Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de photonique et d'électronique quantiques IPEQ (Groupe Fiore GR-FI)

Growth and characterization of single quantum dot devices for fiber-based quantum communications

Alloing, Blandine ; Fiore, Andrea (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3698.

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    Summary
    Single photon sources have recently attracted significant interest for their potential role in the future applications of quantum cryptography, and in the longer term, quantum computing. Among the different types of single photon emitters, semiconductor quantum dots (QDs) are good candidates as they combine discrete electronic transitions with the possibility of electrical excitation. Self-assembled InAs QDs on GaAs substrate are by far the most studied system as they can easily be grown into a microcavity structure. Embedding these into a microcavity is important as it increases the extraction efficiency, directionality and speeds up the photon emission. Until now, most studies have concentrated on QDs emitting in the λ <1000 nm range. However fiber-based quantum communication applications require an emission wavelength in the 1300 or 1550 nm transmission window where optical losses of silica fiber are minimal. Hence, the purpose of this study is to realize a single photon source from self-assembled InAs/GaAs QDs emitting at 1300 nm. This poses difficulties associated first with the QD epitaxial growth as large and sparse InAs QDs are required, and second with the single photon Detection as single photon detection system in the near-infrared presents a poor quantum efficiency and signal to noise ratio. The first part of this thesis is devoted to optimizing the QD growth. A low area QD density is required in order to obtain the isolation of a single QD. Moreover, the QD size must be large enough to obtain emission wavelengths around 1300 nm at low temperatures (10K), i.e. 1400nm at room temperature. We present here the optimization of a growth procedure that allowed the fabrication of low-density QDs (2·µm-2) emitting at the predicted wavelengths and showing a very good size homogeneity. In addition, we show comparative studies on the optical characteristics of these low-density QDs with higher density QDs. These show that the low area density does not imply a reduction of the carrier capture efficiency of the QDs. The second part of this thesis concentrates on the spectroscopy of single QDs under optical and electrical pumping. By careful optimization of the detection system, single QD emission has been demonstrated. Single photon emission at 1300 nm was also proven by means of an anti-correlation experiment. Preliminary results of low-density QDs inserted into three-dimensional microcavities such as a micropillar and a photonic crystal structures are also presented. Further experiments are under way. Finally, the fabrication and characterization of single QD light emitting diodes (LED) are detailed. Electrical injection poses additional problems, notably in term of device processing and carrier diffusion. Different designs of LED structures have been tested. The results are discussed. Finally, electroluminescence emission from a single QD under electrical injection is reported.
    Zusammenfassung
    Ein-Photonen-Quellen sind seit einigen Jahren ein hochaktives Forschungsfeld. Verantwortlich hierfür sind ihre potentiellen Anwendungen in der Quantenkryptographie sowie, eher langfristig, in Quanten-Rechnern. Unter den verschiedenen Typen von Ein-Photonen-Quellen sind insbesondere Halbleiter-Quantenpunkte besonders vielversprechende Kandidaten, da sie diskrete elektronische Übergänge mit direkter elektrischer Anregbarkeit verbinden. Das mit Abstand meist-untersuchte System im Bereich der Halbleiter-Quantenpunkte wiederum sind InAs-Quantenpunkte auf GaAs-Substrat, da hier eine einfache Integration in optische Mikrokavitäten möglich ist. Für die Anwendung ist das ein wichtiger Punkt, da auf diese Weise eine grössere Photonenausbeute, eine verbesserte Direktionalität sowie eine Beschleunigung der Ausstrahlung erreicht wird. Die Mehrzahl der Studien über Ein-Photonen-Quellen auf Basis von Quantenpunkten beschränkt sich bis heute auf solche mit Emissions-Wellenlängen unter 1000nm. Eine Anwendung in der Glasfaser-gestützten Telekommunikation erfordert aber Wellenlängen nahe 1300 nm bzw. 1550 nm, da die Absorptionsverluste in den üblichen Silika-Fasern hier minimal sind. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Ein-Photonen-Quelle mit InAs-Quantenpunkten auf GaAs zu realisieren, die Licht bei einer Wellenlänge von 1300 nm ausstrahlt. Die Herausforderungen liegen dabei zum einen in der Epitaxie: die Quantenpunkte müssen gross sein, dürfen aber nur mit geringer Flächendichte aufgebracht werden. Die zweite Schwierigkeit ist die Einzel-Photonen-Detektion, da im nahen Infrarot auf Detektorsysteme mit geringer Quanteneffizienz und verstärktem Rauschen ausgewichen werden muss. Der erste Teil der vorliegenden Dissertation behandelt die Epitaxie. Die hergestellten Quantenpunkte müssen von grossem Volumen sein, um eine hohe Emississions-Wellenlänge zu erreichen. Gleichzeitig müssen die Abstände zwischen den Quantenpunkte gross sein, um die spätere Isolierung zu erleichtern. Durch eine Optimierung der Prozessparameter konnte die Herstellung von Quantenpunkten von niedriger Dichte (2·µm-2) und der geforderten Emissionswellenlänge (um 1300 nm bei einer Temperatur von 10 K) sowie einer sehr guten Grössen-Homogenität erreicht werden. Darüber hinaus wurden diese Proben hinsichtlich ihrer optischen Charakteristika im Vergleich zu Quantenpunkten höherer Dichte untersucht. So konnte gezeigt werden, dass die niedrige Dichte keinen negativen Einfluss auf die Effizienz des Einfangs von Ladungsträgern in die Quantenpunkte hat. Im zweiten Teil geht es um die spektroskopischen Eigenschaften der Quantenpunkte unter optischer sowie elektrischer Anregung. Die niedrige Dichte und ein optimiertes Detektionssystem ermöglichten die spektroskopische Untersuchung einzelner Quantenpunkte, was anhand der Spektren gezeigt werden konnte. Mithilfe eines Anti-Korrelations-Experimentes konnte ausserdem nachgewiesen werden, dass es sich hierbei um die Emission einzelner Photonen handelt. Zusätzlich präsentieren wir erste Messungen von einzelnen Quantenpunkten, die in eine dreidimensionale Mikrokavität eingebettet wurden. Abschliessend werden die Fabrikation und Charakterisierung von Lichtemittierenden Dioden (LED) auf Basis einzelner Quantenpunkte präsentiert. Die elektrische Anregung stellt zusätzliche Anforderungen besonders an die Prozessierung und in bezug auf die Ladungsträger-Diffusion. Verschiedene Designs der LED-Strukturen wurden realisiert, die Resultate und Etappen werden diskutiert. Die Elektrolumineszenz einzelner Quantenpunkte unter elektrischer Anregung konnte schliesslich beobachtet werden.
    Résumé
    L'intérêt pour les sources à photons uniques a récemment fortement augmenté en vue de leurs futures applications dans les domaines de la cryptographie quantique et de l'ordinateur quantique à plus long terme. Parmi les différents types d'émetteurs à photons uniques, les boîtes quantiques (BQs) à semiconducteurs sont un candidat intéressant car elles possèdent des niveaux électroniques discrets. De plus l'injection électrique dans les BQs est possible. Les BQs auto-organisées InAs sur substrat de GaAs en particulier, sont de loin le système le plus étudié car elles peuvent être facilement incorporées dans une microcavité. Un environnement en microcavité augmente l'efficacité d'extraction, la directionalité et l'émission spontanée de photons. Jusqu'à maintenant, la plupart des études se sont concentrées sur les boîtes quantiques émettant dans le domaine des longueurs d'ondes inférieures à 1000nm. Pourtant, les longueurs d'ondes correspondant au minimum d'atténuation dans les fibres optiques en silice se situent autour de 1300 et 1550 nm. Ce sont donc les longueurs d'onde requises pour une application dans les communications quantiques transmises par fibres optiques. Le but de cette étude est ainsi de réaliser une source à photons uniques à partir de boîtes quantiques InAs/GaAs auto-organisées émettant à 1300 nm. Ceci pose des difficultés liées d'abord à la croissance des BQs (cela nécessite en effet des BQs larges et diluées) et également à la détection de photons uniques (les systèmes de détection de photons uniques pour le proche infrarouge présentent en effet une faible efficacité quantique et un faible rapport signal sur bruit.) La première partie de cette thèse est consacrée à l'optimisation de croissance des BQs. Une faible densité de surface des BQs est nécessaire pour faciliter l'isolation d'une BQ unique à l'intérieur d'un dispositif. De plus, la taille de ces BQs doit être suffisamment grande pour que leur longueur d'onde d'émission atteigne 1300 nm à basse température (10 K) c'est-à-dire 1400nm à température ambiante. Nous avons mis au point une procédure de croissance qui permet de fabriquer des BQs à faible densité (2·µm-2), émettant à la longueur d'onde souhaitée et présentant une très bonne homogénéité en taille. Des études comparatives sur les propiétés optiques des BQs à différentes densités de surface ont également été menées et ont montré qu'une très faible densité de BQs n'impliquait pas forcément une plus faible efficacité de capture des porteurs dans les BQs. La deuxième partie de cette thèse se concentre sur la spectroscopie de BQs uniques sous excitation optique et électrique. Par une optimisation soignée du système de détection, l'émission d'une boîte quantique unique a pu être observée, la preuve de l'émission de photons uniques étant apportée par les expériences d'anticorrélation. Des résultats préliminaires sur les BQs dans des microcavités tridimensionnelles comme les micropiliers ou les cristaux photoniques sont également présentés. Des études plus approfondies sont en cours. La fabrication et la caractérisation de diodes luminescentes à BQs uniques sont finalement abordées. L'injection électrique pose des problèmes supplémentaires relatifs notamment au processus de fabrication des dispositifs et à la diffusion des porteurs. Différents designs de structures ont été testés et les résultats sont discutés. Des mesures d'électroluminescence sur BQs uniques ont finalement été réalisées.