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Titel:Optical Properties of Quasiperiodically Arranged Semiconductor Nanostructures
Autor:Werchner, Marco
Weitere Beteiligte: Kira, Mackillo (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2010
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2010/0123
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2010-01231
DOI: https://doi.org/10.17192/z2010.0123
DDC: Physik
Titel(trans.):Optische Eigenschaften quasiperiodisch angeordneter Halbleiternanostrukturen

Dokument

Schlagwörter:
Quasikristall, Fibonacci-Folge, Halbleiter, Übergitter, Mikroskopische Theorie, Übertrag, microscopic theory, Cluster-Theorie, Resonanz-Tunneleffekt, Coulomb-Streuung, Optisches Spektrum, Semiconductor-Bloch-Equation, Halbleiter-Bloch-Gleichungen

Summary:
This work consists of two parts which are entitled "One-Dimensional Resonant Fibonacci Quasicrystals" and "Resonant Tunneling of Light in Silicon Nanostructures". A microscopic theory has been applied to investigate the optical properties of the respective semiconductor nanostructures. The studied one-dimensional resonant Fibonacci quasicrystals consist of GaAs quantum wells (QW) that are separated by either a large spacer L or a small one S. These spacers are arranged according to the Fibonacci sequence LSLLSLSL... The average spacing satisfies a generalized Bragg condition with respect to the 1s-exciton resonance of the QWs. A theory, that makes use of the transfer-matrix method and that allows for the microscopic description of many-body effects such as excitation-induced dephasing caused by the Coulomb scattering of carriers, has been applied to compute the optical spectra of such structures. Based on an appropriate single set of fixed sample parameters, the theory provides reflectance spectra that are in excellent agreement with the corresponding measured linear and nonlinear spectra. A pronounced sharp reflectivity minimum is found in the vicinity of the heavy-hole resonance both in the measured as well as in the calculated linear 54-QW spectra. Such sharp spectral features are suitable for application as optical switches or for slow-light effects. Hence, their properties have been studied in detail. Specifically, the influence of the carrier density, of the QW arrangement, of a detuning away from the exact Bragg condition, of the average spacing as well as of the ratio of the optical path lengths of the large and small spacers L and S, respectively, and of the QW number on the optical properties of the samples have been studied. The features of measured spectra could have been attributed to different sample properties related to the sample setup. Additionally, self-similarity among reflection spectra corresponding to different QW numbers that exceed a Fibonacci number by one is observed, which identifies certain spectral features as true fingerprints of the Fibonacci spacing. In the second part, resonant tunneling of light in stacked structures consisting of alternating parallel layers of silicon and air have been studied theoretically. While usually total internal reflection is expected for light shined on a silicon-air interface under an angle larger than the critical angle, light may tunnel through the air barrier due to the existence of evanescent waves inside the air layers if the neighboring silicon layer is close enough. This tunneling of light is in analogy to the well-known tunneling of a quantum particle through a potential barrier. In particular, the wave equation and the stationary Schrödinger equation are of the same form. Hence, the resonant tunneling of light can be understood in analogy to the resonant tunneling of e.g. electrons as well. The characteristic feature of resonant tunneling is a complete transmission through the barrier at certain resonance energies. The transmission, reflection, and propagation properties of the samples have been determined numerically using a transfer-matrix method. Analytical expressions for the energetic resonance positions have been derived and are in excellent agreement with the numerical simulations. Special attention has been drawn to the lowest resonance out of a series of resonant-tunneling resonances. There, light has been observed to be concentrated within silicon layers the extension of which is smaller than the corresponding wavelength of the light. Specifically, the quality factor is large at the resonance energies, so that the resonant light leaves the sample delayed, which allows for the study of slow light. A detailed investigation of how the sample geometry influences the optical properties of the sample has been presented. In particular, it has been outlined how to design a sample to obtain certain desired optical properties. The optical properties that are related to the resonant tunneling strongly rely on the (mirror-)symmetry of the samples. If asymmetries - especially of the silicon wells inside the air barrier - are present in the sample setup, the resonant-tunneling efficiency is diminished. Such asymmetries are unavoidable in the production of the samples. Therefore, a parameter range has been identified in which reasonable transmission above a transmission probability of 50% can be expected taking typical fluctuations caused by the production process into account. Silicon-based resonant-tunneling structures of a setup proposed by the presented theory have already been fabricated and first experiments are under way. This will allow for theory-experiment comparisons.

Zusammenfassung:
Diese Arbeit besteht aus den beiden Teilen "Eindimensionale resonante Fibonacci Quasikristalle" und "Resonantes Tunneln von Licht in Siliziumnanostrukturen". Eine mikroskopische Theorie wurde zur Untersuchung der optischen Eigenschaften der jeweiligen Strukturen benutzt. Die untersuchten eindimensionalen resonanten Fibonacci Quasikristalle bestehen aus GaAs Quantenfilmen (QF), die durch einen großen L oder kleinen Abstand S voneinander separiert sind. Diese Abstände sind der Fibonacci Sequenz LSLLSLSL... entsprechend angeordnet. Der mittlere Abstand genügt einer verallgemeinerten Bragg Bedingung bezogen auf die 1s-Exziton Resonanz der QF. Mit Hilfe der Transfermatrixmethode und einer Theorie, die die mikroskopische Beschreibung von Vielteilcheneffekten (wie des anregungsinduzierten Dephasierens, das durch Coulomb Streuung der Ladungsträger bedingt wird) ermöglicht, wurden die optischen Spektren dieser Strukturen berechnet. Basierend auf einem einzigen, unveränderten Satz an Probenparametern liefert die Theorie Reflexionsspektren, die in exzellenter Übereinstimmung mit gemessenen linearen und nichtlinearen Spektren sind. Ein ausgeprägtes, scharfes Minimum ist sowohl in den berechneten als auch in den gemessen Spektren einer 54QF Probe nahe der Schwerlochresonanz zu finden. Derartige spektrale Eigenschaften können der Realisierung optischer Schalter oder langsamen Lichts dienen. Daher sind sie eingehend untersucht worden. Insbesondere wurde der Einfluss der Ladungsträgerdichte, der QF-Anordnung, der Verstimmung weg von der exakten Bragg Bedingung, des mittleren Abstands sowie des Verhältnisses von großem zu kleinem Abstand L/S, und der Einfluss der QF-Zahl auf die optischen Eigenschaften der Strukturen untersucht. Die gemessenen spektralen Eigenschaften konnten verschiedenen Aspekten der Probengeometrie zugeschrieben werden. Außerdem konnte bei Strukturen, deren QF-Zahl eine Fibonacci Zahl um eins übersteigt, eine Selbstähnlichkeit ihrer Spektren festgestellt werden,was eine direkte Konsequenz der QF-Anordnung entsprechend der Fibonacci Sequenz darstellt. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus einer theoretischen Untersuchung des resonanten Tunnelns von Licht in aus parallel angeordneten, alternierenden Silizium- und Luftschichten bestehenden Halbleiternanostrukturen. Während normalerweise Totalreflexion an der Silizium-Luft Grenzschicht auftritt, wenn der Einfallswinkel des Lichts den kritischen Winkel übersteigt, kann das Licht aufgrund der Existenz der evaneszenten Wellen durch die Luftschicht hindurchtunneln, wenn die nächste Siliziumschicht nahe genug liegt. Dieses Tunneln von Licht ist die Analogie zum Tunneln eines Quantenteilchens durch eine Potentialbarriere. Insbesondere haben die Wellengleichung und die stationäre Schrödingergleichung dieselbe Form. Daher kann das resonante Tunneln von Licht auch in Analogie zum resonanten Tunneln z.B. eines Elektrons verstanden werden. Das Charakteristikum des resonanten Tunnelns ist die vollständige Transmission durch die Barriere an bestimmten Resonanzenergien. Die entsprechenden Transmission-, Reflexions- und Propagationseigenschaften der Strukturen wurden numerisch mittels einer Transfermatrixrechnung bestimmt. Analytische Ausdrücke für die Lage der Resonanzenergien wurden hergeleitet und sind in exzellenter Übereinstimmung mit den numerischen Ergebnissen. Die energetisch niedrigste Resonanz aus einer Serie von Tunnelresonanzen wurde eingehender untersucht. Das Licht ist in Siliziumschichten konzentriert, deren Dicke kleiner als die entsprechende Wellenlänge des Lichts ist. Der Gütefaktor ist an den Resonanzen sehr groß, s.d. das Licht die Probe verzögert verlässt, was die Untersuchung langsamen Lichts ermöglicht. Eine ausgiebige Untersuchung des Einflusses der Probengeometrie auf die optischen Eigenschaften der Struktur wurde durchgeführt. Es wurde gezeigt, wie eine Struktur ausgelegt werden muss, um gewünschte optische Probeneigenschaften zu erzielen. Die mit dem resonanten Tunneln in Verbindung stehenden optischen Eigenschaften der Strukturen sind sehr stark von der (Spiegel-)Symmetrie der Struktur abhängig. Wenn Asymmetrien – insbesondere der Siliziumschichten innerhalb der Luftschichten – vorliegen, ist die Tunneleffizienz stark herabgesetzt. Da solche Asymmetrien bei der Herstellung der Proben nicht vermieden werden können, wurde ein Parameterbereich für die Probengeometrie bestimmt, innerhalb dessen unter Berücksichtigung der produktionsbedingten Schichtdickenfluktuaktionen dennoch eine Transmission von wenigstens 50% zu erwarten ist. Derartige Siliziumstrukturen, die für resonantes Tunneln ausgelegt sind, wurden diesem Parameterbereich entsprechend hergestellt. Erste Messung werden gerade durchgeführt, was Vergleiche zwichen Theorie und Experiment ermöglichen wird.


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