15.07.2020 • Halbleiter

Schnellere Schwingungen im Halbleiter

Optisch erzeugter Strom verschiebt Atomschwingungen in Galliumarsenid zu höherer Frequenz.

Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halb­leiters Gallium­arsenid lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungs­verschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechsel­wirkungen zurück auf die Schwingungen. Das haben jetzt Forscher vom Max-Born-Institut für nicht­lineare Optik und Kurzzeit­spektro­skopie und dem Paul-Drude-Institut für Festkörper­elektronik in Berlin, sowie des Laboratoire de Physique der Université PSL Paris demonstriert. Wie sie berichten, erhöht der durch optische Anregung mit Femto­sekunden-Licht­impulsen erzeugter Strom die Frequenz der transversal optischen Phononen.

Abb.: Elementarzelle aus Gallium- (schwarz) und Arsen-Atomen (rot),...
Abb.: Elementarzelle aus Gallium- (schwarz) und Arsen-Atomen (rot), zusammengehalten durch kovalente Bindungen (blau). Ein Galliumarsenid-Kristall besteht aus vielen Milliarden solcher Einheitszellen. (Bild: MBI)

Das Kristallgitter von GaAs besteht aus einer regel­mäßigen Anordnung von Gallium- und Arsen­atomen, die durch kovalente chemische Bindungen zusammen­gehalten werden. Die Atome des Kristall­gitters können eine Vielzahl von Schwingungs­bewegungen ausführen, darunter die transversal optischen Phononen mit einer Frequenz von acht Terahertz. Die Elektronen­dichte der Arsen­atome ist etwas höher als diejenige der Gallium­atome, was zu einem lokalen elektrischen Dipol­moment führt und das Kristall­gitter elektrisch polar macht. Damit werden Schwingungs­bewegungen der Atome empfindlich für elektrische Kräfte.

In den Experimenten regte ein erster ultra­kurzer optischer Impuls die transversal optischen Schwingung der Atome an. Die Schwingung wurde durch einen zweiten Impuls gestört, der Elektronen vom Valenz- ins Leitungs­band des Halbleiters beförderte. Diese Anregung führt zu einer Ladungs­verschiebung zwischen den Atomen, dem Verschiebe­strom. Dabei wird die Elektronen­dichte der Gallium­atome leicht erhöht und eine kurz­zeitige elektrische Polari­sation erzeugt. Letztere ist mit einer elektrischen Kraft verbunden, die auf die atomaren Schwingungen zurück­wirkt und deren Frequenz verschiebt.

Die Messung extrem kleiner Verschiebungen der Phonon­frequenz stellt eine besondere experi­mentelle Heraus­forderung dar. Hier wurde die Phonon-Schwingung direkt über die Terahertz-Welle verfolgt, welche das schwingende Dipol­moment des Kristall­gitters abstrahlt. Diese Welle wurde zeit­auf­gelöst in Amplitude und Phase mit höchster Präzision vermessen. Sie weist eine Frequenz­erhöhung auf, nachdem der zweite Impuls den Verschiebe­strom erzeugt hat.

Die Frequenz des transversal optischen Phonons ist um ungefähr ein Prozent der anfäng­lichen Frequenz erhöht. Eine genaue Analyse der experi­mentellen Ergebnisse zeigt, dass es hierfür ausreicht, wenn ein Elektron pro 20.000 Elementar­zellen durch Photo­anregung verschoben wird. Die hier erstmals beobachtete Verschiebung der transversal optischen Phonon-Frequenz sollte in anderen Halb­leiter­materialien mit polarem Gitter und in Ferro­elektrika eben­falls auftreten.

FV Berlin / MBI / RK

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