Πολαριτονικές διατάξεις κάθετης εκπομπής φωτός

Abstract

The ability to control and tailor light-matter interactions at nanometer scale has proved pivotal in improving the performance of semiconductor lasers in the last decade. The ultimate optimization is realized in semiconductor microcavities in which strong coupling between quantum well excitons and cavity photons gives rise to new hybrid half-light half-matter polariton quasiparticles. The unique properties of polaritons, such as stimulated scattering, parametric amplification lasing condensation and superfluidity are believed to provide the basis for the development of a new generation of polariton emitters and novel forms of lasing in semiconductors. In this thesis, we report the first experimental realization of an electrically pumped III V semiconductor polariton LED device showing direct emission from polariton states at the elevated temperature of 300K. Polariton electro luminescence data reveal characteristic anticrossing between exciton and cavity modes a clear signature of strong coupling regime. These findings represent the enabling step towards the realization of a new class of ultra-efficient polaritonic devices with unprecedented characteristics.

Τα τελευταία χρονιά η αυξημένη ικανότητα ελέγχου των αλληλεπιδράσεων ύλης φωτός σε όλο και μικρότερες διαστάσεις έχει οδηγήσει στη βελτίωση της απόδοσης των ημιαγωγικών οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Η απόλυτη βελτιστοποίηση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε μικροκοιλότητες ημιαγωγών οι οποίες λειτουργούν στην περιοχή ισχυρής ζεύξης. Στην περίπτωση αυτή η αλληλεπίδραση των εξιτονίων των κβαντικών πηγαδιών με τα φωτόνια της κοιλότητας οδηγεί στη δημιουργία ενός νέου ψευδό σωματιδίου γνωστού ως πολαριτόνιο. Ο μποζονικός χαρακτήρας των πολαριτονίων προσδίδει μοναδικές ιδιότητες στα σωματίδια αυτά όπως είναι η εξαναγκασμένη σκέδαση, η παραμετρική ενίσχυση, το lasing, η συμπύκνωση και η υπερρευστότητα. Οι ιδιότητες αυτές αποτελούν τη βάση για μια νέα γένια πολαριτονικών εκπομπών φωτός και ημιαγωγικών laser. Στην εργασία αυτή έγινε το πρώτο βήμα προς την κατεύθυνση αυτή σχεδιάζοντας και κατασκευάζοντας πολαριτονικές διατάξεις εκπομπής φωτός (polariton LED) βασιζόμενες σε τεχνολογία GaAs κατάλληλες για λειτουργία υπό ηλεκτρική άντληση. Ο χαρακτηρισμός των μικροκοιλοτήτων με πειράματα ηλεκτροφωταύγειας έδειξε τη χαρακτηριστική συμπεριφορά anticrossing μεταξύ εξιτονίου και φωτονίου καταδεικνύοντας για πρώτη φορά τη λειτουργία μιας μικροκοιλότητας στην περιοχή ισχυρής ζεύξης υπό ηλεκτρική άντληση. Από τεχνολογικής πλευράς η λειτουργία των εν λόγω πολαριτονικών LEDs σε θερμοκρασία δωματίου δείχνει ότι τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν ένα σημαντικό βήμα προς την πραγματοποίηση πολαριτονικών οπτοηλεκτρονικών διατάξεων.