Spektroskopie von piezoelektrischen Halbleitermaterialien für optoelektronische Anwendungen

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Beschreibung

In dieser Arbeit wurden physikalische Zusammenhänge in den polaren Materialien
GaInN/GaN, InN und ZnO mittels optischer Spektroskopie untersucht und erklärt.
In GaInN/GaN Quantenfilmen konnte das Polarisationsfeld für polare (0001) und
semipolare (1¹101) Strukturen gemessen werden. Dabei kamen ortsaufgelöste feld-
abhängige Photolumineszenz und Elektrolumineszenz zum Einsatz. Damit steht
zum ersten Mal ein experimenteller Wert für ein Polarisationsfeld in einer semi-
polaren Orientierung zur Verfügung. Daraus lässt sich das Verhalten dieses Feldes
für alle denkbaren Orientierungen herleiten und auf den piezoelektrischen Ten-
sor von GaN schließen, insbesondere auf das Tensorelement e15 > 0, für das es
bisher kaum Angaben gibt. Das Modell, das das Verhalten der GaInN/GaN Quan-
tenfilme als Funktion vieler Parameter wie Dicke, Zusammensetzung, Verzerrung,
Feld, Abschirmung und Dotierung beschreibt geht dabei deutlich Äuber bisher in
der Literatur verwendete Modelle hinaus und schließt dabei auch beliebige Wachs-
tumsrichtungen mit ein.
An den semipolaren (1¹101) GaInN/GaN-Quantenfilmen wurde polarisierte Licht-
emission gefunden und erfolgreich mit einem Modell erklärt, das auf kp-Störungs-
theorie beruht. Damit konnte sowohl die Richtung der Polarisation, als auch deren
quantitative Stärke korrekt nachgebildet und damit verstanden werden. Entgegen
üblicher Erklärungsmuster ist nicht die Valenzbandaufspaltung alleine für den Ef-
fekt verantwortlich, sondern vielmehr die starke Änderung der Matrix-Elemente,
die auf der veränderten Verzerrungssituation auf den verschiedenen Kristallflächen
beruht.
An hexagonalem InN wurde mit Photolumineszenz und optischer Reflexion eine
Resonanz in den dielektrischen Eigenschaften des Materials nachgewiesen. Die La-
ge der Resonanz knapp oberhalb der Bandkante des entarteten Halbleiters konnte
mit dem Auftreten des Mahan-Exzitons erklärt werden. Dieser Vielteilchen-Effekt,
der damit erstmals für einen nitridischen Halbleiter und erst zum zweiten Mal in
einem Volumenhalbleiter nachgewiesen wurde, dominiert offensichtlich sehr viele
in der Literatur beschriebene InN-Lumineszenzspektren und ist damit hilfreich,
die andauernde Diskussion um die Lage der fundamentalen Bandlücke von InN zu
entscheiden. An kubischem InN konnte zusätzlich zum ersten Mal verlässliche Pho-
tolumineszenz gezeigt werden. Diese Proben wurden weiterhin mittels Ferinfrarot-
Reflektion charakterisiert und mit einem Modell angepasst, mit dem die freie La-
dungsträgerdichte bestimmt werden konnte.
An sehr vielen ZnO Proben, darunter Schichten, Säulenproben, Einkristalle und
Nanokristallite wurde im Verlauf dieser Arbeit Photolumineszenz gemessen. In
dieser Arbeit wurde ein Modell entwickelt, dass es sich beim so genannten Ober-
flächenexziton bei 3:367 eV auch um einen Donator-Oberflächen-Akzeptor Über-
gang handeln könnte. Mittels ausgewählter Spektren wurde zuerst gezeigt, dass ein
exzitonischer Ursprung sehr unwahrscheinlich ist und dass die Rekombinationsban-
de nicht vom Oberflächen-Volumen-Verhältnis abhängt. Schließlich konnte ein sehr
einfaches neues Modell zeigen, dass die typische Linienform des Übergangs elegant
mit Donator-Akzeptor Paarspektren erklärt werden kann, wenn der Akzeptor an
der Oberfläche der Proben lokalisiert ist.
Im letzten Teil der Arbeit wurde das Auftreten von ortsabhÄangigen Anregungs-
Resonanzen in einzelnen ZnO-Nanosäulen sehr hoher Qualität auf der Nanometer-
Skala erklärt. Im hochauflösenden Rasterelektronen-Mikroskop wurde eine peri-
odische Modulation der Anregungs-Effizienz gefunden, die mit dem Auftreten von
stehenden Wellen in den Nanosäulen zusammenhängt. Die Säulen wirken damit
als Nano-Resonatoren. Mit der vorgestellten mathematischen Beschreibung konn-
ten die Experimente quantitativ ausgewertet werden, au¼erdem wurden Vorher-
sagen über sich ausbildende Moden in Nano-Resonatoren verschiedener Größe
ermöglicht.