Hochauflösende Terahertz-Halbleiterspektroskopie mit Quantenkasadenlasern: Spektroskopie von Störstellenübergängen in Ge und Si

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz-Wilhelm Hübers
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269855598

Das gemeinsame Ziel der Arbeitsgruppen an der Technischen Universität Berlin (TUB) und am Paul-Drude-Institut (PDI) besteht in der Realisierung eines Spektrometers für hochauflösende Laserspektroskopie bei THz-Frequenzen auf der Grundlage von Multimoden-Quantenkaskadenlasern (QCLs) mit schmaler Linienbreite in Kombination mit einem Gitterspektrometer sowie in der Untersuchung der Linienbreite, der Linienform und der Relaxationszeit von Störstellen, insbesondere in isotopenreinem Ge und Si. Die TUB-Gruppe wird ein neues THz-Laser-Spektrometer für hochauflösende Spektroskopie an Störstellenübergängen in Halbleitern, insbesondere in Ge und Si, für die Frequenzbereiche von 2,7 bis 3,3 und von 5,0 bis 5,7 THz entwickeln. Das Spektrometer beruht auf QCLs, die speziell für diesen Zweck am PDI entwickelt werden. Mit diesem Spektrometer wird die TUB-Gruppe Störstellenübergänge in Ge und Si untersuchen, insbesondere flache Donatoren und Akzeptoren. Das Ziel besteht in der Bestimmung der Breite und Form der Linie des Störstellenübergangs mit höchster Genauigkeit, d.h. ohne Begrenzung der spektralen Auflösung durch die Apparatefunktion des Spektrometers, die bei der Verwendung eines Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektrometer auftritt. Das QCL-Spektrometer wird eine annähernd tausendfache bessere spektrale Auflösung als das hochauflösende FTIR-Spektrometer besitzen. Das wird es uns ermöglichen, die Wechsel-wirkung angeregter Ladungsträger mit Phononen sehr genau zu untersuchen und die Beiträge verschiedener Linienverbreiterungsmechanismen zur gesamten Linienform zu bestimmen. Insbesondere beinhalten unsere Untersuchungen Analysen an isotopenangereichertem 76Ge und isotopenreinem 28Si, um den Einfluss der Isotopenzusammensetzung auf die Breite und Form der Linien zu verstehen. Diese Untersuchungen sind auf Grund der unterschiedlichen Gitterkonstanten und Phononzustandsdichten von Ge im Vergleich zu Si sehr aufschlussreich. Der Einfluss externer Störungen durch ein magnetisches Feld sowie durch Druckkräfte auf die Übergangsfrequenzen sowie die Breite und Form der Linie werden ebenfalls untersucht. Zusätzlich werden wir zeitaufgelöste Spektroskopie an diesen Störstellenübergängen mittels der Anrege-Abtast-Methode, die an Freie-Elektronen-Lasern zur Verfügung stehen, durchführen. Das Ziel ist hierbei, die Lebensdauern der Zustände zu bestimmen und die Lebensdauern mit den Linienbreiten der Zustände zu vergleichen. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die komplementäre Analyse der Lebensdauern gelegt, die mittels zeitaufgelöster Anrege-Abtast-Methoden und spektralaufgelösten Absorptionsmessungen mit dem QCL-Spektrometer bestimmt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen