Microcavity terahertz quantum-cascade lasers and single quantum dot microdevices

Abstract

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.<br />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.<br />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.<br />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.<br />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.<br />Weiters führte die Verkleinerung des Resonators unter die Emissionswellenlänge in Luft zur Erreichung des Einzelmodenbetriebes mit einer Schwelle im Pulsbetrieb von nur 13.5 mA. Durch hochauflösende Spektroskopie wurde bei einigen Einzelmodenlasern die Aufhebung der Modenentartung nachgewiesen. Einzelmodenlaser 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.<br />

The objective of the presented thesis is to study the fundamental optical and electrical properties of self-assembled quantum dots and terahertz quantum-cascade lasers by means of various spectroscopic methods.<br />To perform spectroscopy on single InAs quantum dots a quantum dot GaAs photodiode microstructure is realized, which allows optical and electrical access in parallel to individual quantum dots.<br />Cross-sectional atomic force microscopy is used to obtain the dot density, dot distribution, and give an estimate of the dimensions of individual quantum dots buried in the photodiode structure.<br />The electric field tunability of the quantum dot microstructure is employed to controllably charge a single quantum dot with a single electron. The renormalization of the exciton ground-state transition energy by -3 meV due to the excess electron is identified by voltage-controlled photoluminescence experiments. Moreover, photoluminescence spectroscopy is used to investigate the excited exciton states termed p-states, whereas also crossed-transitions between electron ground states and excited hole states are identified.<br />Furthermore, the observation of GaAs phonon replicas does prove the coupling of the InAs quantum dot with its GaAs host material. From these findings a detailed energy level scheme of the investigated single-quantum dot is drawn.<br />By means of electric field dependent photocurrent spectroscopy the quantum-confined Stark effect of a single-quantum dot is investigated, which reveals a small positive permanent dipole moment of the quantum dot. The field dependent homogeneous linewidth of the photocurrent is modeled by a one-dimensional tunnel-escape, from which the carrier lifetime is extracted. In the limit of high electric fields the exciton lifetime is calculated to be below 1 ps.<br />The emission of terahertz radiation is achieved by the use of a four well quantum-cascade laser scheme in the GaAs/AlGaAs material system, which utilizes fast longi-tudinal-optic phonon scattering to depopulate the lower radiative level. The realization of a high mode confinement by means of a double-plasmon waveguide results in the development of the first cylindrical-shaped microcavity terahertz quantum-cascade lasers which operate in pulsed-mode up to a heat-sink temperature of 140 K.<br />Three-dimensional finite-difference time-domain calculations of microdisk terahertz quantum-cascade lasers are presented and the obtained spectra are in excellent agreement with the experimental results. The optimization of the laser design leads to a considerable reduction of the threshold current density down to 350 A/cm2. Moreover, cavity dimensions are reduced well below the free-air emission wavelength leading to single-mode emission and a threshold current as low as 13.5 mA in pulsed-mode operation. High resolution spectroscopy of ``single-mode'' microdisk lasers revealed the lifted degeneracy of a whispering-gallery mode. Such single-mode microdisk lasers operate in continuous-wave up to 95 K showing a superior temperature performance compared to ridge-type lasers made of the same material by more than 25 K. High temperature single-mode emission is a prerequisite for a wide range of possible applications in the terahertz frequency region.