Growth and characterization of InP/In0.48Ga0.52P quantum dots optimized for single-photon emission

Abstract

In dieser Forschungsarbeit wird das selbstorganisierte Wachstum von InP/InGaP-Quantenpunkten (QP) sowie ihre optischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Die QP wurden auf GaAsgitterangepasstem InGaP gewachsen.Selbstorganisierte InP-QP werden mittels Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie gewachsen, wobei die InP-Abscheidungsrate uber einen weiten Bereich variiert wird. Bei besonders geringer Wachstumsratevon rund 0,01 Atomlagen/s wird eine Flachendichte von 1 QP/μm2 erreicht. Die daraus resultierenden InP QP, konnen einzeln charakterisiert werden ohne vorher das Substrat lithografisch behandeln zu mussen. Sowohl exzitonische als auch biexzitonische Emission kann dabei an einzelnen QPn als Doublett mit einer Feinstrukturaufspaltung von 320μeV beobachtet warden. Hanbury-Brown-Twiss Korrelationsmessungen der exzitonischen Emission unter Dauerstrichanregung zeigen Antibunching mit einem Autokorrelationskoeffizienten von g(2)(0)=0.2. Dieses System liee sich beispielsweise als Einzelphotonenquelle in Anwendungsbereichen wie der Quantenkryptographie einsetzen. Daruber hinaus wird die Bildung wohlgeordneter Quantenpunktketten auf GaAs (001)-Substraten unter Ausnutzung einer selbstorganisierten InGaP-Oberflachenwellung demonstriert. Diese Anordnung basiert weder auf gestapelten Quantenpunktschichten noch einem intentionalen Substratschragschnitt. Die Strukturen warden mittels polarisationsabhangiger Photolumineszenzspektroskopie sowie Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Die Lumineszenz der InGaP-Matrix ist in eine kristallografische Richtung polarisiert, bedingt durch anisotrope Verspannung, welche ihrerseits aus der lateralen Variation der Materialzusammensetzung entsteht. Photolumineszenzmessungen der QP zeigen eine lineare Polarisation entlang [-110], der Richtung der Ketten. Der Polarisationsgrad liegt bei 66%. Diese optische Anisotropie wird direkt in einer Heterostruktur hervorgerufen, die lediglich eine Quantenpunktschicht beinhaltet.

In this work the growth of self-assembled InP/InGaP quantum dots, as well as their optical and structural properties are presented and discussed. The QDs were grown on InGaP, lattice matched to GaAs.Self-assembled InP quantum dots are grown using gas-source molecular beam epitaxy over a wide range of InP deposition rates, using an ultra-low growth rate of about 0.01 atomic monolayers/s, a quantum-dot density of 1 dot/μm2 is realized. The resulting isolated InP quantum dots are individually characterized without the need for lithographical patterning and masks on the substrate. Both excitionic and biexcitonic emissions are observed from single dots, appearing as doublets with a fine-structure splitting of 320 μeV. Hanbury Brown-Twiss correlation measurements for the excitonic emission under cw excitation show anti-bunching behavior with an autocorrelation value of g(2)(0)=0.2. This system is applicable as a single-photon source for applications such as quantum cryptography. The formation of well-ordered chains of InP quantum dots on GaAs (001) substrates by using self-organized InGaP surface undulations as a template is also demonstrated. The ordering requires neither stacked layers of quantum dots nor substrate misorientation. The structures are investigated by polarization-dependent photoluminescence together with transmission electron microscopy. Luminescence from the InGaP matrix is polarized in one crystallographic direction due to anisotropic strain arising from a lateral compositional modulation. The photoluminescence measurements show enhanced linear polarization in the alignment direction of quantum dots, [-110]. A polarization degree of 66% is observed. The optical anisotropy is achieved with a straightforward heterostructure, requiring only a single layer of QDs.