Photolumineszenz von Exzitonen in polaren ZnO/MgZnO-Quantengrabenstrukturen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem vertieften Verständnis der Rekombinationsdynamik von polaren ZnO/MgZnO-Quantengraben(QW)-Strukturen zur exakten Bestimmung des unabgeschirmten Grundzustandes und der Analyse der zugrundeliegenden Emissionsprozesse. Dafür werden ausgehend von Beobachtungen an ZnO-Dünnschichten die Eigenschaften von mittels PLD hergestellten QWs unter dem Einfluss des internen elektrischen Feldes mit Hilfe der zeitintegrierten (TI-) und zeitaufgelösten (TR-) Photolumineszenz(PL)-Spektroskopie untersucht. Die Differenz der spontanen und piezoelektrischen Polarisation zwischen ZnO und MgZnO führt zur Ausbildung eines internen elektrischen Feldes und damit zum Auftreten des quantum-confined Stark effect (QCSE). Es wird gezeigt, dass der QCSE durch eine Durchmischung der Grenzflächen stark vermindert wird. Für QWs mit schwachem QCSE ist die Übergangsenergie und Zerfallszeit des Grundzustandes experimentell gut bestimmbar. Bei starkem QCSE müssen jedoch bereits bei geringen Anregungsdichten (1E10 /cm²) Abschirmeffekte berücksichtigt werden. Dadurch ist es sehr schwierig, den unabgeschirmten Grundzustand mittels herkömmlicher experimenteller Methoden mit einem aussagekräftigen Signal-Rausch-Verhältnis zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass für QWs mit einer Dicke > 4 nm die Übergangsenergie des unabgeschirmten Grundzustandes nicht durch TI-PL-Messungen bestimmt werden kann. TR-PL-Messungen zeigen energetisch tiefere Übergangsenergien, jedoch ebenfalls nicht den unabgeschirmten Grundzustand. Mit einem eingeführten Modell zur Beschreibung der zeitabhängigen Abschirmung des Grundzustandsniveaus wird die Zerfallszeit für QW-Dicken in einem Bereich von 1 - 10 nm bestimmt. Durch die selbstkonsistente Lösung von Schrödinger- und Poissongleichung werden die Übergangsenergie und Zerfallszeit der Exzitonen im QW in Abhängigkeit der Feldstärke und auch der Ladungsträgerdichte berechnet. Dadurch ist eine exaktere Bestimmung der Feldstärke möglich. Zusätzlich wird durch die vergleichende Untersuchung von QWs unterschiedlicher Dicke, Potentialhöhe und Wachstumsunterlage die spontane und piezoelektrische Polarisation der Materialien experimentell bestimmt. Mittels temperaturabhängiger Messungen wird der Ursprung der Lumineszenz für QW-Dicken > 2 nm der Rekombination freier Exzitonen im QW zugeschrieben. Für dünnere QWs ist der temperaturabhängige Verlauf des PL-Maximums durch Lokalisation der Exzitonen bestimmt