Ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in Halbleiter-Nanostrukturen

Rein optische Generation ultraschneller Ströme in Silizium

Silizium ist das bei weitem bedeutendste Material der Elektronik. Die Integration optischer Funktionen in Silziumchips ist aber aufgrund der indirekten Bandlücke und der damit verbundenen schwachen Leuchtkraft erheblich erschwert. Insbesondere lassen sich Ladungen in Silizium nur mit Hilfe rein elektrischer Methoden wie dem Anlegen einer Spannung bewegen. Kürzlich konnten wir zeigen, dass die Verwendung der Kohärenzeigenschaften von Licht eine völlig neue optoelektronische Funktionalisierung von Silizium ermöglicht. Folgende Abbildung zeigt das experimentelle Schema, das die Erzeugung eines gerichteten elektrischen Stromes in Silizium mit rein optischen Methoden erlaubt [2]. Die Probe, ein Silizium-Kristall ohne angelegtes elektrisches Feld, wird gleichzeitig mit sehr kurzen Infrarotimpulsen der Wellenlängen 1550 nm und 775 nm beleuchtet. Es zeigt sich, dass bei dieser Anregung innerhalb von hundert Femtosekunden ein gerichteter Strom eingeschaltet wird. Die Richtung des Stromes ist dabei allein durch die relative Phasenlage der Lichtfelder bestimmt. Die Analyse des ultraschnellen Stromes in der Probe erfolgt über die Detektion der Ferninfrarot-Strahlung der beschleunigten Ladungsträger (siehe Abbildung), ein Prozess, der ähnlich zur Emission einer Röntgenröhre durch schnell abgebremste Elektronen verläuft („Bremsstrahlung“).

Das physikalische Bild der Strominjektion lässt sich durch eine Analogie zu einem optischen Doppelspaltexperiment veranschaulichen: Wird Licht durch zwei eng benachbarte Spalte geschickt, so zeigen sich dahinter auf einem Schirm Interferenzstreifen, d.h. die Lichtintensität wird räumlich moduliert. Im vorliegenden Fall führt eine ähnliche Interferenz bevorzugt zu einer Generation von Ladungsträgern mit einer bestimmten Ausbreitungsrichtung [3]. Diese Ergebnisse deuten neuartige Möglichkeiten an, optische Funktionen in die bestehende Silizium-Technologie zu integrieren.