Matthias Lermer

• Verschiedene Konzepte zur Realisierung einer geeigneten Umgebung für Licht- Materie-Wechselwirkung konkurrieren um Anerkennung und eine ständige Optimierung der Systemparameter findet statt. Das Konzept von Mikrotürmchen scheint prädestiniert, da es viele anwendungsfreundliche Eigenschaften in sich vereint. Allerdings stellt die drastische Abnahme des Q Faktors für kleiner werdende Durchmesser d einen wesentlichen Limitierungsfaktor dieser Strukturen dar. Für viele Anwendungen resultiert daraus ein Kompromiss aus hohem Q Faktor undVerschiedene Konzepte zur Realisierung einer geeigneten Umgebung für Licht- Materie-Wechselwirkung konkurrieren um Anerkennung und eine ständige Optimierung der Systemparameter findet statt. Das Konzept von Mikrotürmchen scheint prädestiniert, da es viele anwendungsfreundliche Eigenschaften in sich vereint. Allerdings stellt die drastische Abnahme des Q Faktors für kleiner werdende Durchmesser d einen wesentlichen Limitierungsfaktor dieser Strukturen dar. Für viele Anwendungen resultiert daraus ein Kompromiss aus hohem Q Faktor und kleinem Modenvolumen der Strukturen, wodurch das volle Potential des Resonatorsystems nicht ausgeschöpft werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, die drastische Abnahme des Q Faktors von Mikrotürmchen mit Durchmessern um 1μm aufzuheben und dadurch Resonatoren mit d < 1μm für ausgeprägte Licht-Materie-Wechselwirkung herzustellen. Dazu wurde erstmalig beabsichtigt eine Modenanpassung in Mikrotürmchen vorgenommen. Mittels Molekularstrahlepitaxie konnte eine Übergangsregion, bestehend aus drei Segmenten, in diese Strukturen implementiert und so ein adiabatischer Modenübergang zwischen der aktiven Mittelschicht und den Spiegelbereichen vorgenommen werden. Der positive Einfluss dadurch ergab sich in einer signifikanten Verbesserung des gemessenen Q Faktors für Durchmesser unter 1μm. Für d = 0.85μm konnte ein Q Faktor von 14 400 bestimmt werden. Dies stellt damit den höchsten je gemessenen Wert für Mikrotürmchen im Submikrometerbereich dar. Dadurch wird ein Bereich mit Modenvolumina < 3 kubischen Wellenlängen erschlossen und ausgeprägte Wechselwirkungseffekte im Mikrotürmchensystem sind zu erwarten. Starke Quantenpunkt-Licht-Kopplung konnte in diesen Strukturen nachgewiesen werden. Die höchste Vakuum-Rabiaufspaltung betrug 85μeV und die Visibilität wurde zu 0.41 bestimmt. Im Zuge der weiteren Optimierung der Systemparameter für die starke Kopplung wurde ein ex-situ Ausheilschritt auf die verwendete Quantenpunktsorte angewendet. In magnetooptischen Untersuchungen konnte damit eine Verdopplung der mittleren Oszillatorstärke auf einen Wert von 12 abgeschätzt werden. Weiter konnte in adiabatischen Mikrotürmchen über einen großen Durchmesserbereich von 2.25 bis 0.95μm eindeutiger Laserbetrieb des Quantenpunktensembles nachgewiesen werden. Dabei konnte eine kontinuierliche Reduzierung der Laserschwelle von über zwei Größenordnungen für kleiner werdende Durchmesser beobachtet werden. Für Durchmesser � < 1.6μm betrug der Beta-Faktor der Mikrolaser in etwa 0.5. Sie zeigten damit beinahe schwellenloses Verhalten. Zuletzt wurde der elektrische Betrieb von adiabatischen Mikrotürmchen gezeigt. Dafür wurde eine dotierte Struktur mit adiabatischem Design hergestellt. Im Vergleich zur undotierten Struktur fielen die gemessenen Q Faktoren in etwa um 5 000 geringer aus. Die spektralen Eigenschaften sowohl des Resonators als auch einzelner Quantenpunktlinien zeigten vernachlässigbare Abhängigkeit der Anregungsart (optisch oder elektrisch) und zeugen von einem erfolgreichen Konzept zum elektrischen Betrieb der Bauteile. Zeitaufgelöste Messungen erlaubten die Beobachtung von interessanten Dynamiken der Rekombination von Ladungsträgern in den Proben. Als Ursache dafür wurde ein hohes intrinsisches Feld, welches auf Grund des Designs der Schichtstruktur entsteht, identifiziert. Weiter zeigte sich, dass sich das interne Feld durch Anregungsart und extern angelegte Spannungen manipulieren lässt.…
• Various concepts for the realization of a proper environment for interaction of light and matter compete for recognition and a continous optimizing process takes place. The concept of micropillars seems to be predestinated as it unifies many helpful properties for daily use applications. To this day the drastic decrease of the Q factor for smaller diameters d has been a fundamental reason for the limitation of these structures. For many applications a trade-off between high Q factor and small mode volume has been neccessary, so that theVarious concepts for the realization of a proper environment for interaction of light and matter compete for recognition and a continous optimizing process takes place. The concept of micropillars seems to be predestinated as it unifies many helpful properties for daily use applications. To this day the drastic decrease of the Q factor for smaller diameters d has been a fundamental reason for the limitation of these structures. For many applications a trade-off between high Q factor and small mode volume has been neccessary, so that the full potential of the resonator system has not been exploited totally. The objective of this work was to compensate for the drastic decrease of the Q factor of micropillars with diameters around 1μm and to fabricate resonators with d < 1μm for pronounced interaction of light and matter. For this purpose for the first time an intended mode engineering has been exploited in micropillars. By means of molecular beam epitaxy an intersection region, consisting of three segments, has been implemented in these structures and so an adiabatic transition of the mode between the active midsection and the mirrorparts has been achieved. The positive influence has been proven by a significant improvement of the measured Q factor for diameters below 1μm. For d = 0.85μm a Q factor of 14 400 has been detected. This is the highest Q factor ever measured for microilllars in the submicron regime. By that a regime with mode volumes < 3 cubic wavelengths gets accessible and pronounced effects of interaction in the system of micropillars are expected. In these structures strong quantum dot - light coupling has been shown. The largest vacuum- Rabisplitting has been 85μeV and the visibility has been determined to 0.41. In the course of further optimization of the system parameters for the regime of strong coupling an ex-situ annealing step has been adopted to the used type of quantum dots. Magnetooptical analysis has shown a doubling of the oscillator strength and allowed an estimation for the value to 12. Furthermore in adiabatic micropillars, over a vast diameter range from 2.25 to 0.95μm, clear evidence for lasing of the quantum dot ensemble has been shown. Simultanously a continous decrease of the lasing threshold by more than two orders of magnitude for small diameters has been observed. For Diameters < 1.6μm the Beta-factor of the microlasers has been determined to be around 0.5. Therefore they showed almost thresholdless behavior. Finally electrical operation of adiabatic micropillars has been shown. For that a doped structure with the adiabatic design has been fabricated. In comparison with the undoped structure the measured Q factors drop to values around 5 000. The spectral properties of both the resonator and single quantum dot lines have shown negligible dependence on the form of excitation (optical or electrical), indicating that a successful concept for the electrical excitation of the devices has been established. Time resolved measurments have allowed to observe interesting dynamics of the recombination of charge carriers. We have identified the large intrinsic field, which arises because of the design of the layer structure, being the origin for this. Furthermore we have shown, that the internal field can be manipulated by the excitation scheme and the external applied voltage.…