Forschung & Entwicklung

Terahertzspektroskopie vertieft Einblick in Halbleiter

Terahertzspektroskopie ermöglicht erstmals, bestimmte Vorgänge in Halbleitern auseinander zu halten, die das Funktionieren von Transistoren, Solarzellen und anderen Geräten maßgeblich beeinflussen.

Die Streuung von Ladungsträgern bestimmt den Betrieb und die Leistung vieler elektronischer Bauelemente, die auf Halbleitern basieren. „Wir können zeigen, dass ultraschnelle Terahertzspektroskopie ein geeignetes Werkzeug ist, um Einblicke in diese Streuprozesse zu gewinnen“, sagt Markus Stein aus der Arbeitsgruppe Halbleiterphotonik der Philipps-Universität Marburg.

Bei der Streuung von Teilchen kann die Bewegungsenergie des Systems erhalten bleiben. Dies kennt man vom Stoß zweier Kugeln beim Billardspiel, wobei Bewegungsenergie von einer Kugel auf eine andere übergeht, aber die Energie nicht vernichtet wird. Physiker sprechen von einem elastischen Stoß. Anders verhält es sich zum Beispiel bei einem Auffahrunfall zwischen zwei Autos. Bei diesem Stoß verbraucht sich ein Teil der Bewegungsenergie für die Verformung der Autokarosserie. Der Physiker spricht in diesem Fall von einem unelastischen Stoß. „Mit den bislang verwendeten Methoden ist es schwierig, zwischen elastischen und unelastischen Stößen von Ladungsträgern in Halbleitern zu unterscheiden“, erläutert Stein. „Folglich ist experimentell wenig über unelastische Streuprozesse bekannt.“

Die Marburger Forschungsgruppe nutzte Terahertzstrahlung, um interne Übergänge zwischen Ladungsträgern im Halbleitermaterial Germanium zu identifizieren, die zuvor mittels optischen Laserpulsen erzeugt wurden. Das Augenmerk des Teams lag auf Ladungsträgern, die über elektrische Wechselwirkungen miteinander verbunden sind, sogenannte Exzitonen. Diese können streuen, wenn sie mit anderen Ladungsträgern zusammenstoßen. Anhand der Experimente konnte festgestellt werden, dass elastischer und unelastischer Stoß als Streuprozesse ähnlich häufig auftreten.

„Unelastische Streuprozesse zerstören die gebundenen Zustände“, beschreibt Stein den Unterschied zur elastischen Streuung, der sich experimentell feststellen ließ. Die Möglichkeit, zwischen den beiden Streumechanismen zu unterscheiden, erlaubt nicht nur eine systematische Untersuchung dieser elementaren Prozesse, sondern verspricht auch die Optimierung von Halbleiterbauteilen, deren Leistungsfähigkeit durch Streuung begrenzt ist.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die zugrundeliegenden Untersuchungen durch ihren Marburger Sonderforschungsbereich ‚Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen‘ (SFB 1083).

von mn

www.uni-marburg.de

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