English

After the discovery of the self organized generation, a new field in the area of semiconductor physics was initiated. Physicists worldwide have been inspired by the new possibilities which arise due to this discovery. The creation of self assembled quantum dots (QDs) takes place totally defect free. Thus, the quantum dots exhibit a very high optical quality. Due to an over-growth with a higher band gap semiconductor, a confinement potential for excitons can be created. The energy levels of a confined exciton are quantized, and therefore similar to an atom. However, this quantum system is fixed in space. Hence, it is fairly easily possible to study the properties of a single quantum system. In this work, the properties and the different dephasing mechanisms of transitions of a single QD are analyzed. In addition, some applications are presented which arise due to the properties of the confined exciton. The isolation of a single QD out of the ensemble is achieved via a near field shadow mask, which restricts excitation and QD luminescence to a single QD. The integration of a QD-layer into a diode structure allows for an analysis of various dephasing mechanisms of a confined electron hole pair. The single QD is characterized regarding the energy of nearly all possible transitions, e.g. the ground state, excited states, charged states, multiple occupations, and phonon assisted absorptions. A very important issue in this content is the voltage dependence of the transition energy and thereby the ability of tunneling processes of charge carriers in and out of the QD. The QD-transitions, which are subject of investigation here, are the single exciton ground state, the first excited state (p-shell), and the LO (longitudinal optical) phonon assisted absorption. By applying a suitable voltage, the resonantly excited ground state exciton is able to decay by a tunneling process, which reflects the transition energy in the photocurrent spectra. The p-shell transition decays by a relaxation process into the ground state, followed by an optical recombination process. The phonon assisted absorption differs from the p-shell transition. The resonant excitation energy fits to the exciton ground state energy plus the energy of a GaAs LO phonon. In this case, the single exciton (ground state) is generated as well as a GaAs LO phonon. These three transitions are investigated in different respects, such as different applied voltages, excitation polarizations, excitation intensities, and coherent properties. If a QD state can be treated as a quantum mechanical two level system, it must exhibit specific coherent and incoherent characteristics, such as occupation saturation (with increasing excitation intensity). In particular a coherent excitation must be possible. This is demonstrated for the single exciton ground state by photocurrent experiments and for the p-shell transition by photoluminescence experiments. The LO phonon assisted absorption shows also saturation behavior, but here coherent state preparation seems not possible with the available excitation conditions. The comparable long dephasing time of the single exciton ground state easily allows for two time separated interactions of laser pulses with the QD. The exciton in the QD is able to interfere with the second laser pulse due to the storage of the phase information of the first laser pulse. The relative phase of the QDs exciton can be controlled externally via the bias voltage. This can be used for measurements of Ramsey-fringes, which are presented in this work. The coherent manipulation of the p-shell is the basis for a novel excitation scheme for single photon emission. In this work it is shown, that the first excited state can be coherently manipulated, similar to the ground state. Due to this defined excitation of a single exciton in the p-shell, the resulting single photon emission (after the relaxation and recombination process) appears remarkably clean, as demonstrated by Hanbury-Brown and Twiss experiments.

Deutsch

Durch die Entdeckung des selbstorganisierten Wachstums der Quantenpunkte (englisch: Quantum Dot (QD)) wurde ein neues Forschungsfeld im Bereich der Halbleiterphysik entwickelt. Weltweit forschen Physiker an den Eigenschaften dieser QDs. Aufgrund der Bandeigenschaften der QD-Halbleitermaterialien und des umgebenden Materials wird ein Einschluss Potential für Ladungsträger generiert. Die Entstehung dieser QDs geschieht nahezu defektfrei, daher besitzen diese QDs eine sehr hohe optische Qualität. Die Energiezustände dieser QDs sind aufgrund der geringen Ausmaße quantisiert, und daher ähnlich zu einem Atom. Aufgrund der lokalisierten Position ist es möglich, die Eigenschaften eines einzelnen Quantensystems zu studieren. Die verschiedenen Dephasierungs-Mechanismen einzelner QD Übergänge werden in dieser Arbeit analysiert. Zusätzlich werden Anwendungen präsentiert, die durch die Eigenschaften der eingeschlossenen Exzitonen entstehen. Um einzelne QDs zu isolieren werden in dieser Arbeit Nah-Feld Schattenmasken verwendet, wodurch die Laseranregung und die Lumineszenz auf einen einzelnen QD limitiert werden. Einzelne QDs werden in dieser Arbeit charakterisiert, bezüglich der spektralen Lage von nahezu allen möglichen Übergängen, wie z.B. dem Grundzustand, angeregte Zustände, geladene Zustände, mehrfache Besetzungen, und LO- (Longitudinal Optisch) Phonon assistierte Absorption. Durch die Implementation der QD in eine Diodenstruktur sind Tunnelprozesse von Ladungsträger in und aus dem QD möglich. Die QD-Übergänge, die in dieser Arbeit untersucht werden, sind der Exziton Grundzustand, der erste angeregte Zustand (p-Schale) und die GaAs LO-Phonon assistierte Absorption. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung kann ein resonant erzeugtes Exziton aus dem QD heraustunneln, wodurch die Anregung im Photostrom nachgewiesen wird. Eine resonante Anregung in der p-Schale erzeugt eine optische Rekombination im Grundzustand nach einem Relaxationsprozess. Im Falle der LO-Phonon assistierten Absorption ist das Anregungsschema anders. Die resonante Laserenergie passt hier zur Energie eines GaAs LO-Phonon und dem Exziton Grundzustand. Dadurch werden Phonon und Grundzustandsexziton gleichzeitig erzeugt. Diese drei Übergänge werden in dieser Arbeit untersucht bezüglich verschiedender Eigenschaften, wie z.B. verschiedener Anregungspolarisationen, (in-)koäherenter Anregung und Dephasierungsmechanismen. Wenn ein QD-Übergang als ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System behandelt werden kann, muss es sowohl kohärente als auch inkohärente Eigenschaften aufweisen, wie z.B. ein Sättigungsverhalten bei steigender kontinuierlicher Anregungsintensität. Weiterhin muss eine kohärente Manipulation möglich sein. Diese Eigenschaften wurden für den Grundzustand in Photostrom Experimenten nachgewiesen, genauso wie für den p-Schalen Übergang in der Photolumineszenz. Die LO-Phonon assistierte Absorption zeigt auch ein Sättigungsverhalten, aber eine kohärente Manipulation ist mit den verwendeten ps-Laserpulsen nicht möglich. Die vergleichbar lange Dephasierungszeit des Grundzustandes erlaubt es zwei zeitversetzte Wechselwirkungen von Laserpulsen mit einem QD durchzuführen. Ein generiertes Exziton kann mit dem zweiten Laserpuls durch die Speicherung der Phaseninformation des ersten Pulses interferieren. Die relative Phase eines Exzitons bzgl. eines anregenden Laserfeldes kann extern über eine angelegte Spannung beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich, Ramsey-Fringes zu beobachten, die in dieser Arbeit präsentiert werden. Die kohärenten Eigenschaften der p-Schalen Anregung können für ein neuartiges Anregungsschema einer Einzel-Photon-Emission ausgenutzt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass der erste angeregte Zustand kohärent manipuliert werden kann, analog zum Grundzustand. Durch die definierte Anregung eines Exzitons in der p-Schale ist die folgende Einzel-Photonen Emission (nach der Relaxation in den Grundzustand) bemerkenswert sauber. Dies wird demonstriert in einem Hanbury-Brown und Twiss Experiment.