Kontrollierte verspannungs-induzierte Rekombinationsdynamik in Halbleiter-Quantentrögen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Peter Gaal; Privatdozentin Dr. Fariba Hatami
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471105220

Ziel unseres Projektes ist die Manipulation der elektronischen Zustände niedrigdimensionaler Quantensysteme, insbesondere Quantentröge (QW), durch die transiente Verspannung und Verformung des umgebenden Kristallgitters. Die Verformung wird durch Absorption ultrakurzer Lichtimpulses mit einer Dauer von ca. 100 fs in einem Nanometer dünnen Transducer erzeugt. Die Rekombinationsdynamik wird mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz (PL) bestimmt. Wir untersuchen optische Übergänge in GaAs/AlAs QWs. Dieses Materialsystem ist hoch entwickelt und wird bereits für technologische Anwendungen, z.B. in der optischen Nachrichtentechnik, verwendet. Insbesondere ist der Einfluss einer statischen Verspannung in Nanostrukturen, hervorgerufen durch eine gezielte Gitter-Fehlanpassung, gut untersucht und verstanden. So kann beispielsweise die Energie des elektronischen X-Zustandes in der AlAs-Barriere unter das Niveau des Gamma-Zustandes in GaAs abgesenkt werden. Als Resultat diffundieren angeregte Elektronen aus dem unteren Zustand des QWs in die Barriere und verringern die Rekombinationswahrscheinlichkeit des nun indirekten elektronischen Übergangs. Um die Rekombinationsdynamik zu manipulieren, werden GaAs/AlAs QWs hergestellt, die im Gleichgewicht nahe an dem beschriebenen Arbeitspunkt liegen. Durch die optisch induzierte Verspannung, wird der Arbeitspunkt dann entweder in Richtung des direkten oder des indirekten Übergangs verschoben.Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung unseres Vorhabens ist die Möglichkeit transiente Gitterverspannungen zu erzeugen und zu kontrollieren. Eine Möglichkeit bildet die Anregung longitudinale akustische Phonon-Wellenpakete durch Absorption einer zeitlichen Folge von Laserpulsen. Über das zeitliche Muster der optischen Anregung können das Spektrum und der Wellenvektor des Phonon-Wellenpakets bestimmt werden. Eine weitere Möglichkeit bilden auch sogenannte akustische Oberflächenwellen. Diese können zusätzlich zu dem zeitlichen Muster auch über ein räumliches Muster von Anregungspulsen kontrolliert werden. In diesem Projekt werden beide Strategien verfolgt.Zur Optimierung der Verspannungsamplitude werden die QWs als mikromechanischen Phonon-Resonatoren aufgebaut. Damit kann die strukturelle Verformung nach einer optischen Anregung im Resonanzfall überhöht werden. Die Eigenschwingungen der Probe lassen sich wiederum durch die zeitliche Folge von Anregungspulsen kontrollieren. Das Projekt verbindet die Expertise der Antragsteller auf dem Gebiet Wachstum und Strukturierung von Halbleitermaterialien sowie auf dem Gebiet Photoakustik und zeitaufgelöster PL. Im Erfolgsfall wird eine neue Methode zur transienten Modulation elektronischer Eigenschaften und optischer Übergänge in Halbleiter-Nanostrukturen entwickelt. Die Wechselwirkung zwischen der Verspannung und den elektronischen Eigenschaften im Festkörper spielt insbesondere in neuartigen nano-/mikromechanischen Bauelementen für die Quantentechnologien eine große Rolle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen