Einzel-Photonenemitter auf der Basis von CdSe/ZnSe Einzel-Quantenpunkt-Leuchtdioden bei Raumtemperatur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden Einzelphotonquellen auf Basis selbstorganisierter CdSe/ZnSSe/MgS-Quantenpunkte hergestellt. Dieses Material hat sich als äußerst attraktiv erwiesen, um bis in den Raumtemperaturbereich Einzelphotonemission zu realisieren. Während der Projektlaufzeit wurden dabei von uns mehrfach Rekorde in Bezug auf die Höhe der Betriebstemperatur aufgestellt. So konnte die erste optisch gepumpte Einzelphotonquelle bei Raumtemperatur auf Basis epitaktisch gewachsener Quantenpunkte realisiert werden und die erste elektrisch gepumpte Einzelphotonquelle auf Halbleiterbasis bei 200 K. Grundlage für diese außergewöhnlichen Eigenschaften der Materialbasis sind Quantenpunkte, bei denen das elektrische Confinement durch zusätzliche Barriereschichten aus ZnSSe/MgS erhöht war, ohne dass dadurch ein elektrischer Betrieb verhindert wurde. Derartige Quantenpunkte haben daher für zukünftige Projekte ein großes Anwendungspotential. Bei der Bauelementkonzeption auf Basis dieser Quantenpunkte sind aber auch zwei inhärente Nachteile zu berücksichtigen. Zum einen ist das die wachstumsbedingte hohe Quantenpunktdichte, zum anderen die Linienverbreiterung bei Raumtemperatur durch die ausgeprägte Exziton-Phonon-Wechselwirkung im CdZnSe-System. Hierdurch wird eine effektive Selektion einzelner Quantenpunkte notwendig. Bei optischer Anregung stößt man hier trotz der Verwendung von Nanoaperturen an Grenzen: Zwar lässt sich die Zahl sichtbarer Einzellinien stark reduzieren, aber ein spektraler Überlapp zwischen einzelnen Linien bei Raumtemperatur behindert den Nachweis von Einzelphotonen. Bei günstiger Lage der Einzellinien war es dennoch möglich, Einzelphotonemission bei Raumtemperatur mit einem bemerkenswert guten Wert von g(t=0)(2) = 0.16 bereits aus den Rohdaten zu extrahieren. Für das Projektziel einer elektrisch gepumpten Einzelphotonquelle waren diese Schwierigkeiten allerdings nachrangig. Hier war es möglich, durch ein geschicktes Kontaktdesign mit stark verkleinerten Kontaktflächen die aus den Aperturen ausgekoppelte Quantenpunktlumineszenz nahezu auf den Beitrag eines Einzelquantenpunktes zu reduzieren. Sowohl exzitonische als auch biexzitonische Rekombination wird sichtbar, wobei die exzitonische Linie noch bis zu T = 200 K verfolgt werden konnte. An diesen Bauteilen konnten wir elektrisch getriebene Einzelphotonemission bei einer Rekordtemperatur von 200 K nachweisen, also einer Temperatur, die bereits von Peltierkühlungen erreicht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Room temperature emission from CdSe/ZnSSe/MgS single quantum dots", Applied Physics Letters 90, 101114 (2007)
R. Arians, T. Kümmell, G. Bacher, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel
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"Superradiance of quantum dots", Nature Physics 3, 106 (2007)
M. Scheibner, T. Schmidt, L. Worschech, A. Forchel, G. Bacher, T. Passow, D. Hommel
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"Electrically driven single quantum dot emitter operating at room temperature", Appl. Phys. Lett. 93, 173506 (2008)
R. Arians, A. Gust, T. Kümmell, C. Kruse, S. Zaitsev, G. Bacher, D. Hommel
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"Room temperature emission from CdSe single quantum dots embedded in high bandgap barrier material" Physica E 40, 1938 (2008)
R. Arians, T. Kümmell, G. Bacher, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel
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"Optical properties of epitaxially grown wide bandgap single quantum dots" P. Michler (Hrsg), Single Semiconductor Quantum Dots, Series: Nanoscience and Technology, Springer, 2009, ISBN: 978-3-540-87445-4
G. Bacher, T. Kümmell
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“Radiative recombination in photoexcited quantum dots up to room temperature: The role of fine structure effects”, Phys. Rev. B 81, 241306(R) (2010)
T. Kümmell, S. Zaitsev, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, G. Bacher
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„Electroluminescence from a Single Self-Assembled CdSe Quantum Dot” , AIP Conf. Proc. 1199, 521 (2010)
Robert Arians, Tilmar Kuemmell, Arne Gust, Carsten Kruse, Detlef Hommel, and Gerd Bacher
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“Room temperature single photon emission from an epitaxially grown quantum dot”, Appl. Phys. Lett. 100, 061114 (2012)
O. Fedorych, C. Kruse, A. Ruban, D. Hommel, G. Bacher, and T. Kümmell
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"Electrically driven single photon emission from a CdSe/ZnSSe/MgS semiconductor quantum dot" Phys. Status Solidi C 11, No.7-8, 1256-1259 (2014)
W. Quitsch, T. Kümmell, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, and G. Bacher
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Electrically driven single photon emission from a CdSe/ZnSSe single quantum dot at 200K" Applied Physics Letters 105, 091102 (2014)
W. Quitsch, T. Kümmell, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, and G. Bacher
