Optisch detektierte magnetische Resonanzen an GaAs/AlAs-Heterostrukturen - Foerster, Walter Bernhard von; Justus Liebig University Giessen (My University, 2000)
In dem Spezialfall der Übergitter (Superlattice) ist eine der bekanntesten nichtdestruktiven Untersuchungsmethoden die optischeSpektroskopie, die eine Auflösung von meV erreicht. Seit Ende der 80'er Jahre werden zunehmend magnetooptische Analysemethodenentwickelt, so wurden erstmals optisch detektierte magnetische Resonanzen (ODMR) an GaAs/AlAs-Übergittern nachgewiesen. DieAuflösung dieser Methode liegt in der Grössenordnung 10-100meV. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Methode unter Einbeziehung von Levelanticrossingspektroskopie konnte die Auflösung aufSub-meV verbessern. Verschiedene Messparameter wurden zur Charakterisierung der Übergitter gefunden. So ist der g-Wert des Exzitonsein Maß für Dicke der GaAs-Schichten, die Nullfeldaufspaltung des Exzitons (ohne äußeres Magnetfeld) ist charakteristisch für die Periodedes Übergitters und der Relaxationsort kann über die Polarisation der Lumineszenz nachgewiesen werden.Diese Arbeit befasst sich mit Untersuchungen an Typ II AlAs/GaAs-Übergittern. Erstmals kann eine Aussage über die Zusammensetzungder grenzflächennahen Atomlagen der Übergitter aus spektroskopischen Methoden getroffen werden. Weiterhin wurde eine neueMessmethode, die leistungs-modulierte ODMR, entwickelt. Diese Messmethode ermöglicht die Bestimmung von Spin-Relaxationszeitendes Exzitons. Aus diesen Photolumineszenzmessungen erhält man zunächst über die energetische Lage der strahlenden Rekombination und derrelativen Intensität der Phononenreplikanten den Typ des Exzitons, d.h. den Einschluss des Elektrons in: Typ-II: Xz und Xxy , Typ-I: G.Die Rekombinationsenergie gibt weiterhin Aufschluss über die Schichtdicken der Übergitter, da der Einschluss der Exzitonen inQuantentöpfen charakteristisch für deren Breite und Tiefe ist. Dies erlaubt nach Kalibration mit gemessenen Schichtdicken ausRöntgenbeugung (XRD) eine einfache Messung der Schichtdicken. Da das Exziton in Typ-II-Übergittern an den Grenzflächen lokalisiert, ist die Linienbreite der Lumineszenz charakteristisch für die Rauhigkeitder Grenzflächen. Auch die ODMR gibt Aufschluss über die Grenzflächenrauhigkeiten. Der g-Wert des schweren Loches skaliert mit derGaAs-Schichtdicke. Die Levelanticrossingspektroskopie, mit der man hier die Nullfeldaufspaltungen des Niveausystems des Exzitons imSub-meV-Bereich vermessen kann, erlaubt jedoch tiefergehendere Aussagen über die Grenzflächen.Mit dieser Messmethode läßt sich die normale und die inverse Grenzfläche über ihre Polarisation und deren Verlauf im Magnetfeldeindeutig unterscheiden, und unter Einbeziehung von ODMR kann die Symmetrie der Grenzflächen bestimmt werden.In dieser Arbeit konnte neben der Rekombination an den verschiedenen Grenzfläche auch die Rekombination an Wachstumsdefekten(As--Fehlstellen in den AlAs-Schichten) nachgewiesen werden. Mit den magnetooptischen Messmethoden ODMR und Levelanticrossingspektroskopie wurde die Symmetrie der Grenzflächen, also ihremikroskopische Zusammensetzung bestimmt. Es wurde für die normale Grenzfläche ein Wachstumsgradient nachgewiesen, während dieinverse Grenzfläche in Wachstumsrichtung abrupt ist. Hierbei muß aber berücksichtigt werden, daß hier Aussagen getroffen werden, die lokal gelten, also für die Fläche über die ein Exzitonmittelt. Also steht diese Aussage nicht im Widerspruch zu den Inseln an der inversen Grenzfläche und der glatten normalen Grenzfläche, diebei dem Wachstumsprozess vorhergesagt und an Oberflächen direkt gemessen werden können.Mit Hilfe einer neuen Messmethode, der leistungsmodulierten ODMR, konnte erstmals die Lebensdauer des Heavy-Hole-Spin-Flips zu10-25 ms bestimmt werden. Auch für den Spin-Flip des Elektrons konnte durch Vergleich der Intensität der ODMR am Elektron und amschweren Loch eine vergleichbare Lebensdauer gefunden werden. Die leistungsmodulierte ODMR gibt einen Einblick in die Lebensdauern der Spin-Flips. Mit Hilfe von zeitaufgelöster Spektroskopie könnteman noch weitere Information über die Dynamik des Niveausystems erhalten. Damit könnte man auch das Modell verfeinern, um sogenauere Aussagen über die Beschaffenheit der Interfaces zu treffen. Auch die Einbeziehung der Elektron-Loch-Paare, die hier nichtweiter untersucht wurden, und der freien Ladungsträger und Störstellen könnte ein weiterer Schritt zur Charakterisation der Exzitonen unddamit der Superlattices sein. Damit könnte man nicht nur das Exziton genauer beschreiben, sondern erhält auch ein Verfahren zurCharakterisation der Grenzflächen von Bauteilen wie zum Beispiel Laserdioden.
Keywords: magnetische Resonanzen; GaAs; AlAs; Heterostrukturen; ddc:530