Forschungsprofil in Kurzform
Die Arbeitsgruppe für optoelektronische Materialien und Bauelemente beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Halbleiterstrukturen für optische und elektronische Anwendungen, z. B. in der Quanteninformationstechnologie. In diesen Halbleiterstrukturen werden Quanteneffekte ausgenutzt, um neuartige Eigenschaften zu erhalten. Ein Beispiel hierfür sind die atomar scharfen Energieniveaus in Halbleiterquantenpunkten.
Ein Schwerpunkt unserer Arbeit bildet die Herstellung von Halbleiterheterostrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), einem Ultrahochvakuum-Abscheideverfahren, das höchste Materialqualitäten und -reinheiten ermöglicht. Diese Heterostrukturen werden nach dem Wachstum strukturell, optisch und elektrisch charakterisiert. Zur strukturellen Untersuchung setzen wir die hochauflösende Röntgenbeugung, die Raster- und Transmissionselektronen-mikroskopie sowie die Rasterkraftmikroskopie ein. Optisch werden die Proben mittels Photolumineszenzspektroskopie, Reflexionsmessungen und ortsauflösenden Methoden untersucht. Die elektrische Charakterisierung geschieht überwiegend mittels Hall-Messungen, Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie und Strom-Spannungs-Messungen.
Die Halbleiterheterostrukturen werden z. T. zu Bauelementen weiter prozessiert, wobei moderne Strukturierungsverfahren, wie z. B. Elektronenstrahlithographie und reaktives Ionenätzen, zum Einsatz kommen.
Eine Besonderheit der Arbeitsgruppe sind die verschiedenartigen Halbleitermaterialsysteme, die den großen Spektralbereich vom Infraroten bis zum Ultravioletten abdecken. Im Einzelnen stellen wir Heterostrukturen auf Basis folgender Halbleitersysteme her:
Gruppe-III-Arsenide und Antimonide (Prof. Dr. Dirk Reuter)
Die Gruppe-III-Arsenide (InAs, GaAs, AlAs) decken den Spektralbereich von etwa 0,7 bis 1,3 µm ab. Die entsprechenden Antimonide erlauben es, den Spektralbereich bis hinab auf etwa 3 µm zu erweitern und machen auch die für glasfasergebundene Kommunikation wichtige Wellenlänge von 1,55 µm zugänglich. Insgesamt erlaubt das InAs/GaAs/AlAs-System sowohl die Herstellung von höchstqualitativen Schichtstrukturen im AlAs/GaAs-Untersystem wie auch die Realisierung von Halbleiter-Quantenpunkten mit exzellenten optischen Eigenschaften im InAs/GaAs-Untersystem. Insgesamt ermöglicht dieses System die Herstellung von Quantenpunktheterostrukturen mit sehr guter Materialqualität. Ein Schwerpunkt unserer Aktivitäten ist die Herstellung von InAs-Quantenpunktstrukturen für die Quanteninformationstechnologie, z. B. zur Realisierung von Einzelphotonenquellen oder Excitonen-QuBits. Im Bereich der Einzelphotonenemitter und -detektoren entwickeln wir neue Bauelementkonzepte, insbesondere auch für 1,55 µm als Arbeitswellenlänge. Durch Einbetten der InAs-Quantenpunkte in spezielle Heterostrukturen lassen sich z. B. der Ladungszustand der Quantenpunkte oder die Emissionswellenlänge mittels einer externen elektrischen Spannung einstellen. Des Weiteren beschäftigen wir uns mit der MBE auf vorstrukturierten Substraten um komplexe Quantenbauelemente herzustellen.
Kubische Gruppe-III-Nitride (Apl. Prof. Donat As)
Gruppe III-Nitride wie GaN, AlN und InN sind wegen ihrer mechanischen Festigkeit und ihrer chemischen und thermischen Beständigkeit hervorragend für elektronische Anwendungen (Transistoren) und optoelektronische Anwendungen (blau emittierende Leuchtdioden und Laser) geeignet, die bei extremen Umweltbedingungen, hohen Temperaturen und hohen Frequenzen arbeiten. Bei Bauelementen mit Strukurgrößen im Nanometerbereich werden neue Eigenschaften und Effekte sichtbar, die z.B. für Einzelphotonen- oder THz-Emitter bzw. Detektoren eingesetzt werden können. Hauptarbeitsgebiet der Arbeitsgruppe ist die Herstellung und Erforschung der Grundlagen kubischer Gruppe III-Nitride mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie, deren Charakterisierung mit optischen, elektrischen und strukturellen Messmethoden, sowie der Fertigung erster Bauelementstrukturen. Diese Arbeiten auf Basis kubischer III-Nitride führten zur Realisierung des ersten Feldeffekttransitors aus kubischen AlGaN/GaN, sowie zu Quantum-Punktemittern und Intersubband Quantum-Well Photodetektors (QWIPs).
