Quantenpunkt Nanoprezipitate in Halbleiter-Heterostrukturen

Epitaktisch kontrollierte Halbleiter-Quantentpunkte sind von herausragendem Interesse für moderne optoelektronische Bauelemente. Dies basierend auf der reduzierten elektronischen Zustandsdichte und der breiten Durchstimmbarkeit der optischen Übergänge durch Modifika-tion von Größe, Form und chemischer Zusammensetzung. In diesem Forschungsprojekt wird eine neuartige Synthesemethode zur Herstellung von Quantenpunkten entwickelt, welche auf der Phasenseparation von nicht mischbaren Halbleitermaterialien in epitaktischen Heterostrukturen beruht. Die damit hergestellten Quantenpunkt-Präzipitate weise heraus-ragende strukturelle und optische Eigenschaften auf, darunter hochsymmetrische Formen, atomar scharfe Grenzflächen, eine vollständige Entmischung zwischen Quantenpunkt- und Matrixmaterial, sowie intensive Infrarot-Emission bei Raumtemperatur. Da die epitaktischen Quantenpunkte kohärent in einkristallines Halbleitermaterial eingebettet sind, ist darüber hinaus eine einfache Integration in Halbleiterbauelemente möglich. Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes ist die Weiterentwicklung der neuen Synthese-methode durch Anwendung auf ein breites Spektrum von Materialkombinationen, sowie die Aufklärung der besonderen strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Quanten-punkte. Die Arbeiten konzentrieren sich vor allem auf Heterostrukturen aus Halbleitern mit großer Mischbarkeitslücke, welche meist durch Vorliegen verschiedenartiger Kristall-strukturen verursacht wird, was insbesondere auf II-VI Halbleiter mit Zinkblende und IV-VI Halbleiter mit Steinsalzstruktur zutrifft. Zu diesen Modellsystemen werden detaillierte Wachstumsstudien mittels Molekularstrahlepitaxie, in situ Elektronenbeugung sowie Raster-tunnelmikroskopie durchgeführt. Ziel ist es dabei, die Form, Größe und Zusammensetzung der Quantenpunkte gezielt einzustellen. Zur Entwicklung eines fundierten Verständnisses der Kinetik des Präzipitationsprozesses wird vor allem die Rolle der Grenzflächen und elastischen Verspannungen untersucht. Dazu werden in situ und ex situ Temperstudien, sowie Vergleichsuntersuchungen an verschiedenen Materialsystemen durchgeführt. Die strukturellen Eigenschaften werden mittels hochauflösender Transmissionselektronen-mikroskopie und Röntgenbeugung untersucht, um die atomare Konfiguration der verschiedenen Grenzflächen zu bestimmen. Mittels Spektroskopie und Photolumineszenz-messungen werden die elektronischen und optischen Eigenschaften bestimmt und mit theoretischen Rechnungen verglichen. Durch Anwendung auf ein breites Materialspektrum werden Quantenpunktsysteme realisiert die einen großen Spektralbereich abdecken, um damit verschiedenste praktische Bauelementanwendungen erschließen zu können.

Epitaktisch kontrollierte Halbleiter-Nanostrukturen sind von großer Bedeutung für moderne optoelektronische Bauelemente. Dies basierend auf der reduzierten elektronischen Zustandsdichte und der Durchstimmbarkeit der optischen Übergänge durch Größe, Form und chemischer Zusammensetzung. Quantenpunkte sind Nanostrukturen in denen Elektronen in allen drei Raumrichtungen eingesperrt sind. In diesem Forschungsprojekt wurde nunmehr eine neuartige Synthesemethode zur Herstellung von Quantenpunkten entwickelt, welche auf der Phasenseparation von nicht-mischbaren beruht. Die hergestellten Quantenpunkt-Präzipitate weisen eine Reihe von herausragenden Eigenschaften auf, wie zum Beispiel hochsymmetrische Formen, atomar scharfe Grenzflächen, eine vollständige Entmischung zwischen Quantenpunkt- und Matrixmaterial, sowie intensive Lichtemission bei Raumtemperatur. Die Einbettung der Quantenpunkte in ein einkristallines Halbleitermaterial erlaubt darüber hinaus ihre monolithische Integration in optoelektronische Halbleiterbauelemente. Die neue Herstellungsmethode wurde im Rahmen des Projektes auf verschiedene Materialsysteme angewandt, bestehend aus IV-VI Halbleiterverbindungen wie PbTe und PbSe, sowie II-VI Halbleitern wie CdTe und ZnTe. Auf Grund der unterschiedlichen Kristallstruktur besteht zwischen den zwei Materialklassen eine große Mischbarkeitslücke womit die notwendigen Bedingungen für die Phasenseparation in idealer Weise erfüllt ist. Durch Optimierung der Wachstums- und Temperbedingungen konnte eine sehr gute Kontrolle und Einstellbarkeit der Größe und Form der Quantenpunkte erzielt werden. Diese weisen eine sehr hohe Lumineszenz, d.h., Lichtemission bei Anregung, über einen großen Spektralbereich von 1.3 bis 1.6 m Wellenlänge auf. Mittels detaillierter in situ Transmissionselektronenmikroskopie-Untersuchungen, sowie atomistischen Monte Carlo Simulationen und Kontinuums-Modellen konnte die Dynamik und kinetischen Parameter des Bildungsprozesses ermittelt werden, womit ein umfassendes Verständnis erzielt wurde. Basierend auf der starken Emission der Quantenpunkte wurden infrarot Bauelemente wie Leuchtdioden und Laser mit Emissionswellenlängen im 2 bis 5 m Bereich demonstriert. Diese Bauelemente sind für den Nachweis von molekularen Gasen für die Umweltanalytik und Emission von Treibhausgasen, für medizinische Diagnostik sowie der industriellen Prozessüberwachung einsetzbar.