Acoustic charge manipulation in semiconductor nanostructures for optical applications

Within this thesis, the influence of a surface acoustic wave (SAW) on the luminescence of semiconductor nanostructures is investigated. Beginning with the physics of low-dimensional semiconductor structures, the quantum mechanical and optical properties of quantum dot (QD) systems are discussed. In particular, intrinsic parameters of QDs such as morphology, composition, strain and occupation with carriers are taken into account. Subsequently, the influence of an applied electric field and of externally induced strain are introduced. From this general approach, the discussion is focused to quantum posts (QPs) which are columnar shaped semiconductor nanostructures. In contrast to conventional self-assembled QDs, the height of the QPs can be controlled by the epitaxial growth process. Due to the adjustable height, electronic states and therefore the exciton transition energies can be tailored. Furthermore, QPs are embedded in a matrix-quantum-well structure which has important influence on the carrier dynamic if a SAW is excited on the sample. Mainly, two effects have to be considered regarding the interaction of charge carriers with SAWs: deformation potential coupling and acousto-electric coupling. For the investigated material and used SAW frequencies, acousto-electric coupling dominates the interaction between charges and SAW. For a quantum well (QW) structure, the periodic band modulation dissociates excitons into sequential stripes of electrons and holes which then are conveyed by the SAW. This so called bipolar transport or charge conveyance effect can be used to inject carriers into remote QD structures and has already been demonstrated for QD ensembles. The injection of carriers into individual quantum posts is successfully demonstrated for the first time within this work. The spectrally resolved photoluminescence (PL) data of individual QPs show an unexpected switching of PL lines which cannot be induced by varying other parameters, e.g. the laser intensity. At a well-defined critical SAW power a switching from lines with lower PL energy to lines with higher energy is observed. Since the SAW induces a bipolar charge transport within the surrounding matrix-QW, a SAW driven carrier capture process from the matrix into the posts is assumed. Conventional self-assembled QDs show a switching behaviour, too. However, a pronounced hysteresis is observed for a single QD when the SAW power is increased and subsequently decreased, whereas the QP luminescence has a non-hysteretic characteristic. The different experimental observations are explained by the widths of the 2-dimensional layers to which the nanostructures are coupled. The matrix-QW of the QP sample is relatively wide compared to the thin wetting layer of the QD sample giving rise to different carrier mobilities within these structures. The matrix-QW and individual QP luminescence is detected temporally resolved using phase locking. Then, the oscillation of the SAW and the trigger of a pulsed laser are synchronized. This method offers multi-channel detection and is highly sensitive, since the same detector can be used as for time-integrated measurements. For an entire SAW cycle, both signals show a modulation in intensity with a period that corresponds to one SAW cycle. The period of this modulation can be explained by different effective masses and mobilities of electrons and holes.Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Arbeit ist der Einfluss akustischer Oberflächenwellen auf die Lumineszenz von Halbleiter-Nanostrukturen. Beginnend mit der Physik niedrigdimensionaler Halbleiterstrukturen werden die quantenmechanischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunktsystemen diskutiert. Zunächst werden intrinsische Parameter der Quantenpunkte behandelt, wie z.B. Morphologie, chemische Zusammensetzung, mechanische Spannung und Ladungsträgerbesetzung. Anschließend wird der Einfluss eines extern angelegten elektrischen Feldes und einer extern induzierten mechanischen Spannung diskutiert. Ausgehend von dieser allgemeinen Abhandlung wird der Fokus der Arbeit auf sogenannte Quantenposts gelenkt. Diese sind säulenartige Halbleiter-Nanostrukturen, deren Höhe im Gegensatz zu konventionellen Quantenpunktstrukturen beim Wachstumsprozess gezielt kontrolliert werden kann. Dadurch können die elektronischen Zustände und damit die Exziton-Übergangsenergien maßgeschneidert werden. Eine weitere Besonderheit dieser Strukturen ist die Tatsache, dass die Quantenposts in einer lateralen Matrix mit Quantentopf-Eigenschaften eingebettet sind. Dies hat im Zusammenspiel mit akustischen Oberflächenwellen entscheidenden Einfluss auf die Ladungsträgerdynamik. Für die Wechselwirkung zwischen akustischen Oberflächenwellen und im Halbleiter angeregten Ladungsträgern kommen im Wesentlichen zwei Effekte in Betracht: die Deformationspotentialkopplung und die akusto-elektrische Kopplung. Für das verwendete Probenmaterial und bei moderaten Oberflächenwellenfrequenzen wird die Wechselwirkung letztlich durch die akusto-elektrische Kopplung dominiert und führt in Quantentopfstrukturen zu einer Dissoziation von Exzitonen und einer lokalen Unterdrückung der strahlenden Rekombination. Die Ladungsträger liegen nun in sequentiellen Streifen von Elektronen und Löchern vor und werden im dynamisch modulierten Potential der Welle mit transportiert. Dieser sogenannte bipolare Ladungsträgertransport kann dazu genutzt werden, Ladungsträger in entfernt liegende Quantenpunktstrukturen zu injizieren, was für Ensembles von Quantenpunkten bereits gezeigt wurde. Die Ladungsträgerinjektion in einzelne Quantenposts mit Hilfe von akustischen Oberflächenwellen konnte zum ersten Mal in dieser Arbeit demonstriert werden. Betrachtet man die Photolumineszenz-Spektren einzelner Quantenpoststrukturen unter Anregung akustischer Oberflächenwellen, so zeigt sich ein unerwartetes Schaltverhalten. Ab einer kritischen Oberflächenwellenleistung setzt ein Schalten von niederenergetischen zu höherenergetischen Spektrallinien ein, welches durch das Verändern anderer Parameter, wie z.B. der Laserleistung, nicht herbeigeführt werden kann. Das charakteristische Schaltverhalten der Quantenposts wird anhand eines Modells erklärt, bei welchem der bipolare Ladungsträgertransport in der umgebenden Matrix eine entscheidende Rolle einnimmt. Im Falle konventioneller Quantenpunkte stellt man ebenfalls ein Schalten der Lumineszenz fest. Die spektralen Linien einzelner Quantenpunkte und der Benetzungsschicht weisen jedoch eine ausgeprägte Hysterese auf, wenn man die Leistung der akustischen Oberflächenwelle erhöht und danach erniedrigt. Im Falle der Quantenpostprobe erkennt man weder für die einzelnen Posts noch für die Matrix eine ausgeprägte Hysterese. Diese Unterschiede werden u.a. durch die unterschiedlichen Ausmaße von Matrix und Benetzungsschicht erklärt, welche zu unterschiedlichen effektiven Massen und Beweglichkeiten der Ladungsträger führen. Mit Hilfe phasengekoppelter Photolumineszenz-Messungen wird die Lumineszenz der Matrix und einzelner Quantenposts zeitlich aufgelöst aufgenommen. Bei dieser Methode wird die zeitliche Auflösung nicht detektionsbasiert, sondern durch die Synchronisation der Oberflächenwelle mit den emittierten Laserpulsen realisiert. Vorteile dieser Methode sind, dass die hohe Empfindlichkeit und die Vielkanaldetektion der nicht-zeitauflösenden CCD beibehalten werden. Sowohl die Photolumineszenz der Matrix als auch die einzelner Posts zeigen eine Modulation der Intensitäten, deren Periode genau einem Oberflächenwellenzyklus entspricht. Die Modulationsperiode lässt sich durch die unterschiedlichen effektiven Massen und Mobilitäten von Elektronen und Löchern erklären