Funktionalisierung von III/V-Halbleiterheterostrukturen durch Selbstorganisation und Nanostrukturierung

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Konzepte zur Funktionalisierung von III/V-Halbleiterheterostrukturen durch verspannungsinduzierte Nanostrukturierung vorgestellt. Dafür wurden die Eigenschaften epitaktischer Schichtsysteme für die entsprechenden Anforderungen ma¼geschneidert und die Strukturen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Zuerst behandeln wir die linienfÄormige Anordnung von Indiumarsenid-Quantenpunken entlang von Misit-Versetzungen, die in [110]- und [110]-Richtung verlaufen. Durch Kombination von verspannungsinduzierten Quantenpunkten und verspannungsinduzierten Misit-Versetzungen, lassen sich eindimensionale Quantenpunktkristalle ohne jegliche Lithografie herstellen. Zur Untersuchung solcher eindimensionaler Quantenpunktkristalle mit Mikrophotolumineszenz haben wir die Emissionsenergie der Quantenpunkte durch Optimierung der Wachstumsparameter angehoben. Dadurch konnten wir die besonders empfindlichen Silizium-Detektoren für unsere Messungen einsetzen. Wir können hier erstmals die Quantenpunkte entlang der [110]-Richtung, der [110]-Richtung und zwischen den Versetzungen getrennt an ein und derselben Probe mit Photolumineszenz untersuchen. Wir finden unterschiedliche Emissionsenergien für alle drei Arten von Quantenpunkten. Ein weiteres Beispiel für verspannungsinduzierte Strukturierung sind die selbstaufrollende, verspannte In(Al,Ga)As-Strukturen zur Herstellung von Mikroröllchen. Mit diesen Mikroröllchen haben wir optische Mikroringresonatoren gebaut. Hierbei wird der Resonator durch die Röllchenwand selbst gebildet, in der gleichzeitig das optisch aktive Material eingebettet ist. Wir haben in Strukturen sowohl mit Indiumarsenid-Quantenpunkten als auch mit Quantenfilmen als optisch aktives Material optische Moden nachgewiesen. Des Weiteren wurde mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Design demonstriert, dass es mÄoglich sein sollte, mit diesen Röllchen Mikrospulen und Mikrotransformatoren herzustellen. Dabei fungiert die Rolle als Trägersubstrat für vorher aufgedampfte, metallische Leiterbahnen. Abschließend wird die Entwicklung und der Aufbau eines UHV-Rastertunnelmikroskops beschrieben, welches insbesondere zur Kombination von rastertunnelmikroskopischer Nanostrukturierung in Verbindung mit verspannungsinduzierter Nanostrukturierung dienen soll. Die Strukturierung soll zukünftig an MBE-Proben in eine Wachstumspause stattfinden. Dafür wurde eine UHV-Kammer, die in den UHV-Verbund der MBE integriert werden kann, konstruiert und fertig gestellt. Der STM-Scanner wurde zur Aufnahme von MBE-Probenhaltern inkl. der Probe konzipiert und fertig gestellt. Erste Messungen an Atmosphäre zeigen die Funktionsfähigkeit.

The following thesis presents new concepts to functionalize III/V-semiconductor-heterostructures by strain-induced nanostructuring. In order to reach this objective the properties of epitaxial heterostructures were tailor-made according to our demands and afterwards grown by molecular beam epitaxy. The first part of the thesis covers the one-dimensional alignment of self-assembled indium arsenide quantum dots by a strain-induced misfit dislocation network. This technique does not require lithography and aligns the quantum dots along the misfit directions [110] and [110]. To investigate these one-dimensional aligned quantum dots by microphotoluminescence we blue-shifted the emission energies of the quantum dots with the indium flush technique to allow measurements by the high sensitive silicon detector. For the first time, microphotoluminescence measurements with spot sizes down to 0.8 µm in diameter enabled us to perform a spatial mapping of the structures and reveal different emission energies for quantum dots aligned along [110] and [110] as well as for the free standing quantum dots on one and the same sample. Another example of strain-induced nanostructuring are the self-scrolled microtubes. With these structures we built a microtube ring resonator by embedding optically active material, i.e. quantum dots and quantum well, inside the mircotube's wall. In this novel microtube ring resonator we found a spectrum of sharp modes. Furthermore, a concept to build microcoils and microtransformers based on these self-scrolled microtubes is presented. The last part embraces the development and the construction of a UHV-scanning tunnelling microscope. This UHV-scanning tunnelling microscope is to be integrated into the UHV cluster of the molecular beam epitaxy system with the great advantage of being able to combine STM nanostructuring with strain-induced epitaxial growth. The construction of the STM scanner as well as the UHV chamber in which the STM scanner is to be integrated was successfully accomplished. First measurements under ambient conditions are presented.