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Optisch detektierte magnetische Resonanzen an GaAs/AlAs-Heterostrukturen

Foerster, Walter Bernhard von


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Freie Schlagwörter (Deutsch): magnetische Resonanzen , GaAs , AlAs , Heterostrukturen
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.07.2000
Erstellungsjahr: 2000
Publikationsdatum: 19.07.2000
Kurzfassung auf Deutsch: In dem Spezialfall der Übergitter (Superlattice) ist eine der bekanntesten nichtdestruktiven Untersuchungsmethoden die optische
Spektroskopie, die eine Auflösung von meV erreicht. Seit Ende der 80'er Jahre werden zunehmend magnetooptische Analysemethoden
entwickelt, so wurden erstmals optisch detektierte magnetische Resonanzen (ODMR) an GaAs/AlAs-Übergittern nachgewiesen. Die
Auflösung dieser Methode liegt in der Grössenordnung 10-100meV.

Eine kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Methode unter Einbeziehung von Levelanticrossingspektroskopie konnte die Auflösung auf
Sub-meV verbessern. Verschiedene Messparameter wurden zur Charakterisierung der Übergitter gefunden. So ist der g-Wert des Exzitons
ein Maß für Dicke der GaAs-Schichten, die Nullfeldaufspaltung des Exzitons (ohne äußeres Magnetfeld) ist charakteristisch für die Periode
des Übergitters und der Relaxationsort kann über die Polarisation der Lumineszenz nachgewiesen werden.
Diese Arbeit befasst sich mit Untersuchungen an Typ II AlAs/GaAs-Übergittern. Erstmals kann eine Aussage über die Zusammensetzung
der grenzflächennahen Atomlagen der Übergitter aus spektroskopischen Methoden getroffen werden. Weiterhin wurde eine neue
Messmethode, die leistungs-modulierte ODMR, entwickelt. Diese Messmethode ermöglicht die Bestimmung von Spin-Relaxationszeiten
des Exzitons.

Aus diesen Photolumineszenzmessungen erhält man zunächst über die energetische Lage der strahlenden Rekombination und der
relativen Intensität der Phononenreplikanten den Typ des Exzitons, d.h. den Einschluss des Elektrons in: Typ-II: Xz und Xxy , Typ-I: G.
Die Rekombinationsenergie gibt weiterhin Aufschluss über die Schichtdicken der Übergitter, da der Einschluss der Exzitonen in
Quantentöpfen charakteristisch für deren Breite und Tiefe ist. Dies erlaubt nach Kalibration mit gemessenen Schichtdicken aus
Röntgenbeugung (XRD) eine einfache Messung der Schichtdicken.

Da das Exziton in Typ-II-Übergittern an den Grenzflächen lokalisiert, ist die Linienbreite der Lumineszenz charakteristisch für die Rauhigkeit
der Grenzflächen. Auch die ODMR gibt Aufschluss über die Grenzflächenrauhigkeiten. Der g-Wert des schweren Loches skaliert mit der
GaAs-Schichtdicke. Die Levelanticrossingspektroskopie, mit der man hier die Nullfeldaufspaltungen des Niveausystems des Exzitons im
Sub-meV-Bereich vermessen kann, erlaubt jedoch tiefergehendere Aussagen über die Grenzflächen.
Mit dieser Messmethode läßt sich die normale und die inverse Grenzfläche über ihre Polarisation und deren Verlauf im Magnetfeld
eindeutig unterscheiden, und unter Einbeziehung von ODMR kann die Symmetrie der Grenzflächen bestimmt werden.
In dieser Arbeit konnte neben der Rekombination an den verschiedenen Grenzfläche auch die Rekombination an Wachstumsdefekten
(As--Fehlstellen in den AlAs-Schichten) nachgewiesen werden.

Mit den magnetooptischen Messmethoden ODMR und Levelanticrossingspektroskopie wurde die Symmetrie der Grenzflächen, also ihre
mikroskopische Zusammensetzung bestimmt. Es wurde für die normale Grenzfläche ein Wachstumsgradient nachgewiesen, während die
inverse Grenzfläche in Wachstumsrichtung abrupt ist.

Hierbei muß aber berücksichtigt werden, daß hier Aussagen getroffen werden, die lokal gelten, also für die Fläche über die ein Exziton
mittelt. Also steht diese Aussage nicht im Widerspruch zu den Inseln an der inversen Grenzfläche und der glatten normalen Grenzfläche, die
bei dem Wachstumsprozess vorhergesagt und an Oberflächen direkt gemessen werden können.
Mit Hilfe einer neuen Messmethode, der leistungsmodulierten ODMR, konnte erstmals die Lebensdauer des Heavy-Hole-Spin-Flips zu
10-25 ms bestimmt werden. Auch für den Spin-Flip des Elektrons konnte durch Vergleich der Intensität der ODMR am Elektron und am
schweren Loch eine vergleichbare Lebensdauer gefunden werden.

Die leistungsmodulierte ODMR gibt einen Einblick in die Lebensdauern der Spin-Flips. Mit Hilfe von zeitaufgelöster Spektroskopie könnte
man noch weitere Information über die Dynamik des Niveausystems erhalten. Damit könnte man auch das Modell verfeinern, um so
genauere Aussagen über die Beschaffenheit der Interfaces zu treffen. Auch die Einbeziehung der Elektron-Loch-Paare, die hier nicht
weiter untersucht wurden, und der freien Ladungsträger und Störstellen könnte ein weiterer Schritt zur Charakterisation der Exzitonen und
damit der Superlattices sein. Damit könnte man nicht nur das Exziton genauer beschreiben, sondern erhält auch ein Verfahren zur
Charakterisation der Grenzflächen von Bauteilen wie zum Beispiel Laserdioden.