title: Time-resolved photoluminescence spectroscopy of semiconductors for optical applications beyond the visible spectral range
title: Zeitaufgelöste Photolumineszenz-Spektroskopie von Halbleitern für optische Anwendungen jenseits des sichtbaren Spektrums
Creators: name: Chernikov, Alexey A.
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Festkörperphysik
solid state physics
Physik
spectroscopy
Spektroskopie

description: Since the development of the first
      light-emitting diodes (LEDs) in the early 1960’s [1, 2],
      opto-electronic technology based on the semiconducting
      materials evolved rapidly in the last half of the century.
      Today, barely all aspects of the generation, control, and
      detection of light are potentially covered by the solid-state
      semiconductor devices. The reason is a unique combination of
      flexibility, low-cost fabrication, as well as compact
      packaging dimensions. In particular, scientific applications
      profit from the large tunability of the semiconductor diodes
      and lasers as well as from the high sensitivity of the
      detectors in a broad spectral range from the ultra-violett
      (UV) to the infra-red (IR) [4]. In addition, numerous
      industry branches successfully exploit solid-state
      light-sources for material processing, characterization, and
      quality testing [3]. Finally, the semiconductor-based
      emitters and detectors have already found their way into the
      everyday’s life. In many cases, the technology is subtly
      integrated and barely noticable, yet it is often the heart of
      the respective applications. High-brilliance LEDs provide
      images for the television projectors [6], compact lasers
      ensure rapid optical communication [5], and almost every
      photographer relies on cameras with silicon-based detectors,
      the so-called charge-coupled-devices or CCDs [7], only to
      name a few. Notably, the invention of the latter was honored
      with the Nobel Prize in Physics in 2009 [8]. Still, the
      journey is far from being over. The ever-increasing need for
      energy-saving lighting, faster optical communication, as well
      as for versatile optical sources in the growing field of the
      bio-physics anticipates and almost demands further
      technological advance. The research is aimed towards compact
      and low-cost lasers with high repetition rates in the
      near-infra-red (NIR) spectral range, bright, more efficient
      LEDs over the complete visible (VIS) spectrum, as well as
      strong and tunable lasers emitting in the ultra-violet (UV)
      wavelength region. In addition, transparent opto-electronic
      devices as well as the light-emitters on a scale as small as
      several nanometers are envisioned. To address these
      challenges, several steps are to be taken. First, a detailed
      understanding of the fundamental phenomena in semiconductors
      is required for a proper design of optical devices. The
      second, equally important procedure is the synthesis and the
      characterization of novel material systems suited for the
      desired applications over a broad spectral range. On this
      basis, semiconductor devices are finally developed and
      optimized to expoit their respective potential as well as to
      identify any fundamental restrictions. The work discussed in
      this thesis is focused on the experimental studies regarding
      these three steps: (1) investigation of the fundamental
      effects, (2) characterization of new material systems, and
      (3) optimization of the semiconductor devices. It goes
      without saying that only parts of the broad scientific fields
      are addressed. In all three cases, the experimental technique
      of choice is photoluminescence (PL) spectroscopy [9]. This
      method is based on the detection of light emitted by the
      photo-excited materials. Considering the possibility of
      spectrally-, temporally- and spatially-resolved measurements,
      PL spectroscopy remains a flexible and, most-important, a
      non-destructive probe for the optical response of
      semiconductors. The thesis is organized as follows. Chapter 2
      gives a summary of the PL properties of semiconductors
      relevant for this work. The first section deals with the
      intrinsic processes in an ideal direct band gap material,
      starting with a brief summary of the theoretical background
      followed by the overview of a typical PL scenario. In the
      second part of the chapter, the role of the
      lattice-vibrations, the internal electric fields as well as
      the influence of the band-structure and the dielectric
      environment are discussed. Finally, extrinsic PL properties
      are presented in the third section, focusing on defects and
      disorder in real materials. In chapter 3, the experimental
      realization of the spectroscopic studies is discussed. The
      time-resolved photoluminescence (TRPL) setup is presented,
      focusing on the applied excitation source, non-linear
      frequency mixing, and the operation of the streak camera used
      for the detection. In addition, linear spectroscopy setup for
      continous-wave (CW) PL and absorption measurements is
      illustrated. Chapter 4 aims at the study of the interactions
      between electrons and lattice-vibrations in semiconductor
      crystals relevant for the proper description of carrier
      dynamics as well as the heat-transfer processes. The
      presented discussion covers the experimental studies of
      many-body effects in phonon-assisted emission of
      semiconductors due to the carriercarrier Coulomb-interaction
      [10, 11]. The corresponding theoretical background is
      discussed in detail in chapter 2. The investigations are
      focused on the two main questions regarding electron-hole
      plasma contributions to the phonon-assisted light-matter
      interaction as well as the impact of Coulomb-correlations on
      the carrier-phonon scattering. The experiments presented in
      chapter 5 deal with the characterization of recently
      synthesizedmaterial systems: ZnO/(ZnMg)O heterostructures,
      GaN quantumwires (QWires), as well as (GaAs)Bi quantum wells
      (QWs). The former two materials are designed for potential
      electro-optical applications in the UV spectral range [12,
      13]. TRPL spectroscopy is applied to gain insight as well as
      a better understanding of the respective carrier relaxation
      and recombination processes crucial for the device operation.
      The latter material system, Ga(AsBi), is a possible candidate
      for light-emitting devices in the NIR, at the telecom
      wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm[14]. The main hallmark of
      this semiconductor is the giant band gap reduction with Bi
      content [22], unusually large for more typical compound
      materials [15]. The aim of the studies is the systematic
      investigation of carrier dynamics influenced by disorder. The
      measurements are supported by kinetic Monte- Carlo
      simulations [23], providing a quantitative analysis of
      carrier localization effects. In chapter 6, optimization and
      characterization studies of semiconductor lasers, based on
      the well-studied (GaIn)As material system designed for NIR
      applications, are performed. The device under investigation
      is the so-called vertical-external-cavity surfaceemitting
      laser (VECSEL) [16, 17]. This laser perfectly combines the
      excellent beam quality of surface emitters and the high
      output power of semiconductor edge-emitting diodelasers.
      VECSELs are available in a broad spectral range [18], offer
      efficient intra-cavity frequency mixing [19] combined with
      frequency stabilization [20], and are able to operate in a
      pulsed regime, emitting ultra-short sub-500 fs pulses [21].
      For the majority of the applications high output power of the
      device remains crucial. The performance of the laser,
      however, is typically limited by the heating of the device
      during the operation. The experiments focus on the study of
      the thermal properties of a high-power VECSEL. The
      distribution and removal of the excess heat as well as the
      optimization of the laser for increased performance are
      adressed applying different heat-spreading and heat-transfer
      approaches. Based on these investigations, the possibility
      for power-scaling is evaluated and the underlying
      restrictions are analyzed. The latter investigations are
      performed applying spatially-resolved PL spectroscopy. An
      experimental setup is designed for monitoring the spatial
      distribution of heat in the semiconductor structure during
      laser operation. A brief summary of the experimental findings
      and the resulting conclusions are given in the chapter 7 in
      the end of the thesis.
description: Seit der Erfindung der ersten
      Leuchtdiode (LED) Ende der 1960-er [1, 2], schritt die
      technologische Entwicklung der Halbleiter-basierten
      Optoelektronik im Laufe der letzten fünfzig Jahre rapide
      voran. In der heutigen Zeit werden daher fast alle Aspekte
      der Lichterzeugung, -Kontrolle und -Detektion durch
      Halbleiterbauelemente abgedeckt, da sie eine einzigartige
      Kombination aus Flexibilität, preiswerter Herstellung und
      kompakter Bauweise bieten. Seit Jahren werden
      halbleiterbasierte Lichtquellen und Strahlungsdetektoren von
      Seiten der Industrie erfolgreich in der Materialbearbeitung
      und Qualitätskontrolle eingesetzt [3]. Zudem profitieren auch
      wissenschaftliche Anwendungen von der hohen Durchstimmbarkeit
      und Ausgangsleistung von Halbleiter-Laserdioden sowie von der
      Empfindlichkeit von Detektoren über einem breiten spektralen
      Bereich zwischen dem Ultravioletten (UV) und dem Infraroten
      (IR) [4]. Auch in unserem Alltag sind wir ständig von
      halbleiterbasierter Technologie umgeben. Diese ist zwar oft
      subtil integriert und daher auf den ersten Blick kaum
      bemerkbar, sie bildet jedochmeistens das Herzstück der
      jeweiligen Anwendung. Prominentestes Beispiel ist sicherlich
      der CD-Player, der die Vorgängertonträger quasi restlos
      verdrängt hat. Zusätzlich ermöglichen kompakte
      Halbleiterlaser den Übertrag von Informationen innerhalb
      weniger Augenblicke über den gesamten Globus [5],
      LED-Bildschirme hoher Brillianz sorgen für ein intensives und
      realitätsnahes Kinoerlebnis [6] und kaum ein Photograph
      verlässt sich nicht auf hoch-empfindliche
      Silizium-Detektoren, die sogenannten chargecoupled devices
      (CCDs) [7], die in fast jeder modernen Kamera integriert
      sind. Die Entwicklung der CCD wurde im Jahre 2009 sogar mit
      dem Nobelpreis gewürdigt [8]. Allerdings ist die
      Erfolgsgeschichte der Halbleitertechnologie damit noch lange
      nicht vorbei. Aufgrund des stets wachsenden Bedarfes nach
      energiesparender Beleuchtung, schneller optischer
      Telekommunikation oder vielseitiger Laserquellen für das
      wachsende Feld der Biophotonik sowie für die medizinische
      Anwendungen werden weitere technologische Entwicklungen
      antizipiert und sogar gefordert. Ziele der Forschung sind
      u.A. die Entwicklung kompakter, intensiver und verstimmbarer
      Laser für die NIR und UV Spektralbereiche, effizienter LEDs
      für die Abdeckung des gesamten sichtbaren Spektrums,
      transparenter Optoelekronik und Lichtemitter auf der
      Nanometerskala. Zur Bewältigung dieser und vieler weiterer
      Herausforderungen sind mehrere Schritte notwendig. Als
      erstes, bleibt das Verständnis und die korrekte Beschreibung
      grundlegender physikalischer Phänomene in Halbleitern für die
      Realisierung von optischen Bauelementen unerlässlich.
      Weiterhin ist die Synthese und Charakterisierung neuartiger
      Materialsysteme für die anvisierten Anwendungen von der
      zentralen Bedeutung. Schließlich werden auf dieser Basis die
      eigentlichen Halbleiterbauelemente entwickelt und
      systematisch optimiert, um das volle Potenzial der
      Technologie auszuschöpfen sowie ihre fundamentalen Grenzen zu
      erschließen. In dieser Arbeit habe ich mich daher mit
      experimentellen Studien aus drei übergeordneten Bereiche
      beschäftigt: (1)Untersuchung grundlegender physikalischer
      Vorgänge, (2) Charakterisierung neuartiger Materialien und
      (3)Optimierung von Halbleiterlasern. Es versteht sich von
      selbst, dass nur Teile dieser umfangreichen
      wissenschaftlichen Gebiete bearbeitet wurden. Für die
      Bewältigung der Fragestellungen wurde in allen drei Fällen
      die experimentelleMethode der Photolumineszenz
      (PL)-Spektroskopie gewählt [9]. Diese Technik basiert auf der
      Detektion von Lichtemission optisch angeregter Halbleiter.
      Die angewandte Methode beinhaltet weiterhin spektral-,
      zeitlich, und orts-aufgelöste Untersuchungen und bietet somit
      einen flexiblen, vor allem aber einen zerstörungsfreien
      Zugang zu den optischen Eigenschaften verschiedener
      Materialsysteme. Die einzelnen Abschnitte der Arbeit sind wie
      folgt gegliedert. In dem nachfolgenden Kapitel 2 werden die
      für die spätere Diskussion relevante PL Eigenschaften von
      Halbleitern zusammengefasst. Der erste Teil behandelt
      intrinsische Prozesse in einem idealen direkten Halbleiter
      inklusive einer kurzen Einführung in die zugrundeliegende
      Theorie und einer Übersicht der Resultate eines
      repräsentativen PL Experimentes. In dem zweiten Teil wird die
      Rolle von Gitterschwingungen, der Einfluss interner
      elektrischer Felder und der dielektrischen Umgebung sowie die
      Lumineszenz indirekter Halbleiter diskutiert. Das Kapitel
      endet mit der Beschreibung extrinsischer PL Eigenschaften wie
      Defekte und Unordnung in realen Materialien. Die
      experimentelle Durchführung spektroskopischer Untersuchungen
      wird in demKapitel 3 dargestellt. Der experimentelle Aufbau
      für zeitaufgelöste PL wird im Detail erklärt, wobei auf die
      Beschreibung des verwendeten Lasersystems, der Anordnung für
      Frequenzmischung und die Funktionsweise einer ultra-schnellen
      Schmierbildkamera besonderen Wert gelegt wird. Abschließend
      folgt die Darstellung unterstützender Experimente wie
      zeitintegrierte PL und lineare Absorption. In demKapitel 4
      wird dieWechselwirkung der Ladungsträgernmit den
      Gitterschwingungen (Phononen) in CdS, CdSe, ZnS und ZnO
      Volumenmaterial untersucht, welche für das Verständnis der
      Ladungsträgerdynamik sowie für den Wärmetransport relevant
      ist. Die experimentellen Studien befassen sich mit den
      Vielteilcheneffekten in phonon-unterstützter Emission unter
      der Anwesenheit der Elektron-Elektron Coulomb-Streuung [10].
      Der entsprechende theoretische Hintergrund wird in Detail in
      Kapitel 2 diskutiert. Die Untersuchungen widmen sich den
      Fragestellungen nach dem möglichen Beitrag von Elektron Loch
      Plasma zu der Licht-Materie Kopplung an den exzitonischen
      Übergängen und dem Einfluss der Coulomb-Korrelationen auf die
      Ladungsträger-Phonon Streuung. Der erste Teil dieser Studien
      liefert einen klaren experimentellen Nachweis für die
      phononassistierte Lumineszenz von Plasma, womit die
      theoretischen Vorhersagen [11] bestätigt werden. Die
      exzitonische PL an den entsprechenden Phonon-Übergängen kann
      damit nicht als Zeichen exzitonischer Besetzung verstanden
      werden, womit die traditionelle Interpretation der
      sogenannten Phonon-Seitenbanden korrigiert und erweitert
      wird. Ferner wird es gezeigt, dass die relativen Beitrage der
      Exzitonen und Plasma durch die Wahl experimenteller
      Bedingungen deutlich beeinflusst werden. In dem zweiten Teil
      des Kapitels wird der Einfluss der Coulomb-Wechselwirkung auf
      die Stärke der inelastischen Streuung zwischen den
      Ladungsträgern und Phononen untersucht und mit den
      Ergebnissen der mikroskopischer Theorie [11] verglichen. Im
      Rahmen dieser Studien wird gezeigt, dass die
      Fröhlich-Kopplung im Falle von Exzitonen ineffektiv wird und
      die Deformationspotential-Streuung sogar in stark polaren
      Materialien wie ZnO dominieren kann. Interessanterweise ist
      dies der Fall, obwohl in allen untersuchten Systemen die
      Wechselwirkung einzelner Ladungsträgermit den Phononen durch
      die Fröhlich-Kopplung bestimmt wird.