Diese Arbeit befaßt sich mit der Elektronenstrahllithographie zur Herstellung schmaler Quuantendrähte auf der Grundlage des GaAs-AlxGa1-xAs Materialsvstems. Ein anodisches Oxidationsverfahren zur Drahtbreitenverringerung und Oberflächenpassivierung wird untersucht, indem mittels Photolumineszenz- und zeitaufgelöster Einzelphotonenspektroskopie die Auswirkungen auf die exzitonischen Eigenschaften der Quantendrähte betrachtet werden. Die verwendeten Proben sind undotierte GaAs-AlxGa1-xAs Multiquantumwells für Untersuchungen bei variabler Well- und Drahtbreite.
Für die Elektronenstrahllithographie bei niedriger Beschleunigungsspannung wird ein Prozeß erarbeitet, der das direkte Schreiben und anschließende Trockenätzen von Quantendrahtbreiten bis herab zu 35nm bei rechteckigem Drahtprofil ermöglicht. Die aktiven Flächen, die Schreibfelder, sind typischerweise 100µmx100µm groß. Die restliche Probenoberfläche wird optisch inaktiviert, indem in einem naßchemischen Ätzschritt die Quantumwells abgetragen werden. Durch Metallisierung wird eine ebene Oberflächc für die weiteren Prozesse geschaffen.
An den freistehenden Quantendrähten wird die Eignung der anodischen Oxidation als schonendes Verfahren zur Verringerung der Drahtbreiten untersucht. Die Oxidation findet bei konstanter Spannung statt; charakteristisch für den Oxidationsprozeß ist der zeitlich exponentiell abfallende Strom mit einem linear zeitabhängigen Zerfallsparameter.
Intensitätsmessungen mit zeitintegrierter Photolumineszenzspektroskopie an trocken-geätzten und anodisch oxidierten Quantendrähten zeigen eine Aufrechterhaltung der flächenbezogenen Lumineszenzintensität selbst bei starker Verringerung der Drahtbreite. Die anodische Oxidation bewirkt offensichtlich eine Oberflächenpassivierung und somit einen Rückgang der nichtstrahlenden Oberflächenrekombination. Zusätzlich werden eine Rotverschiebung der Lumineszenzen sowie eine Zunahme der diamaglstischen Verschiebung beobachtet; dieses überrraschende Ergebnis deutet auf eine Ausdehnung der Exziton-Wellenfunktion unter dem Einfluß der anodischen Oxidation.
Ein Meßaufbau zur zeitaufgelösten Spektroskopie wird erstellt und hinsichtlich der Zeitauflösung optimiert. Grundlegende Messungen an Quantumwells weisen Lebensdauerunterschiede der Exzitonen abhängig vom Confinement sowie von der Bindung an Störstellen im Kristall nach. An Quantendrähten wird trotz einer theoretisch erwarteten Lebensdauerverlängerung eine erhebliche Abnahne der Zerfallskonstanten gegenüber den Quantumwells aufgrund der verstärkten Oberflächenrekombination verzeichnet. Erst nach anodischer Oxidation der Drahtoberflächen und nur für größere Ausgangs-Quantumwellbreiten deutet sich eine Zunahme der Lebensdauer an, die im Einklang mit den Befunden der Oberflächenpassivierung und der Ausdehnung der Exziton-Wellenfunktion aus der zeitintegrierten Spcktroskopie steht.
The present thesis discusses the mcthod of electron beam lithography for the preparation of narrow quantum wires based on GaAs-AlxGa1-xAs layer systems. An anodic oxidation process for the reduction of wire widths and surface passivation is investigated observing excitonic properties of the quantum wires by means of photolumincscence and time-resolved single photon spectroscopy. Starting points for the samples are undoped GaAs-AlxGa1-xAs multi quantum wells in order to examine variable well and wire widths.
A process is developped for low voltage electron beam lithography allowirig direct writing and dry-etching of quantum wire widths down to 35nm with steep rectangular profiles. The active areas, i. e., the writefields, are typicallv 100µm x 100µm. The rest of the sample is optically inactivated by removing the quantum wells with a wet chemical etch step. A smooth surface for the following process steps is provided by metallization.
On free-standing quantum wires the suitability of anodic oxidation for the gentle reduction of wire widths is studied. Oxidation takes place at a constant voltage; an exponential temporal decay of the oxidation current with a linearly time-dependent decay parameter is chacteristic of the oxidation process.
Intensity measurements of dry-etched and anodically oxidized quantum wires using time-integrated photoluminescence spectroscopy exhibit the maintenance of the area-correlated luminescence intensity even after considerable reduction of the wire width. Obviously, anodic oxidation leads to a surface passivation and therefore to a decline in non-radiative surface recombination. Additionally, a red-shift of the luminescence and an increase of the diamagnetic shift are observed; this surprising result is an indication of an expansion of the excitonic wave function under the influcnce of anodic oxidation.
An experiment for time-resolved single photon spectroscopy is set up and optimized concerning time resolution. Basic measurements on quantum wells exhibit lifetime changes of excitons dependent on corfinement as well as on the binding to crystal defects. Examining quantum wires, an increase of lifetime is theoretically expected. However a considerable decrease of lifetime is found as compared to quantum wells due to increased surface recombination. Only after anodic oxidation of the wire surfaces and only for larger widths of the quantum wells an increase of the lifetimes appears. This corresponds to the results of surface passivation and an expanding excitonic wavefunction gained from time-integrated spectroscopy.