Nanostructures : élaboration, effets quantiques et magnétisme - Croissance MBE de dispositifs à base de boîtes quantiques

Equipe

Membre permanent : Paola Atkinson
Post-doc : Kimon Moratis

Les boîtes quantiques (BQ) auto-assemblées, qui sont constituées de quelques dizaines de milliers d’atomes, entourés par un matériau à bande interdite plus grande, sont des blocs de base attrayants pour les technologies quantiques car ils se comportent comme des « atomes artificiels » voir figure 1.

Figure 1 : Schéma (à gauche) des niveaux d’énergie d’une BQ et de l’occupation d’une BQ par des électrons (bleu) et trous (rouge) après excitation non-résonante (en dessus de l’énergie de bande interdite de la barrière). Les différents configurations correspondent à l’exciton neutre (X), l’exciton chargé (X- et X+) et au biexciton (X2). Spectre (à droite) de la photoluminescence à basse température d’une seule BQ GaAs/AlAs montrant l’émission de l’exciton neutre, et des excitons chargés à cause des dopants résiduels proche de la BQ. A l’intérieur: émission de l’exciton neutre pour deux polarisations orthogonale, montrant le splitting de la structrue fine de X à cause de l’anisotropie de forme du BQ.

Nous nous intéressons ici à la croissance de deux systèmes de boîtes quantiques différents et à leur intégration dans des diodes et cavités photoniques pour des expériences d’optique quantique :

plusieurs dizaines de nanomètres en diamètre), suivi par un remplissage par des couches fines de AlAs/GaAs/AlAs (voir figure 2). Ce système présente l’avantage que la densité, l’anisotropie des boîtes et leur longueur d’onde d’émission peuvent être contrôlées indépendamment, chaque propriété étant déterminée à un stade différent de la croissance, – dépôt de gouttelettes, gravure du substrat et remplissage de trous. En plus, l’inter-diffusion négligeable entre GaAs et AlAs et la différence minime entre les paramètres de maille de GaAs et AlAs [ ~0,15%) a comme résultat que ces boîtes quantiques sont pratiquement sans contrainte et que le potentiel de confinement peut être bien décrit par la forme des boîtes, ce qui simplifie la modélisation des états excitoniques.

Figure 2 : (a) Schéma montrant les étapes de la fabrication des boîtes quantiques GaAs/AlAs; (b) image par microscopie électronique en transmission d’une boîte quantique fabriquée par remplissage d’un nanotrou gravé in-situ avec une antenne plasmonique alignée au-dessus (inset: image AFM d’un nanotrou avant remplissage) [6]; (c) spectre de photoluminescence de l’ensemble des boîtes quantiques montrant que la longueur d’onde d’émission est bien contrôlée par l’épaisseur nominale de la couche de GaAs déposée au-dessus des trous; (d) schéma de la bande de conduction d’une diode n-i-schottky pour le contrôle de charge de l‘exciton, (e) spectre de la photoluminescence d’une boîte quantique d’une diode montrant le contrôle de l’état du charge de l‘exciton par le champ électrique appliqué [1].

boîtes quantiques InAs/GaAs « site-controlled » élaborées par le mode de croissance Stranski-Krastanov où nous utilisons le pré-modelage du substrat pour déterminer le site de nucléation initial des boîtes quantiques (voir figure 3). Ici, l’avantage est que nous pouvons créer des réseaux ordonnés de boîtes quantiques, permettant le positionnement précis des boîtes dans les cavités photoniques pour l’intégration sur puce des expériences d’optique quantique.

Figure 3 : (a) Schéma de la croissance des boîtes quantiques sur des substrats patternés ex-situ. (b) Image AFM d’un réseau ordonné de boîtes quantiques avec > 60% des trous occupés par une boîte unique. (c) Map de la photoluminescence d’un réseau ordonné de boîtes bicouches – l’émission provient des boîtes de la couche supérieure, à une distance de 22 nm de la surface patternée ex-situ [4]. (d) Mesure du temps de cohérence et (e) histogramme des largeusr spectrales de la raie d‘émission des boîtes quantiques avec position pré-determinée à 22nm de la surface patternée ex-situ. [4].

Collaboration

Richard Hostein, Benoît Eble, Valia Voliotis (équipe PMTeQ)

Publications récentes

S. Germanis, P. Atkinson, R. Hostein, F. Margaillan, V. Voliotis, B. Eble, Electrical control of optically pumped electron spin in a single GaAs/AlAs quantum dot fabricated by nanohole infilling, Physical Review B 102, 035406 (2020). https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02891496
S. Germanis, P. Atkinson, R. Hostein, C. Gourdon, V. Voliotis, A. Lemaitre, M. Bernard, F. Margaillan, S. Majrab, B. Eble, Dark-bright exciton coupling in asymmetric quantum dots, Physical Review B 98, 155303 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01902613
M. Pfeiffer, P. Atkinson, A. Rastelli, O. G. Schmidt, H. Giessen, M. Lippitz and K. Lindfors, Coupling a single solid-state quantum emitter to an array of resonant plasmonic antennas, Scientific Reports, 8 3415 (2018) https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01727540v1
K. D. Jöns, P. Atkinson, M. Müller, M. Heldmaier, S. M. Ulrich, O. G. Schmidt and P. Michler, Triggered Indistinguishable Single Photons with Narrow Line Widths from Site-Controlled Quantum Dots Nano Letters 13, 126 (2013) http://dx.doi.org/10.1021/nl303668z
P. Atkinson, E. Zallo and O. G. Schmidt, Independent wavelength and density control of uniform GaAs/AlGaAs quantum dots grown by infilling self-assembled nanoholes, J. Appl. Phys. 112, 054303 (2012) http://dx.doi.org/10.1063/1.4748183
M. Pfeiffer, K. Lindfors, H. Y. Zhang, B. Fenk, F. Phillipp, P. Atkinson, A. Rastelli, O. G. Schmidt, H. Giessen and M. Lippitz, Eleven Nanometer Alignment Precision of a Plasmonic Nanoantenna with a Self-Assembled GaAs Quantum Dot, Nano Letters 14, 197 (2014) https://arxiv.org/abs/1801.03448

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