Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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Elaboration et Physique des Structures épitaxiées > Boîtes quantiques (QD)
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QD

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Objectives

  • Investigate and understand the growth mechanisms and the structural properties of III-V self-assembled quantum dots (QDs) elaborated by MOVPE and MBE
  • Develop new approaches for precise QD positioning
  • Extend the range of QD applications in photonics, quantum optics and telecommunications



LPN has a long experience and a strong expertise in the growth of self-assembled quantum dots (QDs). We make use of two growth techniques, molecular beam epitaxy (MBE) and metal-organic chemical vapor epitaxy (MOVPE). These complementary approaches have been very useful to understand the mechanisms governing the formation of the QDs and their structural properties. We extensively investigated two systems, namely In(Ga)As QDs in a GaAs matrix and InAs(P) QDs in an InP matrix. The former benefits from twenty-five years of research carried out worldwide since its discovery in our former CNET Bagneux laboratory. It is widely used for fundamental studies as well as for applications. More recently, we developed the growth of the second system by MOVPE. We investigated the relevant growth mechanisms in great details and achieved a deep understanding of the mechanisms governing the formation of the QDs and their structural properties. This was a key step in the development of a new technique for initiating QD nucleation at pre-determined positions, which appears very promising, particularly for coupling deterministically a single QD to a 2D photonic crystal cavity mode. The present research action is driven by the ELPHYSE group, in close collaboration with several other LPN groups (PEQ, GOSS, PHYNANO, PHODEV) as well as national and international partners.


Highlights

  • Thermodynamic analysis of the formation and anisotropy of MOVPE-grown InAs(P)/InP(001) QDs
  • Extension of the emission wavelength of MOVPE InAs(P)/InP QDs to the 1.5-2 µm range
  • Site-controlled growth of InAs(P) QDs on InP (MOVPE)
  • Insertion of self-assembled and localized QDs in planar and 2D photonic crystal cavities (MBE and MOVPE)
  • STM analysis of InAs/GaAs and InAs/InP QDs
  • Tunnel injection structures based on InGaAsN quantum wells for high-modulation-rate QD lasers (MBE)
  • Emission at 1.55 µm by single InAs QDs grown on a metamorphic InGaAs substrate by MBE Mn doping of InAs QDs (MBE)


BQ BQ
Fig. 1: STEM HAADF image of an embedded InAsP/InP QD.


Collaborations

  • IEF, Orsay
  • A. de Rossi, D. Dolfi and coll., Thales Research and Technology, Palaiseau
  • P. Lalanne and coll., LCFIO, IOGS, Palaiseau
  • C. Testelin, M. Chamarro, R. Grousson, V. Voliotis, INSP, Paris
  • X. Marie and coll., LPCNO, INSA Toulouse
  • J.-M. Gérard, A. Auffèves, J. P. Poizat, CENG and Institut Néel, Grenoble
  • Wrocław University of Technology, Poland
  • UMPhy CNRS-Thales, Palaiseau
  • Tyndall National Institute, Cork, Ireland
  • The University of Sheffield, UK
  • IEMN, Lille
  • The University of Edinburgh, UK
  • Alcatel-Thales III-V lab


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Puce Membres

Contacts

 Gogneau Noelle  (+33) 1 69 63 61 75  
 Sagnes Isabelle  (+33) 1 69 63 61 71  
 Lemaitre Aristide  (+33) 1 69 63 60 72  

Et aussi...

 Gomez Carmen  (+33) 1 69 63 60 66  
 Beaudoin Gregoire  (+33) 1 69 63 62 45  
 Travers Laurent  (+33) 1 69 63 60 65  
 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Largeau Ludovic  (+33) 1 69 63 61 74  
 Mauguin Olivia  (+33) 1 69 63 61 07  

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Puce Brevets

  • Sources et capteurs de lumière comprenant au moins une microcavité à mode Tamm plasmonique localisé (International Application N°: PCT/FR1003/881), P. Senellart, A. Lemaitre, S. Michaelis de Vasconcellos, O. Gazzano, J. Bellessa, O. Daniel, FR 1003/881 , (2010-09-30)
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Puce Publications

Publications dans des journaux
Publications dans des livres
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      QD-CQED : A quantum dot in a cavity: A solid state platform for quantum operations

      Référence de contrat : ERC starting grant 277885
      Coordinateur, Partenaire(s) : P. Senellart (LPN ),
      Principaux objectifs : Le projet QD-CQED a pour objectif d’implémenter des opérations quantiques élémentaires à l’aide de boîtes quantiques semiconductrices dans des microcavités optiques. A l’aide de sources de photons uniques et paires de photons intriquées ultra-brillantes, nous souhaitons démontrer la téléportation quantique et l’échange d’intrication. En ajoutant un porteur dans les boites quantiques, nous voulons obtenir l’intrication spin-photon et nous diriger vers l’intrication de deux spins à distances. (2011-2016)

      PROPHET : Postgraduate Research on Photonics as an Enabling Technology

      Référence de contrat : Program: FP7 - The People Programme - Initial Training Networks
      Responsable(s) LPN : Abderrahim Ramdane, Anthony Martinez
      Principaux objectifs : Dispositifs à base de boîtes quantiques pour applications en télécommunications et capteurs (2011-2015)

      ILNACS : Nanostructures of Compound Semiconductors (Growth, properties, devices)

      Référence de contrat : Laboratoire International Associé (LIA) CNRS - Université de Montpellier - INSA Toulouse / Académie des Sciences de Russie - Fondation Russe pour la Recherche Fondamentale
      Responsable(s) LPN : Frank Glas
      Principaux objectifs : Coordonner et développer les collaborations scientifiques entre les laboratoires du CNRS et les laboratoires et instituts de l'académie des sciences russe basés à Saint-Petersbourg dans le domaine de la croissance et de l'étude des propriétés physiques des nanostructures de semiconducteurs composés, et des composants basés sur ces structures.
      En cours de renouvellement pour 2014-2017 (2010-2013)

      COPERNICUS : Compact OTDM / WDM Optical Receivers based on Photonic Crystal Integrated Circuits

      Référence de contrat : FP7-ICT-2009.3.8b
      Responsable(s) LPN : Fabrice Raineri, Rama Raj
      Principaux objectifs : COPERNICUS targets advances in the physics, technology, modelling, and integration of photonic crystal devices. Key devices include high-speed all-optical gates, low-crosstalk wavelength drop filters, and high-speed integrated photodetectors. These devices rely on very strong light-matter interactions arising from the large, ultrafast nonlinear optical response of III-V semiconductors and the strong resonant field enhancement in photonic crystals. This is ideal for filters and all-optical gates, enabling a dramatic reduction in size and switching energy. Their switching energy*delay product is two orders of magnitude smaller than that of competing technologies. Modelling will consider carrier plasma (spectral and spatial) contributions to the nonlinear optical response and develop a robust optical, thermal and electronic design tool for photonic crystal devices. New levels of photonic crystal integration will be pursued to combine these devices and achieve complex all-optical functions attractive to both medium- and long-term markets. (2010-2012)

      ZODIAC : Zero Order Dimension based Industrial components Applied to telecommunications

      Référence de contrat : NMP 2004-IST-NMP-3
      Responsable(s) LPN : Abderrahim Ramdane, Anthony Martinez
      Principaux objectifs : Développement de lasers à modulation directe et d’amplificateurs optiques à base de boîtes quantiques InAs/GaAs et InAs/InP pour des applications en télécommunication optiques. (2005-2008)

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    Puce Réseaux Internationaux

      SANDIE : Self-Assembled semiconductor Nanostructures for new Devices in photonics and Electronics

      Référence de contrat : Programme: FP6 – NMP- Network of Excellence
      Coordinateur, Partenaire(s) : M. Grundman (Universite de Leipzig ),
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaitre, Abderrahim Ramdane
      Principaux objectifs : Nanostructures auto-organisées pour les nouveaux composants en électronique et photonique (2004-2008)

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    Puce ANR non thématiques

      EXTREME : EXciTation REsonnante de boîtes quantiques seMiconductrices pour la génération d’états non classiques de la lumièrE

      Référence de contrat : ANR Blanc
      Coordinateur, Partenaire(s) : V. Voliotis (INSP ),
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaitre
      Principaux objectifs : EXciTation REsonnante de boîtes quantiques seMiconductrices pour la génération d’états non classiques de la lumièrE (2011-2014)

      TELDOT : Lasers à Boîtes Quantiques pour Applications en Télécommunication

      Référence de contrat : ANR VERSO
      Responsable(s) LPN : Abderrahim Ramdane, Anthony Martinez
      Principaux objectifs : Développement de lasers à blocage de mode à base de boîtes quantiques (BQs) présentant un faible bruit pour la génération de peigne de fréquence à 1,3 µm et 1,55 µm et compatible avec la modulation directe à 10 Gb/s. Développement de lasers à blocage de mode à base de BQs émettant à 1,55 µm, présentant un faible bruit et fonctionnant à 60 GHz pour la radio sur fibre (systèmes sans fils). Site web du projet TELDOT: http://www.teldot.fr/ (2009-2013)

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    Puce ANR jeunes chercheurs

      MICADOS : Boîtes quantiques semiconductrices de grande force d’oscillateur et microcavités optiques ultimes pour le régime de couplage fort exciton-photon

      Référence de contrat : ANR Programme Jeunes chercheuses et Jeunes Chercheurs
      Coordinateur, Partenaire(s) : S. Sauvage (IEF )
      Responsable(s) LPN : Pascale Senellart, Isabelle Robert-Philip
      Principaux objectifs : L’étude se developpera selon trois axes de travail: 1. Etude de boîtes quantiques de grande force d’oscillateur 2. Développement de cavités optiques ultimes 3. Etude optique du régime de couplage fort (2005-2008)

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    Puce ANR PNANO

      NANOROBUST : Caractérisation multiphysique de nano-objets et manipulation robotisée sous environnement MEB

      Référence de contrat : ANR P2N
      Coordinateur, Partenaire(s) : P. Lutz (FEMTO-ST, Departement d'Optique )
      Responsable(s) LPN : Isabelle Sagnes
      Principaux objectifs : Caractérisation multiphysique de nano-objets et manipulation robotisée sous environnement MEB (2011-2015)

      QUAMOS : Boîtes QUantiques, Adressage et Manipulation Optique de Spin

      Référence de contrat : ANR-09-NANO-030-01
      Coordinateur, Partenaire(s) : L. Besombes (Institut Neel), B. Urbaszek (LNMO), C. Testelin (INSP )
      Responsable(s) LPN : Olivier Krebs
      Principaux objectifs : Initialiser, lire, et manipuler de manière cohérente un spin unique dans une boîte quantique de semiconductor, fourni par une charge piégée (électron ou trou) ou les électrons 3d5 d'un atome magnétique incorporé. (2010-2013)

      NATIF : Nouvelles nanosources laser à émission spontanée et stimulée contrôlées pour la réduction du bruit d’intensité et de fréquence

      Référence de contrat : ANR P3N 2009
      Principaux objectifs : Development of novel low-noise semiconductor lasers (2009-2012)

      DELIGHT : Deterministic light matter coupling

      Référence de contrat : ANR P3N 2009
      Responsable(s) LPN : Pascale Senellart
      Principaux objectifs : L’objectif de ce projet est la fabrication déterministe, compatible avec une production grande échelle, de sources de photons uniques efficaces à base de boites quantiques semiconductrices ou de nanocristaux de semiconducteurs (2009-2012)

      SONORE : Microscopie photo-thermo-acoustique d'une boîte quantique unique

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Coordinateur, Partenaire(s) : S. Sauvage (IEF ),
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaitre
      Principaux objectifs : In this basic research SONORE project we propose to investigate the ultrasmall absorption of a single semiconductor quantum dot with /no photon detection/. We will apply and investigate an extremely sensitive and high spatial resolution absorption imagery based on the local detection of /acoustic phonons /and/ thermal deformation/. The ultrasmall absorption will be both spectrally and spatially resolved in a sub-wavelength regime (~l/150), from the near to the midinfrared spectral range from room temperature to low temperature. The absorption imagery and localized spectroscopy will use an atomic force microscope (AFM) coupled to a pulsed laser excitation. The acoustical and thermal contribution of a single quantum dot to the instrument response will be explored theoretically and experimentally, from room temperature to low temperature. (2009-2011)

      QUOCA : QUantum dot pOlarons in an optical Cavity

      Référence de contrat : ANR PNANO 2005
      Responsable(s) LPN : Isabelle Sagnes
      Principaux objectifs : Dans les boîtes quantiques semi-conductrices auto-assemblées comme InAs/GaAs, il existe un couplage fort pour l’interaction électron-phonon qui se traduit par la formation de quasiparticules électron-phonon appelées polarons. L’existence de ces polarons a des conséquences dramatiques sur les propriétés des boîtes, en particulier sur la dynamique des excitations intersousniveaux qui est gouvernée par l’instabilité de la composante à 1 phonon du polaron. Les temps de vie de polarons peuvent ainsi être très longs (plusieurs dizaines de ps). Dans des boîtes quantiques dopées n, les polarons sont observés à des longueurs d’onde moyen infraouge autour de 20 µm. L’objectif de ce projet est d’étudier pour la première fois des polarons insérés dans des microcavités optiques. Ces microcavités présentant des modes résonants avec les transitions de polarons seront obtenues à partir de cristaux photoniques bidimensionnels dans une approche de type membrane. Des cavités avec un facteur de qualité adapté à la largeur spectrale des polarons seront ainsi fabriquées. Nous étudierons pour la première fois l’émission de ces polarons en cavité. Le changement de densité d’états photonique induit par la cavité devrait permettre d’observer une exaltation forte de l’émission spontanée des polarons par effet Purcell. Ces expériences ouvriront la route à la réalisation d’un premier laser intersousniveaux à polaron. Partenaires : Projet porté par Philippe BOUCAUD, CEA, LPN. (2005-2008)

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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat


  • InAs/GaAs quantum dots for telecom applications: MBE growth and characterisation

  • E. Semenova-(2005-12-15 / 2007-12-14)
    Contact : A. Lemaitre
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Thanks to recent breakthroughs in epitaxial growth and quantum state engineering, self-assembled InAs/GaAs quantum dots have shown their strong potentialities for lasers and amplifiers for telecom applications. High performances have hence been demonstrated in the 1.3 µm wavelength range, in terms of stability or high-speed modulation. The main goals concerned with this position are the design, the growth by MBE and the characterisation of laser structures for 1.3 µm emission in order to achieve the decisive steps toward competitive laser sources for wide commercial exploitation. Several schemes will be investigated in order to achieve high T0, high modulation rate, and the low chirp required for uncooled, directly modulated lasers. p-type doping, tunnel injection and strain compensation will in particular be considered. This work will be performed in strong interaction with our device group, which has a large experience in high-speed device processing and characterisation. Experience in epitaxial growth is required. A background in quantum dots physics would be appreciated.

Thèse


  • Epitaxie en phase vapeur aux organométalliques et caractérisations optiques et structurales de boîtes quantiques d'In(Ga)As pour l'émission autour de 1.3 µm sur GaAs

  • G. Saint-Girons-(1999-10-01 / 2002-04-03)
    Contact : I. Sagnes
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Thèse de Doctorat

  • Etude des polarons des boîtes quantiques semiconductrices en cavité

  • J. Houel-(2005-10-01 / 2008-09-30)
    Contact : P. Boucaud , I. Sagnes
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Thèse effectuée à l'IEF en collaboration avec le LPN

  • Sources de photons uniques aux longueurs d'onde des Télécommunications

  • R. Hostein-(2006-09-01 / 2009-09-01)
    Contact : A. Beveratos , I. Sagnes
    Groupe : Photonique et Electronique Quantique (PEQ)
    En savoir plus
    Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantqiue, du traitement de l'information et de l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner au naissance à l'optique intégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est le développement de sources de photons uniques aux longueurs d'onde des télécommunications. La source ici étudiée sera une boîte quantique InAs/InP insérée dans une microcavité. Le travail de thèse conmprendra un volet de fabrication et d'expérimentation optique, visant à valider la faisabilité d'une source efficace de photons uniques.

  • Boîtes quantiques localisées : pour une mise en œuvre déterministe de l’interaction lumière-matière en cavité à l’état solide

  • B. Fain-(2009-10-01 / 2012-10-31)
    Contact : I. Sagnes , A. Beveratos
    Groupe : Photonique et Electronique Quantique (PEQ)
                Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    De nombreuses sources innovantes de lumière exploitent le couplage d’émetteurs ponctuels uniques à une microcavité optique (résonateur dont les dimensions sont de l’ordre de la longueur d’onde). Ces sources peuvent être des sources de photons uniques efficaces pour des applications prospectives en cryptographie quantique. On peut aussi mentionner les nanolasers non-conventionnels dans lesquels les propriétés spatiales et dynamiques de l’émission spontanée sont modifiées, offrant ainsi des seuils lasers réduits et des bandes passantes de modulation directe accrues. Ces sources exploitent des effets d’interaction lumière-matière en cavité. Lorsqu’un dipôle émetteur est couplé spatialement et spectralement au mode d’une microcavité, sa dynamique d’émission spontanée peut être accélérée. L’effet concomitant est une redistribution spatiale du rayonnement, avec un couplage préférentiel du rayonnement dans le mode de la cavité optique. Une des limites majeures à la mise en œuvre de tels effets est son caractère résonant : le dipôle doit être en résonance spatiale et spectrale avec le mode de la cavité optique. En physique des semiconducteurs, les boîtes quantiques, nano-objets semiconducteurs qui piègent les porteurs de charges dans les trois directions de l’espace, constituent un émetteur de choix pour mettre en jeu de tels effets de cavité. Cependant, dans la plupart des expériences utilisant des boîtes quantiques en cavité, la position de la boîte est aléatoire et sa longueur d’onde d’émission n’est que relativement contrôlée. Ces expériences réalisent donc un grand nombre de cavité, qui sont par la suite testées pour identifier celles dans lesquelles une boîte quantique est bien localisée à la fois spatialement et spectralement par rapport au mode de la cavité optique. Afin de pouvoir bénéficier pleinement des effets de cavité, nous avons initié un travail de croissance localisée de boîtes quantiques, en réalisant des nano-ouvertures dans une couche de diélectrique. La boîte est ensuite crue au sein de la nanoouverture, dont nous connaissons précisément la position. L’accord spatial entre la boîte et le mode optique est donc aisément satisfait. L’objet de ce travail de thèse consistera dans un premier temps en l’étude des conditions de croissance de ces nano-objets au sein des ouvertures et de leurs propriétés (via des études structurales et des études de spectroscopie). Ces boîtes seront ensuite insérées dans des microcavités optiques et nous étudierons les effets de couplage lumière-matiére sur la dynamique et la distribution spatiale du rayonnement, avec pour objectif ultime la réalisation de nanosources pour la cryptographie quantique et de nanolasers pour la photonique. Le travail de thèse comportera un volet d’analyse structurale, un volet de caractérisation optique et un volet de croissance et fabrication des sources. Les objets étudiés seront entièrement fabriqués dans les salles blanches de notre laboratoire au moyen de différents outils de pointe utilisés en nanotechnologie.

Stage


  • Etude structurale de boîtes quantiques InGaAs/GaAs émettant à 1,3 µm réalisées en MOCVD

  • J. Coelho-(2001-01-01 / 2001-07-30)
    Niveau : Master2
    Contact : I. Sagnes
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    DEA, Université de Paris XI

  • Hydrogenation of InAs/GaAs quantum dots

  • V. Navarro-Paredes-(2002-03-19 / 2002-06-18)
    Niveau : Master2
    Contact : A. Lemaitre
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    DEA de Science des Matériaux (Paris VII)

  • Analyses structurales par microscopie électronique en transmission de boîtes quantiques d’InAs/InP réalisées par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques

  • B. Fain-(2009-03-20 / 2009-09-30)
    Niveau : Master2
    Contact : G. Saint-Girons , G. Patriarche , I. Sagnes
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Les boîtes quantiques d’InAs/InP sont des inclusions semiconductrices nanométriques d’InAs dans une matrice d’InP. Le confinement tridimensionnel des porteurs de charge dans ces nanostructures leur confère des propriétés optoélectroniques originales, susceptibles de permettre la réalisation de composants innovants et performants (lasers, microsources, sources à flux de photon contrôlé). La réalisation de tels composants passe par une maîtrise poussée de la croissance des boîtes quantiques et par une compréhension approfondie de leurs propriétés structurales et optiques. L’équipe de matériaux et d’épitaxie du LPN (groupe ELPHYSE) possède une expertise à l’état de l’art européen et international de la fabrication par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (EPVOM) et de l’étude des boîtes quantiques d’InAs/InP. Ces nanostructures sont réalisées soit par épitaxie directe, soit par épitaxie sélective à travers un masque nanostructuré. Dans ce contexte, l’objectif du stage proposé ici est de participer au sein du groupe ELPHYSE à l’étude par microscopie électronique en transmission (MET) des propriétés structurales de boîtes quantiques d’InAs/InP. Il s’agira de comprendre l’influence des conditions de croissance sur la taille, la forme, la composition et la densité des boîtes quantiques, ce qui devrait permettre de mieux appréhender et de contrôler leurs propriétés optiques. Des empilements de plusieurs plans de boîtes quantiques, et les éventuelles corrélations entre plans, seront en particulier analysés, ainsi que différentes séquences de croissance devant permettre de contrôler leur taille et leur émission.

  • Caractérisations optiques et structurales de boîtes quantiques d'InGaAs/GaAs réalisées par épitaxie en Phase Vapeur aux Organométalliques (MOVPE)

  • B. Simozrag-(2004-01-12 / 2004-02-20)
    Niveau : Licence
    Contact : G. Saint-Girons
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Licence
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