Effective mass and valence-band structure in GaInAs/InP and GaInP/AlGaInP quantum wells

Abstract

In this dissertation main interests are focused on experimental and theoretical studies of exciton effects and on the valence-band structures in strained and/or ordered GaInAs/InP and GaInP/AlGaInP quantum well systems (QWs). Optical forbidden transitions are observed in the strained GaInAs/InP QWs by using magneto-optical absorption spectroscopy. The effective masses in the tensile strained GaInAs/InP QWs are for the first time reliably evaluated with spectroscopic derivative operations on the absorption spectra. With the determined effective masses the indirect valence-band structure in the tensile strained samples is evidenced, with an aid of a kp-simulation. In order to describe ordering effects in the GaInP/AlGaInP QWs, a modified model-solid method is established and the ordering effect on the effective masses is checked. Exciton transitions are investigated with reflectivity measurements to simultaneously determine the reduced effective masses for both the heavy-hole and light-hole subbands. The results show that (i) no diamagnetic shift is observable in the lattice-matched and disordered samples in a medium magnetic field, (ii) while for the compressively strained samples the diamagnetic shift is obvious and can be used to evaluate the reduced effective mass, (iii) the effective masses and exciton binding energies are ordering dependent. The ordering dependences of the effective masses and the valence-band structures are also analyzed using a modified 6-band kp model.

In der vorliegenden Arbeit werden grundlegende magnetooptische und theoretische Untersuchungen von Exzitoneneffekten und Valenzbandstrukturen in verspannten und/oder geordneten GaInAs/InP- und GaInP/AlGaInP-Quantenfilmen vorgestellt. Unter Anwendung der Magnetoabsorptionsspektroskopie werden dabei in druckverspannten GaInAs/InP-Quantenfilmen verbotene optische Übergänge beobachtet und für zugverspannte Quantenfilme die effektiven Massen mittels der Ableitung der Absorptionsspektren bestimmt. Unter Verwendung dieser Daten wird die indirekte Valenzbandstruktur in zugverspannten Quantenfilmen anhand einer kp-Simulation weiter diskutiert. Um geordnete GaInP/AlGaInP-Quantenfilmen zu beschreiben, wird eine modifizierte model-solid-Methode entwickelt und die Wirkung der Ordnung auf die effektive Masse untersucht. Um die reduzierten effektiven Massen sowohl von Schwerloch- als auch von Leichtlochexzitonen in geordneten GaInP/AlGaInP-Quantenfilmen bestimmen zu können, werden die exzitonischen Übergänge in Reflexion untersucht. Die Ergebnisse bezüglich der diamagnetischen Verschiebung lassen sich folgendermassen zusammenfassen: (i) in mittleren magnetischen Feldern ist für unverspannte und ungeordnete Proben keine diamagnetische Verschiebung zu detektieren, (ii) für druckverspannte Proben wird die diamagnetische Verschiebung sichtbar und kann zur Auswertung der effektiven Masse genutzt werden, (iii) effektive Masse und Exzitonenbindungsenergie sind ordnungsabhängige Größen. Schliesslich wird die Ordnungsabhängigkeit der effektiven Massen durch ein modifiziertes 6-Band-kp-Model, und damit der Valenzbandstruktur, analysiert.