Magneto-Mikrophotolumineszenz-Spektroskopie als Werkzeug zur Untersuchung der Unordnung in Halbleiter-Quantenfilmen

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen strukturellen und optischen Eigenschaften dimensionsreduzierter Halbleiter-Heterostrukturen am Modellsystem dünner GaAs/AlxGa1-xAs-Quantenfilme, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) ohne Wachstumsunterbrechung an den Grenzflächen gewachsen wurden. Die unvermeidbare Unordnung in den Grenzflächen binär/ternärer Halbleiter-Hetero-strukturen führt in Quantenfilmen mit einer Dicke von wenigen Monolagen zur Loka-lisierung gebundener Elektron-Loch-Paarzustände (Exzitonen) in sog. natürlichen Quantenpunkten. Mit der Exzitonlokalisierung verbunden ist die Verbreiterung der Exziton-Spektren dieser Quantenstrukturen. Mit räumlich und spektral hochauflösender Mikro-photolumineszenz-Spektroskopie (&mu PL) kann die Emission einzelner lokalisierter Exzitonzustände nachgewiesen werden (``Einzelpunkt-Spektroskopie''). Ein spezielles Probendesign erlaubt in dieser Arbeit die Untersuchung der GaAs/AlxGa1-xAs-Quantenfilme sowohl mit einer strukturellen Methode (Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie, XSTM) als auch in hochauflösenden optischen (&mu PL) Experimenten. Damit ist es erstmals möglich, einen direkten Zusammenhang zwischen den Legierungsfluktuationen in den AlxGa1-xAs-Barrieren auf atomarer Skala und den Exzitonspektren herzustellen. In magneto-&mu PL-Experimenten an GaAs/Al0.3Ga0.7As-Quantenfilmen wird in dieser Arbeit erstmals ein systematisches Verhalten der diamagnetischen Verschiebung einzelner lokalisierter Exzitonzustände als Funktion ihrer übergangsenergie beobachtet. Dieses Verhalten kann als Folge der kleinen Korrelationslänge -- weit unterhalb des Exziton-Bohrradius -- der Legierungsunordnung erklärt werden, die in den hier untersuchten Quantenfilmen zur Exzitonlokalisierung führt. In XSTM-Daten derselben Struktur werden kurzreichweitige Korrelationen zwischen Al-Atomen in den Al0.3Ga0.7As-Barrieren auf einer Längenskala von wenigen Gitterkonstanten beobachtet. Es wird gezeigt, dass diese Korrelationen einen wesentlichen Einfluss auf die Quantenfilm-Exzitonspektren haben, und dass magneto-&mu PL-Spektroskopie dünner Quantenfilme prinzipiell den Zugriff auf die Korrelationslänge der Grenzflächenunordnung im nm-Bereich erlaubt. -- An einer GaAs/AlAs-Doppelquantenfilmstruktur wird in dieser Arbeit weiterhin das Auftreten negativer diamagnetischer Koeffizienten erstmals eindeutig nachgewiesen. Die in mehreren Fällen beobachteten Paare von Linien mit positiven und negativen diamagnetischen Koeffizienten werden mit geladenen Exzitonzuständen in gekoppelten natürlichen Quantenpunkten in dieser Doppelfilm-Struktur in Verbindung gebracht.This work contributes to the understanding of the relation between structural and optical properties of dimensionally reduced semiconductor heterostructures at the model system of thin GaAs/AlxGa1-xAs quantum wells grown by molecular beam epitaxy (MBE) without growth interruption at the interfaces. The unavoidable disorder in the interfaces of binary/ternary semiconductor heterostructures causes localization of Coulomb-correlated electron-hole pairs (excitons) in narrow (a few monolayers wide) quantum wells. The exciton localization in so-called natural quantum dots is accompanied by a broadening of the exciton spectra of these quantum structures. Optical methods with high spatial and spectral resolution like microphotoluminescence (&mu PL) spectroscopy allow to resolve the emission from individual localized exciton states (``single-dot spectroscopy''). In this work, a special sample design allows to study the GaAs/AlxGa1-xAs quantum wells with structural methods (cross-sectional scanning tunneling microscopy, XSTM) as well as in high-spatial-resolution optical experiments (microphotoluminescence spectroscopy, &mu PL). This allows to establish a direct relation between alloy fluctuations in the AlxGa1-xAs barriers on the atomic scale and exciton spectra. In magneto-&mu PL experiments, a systematic behaviour of the diamagnetic shift of individual localized exciton states as a function of transition energy is observed for the first time. This behaviour can be explained as a result of the short-range correlated disorder on a length scale far below the exciton Bohr radius that causes exciton localization in the studied quantum wells. In XSTM data of the same heterostructure, direct evidence of short-range correlations between Al atoms in the Al0.3Ga0.7As barriers on a length scale of a few lattice constants is found. It is shown that these correlations are fundmental for the inhomogeneous broadening of the exciton spectra of the GaAs/Al0.3Ga0.7As quantum wells, and that magneto-&mu PL in principle gives access to the correlation length of the interface disorder in buried semiconductor quantum wells on a nm scale. -- Further on, the first clear-cut observation of negative diamagnetic coefficients of localized excitonic transitions in a double quantum well is reported. The negative diamagnetic shift is related to charged exciton states in coupled natural quantum dots in this heterostructure