Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden lateral strukturierte Halbleiter-Mikroresonatoren hergestellt und mittels optischer Spektroskopie, insbesondere Reflexions- und Photolumineszenzspektroskopie, studiert. Hierbei wurden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Einerseits wurden aus planaren Mikroresonatoren lateral gekoppelte photonische Punkte präpariert, andererseits wurden Arrays von Microdisks hergestellt. Im Gegensatz zu den bislang üblichen Verfahren wurde bei der Präparation beider Mikroresonatorarten die holographische Lithographie zur Definition großflächiger periodischer Ätzmasken eingesetzt.
In Reflexionsmessungen an stark gekoppelten photonischen Punkten konnten durch die Strukturierung bedingte, neue dispersive Moden beobachtet werden.
Die Modenstruktur einer anderen Probe, in die selbstorganisiert gewachsene Quantenpunkte eingebettet waren, konnte mittels Photolumineszenzmessungen untersucht werden. Hier waren die einzelnen photonischen Strukturen nahezu ungekoppelt. In ihnen konnten drei diskrete, dreidimensional eingeschlossene photonische Moden nachgewiesen werden.
Es wurden Microdiskproben sowohl mit Quantenfilmen als auch mit Quantenpunkten als eingebettetes aktives Material hergestellt und insbesondere mit Mikro-Photolumineszenzmessungen untersucht. Es zeigte sich, dass die ternären Quantenfilme in den Microdisks zu einem internen Breitbandemitter führten, so dass an einzelnen Microdisks mehrere scharfe optische Resonanzen - so genannte Whispering Gallery Modes - in einem bemerkenswert weiten Energiebereich beobachtet und untersucht werden konnten. Diese Breitbandemission ähnelt derjenigen in Quantenpunkt-Microdisks, wurde aber vorher in Quantenfilm-Microdisks noch nicht beobachtet. Sie hat ihren Ursprung in der Rekombination von an Störstellen gebundenen Elektron-Loch-Paaren, wobei die Anzahl der Störstellen so gering war, dass Reabsorptionsprozesse keine signifikante Rolle spielten.
Die in Microdisks eingebetteten selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunkte zeigten eine ausgezeichnete optische Qualität. Zusätzlich zum Grundzustand konnten in Ensemblemessungen mindestens drei angeregte elektronische Niveaus deutlich aufgelöst werden. In Photolumineszenzmessungen bei geringen Anregungsleistungen an einzelnen Microdisks konnten diskrete scharfe Emissionslinien höher angeregter Quantenpunkte beobachtet werden. Mit zunehmender Anregungsleistung bildeten sich Whispering Gallery Modes heraus. Beide Arten von Microdisks zeigten in Messungen abhängig von der Anregungsleistung Hinweise auf Lasing.
In the framework of this thesis laterally structured semiconductor microcavities were fabricated and investigated by means of reflection and photoluminescence spectroscopy. The photonic structures were prepared following two different approaches: the lateral structuring of planar microcavities leading to two-dimensionally coupled photonic dots and the fabrication of arrays of photonic microdisks. In contrast to the common fabrication processes, here, laser-interference lithography was used to define periodic masks for the following etch process.
Reflection measurements on strongly coupled photonic dots showed new dispersive modes, caused by the structuring. The self-assembled quantum dots embedded in another sample enabled the investigation of the mode structure by using photoluminescence spectroscopy. In this sample, the photonic dots proved to be uncoupled: three discrete, three-dimensionally confined photonic modes were detected.
Samples with microdisks embedding either quantum wells or quantum dots as active material were investigated especially by means of micro-photoluminescence spectroscopy. The ternary quantum wells inside the microdisks lead to an internal broadband emitter. Thus, several pronounced optical resonances - so called whispering gallery modes - could be examined in a remarkably wide energy range. This broadband emission resembled the one in quantum dot microdisks, but has never been reported in quantum well microdisks before. It originated from the recombination of electron-hole pairs bound to impurities, but the number of impurity levels was so small that reabsorption was not significant.
The self-assembled quantum dots embedded in microdisks showed an excellent optical quality. Apart from the ground state, at least three excited electronic levels could be distinguished in measurements on quantum dot ensembles. In photoluminescence measurements at low excitation power on single microdisks, discrete sharp emission lines of excited quantum dots were observed. With increasing excitation power whispering gallery modes developed.
Both kinds of microdisks indicated the possibility of lasing in excitation power dependent measurements.