Forschung & Entwicklung

Lichtinduzierter gerichteter elektrischer Strom

Bei Terahertzfrequenzen optisch erzeugte gerichtete Ströme übertreffen bei weitem die Taktraten moderner Höchstfrequenzelektronik. Grundlage dieses Stroms ist die Ladungsübertragung zwischen benachbarten Atomen im Kristallgitter.

Solarzellen konvertieren die Energie von Licht in einen gerichteten elektrischen Strom. Physikalische Schlüsselprozesse sind hierbei die Ladungstrennung während der Lichtabsorption und der anschließende Transport von elektrischer Ladung zu den Kontakten der Solarzelle. Die elektrischen Ströme werden von negativen (Elektronen) und positiven Ladungsträgern (Löchern) getragen, die sogenannte Intrabandbewegungen in den verschiedenen elektronischen Bändern des Halbleiters ausführen. Aus physikalischer Sicht sind folgende Fragen wesentlich: Welches ist die kleinste Einheit in einem Kristall, die solch einen lichtinduzierten gerichteten Strom erzeugen kann? Was sind die höchstmöglichen Frequenzen für solche elektrischen Ströme? Welche Mechanismen auf der atomaren Längenskala sind für solch einen Ladungstransport verantwortlich?

Die kleinste Einheit in einem Kristall ist die Elementarzelle, eine wohldefinierte Anordnung von Atomen, die durch die chemischen Bindungen bestimmt wird. Die Elementarzelle des prototypischen Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) stellt ein Kristallgitter aus Gallium- und Arsen-Atomen ohne Inversionszentrum dar. Der elektronische Grundzustand des Kristalls ist durch ein vollständig gefülltes Valenzband gekennzeichnet, dessen elektronische Ladungsdichte auf der Bindung zwischen Ga- und As-Atomen konzentriert ist. Bei Absorption von infrarotem oder sichtbarem Licht wird ein Elektron aus dem Valenzband in das energetisch nächstgelegene Leitungsband gehoben. In diesem neuen Zustand ist die elektronische Ladung in Richtung des Ga-Atoms verschoben. Dieser Ladungstransfer entspricht einem lokalen elektrischen Strom, welcher Interbandstrom oder auch Verschiebestrom genannt wird und sich fundamental von Elektronenbewegungen innerhalb der Bänder unterscheidet.

Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin untersuchten experimentell die lichtinduzierten elektrischen Ströme im Halbleiter GaAs zum ersten Mal auf ultraschnellen Zeitskalen bis hinab zu 50 Femtosekunden. Mithilfe von ultrakurzen, intensiven Lichtimpulsen vom infraroten (λ = 900 nm) bis in den sichtbaren Spektralbereich (λ = 650 nm, oranges Licht) erzeugten sie Verschiebeströme in GaAs, die sehr schnell oszillieren und damit THz-Strahlung mit einer Bandbreite bis zu 20 THz erzeugen. Die Eigenschaften dieser Ströme und die zugrunde liegenden Elektronenbewegungen konnten im Detail über abgestrahlte THz-Wellen bestimmt werden, deren Amplitude und Phase direkt experimentell gemessen wurden. Die THz-Strahlung zeigt ultrakurze Stromstöße des gleichgerichteten Lichts bei Frequenzen, die 5000-mal höher sind als die Taktraten moderner Computersysteme.

Die experimentell beobachteten Eigenschaften der Verschiebeströme sind nicht mit dem physikalischen Bild von Intrabandbewegungen von Elektronen oder Löchern vereinbar. Ganz im Gegenteil: Modellrechnungen, basierend auf Intrabandbewegungen von Elektronen in einer Pseudopotenzial-Bandstruktur, reproduzieren die experimentellen Ergebnisse und zeigen, dass ein interatomarer Übertrag von elektronischer Ladung in der Größenordnung einer chemischen Bindungslänge den Schlüsselmechanismus darstellt. Dieser Prozess findet in jeder Elementarzelle des Kristalls statt, das heißt auf einer Subnanometer-Längenskala, und erlaubt die Gleichrichtung von Licht. Dieser Effekt kann auch bei noch höheren Frequenzen ausgenutzt werden und eröffnet neue interessante Anwendungen in der Höchstfrequenzelektronik.

von mn

Originalveröffentlichung:

[A. Ghalgaoui, K. Reimann, M. Woerner, T. Elsaesser, C. Flytzanis, K.Biermann, Resonant second-order nonlinear terahertz response of gallium arsenide, Phys. Rev. Lett. 121 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.266602]

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