David Endler, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2002
Schlagwörter: molecular beam epitaxial growth, III-V semiconductors, photoluminescence, reflection high energy electron dirffraction
PACS: 07.20.Ka, 42.55.Sa, 61.l4.Hg, 73.21.La, 78.55.Cr, 78.67.Hc, 81.07.Ta, 81.15.Hi, 95.75.Kk
Gegenstand dieser Arbeit ist die Herstellung und Untersuchung von Halbleiter-Mikroresonatoren. Hierbei stehen insbesondere Optimierungsprozesse des Molekularstrahlepitaxie-Wachstums von dielektrischen Spiegeln und selbstorganisiert gewachsenen InAs-Quantenpunkten im Mittelpunkt des Interesses.
Auf der Basis von elementaren Prozessen, die beim Molekularstrahlepitaxie-Wachstums auf der Substratoberfläche stattfinden sowie unter Berücksichtigung der Ergebnisse von spektroskopischen Messungen an gewachsenen Mikroresonatoren und mit Hilfe von Computersimulationen wurden systematische Fehler, die während des Wachstums auftraten, erkannt und eliminiert. Im Laufe dieses Optimierungsprozesses konnte insbesondere festgestellt werden, daß eine Langzeit--Flußratenmessung mit Reflection High Energy Electron Diffraction stark fehlerbehaftet ist. Aus diesem Grund wurde ein Pyrometer in die Molekularstrahlepitaxie-Anlage integriert. Die Signale, welche von diesem optischen Analysegerät aufgezeichnet werden, können mit Hilfe der Fresnel-Formeln ausgewertet werden. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, daß durch die Bestimmung der Langzeit-Flußraten durch Verwendung dieser Kalibirierungsmethode signifikant verbessert werden konnte. Darüberhinaus bietet das Pyrometer noch den Vorteil, daß eine in-situ Überwachung des gesamten Wachstumsprozesses möglich ist.
Gleichzeitig wurde an einer Verbesserung der optischen Eigenschaften von InAs-Quantenpunkten gearbeitet. Hier wurden insbesondere Überlegungen zum Entstehen der Wachstumsinseln angestellt und die für das Wachstum entscheidenden Parameter systematisch optimiert. Hierdurch konnte eine wesentlich homogenere Größenverteilung der InAs-Quantenpunkte auf der Substratoberfläche sowie eine erheblich größere Quantenausbeute des Photolumineszenzsignals erreicht werden.
Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse über das Molekularstrahlepitaxie-Wachstum von Mikroresonatoren und InAs-Quantenpunkten wurde ein Mikroresonator hergestellt, in dessen Zentrum InAs-Quantenpunkte eingebettet wurden. Hierbei wurde sowohl die Kalibrierung der Flußraten als auch eine Aufzeichnung des Wachstumsprozesses mit Hilfe des Pyrometers durchgeführt. Anschließend wurden an dieser Probe Photolumineszenz-, Transmissions- und Reflexionsmessungen durchgeführt.
In this work the preparation and investigation of semiconductor microcavities is presented. The performed investigations are focused on optimizing the Molecular Beam Epitaxy growth of Distributed Bragg Reflectors and self-assembled grown InAs quantum dots.
Basic processes during Molecular Beam Epitaxy growth, the results of spectroscopic measurements and simulations performed on a computer, are the tools which were used to improve the preparation of microcavities. During this process, it became obvious that the calibration of the longtime flux rate with Reflection High Energy Electron Diffraction cannot be performed with a sufficient accuracy. For this reason, a pyrometer was installed in the Molecular Beam Epitaxy. By using this technique, a significant improvement in determining the longtime flux rates was achieved. Furthermore, an in-situ monitoring of the growth process can be performed.
In the same time we tried to improve the Molecular Beam Epitaxy growth of InAs quantum dots with respect to their optical properties. The early stages of the three-dimensional island growth mode as well as the dependence of the optical properties on growth conditions were investigated. From these results the size distribution of the self-assembled grown InAs quantum dots and the quantum efficiency could be significantly improved.
By combining the experiences obtained by the investigations on the Molecular Beam Epitaxy growth of Distributed Bragg Reflectors and self-assembled InAs quantum dots, another microcavity was fabricated. In the active layer of this resonator InAs quantum dots were embedded. The flux rates of the effusion cells were determined by pyrometric interferometry and the pyrometer was used for monitoring the growth process, too. Photoluminescence, transmission and reflection experiments were performed on this sample.