Advanced single-photon sources based on innovative semiconductor nanostructures

Abstract

Semiconductor quantum dots (QDs) are ideal candidates for producing single photon and entangled photon emitters, which are vital components in quantum information and computing applications. In this thesis, in view of developing practical QD-based single photon emitters, operating at non-cryogenic temperatures with enhanced characteristics, we have focused mainly on self-assembled InAs/GaAs QDs grown on (211)B GaAs substrates. This QD system has all the benefits of standard (100) GaAs QDs, with the additional characteristic of a large piezoelectric field along the growth axis. This piezoelectric field generates large exciton-biexciton splittings, making the system particularly suitable for high temperature single-photon applications. In our case, to achieve high temperature operation, the InAs/GaAs QDs were incorporated in between GaAs/AlAs short-period superlattices. The resulting strong confinement of the carriers inside the dots, drastically improved the temperature stability of the photoluminescence and allowed for single-photon emission at the elevated temperature of 230K, a temperature easily supported by a thermoelectric cooler. Furthermore, the biexciton and trion lines of these strongly-confined InAs QDs were found redshifted with respect to the exciton line, which was attributed to confinement-induced correlation effects, representing an attractive mechanism to tailor the transition energies of a single semiconductor QD by appropriate band-gap engineering of the surrounding barriers. Finally, an alternative way to make high-efficiency nano-emitters is the utilization of the plasmonic effect. Here, the interaction between a semiconductor nanowire emitter and a gold surface is experimentally studied as a function of relative distance. A strong enhancement of the photoluminescence intensity (up to a factor of 40) is observed when the nanowire is lying directly on the metal surface, accompanied by a strong reduction of the carrier recombination lifetime by a factor of 2, that we interpret as due to interaction between the nanowire emitter and surface plasmons.

Οι ημιαγωγικές κβαντικές τελείες (QDs) είναι ιδανικοί υποψήφιοι για την παραγωγή εκπομπών μονήρων και εναγκαλισμένων φωτονίων, οι οποίοι είναι στοιχεία ζωτικής σημασίας για εφαρμογές της κβαντικής πληροφορίας και κβαντικού υπολογισμού. Σε αυτή την εργασία, με βλέψη την ανάπτυξη πρακτικών συσκευών που βασίζονται μονοφωτονικές πηγές κβαντικών τελειών οι οποίες λειτουργούν σε μη κρυογονικές θερμοκρασίες με ενισχυμένα χαρακτηριστικά, έχουμε επικεντρωθεί κυρίως σε αυτοδημιουργούμενες InAs/GaAs κβαντικές τελείες πάνω σε (211)Β υποστρώματα. Αυτό το σύστημα κβαντικών τελειών έχει όλα τα οφέλη των (100) GaAs κβαντικών τελειών, με επιπρόσθετο χαρακτηριστικό το μεγάλο πιεζοηλεκτρικό πεδίο κατα τον άξονα της ανάπτυξης. Αυτό το πιεζοηλεκτρικό πεδίο είναι ικανό να δημιουργήσει μεγάλη διαφορά ενέργειας μεταξύ εξιτονίου και διεξιτονίου καθιστώντας το σύστημα ιδιαίτερα κατάλληλο για εφαρμογές μονήρων φωτονίων σε υψηλές θερμοκρασίες. Στην περίπτωσή μας, για να επιτύχουμε λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες, οι InAs/GaAs κβαντικές τελείες τοποθετηθήκανε ενδιάμεσα από GaAs/AlAs μικρής περιόδου υπερπλέγματα (SSLs). Ο προκείμενος ισχυρός περιορισμός των φορέων μέσα στο δυναμικό της τελείας βελτίωσε δραστικά την θερμοκρασιακή σταθερότητα της φωτοφωταύγειας με αποτέλεσμα την μονοφωτονική εκπομπή στην υψηλή θερμοκρασία των 230K, η οποία υποστηρίζεται εύκολα από ένα θερμοηλεκτρικό ψυγείο. Επιπρόσθετα οι πολυεξιτονικές γραμμές από τις ισχυρά περιορισμένες InAs κβαντικές τελείες βρέθηκαν να είναι κουνημένες σε υψηλότερες ενέργειες σε σχέση με την εξιτονική εκπομπή, το οποίο αποδίδεται σε φαινόμενα συσχέτισης μεταξύ των φορέων λόγω του μεγάλου περιορισμού που νιώθουν οι τελείες, κάτι το οποίο είναι ενδιαφέρον σαν μηχανισμός για την διαμόρφωση των ενεργειών εκπομπής μιας κβαντικής τελείας μέσω της κατάλληλης διαμορφωσης της ζωνης χάσματος των γειτονικών φραγμών δυναμικού. Τέλος, ένας εναλλακτικός τρόπος για να φτιαχτούν υψηλής απόδοσης νανο-εκπομποί είναι η χρήση του πλασμονικού φαινομένου. Εδώ, εξετάζεται πειραματικά η αλληλεπίδραση μεταξύ ενός ημιαγωγικού νανοκαλωδίου και μιας επιφάνειας χρυσού σαν συνάρτηση της μεταξύ τους απόστασης. Παρατηρήθηκε μία ενίσχυση (40 φορές) της έντασης της φωτοφωταύγειας όταν τα νανοκαλώδια βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια του χρυσού καθώς και μία ισχυρή ελάττωση του χρόνου επανασύνδεσης των φορέων κατα δύο φορές, κάτι που αποδίδεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ του νανοκαλωδίου και των επιφανειακών πλασμονίων.