Tunnelionisation tiefer Störstellen in Halbleitern im elektrischen Hochfrequenzfeld von Laserstrahlung

Elke Ziemann, Dissertation

Betreuer: Prof. Dr. W. Prettl
Eingereicht: 22. Juni 1999
Kolloquium: 26. Oktober 1999

In dieser Arbeit wurde das Tunneln von Elektronen durch hochfrequent oszillierende Potentialbarrieren anhand der Tunnelionisation tiefer Störstellen in Halbleitern untersucht. In einem elektrischen Feld wird das tiefe Potential, das die starke Bindung des Elektrons an die Störstelle bewirkt, zu einer Dreiecksbarriere verzerrt. Ist die Periodendauer der Oszillation sehr viel größer als die Zeit, die das Elektron zum durchtunneln der Barriere benötigt, so wirkt das hochfrequente elektrische Feld wie ein statisches Feld und die Tunnelwahrscheinlichkeit ist unabhängig von der Frequenz.

Ist dagegen die Periodendauer des Feldes nur so lang wie die Tunnelzeit oder kürzer, so wird ein exponentielles Ansteigen der Tunnelwahrscheinlichkeit mit der Feldfrequenz beobachtet. In diesem Fall kann das Elektron durch Wechselwirkung mit dem Feld Energie gewinnen und die Barriere bei einer geringeren effektiven Breite und Höhe durchtunneln. Dieser Hochfrequenzfall des Tunnelns durch oszillierende Potentialbarrieren konnte hier erstmals experimentell nachgewiesen werden. Für tiefe Störstellen in Halbleitern liegt die Tunnelzeit im Bereich einiger Hundert Femtosekunden und kann über die Probentemperatur eingestellt werden. Elektrische Felder hoher Intensität in diesem Frequenzbereich wurden durch gepulste Bestrahlung mit einem leistungsstarken Ferninfrarot-Laser erzeugt. Die Ionisationsraten wurden durch die Detektion von Photoleitfähigkeit gemessen.

Neben der Untersuchung von grundlegenden Prozessen wurde die Tunnelionisation durch hochfrequente elektrische Felder als Methode zur Charakterisierung tiefer Störstellen in Halbleitern entwickelt. Damit können Tunnelzeiten gemessen und die Struktur der adiabatischen Potentiale sowie die Ladung der Störstelle bestimmt werden.