Halbleiternanostrukturen auf Silizium: Ladungsträgerdynamik, optischer Verstärker und Laser

Die moderne Halbleiterelektronik basiert fast vollständig auf dem Halbleiter Silizium. Seine hervorragenden elektronischen Eigenschaften und der über vier Jahrzehnte verfeinerte Fertigungsprozess haben ihn zu einer unersetzbaren Komponente moderner Technologie werden lassen. Durch die indirekte Nat...

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Main Author: Lange, Christoph
Contributors: Rühle, Wolfgang (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2008
Physik
Subjects:
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Description
Summary:Die moderne Halbleiterelektronik basiert fast vollständig auf dem Halbleiter Silizium. Seine hervorragenden elektronischen Eigenschaften und der über vier Jahrzehnte verfeinerte Fertigungsprozess haben ihn zu einer unersetzbaren Komponente moderner Technologie werden lassen. Durch die indirekte Natur des Halbleiters eignet er sich jedoch nicht zur effizienten Emission von Licht, sodass optische Verstärkung mit diesem Material ausgeschlossen ist. Somit ist die monolithische Integration von Elektronik und Photonik auf einem Chip nur in Kombination mit einem Fremdmaterial denkbar. Ausgehend von dieser Problematik wurden zwei Materialsysteme, die sich auf ein kristallines Siliziumsubstrat epitaktisch aufwachsen lassen, in Bezug auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Quantenfilme (QW) aus Germanium wurden mittels zeitlich und spektral hochauflösender Weißlicht-Anrege-Abfrage-Spektroskopie bei Raumtemperatur untersucht. Das Experiment erreichte durch den Einsatz eines Titan-Saphir-Verstärkerlasersystems eine Zeitauflösung von besser 100fs bei sehr hohen Leistungsdichten. Die Technik erlaubt die Bestimmung der Absorption des Materials nach einer optischen Anregung als Funktion der Zeit und der Energie und damit eine Analyse der Streudynamik der Ladungsträger im Probenmaterial. Nach einer optischen Anregung bei direkten optischen Übergängen, wobei zunächst gammaartige Zustände bevölkert werden, laufen verschiedene Streuprozesse ab. Coulombstreuung verbreitert die Ladungsträgerverteilung, und Phononenstreuung erlaubt ein Abkühlen dieser gegen das Kristallgitter. Durch die unpolare Bindung von Germanium ist der Abkühlvorgang durch Deformationspotentialstreuung dominiert und läuft bei 300K auf einer Zeitskala von mehreren 100fs ab. Löcher im Valenzband relaxieren in den gammaartigen ersten Schwerlochzustand, während Elektronen in Richtung des L-Punktes des reziproken Raums relaxieren, der für Ge das Minimum des Leitungsbandes darstellt. Die Ladungsträger verbleiben in diesen langlebigen Zuständen für deutlich länger als 10ns und rekombinieren fast vollständig nichtstrahlend. Durch phononenassistierte Prozesse werden die Elektronen aus dem L-Minimum durch weitere Photonen in höhere Zustände der Bandstruktur weiter angeregt. Dieser Mechanismus von Absorption von Licht durch freie Ladungsträger erhöht die Absorption des Materials nach einer Anregung drastisch. Direkt nach einer hochintensiven Anregung bildet sich jedoch bei geeigneter Anregungsenergie für einen kurzen Zeitraum eine hinreichend große Elektronenbesetzung in gammaartigen Zuständen aus, um optische Verstärkung hervorzurufen. Die Verstärkung beträgt bis zu 8e-4/QW (vergleichbar mit direkten Halbleitern) und besteht für einige 10fs. Dies stellt in Aussicht, auf Basis des Materials einen optischen Verstärker herzustellen. Durch weitere Anpassung der Bandstruktur können die gammaartigen Eigenschaften der Absorption weiter isoliert werden. Als zweites Materialsystem für Siliziumphotonik wurde eine gitterangepasste Ga(NAsP) QW-Struktur auf Siliziumsubstrat mittels der Methode der variablen Strichlänge untersucht. Hierbei wird die modale Verstärkung eines Materials ermittelt, indem ein längliches Raumgebiet auf der Probe angeregt wird. Die Variation der Strichlänge lässt die verstärkte spontane Emission aus der Facette der Probe exponentiell ansteigen, woraus die Verstärkung berechnet werden kann. Das Material wies bei Raumtemperatur eine Verstärkung von 80/cm bei einer hohen spektralen Bandbreite auf. Bei 10K ließ sich das Material als Laser betreiben. Mittels Hakki-Paoli konnte eine Verstärkung von 5/cm im Laserbetrieb bei 10meV Verstärkungsbandbreite ermittelt werden. Die Modenstruktur im Emissionsspektrum, ein klarer Indikator für Laseraktivität, konnte bis 125K beobachtet werden. Um die Messergebnisse an den neuartigen Strukturen in Bezug zu setzen, wurden bekannte III/V-Halbleitermaterialien ebenfalls mit den experimentellen Techniken untersucht. Die Anrege-Abfrage-Absorptionsspektroskopie zeigte bei dem polar gebundenen (GaIn)As eine deutlich schnellere Dynamik. Die Verstärkungswerte lagen auch hier im Bereich von 1e-3/QW bei Abklingzeiten von mehreren 100ps. Für (GaIn)(NAs) wurden leicht höhere Verstärkungswerte und Abklingzeiten ermittelt. Mittels der Strichlängenmethode wurden quantenpunktartige GaSb-QWs untersucht. Diese Strukturen wiesen neben der hohen Verstärkung von bis zu 280/cm auch eine hohe Verstärkungsbandbreite auf und eignen sich potentiell für Emitter im mittleren Infrarot. Für die Methode der variablen Strichlänge wurde schließlich eine Verlässlichkeitsanalyse durchgeführt, die sowohl die Entwicklung neuer Auswertealgorithmen als auch die theoretische Modellierung von Ladungsträgerdichten sowie Ausbleich- und Sättigungseffekten einschloss. Mit den Erkenntnissen konnten eindeutige Gültigkeitskriterien und Parameterbereiche für die Methode definiert werden.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2009.0012