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Eigenschaften und Dynamik verschiedener Transferprozesse in Arsenid- und Nitrid-Quantenpunkten
Werner, Stefan
Die stetig größer werdende Bedeutung in der Anwendung von Halbleiterquantenpunkten liegt in den Möglichkeiten, ihre Eigenschaften in sehr kleinen und kostengünstigen Bauelementen auszunutzen. So findet man sie unter anderem in Halbleiterlasern und -dioden, optischen Verstärkern oder als Medium zur Realisierung der Quantenkryptographie in Form von Einzelphotonenemittern. Wachstumsbedingungen und deren Folgen - wie zum Beispiel Defekteinbau, Quantenpunktgröße, -komposition oder -dichte - oder Anregungskonditionen haben erheblichen Einfluss auf die in Experimenten beobachtbaren verschiedenen Relaxationsmechanismen, Transferprozessen und Wechselwirkungen sowie deren dynamischen Eigenschaften. Für die Entwicklung von optischen Bauelementen benötigt man natürlich Kenntnisse über mögliche Dephasierungs- und Transferprozesse in den als aktives Medium verwendeten Quantenpunkten. Im Fokus dieser Arbeit stehen drei Themengebiete: Zunächst werden die dynamischen Eigenschaften kohärenter und inkohärenter vibronischer Prozesse in InAs/GaAs-Quantenpunktensembles betrachtet, also der Einfluss von Phononen sowie deren Wechselwirkung mit Exzitonen. Es werden zwei verschiedene Wechselwirkungen präsentiert: Die resonante Raman-Streuung und ein phononen-assistierter Lumineszenzprozess. Deren charakteristische Dynamik macht es möglich, die sonst nicht voneinander unterscheidbaren Prozesse, separat zu untersuchen. Zusätzlich wird gezeigt, dass durch die Kombination von temperaturabhängigen sowie zeitaufgelösten PL-Messungen ein schwacher Phononen-Bottleneck-Effekt für tiefe Temperaturen unterhalb von 130K beobachtbar ist, der dazu führt, dass die angeregten Ladungsträger bevorzugt über den phononen-assistierten Lumineszenzprozess abgebaut werden. Danach wird die Folge einer größeren Quantenpunktdichte untersucht. Dazu wird das Submonolagen-Wachstum betrachtet wobei die SML-Quantenpunkte an Stranski-Krastanov-Quantenpunkte gekoppelt sind. Photolumineszenzspektren von SML-Quantenpunkten werden gezeigt und deren Temperaturverhalten, Polarisationsabhängigkeit und Dynamik werden untersucht. Unter anderem wird gezeigt, dass die Dynamik stark von der Anregung beeinflusst werden kann. Außerdem wird die Folge verschiedener Wachstumsunterbrechungen auf die optischen Eigenschaften beleuchtet. Im letzten Teil dieser Arbeit werden dann die optischen Eigenschaften und die Dynamik einzelner Quantenpunkte besprochen. In diesem Kapitel werden erste experimentelle Resultate mittels der Photolumineszenzmethode an InGaN-Quantenpunkten präsentiert und mit Kathodolumineszenzmessungen verglichen. Auf diese Weise erhält man Aufschluss darüber, inwiefern sich die PL als Charakterisierungsmethode einzelner Quantenpunkte eignet.
The ever-increasing importance in the application of semiconductor quantum dots is in the ability to exploit their properties in very small and inexpensive components. They are used in semiconductor lasers and diodes, optical amplifiers, or as a medium for the realization of quantum cryptography in the form of single photon emitters. Growth conditions and their consequences - such as incorporation of defects, quantum dot size and composition or density - or excitation conditions have considerable influence on the various relaxation mechanisms, transfer processes and interactions observed in experiments and their dynamic properties. For the development of optical components, there is a need of complete understanding of the dephasing and transfer processes used in the quantum dots as active medium. The focus of this work are three areas: First, the dynamic properties of coherent and incoherent vibronic processes in InAs/GaAs quantum dot ensembles considered, therefore, the influence of phonons and their interaction with excitons. Two different interactions are presented: the resonant Raman scattering and a phonon-assisted luminescence process. Their typical dynamics makes it possible to study the otherwise non-distinguishable processes separately. In addition, it is shown with the combination of temperature-dependent and time-resolved PL measurements, that a weak Phonon Bottleneck effect for low temperatures below 130K is observable, leading to the result that the excited charge carriers preferably recombinate via the phonon-assisted luminescence process. Thereafter, the consequence of a larger quantum dot density is investigated. Sub-monolayer quantum dots were grown with the SML quantum dots coupling to Stranski-Krastanov quantum dots. Photoluminescence spectra of SML quantum dots are shown and their temperature behavior, polarization dependency and dynamics are examined. Among other things, it is shown that the dynamics are strongly influenced by the excitation conditions. In addition, the influence of different growth interruptions on the optical properties are considered. In the last part of this work, the optical properties and the dynamics of individual quantum dots are discussed. This chapter presents first experimental results of InGaN quantum dots using the photoluminescence method. They are compared with cathodoluminescence measurements. That gives an indication of the extent to which the PL is suitable as a characterization method of single quantum dots.
