Selbstorganisiertes Wachstum ist ein vielversprechender Weg, Nanostrukturen mit atom-ähnlichen null-dimensionalen Einschlusspotenzialen ohne lithographische Schritte herzustellen. In dieser Arbeit werden selbstorganisierte Wachstumsmechanismen verwendet um InAs-Quantenpunkte auf GaAs- und AlAs Substraten herzustellen, welche von hohem Interesse sind sowohl für Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen wie Quantenpunkt Laser und Datenspeicher. Um die grundlegenden physikalischen Wachstumsprozesse zu verstehen und die maßgeschneiderte Herstellung von Quantenpunkten mit gewünschten elektronischen Eigenschaften zu ermöglichen, ist ein detailliertes Verständnis des Einflusses der Wachstumsparameter auf Verspannung, Komposition und Größe der Quantenpunkte unerlässlich.
Röntgenbeugungsexperimente und Rastersonden-Verfahren wurden an mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellten InAs-Quantenpunkten durchgeführt. Röntgenbeugung ist ein hervorrangend geeignetes Werkzeug um Verspannung und Komposition von InAs-Quantenpunkten zu analysieren, unter anderem wegen der guten Statistik, da die gemessene Fläche auf der Probe mehrer Quadratmillimeter groß ist. Soweit uns bekannt ist, sind Röntgenbeugungsuntersuchungen bisher nur an Luft durchgeführt worden. Da der Einfluß von Oxidation auf die Proben nicht bekannt ist, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Ultrahochvakuum (UHV) Transferkammer gebaut um Proben herzustellen, zu transportieren und zu untersuchen ohne jemals das Vakuum zu brechen. Röntgenbeugungsexperimente wurden an InAs Quantenpunkten auf GaAs Substraten durchgeführt und, nach unserem Wissen zum ersten Mal, auf AlAs Substraten. Karten des Reziproken Raumes um den (202) Braggreflex geben Aufschluß über Verspannung und Komposition innerhalb der InAs-Quantenpunkte. Höhenaufgelöste Messungen ermöglichen eine Bestimmung von Verspannung und Komposition mit einer Höhenauflösung im sub-Nanometer Regime. Der Einfluß von Oxidation wurde untersucht indem die gleiche Probe unter UHV-Bedingungen und nach Belüften vermessen wurde.
In einer detaillierten Studie wurde der Einfluß der Wachstumstemperatur und InAs-Bedeckung auf die Dot-Dichte, -Durchmesser und -Höhen auf AlAs-Substraten untersucht.
Rastertunnelexperimente dienten zur Untersuchung der Quantenpunkte mit einer Ortsauflösung von wenigen Angström. Rastertunnelmikroskopie Aufnahmen zeigten eine facettierte Form der Quantenpunkte. Auf der Probenoberfläche konnte eine 2x4 Rekonstruktion und monoatomare Stufen um die Dots herum nachgewiesen werden. Mittels Rastertunnelspektroskopie gelang es die Einteilchen Wellenfunktionen einzelner elektronischer Niveaus zu Kartographieren.
Photolumineszenz Experimente zeigten Emissionen von einzelnen Quantenpunkten im optisch sichtbaren Bereich von 1.6eV (780nm) bis 1.8eV (680nm).
Insgesamt gelang es mit Hilfe der Herstellung von InAs Quantenpunkten unter wohldefinierten Wachstumsbedingungen und der Analyse der Proben mittels Röntgenbeugung und Rastersonden-Verfahren, den Einfluß der Wachstumsparameter auf strukturelle und elektronische Eigenschaften der Quantenpunkte zu bestimmen, welches zu einem besseren Verständnis des der Wachstumsprozesse und der elektronischen Zustände von InAs Quantenpunkten führt.
Self assembly is a novel way to fabricate nanostructures that have an atom-like, zero-dimensional carrier confinement without lithographic processing. Self assembling mechanisms are employed to grow InAs quantum dots on GaAs and AlAs substrates, which are promising candidates for fundamental research as well as for technological applications such as quantum dot lasers and data storage devices. In order to understand the growth mechanisms and enable the tailored growth of quantum dots with desired electronic properties, a detailed understanding of the influence of growth parameters on strain, composition and size of the quantum dots is crucial.
In the present work x-ray diffraction experiments and scanning probe measurements are presented on InAs quantum dots grown by molecular beam epitaxy (MBE). X-ray diffraction is a powerful tool to analyze strain and composition of InAs quantum dots. It benefits from good statistics as the diffracting area is several square millimeters large. However to our knowledge, all previous x-ray studies have been performed under air with oxidized samples. As the influence of oxidation is not clear, an ultra-high vacuum (UHV) transfer chamber was built in order to fabricate, transport, and analyze the samples without breaking the vacuum. Experiments were performed on InAs quantum dots grown on GaAs-substrates and, to our knowledge for the first time, on AlAs-substrates. Reciprocal space maps in the vicinity of the (202) Bragg reflection give an understanding of the strain and composition distributions inside the InAs quantum dots. We performed height-resolved measurements that enabled the determination of the strain and composition with a spatial resolution in the growth direction in the sub-nanometer regime. The influence of oxide was investigated by measuring the same sample under UHV conditions and after exposing the sample to air.
A detailed growth study was performed for InAs quantum dots grown on AlAs substrates. The influence of the growth temperature and InAs coverage on the density, diameter, and height of the quantum dots were investigated with atomic force microscopy.
Scanning tunneling experiments have been performed to analyze structural properties of the quantum dots with a resolution of a few angstroms. Scanning tunneling microscopy images show the shape of the quantum dots. Measurements on the sample surface near the dots, the so-called wetting layer, show a 2x4 reconstruction and monoatomic steps. Applying scanning tunneling spectroscopy, the energy levels of the single particle states could be determined and the spatial destribution was mapped.
The quantum dots were analyzed with Photoluminescence spectroscopy. Single quantum dot emission lines were observed in the visible range from 1.6eV (780nm) to 1.8eV (680nm).
Thus by growing a large number of samples under well-defined growth conditions and analyzing the samples with x-ray diffraction, scanning probe measurements, and photoluminescence, the influence of the growth parameters on the structural and electronical properties was determined leading to a better understanding of quantum dot growth and the electronic states of single quantum dots.