Die Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Im ersten Teil werden QW-Strukturen beschrieben und untersucht, der zweite Teil handelt von den oben erwähnten QDs.
Im ersten Kapitel werden zunächst allgemeine Eigenschaften von Heterostrukturen, wie beispielsweise die Änderung der Zustandsdichte im Vergleich zu einem Volumenhalbleiter, diskutiert. Das zweite Kapitel zeigt den Messaufbau mit den zur Anregung der Proben verwendeten Lasern. Da in manchen Photolumineszenzmessungen mit kleinerer Wellenlänge durchgeführte Messungen zusätzliche Informationen geben, wird in dieser Arbeit das Lasersystem mit einer Frequenzverdoppelungseinheit zur Konvertierung von 800 nm-Strahlung in 400 nm-Strahlung ergänzt. Das dritte Kapitel befasst sich mit der theoretischen Beschreibung von QWs. Hier wird beispielsweise gezeigt, dass die QWs der Proben asymmetrische Strukturen haben sollten, um sowohl NIR- als auch MIR-Strahlung erzeugen zu können. Als Abschluss dieses Kapitels werden die Auswahlregeln für Interband- und Intersubbandübergänge in QWs mit Hilfe von Fermis Goldener Regel bestimmt.
Das vierte Kapitel zeigt PL-Experimente an QWs und beinhaltet deren
Interpretation. Die Untersuchung von unterschiedlichen Proben wirft eine Diskussion der veränderten PL-Spektren auf.
Der zweite Teil der Arbeit beginnt mit dem fünften Kapitel, in welchem die theoretischen Grundlagen von QDs behandelt werden. Die hier untersuchten InAs-QDs sind sogenannte selbstorganisierte QDs. Deren Herstellung wird zu Beginn dieses Kapitels gezeigt. Die theoretische Behandlung von QDs ist sehr komplex. Es stellt sich aber heraus, dass sich QDs wie große Atome bzw. Moleküle beschreiben lassen, da sie in erster Näherung Orbitale für Ladungsträger besitzen, wie man es von Atomen her kennt. Theoretische Resultate von Rechnungen an QDs, die den hier untersuchten entsprechen, werden zusammengefasst. Kapitel sechs untersucht die Photolumineszenzeigenschaften der QD-Proben. Dabei ist es bei manchen Messungen erforderlich, auf andere Lasersysteme zurückzugreifen, deren Eigenschaften an der jeweiligen Stelle diskutiert werden. Vier Elektronenniveaus dieser QDs lassen sich experimentell beobachten, was im Einklang mit der Theorie steht. Die Verwendung verschiedener Laser und Anregeintensitäten ermöglicht es schließlich den Übergang von spontaner zu induzierter Emission von Interbandübergängen im QD zu beobachten.
Am Ende dieser Arbeit werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst.
Inhaltsverzeichnis
1. Eigenschaften von Heterostrukturen
1.1 Vom Quantum-Well zum Quantum-Dot
1.2 Absorption und Emission in Quantum-Wells und Quantum-Dots
1.3 Relaxationsprozesse
1.4 Zustandsdichten in Heterostrukturen
2. Experimenteller Aufbau
2.1 Erzeugung kurzer Impulse
2.2 Erzeugung hoher Intensitäten
2.3 Second Harmonic Generation, SHG
2.4 Detektion der Photolumineszenz
2.5 Autokorrelation
2.6 Das Bandbreiteprodukt
3. Physikalische Grundlagen von Quantum-Wells
3.1 Aufbau der untersuchten Quantum-Well-Strukturen
3.2 Aufbau von Probe 5-257
3.3 Aufbau von Probe 5-203
3.4 Berechnung der Energiezustände im Quantum-Well mit Hilfe der Envelope-Function-Näherung
3.5 Zusätzliche Potentiale im Quantum-Well
3.6 Auswahlregeln für Quantum-Wells
4. Untersuchung von Quantum-Well-Strukturen
4.1 Photolumineszenzbanden in der Nähe des GaAs-Bandkantenüberganges
4.2 Probe 5-257
4.2.1 Photolumineszenzmesssungen an Probe 5-257
4.2.2 Polarisationsabhängige Messungen der Photolumineszenz an Probe 5-257
4.3 Probe 5-203
4.3.1 Photolumineszenzmessungen an Probe 5-203
4.3.2 Höhere Quantum-Well-Übergänge in Probe 5-203
4.3.3 Intensitätsabhängige Messungen
4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse und Vergleich mit unabhängig durchgeführten Messungen
5. Physikalische Grundlagen von Quantum-Dots
5.1 Aufbau der Probe F-173
5.2 Herstellung von selbstorganisierten Quantum-Dots
5.3 Energieniveaus in sphärischen Quantum-Dots
5.4 Verspannung von Heterostrukturen
5.5 Die k·p-Methode
5.6 Exzitonen
5.7 Auswahlregeln für Quantum-Dots
6. Lumineszenzuntersuchungen an Quantum-Dots
6.1 Kantenphotolumineszenz von Probe F-173
6.2 Intensitätsabhängige Messungen an Probe F-173
6.3 Polarisationsmessungen der Photolumineszenz
6.4 Vergleich mit anderen Messungen
6.5 Stimulierte Emission von Probe F-173
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht das Photolumineszenzverhalten von Halbleiter-Heterostrukturen wie Quantum-Wells und Quantum-Dots unter ultraschneller Photoanregung, um Erkenntnisse über deren Eignung für optisch gepumpte Laser im nahen und mittleren Infrarotbereich zu gewinnen.
- Analyse der optischen Eigenschaften von InAs/GaAs-Heterostrukturen
- Einsatz von Femtosekunden-Lasersystemen zur Untersuchung von Nichtgleichgewichtszuständen
- Experimentelle Bestimmung von Interband- und Intrabandübergängen
- Untersuchung der Auswirkungen von Verspannungen und Dimensionalität auf die elektronische Struktur
- Nachweis von stimulierter Emission und Sättigungseffekten
Auszug aus dem Buch
1.1 Vom Quantum-Well zum Quantum-Dot
In Abbildung 1.1a ist ein QW angedeutet. Dabei muss der eingeschlossene Halbleiter (hier GaAs) eine niedrigere Bandlücke besitzen als die benachbarten Schichten (hier AlxGa1−xAs mit x > 0), damit quantisierte Zustände entstehen können.
Nun kann man sich vorstellen verschiedene Halbleiterschichten nicht nur in einer Richtung aufzuwachsen, sondern diese auch senkrecht dazu zu strukturieren (in Abbildung 1.1b wurden die Schichten des QW in 1.1a in Pfeilrichtung abgeätzt). Wenn man einer Schicht mit kleiner Bandlücke eine Schicht mit großer Bandlücke hinzufügt, entstehen Sprünge in den Bändern mit einer endlichen Stufe. Zur Veranschaulichung kann man aber auch den zweiten Halbleiter weglassen, wie in Abbildung 1.1b und 1.1c, wodurch die Stufe durch die Austrittsarbeit von Elektronen gegeben ist.
So entstehen die sogenannten Quantendrähte (Quantum Wires, QWRs) in 1.1b, welche zu einer weiteren Einschränkung der Freiheitsgrade führen. Elektronen können sich hier nur noch in einer Dimension entlang des Halbleitermaterials mit niedrigerer Bandlücke (in diesem Beispiel das GaAs) frei bewegen. Schließlich lässt sich auch der letzte Freiheitsgrad der Elektronen blockieren, indem man Elektronen im GaAs punktförmig einschließt. Diese Heterostruktur wird als Quantenpunkt (”Quantum-Dot“, QD) bezeichnet. Abbildung 1.1c veranschaulicht diese Reduzierung auf 0 Dimensionen. Während Elektronen in QWs und QWRs noch Freiheitsgrade in zwei bzw. einer Dimension besitzen, sind die Zustände von Elektronen in QDs vollständig quantisiert, einem Atom ähnlich.
Zusammenfassung der Kapitel
Eigenschaften von Heterostrukturen: Einführung in die Grundlagen von Halbleiter-Heterostrukturen, von der Quantisierung in Quantum-Wells bis hin zu nulldimensionalen Quantum-Dots.
Experimenteller Aufbau: Beschreibung der zur Anregung und Analyse verwendeten Femtosekunden-Lasersysteme sowie der Detektionsmethoden wie Autokorrelation.
Physikalische Grundlagen von Quantum-Wells: Theoretische Herleitung der Energiezustände mittels der Envelope-Function-Näherung und Diskussion der Auswahlregeln.
Untersuchung von Quantum-Well-Strukturen: Präsentation und Interpretation von Photolumineszenz-Experimenten an Proben mit unterschiedlichen Schichtstrukturen.
Physikalische Grundlagen von Quantum-Dots: Theoretische Betrachtung der elektronischen Zustände und Verspannungseffekte in selbstorganisierten Quantum-Dots.
Lumineszenzuntersuchungen an Quantum-Dots: Experimentelle Analyse der Lumineszenzeigenschaften von Quantum-Dot-Proben unter Variation von Anregungsdichten und Temperatur.
Schlüsselwörter
Photolumineszenz, Halbleiter-Heterostrukturen, Quantum-Well, Quantum-Dot, GaAs, InAs, Femtosekunden-Laser, Interbandübergänge, Intersubbandübergänge, Verspannung, Energieniveaus, stimulierte Emission, Spektroskopie, Bandstruktur, Quantisierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit untersucht die optischen Eigenschaften von Halbleiter-Heterostrukturen, insbesondere Quantum-Wells und Quantum-Dots, mittels Photolumineszenzmessungen unter hoher Photoanregung.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen der Quantisierung in unterschiedlichen Dimensionen, die experimentelle Umsetzung durch komplexe Lasersysteme sowie die Interpretation von Lumineszenzspektren zur Identifizierung von Energieübergängen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die systematische Untersuchung von Nichtgleichgewichtszuständen in den Proben, um Inversionsbedingungen zu prüfen, die für die Entwicklung von Lasern im Infrarotbereich (NIR und MIR) erforderlich sind.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es wird hauptsächlich die Photolumineszenzanalyse bei hoher Anregungsintensität verwendet, ergänzt durch polarisationsabhängige Messungen und theoretische Berechnungen (z.B. k·p-Methode, Envelope-Function-Näherung).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Einführung und den experimentellen Teil, wobei Proben von Quantum-Well-Strukturen und InAs-Quantum-Dots im Detail untersucht und deren Emissionsverhalten ausgewertet werden.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Schlüsselbegriffe sind unter anderem Photolumineszenz, Quantum-Well, Quantum-Dot, Interbandübergänge, Bandstruktur, Verspannung und ultraschnelle Photoanregung.
Warum sind InAs-Quantum-Dots für die Untersuchung interessant?
InAs-Quantum-Dots sind aufgrund ihrer vollständigen dreidimensionalen Quantisierung und ihrer Eigenschaft, wie große Atome zu fungieren, von besonderem Interesse für die Realisierung effizienter, kompakt bauender Laser.
Welchen Einfluss hat die Verspannung der Heterostrukturen?
Die Verspannung bewirkt eine Aufspaltung der entarteten Valenzbänder, was die Besetzung und damit die optischen Übergänge zwischen den Energieniveaus maßgeblich beeinflusst.
Wie wurde die stimulierte Emission nachgewiesen?
Die stimulierte Emission wurde durch die Beobachtung spektral schmaler Emissionslinien und das superlineare Ansteigen der Intensität bei steigender Anregungsdichte (Überschreiten einer Schwellenintensität) identifiziert.
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- Diplom-Physiker Matthias Sekowski (Author), 2005, Photolumineszenz von Halbleiterheterostrukturen nach ultraschneller Photoanregung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/64319
