Entwicklung eines Optischen Rasternahfeldmikroskops zur Untersuchung von Halbleiter-Nanostrukturen bei tiefen Temperaturen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mittels optischer Rasternahfeldmikroskopie (SNOM) die elektronische Struktur von MOCVD-gewachsenen InGaAs/GaAs und InAs/GaAs-Quantenpunkten untersucht, die sich durch eine besonders niedrige Grundzustands-Übergangsenergie auszeichnen. Im Zentrum der vorgestellten Untersuchungen steht die Frage, welchen Einfluss die Wechselwirkung von im Quantenpunkt befindlichen Ladungen auf die Energiezustände von Biexzitonen und Mehrfachexzitonen hat. Dazu wurden Photolumineszenz-Spektren einzelner Quantenpunkte unter variierender Anregungsintensität bei verschiedenen Temperaturen zwischen 5 K und 300 K untersucht. Die Untersuchung einzelner Quantenpunkte wurde möglich durch die Konstruktion eines neuen Rasternahfeldmikroskops speziell für den Betrieb bei tiefen Temperaturen. Durch entscheidende Verbesserungen der Positioniertechnologie und der Scherkraft-Abstandsregelung von Probe und Nahfeld-Sonde wurde erreicht, dass mit dem neuen Tieftemperatur-SNOM erstmalig stabiles Rastern der Quantenpunkt-Proben bei 5 K mit einer lateralen optischen Auflösung von 200 nm demonstriert werden konnte. Auf diese Weise wurde bei der Photolumineszenz-Spektroskopie einzelner Quantenpunkte die thermische Linienverbreiterung des detektierten Lichts bis auf Werte unterhalb 1 meV reduziert, was die Identifikation von Biexzitonen- und Mehrfachexzitonenübergängen erlaubte. Anhand der durchgeführten Messungen wurde für die InGaAs/GaAs-Quantenpunkte insbesondere ein Biexzitonenzustand mit einer variierenden Bindungsenergie von 2 – 7 meV festgestellt. Zudem wurde das Auftreten eines emissionsstarken positiv geladenen Trionzustands mit einer Bindungsenergie von −11 meV beobachtet. Dieser kann auf die Probendotierung zurückgeführt werden. Entsprechend kann auch für den positiv geladenen Biexzitonzustand eine Bindungsenergie von 11 meV angegeben werden. Für die untersuchten InAs/GaAs-Quantenpunkte wurde ein Biexzitonenzustand mit einer Bindungsenergie von 3 – 4 meV gefunden. An einigen der untersuchten InAs/GaAs-Quantenpunkte wurde ebenfalls die Ausbildung positiv geladener Zustände festgestellt, insbesondere des Trionzustands mit einer Bindungsenergie von −3 meV, und des positiv geladenen Biexzitons mit einer Bindungsenergie von 1 meV. Diese Werte konnten im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmalig für InGaAs- und InAs-Quantenpunkte mit einer Grundzustands-Übergangsenergie von 1.0 – 1.1 eV experimentell bestimmt werden. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse lassen auf eine nichtlineare Fortentwicklung des bisher für Quantenpunkte mit erheblich höheren Grundzustandsenergien als linear angenommenen Verhaltens der elektronischen Zustände schliessen. Insbesondere wird eine sukzessive Reduktion der Bindungsenergien exzitonischer Komplexe, speziell des Biexzitons erwartet. Die damit korrellierte Verringerung der spektralen Feinstrukturaufspaltung ermöglicht prinzipell eine technologische Anwendung als Einzelphotonenquelle.In the present work the electronic structure of MOCVD-grown InGaAs/GaAs and InAs/GaAs quantum dots which are characterized by a particularly low ground state transition energy, was investigated using Scanning Nearfield Optical Microscopy (SNOM). The pivotal question of the presented investigations is, which influence the interaction of the confined carriers has on the energy states of the biexcitons and the multiexcitons in a quantum dot. Therefor, photoluminescence spectra of single quantum dots were investigated under varying excitation intensity at different temperatures between 5 K and 300 K. The construction of a novel scanning nearfield microscope especially for low temperatures allowed the investigation of single quantum dots. Due to significant improvements of the positioning technology and the shear-force distance control between the sample and the nearfield probe a stable scanning of the quantum dot samples at 5 K could be demonstrated, showing a lateral optical resolution of 200 nm. This way, in the photoluminescence spectroscopy of single quantum dots the thermal linewidth broadening of the detected light was reduced down to a value of less than 1 meV, which allowed the identification of the transitions of biexcitons and multiexcitons. On the basis of the performed measurements, for the InGaAs/GaAs quantum dots a biexciton state was identified, with variable binding energies of 2 − 7 meV. Furthermore, a positively charged trion state with a binding energy of 11 meV was observed, showing high emission intensity, which can be assigned to the sample doping. Accordingly, for the positively charged biexciton state a binding energy of 11 meV can be announced. For the investigated InAs/GaAs quantum dots a biexciton state with binding energies of 3 − 4 meV was found. Some of the investigated InAs/GaAs quantum dots showed the formation of positively charged states, in particular of a trion state with a binding energy of 3 meV, and of the positively charged biexciton with a binding energy of 1 meV. These values could for the first time be experimentally determined within this work for InGaAs and InAs quantum dots with a ground state transition energy of 1.0 1.1 eV. The findings obtained in this work suggest a non-linear extrapolation of the behavior of the electronic states, which has been formerly supposed to be linear for quantum dots with significantly higher ground state energies. In particular, a successive reduction of the binding energies of exciton complexes, specifically of the biexciton, can be expected. The related reduction of the spectral fine structure splitting in principle allows a technological application as a single photon source