Analysis of structural and electronic properties of InAsP/InP(001) quantum dots : towards an efficient single photon source at telecommunication wavelength
Analyse des propriétés structurales et électroniques des boîtes quantiques InAs(P)/InP(001): vers la réalisation d'une source de photons uniques efficace aux longueurs d'onde des télécommunications
Résumé
We have studied the growth and the properties of InAsP/InP(001) quantum dots made by metal-organic vapor phase epitaxy for the realization of 1.55 µm single photon sources. Two complementary approaches, by scanning tunneling microscopy and transmission electron microscopy, have been investigated. On one hand, the study of cleaved quantum dots by scanning tunneling microscopy and spectroscopy, under ultra-high vacuum and at 4K, shows that these nanostructures exhibit up to 12 discretes localized states. Due to the tall height of the cleaved quantum dot, some excited states present a node in the growth direction. Simulation based on finite element method demonstrate that a parabolic potential is relevant to describe the lateral confinement of quantum dots. Tip-induced band bending effects are also studied in cleaved quantum dots, evidencing the contribution of hole states to the tunneling current. On the other hand, the structural properties of self-assembled quantum dots, studied by transmission electron microscopy, are correlated to the growth parameters. The influence of V-elements precursors on the quantum dot density, as well as the exchanges between the quantum dots and the wetting layer, are analyzed. The selective area growth of site-controlled quantum dots in nano-openings whose diameter is smaller than 100 nm is also investigated, in order to obtain a good and reproducible spatial coupling between a quantum dot and an optical microcavity. We show that the quantum dot formation does not rely on the Stranski-Krastanov growth mode, which may allow to control independently the height, the lateral size and the composition of the quantum dots.
Nous avons étudié la croissance et les caractéristiques de boîtes quantiques InAs(P)/InP(001) fabriquées par épitaxie en phase vapeur aux organo-métalliques, avec pour objectif la réalisation d'une source de photons uniques à 1.55 µm. D'une part, l'étude des boîtes quantiques clivées par microscopie et spectroscopie à effet tunnel, sous ultra-vide à T=4K, montrent que ces nanostructures présentent jusqu'à 12 niveaux électroniques discrets. En raison de la grande hauteur des boîtes quantiques, certains niveaux présentent un nœud dans la direction de croissance. Des simulations par éléments finis montrent la pertinence d'un potentiel parabolique pour décrire le confinement latéral des boîtes quantiques. Les effets de courbures de bandes sont détaillés, mettant en évidence la contribution des niveaux de trous au courant tunnel. D'autre part, les propriétés structurales des boîtes quantiques auto-assemblées, étudiées en microscopie électronique en transmission, sont corrélées aux conditions de croissance. L'impact des précurseurs d'éléments V sur la densité de boîtes quantiques et les échanges entre les boîtes quantiques et la couche de mouillage, sont analysés. La croissance sélective de boîtes localisées dans des nano-ouvertures de diamètre inférieur à 100 nm a également été mise en œuvre afin d'obtenir un couplage spatial déterministe entre une boîte quantique et une microcavité optique. Nous montrons que la formation de boîtes quantiques par croissance sélective n'est pas régie par le mode de croissance Stranski-Krastanov, ce qui permet d'envisager de nouvelles possibilités quant au contrôle de la hauteur, de la taille latérale et de la composition des boîtes quantiques.
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