Nanostrukturen in Halbleiterbauelementen

Piester, Dirk

Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Charakterisierung von Halbleiter-Nanostrukturen, wie sie in modernen Quantenstrukturbauelementen, z. B. in Halbleiterlasern, Anwendung finden. Sie beleuchtet anhand zweier Konzepte die Anforderungen und Spezifikationen sowohl an das Material als auch an den Bauelemententwurf. Dabei handelt es sich einerseits um einen aus InGaAs/InP-Quantenfilmen aufgebauten Kaskadenlaser und andererseits um einen InGaAs/InP-Quantendrahtlaser. Photolumineszenz-Spektroskopie und Rasterkraft-Mikroskopie sind die wesentlichen Methoden, die zur Kontrolle des Herstellungsprozesses (metallorganische Gasphasenepitaxie) eingesetzt werden. Sie ermöglichen es, Quantenstrukturen mit definierten Abmessungen und Zusammensetzungen zu realisieren, sowie ihre Homogenität zu optimieren. Die Schichtdicken-Inhomogenität epitaktischer Quantenfilme beträgt z.B. weniger als 0,2 nm und liegt somit unter einer molekularen Monolage. Weiterhin werden die zwei Kerneffekte des Quantenkaskadenlasers, nämlich Intersubbandübergänge in Quantenfilmen sowie das Tunneln von Elektronen durch Potentialbarrieren, betrachtet. Letztere Untersuchungen münden in einer neuen Methode zur Bestimmung von Dotierstoffkonzentrationen in Nanostrukturbaulementen. Auch fließen sie bei der technologischen Optimierung des als Prototyp vorhandenen Quantendrahtlasers ein. Neben den kontrolliert hergestellten zwei- bzw. eindimensionalen Quantenstrukturen werden abschließend quasi-nulldimensionale sogenannte selbstorganisierte InP-Nanoinseln (Quantenpunkte) bzgl. ihrer statistischen Größenverteilung charakterisiert.

Semiconductor nanostructures find wide applications in optoelectronic devices. A prominent example is their use as active regions in lasers. Considering two laser concepts, namely a quantum cascade laser (QCL) and a quantum wire laser (QWRL), in the system InGaAsP/InP, the demands and specifications of the material and design are specified. Photoluminescence spectroscopy and cleaved edge atomic-force microscopy (XAFM) are the main methods for controlling the fabrication process (metal-organic vapor-phase epitaxy). These methods enable the realization of quantum structures with well defined layer thicknesses and compositions as well as optimizing their homogeneity on the nanometer scale. For instance, the layer-thickness inhomogeneity of InGaAs/InP quantum wells amounts less than 0.2 nm, which is below one molecular monolayer. Furthermore, the two essential physical effects used in QCL are analyzed, namely intersubband transitions in quantum wells and electron tunneling through potential barriers. The latter effect leads to a new method to determine doping concentrations in nanostructure devices. Furthermore applying electron tunneling has the potential to enhance the properties of QWRL. Besides quantum wells and wires, self organized InP nano-islands (quantum dots) were investigated with respect to their statistical size distribution and density of substrate-surface coverage.

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Piester, Dirk: Nanostrukturen in Halbleiterbauelementen. 2002.

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