Strong light-matter coupling in GaN microcavities

Abstract

All modern photonic structures in useful applications for humanity like illumination, computer and television screens optical networks, photovoltaics, quantum information systems etc. are based on the control of the spontaneous emission of light. Microcavities are such photonic structures in semiconducting systems where the bound state between an electron and hole known as exciton is met with the confined photonic modes of an optical cavity of micrometer or less thickness. The quantum effect of Strong Coupling in microcavities is addressed by considering a quasi-particle called polariton, the study of which in the GaAs system has led to the fabrication of novel photonic structures, like the so called polariton LED and the polariton laser of ultra-low threshold exploiting polaritons bosonic nature. This behaviour gives polariton unique properties like the stimulated scattering, the parametric amplification, the lasing, the condensation and superfluidity. The semiconducting material of Gallium Nitride (GaN) which shows a robust exciton at room temperature due to its large exciton binding energy is an ideal candidate for fabrication of optoelectronic applications like microcavities capable to operate at ambient temperature. However, fundamental problems such as: a) the broadening of exciton linewidth due to structural defects and cracks and b) the small nitrides based DBR stopband comparable to the Rabi splitting between the upper and the lower polariton are met in monolithic growth of nitrides microcavities prohibiting the strong coupling between exciton and photon. In this thesis these problems are solved simultaneously by incorporating a thin GaN film in an optical microcavity made of dielectric Bragg mirrors. Primary tool of the fabrication process is the so called photoelectrochemical (PEC) wet etching of a sacrificial underlying nitride layer for the fabrication of ultra-thin free standing GaN membranes. This process provides the required ultra-smooth surfaces of the yielded GaN films and preserves their high optical quality. The deposition of dielectric mirrors on both sides of the film using the sputtering technique accomplishes the all dielectric GaN microcavity. The optical characterization of these microcavities shows for the first time an indication of strong coupling of GaN exciton and the 1st Bragg mode of one of the Bragg mirrors introducing a novel quasi particle called Bragg polariton or Braggonton. This encouraging result is the proof that the all dielectric GaN microcavity fabrication is feasible using the photoelectrochemical etching method capable to show strong exciton photon coupling and large Q-factors. It comprises the basis for the development of novel polariton emitters operating at room temperature as such for the study of new physics governed by the bosonic nature of polations.

Όλες οι σύγχρονες φωτονικές δομές σε εφαρμογές χρήσιμες για τον άνθρωπο όπως ο Φωτισμός, οι οθόνες, τα οπτικά δίκτυα, τα φωτοβολταϊκά συστήματα παράγωγης ενέργειας, τα κβαντικά πληροφοριακά συστήματα κλπ. βασίζονται στον έλεγχο της αυθόρμητης εκπομπής φωτός. Οι μικροκοιλότητες είναι φωτονικές δομές ελέγχου αυτής σε ημιαγωγικά συστήματα όπου «συναντώνται» η δέσμια κατάσταση ζεύγους ηλεκτρονίου οπής γνωστή και ως εξιτόνιο με τα χωρικά περιορισμένα φωτόνια ως τρόποι οπτικού συντονισμού σε οπτικό ταλαντωτή διαστάσεων μικρομέτρου και κατωτέρων αυτού. Η ισχυρά σύζευξη (Strong Coupling SC) ως κβαντικό φαινόμενο των μικροκοιλοτήτων γίνεται κατανοητή με την θεώρηση ενός οιονεί σωματιδίου που ονομάζεται πολαριτόνιο, η μελέτη του οποίου στο σύστημα GaAs οδήγησε στην κατασκευή καινοτόμων φωτονικών δομών όπως το λεγόμενο polariton LED και το polariton laser πολύ μικρού κατωφλίου αξιοποιώντας τον μποζονικό χαρακτήρα των πολαριτονίων που του προσδίδει μοναδικές ιδιότητες όπως η εξαναγκασμένη σκέδαση, η παραμετρική ενίσχυση, το lasing, η συμπύκνωση και η υπερρευστότητα. Το ημιαγωγικό υλικό του Νιτριδίου του Γάλλιου (GaN) που διαθέτει εξιτόνιο «σθεναρό» σε θερμοκρασία δωματίου λόγω μεγάλης ενέργειας σύνδεσης (exciton binding energy) αποτελεί ιδανικό «υποψήφιο» για κατασκευή οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών ικανών να λειτουργήσουν σε κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος θεμελιώδη προβλήματα όπως: α) η διεύρυνση της εξιτονικής κορυφής απορρόφησης του υλικού λόγω ατελειών δομής και ρηγματώσεων και β) το μικρό εύρος μέγιστης ανακλαστικότητας των καθρεπτών συγκρίσιμο με το λεγόμενο διαχωρισμό Rabi μεταξύ των άνω και κάτω βραχιόνων διασποράς του πολαριτονίου σε περίπτωση μονολιθικής ανάπτυξης μικροκοιλότητας δημιουργούν αδυναμία εμφάνισης ισχυράς σύζευξης. Σε αυτή την διατριβή τα προβλήματα αυτά λύνονται ταυτόχρονα με τον εγκιβωτισμό λεπτού υμενίου του GaN σε μια μικροκοιλότητα φτιαγμένη από δύο διηλεκτρικούς Bragg καθρέπτες. Βασικό εργαλείο της κατασκευής αυτής αποτελεί η λεγομένη φωτο-ενισχυόμενη ηλεκτροχημική (PEC etching) υγρή εγχάραξη θυσιαζόμενου υποκείμενου στρώματος για την δημιουργία ελευθέρων αιωρουμένων λεπτών υμενίων GaN. Αυτή εξασφαλίζει τις απαιτούμενες υπέρ λείες επιφάνειες του υμενίου καθώς και την διατήρηση των πολύ καλών οπτικών ιδιοτήτων του Νιτριδίου του Γάλλιου. Η εναπόθεση διηλεκτρικών καθρεπτών στην ανάντι και κατάντι πλευρά του λεπτού υμενίου, με μεθόδους sputtering ολοκληρώνει την λεγομένη all dielectric GaN μικροκοιλότητα. Ο οπτικός χαρακτηρισμός των μικροκοιλοτήτων, που αναπτύχθηκαν παρουσίασε για πρώτη φορά ένδειξη ισχυράς σύζευξης εξιτονίου (exciton) και οπτικού Bragg τρόπου (Bragg mode) ενός εκ των διηλεκτρικών καθρεπτών εισάγοντας ένα νέο εμφανιζόμενο οιονεί σωματίδιο το λεγόμενο Bragg polartion η Braggoriton. Το θετικό αυτό αποτέλεσμα είναι απόδειξη του ότι η κατασκευή all dielectric GaN μικροκοιλοτήτων είναι εφικτή με την μέθοδο της φωτο-ενισχυόμενης ηλεκτροχημικής υγρής εγχάραξης και ικανή να δώσει ισχυρά σύζευξη εξιτονίου-φωτονίου με μεγάλα Q-factors. Αποτελεί έρεισμα για ανάπτυξη καινοτόμων τεχνολογιών εκπομπής πολαριτονίων λειτουργούντων σε θερμοκρασία δωματίου καθώς και για μελέτη και ανάπτυξη νέας φυσικής που διέπει την μποζονική φύση των πολαριτονίων.