GaAs / Alx Ga1-x As Quantentöpfe: MBE-Wachstum, Charakterisierung und laterale Modulation mittels fokussierter Ionenstrahlen

Die Eigenschaften niederdimensionaler Systeme sind sowohl für die physikalische Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen von besonderem Interesse. Die Systeme ermöglichen die Untersuchung der Physik in kleinen Dimensionen, zeigen überraschende neuartige physikalische Eigenschaften und bieten zugleich ein breites Spektrum möglicher Einsatzbereiche.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem MBE-Wachstum von GaAs/AlAs Quanten-töpfen und der lateralen Modulation ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften durch fokussierte Ionenstrahlen. Die Charakterisierung der hergestellten Proben erfolgte mittels Photo-lumineszenz-Messungen.
Im ersten Teil der Arbeit wurden Quantentöpfe mit Molekularstrahlepitaxie hergestellt, die als Ausgangsmaterial für die laterale Modulation dienten. Die Wachstumsparameter und die Schichtstrukturen wurden dabei hinsichtlich der Lumineszenz-Eigenschaften optimiert. Die erzielten Linienbreiten für Quanten-töpfe der Breiten von 19.8, 15.2, 12.2, 9.9, und 5.6 nm betragen 0.18, 0.37, 0.46, 0.81 und 1.24 meV und wurden bei Proben mit kurzperiodischen GaAs/AlAs Übergittern als Barrieren erreicht. Zusätzlich wurde die Temperaturabhängigkeit der Bandlücke und der Linienbreite als Funktion der Quantentopfbreite untersucht.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der lateralen Modulation der Bandlücke und des Brechungsindex von Quantentöpfen mittels fokussierter Ionenstrahlen, wobei der Einfluss der Barrierenart, sowie die Tiefenverteilung der implantationsbedingten Durchmischung untersucht wurden.
Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass die Interdiffusion stark von der Barrierenart abhängt. Die stärkste Interdiffusion wird bei kurzperiodischen Übergitter-Barrieren erzielt.
Um eine maximale Durchmischung und damit eine effiziente Modulation mit möglichst geringen Implantations-schäden zu erzielen, ist die Kenstnis der Tiefenverteilung der Ionen bzw. Leerstellen im Kristall notwendig. Das Maximum dieser Verteilung legt die Tiefe des Quantentopfes fest, bei der für eine gegebene Implantationsdosis eine maxi-male Durchmischung vorliegt.
Die Tiefenverteilung der 100 keV Ga+- Ionen wurde dabei für Implantationsrichtungen sowohl senkrecht als auch 7° geneigt zur (001) GaAs-Oberfläche experimentell ermittelt. Das Maximum dieser Verteilung liegt bei etwa 70 nm für die senkrechte bzw. 60 nm für die geneigte Implantationsrichtung und weicht damit 40 nm bzw. 30 nm von den Simulationsergebnissen (SRIM 2000) ab. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Channeling eine deutliche Verschiebung des Maximums der Verteilung von etwa 10 nm verursacht, obwohl die [001]-Richtung keine bevor-zügte Channeling-Richtung in GaAs darstellt.
Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine ausreichende Durchmischung mit einer möglichst kleinen Implan-tationsdosis und gewährleisten somit gute Kristallqualität und hohe laterale Auflösung. Die erreichte Inter-diffusionslänge von etwa 1.3 nm konnte bis jetzt nur bei um zwei Größenordnungen höheren Implantationsdosen erreicht werden. Große Diffusionslängen bei kleinen Implantationsdosen ermöglichen eine Unterdrückung der Seitendosis, die bei maskenloser Implantation die laterale Auflösung begrenzt.