David Endler, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2002

"Herstellung und Untersuchung von Halbleiter-Mikroresonatoren"


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


Summary

Kurzfassung

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.

Titel

Kurzfassung

Summary

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.

pal plane, resulting in measurements at four different combinations of source and detector orientation (ss, sp, ps and pp). At like-polarization the basic reflection characteristics of our surface materials are an increasing BRDF in forward scatteringdirection with increasing illumination and viewing angle. The increaseat ss-polarization is stronger than at pp-polarization. The very rough surface also showed an increasing BRDF in backward scatteringdirection. At cross-polarization two samples can be assumed to be lambertian. The measurements were described by the BRDF model for specular reflectionof rough surfaces by Torrance & Sparrow, which gives the characteristicreflection features. Best modelling results were obtained by usinga complex index of refraction within the model. The total albedos at s- and p-polarized incident lightare the same for the 'Spectralon' sample as well as for the sample 'Red roof tile'. This study also determined the spectral accuracy of reflectance images of urban areas derived from image data of the multispectral line scanner DAEDALUSAADS,1268. A comparison was done between reflectance values obtained from atmospheric modeling and ground based reflectancemeasurements. Significant differences were found and a transformation of the aerial data to the ground measurements was applied. The resulting accuracy of the aerial image reflectance r varied between ±7% · r and ± 20% · r, depending on scene content and wavelength. It was shown that classification of DAEDLAUS reflectance data is affected by BRDF effects. Significant variations in reflectance with varying viewing angle were found at roof coverings made from gravel, asphalt or metal. This result is of benefit for analysis of highresolution satellite data, i.e. classification using stereo imagepairs. In addition a shadow filter was developed, which uses reflectance data corresponding to the spectral bands of the IKONOS satellite. The given thresholds allow good to acceptable detection results (k-value) in urban areas. The filter can be applied to other sensors with similar spectral bands like i.e. DAEDALUS or LANDSAT. Depending onpixel resolution and image content, thresholds adjustment is needed forbest results.