Microcavity-integrated graphene photodetector

The monolithic integration of novel nanomaterials with mature and established technologies has considerably widened the scope and potential of nanophotonics. For example, the integration of single semiconductor quantum dots into photonic crystals has enabled highly efficient single-photon sources. Recently, there has also been an increasing interest in using graphene - a single atomic layer of carbon - for optoelectronic devices. However, being an inherently weak optical absorber (only 2.3 % absorption), graphene has to be incorporated into a high-performance optical resonator or waveguide to increase the absorption and take full advantage of its unique optical properties. Here, we demonstrate that by monolithically integrating graphene with a Fabry-Perot microcavity, the optical absorption is 26-fold enhanced, reaching values >60 %. We present a graphene-based microcavity photodetector with record responsivity of 21 mA/W. Our approach can be applied to a variety of other graphene devices, such as electro-absorption modulators, variable optical attenuators, or light emitters, and provides a new route to graphene photonics with the potential for applications in communications, security, sensing and spectroscopy.Comment: 19 pages, 4 figure

Optical spectroscopy and vertical field stark shift of single self-assembled InAs/GaAs quantum dots

Quantenpunkte sind Nanokristalle, deren Größe vergleichbar mit der de Broglie Wellenlänge langsamer Elektronen ist. Die Nanokristalle sind in einen Wirtskristall eingebettet und haben eine kleinere Bandlücke. Das Resultat dieser Struktur ist eine starke räumliche Einschränkung der Elektron- und Lochbewegung, die zur Quantisierung der Zustände und damit zu diskretisierten Energieniveaus ähnlich den Energieniveaus einzelner Atome führt. Daher werden Quantenpunkte auch künstliche Atome genannt.Das Ziel dieser Arbeit ist die Spektroskopie einzelner Quantenpunkte unter dem Einfluss eines der Wachstumsrichtung parallel gerichteten elektrischen Feldes bei verschieden starker optischer Anregung.Wird dem Quantenpunkt ein elektrisches Feld eingeprägt, so wird die Bandstruktur verkippt und die Energieniveaus erfahren eine Rotverschiebung. Dieser Effekt wird als Stark-Effekt bezeichnet.Im Laufe dieser Arbeit wurden spektroskopische Methoden untersucht, die der Charakterisierung einzelner Quantenpunkte dienen können. Weiters werden Methoden, die den Zugriff auf einzelne Quantenpunkte erlauben, erörtert. Insbesondere sind Mikro-Photolumineszenzspektroskopie, Photostromspektroskopie und Starkverschiebungsgestützte Transmissionsspektroskopie von Interesse.Zum Zweck der Transmissionsspektroskopie wurde eine Probe mit Elektroden versehen, wobei die obere mit kleinen Aperturen versehen wurde. Weiters wurde ein Probenhalter für die Transmissionsspektroskopie entwickelt, der eine optische und elektronische Abschirmung des Photodetektors erlaubt.In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Lumineszenz des GaAs-Wirtskristalls innerhalb der Bandlücke auf die Silizium-Dotierung zurückzuführen ist. Weiters wird die Ausprägung angeregter Zustände bei steigender Anregungsleistung gezeigt. Abschließend wird die Starkverschiebung einzelner InAs/GaAs-Quantenpunkte für ansteigende vertikal eingeprägte elektrische Felder und für verschiedene Anregungsleistungen präsentiert.Die Analyse der Starkverschiebungsdaten hat das Vorhandensein eines permanenten Dipolmomentes in InAs-Quantenpunkten gezeigt, das von Quantenpunkt zu Quantenpunkt unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann.Aus den Starkverschiebungsdaten wurden auch das Dipolmoment und die Polarisierbarkeit der Quantenpunkte ermittelt. Aus dem Dipolmoment wurde die Dipollänge berechnet und aus der Polarisierbarkeit wurde geschlossen, dass die Quantenpunkte ähnlich groß und ähnlich zusammengesetzt sein müssen.Quantum Dots are nanocrystals that are comparable in size to the de Broglie wavelength of slow electrons and are embedded in a host matrix with a larger band gap. As a result, the motion of electrons and holes is strongly confined within the nanocrystal, which gives rise to discrete energy levels similar to those observed for individual atoms.This is why they are also referred to as artificial atoms. In this work, the spectroscopy of single self-assembled Quantum Dots under the influence of an electric field parallel to the growth direction and under varying excitation intensities is carried out. By applying an electric field to the dots, the energy levels can be shifted, which is known as the Stark shift, and the measurement of this effect for a field in growth direction will be the main focus of this thesis.During the course of this work, several spectroscopic techniques were investigated, including conventional micro photoluminescence spectroscopy, photocurrent spectroscopy and Stark shift assisted transmission spectroscopy. For the purpose of performing Stark shift assisted transmission spectroscopy a sample with a contacted bottom Si:GaAs layer and an Au electrode with several apertures for single dot access was fabricated. Additionally, a novel sample holder which provides electrical and stray light shielding for the optical detector beneath the sample was developed.Measurement results presented here, include sub-band-gap luminescence of the GaAs bulk due to Si doping, evolution of excited quantum dot states under variable excitation power and the vertical field Stark shift of single self-assembled InAS Quantum Dots in a GaAs host matrix.The analysis of the Stark shift data shows the existence of permanent dipole moments that vary from dot to dot. By fitting the Stark shifts, the built-in dipole moment and the polarizability of the dots was determined. From the dipole moment, the dipole length was derived, and from the polarizabilities, which were quite similar for the analyzed dots, it was concluded that the dots were comparable in size and composition.7

Microcavity-Integrated Graphene Photodetector

There is an increasing interest in using graphene, for optoelectronic applications.− However, because graphene is an inherently weak optical absorber (only ≈2.3% absorption), novel concepts need to be developed to increase the absorption and take full advantage of its unique optical properties. We demonstrate that by monolithically integrating graphene with a Fabry-Pérot microcavity, the optical absorption is 26-fold enhanced, reaching values >60%. We present a graphene-based microcavity photodetector with responsivity of 21 mA/W. Our approach can be applied to a variety of other graphene devices, such as electro-absorption modulators, variable optical attenuators, or light emitters, and provides a new route to graphene photonics with the potential for applications in communications, security, sensing and spectroscopy