title: Kohärente optische Prozesse und inkohärente Ladungsträgerdynamik in Germanium
title: Coherent optical processes and transient carrier dynamics in Germanium
Creators: name: Köster, Niko
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Drei-Fünf-Halbleiter
Nichtlineare Optik
THz spectroscopy
Halbleiterschicht
Optischer Gewinn
Exziton
Physik
Pump-Probe-Technik
THz Spektroskopie
Germanium

description: Die Aufmerksamkeit, die Germanium
      in den letzten Jahren aufgrund seiner guten optischen
      Eigenschaften auf sich gezogen hat, führte zu einer stetigen
      Verbesserung der erreichten Materialqualität. Die
      physikalischen Eigenschaften von Germanium führen dazu, dass
      es dabei in vielerlei Situationen ein überraschendes
      Verhalten zeigt, was sich von dem direkter Halbleiter
      unterscheidet. Diese Eigenschaften sind vornehmlich in der
      Form der Bandstruktur von Germanium begründet. Trotz seiner
      indirekten Bandlücke, besitzt es durch das lokale
      Leitungsbandminimum am Gamma-Punkt ausgeprägte Eigenschaften
      eines direkten Halbleiters. Die spektroskopische Untersuchung
      einer (GaIn)As Probe mit sehr starken THz Impulsen zeigte zu
      einem der ersten Male einen intraexzitonischen Autler-Townes
      Effekt. Durch eine Simulation auf Basis einer mikroskopischen
      Vielteilchentheorie konnte aus dieser Messung die genaue
      kohärente Dynamik der Polarisation bestimmt werden. Es zeigt
      sich, dass das Exzitonenensemble nach der Anregung nicht auf
      wenige Zustände beschränkt ist, sondern Zustände bis tief in
      das Kontinuum angeregt sind. Trotz der wesentlich kürzeren
      Dephasierungszeit in Germanium konnte auch hier diese
      Aufspaltung der Exzitonenresonanz beobachtet werden. Im
      Rahmen der Untersuchungen zum dynamischen Stark-Effekt ergab
      sich für Germanium eine um einen Faktor 2 größere
      Blauverschiebung im Vergleich zu den Literaturwerten für
      (GaIn)As. Dieser Unterschied konnte maßgeblich auf den
      Unterschied der T2-Zeiten zurückgeführt werden. Außerdem
      wurde der Effekt erstmals in Abhängigkeit von der Verstimmung
      des treibenden elektrischen Feldes für einen Energiebereich
      von einigen 100meV bestimmt. Bei quasi resonanter Anregung
      des direkten Bandüberganges wurde eine Überlagerung
      verschiedener Effekte beobachtet. Neben der normalen
      Blauverschiebung der Bandkante werden zu frühen Zeiten auch
      die Ausbildung eines Mollow-Triplets, Modulationen in den
      Kontinuumszuständen, sowie eine optischen Verstärkung ohne
      Ladungsträgerinversion beobachtet. Dabei zeigen sich die
      Mollow-Seitenbanden und die Modulation der Kontinuumszustände
      nur, wenn Anrege- und Abfrageimpuls kozirkular zueinander
      polarisiert sind. Bei gegensätzlich zirkularer Polarisation
      wird nur eine Verschiebung der Resonanz beobachtet. Für
      diesen Fall zeigt sich allerdings wie erwartet eine Spaltung
      der Leichtlochresonanz. Im inkohärenten Zeitregime führt die
      Streuung der Elektronen in die L-Täler dazu, dass die
      direkten optischen Übergänge maßgeblich nur noch die Dynamik
      des Lochsystems widerspiegeln. Die Streuzeit der Elektronen
      wurde temperaturabhängig vermessen und lag im bereich von
      wenigen hundert fs. Durch diese schnelle Streuung der
      Elektronen ist es möglich vergleichsweise einfach die
      Spinpolarisation der Lochzustände zu bestimmen. Für eine
      spinpolarisierte Lochverteilung ergab sich bei einer
      Temperatur von 7K eine Zerfallszeit von 2,5ps, welche sich
      bis 250K auf 1,1ps reduzierte. Im Anschluss daran wurde die
      Abkühlung heißer Landungsträgerverteilungen näher untersucht.
      Mithilfe theoretischer Rechnungen konnte gezeigt werden, dass
      die Lochverteilung selbst bei einer resonanten Anregung des
      direkten Bandüberganges eine Anfangstemperatur von über 1000K
      annimmt. Die Energie die zum Aufheizen des Lochsystems
      notwendig ist, kann nur aus dem elektronischen System
      geliefert werden. Dieses bekommt durch die Streuung in die
      L-Täler bei 293K eine Überschussenergie von 140meV pro
      Ladungsträger. Da das Aufheizen der Lochverteilung in den
      Experimenten nicht beobachtet werden kann, muss es einen
      effizienten Streumechanismus geben, der die beiden Systeme
      aneinander koppelt. In dem zeitlichen Verlauf der
      Ladungsträgertemperatur lässt sich ab 200K der Übergang von
      der durch optische Phononen dominierten Abkühlung hin zu
      einer Kühlung alleinig durch akkustische Phononen beobachten.
      Zuletzt wurde die Verstärkungsdynamik in verspannten
      Germaniumschichten betrachtet. Es zeigte sich, dass die
      angeregten Löcher in Germanium durch freie
      Ladungsträgerabsorption effektiv zu einer Erhöhung der
      Absorption führen. Dieses zeigte sich deutlich an der
      transienten Absorption einer p-dotierten Probe. In einer
      n-dotierten Probe konnte eine optische Verstärkung
      nachgewiesen werden, mit einer Lebenszeit um eine ns. Mit
      einer optischen Anregung zeigte die Probe eine
      Photolumineszenz, die unter geeigneten Bedingungen eine Linie
      ausbildete. Diese Linie konnte einer verstärkten spontanen
      Emission zugeordnet werden. Zusammenfassend kann man sagen,
      dass das Potential von Germanium für die Silizium Photonik
      noch immer nicht letztendlich beurteilt werden kann. Die
      Demonstration von optisch gepumpten Lasern auf diesem
      Material stimmt auf jeden Fall zuversichtlich, dass ein
      elektrisch betriebener Germaniumlaser in Greifweite
      ist.
description: In the past years Germanium has
      gained much attention due to its good optical properties.
      This lead to a constant improvement of the material quality
      archived with these material system. Today there are high
      quality bulk and quantum well samples available. Also the
      desired strain of these structures can be tailored. Using one
      of these samples different optical phenomena were observed.
      The physical properties of Germanium lead to several unique
      behaviors of this material, compared to direct gap
      semiconductors. Despite the indirect band gap, Germanium has
      a local conduction band minimum at the Gamma point, which is
      the reason for its often direct semiconductor like behavior.
      The spectroscopic analysis of a (GaIn)As sample under the
      presence of strong THz pulses reveal an interexcitonic
      Autler-Townes effect. This is one of the first times this
      effect is has ever been observed. By applying a microscopic
      many body theory, the exact coherent dynamic is determined.
      This reveals that the typically used two level systems are
      not able to correctly describe the dynamics. The full
      microscopic calculations show that the excition population is
      reaching far into the continuum states and is not confined to
      a limited number of states as implied by using a 2 level
      system. This result is also reproduced for Germanium samples,
      despite of the much shorter dephasing time in this material.
      In this thesis also the dynamical Stark-effect is studied in
      a Germanium quantum well sample. For the first time this
      effect is measured as a function of the energetic detuning of
      the exciting light pulse in a range of several 100meV. Using
      a driving electrical field, which is almost resonant to the
      lowest excitonic resonance, a combination of several
      different effects is observed. Beside an energetic blue shift
      of the resonances, as known from the dynamical Stark effect,
      also the formation of a Mollow-Triplet, a modulation signal
      in the continuum states and optical amplification without
      carrier inversion are observed. In the incoherent time regime
      the optical properties of Germanium are mainly influenced by
      the electron scattering into the L-valleys and the cooling
      dynamic of the hole system. The electronic scattering time to
      the L-valleys is measured in dependence of the sample
      temperature. It varies from 270fs at a temperature of 100K to
      192fs at 250K. This fast scattering of the electrons allows
      to easily determine the scattering rate between the different
      hole spin states. When creating a spin polarized hole
      population at a sample temperature of 7K a spin scattering
      time of 2,5ps is observed. At increasing sample temperature
      this decay time decreases to 1,1ps at 250K. In the following
      time regime, the observed dynamic is attributed to the
      cooling of the hole system. The time scale of this process is
      in the order of several hundreds of ps. Using a theoretical
      model, it is shown that that even under resonant excitation
      of the quantum well samples, the initial temperature of the
      hole carrier distribution is over 1000K. The energy necessary
      for this high temperature comes from an efficient coupling to
      the electronic system. The dynamic of the carrier temperature
      shows a reduction of the cooling rate around a temperature of
      200K. This observation shows the transition to a regime, in
      which the cooling is dominated by optical phonons to a
      cooling only by acoustical phonons. In the end the optical
      gain dynamic in strained Germanium layers is discussed. A
      transient gain is observed in a n-doped Germanium sample,
      lasting for approximately 1ns. By etching of a resonator
      structure on this sample, the formation of an emission line
      in the photoluminescence spectrum is observed. This line is
      created by stimulated spontaneous emission in the sample. In
      conclusion, the potential of Germanium for the silicon
      photonics is yet unclear. The demonstration of optically
      pumped lasers based on this material gives hope for the
      construction of electrically pumped lasers. The realization
      of such a device could be the important step towards the
      realization of integrated opto-electronical circuits. However
      it turns out to be, the availability of high quality
      germanium nanostructures definitely opens a door to a deeper
      understanding of the excitation dynamics in this
      material.