Source de photons uniques à température ambiante utilisant des nanofils semi-conducteurs à boîtes quantiques pour la photonique intégrée

Room temperature single-photon source based on semiconductor quantum-dot nanowire for integrated photonics

• Auteur / Autrice : Saransh Raj Gosain
• Direction : Kuntheak Kheng, Edith Amalric
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Photonique, électronique et ingénierie quantiques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Baron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valia Voliotis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Chauvin, Vincent Sallet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Électronique -- Matériaux

Points quantiques

Mots clés libres

Source de photons

Semi-Conducteurs II-VI

Croissance nanofils

Single Photon source

II-VI semiconductor

Nanowire growth

Résumé

Les qubits basés sur des photons uniques sont prometteurs pour des applications telles que l'informatique quantique, la métrologie quantique et la communication quantique où ils peuvent être utilisés comme qubits volants. Cependant, les défis rencontrés dans les technologies basées sur un seul photon sont l'extraction efficace de la lumière, l'évolutivité et l'opérabilité à haute température. Les points quantiques CdSe (QD) se sont révélés prometteurs pour l'émission de photons uniques jusqu'à des températures ambiantes dans le domaine visible (∼550 nm), utiles pour la communication en espace libre. Pour résoudre les problèmes d'extraction de lumière et d'évolutivité, nous proposons un système dans lequel un QD CdSe est intégré dans un nanofil conique en ZnSe (NW), réalisé par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE). Une forme NW conique est ciblée pour extraire efficacement la lumière du QD-NW dans l'espace libre. De plus, ce système QD-NW est une unité unique qui peut être récupérée et transférée d'un substrat à un autre. Dans cette thèse, des simulations numériques par la méthode des éléments finis ont d'abord été réalisées pour optimiser la forme et la taille de nos QD-NW pour une collecte efficace de la lumière le long de l'axe NW. Ensuite, cette forme QD-NW optimisée est réalisée avec MBE. Les conditions de croissance du MBE sont étudiées et optimisées pour contrôler la croissance radiale et axiale des NW, cultivés sous un mécanisme de croissance vapeur-solide-solide catalysé par des nanoparticules d'or. La croissance de QD-NWs CdSe-ZnSe reproductibles et orientés verticalement (diamètre QD ~ 6 nm, hauteur ~ 4 nm) avec une coquille de Zn (Mg) Se conique est obtenue. Ensuite, les propriétés d'émission de ces QD-NW sont étudiées de la cryogénie à la température ambiante avec une excitation continue et impulsionnelle. Il est montré que même lorsque l'émission de photons uniques est confirmée avec des mesures d'anti-groupage sous excitation continue, cela ne confirme pas si l'émetteur émettra des photons uniques à la demande. Pour les QD-NW où les paramètres de croissance MBE ont été optimisés, l'émission d'un seul photon est obtenue jusqu'à la température ambiante. Enfin, les perspectives de couplage évanescent de QD-NW aux guides d'ondes en nitrure de silicium pour des applications photoniques intégrées sont discutées.

Single-photons based qubits are promising for applications such as in quantum computing, quantum metrology, and quantum communication where they can be used as flying-qubits. However, challenges faced in single-photon-based technologies are efficient light extraction, scalability and high temperature operability. CdSe quantum dots (QD) have shown promise for single-photon emission up to room temperatures in the visible range (∼550 nm), useful for free-space communication. To tackle light extraction and scalability issues, we propose a system where a CdSe QD is embedded in a ZnSe tapered nanowire (NW), realized with Molecular beam epitaxy (MBE). A tapered NW shape is targeted to efficiently extract light from the QD-NW in free-space. Moreover, this QD-NW system is a single unit that can be picked up and transferred from one substrate to another. In this thesis, first, finite-element-method numerical simulations were performed to optimize the shape and size of our QD-NWs for efficient light collection along the NW axis. Then this optimized QD-NW shape is realized with MBE. The MBE growth conditions are studied and optimized to control the radial and axial growth of the NWs, grown under gold-nanoparticle catalysed vapor-solid-solid growth mechanism. Growth of reproducible and vertically oriented CdSe-ZnSe QD-NWs (QD diameter ~6 nm, height ~4 nm) with a tapered Zn(Mg)Se shell is achieved. Then, the emission properties of these QD-NWs are studied from cryogenic to room temperatures with continuous and pulse excitation. It is shown that even when single-photon emission is confirmed with anti-bunching measurements under continuous excitation, it does not confirm if the emitter will emit single-photons on-demand. For QD-NWs where MBE growth parameters were optimized, single-photon emission is achieved up to room temperatures. Finally, prospects for evanescent coupling of QD-NW to silicon nitride waveguides for integrated photonics applications are discussed.