Intersubbandrelaxation in Halbleiter-Nanostrukturen

Die Einführung der Molekularstrahlepitaxie ermöglicht heute das Wachstum künstlicher Halbleitervielschichtstrukturen mit Schichtdicken bis herab in den Nanometerbereich. Die elektronische Struktur solcher Systeme wie Quantentöpfe (Quantum Wells) und Übergitter (Superlattices) ist durch Subbänder gekennzeichnet, die von der Einschränkung der Elektronenbewegung in der Wachstumsrichtung herrühren. Da die Energien für Übergänge zwischen den Subbändern typischerweise im infraroten Spektralbereich liegen, ist die Untersuchung dieser Quantenstrukturen für die Entwicklung von Halbleiterstrahlungsquellen und -detektoren von großer Bedeutung. Die Effizienz solcher Intersubbandbauelemente wird wesentlich durch die Lebensdauer der Elektronen im oberen Subband bestimmt. Im beantragten Projekt soll die nichtstrahlende Intersubbandrelaxation von freien Ladungsträgern in Quantentöpfen und Übergittern mittels der Ensemble Monte Carlo Methode unter Einbeziehung aller relevanten Streuprozesse theoretisch behandelt werden. Für Subbandabstände größer als die optische Phononenergie wird die Relaxation durch die Emission optischer Phononen dominiert und die Relaxationszeiten sind sehr kurz, wie experimentelle und theoretische Arbeiten übereinstimmend liefern. Für Subbandabstände kleiner als die optische Phononenergie muß die Relaxation über andere Streumechanismen erfolgen. Die gemessenen Relaxationszeiten sind sehr kontroversiell, die Experimente frühen im wesentlichen auf zwei voneinander signifikant abweichende Ergebnisse, lange ebenso wie kurze Relaxationszeiten, die theoretisch noch nicht befriedigend interpretiert werden konnten. Das geplante Forschungsvorhaben soll dazu beitragen, die Diskrepanz in den gemessenen Relaxationszeiten zu klären. Die theoretischen Untersuchungen sollen sich nicht auf freie Ladungsträger beschränken, sondern auch die Intersubbandrelaxation gebundener Elektro-Loch-Paare (sogenannte Exzitonen) miteinschließen, die für mögliche Laseranwendungen auf der Basis von exzitonischen Intersubbandübergängen unterhalb des freuen Ladungsträgerkontinuums von Interesse ist. Eine detaillierte Betrachtung der Intersubbandrelaxationsprozesse von Exzitonen in Quantum Well-Strukturen mittels Monte Carlo Simulation wurde bis dato noch nicht durchgeführt. Um den Bezug zum Experiment herzustellen, sind Kooperationen mit Instituten amerikanischer und österreichischer Universitäten geplant.