Self-assembled InAs quantum dots in and on AlxGa1-xAs matrix

Abstract

Quantenpunkte sind kleine dreidimensionale Kristalle. Sie zeichnen sich durch eine quantisierte Zustandsdichte aus, weshalb sie sehr oft als künstliche Atome bezeichnet werden. Quantenpunkte können sehr vielfältig eingesetzt werden. Die untersuchten Quantenpunktansammlungen werden optimiert um Sie in einem Quantenkaskadenlaser einzubetten, um seine Eigenschaften wie Schwellenstromdichte und Temperaturabhängigkeit zu verbessern.<br />Die in dieser Arbeit untersuchten InAs Quantenpunktansammlungen wurden mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Dabzu wurde eine InAs Schicht auf einer AlxGa1-xAs Schicht abgeschieden. Zuerst wurden die kritische Schichtdicke ab welcher sich die Quantenpunkte bilden und der Einfluss der Wachstumsrate, Wachsumstemperatur, des Arsendruckes und Temperns bei offenem Arsenfluss auf die statistischen Kenngrössen untersucht. Dann wurden InAs Quantenpunkte in einer AlxGa1-xAs Matrix mittels Photolumineszenz (PL) optisch untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Messtemperatur, des Al Gehalts und der Quantenpunktgröße auf den Grundzustand des Quantenpunktes analysiert.<br />Für die verwendeten MBE Wachstumsparameter wurde eine kritische Schichtdicke von 0,5049 nm festgestellt. Für eine Variation der Wachstumsrate von 0,005 µm/h bis 0,1 µm/h ergibt sich ein nahezu linearer Abfall der Quantenpunkthöhe und ein linearer Anstieg der Quantenpunktdichte. Die Variation der Wachsumstemperatur von 490°C zu 510°C zeigte den Trend, dass Quantenpunkte höher und weniger dicht wachsen. Wachstum auf einer Oberfläche mit höherem Al Gehalt zeigte kleinere Quantenpunkthöhen und größere Quantenpunktdichten. Die Verwendung eines niedrigen Arsendruckes und des Temperns zeigte kleinere Streuung und ein Verschwinden der doppelten Verteilung der Quantenpunkthöhe. Ein Temperaturanstieg zeigte eine Rotverschiebung der Energie des Grundzustands. Bis zu einer gewissen Temperatur wurde die PL Linienbreite schmäler, und dann breiter. Eine höhere Temperatur zeigte eine Verkleinerung der PL Intensität. Der Abfall der PL Intensität wurde schwächer mit wachsendem Al Gehalt. Höherer Al Gehalt zeigte eine Blauverschiebung der Energie des Grundzustands und eine Verbreiterung der PL Linienbreite. Eine Erhöhung des Quantenpunktes zeigte eine nahezu lineare Rotverschiebung der Energie des Grundzustandes.<br />

A semiconductor quantum dot (QD) is a small three-dimensional semiconductor crystal. The density of states is quantized, so it is often referred to as an artificial atom. The applications of quantum dots are very manifold. The quantum dot ensembles used in this diploma thesis can be integrated to a quantum cascade laser (QCL) to improve his properties, for example the threshold current and temperature dependence. The InAs quantum dots investigated in this diploma thesis are grown with molecular beam epitaxy (MBE). An InAs layer is deposited on an AlxGa1-xAs surface. First, the critical thickness was determined. Then the dependences on the growth rate, growth temperature, arsenic pressure, and annealing under an arsenic flux were analyzed. Finally, InAs quantum dots in an AlxGa1-xAs matrix were used to investigate the electronic properties by photoluminescence (PL) measurements. The dependence of the energy ground state, the PL full width at half maximum (FWHM), the integrated PL intensity on the temperature, the Al concentration, and the quantum dot size distribution are analyzed. The critical thickness for QD nucleation was determined to be 0.5049 nm under the MBE growth conditions used. The variation of the growth temperature from 490°C to 510°C shows an increase of the average quantum dot height and a decrease of the quantum dot density. At higher growth temperatures the quantum dot height decreases rapidly. With increasing Al concentration the quantum dot height decreases and the quantum dot density increases. Using a lower arsenic overpressure as well as sequential annealing the standard deviation of the quantum dot height decreased and the observed double peak distribution of the height disappeared. The QD peak PL energy shows a redshift with increasing temperature. With increasing temperature the QD PL FWHM decreases up to a minimum and then it increases. The integrated PL intensity decreases at higher temperatures. This decrease is lower for higher Al concentrations in the matrix. The QD peak PL energy shows a blue shift increase with increasing Al concentration in the matrix and an increase of the QD PL FWHM. With increasing quantum dot height the energy ground state redshifts.<br />gte eine nahezu lineare Rotverschiebung der Energie des Grundzustandes.<br />