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Selbstorganisiertes Wachstum von (Ga)InAs/GaAs-Quantenpunkten und Entwicklung von Mikroresonatoren höchster Güte für Experimente zur starken Exziton-Photon-Kopplung

Growth of self-assembled (Ga)InAs/GaAs Quantum Dots and Realization of high Quality Microcavities for Experiments in the field of strong Exciton Photon Coupling

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-30323
  • Als erster Schritt wurde der dreidimensionale optische Einschluss der Mikroresonatoren verbessert. Eine höhere Güte der Strukturen konnte vor allem durch Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses erzielt werden. Der Ätzprozess der Türmchen wurde so optimiert, um möglichst glatte und senkrechte Seitenwände der Resonatoren zu erreichen. Dies reduziert Streu- und Beugungsverluste an den Seitenwänden der Mikroresonatoren und verbessert deren optischen Einschluss. Des Weiteren wurde der epitaktische Schichtaufbau der Resonatoren sowie dieAls erster Schritt wurde der dreidimensionale optische Einschluss der Mikroresonatoren verbessert. Eine höhere Güte der Strukturen konnte vor allem durch Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses erzielt werden. Der Ätzprozess der Türmchen wurde so optimiert, um möglichst glatte und senkrechte Seitenwände der Resonatoren zu erreichen. Dies reduziert Streu- und Beugungsverluste an den Seitenwänden der Mikroresonatoren und verbessert deren optischen Einschluss. Des Weiteren wurde der epitaktische Schichtaufbau der Resonatoren sowie die Wachstumsparameter der einzelnen Halbleiterschichten optimiert. Somit konnte der Q-Faktor der Resonatoren zum Beispiel durch die Verwendung von Spiegeln mit einer höheren Reflektivität und einem angepassten V/III-Verhältnis bei den verschiedenen Epitaxieschichten weiter erhöht werden. Für einen aktiven Mikroresonator mit 26 (30) Spiegelpaaren im oberen (unteren) DBR und einem Durchmesser von 4 µm wurden somit Rekordwerte für den Q-Faktor von ca. 90000 erreicht. Parallel hierzu wurden Analysen zum Wachstum von selbstorganisierten GaInAs-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten angestellt. Hierbei war sowohl die Entstehung der dreidimensionalen Wachstumsinseln als auch deren optische Eigenschaften Gegenstand der Untersuchungen. Die morphologischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde mittels Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert, womit die optischen Eigenschaften durch Photolumineszenz- und Photoreflexionsmessungen untersucht wurden. Die optischen und vor allem die geometrischen Eigenschaften der selbstorganisiert gewachsenen GaInAs-Quantenpunkte konnten entscheidend verbessert werden. Durch die Verwendung von einer gering verspannten Nukleationsschicht mit einem Indiumgehalt von 30 % konnte die Flächendichte der Quantenpunkte auf 6 - 9 x 10^9 cm^-2 verringert und ihre geometrischen Abmessungen auf typische Längen von 50 - 100 nm und Breiten von ca. 30 nm erhöht werden. Durch den reduzierten Indiumgehalt wird die Gitterfehlanpassung zwischen den Quantenpunkten und der umgebenden Matrix verkleinert. Die verringerte Verspannung beim Quantenpunktwachstum führt zu einer erhöhten Migrationslänge der abgeschiedenen Atome auf der Oberfläche, was wiederum zur Bildung von größeren Quantenpunkten mit geringerer Flächendichte führt. Schließlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse über das MBE-Wachstum von Mikroresonatoren, ihre Prozessierung und das selbstorganisierte Inselwachstum von GaInAs auf GaAs als Basis für die Herstellung weiterer Proben verwendet. Es wurden nun beide Bereiche miteinander verknüpft und gering verspannte GaInAs-Quantenpunkte in die Mikroresonatoren eingewachsen. Die hohen Güten der realisierten Mikrokavitäten in Kombination mit Quantenpunkten mit vergrößerten Abmessungen und geringen Dichten machen diese Strukturen zu idealen Kandidaten für die Grundlagenforschung im Bereich der Quantenelektrodynamik. Als Höhepunkt ermöglichten diese Strukturen zum ersten Mal den Nachweis einer starken Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in einem Halbleiter. Für den Fall der gering verspannten vergrößerten Quantenpunkte im Regime der starken Kopplung konnte eine Vakuum-Rabi-Aufspaltung von ca. 140 µeV zwischen der Resonatormode und dem Quantenpunkt-Exziton beobachtet werden. Durch die verbesserten Güten der Kavitäten konnte das Regime der starken Wechselwirkung ebenfalls für kleinere Quantenpunkte erreicht werden. Eine Rabi-Aufspaltung von ca. 60 µeV wurde zum Beispiel für kreisrunde GaInAs-Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 % und Durchmessern zwischen 20 und 25 nm gemessen. Das Regime der starken Kopplung ermöglicht es weiterhin, Rückschlüsse auf die Oszillatorstärke der eingewachsenen Quantenpunkte zu ziehen. So konnte zum Beispiel für die vergrößerten Quantenpunktstrukturen eine Oszillatorstärke von ca. 40 - 50 abgeschätzt werden. Dagegen weisen die leicht verkleinerten Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 % nur eine Oszillatorstärke von ca. 15 - 20 auf. Des Weiteren wurden für einen späteren elektrischen Betrieb der Bauteile dotierte Mikroresonatoren hergestellt. Die hohen Güten der dotierten Türmchen ermöglichten ebenso die Beobachtung von klaren quantenelektrodynamischen Effekten im elektrischen Betrieb. Die untersuchten elektrisch gepumpten Mikroresonatoren mit kleinen GaInAs-Quantenpunkten in der aktiven Schicht operierten im Regime der schwachen Kopplung und zeigten einen deutlichen Purcell-Effekt mit einem Purcell-Faktor von ca. 10 im Resonanzfall. Durch den Einsatz von vergrößerten GaInAs-Quantenpunkten konnte ebenfalls im elektrischen Betrieb das Regime der starken Wechselwirkung mit einer Rabi-Aufspaltung von 85 µeV erreicht werden.show moreshow less
  • At the beginning, we improved the three dimensional optical confinement of the micropillars. A higher Q factor could be achieved mainly due to a further development of the fabrication process. The etching for the pillars was optimized in order to obtain very smooth and vertical sidewalls of the resonators. This reduces the losses due to scattering at the sidewalls of the micropillars und improves their optical confinement. Furthermore, the sample design of the cavities as well as the growth parameters of every single semiconductor layer wasAt the beginning, we improved the three dimensional optical confinement of the micropillars. A higher Q factor could be achieved mainly due to a further development of the fabrication process. The etching for the pillars was optimized in order to obtain very smooth and vertical sidewalls of the resonators. This reduces the losses due to scattering at the sidewalls of the micropillars und improves their optical confinement. Furthermore, the sample design of the cavities as well as the growth parameters of every single semiconductor layer was optimized. Thus, the quality factor of the pillars could be increased by the use of higher reflectivity mirrors and a matched V/III ratio for the different epitaxial layers. Hence, a record quality factor of about 90000 was achieved for an active micropillar with 26 (30) mirror pairs in the top (bottom) DBR and a diameter of 4 µm. In parallel to this, we made studies on the growth of self-assembled GaInAs quantum dots on GaAs substrates. Here, the nucleation of three dimensional islands as well as their optical properties were object of the investigation. The morphological properties of the dots were analyzed by transmission and scanning electron microscopy, and the optical properties were investigated by photoluminscence and photoreflectance measurements. The optical and particularly the morphological properties of the self-assembled GaInAs quantum dots were essentially improved. Due to a low strain nucleation layer with an indium content of 30 %, the dot density could be reduced to 6 - 9 x 10^9 cm^-2 and their geometric dimensions were increased to typical lengths between 50 and 100 nm and widths of about 30 nm. The lattice mismatch between the quantum dots and the surrounding matrix is decreased due to the reduced indium content. The minimized strain during the dot growth leads to an enhanced migration length of the deposited atoms on the surface, which again leads to the formation of enlarged quantum dots with a reduced density. Finally, the obtained findings of the MBE growth of microcavities, their fabrication and the self-assembled island growth of GaInAs on GaAs were used for the realization of further samples. Both fields were now combined and low strain GaInAs quantum dots were embedded into the microresonators. The high quality factor of the realized cavities in combination with enlarged quantum dots with a low dot density make these structures ideal candidates for fundamental research in the field of cavity quantum electrodynamics. As a highlight, these structures allowed for the first time the observation of strong coupling between light and matter in a semiconductor. In case of the low strain quantum dots with enlarged dimensions in the strong coupling regime, a vacuum Rabi-splitting of about 140 µeV between the cavity mode and the exciton could be observed. Due to an improved optical confinement of the microresonators, we were able to reach the strong coupling regime also for smaller quantum dots. For example a Rabi-splitting of about 60 µeV was measured for circular GaInAs dots with an indium content of 43 % and diameters between 20 and 25 nm. The strong coupling regime furthermore allows the estimation of the oscillator strength of the embedded quantum dots. Thus we could conclude an oscillator strength of approximately 40 - 50 for the enlarged quantum dot structures. In contrast to that, the slightly smaller dots with an indium content of 43 % only show an oscillator strength of about 15 - 20. Furthermore, doped microcavities were realized with regard to electrically driven devices. The high quality of the doped pillars allowed us the observation of pronounced quantum electrodynamic effects also for electrically pumped structures. The investigated electrically driven mircocavities with embedded GaInAs quantum dots were operating in the weak coupling regime and showed a clear Purcell effect with a Purcell factor in resonance of about 10. Due to the use of enlarged GaInAs quantum dots, we were able to reach the strong coupling regime with a vacuum Rabi-splitting of 85 µeV also for electrically driven micropillars.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andreas Löffler
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-30323
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Physik und Astronomie
Faculties:Fakultät für Physik und Astronomie / Physikalisches Institut
Date of final exam:2008/11/05
Language:German
Year of Completion:2008
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
GND Keyword:Quantenpunkt; Optischer Resonator; Quantenelektrodynamik; Molekularstrahlepitaxie
Tag:Licht-Materie-Wechselwirkung
Light-Matter-Interaction
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.50.-p Quantum optics (for lasers, see 42.55.-f and 42.60.-v; see also 42.65.-k Nonlinear optics; 03.65.-w Quantum mechanics) / 42.50.Pq Cavity quantum electrodynamics; micromasers
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.79.-e Optical elements, devices, and systems (for integrated optics, see 42.82.-m; for fiber optics, see 42.81.-i); Optical instruments, equipment and techniques, see 07.60.-j and 07.57.-c; Optical spectrometers, see 07.57.Ty and 07.60.Rd; Photography, photogra / 42.79.Gn Optical waveguides and couplers (for fiber waveguides and waveguides in integrated optics, see 42.81.Qb and 42.82.Et, respectively)
60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 68.00.00 Surfaces and interfaces; thin films and nanosystems (structure and nonelectronic properties) (for surface and interface chemistry, see 82.65.+r, for surface magnetism, see 75.70.Rf) / 68.65.-k Low-dimensional, mesoscopic, and nanoscale systems: structure and nonelectronic properties (for structure of nanoscale materials, see 61.46.-w; for magnetic properties of interfaces, see 75.70.Cn; for superconducting properties, see 74.78.-w; for optical / 68.65.Hb Quantum dots (patterned in quantum wells)
80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 81.00.00 Materials science / 81.15.-z Methods of deposition of films and coatings; film growth and epitaxy (for structure of thin films, see 68.55.-a; see also 85.40.Sz Deposition technology in microelectronics) / 81.15.Hi Molecular, atomic, ion, and chemical beam epitaxy
Release Date:2008/11/28
Advisor:Prof. Dr. Johann-Peter Reithmaier