In-situ cathodolumineszence lithography for the deterministic fabrication of deterministic quantumdevices

Der Einsatz von Quantenpunkten (QPen) in zukünftigen Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation und der Quanteninformation erfordert die Entwicklung von deterministischen Technologien, welche eine gezielte Integration von QPen mit definierten optischen Eigenschaften in nanophotonische Bauelemente ermöglicht. In dieser Arbeit werden Kathodolumineszenz-Spektroskopie und Elektronenstrahllithographie bei tiefen Temperaturen zur in-situ Kathodolumineszenzlithographie (KLL) vereint, um gezielt QPe auszuwählen und in Mikrolinsen zur Erhöhung der Sammeleffizienz zu integrieren. Hierzu werden verschiedene Elektronenstrahllacke auf ihre Kontrasteigenschaften, Schwellendosen, sowie die erreichbaren Strukturgrößen bei Tieftemperatur hin untersucht. Mit Hilfe des Lacks Polymethylmethacrylat (PMMA), welcher bei hohen Bestrahlungsdosen karbonisiert und als negativ-Lack verwendet werden kann, wird der KLL-Prozess anhand der Herstellung von Einzel-QP-Mesen validiert und die erfolgreiche Integration der selektierten QPe, die hohe Prozessausbeute, sowie die ausgezeichnete optische Qualität der fertigen Strukturen demonstriert. Weiterhin wird aus statistischen Untersuchungen die räumliche Genauigkeit des Prozesses auf 34nm bestimmt. Zusätzlich werden, um die Auskoppeleffizienz der Emission aus dem Halbleiter zu erhöhen, monolithische Linsenstrukturen ohne und mit rückseitigem Bragg-Reflektor (DBR) numerisch optimiert und mittels KLL in einem 3D-Lithographieverfahren hergestellt. Für Linsen ohne und mit DBR werden Auskoppeleffizienzen von 5,6 % und 23,3 % bestimmt. Als bemerkenswerte Eigenschaft können eine Einzelphotonenemission mit g(2)(0) < 0,01, welche von der Anregungsleistung unabhängig ist, sowie eine Ununterscheidbarkeit mit V = 80 % beobachtet werden. Den Abschluss bilden die numerische Berechnung und die Herstellung einer Resonatorstruktur, welche aus einer von zwei Bragg-Reflektoren umschlossenen Linse besteht. Das Verhalten der Resonanz in Abhängigkeit der Linsengeometrie wird analysiert und die Wechselwirkung zwischen QP und Resonator nachgewiesen. Die in dieser Arbeit etablierte Technologie legt somit, durch die gezielte Selektion von geeigneten Emittern und die präzise Herstellung von nanophotonischen Strukturen, einen wichtigen Grundstein für die deterministische Herstellung von komplexen und skalierbaren Bauelementen für die zukünftige Quantentechnologie.The use of semiconductor quantum dots (QDs) in future quantum communication and quantum information applications requires the development of a deterministic technology platform for the controlled integration of QDs with pre-selected optical properties into nanophotonic devices. In this thesis, a fabrication technique called in-situ cathodoluminescence lithography (CLL) is established, which combines the high spatial resolution of cathodoluminescence spectroscopy with the versatility of electron-beam lithography at cryogenic temperatures. CLL is used to deterministically select and integrate QDs into monolithically fabricated microlenses to increase the photon-extraction efficiency (PEE). Therefore, various commercial available electron-beam resists have been tested to gain access to their low-temperature properties, their threshold doses and the smallest achievable resolution therewith. With the help of polymethyl methacrylate (PMMA), that carbonizes at high exposure doses when it acts as negative resist, the CLL-process is demonstrated by the fabrication of single-QD mesa structures with high optical quality and yield. For further validation, a statistical analysis of the process accuracy is performed, featuring an overall spatial alignment accuracy of 34 nm. To further increase the PEE, structures based on monolithically integrated microlenses without and with a back-side bragg-reflector were numerically optimized and fabricated by means of 3D-CLL. For lenses without and with bragg-reflector a PEE of 5.6 % and 23.3 % respectively is achieved. As a remarkable feature, a power-independent single-photon emission with g(2)(0) < 0.01 and an indistinguishability of the emitted photons of up to V = 80 % is determined up to saturation power. Finally, resonator structures consisting of microlenses that are sandwitched between two DBRs are numerically simulated and fabricated. The behaviour of the resonance in dependence on the lens geometry is analyzed and the interaction between a QD and the resonator is demonstrated. Altogether, this novel technology platform paves the way for the systematic selection and integration of suitable quantum emitters into precisely defined nanophotonic devices and is therefore a vital component for the realization of complex and scalable quantum systems