GEB - Control of Emission Properties of Semiconductors through Functionalization - Dobener, Florian 
 

Giessener Elektronische Bibliothek

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Control of Emission Properties of Semiconductors through Functionalization

 Dobener, Florian


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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-149472
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2019/14947/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Halbleiter , optische Spektroskopie , Photoemissionsspektroskopie , nichtlineare optische Prozesse
Freie Schlagwörter (Englisch): semiconductor , optical spectroscopy , photoeelectron spectroscopy , non-linear optical processes
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.11.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum: 27.11.2019
Kurzfassung auf Englisch: In the present work three different topics were dealt with, which serve to extend the light emission of existing laser systems to wavelength ranges previously unattained. The laser spectroscopy is intrinsically limited to existing laser systems with fixed wavelength ranges and the development of further wavelengths is especially interesting in the near infrared and short wavelength visible to UV range. Especially the telecom wavelengths, i.e. the range in which telecommunication fibers have their transmission minimum, is interesting for further development.
So far, Ga(In,As) lasers on InP substrate have been used in this system. Therefore, complex electronic couplers have to be built, which connect the laser systems to existing silicon technology. Accordingly, it is desirable to manufacture laser systems directly on silicon substrate. The material Ga(N,As,P) investigated in this thesis offers the possibility of pseudomorphic growth on silicon. The object of this research was the characterization of the band offsets of different materials in Ga(N,As,P) heterostructures. These band offsets are important for both electronic and optical properties of this structure. In this thesis the relevant offsets between Ga(N,As,P) and its barrier layers GaP and (B,Ga)(As,P) were determined by two different methods. The first method, photoluminescence excitation spectroscopy, allows the determination of higher states in the quantum well. A specially developed series with varied Ga(N,As,P) quantum film thickness allows to determine the band offsets from the stress-induced displacements of the bands using photoluminescence excitation spectroscopy. However, a relatively high effort of theoretical preliminary consideration is necessary to determine the corresponding transition energies to the band offsets. Therefore, the offset was also determined directly by X-ray photoelectron spectroscopy. This approach provides not only the offsets of the active material, but also the offsets of all layers involved in the structure. A comparison with the photoluminescence excitation spectroscopy provides a rounded picture of the band offsets of the structures. It could be shown that the valence band offset of the structures is very low. These investigations thus contribute to the further optimization of the structures towards silicon-based laser systems.
A second approach to extend the existing wavelength regimes is nonlinear optical effects. Due to high field strengths, as provided by today´s lasers, a frequency conversion of the light takes place in non-centrosymmetric materials. This makes it possible to open up wavelength ranges for which no laser system exists. Especially in the blue and UV range of the light spectrum these effects are used. The second part of this thesis deals with the investigation of such nonlinear optical effects. This is divided into the determination of the absolute efficiency of the second harmonic frequency generation in the material KNbO3 and the investigation of novel adamantine-like clusters for the generation of white light in the visible and near-infrared spectrum.
Kurzfassung auf Deutsch: In der vorliegenden Arbeit wurden drei verschiedene Themen behandelt, die dazu dienen die Lichtemission vorhandener Lasersystemen auf bisher unerreichte Wellenlängenbereiche zu erweitern. In der Laserspektroskpie ist man intrinsisch limitiert auf vorhandene Lasersysteme mit festen Wellenlängenbereichen und die Erschließung von weiteren Wellenlängen ist besonders im nahinfraroten und kurzwelligen sichtbaren bis UV Bereich interessant.
Insbesondere die Telekom Wellenlängen, d.h.,der Bereich in dem Telekomunikationsfasern ihr ransmissionsminimum besitzen ist interessant für eine weitere Erschließung. Bisher kommen in diesen System Ga(In,As) Laser auf InP Substrat zum Einsatz. Dafür müssen aufwendige elektronische Koppler gebaut werden, die die Lasersysteme an vorhandene Siliziumtechnologie anbinden. Entsprechend ist es wünschenswert Lasersysteme direkt auf Silizium Substrat zu fertigen. Das in dieser Arbeit untersuchte Material Ga(N,As,P) bietet die Möglichkeit des pseudomorphen Wachstums auf Silizum. Der hier behandelte Forschungsgegenstand war die Charakterisierung der Band-Offsets der verschiedenen Materialien in einer Ga(N,As,P) Heterostruktur. Diese Band-Offsets sind sowohl für elektronische als auch optische Eigenschaften dieser Struktur wichtig. In dieser Arbeit wurde die relevanten Offsets zwischen Ga(N,As,P) und dessen Barrierenschichten GaP und (B,Ga)(As,P) mit zwei unterschiedlichen Methoden bestimmt. Die erste Methode, Photolumineszenzanregungsspektroskopie, ermöglicht die Bestimmung von höheren Zuständen im Quantenfilm. Eine eigens dafür erstellte Serie mit variierte Ga(N,As,P) Quantenfilm Dicke ermöglicht aus der Photolumineszenzanregungungsspektroskopie die Band Offsets aus den verspannungsbedingten Verschiebungen der Bänder zu bestimmen. Allerdings ist ein relativ hoher Aufwand an theoretischer Vorüberlegung nötig um die entsprechenden Übergangsenergien auf die Band Offsets zu bestimmen. Daher wurde der Offset außerdem direkt mit Röntgen Photoelektronenspektroskopie bestimmt. Dieser Ansatz liefert nicht nur die Offsets des optisch leuchtenden Materials, sondern außerdem auch die Offsets aller an der Struktur beteiligten Schichten. Ein Vergleich mit der Photolumineszenzanregungspektroskpie liefert hier ein abgerundetes Bild über die Bandanordnungen der Strukturen. Es konnte gezeigt werden, dass der Valenzbandoffset der Strukturen sehr gering ist. Diese Untersuchungen liefern damit einen Beitrag zur weiteren Optimierung der Strukturen, hin zu Lasersystemen auf Siliziumbasis.
Ein zweiter Ansatz die vorhandenen Wellenlängenregimes zu erweitern ist durch nichtlineare optische Effekte. Durch hohe Feldstärken, wie von heutigen Lasern bereitgestellt, findet in nicht zentrosymmetrischen Materialien eine Frequenzkonversion des Lichtes statt. Dadurch ist es möglich Wellenlängenbereiche zu erschließen für die kein Lasersystem existiert. Besonders im blauen und UV Bereich des Lichtspektrums werden diese Effekte verwendet. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung solcher nichtlinearen optischen Effekte. Dies untergliedert sich in die Bestimmung der absoluten Effizienz der zweiten harmonischen Frequenzerzeugung im Material KNbO$_3$ und die Untersuchung neuartiger adamantanartiger Cluster zur Erzeugung von Weißlicht im sichtbaren und nahinfraroten Spektrum.
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