@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{Loeffler2008,
  author    = {L{\"o}ffler, Andreas},
  title     = {Selbstorganisiertes Wachstum von (Ga)InAs/GaAs-Quantenpunkten und Entwicklung von Mikroresonatoren h{\"o}chster G{\"u}te f{\"u}r Experimente zur starken Exziton-Photon-Kopplung},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-30323},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Als erster Schritt wurde der dreidimensionale optische Einschluss der Mikroresonatoren verbessert. Eine h{\"o}here G{\"u}te der Strukturen konnte vor allem durch Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses erzielt werden. Der {\"A}tzprozess der T{\"u}rmchen wurde so optimiert, um m{\"o}glichst glatte und senkrechte Seitenw{\"a}nde der Resonatoren zu erreichen. Dies reduziert Streu- und Beugungsverluste an den Seitenw{\"a}nden der Mikroresonatoren und verbessert deren optischen Einschluss. Des Weiteren wurde der epitaktische Schichtaufbau der Resonatoren sowie die Wachstumsparameter der einzelnen Halbleiterschichten optimiert. Somit konnte der Q-Faktor der Resonatoren zum Beispiel durch die Verwendung von Spiegeln mit einer h{\"o}heren Reflektivit{\"a}t und einem angepassten V/III-Verh{\"a}ltnis bei den verschiedenen Epitaxieschichten weiter erh{\"o}ht werden. F{\"u}r einen aktiven Mikroresonator mit 26 (30) Spiegelpaaren im oberen (unteren) DBR und einem Durchmesser von 4 µm wurden somit Rekordwerte f{\"u}r den Q-Faktor von ca. 90000 erreicht. Parallel hierzu wurden Analysen zum Wachstum von selbstorganisierten GaInAs-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten angestellt. Hierbei war sowohl die Entstehung der dreidimensionalen Wachstumsinseln als auch deren optische Eigenschaften Gegenstand der Untersuchungen. Die morphologischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde mittels Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert, womit die optischen Eigenschaften durch Photolumineszenz- und Photoreflexionsmessungen untersucht wurden. Die optischen und vor allem die geometrischen Eigenschaften der selbstorganisiert gewachsenen GaInAs-Quantenpunkte konnten entscheidend verbessert werden. Durch die Verwendung von einer gering verspannten Nukleationsschicht mit einem Indiumgehalt von 30 \% konnte die Fl{\"a}chendichte der Quantenpunkte auf 6 - 9 x 10^9 cm^-2 verringert und ihre geometrischen Abmessungen auf typische L{\"a}ngen von 50 - 100 nm und Breiten von ca. 30 nm erh{\"o}ht werden. Durch den reduzierten Indiumgehalt wird die Gitterfehlanpassung zwischen den Quantenpunkten und der umgebenden Matrix verkleinert. Die verringerte Verspannung beim Quantenpunktwachstum f{\"u}hrt zu einer erh{\"o}hten Migrationsl{\"a}nge der abgeschiedenen Atome auf der Oberfl{\"a}che, was wiederum zur Bildung von gr{\"o}ßeren Quantenpunkten mit geringerer Fl{\"a}chendichte f{\"u}hrt. Schließlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse {\"u}ber das MBE-Wachstum von Mikroresonatoren, ihre Prozessierung und das selbstorganisierte Inselwachstum von GaInAs auf GaAs als Basis f{\"u}r die Herstellung weiterer Proben verwendet. Es wurden nun beide Bereiche miteinander verkn{\"u}pft und gering verspannte GaInAs-Quantenpunkte in die Mikroresonatoren eingewachsen. Die hohen G{\"u}ten der realisierten Mikrokavit{\"a}ten in Kombination mit Quantenpunkten mit vergr{\"o}ßerten Abmessungen und geringen Dichten machen diese Strukturen zu idealen Kandidaten f{\"u}r die Grundlagenforschung im Bereich der Quantenelektrodynamik. Als H{\"o}hepunkt erm{\"o}glichten diese Strukturen zum ersten Mal den Nachweis einer starken Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in einem Halbleiter. F{\"u}r den Fall der gering verspannten vergr{\"o}ßerten Quantenpunkte im Regime der starken Kopplung konnte eine Vakuum-Rabi-Aufspaltung von ca. 140 µeV zwischen der Resonatormode und dem Quantenpunkt-Exziton beobachtet werden. Durch die verbesserten G{\"u}ten der Kavit{\"a}ten konnte das Regime der starken Wechselwirkung ebenfalls f{\"u}r kleinere Quantenpunkte erreicht werden. Eine Rabi-Aufspaltung von ca. 60 µeV wurde zum Beispiel f{\"u}r kreisrunde GaInAs-Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 \% und Durchmessern zwischen 20 und 25 nm gemessen. Das Regime der starken Kopplung erm{\"o}glicht es weiterhin, R{\"u}ckschl{\"u}sse auf die Oszillatorst{\"a}rke der eingewachsenen Quantenpunkte zu ziehen. So konnte zum Beispiel f{\"u}r die vergr{\"o}ßerten Quantenpunktstrukturen eine Oszillatorst{\"a}rke von ca. 40 - 50 abgesch{\"a}tzt werden. Dagegen weisen die leicht verkleinerten Quantenpunkte mit einem Indiumgehalt von 43 \% nur eine Oszillatorst{\"a}rke von ca. 15 - 20 auf. Des Weiteren wurden f{\"u}r einen sp{\"a}teren elektrischen Betrieb der Bauteile dotierte Mikroresonatoren hergestellt. Die hohen G{\"u}ten der dotierten T{\"u}rmchen erm{\"o}glichten ebenso die Beobachtung von klaren quantenelektrodynamischen Effekten im elektrischen Betrieb. Die untersuchten elektrisch gepumpten Mikroresonatoren mit kleinen GaInAs-Quantenpunkten in der aktiven Schicht operierten im Regime der schwachen Kopplung und zeigten einen deutlichen Purcell-Effekt mit einem Purcell-Faktor von ca. 10 im Resonanzfall. Durch den Einsatz von vergr{\"o}ßerten GaInAs-Quantenpunkten konnte ebenfalls im elektrischen Betrieb das Regime der starken Wechselwirkung mit einer Rabi-Aufspaltung von 85 µeV erreicht werden.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}