In dieser Arbeit wurde die Herstellung von GaAs Quantenpunkten (QD) und Nanosäulen sowie deren Eigenschaften untersucht. Beide Nanostrukturtypen wurden mit der Methode des Lokalen Tröpfchen Ätzens in der Molekularstrahlepitxie durch das Auffüllen von Nanolöchern hergestellt. In Halbleiteroberflächen werden selbst-organisierte Nanolöcher geätzt, indem Ga oder Al Tröpfchen unter einem sehr niedrigen Arsen Hintergrundfluss bei hohen Temperaturen deponiert werden.
Im ersten Teil dieser Arbeit präsentiere ich GaAs QD eingebettet in einer AlGaAs Matrix. Die QD werden duch partielles Füllen von Nanolöchern mit GaAs gebildet. Durch eine exakte Kontrolle der Herstellungsparamter, vorallem des Arsen Flusses während der Tröpfchendeponierung, war ich in der Lage Nanolöcher mit einer ultra-niedrigen Dichte herzustellen (ULD). Diese ULD Nanolöcher haben eine Dichte von einigen 106 cm-2, was bis zu drei Größenordnungen weniger sind im Vergleich zu Nanolöchern, die mit einem Standard Arsen Druck hergestellt wurden. Ich habe GaAs QD unterschieldicher Größe hergestellt, abhängig vom Füllstand der Löcher. Wir haben die optischen Eigenschaften deser QD unteruscht und konnten die hohe optische Qualität sowie ihre Vielseitigkeit an möglichen Emissionenergien und strukturellen Paramtern demonstrieren. Desweiteren habe ich den ULD Prozess erweitert um vertikal gestapelte GaAs Quantenpunktmoleküle in einer AlGaAs Matrix herzustellen, getrennt durch eine AlGaAs Tunnel Barriere. Auch von diesen neuartigen Quantenpunktmolekülen haben wir die optischen Eigenschaften untersucht und konnten Nichtresonantes Tunneln zwischen den einzelnen QD in Abhängigkeit von der Tunnelbarrierendicke nachweisen. Außerdem konnte wir de Emissionsenergien der QD um bis zu 25 meV verschieben, indem wir den Quantum Confined Stark Effekt genutzt haben.
Im zweiten Teil dieser Arbeit präsentiere ich Nanosäulen, die durch vollständiges Füllen von Nanolöchern, die durch eine nur einige Nanometer dicke AlAs oder AlGaAs Barriere gebohrt wurden, geformt werden. Diese Nanosäulen verbinden zwei GaAs Reservoirs. Wenn die umgebende AlAs Schicht entfernt wird, erhält man zwei GaAs Reservoirs, die nur durch Punktkontakte auf der Nanometerskala verbunden sind, durch die ein Phononentransport balistisch statt findet. Thorben Bartsch konnte zeigen, dass die Dicke des oberen GaAs Reservoirs irrelavant für diesen Effelt ist. Desweiteren nutzten wir ULD Löcher um Nanosäulen mit sehr niedriger Dichte herzustellen. Mit diesen Nanosäulen niedriger Dichte wurden erste elektronische Transportexperimente durch Nanosäulen durchgeführt, wobei die Anzahl der zum Transport beitragenden Säulen durch eine AlGaAs Barriere in einer vordefinierten Mesa abzählbar ist.
In this thesis the formation and the properties of GaAs quantum dots and nanopillars are studied. Both types of nanostructures are fabricated by filling of nanoholes etched using the local droplet etching technique in molecular beam epitaxy. This technique bases on the fact that beneath Al or Ga droplets on semiconductor surfaces self-assembled nanoholes are drilled into semiconductor surfaces. This process takes place at a very low arsenic background pressure and high temperatures.
In the first part I present nanoholes partially filled with GaAs, which are then capped to form GaAs quantum dots in an AlGaAs matrix. By precisely controlling the process parameters, especially the arsenic flux during droplet deposition, I was able to fabricate ultra-low density (ULD) nanoholes. These ULD nanoholes have a density of some 106 cm-2. This is a decrease of up three orders of magnitude to LDE nanoholes fabricated under standard arsenic pressure. I fabricated ULD GaAs QDs of different sizes, depending on the filling level of the holes. We studied the optical properties of single ULD GaAs QDs at low and high excitation powers and demonstrate the high optical quality of these QDs and their versatility in terms of emission energy and structural properties. Furthermore, I expanded the ULD process to form vertically stacked GaAs quantum dot molecules in an AlGaAs matrix with an AlGaAs tunnel barrier. We studied the optical properties of these new QDMs and could prove coupling between the individual dots by non-resonant tunnelling in dependence of the tunnel barrier thickness. Furthermore, by using the quantum confined Stark effect we shifted their emission energies up to 25 meV.
In the second part, I present nanopillars, that are formed by completely filling nanoholes, which were drilled through a few nanometer thin AlAs or AlGaAs barrier between thick GaAs layers. These nanopillars connect two reservoirs of GaAs. If the surrounding AlAs layer is removed, one has nano sized point contacts between two GaAs reservoirs, through which the phonon transport is ballistic. Thorben Bartsch could show that the top layer thickness is irrelevant for this effect. Furthermore, we used the ULD holes to fabricate nanopillars with a very low density to study the first electronic transport through a small number of pillars in a defined mesa through a few nanometer thick AlGaAs barrier.