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Nanostrukturierte Halbleiter mit großer Bandlücke

Mikrodisk
WGMs in Mikrodisks

Mikrodisk-Resonatoren auf Basis von II-VI Halbleitermaterialien

In scheibenförmigen Resonatoren (Mikrodisks) kann Licht in sogenannten “Flüstergaleriemoden” entlang des Randes reflektiert und so eingeschlossen werden. Diese Phänomen kann ausgenutzt werden, um in der Struktur bei geringem Energieeintrag Laserlicht zu erzeugen. Eine weitere mögliche Anwendung ist die Quanteninformationstechnologie. Hier müssen Qubits gespeichert werden, was beispielsweise in Form von atomaren Spins erfolgen kann, welche in die Mikrodisk eingebracht und durch das eingeschlossene Licht kontrolliert werden können.

In beiden Fällen ist die Stärke des Einschlusses von entscheidender Bedeutung. Die Reflexion des Lichts an der Seitenwand des Resonators ist größer, wenn dieser möglichst glatt ist. In unseren aktuellen Untersuchungen zu solchen Resonatoren testen wir deshalb, ob ein Bearbeiten der Mikrodisks mit einem fokussierten Ionenstrahl die Resonatorwände glätten und so die Eigenschaften für die Anwendung verbessern kann.

ZnSe-basierte Nanostrukturen und Bauteile

Selenidbasierte Halbleiter mit großer Bandlücke eignen sich zur Realisierung von optoelektronischen Bauteilen für den blauen bis grünen Spektralbereich, die bei Raumtemperatur arbeiten. Dieses Materialsystem ist durch die Stärke der Kopplung der Übergänge zwischen bestimmten Quantenzuständen und hohe Bindungsenergien der Exzitonen gekennzeichnet.

Für Wellenleiterstrukturen mit Quantenfilmen (quantum wells) oder CdSe/Zn(S,Se)-Quantenpunkten als aktiver Schicht untersuchen wir den optischen Gewinn (gain). Des Weiteren fokussierten sich unsere Forschungsaktivitäten auf grundsätzliche Untersuchungen der kohärenten Eigenschaften und der gezielten Anregung von Exzitonen und Biexzitonen in niederdimensionalen Halbleitern mit großer Bandlücke (ZnSe, ZnO und InGaN). Ein Schwerpunkt der Forschung liegt auf Nanodrähten (bis Ende 2018 gefördert durch die DFG- Forschungsgruppe FOR 1616). In den letzten Jahrzehnten haben Halbleitermikrokavitäten große  Bedeutung erlangt sowohl in der Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen. ZnSe-basierte Materialien stellen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ein ideales System zur Untersuchung von quantenelektrodynamischen Kavitätsphänomenen dar.

Im Rahmen eines DFG-Forschungsprojekts untersuchten wir Mikrokavitäten unterschiedlicher Geometrien und mit unterschiedlichen aktiven Medien (Quantenfilme oder Quantenpunkte) mittels Mikrophotolumineszenzmessungen (µ-PL) im Real- bzw. k-Raum. Hierzu wurden Säulenstrukturen aus ZnSe-basierten planaren Mikrokavitäten mittels fokussiertem Ionenstrahl hergestellt.

Der Einbau von Quantenfilmen ist interessant für Laseranwendungen. Für Strukturen mit eingebetteten ZnCdSSe-Quantenfilmen wurde stimulierte Emission bei gepulster Anregung und bei einer Temperatur von 280 K beobachtet, und für Proben mit Säulenstrukturen konnte Einzelmodenlasing erreicht werden. Das Eintreten in das Regime der starken Kopplung ist vielversprechend für das Auffinden einer neuen Art von Lasern mit verringerter Laserschwelle. Unsere Gruppe konnte starke Kopplung in monolithischen Mikrokavitäten mit 3 Quantenfilmen beobachten.

Durch Einbau von CdSe-Quantenpunkten in Mikrokavitäten mit Säulenstruktur konnten wir die Auskopplungseffizienz mittels Purcell-Effekt erhöhen und somit dieses System als einen vielversprechenden Ansatz zur Realisierung von effizienten Festkörper-Einzelphotonenquelle nutzen.

Nitrid- und ZnSe-basierte Laser und Nanostrukturen

Halbleiter aus Gruppe-III-Nitriden sind sehr interessant für optoelektronische Bauteile wie Laserdioden (LDs) im blauen und ultravioletten Spektralbereich. Die Untersuchung der optimalen Eigenschaften ist dabei essentiell für die kommerzielle Nutzung (z. B. DVD) und benötigt ein fortgeschrittenes Laserdesign. Für letzteres sind blaue und violette vertical-cavity surface emitting lasers (VCSELs) auf Nitridbasis sehr vielversprechend. Durch den Einbau von Quantenpunkten als aktivem Lasermedium in LDs and VCSELs wird eine höhere Leistungsfähigkeit der Bauteile im Bezug auf Schwellenstrom und Temperaturstabilität erwartet.

Unsere Gruppe verfügt über umfangreiche Erfahrung in Untersuchungen zur optischen Verstärkung in (In,Ga)N/GaN/(Al,Ga,)N  LDs. Zusätzlich wurde die Störstellenlumineszenz von Donatoren und Akzeptoren in GaN sowie die Emission tiefer Störstellen untersucht.