Advanced

Spectroscopic studies of III-V semiconductors in two, one and zero dimensions

Hessman, Dan LU (1996)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

I slutet av 1800-talet gjordes upptäckten att atomer bara kan ta upp eller sända ut ljus med vissa våglängder. Denna egenskap beror på att elektronerna endast kan befinna sig i ett av flera diskreta energitillstånd. Man säger att elektronerna är kvantiserade. Kvantiseringen är en effekt av att elektronerna i en atom tvingas hålla sig inom en mycket liten volym. Ju mindre volymen är desto större blir energiuppsplittringen mellan de diskreta energitillstånden. Med dagens avancerade teknik för halvledartillverkning är det nu möjligt att göra artificiella strukturer i en halvledare som är så små att kvantiseringen går att studera.



Elektronrörelsen i dessa konstgjorda strukturer... (More)
Popular Abstract in Swedish

I slutet av 1800-talet gjordes upptäckten att atomer bara kan ta upp eller sända ut ljus med vissa våglängder. Denna egenskap beror på att elektronerna endast kan befinna sig i ett av flera diskreta energitillstånd. Man säger att elektronerna är kvantiserade. Kvantiseringen är en effekt av att elektronerna i en atom tvingas hålla sig inom en mycket liten volym. Ju mindre volymen är desto större blir energiuppsplittringen mellan de diskreta energitillstånden. Med dagens avancerade teknik för halvledartillverkning är det nu möjligt att göra artificiella strukturer i en halvledare som är så små att kvantiseringen går att studera.



Elektronrörelsen i dessa konstgjorda strukturer behöver inte vara fullständigt kvantiserad. Genom att kvantisera rörelsen i en riktning får man ett tvådimensionellt system där elektronerna kan röra sig fritt i ett plan. En sådan struktur kallas för en kvantbrunn. På samma sätt kan man göra en- och nolldimensionella system, sk kvanttrådar och kvantprickar, där rörelsen i två respektive tre riktningar är kvantiserad. Sådana strukturer är i allmänhet uppbyggda av två olika halvledarmaterial. Kvantbrunnen består av ett tunt skikt, kvanttråden av en small sträng och kvantpricken av en liten volym av en halvledare inbakad i en annan.



I den här avhandlingen studeras elektronernas energistruktur i kvantbrunnar, kvanttrådar och kvantprickar med hjälp av optisk spektroskopi. Resultaten presenteras i tio artiklar. Artikel I till och med IV behandlar kvantbrunnar av GaAs och GaInAs i InP och diskuterar dels energistrukturen och dels tillverkningsmetodens inverkan på gränsytan mellan de båda halvledarmaterialen. I artikel V och VI studeras kvanttrådar med särskild tonvikt på hur dessa fångar in elektroner. Artikel VII till och med X handlar om kvantprickar, alla tillverkade med sk Stranski-Krastanow-tillväxt. Denna teknik ger i grunden en oordnad placering av kvantprickarna men i artikel VIII visas hur man kan styra var kvantprickarna bildas.



I undersökningar av en- och nolldimensionsionella strukturer mäter man i allmänhet ett medelvärde av ett stort antal kvanttrådar och kvantprickar. Artikel X är dock en av de första publicerade studierna av en enskild kvantprick. Denna studie ger svar på många frågor men skapar samtidigt nya. Spektroskopi på enskilda kvantobjekt öppnar nya, spännande möjligheter i forskningen på lågdimensionella halvledare. (Less)
Abstract
In this thesis, spectroscopic studies of quantum wells (QWs), quantum wires (QWRs) and quantum dots (QDs) in III-V semiconductors are presented. The electronic structure of these low-dimensional structures have been studied by absorption, photocurrent, electroreflectance, photoluminescence (PL), and photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy.



The band alignment of GaAs pseudomorphically grown on InP is investigated. The absorption of a single GaAs/InP QW is measured and compared to a calculated spectrum obtained with the effective mass theory (EMT). The results are consistent with a type II alignment. Both theory and experiment give an absorption of the order of 1%.



The formation of interface... (More)
In this thesis, spectroscopic studies of quantum wells (QWs), quantum wires (QWRs) and quantum dots (QDs) in III-V semiconductors are presented. The electronic structure of these low-dimensional structures have been studied by absorption, photocurrent, electroreflectance, photoluminescence (PL), and photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy.



The band alignment of GaAs pseudomorphically grown on InP is investigated. The absorption of a single GaAs/InP QW is measured and compared to a calculated spectrum obtained with the effective mass theory (EMT). The results are consistent with a type II alignment. Both theory and experiment give an absorption of the order of 1%.



The formation of interface layers during the growth of single bi-layers of GaAs and GaInAs in InP is studied by PL and EMT calculations. Incorporation of As gives a red- shift of the PL, interpreted as an increased effective QW width. The As adsorbed on the growing surface is shown to be the primary source for the As incorporation at the second interface.



An AlGaAs/GaAs QWR structure grown on a V-grooved substrate is characterised using transmission electron microscopy (TEM) and cathodoluminescence (CL). The different quantum structures in the sample give spectrally separated luminescence peaks, which are identified by CL. This allows PLE and time-resolved PL studies of the carrier transfer involved in the excitation of the QWR. The vertical QW connected to the QWR is found to be the main channel for the excitation.



QDs produced in the Stranski-Krastanow growth mode are studied in different materials systems : InAs in GaAs, InAs in InP and InP in GaInP. Controlled positioning of the QDs is achieved by selective nucleation on pre-growth patterned substrates.



The electronic structure of one single InP QD is investigated by micro PL techniques: PL, PLE and TRPL. The single QD is shown to emit several PL lines, due to a reduced relaxation rate. The different spectral components have line widths of about 1 millielectronvolt, to be compared with the life time broadening which is 1 microelectronvolt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof. Sotomayor Torres, Clivia, Bergische Universität GH Wuppertal
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
InAs-InP, low-dimensional structures, quantum wells, quantum dots, quantum wires, k.p calculations, type-II, photoluminescence, V grooves, Stranski Krastanow, single dot spectroscopy, GaAs-InP, III-V semiconductors, Fysicumarkivet A:1996:Hessman, InAs-GaAs, GaInAs-InP, Halvledarfysik, InP-GaInP, Semiconductory physics
pages
46 pages
publisher
Solid State Physics, Lund University
defense location
Hörsal B, Fysicum, Lund
defense date
1996-10-04 10:15
external identifiers
  • other:LUFTD2/(TFFF-0043)/1-136
ISBN
91-628-2167-9
language
English
LU publication?
yes
id
898a96b4-3343-47cb-9356-af25029936ff (old id 28707)
date added to LUP
2007-06-13 14:50:09
date last changed
2016-09-19 08:45:11
@phdthesis{898a96b4-3343-47cb-9356-af25029936ff,
  abstract     = {In this thesis, spectroscopic studies of quantum wells (QWs), quantum wires (QWRs) and quantum dots (QDs) in III-V semiconductors are presented. The electronic structure of these low-dimensional structures have been studied by absorption, photocurrent, electroreflectance, photoluminescence (PL), and photoluminescence excitation (PLE) spectroscopy.<br/><br>
<br/><br>
The band alignment of GaAs pseudomorphically grown on InP is investigated. The absorption of a single GaAs/InP QW is measured and compared to a calculated spectrum obtained with the effective mass theory (EMT). The results are consistent with a type II alignment. Both theory and experiment give an absorption of the order of 1%.<br/><br>
<br/><br>
The formation of interface layers during the growth of single bi-layers of GaAs and GaInAs in InP is studied by PL and EMT calculations. Incorporation of As gives a red- shift of the PL, interpreted as an increased effective QW width. The As adsorbed on the growing surface is shown to be the primary source for the As incorporation at the second interface.<br/><br>
<br/><br>
An AlGaAs/GaAs QWR structure grown on a V-grooved substrate is characterised using transmission electron microscopy (TEM) and cathodoluminescence (CL). The different quantum structures in the sample give spectrally separated luminescence peaks, which are identified by CL. This allows PLE and time-resolved PL studies of the carrier transfer involved in the excitation of the QWR. The vertical QW connected to the QWR is found to be the main channel for the excitation.<br/><br>
<br/><br>
QDs produced in the Stranski-Krastanow growth mode are studied in different materials systems : InAs in GaAs, InAs in InP and InP in GaInP. Controlled positioning of the QDs is achieved by selective nucleation on pre-growth patterned substrates.<br/><br>
<br/><br>
The electronic structure of one single InP QD is investigated by micro PL techniques: PL, PLE and TRPL. The single QD is shown to emit several PL lines, due to a reduced relaxation rate. The different spectral components have line widths of about 1 millielectronvolt, to be compared with the life time broadening which is 1 microelectronvolt.},
  author       = {Hessman, Dan},
  isbn         = {91-628-2167-9},
  keyword      = {InAs-InP,low-dimensional structures,quantum wells,quantum dots,quantum wires,k.p calculations,type-II,photoluminescence,V grooves,Stranski Krastanow,single dot spectroscopy,GaAs-InP,III-V semiconductors,Fysicumarkivet A:1996:Hessman,InAs-GaAs,GaInAs-InP,Halvledarfysik,InP-GaInP,Semiconductory physics},
  language     = {eng},
  pages        = {46},
  publisher    = {Solid State Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Spectroscopic studies of III-V semiconductors in two, one and zero dimensions},
  year         = {1996},
}