"Optische Spektroskopie an Halbleiter-Quantenpunkten mit wenigen Elektronen"

Kurzfassung

In dieser Arbeit werden InGaAs-Quantenpunkte mit einstellbarer Elektronenzahl mittels resonanter Raman- und Photolumineszenzspektroskopie in Magnetfeldern untersucht. Zur Charakterisierung werden die Kapazitäts- sowie die nichtresonante Photolumineszenzspektroskopie verwendet. Erstere benötigt man, um Aussagen über die Beladungszustände der Quantenpunkte tätigen zu können, letztere, um Auskunft über die Rekombinationsenergien in den Quantenpunkten zu erhalten. Die Anregung in den Quantenpunkten wird in dieser Arbeit an der fundamentalen E₀-Energielücke durchgeführt. Deshalb müssen die Rekombinationsenergien der Quantenpunkte aufgrund der verwendeten Detektor-Laser-Kombination in einem bestimmten Bereich liegen, was bei einer verwendeten Probe mittels rapid thermal annealing erreicht wird. Die enthaltenen Quantenpunkte können gezielt mit bis zu zwei Elektronen beladen werden.

Bei den Quantenpunkten mit zwei Elektronen, auch Quantenpunkt-Helium genannt, können die fundamentalsten Vielteilchenzustände verursacht durch Coulomb-Wechselwirkung und das Pauli-Prinzip untersucht werden. Wir detektieren Anregungen aus dem Grundzustand in angeregte Singulett- (Para-Helium) und Triplett- (Ortho- Helium) Zustände, die durch resonante Photolumineszenz- und Ramanprozesse hervorgerufen werden. Des Weiteren werden Übergänge zwischen angeregten Singulett und Triplett-Zuständen mit unterschiedlichen Drehimpulsen und Übergänge zwischen angeregten Triplett- und Singulett-Zuständen beobachtet. Bei Beladung der Quantenpunkte mit N = 1 Elektron detektieren wir bei den Energien der Anregungen in den Singulett-Zustand für Quantenpunkte mit N = 2 Elektronen auch Anregungen vom Grundzustand in den ersten angeregten Zustand über resonante Photolumineszenz- und Ramanprozesse (Kohn-Mode) und Übergänge zwischen Zuständen mit verschiedenen Drehimpulsen. Zudem werden starke polaronische Effekte beobachtet. Theoretische Berechnungen unter Berücksichtigung der Quantenpunktelliptizität stimmen für den Ein- beziehungsweise Zwei-Elektronen-Fall sehr gut mit den Messungen überein. In den ungefüllten Quantenpunkten werden nur Photolumineszenzsignale detektiert, die auch wieder sehr intensiven polaronischen Charakter aufweisen.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this work we investigate InGaAs quantum dots with an adjustable number of electrons by means of resonant Raman and photoluminescense spectroscopy in magnetic fields. For characterization, capacitance-voltage and nonresonant photoluminescence spectroscopy are used. The former is necessary to analyze the charging behavior of the quantum dots, the latter to receive information about the recombination energies in the quantum dots. We excite in the range of the fundamental E₀ energy gap. To achieve that the ground state transition of the quantum dots resides in the range of our detector and the emission energy range of our exciting laser, some samples are rapidly thermally annealed. It is possible to charge these quantum dots with up to two electrons.

For the quantum dots containing two electrons, the so-called quantum-dot helium, the most fundamental many-particle states induced by Coulomb interaction and the Pauli principle can be studied. We observe transitions from the ground state into excited singlet (para-helium) and triplet (ortho-helium) states provoked by both resonant Raman and resonant photoluminescence processes. Furthermore transitions between excited triplet and singlet states and, for finite magnetic fields, transitions between different angular momentum singlet or triplet states are detected. For quantum dots charged with N = 1 electron we observe at the same energy where the transitions into the excited singlet states for quantum dots with N = 2 electrons are observed excitations from the ground into the first excited state (Kohn mode) provoked by resonant Raman and resonant photoluminescence processes and transitions between excited states of different angular momentum. Additionally we detect strong polaronic effects. Theoretical calculations considering the elliptical shape of the quantum dots are in good agreement for the one- and two-electron case compared to the measurements. In empty quantum dots we only detect signals occurring from resonant photoluminescense processes which show again strong polaronic effects.