[0 0 1] zone-axis bright-field diffraction contrast from coherent Ge(Si) islands on Si(0 0 1): Dedicated to Professor Fang-hua Li on the occasion of her 70th birthday

Coherent Ge(Si)/Si(001) quantum dot islands grown by solid source molecular beam epitaxy at a growth temperature of 700degreesC were investigated using transmission electron microscopy working at 300 kV. The [001] zone-axis bright-field diffraction contrast images of the islands show strong periodicity with the change of the TEM sample substrate thickness and the period is equal to the effective extinction distance of the transmitted beam. Simulated images based on finite element models of the displacement field and using multi-beam dynamical diffraction theory show a high degree of agreement. Studies for a range of electron energies show the power of the technique for investigating composition segregation in quantum dot islands. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Simple microcavity for single-photon generation

A new design of an optical resonator for generation of single-photon pulses is proposed. The resonator is made of a cylindrical or spherical piece of a polymer squeezed between two flat dielectric mirrors. The mode characteristics of this resonator are calculated numerically. The numerical analysis is backed by a physical explanation. The decay time and the mode volume of the fundamental mode are sufficient for achieving more than 96% probability of generating a single-photon in a single-mode. The corresponding requirement for the reflectivity of the mirrors (similar to 99.9%) and the losses in the polymer ( 100 dB/m) are quite modest. The resonator is suitable for single-photon generation based on optical pumping of a single quantum system such as an organic molecule, a diamond nanocrystal, or a semiconductor quantum dot if they are imbedded in the polymer. (C) 2005 Optical Society of America.

InP-based active and passive components for communication systems at 2 μm

Progress on advanced active and passive photonic components that are required for high-speed optical communications over hollow-core photonic bandgap fiber at wavelengths around 2 μm is described in this paper. Single-frequency lasers capable of operating at 10 Gb/s and covering a wide spectral range are realized. A comparison is made between waveguide and surface normal photodiodes with the latter showing good sensitivity up to 15 Gb/s. Passive waveguides, 90° optical hybrids, and arrayed waveguide grating with 100-GHz channel spacing are demonstrated on a large spot-size waveguide platform. Finally, a strong electro-optic effect using the quantum confined Stark effect in strain-balanced multiple quantum wells is demonstrated and used in a Mach-Zehnder modulator capable of operating at 10 Gb/s.

A tight-binding analysis of the electronic properties of III-nitride semiconductors

This thesis divides into two distinct parts, both of which are underpinned by the tight-binding model. The first part covers our implementation of the tight-binding model in conjunction with the Berry phase theory of electronic polarisation to probe the atomistic origins of spontaneous polarisation and piezoelectricity as well as attempting to accurately calculate the values and coefficients associated with these phenomena. We first develop an analytic model for the polarisation of a one-dimensional linear chain of atoms. We compare the zincblende and ideal wurtzite structures in terms of effective charges, spontaneous polarisation and piezoelectric coefficients, within a first nearest neighbour tight-binding model. We further compare these to real wurtzite structures and conclude that accurate quantitative results are beyond the scope of this model but qualitative trends can still be described. The second part of this thesis deals with implementing the tight-binding model to investigate the effect of local alloy fluctuations in bulk AlGaN alloys and InGaN quantum wells. We calculate the band gap evolution of Al1_xGaxN across the full composition range and compare it to experiment as well as fitting bowing parameters to the band gap as well as to the conduction band and valence band edges. We also investigate the wavefunction character of the valence band edge to determine the composition at which the optical polarisation switches in Al1_xGaxN alloys. Finally, we examine electron and hole localisation in InGaN quantum wells. We show how the built-in field localises the carriers along the c-axis and how local alloy fluctuations strongly localise the highest hole states in the c-plane, while the electrons remain delocalised in the c-plane. We show how this localisation affects the charge density overlap and also investigate the effect of well width fluctuations on the localisation of the electrons.

Heterogeneously grown tunable group-IV laser on silicon

Tunable tensile-strained germanium (epsilon-Ge) thin films on GaAs and heterogeneously integrated on silicon (Si) have been demonstrated using graded III-V buffer architectures grown by molecular beam epitaxy (MBE). epsilon-Ge epilayers with tunable strain from 0% to 1.95% on GaAs and 0% to 1.11% on Si were realized utilizing MBE. The detailed structural, morphological, band alignment and optical properties of these highly tensile-strained Ge materials were characterized to establish a pathway for wavelength-tunable laser emission from 1.55 μm to 2.1 μm. High-resolution X-ray analysis confirmed pseudomorphic epsilon-Ge epitaxy in which the amount of strain varied linearly as a function of indium alloy composition in the InxGa1-xAs buffer. Cross-sectional transmission electron microscopic analysis demonstrated a sharp heterointerface between the epsilon-Ge and the InxGa1-xAs layer and confirmed the strain state of the epsilon-Ge epilayer. Lowtemperature micro-photoluminescence measurements confirmed both direct and indirect bandgap radiative recombination between the Γ and L valleys of Ge to the light-hole valence band, with L-lh bandgaps of 0.68 eV and 0.65 eV demonstrated for the 0.82% and 1.11% epsilon-Ge on Si, respectively. The highly epsilon-Ge exhibited a direct bandgap, and wavelength-tunable emission was observed for all samples on both GaAs and Si. Successful heterogeneous integration of tunable epsilon-Ge quantum wells on Si paves the way for the implementation of monolithic heterogeneous devices on Si.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Role of substrate quality on the performance of semipolar (11 2 - 2) InGaN light-emitting diodes

We compare the optical properties and device performance of unpackaged InGaN/GaN multiple-quantum-well light-emitting diodes (LEDs) emitting at ∼430 nm grown simultaneously on a high-cost small-size bulk semipolar (11 2 - 2) GaN substrate (Bulk-GaN) and a low-cost large-size (11 2 - 2) GaN template created on patterned (10 1 - 2) r-plane sapphire substrate (PSS-GaN). The Bulk-GaN substrate has the threading dislocation density (TDD) of ∼ and basal-plane stacking fault (BSF) density of 0 cm-1, while the PSS-GaN substrate has the TDD of ∼2 × 108cm-2 and BSF density of ∼1 × 103cm-1. Despite an enhanced light extraction efficiency, the LED grown on PSS-GaN has two-times lower internal quantum efficiency than the LED grown on Bulk-GaN as determined by photoluminescence measurements. The LED grown on PSS-GaN substrate also has about two-times lower output power compared to the LED grown on Bulk-GaN substrate. This lower output power was attributed to the higher TDD and BSF density.

Design and development of distributed feedback transistor lasers

The transistor laser is a unique three-port device that operates simultaneously as a transistor and a laser. With quantum wells incorporated in the base regions of heterojunction bipolar transistors, the transistor laser possesses advantageous characteristics of fast base spontaneous carrier lifetime, high differential optical gain, and electrical-optical characteristics for direct “read-out” of its optical properties. These devices have demonstrated many useful features such as high-speed optical transmission without the limitations of resonance, non-linear mixing, frequency multiplication, negative resistance, and photon-assisted switching. To date, all of these devices operate as multi-mode lasers without any type of wavelength selection or stabilizing mechanisms. Stable single-mode distributed feedback diode laser sources are important in many applications including spectroscopy, as pump sources for amplifiers and solid-state lasers, for use in coherent communication systems, and now as TLs potentially for integrated optoelectronics. The subject of this work is to expand the future applications of the transistor laser by demonstrating the theoretical background, process development and device design necessary to achieve singlelongitudinal- mode operation in a three-port transistor laser. A third-order distributed feedback surface grating is fabricated in the top emitter AlGaAs confining layers using soft photocurable nanoimprint lithography. The device produces continuous wave laser operation with a peak wavelength of 959.75 nm and threshold current of 13 mA operating at -70 °C. For devices with cleaved ends a side-mode suppression ratio greater than 25 dB has been achieved.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

In-plane propagation of cavity polaritons in a quantum semiconductor microcavity

Considering that the coupling among the heavy-hole exciton, light-hole exciton and the cavity photon can form bipolaritons in a quantum semiconductor microcavity, we calculate the group velocities of the cavity polaritons at different incident angles using the coupling model of three harmonic oscillators. The result indicates that the group velocities of the low and middle branches of the cavity polaritons have extrema, but the group velocities of the high branch increase with the increasing incident angle.

Structural and optical investigation of semiconductor CdSe/CdS core-shell quantum dot thin films

Highly luminescent CdSe/CdS core-shell nanocrystals have been assembled on indium tin oxide (ITO) coated glass substrates using a wet synthesis route. The physical properties of the quantum dots (QD) have been investigated using X-ray diffraction, transmission electron microscopy and optical absorption spectroscopy techniques. These quantum dots showed a strong enhancement in the near band edge absorption. The in situ luminescence behavior has been interpreted in the light of the quantum confinement effect and induced strain in the core-shell structure.

Controlled photoluminescence from self-assembled semiconductor-metal quantum dot hybrid array films

Thin films of hybrid arrays of cadmium selenide quantum dots and polymer grafted gold nanoparticles have been prepared using a BCP template. Controlling the dispersion and location of the respective nanoparticles allows us to tune the exciton-plasmon interaction in such hybrid arrays and hence control their optical properties. The observed photoluminescence of the hybrid array films is interpreted in terms of the dispersion and location of the gold nanoparticles and quantum dots in the block copolymer matrix.

Efficient charge transfer and field-induced tunneling transport in hybrid composite device of organic semiconductor and cadmium telluride quantum dots

Temperature and photo-dependent current-voltage characteristics are investigated in thin film devices of a hybrid-composite comprising of organic semiconductor poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrenesulfonate (PEDOT: PSS) and cadmium telluride quantum dots (CdTe QDs). A detailed study of the charge injection mechanism in ITO/PEDOT: PSS-CdTe QDs/Al device exhibits a transition from direct tunneling to Fowler-Nordheim tunneling with increasing electric field due to formation of high barrier at the QD interface. In addition, the hybrid-composite exhibits a huge photoluminescence quenching compared to aboriginal CdTe QDs and high increment in photoconductivity (similar to 400%), which is attributed to the charge transfer phenomena. The effective barrier height (Phi(B) approximate to 0.68 eV) is estimated from the transition voltage and the possible origin of its variation with temperature and photo-illumination is discussed. (C) 2015 AIP Publishing LLC.