Microscopic theory of nanostructured laser devices with short-wavelength emission
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Teilprojekts sollten theoretische Modelle zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von Nitrid-Quantenpunkten und Nitrid-basierten Mikroresonatoren entwickelt und ausgewertet werden. Die optischen Eigenschaften des aktiven Materials sollten dabei mit mikroskopischen Modellen beschrieben werden, also unter Berücksichtigung des Wechselspiels von strukturellen Eigenschaften und Vielteilchenwechselwirkungen der angeregten Ladungsträger. Hierzu wurde zum einen die Effizienz der Streuprozesse von angeregten Ladungsträgern in Nitrid-Quantenpunkten untersucht. Diese sind wichtig für den Einsatz in optoelektronischen Bauelementen um die Ladungsträger in den an der Rekombination beteiligten Zuständen zur Verfügung zu stellen. Außerdem bestimmen die Streuprozesse über die Dephasierung die homogene Linienbreite sowie kohärenzeigenschaften der Emission. Anregungsabhängige Streuraten wurden für die Wechselwirkung der Ladungsträger mit LO-Phononen im nichtstörungstheoretischen Polaronenbild bestimmt (diese stellen für die Ladungsträgerrelaxation die dominierenden Phonon-Prozesse dar). Außerdem wurde in separaten Arbeiten die Ladungsträger-Ladungsträger-Coulomb-Streuung als weiterer geleichermaßen effizienter Prozess betrachtet. Insbesondere zur Abhängigkeit der Effizienz von Anregungsdichte- und Temperatur konnten wichtige Einsichten gewonnen werden. Ein weiteres Teilprojekt bestand in der Berechnung der Multiexzitonenzustände. Hierfür wie auch für die Bestimmung der Wechselwirkungsmatrixelemente der Streuprozesse wurden Einteilcheneigenschaften berechnet aus atomistischen Tight-Binding-Modellen verwendet, die in direkter Kooperation mit den Teilprojkten III-2 (Czycholl) und III-1 (Neugebauer) entwickelt wurden. Diese Zusammenarbeit hat sich als äußerst fruchtbar erwiesen bei der Bestimmung des Einflusses struktureller Eigenschaften der Quantenpunkte wie Geometrie, Materialkomposition und Verspannung auf die optischen Eigenschaften und die Ladungsträgerstreuung. So konnten Aussagen über die Möglichkeit eines dipol-verbotenen exzitonischen Grundzustands in Nitrid-Quantenpunkten und die Aufhebung des Phonon-Bottlenecks in diesem Materialsystem mit vergleichsweise großer polarer Kopplung getroffen werden. Als weiterer Arbeitsschwerpunkt wurden optische Moden von Nitrid-basierten Mikroresonatoren mit einem dreidimensionalen Photonenconfinement bestimmt. Diese Strukturen bestehen aus VCSEL-Resonatoren, aus denen mit der FIB-Prozessierung Mikrosäulen im Rahmen des Teilprojekts I-2 hergestellt wurden. Um die Resonatormoden und damit den erfolgreichen photonischen Einschluss zu identifizieren, wurden sehr erfolgreiche direkte Theorie-Experiment-Vergleiche durchgeführt. Die verwendete Lösung der Vektor- Maxwellgleichungen basiert auf einer Entwicklung nach Wellenleitermoden. Alle Ziele wurden erreicht.
