Formation and ordering of epitaxial quantum dots

Paola Atkinson; Oliver G. Schmidt; Stephen P. Bremner; David A. Ritchie

doi:10.1016/j.crhy.2008.10.014

Formation and ordering of epitaxial quantum dots
[Croissance et contrôle des boîtes quantiques épitaxiales]

Paola Atkinson ¹ ; Oliver G. Schmidt ² ; Stephen P. Bremner ³ ; David A. Ritchie ³

¹ Max Planck Institute for Solid State Research, Heisenbergstrasse 1, 70563 Stuttgart, Germany
² Institute for Integrative Nanosciences, IFW Dresden, Helmholtzstr. 20, 01069 Dresden, Germany
³ University of Cambridge, Cavendish Laboratory, JJ Thomson Avenue, Cambridge, CB3 0HE, UK

Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 788-803.

Résumé
Abstract

Les boîtes quantiques uniques présentent un grand intérêt potentiel comme brique de base des composants pour l'information quantique. Cependant, une des difficultés majeures dans la réalisation de ces composants, est le positionnement de la boîte à un endroit prédéterminé dans la structure du composant, par exemple au centre d'une cavité photonique. Dans cet article, nous présentons quelques travaux récents pour le contrôle de la croissance de boîtes InAs/GaAs sur des sites prédéterminés, lors de l'épitaxie par jets moléculaires. La méthode utilisée est la gravure ex-situ d'un substrat de GaAs par lithographie électronique, suivie de techniques de gravure sèche ou humide pour former des petits trous à la surface de GaAs, qui agissent comme site de nucléation pour les boîtes d'InAs. Cette méthode est facilement ajustable et peut être appliquée avec des structures-repère permettant un alignement lithographique après croissance des composants avec chaque site prédéterminé de boîte. Nous montrons qu'un bon contrôle des sites de croissance (sans nucléation de boîte entre les sites) est possible pour des matrices présentant un espacement entre sites jusqu'à 10 microns. Nous discutons du mécanisme de la croissance contrôlée sur site en fonction de la taille du motif, de la quantité d'indium déposéé, et des conditions de croissance.

Single quantum dots (QDs) have great potential as building blocks for quantum information processing devices. However, one of the major difficulties in the fabrication of such devices is the placement of a single dot at a pre-determined position in the device structure, for example, in the centre of a photonic cavity. In this article we review some recent investigations in the site-controlled growth of InAs QDs on GaAs by molecular beam epitaxy. The method we use is ex-situ patterning of the GaAs substrate by electron beam lithography and conventional wet or dry etching techniques to form shallow pits in the surface which then determine the nucleation site of an InAs dot. This method is easily scalable and can be incorporated with marker structures to enable simple post-growth lithographic alignment of devices to each site-controlled dot. We demonstrate good site-control for arrays with up to 10 micron spacing between patterned sites, with no dots nucleating between the sites. We discuss the mechanism and the effect of pattern size, InAs deposition amount and growth conditions on this site-control method. Finally we discuss the photoluminescence from these dots and highlight the remaining challenges for this technique.

Publié le : 2008-10-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2008.10.014

Keywords: Quantum dot, Molecular beam epitaxy
Mot clés : Boîte quantique, Épitaxie par jets moléculaires

Affiliations des auteurs :

Paola Atkinson ¹ ; Oliver G. Schmidt ² ; Stephen P. Bremner ³ ; David A. Ritchie ³

¹ Max Planck Institute for Solid State Research, Heisenbergstrasse 1, 70563 Stuttgart, Germany
² Institute for Integrative Nanosciences, IFW Dresden, Helmholtzstr. 20, 01069 Dresden, Germany
³ University of Cambridge, Cavendish Laboratory, JJ Thomson Avenue, Cambridge, CB3 0HE, UK

@article{CRPHYS_2008__9_8_788_0,
     author = {Paola Atkinson and Oliver G. Schmidt and Stephen P. Bremner and David A. Ritchie},
     title = {Formation and ordering of epitaxial quantum dots},
     journal = {Comptes Rendus. Physique},
     pages = {788--803},
     publisher = {Elsevier},
     volume = {9},
     number = {8},
     year = {2008},
     doi = {10.1016/j.crhy.2008.10.014},
     language = {en},
}

TY  - JOUR
AU  - Paola Atkinson
AU  - Oliver G. Schmidt
AU  - Stephen P. Bremner
AU  - David A. Ritchie
TI  - Formation and ordering of epitaxial quantum dots
JO  - Comptes Rendus. Physique
PY  - 2008
SP  - 788
EP  - 803
VL  - 9
IS  - 8
PB  - Elsevier
DO  - 10.1016/j.crhy.2008.10.014
LA  - en
ID  - CRPHYS_2008__9_8_788_0
ER  -

%0 Journal Article
%A Paola Atkinson
%A Oliver G. Schmidt
%A Stephen P. Bremner
%A David A. Ritchie
%T Formation and ordering of epitaxial quantum dots
%J Comptes Rendus. Physique
%D 2008
%P 788-803
%V 9
%N 8
%I Elsevier
%R 10.1016/j.crhy.2008.10.014
%G en
%F CRPHYS_2008__9_8_788_0

Paola Atkinson; Oliver G. Schmidt; Stephen P. Bremner; David A. Ritchie. Formation and ordering of epitaxial quantum dots. Comptes Rendus. Physique, Volume 9 (2008) no. 8, pp. 788-803. doi : 10.1016/j.crhy.2008.10.014. https://comptes-rendus.academie-sciences.fr/physique/articles/10.1016/j.crhy.2008.10.014/

Bibliographie
Cité par

[1] J.M. Gerard Topics Appl. Phys., 90 (2003), p. 269

[2] B. Lounis; M. Orrit Rep. Prog. Phys., 68 (2005), p. 1129

[3] A.J. Shields Nat. Photon., 1 (2007), p. 215

[4] Lateral Alignment of Epitaxial Quantum Dots (O.G. Schmidt, ed.), Springer, Berlin, 2007

[5] E.M. Purcell Phys. Rev., 69 (1946), p. 681

[6] K.H. Lee; A.M. Green; R.A. Taylor; D.N. Sharp; J. Scrimgeour; O.M. Roche; J.H. Na; A.F. Jarjour; A.J. Turberfield; F.S.F. Brossard; D.A. Williams; G.A.D. Briggs Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p. 193106

[7] K. Hennessy; A. Badolato; M. Winger; D. Gerace; M. Atatüre; S. Gulde; S. Fält; E.L. Hu; A. Imamoğlu Nature, 445 (2007), p. 896

[8] B.A. Joyce; D.D. Vvedensky Mater. Sci. Eng. Reports, 46 (2004), p. 127

[9] E. Placidi; F. Arciprete; M. Fanfoni; F. Patella; A. Balzarotti Self-assembled Quantum Dots (Z.M. Wang, ed.), Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, Springer, New York, 2008, p. 1

[10] D. Bimberg; M. Grundmann; N.N. Ledentsov, Quantum dot Heterostructures, John Wiley and Sons Ltd, Chichester, 1999

[11] F. Patella; F. Arciprete; M. Fanfoni; A. Balzarotti; E. Placidi Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p. 161903

[12] D. Leonard; K. Pond; P.M. Petroff Phys. Rev. B, 50 (1994), p. 11687

[13] R. Leon; T.J. Senden; Y. Kim; C. Jagadish; A. Clark Phys. Rev. Lett., 78 (1997), p. 4942

[14] E. Placidi; F. Arciprete; V. Sessi; M. Fanfoni; F. Patella; A. Balzarotti Appl. Phys. Lett., 86 (2005), p. 241913

[15] D. Bimberg; M. Grundmann; N.N. Ledentsov; S.S. Ruvimov; P. Werner; U. Richter; J. Heydenreich; V.M. Ustinov; P.S. Kop'ev; Zh.I. Alferov Thin Solid Films, 267 (1995), p. 32

[16] G.S. Solomon; S. Komarov; J.S. Harris J. Cryst. Growth, 201–202 (1999), p. 1190

[17] P.M. Lytvyn; V.V. Strelchuk; O.F. Kolomys; I.V. Prokopenko; M.Ya. Valakh; Yu.I. Mazur; Zh.M. Wang; G.J. Salamo; M. Hanke Appl. Phys. Lett., 91 (2007), p. 173118

[18] B. Alloing; C. Zinoni; V. Zwiller; L.H. Li; C. Monat; M. Gobet; G. Buchs; A. Fiore; E. Pelucchi; E. Kapon Appl. Phys. Lett., 86 (2005), p. 101908

[19] Y. Nakata; K. Mukai; M. Sugawara; K. Ohtsubo; H. Ishikawa; N. Yokoyama J. Cryst. Growth, 208 (2000), p. 93

[20] G. Costantini; A. Rastelli; C. Manzano; P. Acosta-Diaz; G. Katsaros; R. Songmuang; O.G. Schmidt; H.v. Känel; K. Kern J. Cryst. Growth, 278 (2005), p. 38

[21] M.C. Xu; Y. Temko; T. Suzuki; K. Jacobi J. Appl. Phys., 98 (2005), p. 083525

[22] S. Kiravittaya; A. Rastelli; O.G. Schmidt Appl. Phys. Lett., 87 (2005), p. 243112

[23] M.B. Ward; O.Z. Karimov; D.C. Unitt; Z.L. Yuan; P. See; D.G. Gevaux; A.J. Shields; P. Atkinson; D.A. Ritchie Appl. Phys. Lett., 86 (2005), p. 201111

[24] S. Anders; C.S. Kim; B. Klein; M.W. Keller; R.P. Mirin; A.G. Norman Phys. Rev. B, 66 (2002), p. 125309

[25] I. Mukhametzhanov; Z. Wei; R. Heitz; A. Madhukar Appl. Phys. Lett., 75 (1999), p. 85

[26] G.S. Solomon; J.A. Trezza; J.S. Harris Appl. Phys. Lett., 66 (1995), p. 991

[27] M. Kitamura; M. Nishioka; J. Oshinowo; Y. Arakawa Appl. Phys. Lett., 66 (1995), p. 3663

[28] H. Lee; J.A. Johnson; J.S. Speck; P.M. Petroff J. Vac. Sci. Technol. B, 18 (2000), p. 2193

[29] T.v. Lippen; R. Nötzel; G.J. Hamhuis; J.H. Wolter Appl. Phys. Lett., 85 (2004), p. 114

[30] D.S.L. Mui; D. Leonard; L.A. Coldren; P.M. Petroff Appl. Phys. Lett., 66 (1995), p. 1620

[31] R. Zhang; R. Tsui; K. Shiralagi; D. Convey; H. Goronkin Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 505

[32] M. Mehta; D. Reuter; A. Melnikov; A.D. Wieck; A. Remhof Appl. Phys. Lett., 91 (2007), p. 123108

[33] S. Kohmoto; H. Nakamura; T. Ishikawa; S. Nishikawa; T. Nishimura; K. Asakawa Mater. Sci. Eng. B, 88 (2002), p. 292

[34] H.Z. Song; T. Usuki; T. Ohshima; Y. Sakuma; M. Kawabe; Y. Okada; K. Takemoto; T. Miyazawa; S. Hirose; Y. Nakata; M. Takatsu; N. Yokoyama Nanoscale Res. Lett., 1 (2006), p. 160

[35] S. Jeppesen; M.S. Miller; B. Kowalski; I. Maximov; L. Samuelson Superlatt. Microstruct., 23 (1998), p. 1347

[36] Y. Nakamura; N. Ikeda; S. Ohkouchi; Y. Sugimoto; H. Nakamura; K. Asakawa Physica E, 21 (2004), p. 551

[37] S. Kiravittaya; H. Heidemeyer; O.G. Schmidt Physica E, 23 (2004), p. 253

[38] H. Heidemeyer; C. Müller; O.G. Schmidt J. Cryst. Growth, 261 (2004), p. 444

[39] P. Atkinson; M.B. Ward; S.P. Bremner; D. Anderson; T. Farrow; G.A.C. Jones; A.J. Shields; D.A. Ritchie Jpn. J. Appl. Phys., 45 (2006), p. 2519

[40] T. Sünner; C. Schneider; M. Strauß; A. Huggenberger; D. Wiener; S. Höfling; M. Kamp; A. Forchel Opt. Lett., 33 (2008), p. 1759

[41] S. Osakabe; S. Adachi Jpn. J. Appl. Phys., 36 (1997), p. 7119

[42] Z.R. Wasilewski; J.-M. Baribeau; M. Beaulieu; X. Wu; G.I. Sproule J. Vac. Sci. Technol. B, 22 (2004), p. 1534

[43] P. Atkinson, O.G. Schmidt, J. Cryst. Growth, in press, | DOI

[44] P. Atkinson; S. Kiravittaya; M. Benyoucef; A. Rastelli; O.G. Schmidt Appl. Phys. Lett., 93 (2008), p. 101908

[45] F. Proix; C.A. Sébenne; M. Cherchour; O. M'hamedi; J.P. Lacharme J. Appl. Phys., 64 (1998), p. 898

[46] E.J. Petit; F. Houzay J. Vac. Sci. Technol. B, 12 (1884), p. 547

[47] P. Tomkiewicz; A. Winkler; J. Szuber Appl. Surf. Sci., 252 (2006), p. 7647

[48] J.H. Lee; Zh.M. Wang; G.J. Salamo J. Appl. Phys., 100 (2006), p. 114330

[49] P. Atkinson; S.P. Bremner; D. Anderson; G.A.C. Jones; D.A. Ritchie Microel. J., 37 (2006), p. 1436

[50] S.I. Yi; P. Kruse; M. Hale; A.C. Kummel J. Chem. Phys., 114 (2001), p. 3215

[51] A. Khatiri; J.M. Ripalda; T.J. Krzyzewski; G.R. Bell; C.F. McConville; T.S. Jones Surf. Sci., 548 (2004), p. L1

[52] X.-Q. Shen; D. Kishimoto; T. Nishinaga Jpn. J. Appl. Phys., 33 (1994), p. 11

[53] K. Shiraishi; Y.Y. Suzuki; H. Kageshima; T. Ito Appl. Surf. Sci., 130–132 (1998), p. 431

[54] E.S. Tok; J.H. Neave; J. Zhang; B.A. Joyce; T.S. Jones Surf. Sci., 374 (1997), p. 397

[55] T. Ogura; T. Nishinaga J. Cryst. Growth, 211 (2000), p. 416

[56] M. Ozdemir; A. Zangwill J. Vac. Sci. Technol. A, 10 (1992), p. 684

[57] E. Kapon; E. Pelucchi; S. Watanabe; A. Malko; M.H. Baier; K. Leifer; B. Dwir; F. Michelini; M.-A. Dupertuis Physica E, 25 (2004), p. 288

[58] L. Wang; A. Rastelli; S. Kiravittaya; P. Atkinson; F. Ding; C.C. Bof Bufon; C. Hermannstädter; M. Witzany; G.J. Beirne; P. Michler; O.G. Schmidt New J. Phys., 10 (2008), p. 045010

[59] H.T. Dobbs; D.D. Vvedensky; A. Zangwill Appl. Surf. Sci., 123 (1998), p. 646

[60] P. Atkinson; M.B. Ward; S.P. Bremner; D. Anderson; T. Farrow; G.A.C. Jones; A.J. Shields; D.A. Ritchie Physica E, 32 (2006), p. 21

[61] P. Atkinson; S.P. Bremner; D. Anderson; G.A.C. Jones; D.A. Ritchie J. Vac. Sci. Technol. B, 24 (2006), p. 1523

[62] E. Knill; R. Laflamme; G.J. Milburn Nature, 409 (2001), p. 46

[63] C. Santori; D. Fattal; J. Vučković; G.S. Solomon; Y. Yamamoto Nature, 419 (2002), p. 594

[64] S. Rodt; A. Schliwa; K. Pötschke; F. Guffarth; D. Bimberg Phys. Rev. B, 71 (2005), p. 155325

[65] S. Fafard; C.Nì. Allen Appl. Phys. Lett., 75 (1999), p. 2374

[66] W.E. Spicer; Z. Liliental-Weber; E. Weber; N. Newman; T. Kendelewicz; R. Cao; C. McCants; P. Mahowald; K. Miyano; I. Lindau J. Vac. Sci. Technol. B, 6 (1988), p. 1245

[67] T.M. Burke; E.H. Linfield; D.A. Ritchie; M. Pepper; J.H. Burroughes J. Cryst. Growth, 175 (1997), p. 416

[68] M.G. Proietti; J. Garcia; J. Chaboy; F. Morier-Genoud; D. Martin J. Phys. Condens. Matter, 5 (1993), p. 1229

[69] O.E. Tereshchenko; S.I. Chikichev; A.S. Terekhov J. Vac. Sci. Technol. A, 17 (1999), p. 2655

[70] C.F. Wang; A. Badolato; I. Wilson-Rae; P.M. Petroff; E. Hu; J. Urayama; A. Imamoğlu Appl. Phys. Lett., 85 (2004), p. 3423

[71] Q. Xie; J.L. Brown; R.L. Jones; J.E. Van Nostrand; K.D. Leedy Appl. Phys. Lett., 76 (2000), p. 3082

[72] M.O. Lipinski; H. Schuler; O.G. Schmidt; K. Eberl; N.Y. Jin-Phillipp Appl. Phys. Lett., 77 (2000), p. 1789

[73] I. Mukhametzhanov; R. Heitz; J. Zeng; P. Chen; A. Madhukar Appl. Phys. Lett., 73 (1998), p. 1841

[74] S. Kiravittaya; A. Rastelli; O.G. Schmidt Appl. Phys. Lett., 88 (2006), p. 043112

Cité par Sources :

Commentaires - Politique