Near-field spectral imaging of crystal-phase heterostructures in GaAs nanowires

Abstract

Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit der Analyse der optoelektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanostrukturen als Funktion ihrer Morphologie, kristallinen Struktur und ihrer chemischen Zusammensetzung im Nanometer-Bereich. Als Hauptobjekt dieser Studie dienen GaAs-AlGaAs-“core-shell”-Nanodrähte, die mittels Molekularstrahlepitaxie im selbst-katalysierten VLS-Verfahren (der sogen. “vapour-liquid-solid” Methode) hergestellt wurden. Das praktische Interesse an diesen Nanodrähten liegt auf deren eindimensionaler Struktur, die eine einzigartige Plattform für die Entwicklung auf dem Gebiet der Optoelektronik bietet. Im Speziellen ist diese Arbeit auf die besonderen Eigenschaften der Nanodrähte konzentriert, die sich auf Grund ihrer speziellen Wachstumsstrukturen ergeben. Als besonderes Phänomen tritt hier z.B. ein segmentierter Wechsel der Wurzit- und Sphalerit-Kristallgitterstruktur auf. Es ist sowohl von praktischem, als auch von fundamentalem Interesse, die bislang nur kontrovers diskutierte Bandstruktur der Wurtzit-Phase sowie die der Zinkblende-Wurtzit-Heterostrukturen in GaAs zu untersuchen. In der vorliegenden Studie wurden GaAs-Nanodrähte untersucht, die aus einer Mischung von Wurtzit- und Zinkblende-Struktur-Segmenten bestanden. Zu diesem Zweck wurde ein eigens dafür entwickeltes, bei Tieftemperaturen arbeitendes Rasternahfeldmikroskop eingesetzt, um die lokale Ladungsträger-Rekombination mit einer Auflösung im Nanometer-Bereich 2-dimensional abzubilden.

The thesis work is primarily focused on imaging and understanding of optoelectronic properties of semiconductor materials at the nanometer length scale as a function of their localmorphology, crystal structure and elemental composition. The main objects of the study are self-catalysed GaAs-AlGaAs core-shell nanowires fabricated by a bottom-up vapour-liquid-solidgrowth technique using molecular beam epitaxy. The practical interest to nanowiresstems from their one-dimensional nature paving the way for the fabrication of advanced opticaland electronic devices based thereon. A special focus is given to properties originatingfrom the occurrence of the wurtzite crystal phase in GaAs nanowires, which is not existent in bulk and thin film GaAs crystals. The understanding of the energy band structureof wurtzite GaAs as well as the coexistence of zinc blende and wurtzite crystal phases insuch wires has both high fundamental and practical importance. In this thesis, local optoelectronicproperties of GaAs nanowires with a mixture of zinc blende and wurtzite crystalphases are studied by means of near-field scanning optical microscopy. To this end, a home-build near-field scanning optical microscope operating at cryogenic temperatures is installedand applied. The microscope allows to image the local charge carrier recombination in GaAsnanowires with a spatial resolution at the nanometer length scale.