Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2001
Programm und Abstracts der Sitzung HL 35

Umverteilungsprozesse von Exzitonen in CdSe/ZnSe Quantenpunktstrukturen

•Dworzak Matthias¹, Martin Straßburg^1,2, Robert Heitz¹, Axel Hoffmann¹, Jürgen Christen² und Detlef Schikora^3
3Universität Paderborn, Warburger St. 100, 33098 Paderborn
¹Technische Universität Berlin, Institut für Festkörperphysik, Hardenbergstraße 36, 10623 Berlin
²Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Zur Untersuchung der Dynamik in Quantenpunkt-Strukturen ist das CdSe/ZnSe-System aufgrund großer Exzitonen-Bindungsenergien und der Existenz unterschiedlicher Inselstrukturen von großem Interesse. Die untersuchten Proben enthalten eine CdSe/ZnSe-Schicht, in der sich aufgrund von Segregations- und Interdiffusionseffekten flache Inseln (Typ A) mit geringer lateraler Ausdehnung (3-10 nm) und geringem Cd-Gehalt bilden. CdSe-Depositionen oberhalb der kritischen Schichtdicke (2.1 ML) führen zum Wachstum von größeren (16 nm), Cd-reichen Inseln (Typ B) im Stranski-Krastanow-Modus. In beiden Inseltypen werden Exzitonen lokalisiert, deren Lebensdauer stark von der Ausdehnung der Insel abhängt. Bei tiefen Temperaturen liegen die strahlenden Zerfallszeiten bei  200 ps für Typ A bzw. 350 ps Typ B Inseln. Die Umverteilungsprozesse der lokalisierten Exzitonen von Typ-A- in Typ-B-Inseln wurden mittels temperaturabhängiger, resonanter und nichtresonanter zeitaufgelöster bzw. zeitverzögerter sowie Photolumineszenzanregungs-Spektroskopie untersucht. Dabei wird deutlich, dass oberhalb von 100 K Exzitonen nur noch in den Typ B Inseln lokalisiert sind.

Mittelinfrarote Kalorimetrische Absorptionsspektroskopie an InGaAs/GaAs-Quantenpunkten

•K. Goede¹, A. Weber¹, F. Guffarth¹, C. M. A. Kapteyn¹, F. Heinrichsdorff¹, D. Bimberg¹ und M. Grundmann^1,2
1Institut für Festkörperphysik, TU Berlin, Hardenbergstr. 36, D-10623 Berlin
²Institut für Experimentelle Physik II, Universität Leipzig, Linnéstr. 5, D-04103 Leipzig

Intersubniveau-Übergänge in InGaAs/GaAs-Quantenpunkten und Übergänge zwischen gebundenen Zuständen in den Quantenpunkten und der Benetzungsschicht wurden erstmals mit Hilfe der mittelinfraroten Fouriertransformierten Kalorimetrischen Absorptionsspektroskopie (FT-CAS) bei 4.2 K beobachtet. Bei diesem Verfahren wird die Erwärmung der Quantenpunktprobe bei Beleuchtung mit einer Infrarot-Strahlungsquelle spektral aufgelöst gemessen. Einzelne Absorptionspeaks konnten durch Vergleiche ihrer spektralen Lage mit Resultaten aus PL- und PLE-Messungen an den gleichen Proben und mit FT-CAS-Messungen an einem GaAs-Substrat identifiziert werden. Durch Anlegen verschiedener Sperrspannungen an die als pn-Diode aufgebaute Probe konnten die Quantenpunkte schrittweise von Ladungsträgern entleert werden, wodurch die Absorption in den Quantenpunkten reproduzierbar verändert werden konnte. Die dafür benutzten Spannungen stimmen hervorragend mit Werten aus Kapazitätsmessungen überein.

Optische Spektroskopie an einzelnen semimagnetischen CdSe/ZnMnSe-Quantenpunkten

•H. Schömig¹, M.K. Welsch¹, J. Seufert¹, M. Scheibner¹, G. Bacher¹, A. Forchel¹, S. Zaitsev², V.D. Kulakovskii², M. Dobrowolska³ und J.K. Furdyna^3
1Technische Physik, Universität Würzburg
²Institute of Solid State Physics, RAS, Chernogolovka, Ruß land
³Department of Physics, University of Notre Dame, USA

Mittels hochortsaufgelöster Lumineszenz-Spektroskopie wurden einzelne, selbstorganisierte CdSe-Quantenpunkte in einer semimagnetischen Matrix untersucht. Die Selektion individueller Quantenpunkte erfolgte durch nanostrukturierte Al-Masken mit einem Durchmesser bis herab zu 100 nm. Somit konnten verschiedene Aspekte der Wechselwirkung einzelner Elektron-Loch-Paare mit einer definierten magnetischen Umgebung studiert werden. Zum einen konnte die Bildung von quasi-nulldimensionalen exzitonischen magnetischen Polaronen mittels temperaturabhängiger und zeitaufgelöster Photolumineszenz-Spektroskopie nachgewiesen werden. Ferner äuß ert sich die Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern und den Mn²⁺-Ionen in einem Riesen-Zeeman-Effekt, mit effektiven g-Faktoren im Bereich 70. Eine Modellierung der magnetfeldabhängigen Verschiebung des Emissionssignls erlaubt die Bestimmung des internen Austauschfelds des Polarons.

Orientierte Dipolmomente exzitonischer Komplexe in epitaktischen Quantenpunkten

•V. Türck, S. Rodt, R. Heitz, O. Stier, M. Straßburg, U. W. Pohl und D. Bimberg
Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, Hardenbergstraße 36, D-10623 Berlin

In epitaktisch hergestellten, selbstorganisierten CdSe Quantenpunkten ist die sog. ``spectral diffusion'' häufig beobachteter Effekt. Dieser führt zu einer inhomogenen Verbreiterung der Emissionslinien nulldimensionaler Exzitonen und Exzitonenkomplexe. In spektroskopischen Untersuchungen einzelner Quantenpunkte mit Hilfe von Kathodolumineszenz konnte die Emission von Exzitonen, Biexzitonen, Trionen und geladenen Biexzitonen beobachtet werden. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Ursache der spectral diffusion stochastisch variieredende elektrische Felder von Oberflächenladungen sind, die über einen linearen Stark-Effekt mit den Quantenpunkt-Exzitonen in Wechselwirkung treten. Dieser lineare Stark-Effekt zeigt erstmals, daß die exzitonischen Zustände in derartigen Quantenpunkten ähnlich wie die in pyramidenförmigen InAs Quantenpunkten ein permanentes, elektrisches Dipolmoment besitzen. Überraschenderweise ist die Dipollänge von Exzitonen, Biexzitonen und höheren exzitonischen Zuständen praktisch gleich.

In Verbindung mit erstmals durchgeführten Berechnungen der elektronischen und exzitonischen Eigenschaften derartiger Quantenpunkte mit Hilfe der 8-Band k·p-Methode, basierend auf realistischen Strukturdaten, gelingt es, wesentliche Informationen zur Gestalt der Quantenpunkte und den Eigenschaften des Einschlußpotentials zu erhalten.

Quantum Confined Starkeffekt in (InAs/GaAs) quantum dots - elektromodulierte Transmission in Doppelhetero-pin-Wellenleiterstruktur

•O. Wolst¹, M. Schardt¹, S. Malzer¹, G. Döhler¹ und K.H. Schmidt^2
1Universität Erlangen-Nürnberg
²Ruhr-Universität Bochum

Von verschiedenen Gruppen wurden kürzlich elektrooptische Untersuchungen an self assembled quantum dots (SADs) in vertikalen pin-Strukturen (Feld in Wachstumsrichtung, z-Richtung) veröffentlicht. Der Quantum Confined Starkeffekt konnte im Photostrom und in Elektroreflektion nachgewiesen werden[1],[2].

Experimente mit Lichtausbreitung in z-Richtung führen aufgrund der kurzen Wechselwirkungslänge und des geringen Bedeckungsgrades in der Schicht nur zu sehr schwachen Signalen. Um kontrastreiche Messungen zu erzielen haben wir die besonders geeignete Wellenleitergeometrie gewählt. Im Gegensatz zu Photostrom-Messungen bietet das transmittierte Signal einen direkten Zugang zur Absorption. Zusätzlich erlaubt diese Geometrie die Unterscheidung von TE- und TM-Polarisation. Mittels Elektromodulation kann die feldabhängige Absorption der SADs aus der Transmission des Wellenleiters extrahiert werden. Unterhalb des Wettinglayers können fünf gebundene Zustände aufgelöst

werden, die mit zunehmenden Feld ins Kontinuum übergehen. Bei einem Feld von 300kV/cm beobachten wir eine Starkverschiebung von 20 meV.

[1] Raymond et al. Phys. Rev. B 58 (20), R13 415 (1998)

[2] Fry et al. Phys. Rev. B 84 (4), 733 (2000)

Theory of electron quatum size energy levels and Zeeman effect in spherical semiconductor nanocrystals

•Anna Rodina^1,2, Alexander Efros³, Mervin Rosen³ und Bruno Meyer^1
2Ioffe Physico-Technical Institute of RAS, St.- Petersburg, Russia
³Naval Research Laboratory, Washington DC, USA
¹I. Physics Institute,Justus-Liebig University of Giessen, Giessen, Germany

Optical properties of semiconductor nanocrystals in the presence of magnetic field are determined by the fine structure of electron and hole quantum size energy levels. We develop a theory of linear Zeeman effect for the carriers in an arbitrary confinement potential having spherical symmetry in the framework of multiband effective mass model. The confining conditions in spherical nanocrystals and spherically layered semiconductor heterostructures are modeled by considering material and energy band parameters as functions of the radial coordinate in the position space. We found that heterostructure interfaces and nanocrystal surface affect directly the electron and hole quantum size energy levels and effective g-values and study these effects for bare CdS, CdSe and CdTe nanocrystals. The dependencies of the electron effective g- values on the nanocrystal radius and on the quantum size electron energy are calculated with the different choices of the boundary conditions imposed on the envelope functions at the surface. The comparison with experimental data provides a direct test of the boundary condition for the multiband model.

Resonanzverhalten gekoppelter Quantenpunkte im elektrischen Feld

•Andrei Schliwa, Oliver Stier, Robert Heitz, Marius Grundmann und Dieter Bimberg
Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin

Die vertikale Stapelung im Stranski-Krastanow Verfahren hergestellter Quantenpunkte (QD) stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, um die optoelektronischen Eigenschaften solcher Systeme wie z. B. den Gewinn zu beeinflussen. Basierend auf Acht-Band- k·p-Rechnungen untersuchen wir den Einfluß des vertikalen Abstandes, des Größenverhältnisses der QDs sowie der resultierenden Verzerrungen auf die Exzitonzustände. Die QDs werden als InAs-Pyramiden mit {101} Facetten angenommen, getrennt durch eine GaAs-Schicht variierender Dicke ( 1 bis 7 nm Abstand Spitze-Boden).
Desweiteren berechnen wir die Änderungen, die ein in Wachstumsrichtung angelegtes elektrischen Feld an den Einteilchenzuständen und den Absorptionsspektren hervorruft. Dazu werden Paare zweier QDs leicht unterschiedlicher Größe betrachtet, deren elektronische Zustände durch das elektrische Feld in Resonanz gebracht werden können.

Photostromspektroskopie an einzelnen InGaAs-Quantenpunkten

•Evelin Beham, Frank Findeis, Max Bichler und Artur Zrenner
Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Am Coulombwall, D-85748 Garching, Germany

Die optische Absorption einzelner Quantenpunkte lässt sich mit Hilfe spektral aufgelöster Photostrom-Messungen beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden selbstorganisierte InGaAs Quantenpunkte untersucht, die in die intrinsische Schicht einer n-i-GaAs-Schottkydiode eingebettet sind. Die optische Selektion einzelner Quantenpunkte wurde mittels elektronenstrahl-lithographisch definierter Schattenmasken erreicht. Ein Titan-Saphir-Laser wurde verwendet, um die Quantenpunkte resonant mit Exzitonen zu besetzen. Die optisch erzeugten Ladungsträger können bei ausreichender elektrischer Feldstärke aus den Quantenpunkten durch Tunneln entkommen und lassen sich im Photostrom nachweisen. Im Photostromsignal zeigt sich bei Variation der Laserenergie die diskrete Natur der Quantenpunkt-Zustandsdichte in Form von scharfen Absorptionslinien. An Quantenpunkt-Grundzuständen beobachten wir eine Sättigung des Photostroms mit zunehmender Anregungsleistung. Der Sättigungswert des Photostroms zeigt eine ausgeprägte Abhängigkeit von der externen Spannung. Eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke im Bereich des Quantenpunkts führt ferner zu einer spektralen Verbreiterung der Photostromlinien, woraus sich Rückschlüsse auf die Tunnelwahrscheinlichkeit der Ladungsträger aus den Quantenpunkten ziehen lassen.

Vielteilcheneffekte in geladenen InGaAs/GaAs Quantenpunkten

•Florian Guffarth, Robert Heitz, Christian Kapteyn, Frank Heinrichsdorff und Dieter Bimberg
Institut für Festkörperphysik, TU-Berlin, Sekr. PN 5-2, Hardenbergstr. 36, 10623 Berlin

Vielteilcheneffekte in geladenen, selbst-organisierten InGaAs/GaAs Quantenpunkten wurden mit Hilfe von Photolumineszenz- (PL) und Anregungsspektroskopie (PLE) untersucht. Dabei können die Quantenpunke, welche mittels MOCVD gewachsen wurden, innerhalb einer pn-Struktur gezielt mit Elektronen be- und entladen werden. C-V Messungen zeigen, dass die Quantenpunkte mit bis zu ~ 10 Elektronen befüllt werden können. Der Ladungszustand der Quantenpunkte hat insbesondere einen erheblichen Einfluss auf das Anregungsverhalten der Grundzustandslumineszenz. Die verschiedenen Anregungskanäle werden sukzessive unterdrückt, womit eine Zuordnung der Übergänge ermöglicht wird. Darüber hinaus zeigen die Anregungsresonanzen charakteristische Linienverschiebungen aufgrund von Vielteilcheneffekten. Desweiteren gibt die elektrische Feldabhängigkeit einzelner Anregungskanäle Aufschluss über die Konkurrenz zwischen Ladungsträgeremission und Quantenpunkt-interner Relaxation.

Optische Ladungsspeicherung und Auslesen in selbstorganisierten In(Ga)As Quantenpunkten

•D. Heinrich, M. Kroutvar, A. Zrenner, G. Böhm, M. Bichler und G. Abstreiter
Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Am Coulombwall, 85748 Garching

Das hier vorgestellte Konzept zu wellenlängenselektiver optischer Ladungsspeicherung von Elektronen oder Löchern in In(Ga)As/GaAs Quantenpunkten (QDs) erlaubt es, die Anregungswellenlänge als zusätzliche Speicherdimension zu verwenden. Die dazu nötige inhomogen verbreiterte Absorptionslinie des QD Ensembles basiert auf Grössenfluktuationen der QDs. Durch resonante optische Anregung der In(Ga)As QDs im nahen Infrarotbereich werden Elektron-Loch-Paare in den QDs erzeugt und aufgrund des intrinsischen Feldes in einer p-i-n Struktur räumlich getrennt. Dadurch bleibt eine Ladungsträgerart eingespeichert in den QDs zurück. Der Speicherzustand der QDs wird durch kapazitive Kopplung zu einem benachbarten zweidimensionalen Ladungsträgersystem detektiert. Dieser Speicherzustand kann länger als 8 Stunden und bei Temperaturen von bis zu T=200K beobachtet werden. Das Auslesen der gespeicherten Ladungen kann über die Injektion von komplementären Ladungsträgern in die QDs erfolgen, indem die bei der Rekombination erzeugten Photonen spektral aufgelöst detektiert werden. Alternativ kann rein optisch Entladen werden. Durch Einstrahlen von Mittelinfrarotlicht werden die gespeicherten Ladungsträger direkt über das Einschlusspotential der QDs angehoben und damit die gespeicherte Information gelöscht.

Elektrolumineszenz-Untersuchungen an wenigen Quantenpunkten in mit FIB hergestellten lokalisierten pn-Übergängen

•R. Schmidt¹, M. Vitzethum¹, P. Schafmeister², D. Reuter², J. Koch², P. Kiesel¹, A. Wieck² und G. H. Döhler^1
1Institut für Technische Physik I, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen, Universität Erlangen-Nürnberg
²Institut für Angewandte Festkörperphysik, Universitätsstr. 150, Ruhr-Universität Bochum

Mit fokussierter Ionenstrahlimplantation (Focused Ion Beam, „ FIB“) ist es möglich, Halbleiter lateral strukturiert zu dotieren. Wir nutzen die Implantation mit Be, um p-dotierte Streifen mit einer Breite von 10 mm bis 1 mm zu erzeugen. Nach der Implantation können mittels MBE GaAs, aber auch InAs-Quantenpunkte mit hoher Qualität abgeschieden werden. Wir haben eine InAs-Quantenpunkt-Schicht zentral in eine 60nm dicke i-Schicht zwischen die p-dotierten Streifen und einer n-dotierten Deckschicht eingebettet. Mit photolithographischen und naßchemischen Methoden wurde ein senkrecht zum vergrabenen p-Streifen liegender n-Streifen hergestellt.

Der Kreuzungspunkt der p- und n-Streifen definiert einen lokalisierten Nano-pn-Übergang mit einer Fläche von minimal 1 × 1 mm², in dem sich bei geeignetem Quantenpunktwachstum sehr wenige Quantenpunkte befinden. Wir präsentieren Ergebnisse aus Elektrolumineszenz-Messungen, die durch elektrische Anregung einer kleinen Zahl von Quantenpunkten erreicht wurden. Bei großflächigen Bauelementen ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit Spektren, die durch PL-Messungen erzielt wurden.

Adapting eight-band k·p theory to electronic structure calculations of quantum dots

•O. Stier¹, R. Heitz¹, M. Grundmann^1,2 und D. Bimberg^1
1Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, PN 5-2, Hardenbergstraß e 36, D-10623 Berlin
²Universität Leipzig, Institut für Experimentelle Physik II, Linnéstr. 5, D-04103 Leipzig

An improved concept for using the k·p method for electronic structure calculations of inhomogeneously strained quantum dots with large confinement is proposed rendering the eight-band k·p model a reliable tool for the investigation of shape and composition effects on the electronic and optical structure of quantum dots [1]. The enhanced predictive power for properties of zero-dimensional states is achieved by a well-defined selection procedure for the bulk property parameters of the constituent materials. A comparison with atomistic calculations demonstrates the efficiency of our method and suggests that effects of the atomic structure play a marginal role in many relevant types of self-assembled quantum dots.

[1] O. Stier, Electronic and Optical Properties of Quantum Dots and Wires, Berlin Studies in Solid State Physics, ed. by C. Thomsen et al. (Wissenschaft und Technik Verlag, Berlin, 2000)

Quantenpunkt Mikrolaser

•Siegfried Rennon, Kamran Avary, Frank Klopf, Johann Peter Reithmaier und Alfred Forchel
Technische Physik, Universität Würzburg, Am Hubland, D-97074 Würzburg, Deutschland

Die monolithische Integration von Lasern mit anderen optoelektronischen Komponenten erfordert kompakte, kantenemittierende Laser mit hochreflektierenden Spiegeln. Mit tief geätzten Bragg-Spiegeln können Reflektivitäten von über 90% erzielt werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Lasern mit extrem kurzen Resonatorlängen. Auf GaInAs/AlGaAs Strukturen mit selbstorganisierten GaInAs Quantenpunkten als aktiver Schicht, wurden Mikrolaser mit Resonatorlängen von weniger als 20 mm hergestellt. Die Laser emittieren im Dauerstrichbetrieb auf dem Quantenpunkt-Grundzustand. Die Emission ist aufgrund des großen Fabry-Perot Modenabstandes nahezu monomodig und liegt bei Raumtemperatur bei 980 nm. 20 mm lange Laser zeigen im Dauerstrichbetrieb Ausgangsleistungen von über 1 mW und Schwellenströme von 3 mA. Die geringsten Schwellenströme im Bereich von einem mA wurden mit 30 mm langen Lasern erzielt.

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Zuletzt geändert am 05.06.2001

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