1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
Photon Energy (eV)
PLIntensity(a.u.)
Sample 3 Sample 2
Sample 4
Sample 1 T = 6 K
Abb. 6.1: Niedrigtemperatur-PL-Spektren bei TInAsS = 500◦C gewachsener, modulationsdotierter InAs/GaAs-Heterostrukturen. Die Bedeckungsdicke dInAsw¨achst von Probe 1 zu 3 von 1 auf 2,5 ML. Pro-be 1 ist ein Beispiel subkritischer Bedeckung, w¨ahrend die ProPro-ben 2 und 3 typische Spektren Pro-beginnender Dotbildung bzw. voll ausgebildeter Dots darstellen. Probe 4 wurde bei TInAsS = 420◦C bei einer Bedeckung dInAsvon 2,5 ML hergestellt.
Unsere Untersuchungen246,264,265) waren so angelegt, daß Quantenpunkte bei gerin-gen (TInAsS = 420◦C) und hohen (TInAsS = 500◦C) Wachstumstemperaturen verglichen werden sollten. In Abb. 6.1 sind mit den Proben 3 und 4 zwei typische PL-Spektren f¨ur eine Bedeckung von dInAs= 2.5 ML gut oberhalb der kritischen Schichtdicke dc f¨ur die Wachstumstemperaturen TInAsS = 420◦bzw.500◦C dargestellt. W¨ahrend die voll ausgebil-deten
’Hochtemperaturdots‘ einen niederenergetischen Hauptpeak (EP < 1.25eV)
zei-gen, besteht das Spektrum der bei niedrigen Temperaturen gewachsenen Quantenpunkte aus mehreren Gaußkomponenten mit einer deutlichen Betonung des h¨oherenergetischen Spekralbereichs (EP >1.3eV). Wir werten diese spektralen Eigenheiten als direkte Folge der Gr¨oßenverteilung des QD-Ensembles. Die Signatur der Benetzungsschicht ist, typisch f¨ur Bedeckungen dInAs>2ML, verschwindend klein.
Ebenfalls in Abb. 6.1 sind mit den Proben 1, 2 und 3 die Spektren f¨ur eine Folge von Proben gleicher Wachstumstemperatur (TInAsS = 505◦ C) gegen¨ubergestellt. Das oberste Spektrum f¨ur eine Probe mit einer Bedeckung dInAs unterhalb der kritischen Schichtdicke zeigt abgesehen von einer bei 1.49 eV liegenden Bande (Donator-Akzeptor ¨Ubergang im GaAs) lediglich eine Signatur der zweidimensionalen Benetzungsschicht bei 1.43 eV.
Diese spaltet, anders als f¨ur Quantengr¨aben, unter einem senkrecht ausgerichteten Ma-gnetfeld nicht auf.
Abb. 6.2: Links) Temperaturabh¨angiges PL-Spektrum der Probe 2 aus Abb. 6.1. Die Emission erfolgt aus einer bimodalen Quantenpunkt-Verteilung heraus. Rechts).
Das Spektrum der Probe 3 ist f¨ur Quantenpunkte jenseits der ¨ Ubergangsbedeckungs-dicke. Es l¨aßt sich als Resultat eines Elektronen-Loch- ¨Ubergangs in ca. 15 nm großen Quantenpunkte interpretieren150), was konsistent mit TEM-Resultaten identisch herge-stellter Proben ist. F¨ur Proben in der ¨Ubergangsregion vom 2-D zum 3-D Wachstum steht das Spektrum der Probe 2 mit einer Auspr¨agung, die auf eine Reihe unterschiedlich ent-wickelter Quantenpunkt-Gruppen schließen l¨aßt, eingeschlossen die zweidimensionale Benetzungsschicht. Die mit den Dots verbundenen Emissionsbanden lassen sich aus zwei
Gaußschen Hauptbeitr¨agen unterschiedlicher HWB zusammengesetzt interpretieren, was in Abb. 6.2 unten angedeutet wird.
Die PL-Spektren wurden temperatur- und magnetfeldabh¨angig sowie mit unter-schiedlichen optischen Anregungsdichten gemessen. Die temperaturabh¨angigen Messun-gen sind in Abb. 6.2 links und die AuswertunMessun-gen rechts dargestellt. Aus diesen Meß-ergebnissen wird deutlich, daß sich die den unterschiedlich großen Quantenpunkten zu-geordneten Peaks unterschiedlich verhalten. Aus den Energieverschiebungen in a) ist er-sichtlich, daß f¨ur gr¨oßere Quantenpunkte ein st¨arker von der Bandl¨ucke des GaAs ent-koppelter Temperaturgang von EP=E0 beobachtet wird. Bis zu Temperaturen von 100 K ist die Emissionswellenl¨ange konstant. In dem Maß, in dem sich der Abstand der beiden Emissionsbanden verringert, ¨andert sich die Besetzungszahl zugunsten des energetisch tieferen E0 (siehe Abb. 6.2 b). Bedingt dadurch verringert sich die Breite der oberen Emissionsbande. Dieser negative FWHM-Trend wird von der Temperaturverbreiterung des Bandes bei Temperaturen T>200 K wieder aufgehoben. Aus dem Amplitudenverh¨alt-nis Abb. 6.2 c) sieht man aber auch, daß das Niveau der kleineren Punkte im Gegensatz zu den großen Quantenpunkten dann kaum noch strahlende Rekombination aufweist. Es findet ein Ladungstr¨agertransfer in die tieferen Potentialsenken statt. In diesen ist das Ex-ziton auch noch bei h¨oheren Temperaturen nicht thermalisiert. Ein Teil unserer Proben weist auch bei RT noch deutliche Lumineszenz auf.
Ein qualitativ ¨ahnliches Verhalten zur Probe 2 haben wir f¨ur Probe 4 gefunden, die bei TInAsS = 420◦C gewachsen wurde. Einzige weitere Besonderheit hier ist das Auftreten von mehr als 2 Emissionsbanden.
Die einzelnen Fakten der Untersuchungen an den Proben 1-4 aus Abb. 6.1 ergeben fol-gendes Bild f¨ur den eigentlich interessanten Bereich beginnender Dotausbildung mit ei-ner zunehmenden InAs-Bedeckung dInAs. Im unterkritischen Bereich bei einer Bedeckung dInAs≈1ML (repr¨asentiert durch Probe 1) beginnt die InAs-Schicht sich bereits aufzuwel-len. Bei einer Ann¨aherung an dc≈1.5ML kommt es zu sehr vereinzelten Inselbildungen mit vertikalen Ausdehnungen ¨uber etliche Monolagen. Im ¨Ubergangsbereich (wie ¨ubri-gens auch bei niedrigen Wachstumstemperaturen) ist der Informationsaustausch zwischen den einzelnen QD wegen der geringen Dichte gering (die Dichte verhundertfacht sich in-nerhalb einer Zehntel ML). Dadurch koexistieren QD sehr unterschiedlicher Gr¨oße. L¨aßt man diesen ausreichend Zeit zur Selbstorganisation (Wachstumsunterbrechung, langsame Abscheidungsrate, h¨ohere totale Abscheidung) w¨urden die Quantenpunkte einer Gleich-gewichtsform zustreben119), die sowohl die Abst¨ande der n¨achsten Nachbarn reguliert wie auch die Gr¨oßenverteilung des QD-Ensembles. Fehlt diese Zeit zur Erreichung eines Gleichgewichts,
”friert“ man den Zustand des ¨Ubergangs durch ein instantanes ¨ Uber-wachsen mit GaAs ein, so bleibt der Nichtgleichgewichtszustand des ¨Ubergangs erhalten.
Die Folge ist eine breite Gr¨oßenverteilung mit unterschiedlichen Familien von Quanten-punkten. Einmal gibt es solche, die eher Aufwellungen der Benetzungsschicht ¨ahneln (hochenergetische Bande) und andererseits solche, die bei einer großen vertikalen Aus-dehnung klare Facettierungen aufweisen (niederenergetische Bande). Die Emission aus QD-Energieniveaus erfolgt infolge einer Kopplung ¨uber die Quantenpunkte unterschied-licher Gr¨oße und die WL bevorzugt aus den gr¨oßten Quantenpunkten. Die Absorption der Quantendots ist im allgemeinen gegen die Emission ins Rot verschoben266), die so-genannte nicht-resonante Stokesverschiebung. Die Kopplung bewirkt, daß bei steigender Temperatur die integrale Lumineszenz wegen der relativ hohen Energiebarriere zun¨achst konstant bleibt. Dabei verliert aber die PL-Effizienz die Energieniveaus der kleinen Dots gegen die der großen. Bei vorwiegend kleinen Quantenpunkten k¨onnen dagegen schon
kleine thermische Energien zu einer Verringerung der PL-Ausbeute f¨uhren, wenn die thermische Anregung ¨uber die Benetzungsschicht in die B¨ander des Barrierematerials das Confinement der Elektronen-Loch-Paare aufheben hilft. Einen ebensolchen Effekt erzielt das Vorhandensein eines starken elektrischen Feldes, z.B. in Form einer Verarmungsrand-schicht. Dann werden die Elektronen-Loch-Paare in einem modifizierten Poole-Frenkel-Effekt getrennt. Im Vergleich zum feldfreien Fall f¨uhrt das Tunneln zu einem verst¨arkten PL-Quenching.
F¨ur die bei niedrigen Temperaturen gewachsenen Proben ergeben sich f¨ur alle Be-deckungen geringere Emissionswellenl¨angen als f¨ur h¨ohere Wachstumstemperaturen.
Wir beobachten weiterhin in keiner der untersuchten Proben angeregte Elektronen-niveaus mit der Erh¨ohung der Anregungsleistung im Bereich zwischen 30µW/cm2 und 30mW/cm2. Dies ist wieder eine Folge der recht geringen Gr¨oße unserer Quantenpunkte, bei denen die angeregten Niveaus mit denen des 2-D Quantengraben verschmelzen.
Der Einfluß von Vererbung im korrelierten Wachstumsregime wurde f¨ur die Abb. 5.10 bereits oben diskutiert. Die Emissionsenergie sinkt durch den Ladungstr¨agertransfer zwi-schen den einzelnen Dotstapeln und die Gr¨oßenequilibrierung. Defekte, die durch die Aufsummierung der durch die Quantenpunkte eingetragenen Verspannung in Mehrfach-oder Einzelschichten entstehen, scheinen der Quantenausbeute bei tiefen Temperaturen wenig Abbruch zu tun. Auch die Energie EP scheint nicht beeinflußt. Einzig das Signal der 2-D Schicht erlebt bei mit Versetzungen relaxierten Mehrfachschichten eine starke Verschiebung zu kleineren Energien, da sich infolge des dickeren zweidimensionalen Wachstums in den auf die versetzungskeimtragende Schicht folgenden Schichten eine andere Quantisierungsenergie ergibt.
Die Emissionsenergie ist eine Funktion der Quantenpunkt-Gr¨oße.
10 12 14 16 18 20
0.9 1.0 1.1 1.2
1.3 R eferenz
E xperim ent
E in eV
B asislänge (nm )
Abb. 6.3: Spektrale Position der PL-Maxima von QD-Proben als Funktion der Basisl¨ange der Quanten-punkte. Die untere durchgezogene Linie folgt Ref.150)und wurde verschoben, um unsere Daten zu treffen.
In Abb. 6.3 finden sich die experimentellen PL-Daten einiger Quantenpunkte-enthaltenden MHS, f¨ur die die mittlere Basisl¨ange der Quantenpunkte aus TEM-Messungen bestimmt wurde. Zum Vergleich sind die e-hh ¨Uberg¨ange gegeben, die f¨ur py-ramidenf¨ormige Quantenpunkte theoretisch bestimmt wurden150). Aus der verschobenen, durchgezogenen Linie wird deutlich, daß die Proben auch dem f¨ur das 0-D Confinement vorhergesagten Verhalten gut folgen. Die Abweichung zu den Daten von Grundmann150)
erkl¨aren wir mit einer nicht notwendig pyramidenf¨ormigen Geometrie der vorliegenden Dots.
1.0 1.2 1.4
T=6 K PH3 Annealing für 20 s
P L I n te n s it ä t (w .E .)
Energie in eV
Abb. 6.4: PL-Quantenpunkt-Emission aus InAs-Quantenpunkten mit und ohne PH3-Temperung-Schritt.
Die Verschiebung der Emission folgt dem Verschwinden der Inseln.
In Abb. 6.4 wird die Wirkung einer Post-Wachstumsbehandlung der InAs-Quantenpunkte mit PH3 aufgezeigt. Die gezeigte Probe hat eine InAs-Bedeckung dInAs von 2 ML. Die Quantenpunkte ver¨andern ihre Form durch die ver¨anderten Verspan-nungsbedingungen unter der PH3-Behandlung instantan. Sie verlieren dabei ihre 0-Dimensionalit¨at. Die verringerte Quantisierung l¨aßt die Emissionslinie unter 1 eV rut-schen, verbunden mit einer gleichzeitigen Verringerung der HWB.
6.4 Diskussion und Schlußfolgerungen
Eine Einordnung der von uns beobachteten Energien EP in den durch Grassi et al226) gezeichneten Rahmen ist auch im Falle der vorrangig untersuchten MQW-Strukturen m¨oglich. Die MQW wurden mit GaAs-Spacer-Schichten weit ¨uber dem korrelierten Re-gime entworfen267,57) und d¨urfen somit als eine Aufsummierung von Einzelstrukturen angesehen werden. Die Quantenniveaus der einzelnen Dotschichten sind entkoppelt.
Das Ziel war es, einen funktionalen Zusammenhang zwischen der equivalenten Be-deckung mit InAs dInAs und der Emissionsenergie EP unter gegebenen Wachstumsbe-dingungen herauszuarbeiten. Die Energien EP f¨ur Proben mit dInAs>dC k¨onnen sich bei gleicher Bedeckungsdicke f¨ur unterschiedliche Wachstumsregimes um mehr als 200 meV unterscheiden. Die dabei ver¨anderten Parameter waren insbesondere die Wachstumstem-peratur TInAsS der InAs Schicht, die nachtr¨agliche Beeinflußung des ausgebildeten QD-Ensembles (die Wachstumstemperatur der Bedeckungsschicht) sowie die Art der Ab-scheidung des InAs (kontinuierlich oder mit Pausen bei erh¨ohter Oberfl¨achenmigration).
Aus meiner Sicht sind folgende, u.a. von Grassi et al226)beobachtete, Trends zutref-fend, die in den vorangegangenen Kapiteln 1.3, 2, 3 und 5 ¨ahnlich herausgearbeitet wur-den:
Je geringer die Wachstumstemperatur um so geringer ist die Neigung zur Ausbildung von Quantenpunkten, es entstehen leichter
”Verdickungen“ der Benetzungsschicht, die ¨uber die bekannte kritische Schichtdicke hinausgehen. Die gefundenen Emis-sionenergien im Heterosystem InAs/GaAs liegen darum oberhalb 1.3 eV und die thermische Stabilit¨at dieser Lumineszenzbanden ist gering. Die Facettierung dieser Inseln ist wegen der geringen vertikalen Ausdehnung gering.
Die st¨arksten Ver¨anderungen der EnergieEP mit der InAs-Bedeckung ergeben sich in einem ¨Ubergangsbereich von dInAs, der durch die kritische Schichtdicke nur un-zureichend beschrieben wird. Hier ergibt sich ein Proportionalit¨atsfaktor zwischen EP und dInAs von 0.6 eV/ML, sehr groß im Vergleich mit ca. 70 meV/ML in den Proportionalit¨atsbereichen bei sowohl geringeren als auch h¨oheren Bedeckungen.
Wachstumsunterbrechungen und insbesondere solche, die in der modifizierten Form der MBE mit dem alternierenden Fluß der Molek¨ulstrahlen eingef¨uhrt werden (MEE), erh¨ohen die Migration von In Atomen ebenso wie ein verringerter As Partialdruck.
Dadurch wird der Inselbildung Vorschub geleistet und die Energie EP verschiebt sich kontinuierlich zu geringeren Werten.
H¨ohere Wachstumstemperaturen verst¨arken ebenfalls die Diffusivit¨at der Oberfl¨achena-tome. Alle Atome gelangen bis zu Stufenkanten, den bevorzugten Einbaupl¨atzen.
Atome, die sich von oben einer solchen Kante n¨ahern werden von sogenannten Schw¨obelbarrieren268) an der ¨Uberwindung derselben zur¨uckgehalten. Dadurch entstehen immer gr¨oßere Inseln. Die Emissionsenergien f¨ur sehr große Inseln hat gegen¨uber den QD mit starker Lokalisierung (5–25 nm) immer geringere Beitr¨age durch Quantisierung und n¨ahert sich dem Wert, der einzig aus den verspannungs-modifizierten Energiel¨uckenwerten abzuleiten w¨are. Bei sehr hohen Temperaturen TInAsS f¨ur die In-Abscheidung ist wegen eines Haftkoeffizienten f¨ur Indiumη < 1 die tats¨achliche Bedeckung geringer als die nominelle.
H¨ohere Wachstumstemperaturen f¨ur das Barrierematerial haben ebenfalls einen ent-scheidenden Einfluß auf die Dotform und die chemische Zusammensetzung. Je h¨oher die Temperatur und je geringer der As-Partialdruck ist, desto st¨arker treten Durchmischungserscheinungen auf. Das heißt, daß wenigstens die Spitze der Dots nicht mehr rein bin¨ar, sondern im Beispielsystem eine InxGa1−xAs-Legierung ist.
Im Barrierematerial in Wachstumsrichtung sind dann wahrscheinlich Spuren von Indium zu finden. Die dadurch ver¨anderte strukturelle und chemische Dotumge-bung l¨aßt die freien Parameter zur Modellierung der EP-Werte ansteigen.
Die zuf¨allige Natur der Selbstorganisation zu ¨uberlisten und mit einer bewußten Aus-wahl der Wachstumsparameter die Emissionswellenl¨ange einzustellen, steht am Ende sol-cher systematischen Untersuchung.
Thesen, Aussichten
Selbstformierende Quantenpunkte entstehen beim stark gitterfehlangepaßten Kristall-wachstum. Die vorliegende Arbeit umfaßt insbesondere die Aspekte, die das Selbst-ordnungsph¨anomen des Inselwachstum in seiner Bedingtheit durch Verspannungszu-stand und chemischer Umgebung zu erfassen versuchen. Die Materialkombinationen InAs/GaAs und InAs/InP in ihrer symmetrischen respektive stark asymmetrischen Insel-form werden gegen¨ubergestellt. Die Untersuchungen an mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellten Halbleiterheterostrukturen erstreckten sich im Einzelnen auf die inselindu-zierte Ver¨anderung der Eigenschaften einer Halbleiter-Luft Grenzfl¨ache, auf den Einfluß vergrabener Inseln auf den lateralen elektronischen Transport und die Untersuchung in-selinduzierter, energetisch tiefer Zust¨ande.
T.1 Symmetrische Quantenpunkte, wie sie im System InAs/GaAs beobachtet werden, wurden in einem großen Bereich der Wachstumsparameter Temperatur und III/V Verh¨altnis mittels GS-MBE hergestellt und untersucht. Am unteren Ende der Tem-peraturskale (400◦C) entstehen sehr kleine Quantenpunkte mit geringer Facettie-rungsneigung. Die Lokalisierung von Ladungstr¨agern in den Quantenstrukturen ist schwach ausgepr¨agt und die Bandl¨ucke l¨aßt sich befriedigend gut ¨uber die mitt-lere Abscheidungsdicke beschreiben. Gr¨oßere Quantenpunkte entstehen bei hohen Wachstumstemperaturen und weisen eine hohe Lokalisierungsenergie mit deutlich nulldimensionalen Eigenschaften auf. F¨ur mit GS-MBE hergestellte symmetrische Quantenpunkte wurde keine Vorzugsrichtung bez¨uglich n¨achster Nachbarn bzw.
eine Inselorientierung entlang kristallografischer Kanten gefunden. Die gr¨oßten Inseln verbunden mit einer deutlichen Materialdesorption beobachteten wir bei Wachstumstemperaturen von620◦C.
T.2 Unvergrabene Quantenpunkte auf einer GaAs-(100)-Oberfl¨ache bilden Facetten mit teilpolarem Charakter aus. Durch die As-reichen Facetten entstehen zus¨atzliche Oberfl¨achenzust¨ande in der unteren H¨alfte des verbotenen Bands des GaAs. Die Anzahl dieser Zust¨ande ist f¨ur normale Quantenpunkt-Dichtenρ≥1010cm−2 min-destens der Oberfl¨achenzustandsdichte beim Ferminiveaupinning einer unbedeck-ten Oberfl¨ache vergleichbar. Durch die Ladungstr¨agerumverteilung zwischen bei-den Niveaus verschiebt sich das Pinning von der Bandmitte zu einem Wert 250 meV n¨aher am Valenzband. Dies bedeutet eine st¨arkere Verbiegung der B¨ander in Ober-fl¨achenn¨ahe bei Bedeckung einer GaAs-(100)-Oberfl¨ache mit Quantenpunkten, ein erstmals von uns beschriebenes Ph¨anomen. Ein technologisch interessantes, von
eine h¨ohere Sperrspannung erwartet werden k¨onnte, als f¨ur konventionelle Metall-Halbleiter- ¨Uberg¨ange.
T.3 Bettet man kompressiv verspannte InAs-Quantenpunkte in eine GaAs-Matrix ein, so findet man nach ungef¨ahr 20 Monolagen Bedeckung eine Planarisierung der auf-wachsenden Schicht. Da sie in eine Benetzungsschicht integriert sind, erh¨alt man dabei eine Quantengraben-Struktur mit den Quantenpunkten als r¨aumlich zuf¨allig verteilte Potentialsenken.
Plaziert man die Quantenpunkte in einen leitenden Kanal, so wirkt die InAs Benetzungsschicht schwach attraktiv und der Schwerpunkt der Elektronen-Wellenfunktion liegt ¨uber dieser Schicht. Qualitativ ¨ahnlich zur Streuung durch Coulombkr¨afte der Fremdatome inδ-dotierten Proben bewirken die Quantenpunkte eine erh¨ohte Streurate verglichen zum Quantenpunkt-freien Fall. Daher erhalten wir bei einer sukzessiven Erh¨ohung der Bedeckung des gitterfehlangepaßten Materials InAs zun¨achst eine verbesserte laterale Beweglichkeit im Bereich zweidimensiona-ler Abscheidung, einen ersten Abfall der Beweglichkeit bei beginnender Inselbil-dung und einen zweiten bei einsetzender Relaxation der Inseln. Leicht verst¨andlich ist die Temperaturabh¨angigkeit der Beweglichkeit. Mit abnehmender Temperatur verliert die Streuung an Phononen an Bedeutung, w¨ahrend die Streuung an den Quantenpunkt-Potentialen dominiert. Das Problem kann ¨ahnlich dem der Streuung an rauhen Grenzfl¨achen beschrieben werden.
T.4 Das kompressive, gitterfehlangepaßte GS-MBE Wachstum mit einem Unterschied von nur ca. 3% resultierte in dem untersuchten Bereich von Wachstumsparametern in der Ausbildung von sehr asymmetrischen Inseln, die wir der Anschauung und den Gr¨oßenverh¨altnissen entsprechend Quantendr¨ahte nennen. Wir haben in den Heterosystemen InP/InAs, In0.47Ga0.53As/InAs und In0.48Al0.52As/InAs Dr¨ahte mit Ausdehnungen bis zu 1µm entlangh¯110iund Asymmetrieverh¨altnissen von typisch 20 gefunden.
Die Entstehung solcher Quantendr¨ahte wurde theoretisch durch Tersoff et al be-schrieben177). Sie haben dem Modell folgend eine von der Bedeckungsdicke kaum abh¨angige Breite. Experimentell finden wir einen mittleren Wert von 30 nm bei variabler H¨ohe.
Das haupts¨achlich untersuchte Heterosystem InP/InAs weist einen ¨Ubergang im an-ionischen Subgitter auf. Diese Besonderheit f¨uhrt bei der Abscheidung mit Moleku-larstrahlen zu einer ¨uber mehrere Monolagen reichende Mischphase in der Grenz-schicht. Die Bevorzugung einer Kristallrichtung bei der darauffolgenden Abschei-dung ist wie bei der Aufrauhung im homoepitaktischen Wachstum durch die h¨ohere Oberfl¨achen-Diffusivit¨at auftreffender Atome in dieser Richtung begr¨undet.
Die Quantendr¨ahte koppeln elektrisch ¨uber eine zweidimensionale Benetzungs-schicht untereinander. Die der geometrischen folgende elektrische Anisotropie wird maximal bei einer Bedeckung mit 15 ˚A InAs. Sie ist temperaturabh¨angig und steigt mit fallender Temperatur. Bei 12 K wurden Anisotropieverh¨altnisse von 18 gefun-den. Steigert man die Bedeckung ¨uber 15 ˚A hinaus, so wird das Drahtsystem irre-gul¨ar und relaxiert schließlich plastisch.
ben zu erwarten. Einzig eine Besonderheit, ein negativer Magnetowiderstand bei kleinen magnetischen Feldern, kann als Indiz f¨ur eine schwache Lokalisierung der Ladungstr¨ager in den Quantendr¨ahten gesehen werden. Diese nichtklassische Form des Transports, eine Selbstinterferenz der Elektronen, wird in niederdimensionalen Systemen verst¨arkt und bestimmt den Magnetowiderstand bis zu Feldst¨arken von 0.2 T. Weitere Untersuchungen sind n¨otig, um den Ursprung des Effekts zweifels-frei zu kl¨aren.
T.5 Die Lokalisierung von Elektronen ¨uber der Benetzungsschicht wurde durch Kapa-zit¨ats-Spannungsprofile nachgewiesen. Bei exakt der geometrischen Tiefe der Be-netzungsschicht finden wir tiefe elektronische Zust¨ande, die durch die Quanten-punkte induziert werden. Trotz der r¨aumlichen Begrenzung der DLT-Signale auf die verspannten Schichten verbietet eine detaillierte Analyse eine Interpretation als intrinsische Dot-Zust¨ande. Besonderheiten der Signale sind das Auftreten erst bei
¨uberkritischen InAs-Bedeckungen, ihre nicht zur Quantenpunkt-Dichte passende Amplitude, die fehlende ¨Ubereinstimmung zwischen optischem und elektrischem Signal sowie das nichtexponentielle Einfangverhalten.
Die gefundenen, tiefen St¨orstellen werden von uns als Cluster von Punktdefekten in der Umgebung einzelner, ausgew¨ahlter Quantenpunkte interpretiert. Das Laden benachbarter St¨orstellen mit weiteren Elektronen unterliegt dabei dem Ladungszu-stand der restlichen. Das beobachtete Einfangverhalten gehorcht am besten einem eindimensionalen Modell. Solche zuf¨alligen (linearen) Cluster von Haftstellen wer-den durch das Auftreten von Quantenpunkten mit einer ¨uberkritischen Gr¨oße bei h¨oheren InAs-Bedeckungen motiviert. Die Haftstellen verringern die Zahl freier Tr¨ager auch bei lateralem Transport in Quantenpunkte-enthaltenden Schichten.
Ungekl¨art bleibt das Ausbleiben von Hinweisen auf intrinsische Quantenpunkt-Niveaus im thermischen Experiment. Gegebenenfalls ist die Bandanordnung im Leitband flacher, als allgemein angenommen. Kombinierte Untersuchungen an p-dotierten Proben k¨onnten weiteren Aufschluß erbringen.
T.6 Ein Modell zur Ausbildung eines heterogenen Quantenpunkt-Ensembles im ¨ Uber-gangsbereich vom zwei- zum dreidimensionalem MBE-Wachstum wurde aufgrund der Ergebnisse unserer optischen Messungen entworfen und erfolgreich mit struk-turellen Untersuchungen korreliert.
Materialeigenschaften
Dimension GaAs InP InAs
Kristallsymmetrie bei 300 K F43m F43m F43m
Dichte g cm−3 5.32 4.81 5.68
statische Dielektrizit¨atskonstante 12.9 12.5 15.15
HF Dielektrizit¨atskonstante 10.89 9.61 12.3
effektive Elektronenmasse m?e m0 0.063 0.08 0.023
effektive L¨ochermasse hh m?hh m0 0.51 0.6 0.41
effektive L¨ochermasse lh m?lh m0 0.082 0.089 0.026
Elektronenaffinit¨at eV 4.07 4.38 4.9
Gitterkonstante A˚ 5.65325 5.8687 6.0583
Optische Phononenenergie eV 0.035 0.043 0.03
Energiel¨ucke (300 K) eV 1.424 1.344 0.354
Aufspaltung G- und L-Tal eV 0.29 0.59 0.73
Aufspaltung G- und X-Tal eV 0.48 0.85 1.02
Spin-Orbit-Splitting eV 0.34 0.11 0.41
intrinsische Tr¨agerkonzerntration cm−3 2.1 106 1.3 107 1 1015 effektive Leitbanddichte DOS cm−3 4.7 1017 5.7 1017 8.7 1016 effektive Valenzbanddichte DOS cm−3 9 1018 1.1 1019 6.6 1018
Durchbruchfeldst¨arke V/cm 4 105 5 105 4 104
Elektronenbeweglichkeit cm2/Vs 8500 5400 40000
L¨ocherbeweglichkeit cm2/Vs 400 200 500
Diffusionskoeffizienten der Elektronen cm2/s 200 130 1000
Diffusionskoeffizienten der L¨ocher cm2/s 10 5 13
thermische Geschwindigkeit Elektronen (300 K) m/s 4 105 3.9 105 7.7 105 thermische Geschwindigkeit L¨ocher (300 K) m/s 1.8 105 1.7 105 2 105 thermischer Ausdehnungskoeffizient K−1 5.73 10−6 4.6 10−6 4.52 10−6
Si Donator eV 0.006 0.0057 0.001
Si Akzeptor eV 0.03 0.1 0.22
Be Akzeptor eV 0.03 0.02 0.03
Tabelle B.1: Materialeigenschaften
Naturkonstanten
• Plancksches Wirkungsquantum h6.626×10−34J s h/(2π) = 1.05457×10−34J s
• Boltzmannsche KonstantekB1.3806×10−23J/K
• Elementarladung e1.602×10−19C
• Lichtgeschwindigkeit c2.99792×108 m/s
• Permeabilit¨at des Vakuumsµ0 µ0 = 4π×10−7T2 m3/J =12.566×10−7T2 m3/J
• Permeabilit¨at des Vakuumsµ0 µ0 = 4π×10−7T2 m3/J =12.566×10−7T2 m3/J