SFB 787:  Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelemente

• Fachliche Zuordnung: Physik ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 43659573

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Sonderforschungsbereich "Halbleiter-Nanophotonik" (SFB 787) vereinte drei sich ergänzende Forschungsbereiche - Materialien, Modelle und Bauelemente - mit dem Ziel zukunftsweisende nanophotonische Bauelemente zu entwickeln. Basierend auf zwei der wichtigsten Familien von Halbleitermaterialien der Optoelektronik (Gruppe III-Arsenide und III-Nitride) wurden signifikante Fortschritte beim Wachstum und Charakterisierung von Halbleiternanostrukturen erzielt. Dies beinhaltet die kontrollierte Positionierung einzelner InGaAs-Quantenpunkte unter Verwendung eines neuartigen „vergrabenen Stressor“-Ansatzes. Diese Innovationen ebneten den Weg für die Realisierung elektrisch betriebener und deterministischer Einzelphotonenquellen mit einer Emissionslinienbreite ≤ 25 µeV. Ein weiteres Highlight war das Wachstum gestapelter InAs-Submonolagen-Quantenpunkte und die Bestimmung ihrer atomaren Struktur und optischen Eigenschaften. Nach der Integration dieser gestapelten Submonolagen-Quantenpunkte in optischen Verstärkern konnten die Forscher des SFB 787 Quantenkohärenz-Effekte bei Raumtemperatur in ultraschnellen Laserpulsen beobachten. Darüber hinaus wurde in GaN-Quantenpunkten mit einer Spin-Konfiguration von s = + / - 3 ein neuer Typ eines gebundenen Biexziton-Zustands entdeckt, der neue Zerfallskanäle für die Biexziton-Exziton-Kaskade ermöglicht, was sehr vielversprechend für Quantenemitter der nächsten Generation ist. Darüber hinaus gelang es Mitgliedern des SFB 787 mithilfe hochauflösender Rastertunnelmikroskopietechniken die atomare Struktur unpolarer Gruppe-III-Nitrid-Halbleiteroberflächen aufzudecken. Der SFB hat auch bedeutende Fortschritte in der theoretischen und numerischen Modellierung erzielt, die von der Beschreibung grundlegender optischer, elektronischer und vibronischer Eigenschaften von Nanomaterialien bis zur Simulation komplexer nanophotonischer Bauelemente reicht. Dies beinhaltete ein grundlegendes Verständnis von Wechselwirkungen wie Elektronen-Kristallgitter- und Licht-Materie-Wechselwirkungen, Elektronen-Photonen-Korrelationen und Coulomb-Wechselwirkungen auf Nanoskalen, die für die nächste Quantenrevolution wesentlich sind. Zu diesem Zweck wurden theoretische Methoden entwickelt, um die Dynamik von Vielteilchen, optischen Eigenschaften und Spektroskopieergebnisse von Halbleiternanostrukturen zu beschreiben. Dies ermöglichte die Simulation von elektrisch betriebenen Quantenlichtemittern, wie z.B. Einzelphotonenquellen auf der Basis von Halbleiterquantenpunkten. Dies wurde ermöglicht durch die Kombination von quanten-klassischen Hybridmodellen mit Resonator-Quanten-Elektrodynamik. Es ermöglichte auch die Erforschung der Dephasierung in Festkörperquantenemittern durch zeit- und temperaturabhängige Hong-Ou-Mandel-Experimente. Darüber hinaus wurde ein theoretischer Rahmen zur Modellierung der ultraschnellen Ladungsträgerdynamik in nanostrukturierten Verstärkungsmedien entwickelt, um die komplexe Lichtausgangsdynamik von kurzen Impulsen bis zu chaotischer Emission vorherzusagen. Basierend auf diesen grundlegenden Durchbrüchen und dem umfassenden Verständnis der zugrunde liegenden Physik wurde eine Reihe neuer nanophotonischer Bauelemente mit Anwendungen in Quantenkommunikationssystemen, Datenübertragung und E/A-Schnittstellen realisiert. Forscher des SFB 787 haben ultraschnelle und energieeffiziente oberflächenemittierende Laser (VCSEL) und VCSEL-Arrays realisiert, die Rekorde bei optischen Ausgangsleistungen, Modulationsbandbreiten und digitale Datenübertragungsraten erzielten. Dazu gehört die Demonstration der energieeffizientesten VCSEL der Welt die nur eine Energie von 80 Femtojoule pro übertragendes Bit bei Übertragungsraten von 40 Gbit/s benötigen. Diese Laser im Nanometerbereich werden wichtige Komponenten für die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) der nächsten Generation sein, einschließlich Mobilfunk der fünften Generation (5G) und Internet-of-Things (IoT) Systeme. Darüber hinaus konnten wir eine siliziumbasierte photonische E/A-Schnittstelle realisieren, die auf der Hybridintegration von VCSEL mit Siliziumphotonik für eine hocheffiziente Chip-zu-Chip-Kommunikation basiert. Wir konnten zudem elektrisch angetriebene Quantenverschlüsselungssysteme auf Basis von Q-Bit- und verschränkten Photonenemittern demonstrieren, die mit hohen Q-Bitraten arbeiten, und diese anschließend in realen Informationsnetzwerken implementieren. Zu den Highlights zählen die kontrollierte Integration einzelner InGaAs-Quantenpunkte in On-Chip-Multimode-Interferenzstrahlteilern unter Verwendung einer eigens entwickelten in-situ Elektronenstrahllithographie sowie die Realisierung heller Zweiphotonen-Festkörperquellen. Die Demonstration einer eigenständigen fasergekoppelten Einzelphotonenquelle und die Erzeugung von getriggerten, nicht unterscheidbaren Photonen sowie zeitlich verschränkten Photonenpaaren bei Bedarf ermöglichten es Forschern des SFB 787, eine optische Freistrahlverbindung aufzubauen und die Übertragung von Quanteninformation über einzelne und verschränkte Photonen zu demonstrieren. Wissenschaftler des SFB 787 gelang es zudem, den tiefen ultravioletten Spektralbereich bei Halbleiteremittern zu erschließen und AlGaN-Quantenfilmlaser zu realisieren, die bei einer Rekordwellenlänge von 237 nm emittieren. Darüber hinaus gelang es erstmals MOVPE-gewachsene AlGaN-basierte UV-LEDs mit Tunneldioden für die Strominjektion herzustellen. Dies ermöglichte die Realisierung von vollständig transparenten Leuchtdioden im tiefen UV, was einen bedeutenden Fortschritt für die Entwicklung elektrisch getriebener UV-Laserdioden darstellt und von entscheidender Bedeutung für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, Sensorik und im 3D-Druck sein wird. Schließlich wurden auch große Fortschritte bei der Entwicklung von IR-Laserdioden mit hoher Leistung und Helligkeit für Anwendungen in der Materialverarbeitung, bei optischen Uhren und in den Biowissenschaften erzielt. Insbesondere wurden neue Konzepte für Hochleistungskantenemitter mit supergroßen optischen Kavitäten (SLOC) unter Verwendung von PBC-Wellenleitern (Photonic Bandgap Crystal) für Laserdioden mit extrem kleinen Divergenzwinkeln und einer hervorragenden Strahlqualität entwickelt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Few-particle energies versus geometry and composition of InxGa1-xAs/GaAs self-organized quantum dots, Phys. Rev. B Vol. 79(7), 075443 (2009)
  Schliwa, A., Winkelnkemper, M. and Bimberg, D.
  
• Few-photon model of the optical emission of semiconductor quantum dots, Phys. Rev. Lett.Vol. 103(8), 087407 (2009)
  Richter, M., Carmele, A., Sitek, A. and Knorr, A.
  
• Generation von verschränkten Photonenpaaren mittels Quantenpunkten, die auf einem (111)-Zinkblende-Substrat gewachsen wurden, German Patent Office 10 2008 036 400.2, (Publication date: 2010/01/21)
  A. Schliwa, M. Winkelnkemper, D. Bimberg
  
• 81 fJ/bit energy-to-data ratio of 850 nm vertical-cavity surface-emitting lasers for optical interconnects, Appl. Phys. Lett. Vol. 98(23), 231106 (2011)
  Moser, P., Hofmann, W., Wolf, P., Lott, J.A., Larisch, G., Payusov, A., Ledentsov, N.N. and Bimberg, D.
  
• A gradient structure for reaction–diffusion systems and for energy-drift-diffusion systems, NonlinearityVol. 24(4), 1329 (2011)
  Mielke, A.
  
• Atomic structure and optical properties of InAs submonolayer depositions in GaAs, J. Vac. Sci. Technol. B, Nanotechnol. Microelectron. Mater. Process. Meas. Phenom. Vol. 29(4), 04D104 (2011)
  Lenz, A., Eisele, H., Becker, J., Schulze, J.-H., Germann, T.D., Luckert, F., Pötschke, K., Lenz, E., Ivanova, L., Strittmatter, A., Bimberg, D., Pohl, U.W. and Dähne, M.
  
• Bound excitons in ZnO: Structural defect complexes versus shallow impurity centers, Phys. Rev. B Vol. 84(3), 035313 (2011)
  Wagner, M.R., Callsen, G., Reparaz, J.S., Schulze, J.-H., Kirste, R., Cobet, M., Ostapenko, I.A., Rodt, S., Nenstiel, C., Kaiser, M., Hoffmann, A., Rodina, A.V., Phillips, M.R., Lautenschläger, S., Eisermann, S. and Meyer, B.K.
  
• Delay-induced dynamics and jitter reduction of passively mode-locked semiconductor lasers subject to optical feedback, New J. Phys. Vol. 14 113033 (2012)
  Otto, C., Lüdge, K., Vladimirov, A.G., Wolfrum, M. and Schöll, E.
  
• Indium incorporation and emission wavelength of polar, nonpolar and semipolar InGaN quantum wells, Semicond. Sci. Technol. Vol. 27(2), 024014 (2012)
  Wernicke, T., Schade, L., Netzel, C., Rass, J., Hoffmann, V., Ploch, S., Knauer, A., Weyers, M., Schwarz, U. and Kneissl, M.
  
• Non-polar group-III nitride semiconductor surfaces, Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett. Vol. 6(9-10), 359-369 (2012)
  Eisele, H. and Ebert, P.
  
• Single-photon source, US Patent 8149888 B1 (Publication date: 2012/04/03)
  A. Schliwa, E.Stock, D.Bimberg
  
• Quantum coherence induces pulse shape modification in a semiconductor optical amplifier at room temperature, Nat. Commun. Vol. 4(1), 2953 (2013)
  Kolarczik, M., Owschimikow, N., Korn, J., Lingnau, B., Kaptan, Y., Bimberg, D., Schöll, E., Lüdge, K. and Woggon, U.
  
• Effect of dynamical instability on timing jitter in passively mode-locked quantum-dot lasers, Opt. Lett. Vol. 39(24), 6815 (2014)
  Pimenov, A., Habruseva, T., Rachinskii, D., Hegarty, S.P., Huyet, G. and Vladimirov, A.G.
  
• Impact of electron irradiation on electron holographic potentiometry, Appl. Phys. Lett. Vol. 105(9), 094102 (2014)
  Park, J.B., Niermann, T., Berger, D., Knauer, A., Koslow, I., Weyers, M., Kneissl, M. and Lehmann, M.
  
• Manifestation of unconventional biexciton states in quantum dots., Nat Commun 5, 5721 (2014)
  Hönig, G., Callsen, G., Schliwa, A., Kalinowski, S., Kindel, C., Kako, S., Arakawa,Y., Bimberg, D., Hoffmann, A.
  
• Performance characteristics of UV-C AlGaN-based lasers grown on sapphire and bulk AlN substrates, IEEE Photonics Technol. Lett. Vol. 26(4), 342-345 (2014)
  Martens, M., Mehnke, F., Kuhn, C., Reich, C., Kueller, V., Knauer, A., Netzel, C., Hartmann, C., Wollweber, J., Rass, J., Wernicke, T., Bickermann, M., Weyers, M. and Kneissl, M.
  
• Pump-probe quantum state tomography in a semiconductor optical amplifier, Opt. Express Vol. 22(26), 32520 (2014)
  Grosse, N.B., Owschimikow, N., Aust, R., Lingnau, B., Koltchanov, A., Kolarczik, M., Lüdge, K. and Woggon, U.
  
• Bauelement mit einer transparenten leitfähigen Nitridschicht, Patent DE 10 2015 108 875.4 (Publication date: 2015/06/04)
  A. Hoffmann, C. Nenstiel, A. Dadgar, and A. Strittmatter
  
• Direct evidence of single quantum dot emission from GaN islands formed at threading dislocations using nanoscale cathodoluminescence: A source of single photons in the ultraviolet, Applied Physics Letters 106, 252101 (2015)
  Schmidt, G., Berger, C., Veit, P., Metzner, S., Bertram, F., Bläsing, J., Dadgar, A., Strittmatter, A., Christen, J., Callsen, G., Kalinowski, S., Hoffmann, A.
  
• Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtenfolge, deren Verwendung und Verfahren ihrer Herstellung, Patent DE 10 2011 108 080 B4 (Publication date: 2015/08/20)
  A. Dadgar and A. Krost
  
• Highly indistinguishable photons from deterministic quantum-dot microlenses utilizing three-dimensional in situ electron-beam lithography, Nat. Commun. Vol. 6(1), 7662 (2015)
  Gschrey, M., Thoma, A., Schnauber, P., Seifried, M., Schmidt, R., Wohlfeil, B., Krüger, L., Schulze, J.H., Heindel, T., Burger, S., Schmidt, F., Strittmatter, A., Rodt, S. and Reitzenstein, S.
  
• Layer Assembly, US. Patent 8,349,712 B2 (Publication date: 2012/12/11)
  A. Strittmatter, A. Schliwa, T. D. Germann, U. W. Pohl, V. Gaysler, J.-H. Schulze
  
• On thermodynamic consistency of a Scharfetter–Gummel scheme based on a modified thermal voltage for drift-diffusion equations with diffusion enhancement, Opt. Quantum Electron. Vol. 47(6), 1327-1332 (2015)
  Koprucki, T., Rotundo, N., Farrell, P., Doan, D.H. and Fuhrmann, J.
  
• Strain field of a buried oxide aperture, Phys. Rev. B Vol. 91(7), 075306 (2015)
  Kießling, F., Niermann, T., Lehmann, M., Schulze, J.-H., Strittmatter, A., Schliwa, A. and Pohl, U.W.
  
• Strong charge-carrier localization in InAs/GaAs submonolayer stacks prepared by Sb-assisted metalorganic vapor-phase epitaxy, Phys. Rev. B Vol. 91(23), 235418 (2015)
  Quandt, D., Schulze, J.H., Schliwa, A., Diemer, Z., Prohl, C., Lenz, A., Eisele, H., Strittmatter, A., Pohl, U.W., Gschrey, M., Rodt, S., Reitzenstein, S., Bimberg, D., Lehmann, M. and Weyland, M.
  
• Efficient current injection into single quantum dots through oxide-confined p-n-diodes, IEEE Trans. Electron Devices Vol. 63(5), 2036-2042 (2016)
  Kantner, M., Bandelow, U., Koprucki, T., Schulze, J.-H., Strittmatter, A.A., Wünsche, H.-J.
  
• Exploring Dephasing of a Solid- State Quantum Emitter via Time- and Temperature-Dependent Hong-Ou-Mandel Experiments, Phys. Rev. Lett. Vol. 116(3), 033601 (2016)
  Thoma, A., Schnauber, P., Gschrey, M., Seifried, M., Wolters, J., Schulze, J.H., Strittmatter, A., Rodt, S., Carmele, A., Knorr, A., Heindel, T. and Reitzenstein, S.
  
• Halbleiterbauelement aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe-III mit Stickstoff, Patent DE 10 2015 108 878.9 (Publication date: 2016/09/15)
  T. Zettler, C. Kaspari, Y. Tomita, A. Dadgar, C. Berger, and A. Strittmatter
  
• Heterodimensional charge-carrier confinement in stacked submonolayer InAs in GaAs, Phys. Rev. B Vol. 93(8), 085302 (2016)
  Harrison, S., Young, M.P., Hodgson, P.D., Young, R.J., Hayne, M., Danos, L., Schliwa, A., Strittmatter, A., Lenz, A., Eisele, H., Pohl, U.W. and Bimberg, D.
  
• Lichtemittierendes Gruppe-III-Nitrid basiertes Bauelement, Patent DE 10 2015 108 876.2 (Publication date: 2016/03/03)
  C. Berger, A. Dadgar, and A. Strittmatter
  
• P-contact and light-emitting diode for the ultraviolet spectral range, US Patent 9,331,246 (Publication date 2016/05/03)
  M. Kneissl, M. Weyers, S. Einfeldt, H. Rodriguez
  
• Suppression of Noise-Induced Modulations in Multidelay Systems, Phys. Rev. Lett. Vol. 117(15), 154101 (2016)
  Jaurigue, L., Schöll, E. and Lüdge, K.
  
• Temperature-dependent recombination coefficients in InGaN light-emitting diodes: Hole localization, Auger processes, and the green gap, Appl. Phys. Lett. Vol. 109(16), 161103 (2016)
  Nippert, F., Karpov, S.Y., Callsen, G., Galler, B., Kure, T., Nenstiel, C., Wagner, M.R., Straßburg, M., Lugauer, H.J. and Hoffmann, A.
  
• A bright triggered twin-photon source in the solid state, Nat. Commun. Vol. 8(1), 14870 (2017)
  Heindel, T., Thoma, A., Von Helversen, M., Schmidt, M., Schlehahn, A., Gschrey, M., Schnauber, P., Schulze, J.H., Strittmatter, A., Beyer, J., Rodt, S., Carmele, A., Knorr, A. and Reitzenstein, S.
  
• Device comprising a high brightness broad-area edge-emitting semiconductor laser and method of making the same, US Patent No. 14/169, 5202014 (Publication date: 2017/07/11)
  V. P. Kalosha and D. Bimberg
  
• Dispersive Time-Delay Dynamical Systems, Phys. Rev. Lett. Vol. 118(19), 193901 (2017)
  Pimenov, A., Slepneva, S., Huyet, G. and Vladimirov, A.G.
  
• Dynamic phase response and amplitude-phase coupling of self-assembled semiconductor quantum dots, Appl. Phys. Lett. Vol. 110(24), 241102 (2017)
  Lingnau, B., Herzog, B., Kolarczik, M., Woggon, U., Lüdge, K. and Owschimikow, N.
  
• Hybrid quantum-classical modeling of quantum dot devices, Phys. Rev. B Vol. 96(20), 205301 (2017)
  Kantner, M., Mittnenzweig, M. and Koprucki, T.
  
• Method for forming a metal contact on a surface of a semiconductor, and device with a metal contact, US Patent 9,768,356 (Publication date 2017/09/19)
  S. Einfeldt, L. Redaelli, M. Kneissl
  
• Optoelectronic device, US Patent 9,599,782, (Publication date: 2017/03/21)
  A. Schlehahn, T. Heindel, S. Rodt, S. Reitzenstein
  
• UV LED with tunnel-injection layer, US Patent 9,705,030 (Publication date 2017/07/11)
  M. Kneissl, T. Kolbe
  
• A stand-alone fiber-coupled single-photon source, Sci. Rep. Vol. 8(1), 1340 (2018)
  Schlehahn, A., Fischbach, S., Schmidt, R., Kaganskiy, A., Strittmatter, A., Rodt, S., Heindel, T. and Reitzenstein, S.
  
• AlGaN-based deep UV LEDs grown on sputtered and high temperature annealed AlN/sapphire, Appl. Phys. Lett. Vol. 112(4), 041110 (2018)
  Susilo, N., Hagedorn, S., Jaeger, D., Miyake, H., Zeimer, U., Reich, C., Neuschulz, B., Sulmoni, L., Guttmann, M., Mehnke, F., Kuhn, C., Wernicke, T., Weyers, M. and Kneissl, M.
  
• Deterministic Integration of Quantum Dots into on-Chip Multimode Interference Beamsplitters Using in Situ Electron Beam Lithography, Nano Lett. Vol. 18(4), 2336-2342 (2018)
  Schnauber, P., Schall, J., Bounouar, S., Höhne, T., Park, S.I., Ryu, G.H., Heindel, T., Burger, S., Song, J.D., Rodt, S. and Reitzenstein, S.
  
• Lichtemittierendes Halbleiterbauelement, DE 10 2018 115 225.6 (Publication date: 2018/06/25)
  A. Dadgar and A. Strittmatter
  
• Method and sensor for detecting the presence of molecules with a dipole moment, European Patent: WO2018073356 (A1) (Publication date: 2018/04/26)
  M. Feierabend, E. Malic, G. Berhäuser, A. Knorr
  
• Numerical optimization of the extraction efficiency of a quantum-dot based single-photon emitter into a single-mode fiber. Opt. Express 26, 8479 (2018)
  P.-I. Schneider, N. Srocka, S. Rodt, L. Zschiedrich, S. Reitzenstein, S. Burger
  
• Sideband pump-probe technique resolves nonlinear modulation response of PbS/CdS quantum dots on a silicon nitride waveguide, APL Photonics Vol. 3(1), 016101 (2018)
  Kolarczik, M., Ulbrich, C., Geiregat, P., Zhu, Y., Sagar, L.K., Singh, A., Herzog, B., Achtstein, A.W., Li, X., Thourhout, D.V., Hens, Z., Owschimikow, N. and Woggon, U.
  
• Broadband Semiconductor Light Sources Operating at 1060 nm Based on InAs:Sb/GaAs Submonolayer Quantum Dots, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. Vol. 25(6) 1-10 (2019)
  Herzog, B., Lingnau, B., Kolarczik, M., Helmrich, S., Achtstein, A.W., Thommes, K., Alhussein, F., Quandt, D., Strittmatter, A., Pohl, U.W., Brox, O., Weyers, M., Woggon, U., Ludge, K. and Owschimikow, N.
  
• MOVPE-grown AlGaN-based tunnel heterojunctions enabling fully transparent UVC LEDs, Photonics Res. Vol. 7(5), B7-B11 (2019)
  Kuhn, C., Sulmoni, L., Guttmann, M., Glaab, J., Susilo, N., Wernicke, T., Weyers, M. and Kneissl, M.
  
• Optoelektronischer Oszillator, European Patent Office EP3011648B1 (Publication date: 2019/05/29)
  D. Arsenijević, M. Kleinert, and D. Bimberg
  
• Power, Bandwidth, and Efficiency of Single VCSELs and Small VCSEL Arrays, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. Vol. 25 (6), 1-15 (2019)
  Haghighi, N., Moser, P. and Lott, J.A.
  
• Template für laterales Überwachsen mindestens einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Schicht, European Patent Office EP2747127B1 (Publication date: 2019/11/20)
  M. Weyers, M. Kneissl, V. Küller, S. Einfeldt, A. Knauer
  
• The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies, Vol. 13 (4), Nat. Photonics, 233-244 (2019)
  Kneissl, M., Seong, T.Y., Han, J. and Amano, H.
  
• 40 Gbps with Electrically Parallel Triple and Septuple 980 nm VCSEL Arrays, J. Light. Technol. (2020)
  Haghighi, N., Moser, P. and Lott, J.A.
  
• Semiconductor nanophotonics: materials, models, and devices, Springer Series in Solid-State Sciences 194, Springer International Publishing (2020)
  Kneissl, M.; Knorr, A.; Reitzenstein, S., and Hoffmann, A.