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Titelaufnahme

Titel
Deterministic Coupling of SiGe Quantum Dots to Photonic Crystal Structures / submitted by Magdalena Schatzl
VerfasserSchatzl, Magdalena
Begutachter / BegutachterinSchäffler, Friedrich ; Strasser, Gottfried
ErschienenLinz, Juli 2016
Umfangxvii, 165 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Univ., Dissertation, 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Silizium / Germanium / Photonik / Nanowissenschaften / Halbleiterphysik / Quantenpunkte / Photolumineszenz / Nanofabrikation / Photonische Kristalle / Resonatoren
Schlagwörter (EN)silicon / germanium / nanoscience / nanofabrication / semiconductor physics / quantum dots / photoluminescence / photonic crystal / photonic crystal cavities / photonics
Schlagwörter (GND)Silicium / Quantenpunkt / Germanium / Photonischer Kristall / Photolumineszenz
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-11209 Persistent Identifier (URN)
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Deterministic Coupling of SiGe Quantum Dots to Photonic Crystal Structures [44.68 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Im Bereich der Silizium-Photonik gibt es starke Bestrebungen dahingehend, die Daten-übertragung zwischen einzelnen Bauelementen, die derzeit über Kupferdrähte erfolgt, durch optische Lösungen zu ersetzen. Dies ist eine große Herausforderung, da Silizium durch seine indirekte Bandlücke eine ineffiziente Lichtquelle darstellt. Eine vielversprechender Ansatz, die Effizienz von silizium-basierten Lichtquellen zu erhöhen, ist das räumliche Einsperren von Ladungsträgern in sogenannten Silizium-Germanium Quantenpunkten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der gezielten Positionierung von Silizium-Germanium-basierten Quantenpunkten in photonischen Kristallen. Diese weisen die einzigartige Eigenschaft auf, die optische Umgebung - und damit die Spontane Emission von eingebauten Emittern - gezielt beeinflussen zu können. Zu diesem Zwecke verwenden wir ein mehrstufiges Elektronstrahllitographie Verfahren, um zuerst in einem Raster angeordnete Gruben in einem Silizium-auf-Isolator Substrat zu definieren. Während der anschließenden Molekularstrahlepitaxie nukleieren SiGe Quantenpunkte bevorzugt in diesen vordefinierten Gruben, wodurch perfektes Ordnen möglich wird. Mit dieser Wachstumsmethode lässt sich einerseits die Position der Quantenpunkte definieren, andererseits ist aber auch ihre Größe und chemische Zusammensetzung homogener als bei jenen Quantenpunkten, die sich während selbst-organisiertem Stranski-Krastanow Wachstum bilden. Im letzten Lithographie-Schritt wird der photonische Kristall bezüglich der Quantenpunkte so justiert, dass nach einem anschließenden Ätzschritt nur eine kontrollierte Anzahl von Quantenpunkten an vordefinierten Positionen verbleibt. Die photonischen Kristalle wurden mit Mikro-Photolumineszenz Experimenten charakterisiert, wobei eine deutlich erhöhte Emissionsintensität beobachtet wurde. Wir stellten außerdem fest, dass die Position der Emitter in Bezug auf das Feldmaximum der untersuchten Moden großen Einfluss auf die Erhöhung der spontanen Emission hat. Um dies weiter zu bestätigen, führten wir Experimente durch, bei denen die Position einzelner Quantenpunkte systematisch entlang einer Achse in nominell identischen L3 Resonatoren verschoben wurde und die Änderung der Photolumineszenz überprüft wurde. Dabei erhielten wir außerordentlich gute Übereinstimmung mit Ergebnissen aus Simulationen. Darüberhinaus wurden zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen durchgeführt. Bei niedrigen Anregungsleistungen beobachteten wir dabei einen Abfall, der mit nur einer Zeitkonstante beschrieben werden konnte. Dies ist ein erster Hinweis darauf, dass SiGe Quantenpunkte möglicherweise als Einzelphotonenquellen verwendet werden können.

Zusammenfassung (Englisch)

Silicon photonics has advanced to a major research field since it is believed that metallic wiring on a silicon chip could limit the increase in processing speed. Replacing on-chip interconnects by optical solutions is a great challenge because silicon is an indirect bandgap semiconductor. A possible route towards an efficient silicon-based light source is the spatial confinement of carriers in SiGe heterostructures. The presented work combines the unique ability of photonic crystal structures to systematically manipulate the photonic surroundings of emitters, and the ordered growth of SiGe quantum dots (QDs) to deterministically enhance their light emission at specific wavelengths. We used a three-layer electron beam lithography (EBL) procedure to precisely align SiGe quantum dots with respect to photonic crystal modes. For this purpose, a pit-pattern was etched into a silicon-on-insulator (SOI) substrate. During molecular beam epitaxy (MBE), SiGe quantum dots nucleate in the pre-defined pits. In addition to controlling their position also the homogeneity in size and chemical composition in ordered quantum dots is better defined than in self-assembled QDs grown by the Stranski-Krastanow growth mode. In the last lithography step the photonic crystal structures are aligned to the quantum dots via pre-defined markers such that after a final etching step just a controlled number of QDs remains at pre-defined positions in the PhC. Micro-photoluminescence studies showed significantly enhanced spontaneous emission even for a single quantum dot placed inside a photonic crystal cavity. Thereby, we found that, as predicted by the Purcell effect, the position of the emitter with respect to the electric field maxima of the cavity modes strongly influences its spontaneous emission enhancement. By systematically shifting the position of single quantum dots along a line through nominally equal L3 cavities we could map the local density of states of the individual cavity modes. A comparison with simulations shows excellent agreement with respect to predicted resonance wavelengths and position-dependent enhancement. Moreover, we conducted time-resolved photoluminescence measurements on single SiGe quantum dots placed inside different photonic crystal cavity types. Thereby, we observe a single-exponential decay behavior at low excitation powers which is a first indication of single photon emission of SiGe quantum dots.