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Jens Pustiowski

• In der hier vorliegenden Arbeit wird die gezielte Kontrolle der Emissionseigenschaften von InGaAs-Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) durch zwei voneinander unabhängige Mechanismen untersucht. Zum einen kann ein vertikal über die Quantenstruktur angelegtes elektrisches Feld dazu verwendet werden, um statisch einen bestimmten exzitonischen Zustand im Quantenpunkt zu definieren, zum anderen führt der zeitgleiche Einsatz von akustischen Oberflächenwellen (SAWs) zu einer hochfrequenten dynamischen Oszillation der im Experiment emittierten Wellenlänge. Die Kombination aus zwei unabhängigen Parametern liefert dabei einen weiteren Freiheitsgrad gegenüber einzelnen Mechanismen, um eine bessere Kontrolle des emittierten Lichts von Quantenpunkten in zukünftigen opto-elektronischen Bauteilen zu gewinnen. Dies ist vor allem im Hinblick auf Quanteninformationstechnologien wie Quantencomputer oder Quantentelekommunikation wünschenswert. Die hierbei untersuchten Proben wurden in einer speziellenIn der hier vorliegenden Arbeit wird die gezielte Kontrolle der Emissionseigenschaften von InGaAs-Halbleiter-Quantenpunkten (QDs) durch zwei voneinander unabhängige Mechanismen untersucht. Zum einen kann ein vertikal über die Quantenstruktur angelegtes elektrisches Feld dazu verwendet werden, um statisch einen bestimmten exzitonischen Zustand im Quantenpunkt zu definieren, zum anderen führt der zeitgleiche Einsatz von akustischen Oberflächenwellen (SAWs) zu einer hochfrequenten dynamischen Oszillation der im Experiment emittierten Wellenlänge. Die Kombination aus zwei unabhängigen Parametern liefert dabei einen weiteren Freiheitsgrad gegenüber einzelnen Mechanismen, um eine bessere Kontrolle des emittierten Lichts von Quantenpunkten in zukünftigen opto-elektronischen Bauteilen zu gewinnen. Dies ist vor allem im Hinblick auf Quanteninformationstechnologien wie Quantencomputer oder Quantentelekommunikation wünschenswert. Die hierbei untersuchten Proben wurden in einer speziellen Hybridtechnik hergestellt, welche als epitaktischer Lift-off (ELO) bezeichnet wird. Ein solcher Hybrid besteht dabei aus einem Lithiumniobat-Wirtssubstrat und einer submikrometer-dicken Galliumarsenid-basierten Halbleiter-Heterostruktur. Die mit Molekularstrahlepitaxie hergestellten Halbleiterscheiben besitzen neben verschieden dotierten Schichten entweder einzelne Quantenpunkte oder Quantenpunktmoleküle. Darüber hinaus befindet sich zwischen der zu transferierenden Schicht und dem Galliumarsenid-Grundsubstrat eine Opferschicht aus Aluminiumarsenid, welche in einem nass-chemischen Ätzvorgang entfernt wird. Das statische elektrische Feld wird dabei durch eine Diodenstruktur erzeugt, in die der Quantenpunkt eingebettet ist, während die Generation der akustischen Oberflächenwellen durch zuvor auf das Lithiumniobat metallisierten interdigitalen Schallwandlern (IDTs) bewerkstelligt werden kann. Neben den fabrikationstechnischen Besonderheiten der Quantenpunktwafer wird dabei explizit auf die Mikrostrukturierung der Proben eingegangen und der epitaktische Lift-off erläutert. Dieser erlaubt es, Schichten mit hoher optischer Qualität zu transferieren. Die zentrale Untersuchungsmethode stellt dabei, neben verschiedenen elektrischen Messungen, die Mikro-Photolumineszenz-Spektroskopie dar, bei der Elektron-Loch-Paare und damit einhergehend Exzitonen durch einen Laserpuls entstehen und das wieder emittierte Licht untersucht wird, um Rückschlüsse auf die Vorgänge innerhalb der Strukturen zu gewinnen. Dabei findet eine Synchronisation zwischen Laser- und Oberflächenwellenpuls statt, welche es erlaubt, durch ein stroboskopisches Verfahren phasenaufgelöste Messungen an den Quantenpunkten durchzuführen. Um erste Erkenntnisse über die Wechselwirkung der Oberflächenwellen mit hybridisierten Quantenstrukturen zu gewinnen, werden Experimente an einem Quantentopf dargelegt, welcher beim Wachstum der Halbleiterscheiben entsteht. Hierbei zeigt sich, dass im optischen Experiment die SAW durch das sie begleitende mechanische und elektrische Feld zu einer Dissoziation der photogenerierten Ladungsträgerpaare führt und diese bei entsprechender Stärke der Welle aus dem Detektionsbereich bipolar transportiert werden können. Phasenaufgelöste Messungen zeigen dabei weiterführend, dass der Anregungszeitpunkt ein entscheidendes Kriterium für den Ladungsträgertransport und damit die Dynamik der beteiligten Ladungsträgerarten darstellt. In weiteren Experimenten wird gezeigt, dass auch die exzitonischen Zustände im Quantenpunkt durch eine Oberflächenwelle beeinflusst werden können. Je nach Phasenlage der SAW bei der Anregung bildet sich bevorzugt ein neutrales oder geladenes Exziton aus. Dabei zeigen sich Modulationen der Intensität in Abhängigkeit von der Phase der Welle. Die Frequenzeigenschaften der Schallwandler sind eine zentrale Komponente, welche in elektrischen Charakterisierungsmessungen betrachtet werden. Dabei zeigt sich auch, dass eine direkte Anregung von Oberflächenwellen auf den mit leitfähigen Schichten versehenen Wafern nicht möglich ist. Dies gibt eine Motivation für das hier angewandte ELO-Verfahren. Als zweite zentrale Komponente der Hybridstruktur werden die Halbleiterdioden genauer betrachtet. Neben den elektrischen Eigenschaften, welche durch die Strom-Spannungs-Kennlinie bestimmt sind, wird hierbei auch gezeigt, dass ein etwaig störender Einfluss durch ein elektromagnetisches Übersprechen zwischen Schallwandlern und Diode vernachlässigt werden kann. Durch Messungen mit Hilfe eines Oszilloskops kann zudem der Ort des Oberflächenpulses zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmt werden. Zeitintegrierte und phasenaufgelöste Messungen zeigen, dass das elektrische Feld der Oberflächenwelle nahezu vollständig abgeschirmt wird. Daher ist vor allem das Verspannungsfeld der Welle und die damit einhergehende mechanische Kopplung zum Quantenpunkt maßgeblich. Ein ausgewählter exzitonischer Zustand lässt sich über die Diodenspannung in einem schmalen Energiebereich durch den beschränkten Stark-Effekt in seiner Emissionsenergie verändern. Der zeitgleiche Einsatz der Oberflächenwelle führt dabei zu einer dynamischen Modulation der Photolumineszenzintensität. Bevor am Ende noch kurz auf Messungen von Quantenpunktmolekülen in Hybridstrukturen eingegangen wird, welche zeigen, dass hier ein großes Potential für weiterführende Forschung besteht, wird eine Methode diskutiert, um auf optischem Wege die Resonanzfrequenzen der interdigitalen Schallwandler mit Hilfe von Quantenpunkten zu bestimmen.…