Magneto-microphotoluminescence spectroscopy as a tool for the study of disorder in semiconductor quantum wells

Abstract

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen strukturellen und optischen Eigenschaften dimensionsreduzierter Halbleiter-Heterostrukturen am Modellsystem dünner GaAs/AlxGa1-xAs-Quantenfilme, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) ohne Wachstumsunterbrechung an den Grenzflächen gewachsen wurden. Die unvermeidbare Unordnung in den Grenzflächen binär/ternärer Halbleiter-Hetero-strukturen führt in Quantenfilmen mit einer Dicke von wenigen Monolagen zur Loka-lisierung gebundener Elektron-Loch-Paarzustände (Exzitonen) in sog. natürlichen Quantenpunkten. Mit der Exzitonlokalisierung verbunden ist die Verbreiterung der Exziton-Spektren dieser Quantenstrukturen. Mit räumlich und spektral hochauflösender Mikro-photolumineszenz-Spektroskopie (&mu PL) kann die Emission einzelner lokalisierter Exzitonzustände nachgewiesen werden (``Einzelpunkt-Spektroskopie''). Ein spezielles Probendesign erlaubt in dieser Arbeit die Untersuchung der GaAs/AlxGa1-xAs-Quantenfilme sowohl mit einer strukturellen Methode (Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie, XSTM) als auch in hochauflösenden optischen (&mu PL) Experimenten. Damit ist es erstmals möglich, einen direkten Zusammenhang zwischen den Legierungsfluktuationen in den AlxGa1-xAs-Barrieren auf atomarer Skala und den Exzitonspektren herzustellen. In magneto-&mu PL-Experimenten an GaAs/Al0.3Ga0.7As-Quantenfilmen wird in dieser Arbeit erstmals ein systematisches Verhalten der diamagnetischen Verschiebung einzelner lokalisierter Exzitonzustände als Funktion ihrer übergangsenergie beobachtet. Dieses Verhalten kann als Folge der kleinen Korrelationslänge -- weit unterhalb des Exziton-Bohrradius -- der Legierungsunordnung erklärt werden, die in den hier untersuchten Quantenfilmen zur Exzitonlokalisierung führt. In XSTM-Daten derselben Struktur werden kurzreichweitige Korrelationen zwischen Al-Atomen in den Al0.3Ga0.7As-Barrieren auf einer Längenskala von wenigen Gitterkonstanten beobachtet. Es wird gezeigt, dass diese Korrelationen einen wesentlichen Einfluss auf die Quantenfilm-Exzitonspektren haben, und dass magneto-&mu PL-Spektroskopie dünner Quantenfilme prinzipiell den Zugriff auf die Korrelationslänge der Grenzflächenunordnung im nm-Bereich erlaubt. -- An einer GaAs/AlAs-Doppelquantenfilmstruktur wird in dieser Arbeit weiterhin das Auftreten negativer diamagnetischer Koeffizienten erstmals eindeutig nachgewiesen. Die in mehreren Fällen beobachteten Paare von Linien mit positiven und negativen diamagnetischen Koeffizienten werden mit geladenen Exzitonzuständen in gekoppelten natürlichen Quantenpunkten in dieser Doppelfilm-Struktur in Verbindung gebracht.