Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Techn. Univ., Diss., 2002--Darmstadt

Der große Fortschritt der Halbleitertechnologie ermöglichte es in den letzten Jahren quantenoptische Phänomene nicht mehr nur ausschließlich an Atomen, sondern auch in einer Festkörpermatrix zu beobachten. Von besonderem Interesse sind dabei Phänomene der Licht-Materie-Wechselwirkung im Kontext der Quantenelektrodynamik in Kavitäten. Die äußerst aktive Forschung auf diesem Gebiet rührt daher, dass diese Phänomene bei der Realisierung neuartiger Lichtquellen für die Quanteninformationstechnologie benötigt werden. Die Verwirklichung von solchen speziellen Lichtquellen auf Halbleiterbasis besitzt entscheidende Vorteile im Hinblick auf die praktische Anwendbarkeit aufgrund der potentiell hohen Skalierbarkeit und Effizienz. Jedoch kann die erforderliche Licht-Materie-Wechselwirkung nur in qualitativ sehr hochwertigen Halbleiterstrukturen mit quasi nulldimensionalem Ladungsträger- und Lichteinschluss erfolgen. Hierbei wurden in den letzten Jahren enorme technologische Fortschritte bei der Prozessierung von Mikrokavitäten mit Quantenpunkten in der aktiven Schicht sowie bei der Beobachtung der gewünschten Licht-Materie-Wechselwirkung erzielt. Allerdings erfolgten diese Untersuchungen in erster Linie an optisch mithilfe eines externen Lasers angeregten Strukturen, wohingegen für die Praxis ein elektrischer Betrieb wünschenswert ist. Die für die elektrische Anregung von solchen Mikrostrukturen notwendige Kontaktierung kann darüber hinaus zur effizienten Manipulation der Emissionseigenschaften der Quantenemitter mittels eines elektrischen Feldes eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen dieser Arbeit die optischen und elektrischen Eigenschaften von kontaktierten Quantenpunkt-Mikrosäulenkavitäten eingehend untersucht. Ausgangspunkt dieser Mikrokavitäten sind planare Schichtstrukturen auf der Basis von GaAs und AlAs mit InGaAs-Quantenpunkten mit variierendem Indiumgehalt in der aktiven Schicht. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag hierbei auf vertikal elektrisch kontaktierten Mikrosäulenresonatoren, deren Aufbau vertikal emittierenden Laserdioden ähnelt. Die Besonderheit der neuartigen Kontaktierung liegt darin, dass aufgrund der Strominjektion durch die Seitenwände im oberen Bereich des Mikrosäulenresonators die Facette der Struktur frei von jeglichem absorbierenden Material gehalten wird. Hierdurch kann eine effiziente Lichtauskopplung gewährleistet werden. Des Weiteren wurde auch ein Verfahren zur seitlichen Kontaktierung von undotierten Mikrosäulenresonatoren entwickelt und optimiert, was eine spezielle Manipulation der Quantenpunktemission in einem lateralen elektrischen Feld erlaubt. Als Untersuchungsmethode wird bei allen Experimenten in erster Linie die Mikrolumineszenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen verwendet und durch die Methode der Photostromspektroskopie sowie Autokorrelationsmessungen erster und zweiter Ordnung ergänzt ... / In recent years, the tremendous progress in semiconductor technology has allowed to extend the observation of quantum optical effects previously limited to atoms to semiconductor systems. In this context, light-matter interaction phenomena in cavities are of particular interest, since they are required for special light sources in quantum information technology. The realization of such light sources on a semiconductor platform combines several advantages regarding a potentially high scalability and efficiency of such devices. In this regard, high quality semiconductor systems combining zero dimensional carrier and photon connement are needed for the realization of the required light-matter interaction effects. The enormous technological improvements that have been recently achieved in the fabrication of microcavities with discrete quantum dot emitters in the active layer have enabled manifold experiments in this active field of research. However, up to now most of these studies have been conducted using structures that were optically excited by macroscopic external lasers which is a major drawback for the integration of such systems into practical quantum devices. It is clear that, electrically driven microcavities would be highly beneficial to overcome this limitation. Furthermore, an electrical contact also allows for an efficient way to manipulate the emission of the discrete quantum emitters via an electrical field. Against this background, the presented work is dedicated to explore the optical and electrical properties of electrically contacted quantum dot micropillar systems. The samples under investigation are fabricated from planar resonator structures based on the AlAs/GaAs material system with InxGa1 ...

Berlin, Techn. Univ., Diss., 2009.

The first part deals with the spectroscopic investigation of ultrafast light-induced charge-transfer processes in different molecular compounds. In the second part, the question of the generation and characterisation of broadband visible polarisation-shaped laser pulses is treated. / Der erste Teil der Arbeit behandelt die spektroskopische Untersuchung von ultraschnellen lichtinduzierten Ladungstransferprozessen in unterschiedlichen molekularen Verbindungen. Im zweiten Teil wird die Erzeugung und Charakterisierung von breitbandigen polarisationsgeformten Laserpulsen im sichtbaren Spektralbereich diskutiert.

The present thesis “Hot spin carriers in cold semiconductors” investigates hot carrier effects in low-temperature photoinduced magneto-optical Kerr effect (MOKE) microscopy of electron spins in semiconductor heterostructures. Our studies reveal that the influence of hot photocarriers in magneto-optical pump-probe experiments is twofold. First, it is commonly assumed that a measurement of the local Kerr rotation using an arbitrary probe wavelength maps the local electron spin polarization. This is the fundamental assumption that underlies the widely used two-color MOKE microscopy technique. Our continuous-wave (cw) spectroscopy experiments demonstrate that this assumption is not correct. At low lattice temperatures the nonresonant spin excitation by the focused pump laser inevitably leads to a strong heating of the electron system. This heating, in turn, locally modifies the magneto-optical coefficient which links the experimentally observed Kerr rotation to the electron spin polarization. As a consequence, the spin-induced local Kerr rotation is augmented by spin-unrelated changes in the magneto-optical coefficient. A spatially resolved measurement of the Kerr rotation then does not correctly map the electron spin polarization profile. We demonstrate different ways to overcome this limitation and to correctly measure the electron spin profile. For cw spectroscopy we show how the true local electron spin polarization can be obtained from a quantitative analysis of the full excitonic Kerr rotation spectrum. Alternatively, picosecond MOKE microscopy using a spectrally broad probe laser pulse mitigates hot-carrier effects on the magneto-optical spin detection and allows to directly observe the time-resolved expansion of optically excited electron spin packets in real-space. Second, we show that hot photocarriers strongly modify the spin diffusion process. Owing to their high kinetic energy, hot carriers greatly enhance the electron spin diffusion coefficient with respect to the intrinsic value of the undisturbed system. Therefore, for steady-state excitation the spin diffusivity is strongly enhanced close to the pump spot center where hot electrons are present. Similarly, for short delays following pulsed excitation the high initial temperature of the electrons leads to a very fast initial expansion of the spin packet which gradually slows as the electrons cool down to the lattice temperature. While few previous publications have recognized the possible influence of hot carriers on the electron spin transport properties, the present work is the first to directly observe and quantify such hot carrier contributions. We develop models which for steady-state and pulsed excitation quantitatively describe the experimentally observed electron spin diffusion. These models are capable of separating the intrinsic spin diffusivity from the hot electron contribution, and allow to obtain spin transport parameters of the undisturbed system. We perform extensive cw and time-resolved spectroscopy studies of the lattice temperature dependence of the electron spin diffusion in bulk GaAs. Using our models we obtain a consistent set of parameters for the intrinsic temperature dependence of the electron spin diffusion coefficient and spin relaxation time and the hot carrier contributions which quantitatively describes all experimental observations. Our analysis unequivocally demonstrates that we have, as we believe for the first time, arrived at a coherent understanding of photoinduced low-temperature electron spin diffusion in bulk semiconductors. / Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss heißer Ladungsträger in pump-probe magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE) Tieftemperatur-Mikroskopie-Messungen der optisch induzierten Elektronenspin-Dynamik in Galliumarsenid-basierten Halbleiterheterostrukturen. Die Arbeit zeigt, dass dieser Einfluss von zweierlei Art ist. Der erste Aspekt betrifft die magneto-optische Elektronenspin-Detektion. Es wird gewöhnlich angenommen, dass eine Messung der lokalen Kerr-Rotation unter Verwendung einer beliebigen Probelaser-Wellenlänge korrekt die lokale Elektronenspinpolarisation abbildet. Diese Prämisse ist die fundamentale Grundlage der MOKE Elektronenspin-Mikroskopie. Unsere Dauerstrich-Spektroskopie-Ergebnisse belegen, dass diese Annahme im Allgemeinen nicht korrekt ist. Bei tiefen Gittertemperaturen führt die nichtresonante optische Anregung spinpolarisierter Elektronen zu einer signifikanten Heizung des Elektronensystems. Diese Heizung modifiziert lokal den magneto-optischen Koeffizienten, der die im Experiment beobachtete Kerr-Rotation mit der zu messenden Elektronenspinpolarisation verknüpft. Als Konsequenz ist die spininduzierte lokale Kerr-Rotation von spinunabhängigen Änderungen des der magneto-optischen Koeffizienten überlagert. Eine ortsaufgelöste Messung der Kerr-Rotation bildet dann im Allgemeinen nicht korrekt die lokale Elektronenspinpolarisation ab. Wir demonstrieren verschiedene Möglichkeiten, diese Einschränkung zu überwinden und das korrekte Elektronenspin-Profil zu bestimmen. Für Dauerstrich-Anregung zeigen wir, dass das Elektronenspin-Profil korrekt durch eine quantitative Analyse des lokalen exzitonischen Kerr-Rotations-Spektrums ermittelt werden kann. Alternativ minimiert Pikosekunden-zeitaufgelöste MOKE Mikroskopie unter Verwendung eines spektral breiten gepulsten Probelasers den Einfluss heißer Elektronen auf die magneto-optische Spin-Detektion und erlaubt die direkte Beobachtung der diffusiven Ausbreitung optisch erzeugter Elektronenspin-Pakete im Realraum. Als zweites Hauptergebnis zeigen wir, dass optische angeregte heiße Ladungsträger signifikant die Spindiffusion beeinflussen. Durch ihre hohe kinetischen Energie erhöhen heiße Photoladungsträger stark den Elektronenspin-Diffusionskoeffizienten im Vergleich zum intrinsischen Wert des ungestörten Systems. Aus diesem Grund ist bei tiefen Gittertemperaturen für lokale Dauerstrich-Anregung der Spin-Diffusionskoeffizient in der Nähe des fokussierten Pumplaserstrahls, in der heiße Elektronen vorhanden sind, stark erhöht. Analog führt für kurze Zeiten nach gepulster optischer Anregung die hohe anfängliche Elektronentemperatur zu einer sehr schnellen initialen Ausbreitung des Spin-Paktes, welche sich allmählich verlangsamt, während die Elektronen auf die Gittertemperatur abkühlen. Während einzelne frühere Arbeiten bereits den möglichen Einfluss heißer Ladungsträger auf den Elektronenspin-Transport erkannten, ist die vorliegende Arbeit die erste, die die Wirkung heißer Träger auf die Elektronenspin-Diffusion direkt beobachtet und quantifiziert. Wir entwickeln verschiedene Modelle, die für gepulste und Dauerstrich-Anregung quantitativ die Elektronenspin-Diffusion beschreiben. Diese Modelle sind in der Lage, die intrinsische Spindiffusivität von den Beiträgen heißer Ladungsträger zu trennen und erlauben, die Spintransport-Eigenschaften des ungestörten Systems zu bestimmen. Wir untersuchen in zeitaufgelösten und Dauerstrich-Anregungs-Experimenten die Gittertemperatur-Abhängigkeit der Spindiffusion in n-dotiertem Volumen-GaAs. Mit Hilfe unserer Modelle ermitteln wir einen konsistenten Parameter-Satz für die intrinsische Temperaturabhängigkeit der Spinrelaxationszeit und des Elektronenspin-Diffusionskoeffizienten sowie der Beiträge heißer Ladungsträger, der quantitativ alle experimentellen Beobachtungen beschreibt. Damit haben wir erstmals ein kohärentes Verständnis der optisch induzierten Tieftemperatur-Elektronenspin-Diffusion in Halbleitern entwickelt.

This work sheds light on different aspects of the silicon vacancy in SiC: (1) Defect creation via irradiation is shown both with electrons and neutrons. Optical properties have been determined: the excitation of the vacancy is most efficient at excitation wavelengths between 720nm and 800nm. The PL decay yields a characteristic excited state lifetime of (6.3±0.6)ns. (2) Defect engineering, meaning the controlled creation of vacancies in SiC with varying neutron fluence. The defect density could be engineered over eight orders of magnitude. On the one hand, in the sample with highest emitter density, the huge PL signal could even be enhanced by factor of five via annealing mechanisms. On the other hand, in the low defect density samples, single defects with photostable room temperature NIR emission were doubtlessly proven. Their lifetime of around 7ns confirmed the value of the transient measurement. (3) Also electrical excitation of the defects has been demonstrated in a SiC LED structure. (4) The investigations revealed for the first time that silicon vacancies can even exist SiC nanocrystals down to sizes of about 60 nm. The defects in the nanocrystals show stable PL emission in the NIR and even magnetic resonance in the 600nm fraction. In conclusion, this work ascertains on the one hand basic properties of the silicon vacancy in silicon carbide. On the other hand, proof-of-principle measurements test the potential for various defect-based applications of the vacancy in SiC, and confirm the feasibility of e.g. electrically driven single photon sources or nanosensing applications in the near future. / In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der Silizium-Fehlstelle in SiC beleuchtet: (1) Die Erzeugung der Defekte durch Bestrahlung, sowohl mit Elektronen als auch Neutronen. Einige optische Eigenschaften wurden ermittelt: die Anregung der Fehlstelle ist im Bereich von 720nm bis 800nm am effizientesten. Das Abklingen der PL zeigt eine charakteristische Lebensdauer des angeregten Zustands von (6.3±0.6)ns. (2) Maßschneidern der Defektdichte meint die kontrollierte Erzeugung von Defekten durch variablen Neutronenfluss. Hier konnte die Defektdichte gezielt über acht Größenordnungen verändert werden. Auf der einen Seite, in der Probe mit der höchsten Defektdichte, konnte das ohnehin schon große PL Signal noch um den Faktor fünf durch Temperprozesse erhöht werden. Auf der anderen Seite konnten in den Proben mit geringer Defektdichte einzelne Defekte mit stabiler nahinfrarot Emission bei Raumtemperatur zweifelsfrei nachgewiesen werden. Ihre Lebensdauer von etwa 7ns bestätigt den Wert aus den transienten Messungen. (3) Auch die elektrische Anregung der Defekte in einer SiC LED Struktur konnte gezeigt werden. (4) Die Untersuchung zeigte zum ersten Mal, dass Silizium-Fehlstellen in SiC Nanokristallen bis hinunter zu einer Größe von ca. 60 nm existieren können. Die Defekte zeigen stabile PL Emission im Nahinfraroten und sogar Magnetresonanz in der 600 nm Fraktion. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit zum Einen grundlegende Eigenschaften der Silizium-Fehlstelle in Siliziumkarbid herausgefunden. Zum Anderen können Messungen zur Machbarkeit von verschiedenen Anwendungen sowohl das Potenzial der Fehlstelle in SiC für defektbasierte Anwendungen aufzeigen, als auch die Umsetzbarkeit von z.B. elektrisch betriebenen Einzelphotonenquellen oder Nanosensoren in naher Zukunft bestätigen.

Heidelberg, Univ., Diss., 2000.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2010

Regensburg, Univ., Diss., 2005.