Femtosekundenspektroskopie an Teil- und Gesamtstrukturen von Quantenkaskadenlasern

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Wörner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5422762

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurde die mikroskopische Physik einzelner Teilprozesse in Quantenkaskadenlasern (QCLs) und deren Teilstrukturen direkt im Zeitbild experimentell untersucht. Die experimentellen Daten wurden anschließend mit theoretischen Modellen verglichen, die eineseits innerhalb der Arbeitsgruppe am MBI erarbeitet wurden und andererseits aus erfolgreichen Kooperationen mit in- und ausländischen Theoriegruppen hervorgingen. Im Vordergrund standen hierbei lineare und nichtlineare optische und elektronische Eigenschaften dieser Halbleiterstrukturen sowie der stationäre und dynamische Quantentransport von Elektronen in solchen Strukturen, d. h. insbesondere das quantenmechanische Tunneln durch die Injektionsbarriere. Die Femtosekunden-Spektroskopie im mittleren Infrarot (k = 3 bis 20 pm) und bei THz-Frequenzen war das zentrale experimentelle Konzept dieses Projektes. Eine direkte Messung der elektrischen Feldtransienten mittels electro-optic sampling und Messungen mit speziell geformten Infrarotimpulsen (pulse shaping) brachten neue Einblicke in die mikroskopische Physik. Neue Ergebnisse wurden in den folgenden Themenkreisen erzielt: A) Erzeugung, Formung und phasenaufgelöste Charakterisierung von elektrischen Feldtransienten im Frequenzbereich von 1 bis 40 THz (k = 300-8um): B) Phasenaufgelöste nichtlineare Antwort von Intersubbandübergängen in Vielfachquantentopfstrukturen C) Kohärente und inkohärente Intersubband-Dynamik in neuen Materialien D) Beobachtung der kollektiven Ladungsdichte-Oszillationen beim Transport durch die Injektionsbarriere E) Zusammenarbeit mit Theoriegruppen F) Nichtlineare Terahertz- und Mittelinfrarote Anwort von n-Typ GaAs G) Experimente an kompletten Bauelementen Die Experimente haben gezeigt, dass die heutige Femtosekunden-Technologie eine direkt phasenaufgelöste Charakterisierung von Quantenkaskadenlasern und deren Teilstrukturen erlaubt und neue Einblicke in die mikroskopische Physik bietet. Überraschend war insbesondere die nichtlineare THz- und mittelinfrarote Anwort von n- Typ GaAs, schon beginnend bei elektrischen Feldstärken von nur 20 kV/cm, welche eher eine untere Grenze für die typischen Felder in QCL-Strukturen und Bauelementen darstellen. Die Femtosekunden-Spektroskopie an kompletten Bauelementen hat sich schwieriger dargestellt als zu Beginn vermutet. Ein effizientes Ein- und Auskoppeln des Lichtes in das Bauelement hinein bzw. aus dem Bauelement heraus gestaltet sich als äußerst schwierig und führt öfters zu experimentellen Artefakten, die einen direkten Blick auf die interessanten physikalischen Prozesse erschweren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Coherent charge transport in semiconductor quantum cascade sfructures. J. Phys.: Condens. Matter 16 (2004) R25-R48
  M. Woerner, K. Reimann, T. Elsaesser
  
• Coherent vs. incoherent charge transport in semiconductor quantum cascade structures. SPIE Proc. 5352 (2004) 333-347
  M. Woerner, F. Eickemeyer, K. Reimann, T. Elsaesser, S. Barbieri, C. Sirtori, T. Mueller, R. Bratschitsch, K. Unterrainer, G. Strasser
  
• Femtosecond intersubband dynamics of electrons in AIGaN/GaN-based high-electron-mobility transistors. Semicond. Sci. Technol. 19 (2004) S463-S464
  Z. Wang, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, D. Hofstetter, J. Hwang, W. J. Schaff, L. F. Eastman
  
• Nonlinear terahertz spectroscopy of semiconductor nanostructures. Appl. Phys. A 78 (2004) 435-440
  C. W. Luo, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser
  
• Optical dephasing of coherent intersubband transitions in a quasi-twodimensional electron gas. Phys. Rev. B 69 (2004) 205307/1-9
  Waldmüller, J. Förstner, S. C. Lee, A. Knorr, M. Woerner, K. Reimann, R. A. Kaindl, T. Elsaesser, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Phase-resolved nonlinear response of a two-dimensional electron gas under femtosecond intersubband excitation. Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 047402/1-4
  C. W. Luo, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Rabi oscillations of intersubband transitions in GaAs/AIGaAs MQWs. Semicond. Sei. Technol. 19 (2004) S285-S286
  C. W. Luo, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Generation of single-cycle THz transients with high electric-field amplitudes. Opt. Lett. 30 (2005) 2805-2807
  T. Bartel, P. Gaal, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser
  
• Nonlinear response of radiatively coupled intersubband transitions of quasi-two-dimensional electrons. Phys. Rev. B 72 (2005) 195338/1-8
  T. Shih, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, l. Waldmüller, A. Knorr, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Optical phonon sidebands of electronic intersubband absorption in strongly polar semiconductor heterostructures. Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 037403/1-4
  Z. Wang, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, D. Hofstetter, J. Hwang, W. J. Schaff, L. F. Eastman
  
• Phase-resolved nonlinear response of modulation-doped quantum wells under femtosecond intersubband excitation in: Ultrafast Phenomena XIV, (Springer Verlag Berlin 2005) pp. 292-294
  T. Shih, C. W. Luo, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, l. Waldmüller, A. Knorr, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Nonlinear terahertz response ofn-type GaAs. Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 187402/1-4
  P. Gaal, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Phonon sidebands of intersubband absorption in AIGaN/GaN highelectron-mobility transistors. Physica E 32 (2006) 562-565
  Z. Wang, K. Reimann, M. Woerner, T. Etsaesser, D. Hofstetter, J. Hwang, W. J. Schaff, L. F. Eastman
  
• Quantum mechanical wavepacket transport in quantum cascade laser structures. Phys. Rev. B 73 (2006) 245320/1-6
  S.-C. Lee, F. Banit, M. Woerner, A. Wacker
  
• Radiative coupling of intersubband transitions in GaAs/AIGaAs multiple quantum wells. Physica E 32 (2006) 262-265
  T. Shih, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, l. Waldmüller, A. Knorr, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Ultrafast hole-burning in intersubband absorption lines of GaN/AIN superlattices. Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 151103/1-3
  Z. Wang, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, D. Hofstetter, E. Baumann, F. R. Giorgetta, H. Wu, W. J. Schaff, L. F. Eastman
  
• Internal motions of a quasiparticle governing its ultrafast nonlinear response. Nature 450 (2007) 1210-1213
  P. Gaal, W. Kuehn, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey
  
• Measuring optical frequencies in the 0-40 THz range with nonsynchronized electro-optic sampling. Nature Photonics 1 (2007) 577-580
  P. Gaal, M. B. Raschke, K. Reimann, M. Woerner
  
• Nonlinear THz spectroscopy of n-type GaAs in: Ultrafast Phenomena XV, (Springer Berlin 2007) pp. 799-801
  P. Gaal, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Untersuchungen an auf InP basierenden Halbleitern mit sub-ps Responsezeiten Dissertation, HU Berlin (2007)
  K. Biermann
  
• Nonlinear terahertz and midinfrared response ofn-Type GaAs in: Adv. Solid State Phys. Vol. 47 (Springer Heidelberg 2008) pp. 237-249
  M. Woerner, P. Gaal, W. Kuehn, K. Reimann, T. Elsaesser, R. Hey, K. H. Ploog
  
• Theory of electron-phonon interactions on nanoscales: semiconductor surfaces and two dimensional electron gases Proceedings of SPIE 6892, 689209 (2008)
  N. Buecking, S.Butscher, M. Richter, C.Weber, S. Declair, M. Woerner, K. Reimann, P. Kratzer, M. Scheffler, and A. Knorr