Lineare optische Untersuchungen an Halbleiter Heterostrukturen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden lineare optische Untersuchungen an Halbleiter Heterostrukturen durchgeführt, hierbei stand hauptsächlich der zukünftige Nutzen der entsprechenden Strukturen als optisches Bauelement für die Halbleiterindustrie im Vordergrund.Im ersten Teil wurden Ga(N,As,P) Quantenfilmstrukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken und Ge-reiche GeSi Mischkristalle mit unterschiedlichen Si-Gehalten untersucht, da diese Strukturen auf Grund der zu Silizium ähnlichen Gitterkonstanten monolithisch auf dieses gewachsen werden können. Mit Hilfe von temperaturabhängigen absoluten Photolumineszenzmessungen an den Ga(N,As,P) Strukturen konnte die externe optische Quanteneffizienz dieser Proben ermittelt und darüber auf die interne Quanteneffizienz geschlossen werden. So wiesen alle Proben bei Temperaturen unterhalb von 50K eine interne Quanteneffizienz von über 90% auf, welche jedoch bei Raumtemperatur auf unter 40%, teilweise auch auf unter 10% sank. Dabei zeigte sich, dass die Proben mit dickeren Quantenfilmen einen etwas geringeren Abfall aufwiesen, bzw. eine höhere Effizienz bei Raumtemperatur besaßen. Die geringste Effizienz bei Raumtemperatur wurde an Proben mit zusätzlichen (B,Ga)P Schichten (und somit auch mit den meisten Grenzflächen) gemessen. Dies deutet daraufhin, dass vor Allem ein Augenmerk auf die Güte und Anzahl der Grenzflächen bei diesem Materialsystem gelegt werden muss, um ausreichend hohe Effizienzen in einem Anwendungsnahen Temperaturbereich zu erzielen. Die Ge-reiche GeSi Mischkristalle wurden zur Charakterisierung mittels photomodulierter Reflexionsspektroskopie untersucht, dabei zeigte der Übergang vom Valenzband in das Leitungsband am Γ-Punkt deutliche Signale in den Spektren. Ein direkter Vergleich der energetischen Lage dieses Übergangs in Abhängigkeit der Siliziumkonzentration mit theoretischen Abschätzungen zeigte, dass eine lineare Interpolierung der Materialparameter auch bei Ge-reichen GeSi Mischkristallen sinnvolle Ergebnisse erzielt, jedoch bedarf es weiteren Untersuchungen, um dieses Materialsystem in Zukunft für optische Anwendungen nutzbar zu machen.Im zweiten Teil wurden (Ga,In)Sb basierte Quantenfilmstrukturen mittels photomodulierter Reflexionsspektroskopie und Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist intakte (Al,Ga,In)Sb Quantenfilmstrukturen auf GaAs Substrat mit Hilfe einer IMF-Schicht zu wachsen, welches im Vergleich zu GaSb eine wesentlich stärkere Wärmeleitung bietet und somit eine bessere Nutzung für den Betrieb als Laserdiode ermöglicht. Des Weiteren zeigte sich, dass die optimale Wachstumstemperatur ein sensibler Parameter ist, der sich direkt auf die optischen Eigenschaften des (Al,Ga,In)Sb Quantenfilms auswirkt. Mit temperaturabhängigen Photolumineszenzspektren konnte das thermische Löschen der Photolumineszenz analysiert werden. Dabei zeigte sich, dass das thermische Löschen seinen Ursprung in nichtstrahlenden Störstellen hat, welche entweder innerhalb des Quantenfilms lokalisiert sind, oder innerhalb der Barrieren nahe der Schichtgrenze, so dass diese durch Tunnelprozesse erreichbar sind. Dies bedeutet, dass in Zukunft eine weitere Optimierung bei den Wachstumstechniken notwendig ist, um eine Reduzierung der nichtstrahlenden Störstellen zu erreichen,welche momentan für eine verringerte optische Effizienz verantwortlich sind.Der letzten Teil dieser Arbeit wurde die Oberflächengüte von TiO2 Kristallen mit Reflexionsmessung untersucht. Dazu wurden die Oberflächen der Proben mittels Sputtern und Tempern derart präpariert, dass bei einer der Proben eine stöchiometrische Oberfläche und bei den anderen eine reduzierte sowie eine stark reduzierte Oberfläche erzeugt wurde. Durch Vergleiche der gemessenen Reflexionsspektren mit den theoretisch zu erwarten den Spektren konnten signifikante Unterschiede festgestellt werden, welche es erlauben, zu identifizieren, ob es sich um stöchiometrische Oberflächen handelt bzw. ob diese sauerstoffverarmt sind. Somit könnte in Zukunft die fehleranfällige Rastertunnelmikroskopie durch die einfache und schnell durchführbare Reflexionsspektroskopie, bei der Überprüfung von stöchiometrischen Oberflächen an TiO2 Kristallen, ersetzt werden.