Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9390
Main Title: Entwicklung und deterministische Herstellung von Mikrolasern und Einzelphotonenquellen auf Basis positionierter Quantenpunkte
Translated Title: Development and deterministic fabrication of microlasers and single-photon sources based on site-controlled quantum dots
Author(s): Kaganskiy, Arsenty
Advisor(s): Reitzenstein, Stephan
Referee(s): Reitzenstein, Stephan
Reithmaier, Johann Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Charakterisierung deterministischer Mikrosäulen-Laser und Einzelphotonenquellen auf der Basis von positionierten Halbleiter-Quantenpunkten. Die Positionierung erfolgt über das Konzept vergrabener Stressoren, welches auf einer bevorzugten Nukleation von Quantenpunkten oberhalb einer teilweise oxidierten AlAs-Schicht basiert. Eine wichtige Eigenschaft dieser Methode besteht dabei darin, dass der in-situ kontrollierbare Aperturdurchmesser die Anzahl positionierter Quantenpunkte bestimmt. So wachsen einzelne Quantenpunkte oberhalb von Aperturen mit sub-Mikrometer Durchmesser, während sich Quantenpunkt-Ensembles mit kontrollierbar einstellbarer Emitterzahl im Bereich breiterer Oxidaperturen positionieren lassen. Um die geringe Photonen-Auskoppeleffizienz aus einfachem planarem Halbleitermaterial zu erhöhen, werden im Rahmen dieser Arbeit positionierte Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen mittels in-situ Elektronenstrahllithographie deterministisch in monolithische Mikrolinsen integriert. Die hergestellten Quantenbauteile weisen eine hohe Einzelphotonenreinheit mit der Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung von 0,03 ± 0,01 sowie eine erhöhte Auskoppeleffizienz von über 20 % auf, welche einem Rekordwert für positionierte Quantenpunkte entspricht. Im Anschluss wird der komplexe Herstellungsprozess weiterentwickelt, indem positionierte Quantenpunkte in Mikrosäulen integriert werden, um die Vorteile der Kavitätsquantenelektrodynamik zu nutzen. Die realisierten Mikrosäulen-Resonatoren zeigen eine hohe Resonatorqualität mit einem Gütefaktor Q von über 10000, wobei die integrierte Oxidapertur einen zusätzlichen lateralen Modeneinschluss bewirkt. Über die laterale Positionierung von Quantenpunkten wird eine Erhöhung der spontanen Emissionsrate über den Purcell-Effekt mit einem Purcell-Faktor von 4,3 ± 0,3 erreicht. Zum Abschluss wird erstmals Lasing in Mikroresonatoren mit positionierten Quantenpunkten als aktives Medium demonstriert. Als eindeutiger Nachweis des Übergangs von thermischem zu kohärentem Licht dient das Verhalten der Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung, welche für die untersuchten Mikrolaserstrukturen oberhalb der Laserschwelle hin zu 1 reduziert wird. Es werden Mikrosäulen mit Aperturdurchmessern im Bereich zwischen 700 nm (10 Quantenpunkte in der aktiven Schicht) und 1400 nm (20 Quantenpunkte in der aktiven Schicht) untersucht. Des Weiteren wird der Einfluss des Aperturdurchmessers auf die Laserschwelle nachgewiesen, welcher sich über die Modulation des Q-Faktors und des Modeneinschluss-Faktors durch eine Erhöhung der Eingangsleistung an der Laserschwelle für die Strukturen mit steigenden Aperturdurchmessern im Bereich zwischen 700 und 1200 nm zeigt. Im Gegensatz dazu weisen die Mikroresonatoren mit einem Aperturdurchmesser > 1200 nm keine charakteristischen Lasing-Merkmale auf. Dank der Quantenpunkt-Positionierung zeichnen sich die untersuchten Strukturen durch einen erhöhten Kopplungsfaktor der spontanen Emission von > 0,01 im Vergleich zu konventionellen vertikal emittierenden Lasern aus. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Technologie ist der Wegbereiter für die Herstellung von skalierbaren Einzelphotonenquellen mit erhöhter Photonen-Auskoppeleffizienz sowie ultimativen schwellenlosen Einzel-Quantenpunktlasern, welche über die weitere Erhöhung des Kopplungsfaktors der spontanen Emission realisiert werden können.
This dissertation provides the development and characterization of deterministically fabricated micropillar lasers and single-photon sources based on site-controlled semiconductor quantum dots. The site-controlled growth is carried out via a buried-stressor approach, which is based on preferred nucleation of quantum dots over a partially oxidized AlAs epitaxial layer. Importantly, this method allows for a control of the number of quantum dots by means of the aperture diameter, which is in-situ controllable during the oxidation. Single quantum dots are situated over small apertures, while ensembles of quantum dots can be found on apertures with a larger diameter. Aiming at an increase of the originally low outcoupling efficiency out of the semiconductor material the site-controlled singlephoton sources are integrated into monolithic microlenses using an in-situ electron-beam lithography approach. The fabricated quantum devices exhibit high single-photon purity with a second-order autocorrelation function of and a record high increased outcoupling efficiency for site-controlled QDs of more than 20 %. The complex fabrication process is subsequently further developed in order to integrate site-controlled quantum dots into micropillars and, thus, to utilize the advantages of the cavity quantum electrodynamics. The micropillar resonators demonstrate a high quality with a quality factor Q of more than 10000 as well as an aperture-induced additional lateral mode confinement. The site-controlled growth of quantum dots enables an increase of the emission rate in terms of the Purcell effect with a Purcell factor of 4.3 ± 0.3. Finally, the transition to stimulated light emission is demonstrated for the first time in micropillar resonators with site-controlled quantum dots as active medium. The lasing action is ultimately proven by the behavior of the second-order autocorrelation function, which is significantly decreased down to a value of 1 demonstrating the emission of coherent light above the threshold to lasing. Overall, micropillars with aperture diameters in a range of 700 to 1400 nm are investigated corresponding to 10 and 20 quantum dots in the active medium, respectively. In addition, the influence of the aperture diameter on the laser threshold is proven, resulting in an increased input power at the threshold to lasing with increasing aperture diameters in a range of 700 to 1200 nm due to a modulation of both the Q-factor and the mode confinement factor. In contrast, the micropillars with an aperture diameter larger than 1200 nm do not exhibit any lasing signatures. Site-controlled growth of quantum dots results in an increased spontaneous emission coupling factor of > 0.01 compared to conventional vertical-emitting lasers. The technology developed within the framework of this dissertation paves the way for fabrication of scalable single-photon sources with increased photon outcoupling efficiency as well as of ultimate thresholdless single-quantum-dot lasers, which can be realized by further increasing of the spontaneous emission factor.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10438
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9390
Exam Date: 13-Sep-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 8-Jan-2020
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Nanophotonics
Quantenpunkte
Halbleiterphysik
Mikrolaser
Einzelphotonenquellen
nanophotonics
quantum dots
semiconductor
microlasers
single photon sources
physics
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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