Growth and characterization of InAs quantum dots for a spin-photon interface device with electrostatically defined spin qubit

Höllinger, David; Kardynal, Beata; Bluhm, Hendrik

doi:44757

Growth and characterization of InAs quantum dots for a spin-photon interface device with electrostatically defined spin qubit

Höllinger, David^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von David Höllinger, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kardynal, Beata (Thesis advisor)^RWTH* ; Bluhm, Hendrik (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-09-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-08827
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1020180/files/1020180.pdf

Einrichtungen

Projekte

EXC 2004: Matter and Light for Quantum Computing (ML4Q) (390534769) (390534769)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit untersucht die Herstellung und Charakterisierung von optisch aktiven Quantenpunkten (OAQPs), deren Eigenschaften für die Implementierung in einem Quantenverstärker optimiert wurden. Quantenverstärker sind wesentliche Elemente für die Realisierung von Quantencomputern und Quantennetzwerken. Der Ansatz zur Entwicklung eines halbleiterbasierten Quantenverstärkers, der am Peter Grünberg Institut im Forschungszentrum Jülich verfolgt wird, basiert auf einer optischen Schnittstelle zwischen einem elektrischen Singlet-Triplet-Spin-Qubit und einem optisch aktiven InAs Quantenpunkt (QP) in einer GaAs/AlGaAs-Halbleiterstruktur. Halbleiterbasierte OAQPs sind nanoskalige Kristallstrukturen, die diskrete Energiezustände haben, die die Emission von Einzelphotonen durch die Rekombination von Quasiteilchen ermöglichen. Die Implementierung dieser InAs QPs in den Quantenverstärkers erfordert spezifische Eigenschaften dieser Lichtquelle, deren Erfüllung das Ziel dieser Arbeit war. Die Herstellung der InAs QPs erfolgte durch Molekularstrahlepitaxie, wobei die Tröpfchen-Epitaxie als das geeignetste Wachstumsverfahren zur Erfüllung der Anforderungen identifiziert wurde. Verschiedene Photolumineszenzmessungen bei niedrigen Temperaturen und morphologische Techniken wurden eingesetzt, um die QPs und die Benetzungsschicht zu charakterisieren. Erste Studien konzentrierten sich auf die Optimierung der Wachstumsparameter, was zu QP-Emissionswellenlängen im spezifizierten Bereich (850-865 nm) und einer niedrigen QP-Dichte ($\leq$ 10$\mathrm{^6 \mathrm{QPs/cm^2}}$) führte. Die Emissionswellenlänge der Benetzungsschicht wurde auf 834 nm minimiert, was teilweise die Anforderung zur Unterdrückung der Benetzungsschichtbildung während des Wachstums erfüllt. Wichtige Verbesserungen umfassten die Minimierung von Wachstumsunterbrechungen, die Optimierung des GaAs-Schichtwachstums zur QP Abdeckung und die Anpassung der abgelagerten Ga- und In-Mengen für den Tropfenwachstumsprozess.In den nachfolgenden Phasen dieser Arbeit wurde die Quanteneffizienz der QPs verbessert, indem ein neues optisches Labor eingerichtet und ein Bragg-Spiegel in die Probenstruktur integriert wurde. Diese Modifikationen führten zu einer gemessenen Quanteneffizienz von $\sim$1 %, wobei weitere Verbesserungen durch die Implementierung gezielter Lichtkopplungsstrukturen erwartet werden. Die optischen Eigenschaften einzelner InAs QPs wurden charakterisiert, wobei die unterschiedlichen QP-Zustände durch Photolumineszenzmessungen identifiziert wurden. Messungen der Feinstrukturaufspaltung (FSA) zeigten eine niedrige durchschnittliche FSA-Energie von $E_{\mathrm{FSA}} = \mathrm{13}\pm\mathrm{6}$ $\mathrm{\mu}$eV. Messungen der Korrelationsfunktion zweiter Ordnung $g^\mathrm{2}(\tau)$ unter kontinuierlicher Anregung zeigten einen hohen Grad an Einzelphotoneneigenschaften ($g^\mathrm{2}(0) =$ 0,00$\pm 0,01$) der QPs. Die in dieser Arbeit erzielten Fortschritte haben die Verwendung eines InAs QP als Einzelphotonenquelle in einem Kooperationsprojekt ermöglicht. In diesem Projekt wurde in einem Wellenlängenumwandlungsexperiment erfolgreich Photonen von 853 nm auf die Übergänge eines Yb$^{+}$ Ions (370 nm) umgewandelt, während ihre Einzelphotoneneigenschaften erhalten blieben. Zusammenfassend hat diese Arbeit die meisten der spezifizierten Eigenschaften an die InAs QPs erreicht und damit eine solide Grundlage für deren Implementierung in den angestrebten Quantenverstärkers geschaffen. Somit leistet diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zum Weg zur Realisierung von halbleiterbasierten Quantencomputern und Netzwerktechnologien.

This dissertation investigates the fabrication and characterization of optically active quantum dots (OAQDs) optimized for their integration into a quantum repeater, which is a crucial component for advancing quantum computing and networking technologies. The approach to developing a semiconductor-based quantum amplifier, pursued at the Peter Grünberg Institute in the Forschungszentrum Jülich, is based on an optical interface between an electrical singlet-triplet spin qubit and an optically active InAs quantum dot (QD) in a GaAs/AlGaAs semiconductor structure. OAQDs are nanoscale crystal structures with discrete energy states that facilitate the emission of single photons through the recombination of quasiparticles. The implementation of these light sources in the intended device requires specific properties, the fulfillment of which was the goal of this work. The fabrication of InAs QDs was achieved using molecular beam epitaxy, with droplet epitaxy identified as the most effective growth method. Various photoluminescence measurements at low temperatures and morphological techniques were employed to characterize the QDs and the wetting layer (WL). Initial studies focused on optimizing growth parameters, resulting in QD emission wavelengths within the specified range (850-865 nm) and low QD density ($\leq$ 10$\mathrm{^6 \mathrm{QDs/cm^2}}$). The emission wavelength of the wetting layer was minimized to 834 nm, which represents a partial fulfillment of the requirement to suppress WL formation during growth. Key enhancements included minimizing growth interruptions, optimizing the growth of the GaAs capping layer, and adjusting the deposited Ga and In amounts for the droplet growth step. Subsequent phases of this work aimed to improve the quantum efficiency of the QDs, involving the establishment of a new optical laboratory and adding a Bragg mirror in the sample structure. These modifications yielded a measured quantum efficiency of $\sim$1 %, with further improvements expected through the implementation of targeted light coupling structures. The optical properties of individual InAs QDs were characterized, revealing QD states through photoluminescence measurements. Fine structure splitting (FSS) measurements indicated a low average FSS energy of $E_{\mathrm{FSS}} = \mathrm{13}\pm\mathrm{6}$ $\mathrm{\mu}$eV, suggesting high QD symmetry. Measurements of the second-order correlation function $g^\mathrm{2}(\tau)$ under continuous excitation showed a high degree of single-photon characteristics ($g^\mathrm{2}(0) =$ 0.00$\pm 0.01$) for the QDs. The advancements achieved in this work have enabled the use of an InAs QD as a single-photon source in a collaborative wavelength conversion experiment, successfully converting photons from 853 nm to the transitions of a Yb$^{+}$ ion (370 nm) while preserving their single-photon characteristics. In summary, this work has achieved most of the specified properties of InAs QDs, thereby establishing a solid foundation for the implementation of these OAQDs in spin-photon interface devices. Thus, this work makes a significant contribution on the path to the realization of semiconductor-based quantum computers and networking technologies.

OpenAccess:
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