Selbstorganisierte InAs-Quantenpunkte : Eigenschaften, Modifizierung und Emissionsprozesse

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturelle, optische und elektronische Eigenschaften selbstorganisierter InAs-Quantenpunkte (QP) mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM), Photolumineszenzspektroskopie (PL), Kapazitätsspektroskopie (CV) und Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS) untersucht. Die Quantenpunkte wurden mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt und für elektronische Untersuchungen in Schottkydioden eingebettet. Es wurden in dieser Arbeit sowohl Aspekte des Wachstums beleuchtet als auch die elektronischen Eigenschaften der QP. Durch die Änderung der QP-Wachstumsparameter ist es möglich, die strukturellen Eigenschaften der QP wie die Flächendichte oder die Größe zu kontrollieren. Dadurch ist es möglich, Einfluss auf die optischen und elektronischen QP-Eigenschaften zu nehmen. Es werden im Rahmen dieser Arbeit zwei Methoden vorgestellt. Unterschiedliche Wachstumstemperaturen führen entweder zu kleinen QP mit einer hohen Flächendichte oder zu großen QP mit einer geringen QP-Dichte. Die Änderungen in den strukturellen Eigenschaften spiegeln sich in den optischen und elektronischen Eigenschaften wider. Eine zweite, vielversprechende Methode ist das Überwachsen von QP mit dünnen Deckschichten. Durch anschließende Wachstumsunterbrechungen kommt es zu strukturellen Änderungen der QP. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Prozess mit AlAs die Möglichkeit gibt, die energetische Niveaustruktur der QP definiert zu kontrollieren. Eine weitere Möglichkeit, die QP-Eigenschaften nach dem Wachstum zu manipulieren, kann durch Rapid Thermal Annealing (RTA) erreicht werden. Eine Erhöhung der RTA-Temperaturen führt aufgrund zunehmender In/Ga-Durchmischungsprozesse zu einer Verkleinerung der energetischen Abstände der Quantenpunktniveaus zur GaAs-Leitungsbandkante. Weiterhin wurden in dieser Arbeit die Einflüsse elektrischer und magnetischer Felder auf die Emission von Ladungsträgern aus den QP untersucht. In DLTS-Experimenten wurde ein starker Einfluss des elektrischen Feldes auf die Aktivierungsenergien beobachtet, der sich mit einem thermisch assistierten Tunnelmodell beschreiben lässt. Es kann in erweiterter Form den Einfluss von Coulombwechselwirkungen in besetzten QP auf die Emissionsraten beschreiben. Um einen Überlapp mehrerer Emissionspfade zu vermeiden, wurde die Tunneltransientenspektroskopie auf die QP angewandt. Die mit dieser Methode gefundenen Bindungsenergien korrespondieren mit den Werten aus den DLTS-Experimenten. Weiterhin wurden Einflüsse von senkrechten und parallelen Magnetfeldern auf die Emissionsprozesse in den QP studiert. Diese Messungen belegen die Zuordnungen der QP-Niveaus.

In this thesis, structural, optical as well as electronic properties of self-assembled InAs quantum dots (QD) were studied by means of atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL), capacitance spectroscopy (CV) and capacitance transient spectroscopy (DLTS). The quantum dots were grown with molecular beam epitaxy (MBE) and embedded in Schottky diodes for electrical characterization. In this work growth aspects as well as the electronic structures of QD were discussed. By varying the QD growth parameters it is possible to control the structural, and thus the optical and electronic properties of QD. Two methods are presented. Adjusting the QD growth temperature leads either to small QD with a high areal density or to high QDs with a low density. The structural changes of the QD are reflected in the changes of the optical and electronic properties. The second method is to introduce a growth interruption after capping the QD with thin cap layers. It was shown that capping with AlAs leads to a well-developed alternative to control the QD height and thus the ground-state energies of the QD. A post-growth method modifying the QD properties ist rapid thermal annealing (RTA). Raising the RTA temperature causes a lifting of the QD energy states with respect to the GaAs band edge energy due to In/Ga intermixing processes. A further main part of this work covers the emission processes of charge carriers in QD. Thermal emission, thermally assisted tunneling, and pure tunneling emission are studied by capacitance transient spectroscopy techniques. In DLTS experiments a strong impact of the electric field on the activation energies of electrons was found interfering the correct determination of the QD level energies. This behaviour can be explained by a thermally assisted tunneling model. A modified model taking the Coulomb interaction of occupied QD into account describes the emission rates of the electrons. In order to avoid several emission pathes in the experiments, tunneling transient spectroscopy (TTS) is employed. The binding energies found with TTS correspond to the level energies obtained from DLTS experiments. Furthermore the influence of strong magnetic fields on the thermal as well as the tunneling emission is studied.