Linear and Nonlinear Optical Properties of Germanium and Dilute Nitride Containing Semiconductors

The description of the interaction between light and matter is the basis of our understanding of the electro-optical properties of semiconductors. It is of special importance for semiconductor laser systems. The gain medium of these systems is described with the help of a microscopic many-body theor...

Ausführliche Beschreibung

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1. Verfasser: Springer, Phillip
Beteiligte: Koch, Stephan W. (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2016
Physik
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2016.0213
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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topic Vielteilchentheorie
Physik
semiconductor
optical properties
Halbleiter
exciton
Therahertz Spektroskopie
Exziton
Theoretische Physik
Optische Eigenschaft
Physik
Niederdimensionaler Halbleiter
Photolumineszenz
theoretical physics
terahertz spectroscopy
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Therahertz Spektroskopie
Exziton
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Niederdimensionaler Halbleiter
Photolumineszenz
theoretical physics
terahertz spectroscopy
Linear and Nonlinear Optical Properties of Germanium and Dilute Nitride Containing Semiconductors
Die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bildet die Grundlage für das Verständnis der elektro-optischen Eigenschaften von Halbleitern. Von Bedeutung sind diese besonders für Halbleiterlasersysteme. Deren Verstärkungselement kann mit Hilfe einer mikroskopischen Vielteilchentheorie beschrieben werden. In dieser Arbeit wird eine solche Theorie angewendet, um die Photolumineszenz von verdünnt stickstoffhaltigen Halbleitern zu simulieren. Zusammen mit einem Theorie-Experiment-Vergleich ermöglicht dies die Bestimmung von vorher umstrittenen Systemparametern in einer Materialklasse, die einen vielversprechenden Zugang zu effizienteren Lasern darstellt. Es wird gezeigt, dass die Diskontinuität an einer GaAs/Ga(NAs) Grenzschicht vom Typ I ist. Ebenso lässt sich das Absorptionsverhalten von Halbleitern unter Zuhilfenahme einer mikroskopischen Vielteilchentheorie berechnen. In dieser Arbeit wird die kohärente Absorption von Ge und (GaIn)As Quantenfilmen in einem Anrege-Abfrage Experiment modelliert. Die experimentellen Befunde lassen sich dabei durch Dephasierungsmechanismen erklären, deren Ursache sich in der Art der Bandlücke (direkt oder indirekt) findet. Darüber hinaus wird für indirekte Halbleiter das Terahertz Absorptionsspektrum simuliert. Zu diesem Zweck wird die mikroskopische Vielteilchentheorie für Systeme mit ausgeprägter Massenanisotropie erweitert. Am Beispiel von Ge und Si wird als Konsequenz der Massenanisotropie eine Doppelresonanzstruktur beobachtet.
Springer, Phillip
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description The description of the interaction between light and matter is the basis of our understanding of the electro-optical properties of semiconductors. It is of special importance for semiconductor laser systems. The gain medium of these systems is described with the help of a microscopic many-body theory. In this work, such a theory is applied to calculate the photoluminescence of dilute nitride containing semiconductors. Theory-experiment comparisons enable the determination of formerly controversially discussed system parameters of this material class, which represents a promising candidate for more efficient lasers. It is shown that the discontinuity of a GaAs/Ga(NAs) interface is type I. Similarly, a microscopic theory can be applied to calculate the absorption of semiconductors. In this work, the coherent absorption of pump-probe experiments in Ge and (GaIn)As quantum wells is modeled. The experimental findings are reproduced if different dephasing mechanisms are assumed for the samples; a consequence of the different nature of the band gap (direct or indirect). Additionally, the terahertz absorption for indirect semiconductors is modeled. For this purpose, the microscopic many-body theory is extended to include systems with mass anisotropy. On the example of Ge and Si, it is shown that as a result of the mass anisotropy, two distinct resonances appear in the terahertz absorption spectrum.
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contents Die Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bildet die Grundlage für das Verständnis der elektro-optischen Eigenschaften von Halbleitern. Von Bedeutung sind diese besonders für Halbleiterlasersysteme. Deren Verstärkungselement kann mit Hilfe einer mikroskopischen Vielteilchentheorie beschrieben werden. In dieser Arbeit wird eine solche Theorie angewendet, um die Photolumineszenz von verdünnt stickstoffhaltigen Halbleitern zu simulieren. Zusammen mit einem Theorie-Experiment-Vergleich ermöglicht dies die Bestimmung von vorher umstrittenen Systemparametern in einer Materialklasse, die einen vielversprechenden Zugang zu effizienteren Lasern darstellt. Es wird gezeigt, dass die Diskontinuität an einer GaAs/Ga(NAs) Grenzschicht vom Typ I ist. Ebenso lässt sich das Absorptionsverhalten von Halbleitern unter Zuhilfenahme einer mikroskopischen Vielteilchentheorie berechnen. In dieser Arbeit wird die kohärente Absorption von Ge und (GaIn)As Quantenfilmen in einem Anrege-Abfrage Experiment modelliert. Die experimentellen Befunde lassen sich dabei durch Dephasierungsmechanismen erklären, deren Ursache sich in der Art der Bandlücke (direkt oder indirekt) findet. Darüber hinaus wird für indirekte Halbleiter das Terahertz Absorptionsspektrum simuliert. Zu diesem Zweck wird die mikroskopische Vielteilchentheorie für Systeme mit ausgeprägter Massenanisotropie erweitert. Am Beispiel von Ge und Si wird als Konsequenz der Massenanisotropie eine Doppelresonanzstruktur beobachtet.
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