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
- Einleitung
- Eigenschaften von Heterostrukturen
- Vom Quantum-Well zum Quantum-Dot
- Absorption und Emission in Quantum-Wells und Quantum-Dots
- Relaxationsprozesse
- Zustandsdichten in Heterostrukturen
- Experimenteller Aufbau
- Erzeugung kurzer Impulse
- Erzeugung hoher Intensitäten
- Second Harmonic Generation, SHG
- Detektion der Photolumineszenz
- Autokorrelation
- Das Bandbreiteprodukt
- Physikalische Grundlagen von Quantum-Wells
- Aufbau der untersuchten Quantum-Well-Strukturen
- Aufbau von Probe 5-257
- Aufbau von Probe 5-203
- Berechnung der Energiezustände im Quantum-Well mit Hilfe der Envelope-Function-Näherung
- Zusätzliche Potentiale im Quantum-Well
- Auswahlregeln für Quantum-Wells
- Untersuchung von Quantum-Well-Strukturen
- Photolumineszenzbanden in der Nähe des GaAs-Bandkantenüberganges
- Probe 5-257
- Photolumineszenzmesssungen an Probe 5-257
- Polarisationsabhängige Messungen der Photolumineszenz an Probe 5-257
- Probe 5-203
- Photolumineszenzmessungen an Probe 5-203
- Höhere Quantum-Well-Übergänge in Probe 5-203
- Intensitätsabhängige Messungen
- Zusammenfassung der Ergebnisse und Vergleich mit unabhängig durchgeführten Messungen
- Physikalische Grundlagen von Quantum-Dots
- Aufbau der Probe F-173
- Herstellung von selbstorganisierten Quantum-Dots
- Energieniveaus in sphärischen Quantum-Dots
- Verspannung von Heterostrukturen
- Die k-p-Methode
- Exzitonen
- Auswahlregeln für Quantum-Dots
- Lumineszenzuntersuchungen an Quantum-Dots
- Kantenphotolumineszenz von Probe F-173
- Intensitätsabhängige Messungen an Probe F-173
- Polarisationsmessungen der Photolumineszenz
- Vergleich mit anderen Messungen
- Stimulierte Emission von Probe F-173
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit untersucht die Photolumineszenz von Halbleiter-Heterostrukturen nach ultraschneller Photoanregung. Ziel ist es, ein tiefes Verständnis der physikalischen Prozesse in Quantum-Wells und Quantum-Dots zu entwickeln und experimentell zu verifizieren.
- Charakterisierung der Photolumineszenz in Quantum-Wells und Quantum-Dots
- Untersuchung der Relaxationsprozesse in diesen Strukturen
- Analyse der Einflüsse von Intensität und Polarisation auf die Photolumineszenz
- Vergleich experimenteller Ergebnisse mit theoretischen Modellen
- Analyse der Unterschiede zwischen Quantum-Wells und Quantum-Dots
Zusammenfassung der Kapitel
Einleitung: Die Einleitung beschreibt die Motivation und den Hintergrund der Arbeit, welche die Untersuchung der Photolumineszenz von Halbleiter-Heterostrukturen, speziell Quantum-Wells und Quantum-Dots, nach ultraschneller Anregung zum Ziel hat. Es wird die Bedeutung dieser Forschung für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente hervorgehoben und ein Überblick über die Struktur der Arbeit gegeben.
Eigenschaften von Heterostrukturen: Dieses Kapitel führt in die grundlegenden Eigenschaften von Halbleiter-Heterostrukturen ein, beginnend mit der Erklärung des Konzepts von Quantum-Wells und Quantum-Dots. Es werden die Absorption und Emission von Licht in diesen Strukturen detailliert beschrieben, sowie relevante Relaxationsprozesse und die Zustandsdichten analysiert. Der Unterschied in den elektronischen Eigenschaften von Quantum-Wells und Quantum-Dots wird anhand von Diagrammen und physikalischen Prinzipien erläutert, welche die Grundlage für die weiteren experimentellen Untersuchungen bilden.
Experimenteller Aufbau: Hier wird der experimentelle Aufbau detailliert beschrieben, der zur Untersuchung der Photolumineszenz verwendet wurde. Besondere Aufmerksamkeit wird der Erzeugung kurzer und intensiver Laserimpulse gewidmet, inklusive der Erklärung von Methoden wie Second Harmonic Generation (SHG). Die Detektion der Photolumineszenz und die Charakterisierung der Laserpulse mittels Autokorrelation werden ebenfalls ausführlich erläutert. Der Aufbau bildet die Grundlage für die Messungen an den untersuchten Proben.
Physikalische Grundlagen von Quantum-Wells: Dieses Kapitel konzentriert sich auf die physikalischen Grundlagen von Quantum-Wells. Es beschreibt den Aufbau der untersuchten Proben (5-257 und 5-203) und die Berechnung der Energiezustände mithilfe der Envelope-Function-Näherung. Zusätzliche Potentiale im Quantum-Well und die relevanten Auswahlregeln werden diskutiert. Die detaillierte Beschreibung der Probenarchitektur und des theoretischen Modells ist essentiell für das Verständnis der späteren experimentellen Ergebnisse.
Untersuchung von Quantum-Well-Strukturen: In diesem Kapitel werden die experimentellen Ergebnisse der Photolumineszenzuntersuchungen an den Quantum-Well-Strukturen präsentiert und analysiert. Die Ergebnisse der Messungen an den Proben 5-257 und 5-203 werden detailliert beschrieben, einschließlich intensitäts- und polarisationsabhängiger Messungen. Der Vergleich mit unabhängig durchgeführten Messungen dient der Validierung der Ergebnisse und der Diskussion möglicher systematischer Fehler. Die Interpretation der Ergebnisse stützt sich auf das im vorherigen Kapitel dargestellte theoretische Modell.
Physikalische Grundlagen von Quantum-Dots: Analog zum Kapitel über Quantum-Wells werden hier die physikalischen Grundlagen von Quantum-Dots erläutert. Es wird der Aufbau der Probe F-173 beschrieben, die Herstellung von selbstorganisierten Quantum-Dots erklärt und die Energieniveaus in sphärischen Quantum-Dots berechnet. Die Konzepte der Verspannung in Heterostrukturen, die k-p-Methode und Exzitonen werden eingeführt, um die Eigenschaften der Quantum-Dots zu verstehen. Dieses Kapitel legt das theoretische Fundament für die Analyse der Ergebnisse an den Quantum-Dot-Proben.
Lumineszenzuntersuchungen an Quantum-Dots: Dieses Kapitel präsentiert und analysiert die experimentellen Ergebnisse der Photolumineszenzuntersuchungen an der Quantum-Dot-Probe F-173. Die Ergebnisse intensitäts- und polarisationsabhängiger Messungen werden detailliert diskutiert. Ein Vergleich mit anderen Messungen und die Diskussion der stimulierten Emission runden das Kapitel ab. Die Ergebnisse werden im Kontext der im vorherigen Kapitel beschriebenen physikalischen Grundlagen interpretiert.
Schlüsselwörter
Photolumineszenz, Halbleiter-Heterostrukturen, Quantum-Wells, Quantum-Dots, ultraschnelle Photoanregung, Relaxationsprozesse, Intensitätsabhängigkeit, Polarisationsabhängigkeit, Envelope-Function-Näherung, Exzitonen, GaAs, AlGaAs.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Diplomarbeit: Photolumineszenz von Halbleiter-Heterostrukturen
Was ist der Gegenstand dieser Diplomarbeit?
Diese Diplomarbeit untersucht die Photolumineszenz von Halbleiter-Heterostrukturen, insbesondere von Quanten-Wells und Quanten-Dots, nach ultraschneller optischer Anregung. Ziel ist es, die physikalischen Prozesse in diesen Strukturen zu verstehen und experimentell zu verifizieren.
Welche Strukturen werden untersucht?
Die Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung von Quanten-Wells (Proben 5-257 und 5-203) und Quanten-Dots (Probe F-173). Es werden detaillierte Analysen der jeweiligen Eigenschaften und des Verhaltens unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt.
Welche Messmethoden werden verwendet?
Die Photolumineszenz wird nach ultraschneller Anregung mit kurzen, intensiven Laserpulsen gemessen. Der experimentelle Aufbau beinhaltet Second Harmonic Generation (SHG) zur Charakterisierung der Laserpulse und Autokorrelation zur Bestimmung des Bandbreiteprodukts. Es werden sowohl intensitäts- als auch polarisationsabhängige Messungen durchgeführt.
Welche theoretischen Modelle werden verwendet?
Zur Berechnung der Energiezustände in den Quanten-Wells wird die Envelope-Function-Näherung verwendet. Für die Quanten-Dots werden Konzepte wie die k-p-Methode und die Berücksichtigung von Exzitonen herangezogen. Die theoretischen Modelle dienen zum Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen.
Welche Ergebnisse werden präsentiert?
Die Arbeit präsentiert detaillierte Ergebnisse der Photolumineszenzmessungen an den untersuchten Proben. Die Ergebnisse werden in Abhängigkeit von der Intensität und Polarisation des Anregungslichts analysiert. Es werden Vergleiche mit unabhängigen Messungen durchgeführt und die Unterschiede zwischen Quanten-Wells und Quanten-Dots herausgearbeitet.
Welche physikalischen Prozesse werden untersucht?
Die Arbeit untersucht die Relaxationsprozesse in Quanten-Wells und Quanten-Dots, die Absorption und Emission von Licht in diesen Strukturen, sowie den Einfluss von zusätzlichen Potentialen und der Verspannung in den Heterostrukturen. Die Auswahlregeln für Quanten-Wells und Quanten-Dots spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.
Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit am besten?
Photolumineszenz, Halbleiter-Heterostrukturen, Quanten-Wells, Quanten-Dots, ultraschnelle Photoanregung, Relaxationsprozesse, Intensitätsabhängigkeit, Polarisationsabhängigkeit, Envelope-Function-Näherung, Exzitonen, GaAs, AlGaAs.
Wie ist die Arbeit strukturiert?
Die Arbeit ist in mehrere Kapitel gegliedert, beginnend mit einer Einleitung, gefolgt von Kapiteln zu den Eigenschaften von Heterostrukturen, dem experimentellen Aufbau, den physikalischen Grundlagen von Quanten-Wells und Quanten-Dots, sowie der Präsentation und Diskussion der experimentellen Ergebnisse. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick schließen die Arbeit ab.
Welche Bedeutung hat diese Forschung?
Die Forschung hat Bedeutung für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente, da ein tiefes Verständnis der physikalischen Prozesse in Quanten-Wells und Quanten-Dots essentiell für die Optimierung solcher Bauelemente ist.
- Quote paper
- Diplom-Physiker Matthias Sekowski (Author), 2005, Photolumineszenz von Halbleiterheterostrukturen nach ultraschneller Photoanregung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/64319
