Photonische Resonatoren aus Zinkoxid-basierten Heterostrukturen

Zinkoxid (ZnO) als extrem heller UV-Emitter ist ein attraktives Material für photonische Bauelemente. In dieser Arbeit wurden photonische Resonatoren und Nanostrukturen zur Ladungsträgerlokalisierung auf Basis von ZnO-Heteroschichtsystemen hergestellt. Da im ZnO-System die für die Fertigung von Bauelementen essentiellen, selektiven Ätzprozesse schwierig zu realisieren sind, wurden die ZnO-Schichten auf vorstrukturierten Substraten aus Silizium (Si) und dessen natürlichem Oxid (SiO2) gewachsen. Die großen Unterschiede der Gitterkonstanten und thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien bedingen allerdings niedrige Wachstumstemperaturen und führen zu polykristallinen Schichten aus kleinen Körnern. Dennoch zeichnen sich die mittels Plasma-unterstützter Molekularstrahlepitaxie gewachsenen ZnO-Schichten durch eine hohe Homogenität und geringe Oberflächenrauheit aus. Durch thermisches Ausheilen erfolgte eine signifikante Verbesserung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften der ZnO-Schichten, was im Wesentlichen dem Zusammenwachsen der einzelnen Körner geschuldet ist. So konnte die Korn-Rotations-induzierte Koaleszenz erstmalig in drei Dimensionen gezeigt werden. Über ein diffusives Modell wurde die Rekristallisierung auf einer kinetischen Zeitskala beschrieben und ein entsprechender Mobilitätsparameter bestimmt. Der Vergleich mit den Parametern in 2D zeigt, dass der zusätzliche Freiheitsgrad einer Dreh- und Kipprotation zu einer schnelleren Koaleszenz führt. Durch das Überwachsen von kristallographisch geätzten V-Gräben mit Si(111)-Seitenwänden wurde Ladungsträgerlokalisierung in sog. ZnO-Quantendrähten erreicht. Hochwertige photonische Mikrodisk- und Photonische-Kristall-Resonatoren wurden hingegen auf vorstrukturierten und durch Unterätzen freigestellten SiO2-Geometrien realisiert.Zinc oxide (ZnO) as an extremely bright ultraviolet emitter is an attractive material for photonic devices. In this work photonic resonators and nanostructures with charge carrier localization on the basis of ZnO heterosystems have been created. As in the ZnO system selective etching processes, which are essential for the fabrication of devices, are difficult to achieve, ZnO layers were grown on pre-patterned silicon (Si) and silicon dioxide (SiO2) substrates. Additionally, those bring along the advantage of the integrability into existing circuits, which are often based on silicon. However, the large differences in lattice constants and thermal expansion coefficients lead to polycrystalline layers of small grains. Nevertheless, ZnO layers grown by plasma assisted molecular beam epitaxy exhibit high homogeneity and low surface roughness. By thermal annealing the electronic and structural qualities of the ZnO layers have been significantly improved due to the merging of the individual grains. Thus, the grain rotation induced coalescence could be demonstrated in three dimensions for the first time. Using a diffusive model, the recrystallization was described on a kinetic time scale and a corresponding mobility parameter has been determined. Compared to parameters in two dimensions, the coalescence in 3D is much faster due to the additional degree of freedom of the twist- and tilt-rotation. Carrier localization in ZnO quantumwires has been achieved by the overgrowth of crystallographically etched V-grooves with Si(111) side walls inside a Si(100) sample. Whereas high quality photonic microdisk and photonic crystal resonators have been realized by the overgrowth of pre-structured SiO2 geometries, which were released via chemical undercutting.Tag der Verteidigung: 23.04.2014Paderborn, Univ., Diss., 201