Über die Dynamik des Charge-Transfer-Exzitons

Als im Jahr 1947 die drei Physiker John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain ein Germaniumplättchen mit zwei Metalldrähten kontaktieren konnten und so in der Lage waren, die Leitfähigkeit in der p-leitenden Zone über eine elektrische Spannung zu steuern, markierte dies nicht...

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Main Author: Lammers Christian
Contributors: Koch, Martin (Prof. Dr. rer. nat.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2017
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:Als im Jahr 1947 die drei Physiker John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain ein Germaniumplättchen mit zwei Metalldrähten kontaktieren konnten und so in der Lage waren, die Leitfähigkeit in der p-leitenden Zone über eine elektrische Spannung zu steuern, markierte dies nicht nur die Geburtsstunde des ersten Bipolartransistors, sondern auch den Eintritt in das Zeitalter der Mikroelektronik. Die seitdem immer weiter fortschreitende Miniaturisierung stösst in letzter Zeit zunehmend an ihre Grenzen. Das Moore'sche Gesetz mit seiner heute populären Formulierung, dass die Anzahl von Transistoren sich etwa alle 18 Monate verdoppelt, steht den Gesetzen der Quantenmechanik entgegen und verliert momentan seinen Status als selbsterfüllende Prophezeiung. Bei Strukturgrössen von 2-3 nm, was in einem typischen Halbleiterkristall etwa der Ausdehnung von zehn Atomlagen entspricht, gewinnen quantenmechanische Effekte wie z.B. Tunnelströme zunehmend an Bedeutung. Transistoren arbeiten unter diesen Umständen nicht mehr zuverlässig. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Strukturgrössen ab etwa ab dem Jahr 2020 erreicht werden. Doch schon seit 2004 ist eine Stagnation beim Anstieg der Taktfrequenzen von Mikroprozessoren zu verzeichnen. Bei zunehmender Herunterskalierung eines Prozessors und einer Erhöhung der Taktfrequenz kommt es unweigerlich zum Aufheizen des Bauteils. Die Taktfrequenz wird daher begrenzt und es wird dazu übergegangen, Mehrkernprozessoren herzustellen, die jedoch auf eine Parallelisierung der auszuführenden Algorithmen angewiesen sind, wenn die Rechengeschwindigkeit erhöht werden soll. Bei dieser Miniaturisierung gewinnen vor allem die physikalischen Effekte an Grenzflächen zwischen Halbleiterschichten an Bedeutung. Die vom Physik-Nobelpreisträger Herbert Kroemer geprägte Aussage "the interface is the device",kommt schliesslich nicht von ungefähr und gilt nicht nur für Transistoren, sondern auch für weitere Halbleiterbauelemente wie Laserdioden, Leuchtdioden oder Photodetektoren. Generell spielen Halbleiter in der heutigen Zeit eine Hauptrolle, wenn es um die Erzeugung oder Detektion von Licht geht. Man denke dabei nur an die modernen optischen Netzwerke, die das Rückgrat der Informationsgesellschaft bilden. Eine auch von der Grundlagenforschung getriebene Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Licht und Halbleitern ist daher unumgänglich. Nanometerdicke Schichten von Halbleitern, die durch moderne Epitaxieverfahren wie die Molekularstrahlepitaxie (engl. Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder die Metallorganische Gasphasenepitaxie (engl. Metal Organic Chemical Vapor Phase Epitaxy, MOVPE) hergestellt werden, bilden ein ideales Modellsystem, um die Einflüsse von Grenzflächen zu untersuchen. Diese sogenannten Quantenfilme haben sowohl optische als auch elektronische Eigenschaften, welche seit ihrer Etablierung in den 1980er-Jahren Gegenstand intensiver Forschung sind. Im Gegensatz zu Volumenhalbleitern mit ihrer wurzelförmigen Zustandsdichte weisen Quantenfilme aufgrund ihrer zweidimensionalen Natur eine diskrete stufenartige Zustandsdichte auf. Dies ist nur eine Eigenschaft von Quantenfilmen, die die Leistungsfähigkeit von Halbleiterbauelementen steigern. Folglich kommen Quantenfilme als aktives Material in einer Vielzahl von Bauelementen vor. Laserdioden, die z.B. für den Datentransfer in optischen Glasfaser-Netzwerken verantwortlich sind, stellen das vielleicht wichtigste Anwendungsgebiet dar. Doch auch Infrarotdetektoren, sättigbare Absorber, thermoelektrische Elemente, Tandem-Solarzellen und HEMTs (engl. high electron mobility transistor) sind zusätzliche Anwendungen, die entweder schon f"ur technologischen Fortschritt gesorgt haben oder es noch werden. Um den Einfluss der Grenzfläche auf die Leistungsfähigkeit eines Bauelements zu untersuchen, bieten sich vor allem sogenannte Typ-II-Heterostrukturen als Modellsystem an. In der Bandstruktur eines Typ-I-Quantenfilms liegen die niedrigsten Niveaus der Elektronen und Löcher in derselben Halbleiterschicht. Im Gegensatz dazu ist die Bandstruktur eines Typ-II-Quantenfilms so geformt, dass diese Niveaus jeweils in voneinander getrennten Schichten liegen. Wird der direkte Übergang einer solchen Bandstruktur angeregt, so tunneln, je nach Design, entweder die Löcher oder die Elektronen durch eine Zwischenschicht in einen benachbarten Quantenfilm. Die nun voneinander getrennten Elektronen und Löcher können durch die Coulombwechselwirkung neue Quasiteilchen, sogenannte Exzitonen, bilden. Da ein Ladungstransfer der Formation dieser Exzitonen vorausgeht, spricht man auch von Charge-Transfer-Exzitonen. Ein umfassendes theoretisches und experimentelles Verständnis des Charge-Tranfer-Exzitons wird auch als "heiliger Gral" der Grenzflächenphysik bezeichnet. Die Eigenschaften der Grenzfläche spiegeln sich im Verhalten dieser Quasiteilchen wieder. Diese Arbeit widmet sich der experimentellen Untersuchung dieser Charge-Transfer-Exzitonen in Halbleiternanostrukturen. Zuerst wird ein kurzer Überblick über die relevanten theoretischen Zusammenhänge und Grundlagen in Kapitel 2 gegeben. Es folgen drei weitere Kapitel die jeweils mit einer Einordnung in den Stand der Forschung beginnen, dann die zugrunde liegenden Methoden zusammenfassend erklären und schliesslich die Ergebnisse präsentieren und diskutieren. Kapitel 3 behandelt dabei die kohärente Dynamik von Charge-Transfer-Exzitonen. Vor einer Beschreibung des Probenaufbaus sowie der dazugehörigen Bandstruktur wird ausführlich auf die hier verwendete Methode der kohärenten Spektroskopie, das Vierwellenmischen, eingegangen. Mit der Methode des Vierwellenmischens werden Quantenschwebungen in der kohärenten Polarisation zwischen direkten- und Charge-Transfer-Exzitonen gezeigt und diskutiert. Zu Vergleichszwecken wurde neben der Typ-II- auch eine Typ-I-Heterostruktur vermessen. Die inkohärente Dynamik der Charge-Transfer-Exzitonen ist Gegenstand von Kapitel 4. Nach einer ausführlichen Beschreibung der zu Grunde liegenden experimentellen Techniken werden die gewonnen Messergebnisse dargestellt. Es geht dabei hauptsächlich um die Bildungs- und Rekombinationsdynamik der inkohärenten Population der Charge-Transfer-Exzitonen in Typ-II-Heterostrukturen, die mit Hilfe der THz-Spektroskopie erfasst wird. Auch hier dienen Messungen an einer Typ-I-Heterostruktur dem Zweck, aus Vergleichen Rückschlüsse ziehen zu können. Die Untersuchungen in Kapitel 5 widmen sich schliesslich der Ionisation von kohärenten Charge-Transfer-Exzitonen mittels starker THz-Pulse. Die Wechselwirkung zwischen Exzitonen und hohen elektrischen Feldstärken fördert Vielteilcheneffekte wie Rabioszillation und multi-THz-Photoionisation zu Tage. In den Schlussbetrachtungen in Kapitel 6 werden die wichtigsten Ergebnisse erneut zusammengefasst, um dann Wege für weitere Untersuchungen aufzuzeigen und zu diskutieren.
Physical Description:113 Pages
DOI:https://doi.org/10.17192/z2018.0050