INiTS Award 2006

INiTS Award 2006
1.Platz „Andere technische und
naturwissenschaftliche Bereiche“
Dr. techn. Gernot Fasching
Institution: TU Wien
Institut: Institut für Photonik
BetreuerIn: Univ. Prof. Dr. Karl Unterrainer
Art der Arbeit: Dissertation
Titel:
Microcavity terahertz
microdevices
quantum-cascade
lasers
and
single
quantum
dot
Kurzfassung:
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der grundlegenden optischen und elektrischen
Eigenschaften von selbstorganisierten Quantenpunkten und Terahertz Quanten-Kaskaden Lasern durch
den Einsatz von verschiedenen Spektroskopiemethoden. Um die Spektroskopie an einzelnen InAs
Quantenpunkten durchzuführen wurde eine GaAs Quantenpunkt Fotodioden Mikrostruktur realisiert, die
eine optische Anregung von elektrisch kontaktierten einzelnen Quantenpukten erlaubt. Durch
Rasterkraftmikroskopie der Querschnittsfläche der Mikrostruktur konnte die Dichte, Verteilung und eine
Abschätzung der Dimensionen einzelner Quantenpunkte bestimmt werden. Durch Anlegen eines
elektrischen Feldes an die Quantenpunktstruktur konnte das gezielte Laden eines Einzelquantenpunktes
mit einem einzelnen Elektron gezeigt werden. Die Renormalisierung des Exziton Grundzustandes von -3
meV wurde durch Messung der feldabhängigen Photolumineszenz gezeigt.
Durch Photolumineszenzmessung konnten auch die p-Zustände eines Quantenpunktes wie auch die
Relaxation zwischen einem Elektrongrundzustand und einem angeregten Lochzustand nachgewiesen
werden. Weiters konnte auch die Kopplung eines InAs Quantenpunktes an die GaAs Matrix durch die
Detektion eines Phononreplikas nachgewiesen werden. Aufgrund dieser Messungen konnte ein genaues
Energieniveauschema der untersuchten Einzelquantenpunkte erstellt werden. Durch feldabhängige
Photostrommessungen wurde der Quanten-Confined Stark Effekt eines Einzelquantenpunktes untersucht
und ein positives Dipolmoment des Quantenpunktes gemessen. Die feldabhängige Linienbreite des
Photostromes wurde mit einem eindimensionalen Tunnelmodell genähert, aus dem die
Ladungsträgerlebenszeit berechnet wurde und zu Lebenszeiten kleiner 1 ps bei hohen elektrischen
Feldern führt.
Ein Terahertz Halbleiterlaser wurde durch ein vier-Topf Quanten-Kaskaden Schema im GaAs/AlGaAs
Materialsystem realisiert, das schnelle longitudinal optische Phononstreuung zur Entleerung des unteren
Laserniveaus verwendet. Durch die Einführung eines Doppelplasmon Wellenleiters konnte ein extrem
hoher Modeneinschluss erreicht werden und damit die ersten Terahertz Mikrozylinderlaser realisiert
werden. Im Pulsbetrieb wurde Emission bis zu 140 K erreicht. Berechnete Spektren von Terahertz
Mikrozylinderlasern basierend auf der dreidimensionalen Finite-Elemente Methode zeigten hervorragende
Übereinstimmung mit den gemessenen Spektren.
Die Optimierung des Laserdesigns führte zu einer deutlichen Reduzierung der Schwellstromdichte auf
350 A/cm2. Weiters führte die Verkleinerung des Resonators unter die Emissionswellenlänge in Luft zur
Erreichung des Einzelmoden-betriebes mit einer Schwelle im Pulsbetrieb von nur 13.5 mA. Durch
hochauflösende Spektroskopie wurde bei einigen Einzelmodenlasern die Aufhebung der Modenentartung
nachgewiesen. Einzelmoden-laser konnten bis zu 95 K im Dauerstrichmodus betrieben werden und
übertrafen damit Fabry-Perot Laser der gleichen Probe um mehr als 25 K. Die Erzielung von
Einzelmodenbetrieb bei hohen Temperaturen ist eine notwendige Voraussetzung für viele Anwendungen
im Terahertzbereich.
Dr. techn. Gernot Fasching
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