@phdthesis{Huggenberger2012,
  author    = {Huggenberger, Alexander},
  title     = {Optimierung von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten zur Integration in Halbleiter-Mikroresonatoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-78031},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Diese Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Herstellung von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten zur Integration in Halbleiter-Mikroresonatoren. Dazu wurden systematisch die optischen Eigenschaften - insbesondere die Linienbreite und die Feinstrukturaufspaltung der Emission einzelner Quantenpunkte - optimiert. Diese Optimierung erfolgt im Hinblick auf die Verwendung der Quantenpunkte in Lichtquellen zur Realisierung einer Daten{\"u}bertragung, die durch Quantenkryptographie abh{\"o}rsicher verschl{\"u}sselt wird. Ein gekoppeltes Halbleitersystem aus einem Mikroresonator und einem Quantenpunkt kann zur Herstellung von Einzelphotonenquellen oder Quellen verschr{\"a}nkter Photonen verwendet werden. In dieser Arbeit konnten positionierte Quantenpunkte skalierbar in Halbleiter-Mikroresonatoren integriert werden. In(Ga)As-Quantenpunkte auf GaAs sind ein h{\"a}ufig untersuchtes System und k{\"o}nnen heutzutage mit hoher Kristallqualit{\"a}t durch Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Um die Emission der Quantenpunkte gerichtet erfolgen zu lassen und die Auskoppeleffizienz der Bauteile zu erh{\"o}hen, wurden Mikros{\"a}ulenresonatoren oder photonische Kristallresonatoren eingesetzt. Die Integration in diese Resonatoren erfolgt durch Ausrichtung an Referenzstrukturen, wodurch dieses Verfahren skalierbar. Die Strukturierung der Substrate f{\"u}r die Herstellung von positionierten Quantenpunkten wurde durch optische Lithographie und Elektronenstrahllithographie in Kombination mit unterschiedlichen {\"A}tztechniken erreicht. F{\"u}r den praktischen Einsatz solcher Strukturen wurde ein Kontaktierungsschema f{\"u}r den elektrischen Betrieb entwickelt. Zur Verbesserung der optischen Eigenschaften der positionierten Quantenpunkte wurde ein Wachstumsschema verwendet, das aus einer optisch nicht aktiven In(Ga)As-Schicht und einer optisch aktiven Quantenpunktschicht besteht. F{\"u}r die Integration einzelner Quantenpunkte in Halbleiter-Mikroresonatoren wurden positionierte Quantenpunkte auf einem quadratischen Gitter mit einer Periode von 200 nm bis zu 10 mum realisiert. Eine wichtige Kenngr{\"o}ße der Emission einzelner Quantenpunkte ist deren Linienbreite. Bei positionierten Quantenpunkten ist diese h{\"a}ufig aufgrund spektraler Diffusion gr{\"o}ßer als bei selbstorganisierten Quantenpunkten. Im Verlauf dieser Arbeit wurden unterschiedliche Ans{\"a}tze und Strategien zur {\"U}berwindung dieses Effekts verfolgt. Dabei konnte ein minimaler Wert von 25 mueV f{\"u}r die Linienbreite eines positionierten Quantenpunktes auf einem quadratischen Gitter mit einer Periode von 2 μm erzielt werden. Die statistische Auswertung vieler Quantenpunktlinien ergab eine mittlere Linienbreite von 133 mueV. Die beiden Ergebnisse zeugen davon, dass diese Quantenpunkte eine hohe optische Qualit{\"a}t besitzen. Die FSS der Emission eines Quantenpunktes sollte f{\"u}r die direkte Erzeugung polarisationsverschr{\"a}nkter Photonen m{\"o}glichst klein sein. Deswegen wurden unterschiedliche Ans{\"a}tze diskutiert, um die FSS einer m{\"o}glichst großen Zahl von Quantenpunkten systematisch zu reduzieren. Die FSS der Emission von positionierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf (100)-orientiertem Galliumarsenid konnte auf einen minimalen Wert von 9.8 mueV optimiert werden. Ein anderes Konzept zur Herstellung positionierter Quantenpunkte stellt das Wachstum von InAs in ge{\"a}tzten, invertierten Pyramiden in (111)-GaAs dar In (111)- und (211)-In(Ga)As sollte aufgrund der speziellen Symmetrie des Kristalls bzw. der piezoelektrischen Felder die FSS verschwinden. Mit Hilfe von Quantenpunkten auf solchen Hochindex-Substraten konnten FSS von weniger als 5 mueV gemessen werden. Bis zu einem gewissen Grad kann die Emission einzelner Quantenpunkte durch laterale elektrische Felder beeinflusst werden. Besonders die beobachtete Reduzierung der FSS positionierter In(Ga)As-Quantenpunkte auf (100)-orientiertem GaAs von ca. 25 mueV auf 15 mueV durch ein laterales, elektrisches Feld ist viel versprechend f{\"u}r den k{\"u}nftigen Einsatz solcher Quantenpunkte in Quellen f{\"u}r verschr{\"a}nkte Photonen. Durch die Messung der Korrelationsfunktion wurde die zeitliche Korrelation der Emission von Exziton und Biexziton nachgewiesen und das Grundprinzip zum Nachweis eines polarisationsverschr{\"a}nkten Zustandes gezeigt. In Zusammenarbeit mit der Universit{\"a}t Tokyo wurde ein Konzept entwickelt, mit dem k{\"u}nftig Einzelquantenpunktlaser skalierbar durch Kopplung positionierter Quantenpunkte und photonischer Kristallkavit{\"a}ten hergestellt werden k{\"o}nnen. Weiterhin konnte mit Hilfe eines elektrisch kontaktierten Mikros{\"a}ulenresonators bei spektraler Resonanz von Quantenpunktemission und Kavit{\"a}tsmode eine Steigerung der spontanen Emission nachgewiesen werden. Dieses System ließ sich bei geeigneten Anregungsbedingungen auch als Einzelphotonenquelle betreiben, was durch den experimentell bestimmten Wert der Autokorrelationsfunktion f{\"u}r verschwindende Zeitdifferenzen nachgewiesen wurde.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Heindel2013,
  author    = {Heindel, Tobias},
  title     = {Elektrisch gepumpte Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen f{\"u}r die Quantenkommunikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105778},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Als erste kommerziell verf{\"u}gbare Technologie der Quanteninformation erm{\"o}glicht die Quanten-Schl{\"u}sselverteilung eine sichere Daten{\"u}bertragung indem einzelne Photonen oder quantenmechanisch verschr{\"a}nkte Photonenpaare zur Erzeugung eines Schl{\"u}ssels verwendet werden. Die hierf{\"u}r ben{\"o}tigten nicht-klassischen Photonen-Zust{\"a}nde k{\"o}nnen durch Halbleiter-Quantenpunkte erzeugt werden. Im Gegensatz zu anderen Quanten-Emittern wie isolierten Atomen, organischen Molek{\"u}len oder Fehlstellen in Diamantnanokristallen bieten diese zudem den Vorteil, direkt in komplexe Halbleiter-Mikrostrukturen integriert werden zu k{\"o}nnen. Quantenpunkte sind somit pr{\"a}destiniert f{\"u}r die Entwicklung neuartiger optoelektronischer Bauelemente auf einer skalierbaren Technologieplattform. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit die Eigenschaften elektrisch gepumpter Quantenpunkt-Mikrostrukturen untersucht. Als optisch aktives Medium dienen dabei selbstorganisierte InAs/GaAs-Quantenpunkte. Die Zielsetzung ist die Erzeugung nicht-klassischen Lichts f{\"u}r Anwendungen in der Quantenkommunikation, wobei ein besonderer Fokus auf dem elektrischen Betrieb der entsprechenden Quantenlichtquellen liegt. Dabei werden sowohl ausgepr{\"a}gte Resonatoreffekte im Regime der schwachen Licht-Materie-Wechselwirkung ausgenutzt, um helle Einzelphotonenquellen zu realisieren, als auch die Eigenschaften korrelierter Photonenpaare zweier spektral separierter Quantenpunkt-Zust{\"a}nde analysiert. Als Untersuchungsmethode wird in erster Linie die spektral und zeitlich hochaufl{\"o}sende Mikro-Lumineszenz-Spektroskopie bei kryogenen Temperaturen eingesetzt. Zudem erfolgen Experimente zur Photonenstatistik anhand von Messungen der Auto- sowie Kreuzkorrelationsfunktion zweiter Ordnung. Wie im Folgenden aufgef{\"u}hrt, gelingt dabei der Bogenschlag von grundlegenden Untersuchungen an Quantenpunkt-Mikrostrukturen bis hin zur erstmaligen Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in realistischen Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung außerhalb einer gesch{\"u}tzten Laborumgebung. Elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen: F{\"u}r die Erzeugung elektrisch getriggerter, einzelner Photonen wurden Quantenpunkte in Mikroresonatoren eingebettet. Diese basieren auf dotierten, zylindrischen Fabry-P{\´e}rot Mikros{\"a}ulenresonatoren, deren Design bez{\"u}glich der Photonen-Auskoppeleffizienz optimiert wurde. […] Anhand von Messungen zur Photonenstatistik konnte f{\"u}r diese spektral resonant gekoppelten Quantenpunkt-Mikroresonatorsysteme sowohl unter kontinuierlicher- als auch unter gepulst-elektrischer Anregung Einzelphotonen-Emission nachgewiesen werden. […] Anhand einer eingehenden Analyse der Emissionsraten sowie der elektrischen Injektionseffizienzen bei Anregungs-Repetitionsraten von bis zu 220 MHz konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Mikroresonatoren zudem als {\"a}ußerst effiziente, elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen eingesetzt werden k{\"o}nnen. Sowohl bez{\"u}glich der Einzelphotonen-Emissionsraten von bis zu (47,0+/-6,9) MHz als auch der Gesamteffizienz der Bauteile bis hin zu (34+/-7) \% konnten dabei Rekordwerte erzielt werden. Korrelierte Photonenpaare elektrisch gepumpter Quantenpunkte: […] Quanten-Schl{\"u}sselverteilung mit elektrisch getriggerten Einzelphotonenquellen: Ausgehend von den grundlegenden Untersuchungen dieser Arbeit, erfolgte die erstmalige Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung. Basierend auf den eingehend analysierten Quantenpunkt-Mikroresonatoren, wurden dabei zwei Experimente in Freistrahloptik mit unterschiedlichen {\"U}bertragungsdistanzen durchgef{\"u}hrt. In beiden F{\"a}llen wurde ein BB84-Protokoll nachgeahmt, indem auf die einzelnen Photonen eine feststehende Abfolge von vier unterschiedlichen Polarisationszust{\"a}nden aufmoduliert wurde. Das erste Experiment, durchgef{\"u}hrt im Labormaßstab in W{\"u}rzburg, basierte auf einem Quantenkanal mit einer L{\"a}nge von etwa 40 cm und arbeitete bei einer Taktrate von 183 MHz. Die h{\"o}chste dabei erzielte ausgesiebte Schl{\"u}sselrate (engl. sifted-key rate) betrug 35,4 kbit/s bei einem Quanten-Bitfehlerverh{\"a}ltnis (QBER) von 3,8 \%. Der Einzelphotonen-Charakter der Emission innerhalb des Quantenkanals konnte jeweils eindeutig nachgewiesen werden […]. Das zweite Experiment zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung wurde mittels zweier Teleskope {\"u}ber eine Distanz von 500 m in der M{\"u}nchner Innenstadt zwischen den D{\"a}chern zweier Geb{\"a}ude der Ludwig-Maximilians-Universit{\"a}t realisiert. […] Bei einer Taktrate von 125 MHz konnte mit diesem System im Einzelphotonen-Regime eine maximale sifted-key rate von 11,6 kbit/s bei einem QBER von 6,2 \% erzielt werden. Diese erstmalige Implementierung elektrisch betriebener, nicht-klassischer Lichtquellen in Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung stellt einen wichtigen Schritt hinsichtlich der Realisierung effizienter und praktikabler Systeme f{\"u}r die Quantenkommunikation dar.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}