Dynamik von Exzitonen in elektrostatisch definierten Potentiallandschaften

In der vorliegenden Doktorarbeit wurden systematisch Methoden zur
Manipulation der Dynamik von Exzitonen in Halbleiterstrukturen
experimentell studiert. Als Substrat diente eine
Al0,3Ga0,7As/GaAs-Heterostruktur mit zwei gekoppelten
GaAs-Quantentöpfen. In diesen Systemen können mittels optischer
Anregung räumlich indirekte Exzitonen erzeugt werden, die bei
experimentell gut zugänglichen Temperaturen von 4 Kelvin lange
Lebensdauern von über 10 Mikrosekunden aufweisen. Mittels
geeigneter Gatterstrukturen auf den Probenoberflächen konnten
maßgeschneiderte laterale Potentiallandschaften für Exzitonen in
der Ebene der Quantentöpfe erzeugt und elektrisch abgestimmt
werden. In zeitlich variierenden, wellblechförmigen
Potentiallandschaften wurden oszillatorische Driftbewegungen über
Entfernungen von 4 Mikrometern induziert. Statische
Gradientenpotentiale für Exzitonen mit elektrisch manipulierbarer
Steigung ermöglichten die Erzeugung und Beobachtung exzitonischer
Driftbewegungen über makroskopische Entfernungen von über 100
Mikrometern. Flugzeitmessungen in derartigen Gradientenpotentialen
ergaben bei einer Temperatur von 3,7 K exzitonische
Driftgeschwindigkeiten von bis zu 2000 m/s. Die exzitonische
Mobilität in den Proben wurde als Funktion der Temperatur
experimentell bestimmt. Für Temperaturen T unter 10 K wurde eine
außerordentlich hohe Mobilität von 10000 cm2/eVs bzw. eine Stoßzeit
von 15 ps gemessen, die einer Diffusionskonstante von 30 cm2/s
entspricht. Oberhalb einer Temperatur T von 10 K wurde eine zu
T^(−6) proportionale Abnahme der Mobilität beobachtet. Ein weiterer
Schwerpunkt der Arbeit bestand in der Definition elektrostatischer
Fallen für Exzitonen, die dazu genutzt werden können,
Bose-Einstein-Kondensation von Exzitonen nachzuweisen. Es wurden
linienförmige Fallen realisiert, die im Randbereich lateral
mikrostrukturierter SiO2-Schichten auf Halbleiteroberflächen
entstehen. Energieauflösende Photolumineszenz-Messungen haben
ergeben, daß die Fallen in transversaler Richtung mittels
harmonischer Einschlußpotentiale beschrieben werden können. Es
wurden Federkonstanten von bis zu 11 keV/cm2, entsprechend einer
Quantisierungsenergie von bis zu 5,5 μeV, experimentell beobachtet.
Beide Werte übertreffen bisherige Resultate um einen Faktor von
200. Die transversale Ausdehnung und die energetische Tiefe der
Fallen liegen im Bereich von etwa 10 Mikrometern bzw. 0,8
Mikroelektronenvolt. Innerhalb der Fallen findet longitudinaler
exzitonischer Transport über makroskopische Entfernungen bis in den
Millimeterbereich statt. Die Fallen, deren Potentialminima stets
etwa 6 Mikrometer außerhalb der Begrenzung der SiO2-Bereiche
verlaufen, können bezüglich ihrer exzitonischen Speicherwirkung
elektrisch geschaltet werden. Die Ursache der Entstehung der Fallen
sowie deren elektrisches Schaltverhalten wurden anhand eines
elektrostatischen Modells erklärt.