasmonické frekvence pomocí n-dopování příměsemi. Změna materiálové permitivity a vodivosti pomocí magnetického pole. Změna plasmonické rezonance pomocí nanomřížek (efektivního prostředí), ať už vyrobenými pomocí změny dopování vzniklé interferenčním osvitem (sinusové mřížky) nebo litografickými metodami (lamelární mřížky). Aproximace efektivním prostředím nanomřížek byla ověřena pomocí rigorózní teorie vázaných vln.

Je prezentováno experimentální ověření široce laditelného terahertzového senzoru založeného na bází rezonance povrchového plasmonu. Tento senzor má možné ladění díky externímu magnetickému poli. Použitelnost tohoto senzoru a analýza odlišné architektury senzoru jsou diskutovány.