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Untersuchungen zur Bildung von Quantenpunkten im Stranski-Krastanow und im Submonolagen Wachstumsmodus
Pötschke, Konstantin
Selbstorganisierte Halbleiter-Quantenpunkte stellen für technologische Anwendungen hochinteressante Strukturen dar. Ihre dreidimensionalen Abmessungen liegen in dem Bereich, in dem die Quantenmechanik eine entscheidende Rolle spielt. Quantenpunkt-basierte Laser und optische Verstärker können die besonderen Eigenschaften der Quantenpunkte zur schnelleren und effizienteren optischen Datenübertragung in Glasfasern nutzen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, das Verständnis der Bildung von InAs Quantenpunkten im Stranski-Krastanow Wachstumsmodus zu erweitern. Außerdem wird erstmals eine umfassende und systematische Untersuchung des Einflusses der wesentlichen Wachstumsparameter auf die Lumineszenzeigenschaften von InAs/GaAs Submonolagen-Stapeln präsentiert und deren elektronische und optische Eigenschaften diskutiert. Die Aufspaltung der Lumineszenz von im Stranski-Krastanow Wachstumsmodus hergestellten Quantenpunkt-Ensembles in eine multimodale Verteilung konnte eindeutig der Ausbildung von flachen Quantenpunkten mit scharfen oberen und unteren Grenzflächen zugeordnet werden. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Wachstumsrate der GaAs Deckschicht über den Quantenpunkten einen entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung der multimodalen Verteilung hat. Die Zugabe geringer Mengen, des für InAs und GaAs als Tensid wirkenden Antimons, verstärkt die Monolagen-Aufspaltung zusätzlich. Das Auftreten der Monolagen-Aufspaltung ermöglichte detaillierte Aussagen zum Einfluss von Wachstumsparametern in Probenserien und gab Hinweise auf strukturelle Eigenschaften des gesamten Quantenpunkt-Ensembles. Dies wird bei der detaillierten Diskussion der Entwicklung eines Quantenpunkt-Ensembles während der Wachstumsunterbrechung deutlich. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Herstellung von Quanten(punkt)strukturen durch die Deposition von Submonolagen (SML) untersucht. Durch die systematische Variation von Wachstumsparametern konnte ein Emissionsbereich von 910 nm bis 1030 nm eingestellt werden. Die detaillierte Analyse der Linienform der Lumineszenz der Submonolagen-Stapel bei 10 K zeigte, dass diese sehr gut als ein Quantenfilm mit Lokalisationszentren, die durch Kompositions- oder Schichtdickenfluktuationen verursacht werden, beschrieben werden können. Aus den Untersuchungen des temperaturabhängigen Verhaltens der Emission des Submonolagen-Stapels ergibt sich, dass der Einfluss der Potential-Fluktuationen innerhalb der Struktur gering ist. Erste, auf 8-Band k•p Theorie in Verbindung mit der Konfigurations-Wechselwirkungs-Methode basierende, Modellierungen der elektronischen und optischen Eigenschaften der SML-Stapel zeigen, dass möglicherweise nicht nur eine vertikale, sondern auch eine laterale Kopplung zwischen einzelnen SML-Stapeln existiert. Die zur Demonstration der Eignung von Submonolagen-Stapeln für optische Bauelemente hergestellten Kantenemitter besitzen ausgezeichnete Kenndaten, die vergleichbar oder besser als die bisher für Breitstreifenlaser veröffentlichten Werte sind.
Self-organized semiconductor quantum dots are of particular interest for technological applications. Their dimensions in all three directions are in the range where quantum mechanics plays a crucial role. Quantum-dot-based lasers and optical amplifiers utilize the special characteristics of quantum dots for faster and more efficient optical data transmission via optical fibers. This work successfully extends the understanding of the formation of InAs/GaAs quantum dots in the Stranski-Krastanow growth mode. In addition a comprehensive and systematic investigation of the influence of fundamental growth parameters on the luminescence characteristics of InAs/GaAs submonolayer stacks is presented for the first time and their electronic and optical properties are discussed. A distinct splitting of the luminescence of quantum dot ensembles, fabricated in the Stranski Krastanow growth mode, into a multimodal distribution could be clearly assigned to the formation of flat quantum dots with sharp upper and lower interfaces. It could be stated that the growth rate of the quantum dot capping layer plays a crucial role in the formation of the multimodal distribution. The addition of small amounts of antimony, working for InAs and GaAs as surfactant, increases the ML-splitting additionally. The occurrence of the ML-splitting allows for a detailed understanding of the influence of growth parameters and gives conclusions on the structural characteristics of the entire ensemble of quantum dots. This is pointed out by the detailed discussion of the evolution of an ensemble of quantum dots during the growth interruption after InAs deposition. In the second part of the work the growth of quantum (dot) structures was conducted by the deposition of InAs submonolayers stacks. An emission range from 910 nm to 1030 nm could be achieved by the systematic variation of growth parameters. A detailed analysis of the submonolayer-stack luminescence line shape at 10 K showed that these structures can be described very well as a quantum film with localization centers, which are caused by composition or layer thickness fluctuations. The investigation of the temperature-dependent behavior of the emission shows that the influence of the potential fluctuations is small within the structure. Preliminary modeling of the electronic and optical characteristics of the submonolayer stacks with 8-Band k•p theory in connection with the configuration interaction method shows that not only a vertical, but also a lateral coupling between individual submonolayers may exist. For the demonstration of the suitability of submonolayer stacks for optical devices, edge emitting lasers were manufactured. These devices exhibit excellent characteristics that are comparable to or even better than the data for broad stripe lasers as published so far.
