Everest

Optoelektronische Bauelemente von Leuchtdioden und Solarzellen bis hin zu Halbleiterlasern und Detektoren sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken und werden in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen, z.B. zur Bekämpfung des Klimawandels oder zur ultraschnellen optoelektronischen Datenverarbeitung. Da die grundlegenden Funktionsprinzipien optoelektronischer Bauelemente gut bekannt sind, erfolgt der benötigte Fortschritt oft nur inkrementell. Daher ist es entscheidend, neue Wege zu finden, um neue Funktionalitäten zu implementieren. Die Quantenelektrodynamik (QED) verspricht radikal neue Wege zur Innovation optoelektronischerBauelemente durch die Nutzung der quantenmechanischen Prinzipien der starken und ultrastarken Licht-Materie- Wechselwirkung in Systemen, die in einen optischen Resonator hoher Qualität eingebettet sind. In diesem Regime koppeln die Photonen so stark an die Materie, dass die Bildung neuer hybridisierter Zustände, sogenannter Polaritonen, verursacht wird. Dies sind neue Quasiteilchen mit teilweise elektronischen und photonischen Eigenschaften. Polaritonen können beispielweise sehr kleine effektive Massen besitzen. Ihr Energiespektrum ist eine Mischung aus Elektronen und Photonen mit nicht kreuzenden Übergängen, bei denen sich die Energieniveaus in einen unteren und einen oberen Polaritonzweig aufspalten. Der Energieunterschied zwischen ihnen wird Polaritonenaufspaltung genannt und ist ein direktes Maß für die Licht-Materie- Kopplung. Wenn man diese Kopplung auf die Spitze treibt, wird die Polaritonenaufspaltung mit der ungestörten elektronischen Übergangsenergie vergleichbar. Somit kann das alleinige Vorhandensein eines Resonators Modifikationen von Grund- und angeregten Zuständen induzieren. Daher kann das Verhalten elektronischer Bauelemente verändert werden, da ihre Funktion durch die Position und Anordnung der Energieniveaus bestimmt wird. Die ultrastarke Kopplung eröffnet daher neue Funktionsprinzipien für die Steuerung elektronischer Prozesse und somit auch eine Quanten-Engineering-Strategie für Bauelemente, die noch in den Kinderschuhen steckt. Das erste Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen Konzepts eines Annäherungssensors basierend auf der Quantenelektrodynamik. Die Leitfähigkeit des Chips wird durch die Anwesenheit einer leitenden/dielektrischen Oberfläche bis zu einigen hundert Nanometern Abstand beeinflusst. Das Bauelement wird das Erste einer Familie neuartiger opto-elektronischer (polaritonischer) Bauelemente sein. Das zweite Ziel ist fundamentaler Natur und zielt darauf ab, zu verstehen, wie virtuelle Photonen d. h. das alleinige Vorhandensein eines Resonators die Energieniveaus eines Systems und damit seine elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Wir werden uns den wissenschaftlichen und technologischen Herausforderung stellen, die relevantesten Prozesse zu identifizieren, zu isolieren und für (opto-)elektronische Bauelemente nutzbar zu machen.

(Opto)elektronische Bauelemente wie Leuchtdioden, Solarzellen, Laser und Detektoren sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken und werden mit der zunehmenden Bedeutung photonischer Technologien für Daten- und KI-Zentren weiter an Relevanz gewinnen. Die Quantenelektrodynamik (Cavity Quantum Electrodynamics, QED) eröffnet grundlegend neue Möglichkeiten zur Innovation optoelektronischer Bauelemente. Ziel des EVEREST-Projekts war es, eine neuartige Geräteklasse zu untersuchen, deren elektronische Eigenschaften durch die Wechselwirkung mit Vakuumfeld-Photonen verbessert oder überhaupt erst ermöglicht werden. Dieser Ansatz nutzt die starke Licht-Materie-Kopplung in Mikroresonatoren, bei der die Kopplungsstärke die Zerfallsprozesse übersteigt und hybride Licht-Materie-Zustände, sogenannte Polaritonen, entstehen. Im Regime der ultrastrarken Kopplung führen vakuuminduzierte Modifikationen der Quantenzustände zu messbaren Veränderungen der Baueigenschaften. Untersucht wurden zwei Strukturtypen: resonante Tunnelstrukturen und Multi-Quantenwell-(MQW-)Strukturen. Resonante Tunneldioden dienen als Modell-Nanoelektronikbauelemente, während MQWs in photonischen Anwendungen wie Quantenwell-Infrarotdetektoren eingesetzt werden. Für die resonanten Tunnelstrukturen wurde ein Fertigungsansatz entwickelt, der eine gleichzeitige Untersuchung der elektronischen Transporteigenschaften und der optischen Eigenschaften ermöglicht. Mithilfe eines Doppelmetall-Waferbonding-Verfahrens wurden metallische Bottom-Kontakte, mikrometergroße Mesas mittels Lithografie und reaktivem Ionenätzen sowie metallische Top-Kontakte realisiert. Diese Geometrie erlaubt vertikale Transportmessungen und bildet gleichzeitig einen Patch-Resonator. Die gleiche Technologie wurde auf MQW-Strukturen angewandt, die als Bound-to-Continuum-Systeme mit lokalisierten Grundzuständen und ausgedehnten angeregten Zuständen ausgelegt waren. Die optischen Messungen bestätigten eine deutliche Polaritonenaufspaltung, ohne dass der obere Polaritonzweig vollständig ins Kontinuum verschoben wurde. Aufgrund einer Intersubband-Übergangsenergie von etwa 110 meV mussten die Doppelmetall-Resonatoren Resonanzlängen von rund 2 m aufweisen. Zur elektrischen Kontaktierung dieser kleinen Strukturen wurde eine isolierende Siliziumnitrid-(SiN-)Überstruktur implementiert, die nur oberhalb der Patches geöffnet und mit großflächigen Kontakten verbunden war. Optische Messungen zeigten ein verändertes Polaritonenaufspaltungsverhalten mit einer zweifachen Aufspaltung um eine gewichtete Übergangslinie zwischen dem Intersubband-Übergang und einer SiN-optischen Phononlinie. Zur Beschreibung dieser Ergebnisse wurde das theoretische Modell auf einen ultrastrarken Kopplungs-Hamiltonoperator erweitert, der sowohl die Kopplung der Elektronen als auch der SiN-Phononen an die Resonator-Mode berücksichtigt. Die sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment bestätigt die erfolgreiche Kopplung zweier unabhängiger Materialien über eine gemeinsamen Lichtmode. Transportmessungen zeigten, dass Oberflächenverarmung den Ladungstransport in mikrometergroßen Bauelementen stark beeinflusst. Daher wurden neue Strukturen mit dünneren Tunnelbarrieren und zwei gebundenen elektronischen Zuständen entwickelt, die eine höhere Anzahl an Quantenwells und eine stärkere Licht-Materie-Kopplung ermöglichen. Arrays von Mikro-Patch-Resonatoren zeigten Kopplungsstärken von bis zu 31 % sowie Q-Faktoren von etwa 10. Vertikale Transportmessungen offenbarten deutliche Unterschiede zwischen resonanten und nicht-resonanten Bauelementen, einschließlich einer bis zu achtfachen Transportverstärkung bei niedrigen Temperaturen. Diese Ergebnisse zeigen, dass das Vakuumfeld in Resonatoren das elektronische Verhalten von Halbleiter-Quantenbauelementen stark verändern kann und eröffnen neue Perspektiven für das Vakuumfeld-Engineering.