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Optische Untersuchungen von Intersubniveau-Übergängen in selbstorganisierten InGaAs/GaAs-Quantenpunkten

Weber, Alexander

Fak. 2 Mathematik und Naturwissenschaften

Im Rahmen dieser Arbeit werden Intersubniveau-Übergänge in selbstorganisierten InGaAs/GaAs-Quantenpunkten mit spektroskopischen Methoden untersucht. Dabei wird einerseits das ladungsabhängige Absorptionsverhalten der Nanostrukturen im Mittelinfrarot mit einer neuen Kombination aus Fourierspektroskopie und kalorimetrischer Absorptionsspektroskopie erforscht. Andererseits wird mittelinfrarote Intersubniveau-Emission aus Quantenpunkten spektroskopisch untersucht. Die prinzipielle Machbarkeit eines bipolaren zweifarbigen Lasers, der im Nah- und im Mittelinfrarot emittiert, kann durch Simulationen gezeigt werden. Mit Hilfe der genannten Absorptions-Technik ist es möglich, Phononen erzeugende, nichtstrahlende Intersubniveau-Übergänge in Quantenpunkten direkt nachzuweisen, indem die Erwärmung der Probe durch Ladungsträgerrelaxationen nach optischer Absorption in den Quantenpunkten gemessen wird. Deshalb kann man den Aufbau auch als mittelinfrarotes Quantenpunktbolometer bezeichnen. Es wird experimentell eine ladungsabhängige Absorption in den Quantenpunkten nachgewiesen. Deren Intensität und Wellenlänge hängt von der Ladung der Quantenpunkte, die sich durch Anlegen einer externen Spannung verändern lässt, ab. Die beobachteten Effekte können durch unterschiedliche Ladungsträgerbesetzung, Pauli-Blockade und Mehrteilcheneffekte in den Quantenpunkten erklärt werden. Der Intersubniveau-Absorptionsquerschnitt für Quantenpunkte, die mit einem Elektron besetzt sind, wird mit ~10-13 cm2 bestimmt. Undotierte, optisch gepumpte Quantenpunktproben ohne Wellenleiter zeigen mittelinfrarote Emissionspeaks. Die Intensität wächst dabei unterlinear mit der optischen Anregungsleistung und sättigt schließlich. Aus dem beobachteten Sättigungsverhalten lässt sich die Art der Ladungsträgerrelaxation bestimmen ? bei den untersuchten Proben liegt in der Hauptsache eine rein kaskadische Relaxation vor. Nahinfrarote Laserproben ergeben bei optischer oder elektrischer Anregung ebenfalls mittelinfrarote Emissionspeaks im Bereich von 50?115 meV. Je nach Zustand und Größe des Wellenleiters weicht hier aber die Abhängigkeit der mittelinfraroten Intensität von der Anregungsleistung deutlich vom erwarteten Verhalten ab, indem sie einen signifikant überlinearen Anstieg aufweist. Simulationen eines nahinfraroten Quantenpunktlasers, die auch die mittelinfrarote Emission berücksichtigen, zeigen, dass der beobachtete überlineare Anstieg durch Intersubniveau-Emission im Lasermode erklärt werden kann. Diese mittelinfrarote Emission ist zwar noch weit unterhalb der Schwelle für einen mittelinfraroten Laser, aber ein wichtiger experimenteller Schritt hin zu einem solchen.