Time-resolved photoluminescence spectroscopy of semiconductors for optical applications beyond the visible spectral range

Seit der Erfindung der ersten Leuchtdiode (LED) Ende der 1960-er [1, 2], schritt die technologische Entwicklung der Halbleiter-basierten Optoelektronik im Laufe der letzten fünfzig Jahre rapide voran. In der heutigen Zeit werden daher fast alle Aspekte der Lichterzeugung, -Kontrolle und -Detektion durch Halbleiterbauelemente abgedeckt, da sie eine einzigartige Kombination aus Flexibilität, preiswerter Herstellung und kompakter Bauweise bieten. Seit Jahren werden halbleiterbasierte Lichtquellen und Strahlungsdetektoren von Seiten der Industrie erfolgreich in der Materialbearbeitung und Qualitätskontrolle eingesetzt [3]. Zudem profitieren auch wissenschaftliche Anwendungen von der hohen Durchstimmbarkeit und Ausgangsleistung von Halbleiter-Laserdioden sowie von der Empfindlichkeit von Detektoren über einem breiten spektralen Bereich zwischen dem Ultravioletten (UV) und dem Infraroten (IR) [4]. Auch in unserem Alltag sind wir ständig von halbleiterbasierter Technologie umgeben. Diese ist zwar oft subtil integriert und daher auf den ersten Blick kaum bemerkbar, sie bildet jedochmeistens das Herzstück der jeweiligen Anwendung. Prominentestes Beispiel ist sicherlich der CD-Player, der die Vorgängertonträger quasi restlos verdrängt hat. Zusätzlich ermöglichen kompakte Halbleiterlaser den Übertrag von Informationen innerhalb weniger Augenblicke über den gesamten Globus [5], LED-Bildschirme hoher Brillianz sorgen für ein intensives und realitätsnahes Kinoerlebnis [6] und kaum ein Photograph verlässt sich nicht auf hoch-empfindliche Silizium-Detektoren, die sogenannten chargecoupled devices (CCDs) [7], die in fast jeder modernen Kamera integriert sind. Die Entwicklung der CCD wurde im Jahre 2009 sogar mit dem Nobelpreis gewürdigt [8]. Allerdings ist die Erfolgsgeschichte der Halbleitertechnologie damit noch lange nicht vorbei. Aufgrund des stets wachsenden Bedarfes nach energiesparender Beleuchtung, schneller optischer Telekommunikation oder vielseitiger Laserquellen für das wachsende Feld der Biophotonik sowie für die medizinische Anwendungen werden weitere technologische Entwicklungen antizipiert und sogar gefordert. Ziele der Forschung sind u.A. die Entwicklung kompakter, intensiver und verstimmbarer Laser für die NIR und UV Spektralbereiche, effizienter LEDs für die Abdeckung des gesamten sichtbaren Spektrums, transparenter Optoelekronik und Lichtemitter auf der Nanometerskala. Zur Bewältigung dieser und vieler weiterer Herausforderungen sind mehrere Schritte notwendig. Als erstes, bleibt das Verständnis und die korrekte Beschreibung grundlegender physikalischer Phänomene in Halbleitern für die Realisierung von optischen Bauelementen unerlässlich. Weiterhin ist die Synthese und Charakterisierung neuartiger Materialsysteme für die anvisierten Anwendungen von der zentralen Bedeutung. Schließlich werden auf dieser Basis die eigentlichen Halbleiterbauelemente entwickelt und systematisch optimiert, um das volle Potenzial der Technologie auszuschöpfen sowie ihre fundamentalen Grenzen zu erschließen. In dieser Arbeit habe ich mich daher mit experimentellen Studien aus drei übergeordneten Bereiche beschäftigt: (1)Untersuchung grundlegender physikalischer Vorgänge, (2) Charakterisierung neuartiger Materialien und (3)Optimierung von Halbleiterlasern. Es versteht sich von selbst, dass nur Teile dieser umfangreichen wissenschaftlichen Gebiete bearbeitet wurden. Für die Bewältigung der Fragestellungen wurde in allen drei Fällen die experimentelleMethode der Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie gewählt [9]. Diese Technik basiert auf der Detektion von Lichtemission optisch angeregter Halbleiter. Die angewandte Methode beinhaltet weiterhin spektral-, zeitlich, und orts-aufgelöste Untersuchungen und bietet somit einen flexiblen, vor allem aber einen zerstörungsfreien Zugang zu den optischen Eigenschaften verschiedener Materialsysteme. Die einzelnen Abschnitte der Arbeit sind wie folgt gegliedert. In dem nachfolgenden Kapitel 2 werden die für die spätere Diskussion relevante PL Eigenschaften von Halbleitern zusammengefasst. Der erste Teil behandelt intrinsische Prozesse in einem idealen direkten Halbleiter inklusive einer kurzen Einführung in die zugrundeliegende Theorie und einer Übersicht der Resultate eines repräsentativen PL Experimentes. In dem zweiten Teil wird die Rolle von Gitterschwingungen, der Einfluss interner elektrischer Felder und der dielektrischen Umgebung sowie die Lumineszenz indirekter Halbleiter diskutiert. Das Kapitel endet mit der Beschreibung extrinsischer PL Eigenschaften wie Defekte und Unordnung in realen Materialien. Die experimentelle Durchführung spektroskopischer Untersuchungen wird in demKapitel 3 dargestellt. Der experimentelle Aufbau für zeitaufgelöste PL wird im Detail erklärt, wobei auf die Beschreibung des verwendeten Lasersystems, der Anordnung für Frequenzmischung und die Funktionsweise einer ultra-schnellen Schmierbildkamera besonderen Wert gelegt wird. Abschließend folgt die Darstellung unterstützender Experimente wie zeitintegrierte PL und lineare Absorption. In demKapitel 4 wird dieWechselwirkung der Ladungsträgernmit den Gitterschwingungen (Phononen) in CdS, CdSe, ZnS und ZnO Volumenmaterial untersucht, welche für das Verständnis der Ladungsträgerdynamik sowie für den Wärmetransport relevant ist. Die experimentellen Studien befassen sich mit den Vielteilcheneffekten in phonon-unterstützter Emission unter der Anwesenheit der Elektron-Elektron Coulomb-Streuung [10]. Der entsprechende theoretische Hintergrund wird in Detail in Kapitel 2 diskutiert. Die Untersuchungen widmen sich den Fragestellungen nach dem möglichen Beitrag von Elektron Loch Plasma zu der Licht-Materie Kopplung an den exzitonischen Übergängen und dem Einfluss der Coulomb-Korrelationen auf die Ladungsträger-Phonon Streuung. Der erste Teil dieser Studien liefert einen klaren experimentellen Nachweis für die phononassistierte Lumineszenz von Plasma, womit die theoretischen Vorhersagen [11] bestätigt werden. Die exzitonische PL an den entsprechenden Phonon-Übergängen kann damit nicht als Zeichen exzitonischer Besetzung verstanden werden, womit die traditionelle Interpretation der sogenannten Phonon-Seitenbanden korrigiert und erweitert wird. Ferner wird es gezeigt, dass die relativen Beitrage der Exzitonen und Plasma durch die Wahl experimenteller Bedingungen deutlich beeinflusst werden. In dem zweiten Teil des Kapitels wird der Einfluss der Coulomb-Wechselwirkung auf die Stärke der inelastischen Streuung zwischen den Ladungsträgern und Phononen untersucht und mit den Ergebnissen der mikroskopischer Theorie [11] verglichen. Im Rahmen dieser Studien wird gezeigt, dass die Fröhlich-Kopplung im Falle von Exzitonen ineffektiv wird und die Deformationspotential-Streuung sogar in stark polaren Materialien wie ZnO dominieren kann. Interessanterweise ist dies der Fall, obwohl in allen untersuchten Systemen die Wechselwirkung einzelner Ladungsträgermit den Phononen durch die Fröhlich-Kopplung bestimmt wird.