Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4396
Main Title: Realisierung einer elektrisch betriebenen Einzelphotonenquelle mit verspannungsinduziert platzierten Quantenpunkten
Translated Title: Realization of an electrically driven single photon source based on strain-induced site-controlled quantum dots
Author(s): Unrau, Waldemar
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Referee(s): Bimberg, Dieter
Christen, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Zielsetzung der vorliegende 3D Beckenmodellierungsstudie ist ein besseres Verständnis der Kohlenwasserstoffsysteme der Südwestlichen Barentssee. Dies beinhaltet eine Beschreibung der generierten Mengen an Kohlenwasserstoffen, deren Migration und Akkumulation sowie die Abschätzung des Verlusts aus potentiellen Reservoiren im Verlauf der Evolution des Sedimentbeckens. Hierzu wurde zunächst ein Modell für das Gebiet des Hammerfest Sedimentbeckens erstellt, welches drei Muttergesteine beinhaltet: die Oberjurassische Hekkingen Formation, sowie die Triassische Snadd und Kobbe Formation. Die höchste Reife dieser Muttergesteine wurde für den westlichen und nordwestlichen Beckenrand vorhergesagt. Das Modell ist somit in der Lage die Kohlenwasserstoffe und deren Verteilung für schon bekannte Felder und Ressourcen zufriedenstellend zu reproduzieren. Basierend auf diesem Model konnte gezeigt werden, dass in dem Untersuchungsgebiet im Wesentlichen zwei Phasen der Re-migration die rezente Verteilung zur Folge hatten; die Umverteilung des Öls während des Oligozäns-Miozäns und ein Verlust der Gasphase während des Pliozäns-Pleistozäns in Zusammenhang mit den glazial-interglazialen Zyklen. Hierbei gelangten mindestens 0.247 Gt thermogenes Gas aus der Hauptlagerstätte an die Sedimentoberfläche. Die Quantenkommunikation ist eine zukunftsweisende Technologie des 21. Jahrhunderts. Basierend auf einem fundamentalen Prinzip, dem No-Cloning- Theorem, verspricht sie eine absolut abhörsichere Kommunikation auch innerhalb bestehender optischer Netzwerke. Immer mehr Forschungsgruppen und zunehmend auch kommerzielle Anbieter arbeiten an der Entwicklung von Einzelphotonenquellen zur Erzeugung von Qubits, der Informationseinheit in der Quantenkommunikation. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von quantenpunktbasierten Einzelphotonenquellen im AlGaAs/GaAs- Materialsystem. Zwei Forschungsziele standen im Vordergrund: Die Steigerung der Auskoppeleffizienz und die Realisierung einer elektrisch betriebenen Einzelphotonenquelle mit einem vorpositionierten Quantenpunkt. Grundlegend hierzu war eine Weiterentwicklung der Technologiebasis, neues Layout des Bauelements und der Einsatz einer auf der Finiten-Differenzen-Methode basierten Simulationssoftware. Die Steigerung der Auskoppeleffizienz gelang durch die Einbettung des Emitters in einen Resonator. Der Einfluss wurde anhand einer systematischen Veränderung der Resonatorgüte studiert. Die Quantenemitter konnten gepulst bis zu einer Frequenz von 1GHz betrieben werden. Die durchgeführten Simulationsrechnungen zur adiabatischen Auskopplung der Emission mittels niedrigbrechender oxidierter Schichten sagen eine Steigerung der Auskoppeleffizienz und der spektralen Breite der Auskopplung gegenüber einer Resonant Cavity LED voraus. Der Einsatz von vorpositionierten Quantenpunkten auf einem invasiv nanostrukturierten Substrat in einer pin-Diodenstruktur konnte erstmalig erfolgreich umgesetzt werden. Ein weiteres, neuartiges Positionierungsverfahren wurde im Rahmen dieser Arbeit mitentwickelt und zum ersten Mal in einem elektrisch betriebenen Bauelement erfolgreich eingesetzt. Das Verfahren kommt ohne Beschädigung der Oberfläche aus und verbindet damit die Vorteile der Vorpositionierung mit den hervorragenden Eigenschaften selbstorganisiert gewachsener Quantenpunkte. Die Vermessung mittels hochauflösender μEL-Spektroskopie und HBT-Interferometrie ergaben Linienbreiten der Quantenpunktemission bis 25 μeV und ein Antibunching der Autokorrelationsfunktion 2. Ordnung von g(2)(0) = 0,05. Diese Werte sind vergleichbar mit den besten Resultaten selbstorganisiert gewachsener Quantenpunkte. Das neue Positionierungsverfahren wäre eine Möglichkeit, zukünftig kostengünstige Quantenemitter hoher Güte in der Massenproduktion herzustellen.
The ultimate security of a communication channel can only be provided by using quantum cryptography and quantum information units - qubits. Qubits are quantum-mechanical two-state systems and due to a fundamental principle - the no-cloning theorem - in general cannot be copied. Single polarized photons may be used as qubits. The development of a light source with nonclassical photon statistics succeeded in 1974, 14 years after the first laser emission. The first integrated and electrically driven single photon emitter was presented in 2001. The photon source was an InAs quantum dot embedded in a GaAs-based PIN diode structure. Reliable, fast and integrated single photon emitters are only at the beginning of their development. The presented work adds a further element to the results of global research in the area of quantum dot-based single-photon emission in AlGaAs/GaAs material system. Two core objectives were aimed as the main fields of research: the enhancement of the outcoupling efficiency and the realization of an electrically driven single photon source with a site-controlled quantum dot. Vital development of the processing technology, new device layout and implementation of a finite-difference time-domain simulation software were basic prerequisites. The enhancement of outcoupling efficiency was achieved by embedding the emitter in a resonant cavity. The influence was studied by a systematic change of the resonator quality factor. The device could be driven at pumping rates up to 1 GHz. Simulations of adiabatic expansion of the light field into oxidized low refractive index layers predict an even higher extraction efficiency and enhanced spectral width of the extraction compared with RCLED design. In this work, the positioning of quantum dots on a invasive nanostructured substrate was successfully implemented in a PIN diode structure. A different, novel method for site-controlled quantum dot growth was co-developed and successfully implemented in an electrically driven device for the first time. Strain is generated by buried oxidized apertures on the growth surface, these strain anomalies serve as nucleation sites for the subsequent quantum dot growth. The process does not damage the surface and thus combines the advantages of site-control with excellent features of self-organized quantum dots. High resolution μEL spectroscopy and HBT interferometry revealed line widths of the quantum dot emission up to 25 μeV and antibunching of the second order autocorrelation function to g(2)(0) = 0.05. These results are comparable with the best values for self-organized quantum dots. In the future, the new site-control technique would allow mass production of cost efficient high quality quantum emitters.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64791
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4693
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4396
Exam Date: 10-Mar-2015
Issue Date: 14-Apr-2015
Date Available: 14-Apr-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Einzelphotonenemitter
Einzelphotonenquellen
Optoelektronik
Positionskontrolle
Quantenkryptographie
Quantenpunkte
Optoelectronics
Quantum cryptography
Quantum dots
Single photon sources
Site control
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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