Aktuelles

Teilchen in Ladungswolken gehüllt

Extrem schnelle Abschirmung in Halbleitern / Ultrakurze Laserpulse lassen Änderungen erkennen

Von Rainer Scharf

Elektronische Bauelemente aus Halbleitern wie Galliumarsenid spielen in der Informations- und Kommunikationstechnik eine Schlüsselrolle. Weil immer größere Datenmengen immer schneller verarbeitet werden sollen, müssen die Schaltzeiten der Bauelemente so kurz wie möglich sein. Dabei treten physikalische Vorgänge in den Vordergrund, die extrem schnell ablaufen, zum Beispiel die aufeinander abgestimmten Bewegungen der elektrischen Ladungen im Halbleiter. Jetzt haben Wissenschaftler von der Technischen Universität München erstmals beobachtet, wie in einer Halbleiterschicht anfangs isolierte elektrische Ladungen nach kurzer Zeit von Ladungswolken mit dem jeweils entgegengesetzten Vorzeichen umgeben und dadurch abgeschirmt wurden.

Bei den Versuchen haben die Wissenschaftler um Alfred Leitenstorfer eine hauchdünne Schicht aus außerordentlich reinem Galliumarsenid mit gepulstem Laserlicht bestrahlt. Die Lichtpulse waren nur zehn Femtosekunden (10-15 Sekunden) lang. In dieser extrem kurzen Zeitspanne legt Licht eine Strecke von weniger als einem hundertstel Millimeter zurück ("Nature", Bd. 414, S. 286). Traf einer der Lichtpulse auf die Halbleiterschicht, so wurden Elektronen von den Halbleiteratomen losgerissen. Die negativ geladenen Elektronen konnten sich daraufhin frei umherbewegen. An ihren ursprünglichen Plätzen entstanden positiv geladene "Löcher", die sich ebenfalls in der Halbleiterschicht bewegen konnten.

Mit einem zweiten, langwelligeren Laserpuls, der dem ersten folgte, untersuchten die Wissenschaftler die Bewegungen der freigesetzten Ladungen. Dieser Puls war knapp 30 Femtosekunden lang und enthielt nur eine einzige Lichtwellenschwingung. Die Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sie den zeitlichen Verlauf und die Form des Pulses auf die Femtosekunde genau verfolgen und mögliche Änderungen beobachten können. Die frei beweglichen Elektronen und Löcher in der Halbleiterschicht wurden durch den zweiten Puls hin und her geschüttelt. Lagen zwischen dem ersten und dem zweiten Laserpuls weniger als 30 Femtosekunden, so hatten die Bewegungen der Elektronen und Löcher keine Auswirkung auf den zweiten Puls. Waren jedoch mehr als 30 Femtosekunden vergangen, so enthielt der zweite Puls nach Durchlaufen der Halbleiterschicht zusätzliche Lichtwellenschwingungen, aus denen man Rückschlüsse auf die Bewegungen der Elektronen und Löcher ziehen konnte.

Den Wissenschaftlern stellte sich die Frage, was in diesen 30 Femtosekunden mit den Elektronen und Löchern geschehen war. Unmittelbar nach ihrer Erzeugung durch den ersten Laserpuls waren die Ladungen noch isoliert und konnten sich unabhängig voneinander bewegen. Doch dann machten sich die elektrischen Kräfte zwischen ihnen bemerkbar: Die Elektronen wurden von den Löchern angezogen und umgekehrt, während gleiche Teilchen einander abstießen. Dies führte nach kurzer Zeit dazu, daß sich um jedes negativ geladene Elektron eine Wolke aus positiv geladenen Löchern bildete und daß jedes Loch von einer Elektronenwolke umgeben wurde. Diese Ladungswolken kompensierten die Ladung des von ihnen umgebenen Elektrons oder Lochs und schirmten es dadurch ab.

In abgeschirmtem Zustand haben die Elektronen und Löcher andere Eigenschaften als in ihrer ursprünglichen, isolierten Form. Zum Beispiel sind sie schwerer, weil sie die Ladungswolke, die sie umgibt, mit sich bewegen müssen. Zudem können die Ladungswolke und das von ihr umschlossene Teilchen gegeneinander schwingen. Solche Schwingungen hatte der zweite Laserpuls angeregt, wenn er mehr als 30 Femtosekunden nach dem ersten Puls auf die Halbleiterschicht traf. Die schwingenden Ladungen beeinflußten wiederum die Ausbreitung des Pulses und veränderten seine Form in charakteristischer Weise. Deshalb schließen die Forscher aus ihren Beobachtungen, daß die Elektronen und Löcher rund 30 Femtosekunden dazu benötigen, sich mit einer abschirmenden Ladungswolke zu umgeben. Aufwendige quantenmechanische Berechnungen stehen im Einklang mit diesem Ergebnis.

Mit dem von den Münchner Forschern entwickelten Verfahren lassen sich möglicherweise auch andere extrem schnell ablaufende Vorgänge untersuchen, die bisher einer direkten Beobachtung nicht zugänglich waren. Sowohl in Hochtemperatur-Supraleitern als auch in Halbleitern aus organischem Material, in Biomolekülen oder in Atomkernen finden Prozesse statt, die nur wenige Femtosekunden dauern. Sie beobachten zu können bringt einen enormen Erkenntnisgewinn, der nicht zuletzt auch für die Entwicklung neuer Techniken von Nutzen sein wird. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.12.2001, Nr. 283 / Seite N1

>>> Zur Startseite