Transiente Ladungsträgerdynamik und optische Verstärkung in III-V-Halbleitern

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik der optischen Verstärkung auf Grund intrinsischer Verluste in (GaIn)As und zum ersten Mal auch in dem neuartigen verdünnten Nitrid (GaIn)(NAs) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Zeitskalen des Abbaus der Verstärkung durch intrinsische Verluste be...

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Main Author: Borck, Sebastian
Contributors: Rühle, Wolfgang W. (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2006
Physik
Subjects:
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Description
Summary:Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Dynamik der optischen Verstärkung auf Grund intrinsischer Verluste in (GaIn)As und zum ersten Mal auch in dem neuartigen verdünnten Nitrid (GaIn)(NAs) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Zeitskalen des Abbaus der Verstärkung durch intrinsische Verluste bei Raumtemperatur in beiden Materialien vergleichbar sind. Sättigungseffekte und Nachfütterungsprozesse aus höheren Subbändern dominieren die Verstärkungsdynamik nahe der Bandkante bei hohen Anregungsdichten. In sämtlichen Experimenten verhielt sich (GaIn)(NAs) wie ein gewöhnlicher III-V-Halbleiter bezüglich seiner Verstärkungsdynamik, was belegt, dass dieses Material außer Wachstumsoptimierungen keine neuartigen Konzepte zur Konzipierung effizienter Laser erfordert. Effekte auf Grund von unterschiedlichen Nächste-Nachbar-Konfigurationen des Stickstoffs auf das zeitliche Verhalten von Verstärkung bzw. Absorption waren nicht zu beobachten. Messungen bei hohen Anregungsdichten an (GaIn)(NAs) zeigen, dass optische Verstärkung auch aus höheren Subbändern beobachtet werden kann. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde untersucht, inwiefern die neuartigen Materialien Ga(NPAs) und Ga(NAs) sich dazu eignen, Halbleiterlaser auf GaP-Substraten zu realisieren. Erstmals konnte demonstriert werden, dass Mehrfachquantenfilmstrukturen dieser Materialien mit Stickstoffgehalten um 3% und gegebenenfalls 8% Phosphoranteil unter optischer Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen Laseraktivität von tiefen Temperaturen bis einschließlich Raumtemperatur zeigen. Beide Materialsysteme zeigen vergleichbare Laserschwellen bei Temperaturen um 20K. Eine Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Schwelle zeigt, dass Ga(NPAs) eine größere Temperaturstabiliät aufweist mit einer charakteristischen Temperatur T0 von 86K in einem Temperaturbereich zwischen 20K und Raumtemperatur. Bei Ga(NAs)-Quantenfilmen liegt T0 mit 71K deutlich niedriger. Messungen der modalen Verstärkung von Ga(NPAs)/GaP-Heterostrukturen bei tiefen Temperaturen wurden mittels der Methode nach B.W. Hakki und T. L. Paoli durchgeführt. Hierbei konnten modale Verstärkung von mindestens 20/cm nachgewiesen werden. Zuletzt wurden Untersuchungen zu den Zerfallszeiten von differenziellen Absorptionssignalen in verdünnten Nitriden durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass in Ga(NAs) ein zunehmender Stickstoffgehalt zu einer beträchtlichen Verkürzung der Lebensdauer führt, wobei eine Erhöhung von 1% Stickstoffgehalt auf 3% eine Reduktion der charakteristischen Zeitkonstante um eine volle Größenordnung von 125\,ps bis hinab zu 10ps bewirkt. In einem direkten Vergleich dazu zeigen indiumhaltige (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen bei vergleichbaren Stickstoffanteilen generell einen merklichen Anstieg der Zerfallszeiten der Ladungsträgerpopulation. Dieser Effekt tritt ausgeprägter bei Strukturen mit großen Stickstoffgehalten (>2%) auf, bei denen die Lebensdauern sich mehr als verdoppeln. Ein Ausheizen der (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen führt neben einer Blauverschiebung der Bandkante zu einem Anstieg der Zerfallszeiten des differenziellen Signals. Im Extremfall konnte eine Vervierfachung der Abfallszeiten von 30ps auf 115ps bei einem Stickstoffgehalt von 2% und 6% Indium beobachtet werden.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2006.0574