Forschungsthemen

Phononenassistierter optischer Interbandübergang in einem indirekten Halbleiter

Es wird ein mikroskopisches Modell zur Berechnung der optischen Eigenschaften von Silizium- und Germaniumstrukturen entwickelt. Zwar gibt es in diesem Bereich schon mannigfache Simulationen, es dominieren jedoch einfache Einteilchenmodelle. Mit der zunehmenden Verwendung von Siliziumstrukturen im optischen Bereich, z.B. als Modulatoren, sollte jedoch auch das theoretische Handwerkszeug verbessert werden. Zudem gibt es Hinweise, dass sich die optische Verstärkung in indirekten Materialien grundlegend anders verhält als in direkten, und es soll geklärt werden, inwieweit sich dies in einem Vielteilchenmodell bestätigen lässt.

Zeitaufgelöste Emission eines Halbleiterscheibenlasers abhängig vom Chirp des anregenden Pulses. Der Inset zeigt die über die Zeit integrierte Emission.

Die überwiegende Mehrzahl der Lasersimulationen geht wegen der schnellen Ladungsträgerstreuung des vorliegenden Hochdichtesystems von einer thermischen Gleichgewichtsverteilung des elektronischen Systems in jedem Band aus. Insbesondere Systeme mit hoher Leistungsemission sowie optisch gepumpte Laser, beispielsweise Halbleiterscheibenlaser, können mit dieser Annahme jedoch nicht adäquat modelliert werden. Die Simulation des vollen Ladungsträgersystems ist zwar numerisch äußerst aufwendig, erlaubt aber einen Zugang zu der gesamten zeitlichen Dynamik des Bauelements. Beispielsweise zeigen sich überraschend starke Auswirkungen der  zeitlichen Form des anregenden Pulses (Chirp).

Transiente optische Verstärkung in einer Multiquantenfilmstruktur bei verschiedenen Dichten, Theorie (durchgezogen) und Experiment (gestrichelt).

Eine theoretische Vorhersage der optischen Eigenschaften neuartiger Halbleitermaterialien und -bauelemente ist äußerst nützlich in der Entwicklung derselben. Sie erlaubt eine Minimierung der Anzahl von Optimierungsiterationen und damit eine Senkung der Kosten. Die Theorie muss jedoch frei von im Einzelfall experimentell zu bestimmenden Parametern wie beispielsweise Streuzeiten sein, d.h. wir benötigen eine Vielteilchentheorie von hoher numerischer Komplexität. Eine solche Theorie lässt sich aus den Halbleiterblochgleichungen bei Näherung der Phononen- und Elektron-Elektron-Streuung in zweiter Bornscher und Markovnäherung herleiten.