Optical properties of single semiconductor nanowires and nanowire ensembles – probing surface physics by photoluminescence spectroscopy
Creators: name: Pfüller, Carsten
Publisher: name: Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2011
Subjects: subject: Galliumnitrid
subject: Photolumineszenz
subject: Nanodrähte
subject: Halbleiteroberﬂächen Gallium nitride
subject: Nanowires
subject: Photoluminescence
subject: Semiconductor surfaces
subject: 530

description: This thesis presents a detailed investigation of the optical properties of semiconductor nanowires (NWs) in general and single GaN NWs and GaN NW ensembles in particular by photoluminescence (PL) spectroscopy. NWs are often considered as potential building blocks for future nanometer-scaled devices. This vision is based on several attractive features that are generally ascribed to NWs. In the ﬁrst part of the thesis, some of these features are examined using semiconductor NWs of different materials. On the basis of the temperature-dependent PL of Au- and self-assisted GaAs/(Al,Ga)As core-shell NWs, the inﬂuence of foreign catalyst particles on the optical properties of NWs is investigated. The effect of the substrate choice is studied by comparing the PL of ZnO NWs grown on Si, Sapphire, and ZnO substrates. The major part of this thesis discusses the optical properties of GaN NWs. The investigation of the PL of single GaN NWs and GaN NW ensembles reveals the signiﬁcance of their large surface-to-volume ratio and that each NW exhibits its own individual recombination behavior. An unexpected broadening of the donor-bound exciton transition is explained by the abundant presence of surface donors in NWs. The existence and statistical relevance of these surface donors is conﬁrmed by PL experiments of single GaN NWs which are either dispersed or free-standing. Furthermore, the influence of electric fields on the optical properties of GaN NWs is investigated and the coupling of light with GaN NWs is studied by reflectance and Raman measurements. The central results of this thesis motivate the introduction of a model that explains the typically observed nonexponential recombination dynamics in NW ensembles. It is based on a distribution of recombination rates. Preliminary simulations using this model describe the nonexponential decay of GaN NW ensembles satisfactorily and allow for an estimation of their internal quantum efficiency.
description: Diese Arbeit beschreibt die optische Charakterisierung mittels Photolumineszenzspektroskopie (PL) von Halbleiter-Nanodrähten (ND) im allgemeinen und einzelnen GaN-ND und GaN-ND-Ensembles im speziellen. ND werden oftmals als vielversprechende Bausteine zukünftiger, kleinster Bauele- mente bezeichnet. Diese Vision beruht insbesondere auf einigen attraktiven Eigenheiten, die ND im allgemeinen zugeschrieben werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden exemplarisch einige dieser Eigenschaften näher untersucht. So wird anhand von temperaturabhängigen PL-Messungen an Au- und selbstinduzierten GaAs/(Al,Ga)As-ND der Einﬂuss des Keimmaterials auf die PL der ND untersucht. Weiterhin werden die optischen Eigenschaften von ZnO-ND untersucht, die auf Si-, Saphir- und ZnO-Substraten gewachsen wurden. Die optische Charakterisierung von GaN-ND nimmt den Hauptteil dieser Arbeit ein. Die detaillierte Untersuchung einzelner GaN-ND und von GaN-ND-Ensembles zeigt die Relevanz des großen Oberﬂächen-zu-Volumen-Verhältnisses und dass jeder ND ganz eigene optische Eigenschaften aufweist. Die unerwartet starke Verbreiterung des strahlenden Übergangs donatorgebundener Exzitonen wird durch das vermehrte Auftreten von Oberﬂächendonatoren erklärt, deren statistische Relevanz durch PL-Messungen an einzelnen ausgestreuten und freistehenden GaN-ND nachgewiesen werden kann. Weiterhin wird der Einfluss elektrischer Felder auf die optischen Eigenschaften von GaN-ND ermittelt. Die Ein- und Auskopplung von Licht mit GaN ND wird mithilfe von Reﬂektanz- und Ramanmessungen bestimmt. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit motivieren die Einführung eines Modells, dass die typischerweise nichtexponentielle Rekombinationsdynamik in ND-Ensemblen erklärt. Es basiert auf einer Verteilung der Rekombinationsraten. Vorläuﬁge Ergebnisse dieses Modells beschreiben das nichtexponentielle Rekombinationdynamik in GaN ND-Ensemblen zufriedenstellend und erlauben eine Abschätzung ihrer internen Quanteneffizienz.