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Arbeitsgruppe Theoretische Halbleiterphysik

 Forschungsprojekte

 

3. QUANTENDESIGN OPTOELEKTRONISCHER HALBLEITERSYSTEME

Bei den breitgefächerten wissenschaftlichen Arbeiten in diesem Themenkomplex wenden wir die in unserer Gruppe entwickelten Vielteilchentheorien an, um konkrete Halbleiter-Bauelemente anwendungsnah zu modellieren, zu optimieren sowie um neue Systeme zu entwickeln. Diese Arbeiten finden zum Teil in enger Kollaboration mit Arbeitsgruppen am "College for Optical Sciences" der University of Arizona, Tucson/AZ, USA, und den experimentellen Halbleiterarbeitsgruppen im Marburger Wissenschaftlichen Zentrum für Materialwissenschaften statt.

Der Hintergrund unserer Arbeiten ist die fortschreitende Entwicklung der modernen Informations- und Kommunikationstechnologie, die zunehmend auf schnelle, kompakte und hoch integrierte optoelektronische Bauelemente setzt. Angesichts der aufwendigen Herstellungsverfahren besteht ein akuter Bedarf an Verfahren, die zur kostengünstigen Produktion, zur Qualitätskontrolle und der effizienten Entwicklung neuer Komponenten beitragen können. Mit der von uns entwickelten grundlegenden mikroskopischen Beschreibung und der Umsetzung in Softwarepakete können die Eigenschaften von optoelektronischen Bauelementen quantitativ analysiert und prognostiziert werden. Dies erlaubt eine qualitätssichernde Prozessbegleitung, die Entwicklung neuer Materialien und eine zuverlässige quantitative Modellierung der verwendeten Halbleiter-Systeme und Heterostrukturen.

In den kleinen, oft nur aus wenigen Atomlagen bestehenden Strukturen reichen die Gesetze der klassischen Physik nicht aus, und es müssen quantenmechanische Methoden herangezogen werden. Im Rahmen eines umfassenden quantenkinetischen Zugangs werden die optoelektronischen Eigenschaften der Halbleiter-Vielteilchensysteme auf der Basis der Halbleiter-Blochgleichungen, d. h. der Bewegungsgleichungen für die reduzierte Einteilchendichtematrix des Systems elektronischer Materialanregungen beschrieben. Damit werden die wichtigsten Wechselwirkungen und speziell auch die dissipativen und kohärenzzerstörenden Prozesse mikroskopisch konsistent behandelt. Auf der Basis des fundamental neuen Konzepts des anregungsinduzierten Dephasierens wird der zeitliche Abfall der mikroskopischen optischen Polarisation für die vorliegenden Anregungsbedingungen berechnet und damit z. B. das notorische Linienformproblem in Halbleiter-Lasersystemen gelöst.

Die Gültigkeit der Theorie und ihre weit reichende Anwendbarkeit wurden bereits in einer Vielzahl detaillierter Theorie-Experimentvergleiche demonstriert. Sie belegen, dass das Verständnis der quantenmechanischen Prozesse und ihre numerische Modellierung die quantitative Vorhersage relevanter optoelektronischer Materialeigenschaften erlaubt. Die Einbindung der mikroskopischen Resultate in numerische Bauelementsimulationen ermöglicht nun deren systematische Analyse und Optimierung. Im Gegenzug führt die Entwicklung dieser Programme und der Abgleich mit den Experimenten zu neuen Einsichten in die Eigenschaften der quantenmechanischen Vielteilchensysteme und vor allem der Quantenoptik kohärenter und inkohärenter Prozesse. Damit kommt es zu einer idealen gegenseitigen Befruchtung von Grundlagenentwicklung und Anwendung.

Auf der Basis der mikroskopischen Theorie und ihrer verifizierten Vorhersagekraft ergibt sich die bisher einzigartige Chance, nicht nur existierende Bauelemente zu analysieren und zu optimieren, sondern auch neue Systeme quantitativ zu entwerfen, die speziellen Anforderungen genügen. So können durch die routinemäßige Auswertung der gemessenen Lumineszenz verhältnismäßig einfach hergestellte Strukturen evaluiert und getestet werden, bevor weitere langwierige und kostspielige Prozessschritte durchgeführt werden. Eine numerisch leicht mögliche Optimierung von Schichtdicken und -anordnungen erlaubt z.B. die Entwicklung besonders leistungsfähiger Laser. Aus unseren theoretischen Analysen sind Vorschläge für Emissionsquellen, Verstärker und Laser hervorgegangen, die nicht nur deutlich verbesserte Eigenschaften aufweisen (Emissionsfrequenz, Strahlqualität, -intensität u.ä.), sondern mit denen auch der für die Optoelektronik nutzbare Bereich des elektromagnetischen Spektrums deutlich erweitert werden kann.

Zuletzt aktualisiert: 14.04.2010 · Schmid Renate, Physik, 21337

 
 
 
Fb. 13 - Physik

AG Theoretische Halbleiterphysik - Sekretariat: R. Schmid, Renthof 5, D-35032 Marburg
Tel. +49 6421-28-21337, Fax +49 6421-28-27076, E-Mail: renate.schmid@physik.uni-marburg.de

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