Herstellung und Eigenschaften von Metall/Halbleiter-Übergittern und Mikroringresonatoren : zwei Anwendungen aus der Nanotechnologie

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Herstellung und Charakterisierung von planaren Metall-Halbleiter-Übergittern (MeSSL), bestehend aus einer Abfolge von ultradünnen InGaAs/GaAs/Cr-Schichten. Weiterhin wird die Änderung der Emissionsenergie in Abhängigkeit einer äußeren Verspannung von Mikroringresonatormoden sowie die darin enthaltenen selbstorganisiert gewachsenen InAs-Quantenpunkte (QP) untersucht. Die Herstellung der planaren MeSSLs wird durch Aufrollen einer Schichtfolge von epitaktisch gewachsenen InGaAs/GaAs und einer thermisch aufgedampften Cr realisiert. Die Verspannung in der Bischicht resultierte in der Formierung eines Röllchen, das abhängig von der Ätzzeit bis zu 17 Umdrehung ausführte. Durch Zusammendrücken dieses radialen Übergitters entstand eine Abfolge InGaAs/GaAs/Cr, die durch eine sogenannte Spiegelebene separiert war. Diese Spiegelebene besteht aus Cr und entstand durch das Zusammendrücken der beiden im Röllchen diametral gegenüberliegenden Metallschichten. Mittels FIB wurde aus diesem MeSSL eine 200nm dünne Lamelle herauspräpariert. Dabei wurde durch Ausmessen der Schichtdicken die Existenz zweier Schichten nachgewiesen, die nicht dem Halbleiter oder dem Metall entsprach. Eine Elementanalyse mit EDX bestätigte das Vorhandensein von Sauerstoff an den zwei Grenzflächen zwischen Metall und Halbleiter. Daraus wurde geschlossen, daß es sich um die jeweiligen Oxide handelte. Reflektivitätsmessungen unter flachem Winkel mit hochenergetischer Synchrotonstrahlung werden diskutiert. Es konnten in den Reflektivitätsmessungen Signalanteile nachgewiesen werden, die dem Multilagensytem des MeSSLs zugeschrieben werden konnten. Dies fiel jedoch nicht so eindeutig aus wie erwartet. Zum einen wurden unter diesem enorm flachen Winkel, und dem entsprechend langen Ausleuchtwinkel des Röntgenstrahls, nicht nur an dem im Vergleich zum Strahl klein bemessenen MeSSL reflektiert, sondern auch von Verunreinigungen auf der Probe und von den Bereichen nebem dem MeSSL. Die Phasenköhärenz wurde auch dadurch stark reduziert, daß sich Oxide gebildet haben, oder noch wahrscheinlicher, durch die Beleuchtung von Falten und Hohlräumen, die durch das Pressen verursacht wurden, was sich auch in den TEM-Aufnahmen nachwiesen ließ. Mikroringresonatoren sind eine konsequente Fortführung des Konzepts der Mikroscheiben. Emitter, in diesem Fall QPe, die sich in der Mitte der Scheibe befinden und demnach weit weg von den am Rand der Scheibe lokalisierten Resonatormoden, erzeugen in Photolumineszenz-(PL)Messungen ungünstige Hintergrundsignale. Durch Entfernen der Scheibenmitte, also der Herstellung von Ringen, hat man sich dieses Problems entledigt. Die Ringe wurden durch komplettes Entfernen der Opferschicht gelöst und auf einem Saphir geklebt. Als Haftschicht kam konventioneller PMMA-Lack zum Einsatz. AFM-Messungen zeigten, daß der Ring nicht im Lack versinkt, sondern auf der Oberfläche bleibt. Anhand von temperaturabhängigen PL-Messungen wurde die Emissionsenergie der im Mikroring befindlichen QPe durch die Abnahme von E_g=E_g(T) um etwa 2,4meV rotverschoben, während die Resonatormoden nur um etwa 0,6eV zu kleineren Energien schoben, da die Änderung des effektiven Brechungsindexes n_eff nur sehr gering ist. Der Nachteil dieser Methode ist die Zunahme von Elektronen-Phononen-Wechselwirkung mit zunehmender Temperatur sowie eine wachsende Emission von Ladungsträgern in die Barriere aus dem QP heraus. Unter Verwendung von Gaskondensation besteht die Möglichkeit, die Modenenergie durch die Zunahme des Volumens und eine damit einhergehende Veränderung von n_eff blauzuverschieben, die Energie der QPe bleibt hierbei unberührt. Wünschenswert war also eine Technik, mit der eine große Verschiebung in beide spektrale Bereiche ohne Verbreiterung der Emissionslinien möglich ist. Zu diesem Zweck wurden die Ringe auf einem piezoelektrischen Kristall, bestehend aus PMN-PT, transferiert. Vermittels Anlegen einer Spannung wird dieser Kristall abhängig vom Vorzeichen der Spannung verformt. Dadurch ließ sich die Energie der QPe als auch der Resonatormoden in spannungsabhängigen Messungen ändern. Während die QP-Energie durch Änderung der Bandlückenenergie zustande kam, ändert sich sowohl die Energie der Mode aufgrund der Änderung von n_eff als auch durch den photoelastischen Effekt. Es konnte über einen Spannungsbereich von -1,1 bis +1,1kV eine maximale Verschiebung der QP-Energie von fast 4meV nachgewiesen werden, die Modenenergie änderte sich dabei um etwa die Hälfte. Eine Zunahme und zudem eine gleichmäßigere Verschiebung wird durch eine vollständige Einbettung der Ringe in PMMA erwirkt. Während sie für Ringe auf dem Lack liegend (1,29+/-0,22)meV betrug, konnte man eine Zunahme auf (2,19+/-0,13)meV mit einer geringeren Streuung beobachten. Oft konnte eine Drift in den Messungen beobachten werden, d.h. die Verspannung wurde zeitlich verzögert an den Ring übertragen, da dieser durch die Lackschicht und einer 1µm dicken SiOx Schicht vom Piezo separiert war. Die Drift ließ sich in einem Mehrfachdurchlauf (2,5 Durchläufe von 0 bis 1kV) zu 130 µeV bestimmen. Zudem konnte mit ortsaufgelöster PL-Spektroskopie gezeigt werden, daß die Verspannung innerhalb des Rings nicht gleichmäßig ist. Dadurch werden QP-Energien an unterschiedlichen Orten im Ring unterschiedlich geändert. Eine Verkippung des Rings konnte jedoch ausgeschlossen werden. In Simulation anhand von Finite-Elemente-Analyse konnten die experimentellen Beobachtungen erklärt werden. Es wurde gezeigt, daß die Verspannung durch die Einbettung in Lack um einen Faktor von 2,2 erhöht war gegenüber den Fall des auf dem Lack liegenden Rings. Das Verspannungsprofil im Querschnitt unterschied sich deutlich für die beiden Fälle und wies auch leichte Unterschiede für verschiedene Kristallrichtungen auf. Weiterhin ließ sich nachweisen, daß kleinere Ringe eine größere Steifigkeit zeigen, die Energieverschiebung in der QP-Ebene war in beiden untersuchten Kristallorientierungen um 0,3meV kleiner. Auch die Verschiebung der Modenenergie wurde durch Simulationen untersucht und ergab einen 0,5meV kleineren Wert als im Experiment. Hier wurde nur die Verkleinerung des Ringdurchmessers um 1nm berücksichtigt. Unter Einbeziehung des photoelastischen Effekts erhöht sich dieser Wert um 0,3meV. Hiermit wurde bestätigt, daß beide Effekte verantwortlich für die Energieverschiebung sind.

The word "nano" is nowerdays widely spread. For the general public "nano" is a representative for progress, modernity and for the achievement of the current research and development. Obviously, it has triggered an avalanche comparable to that at the beginning of the era of the microtechnology at the end of the 1960's. The word "nano" is used as mean of promotion to force the consumer to buy e.g. nanoparticle containing consumable. But in the same way as the enthusiasm about an apparent new age came up it initiated discussions about the hazard of nanotechnology fur men and nature often stoked my the might of mass media. But mostly it is not clear, what the meaning is of "nano" and "nanotechnology". At first "nano" means of course the 1 billionth part of something (10^-9), like nanometer, nanogram or nanoliter. "Nanotechnology" means the construction and application of nanostructures for the fabrication of devices for the commercial sales. Nanostructures in the broadest sense are those which have dimensions of less than 100nm in one direction and in another direction of less than 1 µm. For technical application they need to be coupled to systems which can be handled with more simple microscopy facilities, e.g. a microsystem. An electrical contact for example needs a contact pad with typical extension of 100µm^2. Moreover one can choose between two approaches. The "classical" way, since it is the more intuitive way, is the so-called top-down-approach. It means to start e.g. with a macroscopic substrate and to structure it by means of suitable lithography and etching techniques to obtain the desired nanoscaled objective. The other approach is the in chemistry well-known bottom-up-approach. Here, one benefits that atoms and molecules can form nanostructures by self-assembly or other manners. One commonly used principle is the self-assembled growth of quantum dots (QD). A wide range of applications were shown by the forming of nano- and microrolls. Both have in common that atoms are deposited epitaxily on a base which contains an atomic grid with a slightly different atomic spacing. While QDs are already formed during the growth, the formation of nano- and microrolls needs to be processed post-growth by releasing the strain by selective wet-etching of a sacrificial layer. Starting with epitaxially grown heterostructure a counterless number of devices, used in optics, electronics, optoelectronics, thermoelectrivcs, has been created and characterized. Radial superlattices made of nano- and microrolls consisting of diverse material combinations has already been shown. Planar superlattices has been proposed in the 1930's. But it was in 1970's that Esaki have demonstrated the potential of semiconductor superlattices. Very soon they were realized from many combinatons, mainly of semiconductors, due to the technological progress in semiconductor research. In this present thesis a concept is presented which is used to form an almost perfect sequence of ultrathin semiconductor- and metal-layers. Therefor a detour is made by fabricating a radial superlattices with a subsequent conversion to a planar superlattice by applying a high pressure. The fabrication and the manifold use of QDs in particular based on direct semiconductors was shown as well in many publications. QDs are considered as artificial atoms due to their inherent electronic structure similar to an atom with its electronic substructure. Thus electrons can be excited into the conducting band and re-emit a photon after relaxation down to the steady state of the QD. This emission is irreversible, but by putting the selfsame into a cavity, e.g. a microring cavity, it can become reversible. Microring cavities belong to the emerging field of the quantum electrodynamics (cQED). It treats the interaction of emitters placed in cavity. Such a system can compromise of atoms trapped in a cavity made of high reflecting spherical walls. If the energies of the emitted light and the fundamental optical mode of the resonator coincide an interaction among each other can be obtained. This lead to an enhancement or an inhibition of the light emission. A very important implementation of such light emitters would be a single photon source appliable for e.g. quantum cryptography. This work is ordered in the following way. After the introduction the chapter supports all relevant basics for the further understanding. The methods used for preparation and investigation are presented in chapter 3. The preparation of MeSSLs and MRRs are illustrated in chapter 4. Chapter 5 shows the results of the experiments of MeSSLs. MeSSLs are obtained by epitaxially growing a layer sequence of InGaAs or a bilayer of InGaAs/GaAs on top of a sacrificial layer of AlAs. Since the atomic spacing of AlAs is slightly larger than the top layer a strain is introduced into it. A thermally evaporated metal is deposited on top in order to roll it up to a radial superlattice by wet-chemically etching of the sacrificial layer with diluted HF. Different layer thicknesses are used. Just a certain combination leads to the sucessfull rolling-up due to suitable strain configuration among the layer sequence. Instead of rolling-up one observes as well wrinkling which is most pronounced for combinations with Au. After having sucessfully rolled-up the layer stack the planar superlattice is obtained by pressing it with a pressure of 20bar at 200°C to bind opposing tube walls permanently bringing out a metal-semiconductor-superlattice, consisting of a 35-fold sequence of Chromium and InGaAs/GaAs. In order to take a deeper look into the structural characteristics, a thin (200nm) lamella is prepared out of the MeSSL with FIB and is analysed with TEM. It reveals the existence of thin non-crystalline layers between the metal and the semiconductor layers. A chemical analysis with EDX, along a line perpendicular to the layers gives evidence that those layers are oxidized Cr and GaAs formed during the exposure to air during processing and even thickened during pressing. The last part of chapter 5 discusses the results obtained by probing the MeSSL with a microfocused X-ray beam used at the eurepoean synchroton radiation facility (ERSF). The beam is aligned under a shallow angle parallel to the MeSSL in order to measure the phase coherence of the layer system in reflectivity mode. A line scan over the MeSSL with dimensions of 1,75x90 µm^2 starting from the etched GaAs-substrate in direction of the unetched single multilayer stack was performed and shows features assigned to the multilayer stack. They are not as pronounced as expected, the reasons were the illumination of voids and faults created during converting the radial into a planar superlattice as well as a slight missaligned beam. The large footprint of the beam, due to the shallow incident angle, illuminated parts beside the MeSSL, e.g. dust and parts of the etched and unetched area. As reference the unetched part of the sample was measured, the oscillating curve was fitted by using the Parrat formalism. From that a determination of the layer composition in terms of thicknesses was possible and was in good agreement with the values obtained TEM and EDX analysis. The investigations of microring resonators are the purpose of chapter 6. In the first part microrings placed on a sapphire are presented. In temperature dependend Micro-photoluminescence measurements (µ-PL) the rings with dimensions of outer (inner) diameter of 4.3 (1.7) µm show modes with quality factors up to 15.000, a well as QD-lines crossing the mode lines. The shift of the emission energy of QDs is larger than that of the resonator modes due to the energy band gap shrink while modes shift slighlty due to the change of the effective refractive index n_eff. The linewidth measured at full with of half maximum (FWHM) is increased from 80 to 96 µeV and is ascribed to soaring electron-phonon interaction. Those two mechanisms limit the potential of this tunig method. Gas condensation, as shown in one examplary measurement, maintains the line characteristics by shifting the mode emission energy due to the increase in cavity volume and therefor an increase in n_eff. The drawback of both methods is a certain desired configuration of the spectral position of emission lines. The second part of this chapter shows the results of the measurements obtained by using a piezoelectric crystal in order to strain the microring cavities. The rings are therefor glued with conventional PMMA-resist on the piezo. This produces a shift of emission lines depending on the sign of the applied voltage. It is shown that a shift of up to 2.8meV can be obtained by using a bias of 1kV. In so called voltage sweeps the shift is reproducible with a slight offset of 130 µeV after several cycles due to the drift of the piezo crystal. By completely embedding the ring into PMMA the shift is more even and stronger compared to the case of a ring lying on top of a resist layer. Within the ring the strain is uneven and can be used to shift QD lines differently in order to couple them with the support of a cavity mode. In voltage depending PL-measurements using the full available voltage range of -1.1 to +1.1kV, a QD shift of up to 4meV and of about 2meV for the mode is observed. By comparing the ratio E_M/E_X of these shifts to those deduced from T-depending measurements one find a lower slope from V-depending experiments. Temperature and strain alters the band gap energy whereas the mode energy is affected by a) the increase of size inducing a change in n_eff and b) the optoelastic effect. Simulations by finite-element-analysis explain the experimental results. The simulations showed that the embedding of the ring in the resist increases the QD-shift by a factor of 2.2. The strain profile was distinguishable for both cases as well as for two different crystall directions ([110] compared to [110] enclosing an angle of 45°. Small rings appear to have a larger stiffness, the shift was smaller by a value of 0.3meV for both crystall directions. Deviations from experimental observations are ascribed to an undefined orientation of the microrings with respect to the piezo. The shift of the mode energy was simulated as well. By assuming a shrinkage of 1nm a shift of 0.5meV was obtained. But by taking into account the photoelastic effect this value is increased by 0.3~meV. In the sum it is 0.8meV which is closer to the experimental results attesting the existence of two mechanisms being responsible for the shift of the cavity modes. In order to obtain strong coupling one should optimize the dimensions of the microrings. Similar to existing microcavities such microrings are candidates for single-photon devices. The ability of tuning the emission energies by external strain opens up a platform for many investigations, e.g. the influence of strain on excitons and biexcitons.