Повышение однофотонной эмиссии за счет идеального взаимодействия квантовой точки InAs / GaAs и моды микропиллярного резонатора

Введение

Квантовый источник света, излучающий одиночные фотоны, является ключевым устройством квантовой обработки информации [1–3]. Желательны высокая эффективность вывода фотонов, сильное подавление многофотонного излучения и высокая неразличимость [4] излучаемых одиночных фотонов. Среди всех способов реализации квантовых источников света, таких как атомные системы [5], параметрическое преобразование с понижением частоты [6] или вакансионные центры в алмазе [7, 8], полупроводниковые квантовые точки (КТ) InAs / GaAs являются многообещающими кандидатами для реализации практические монолитные квантовые источники света для квантовой связи и других приложений, таких как квантово-усиленное зондирование [9] или квантовое отображение [10]. К преимуществам квантовых точек InAs / GaAs относятся чрезвычайно узкая ширина линии [4], стабильное излучение по требованию с высокой скоростью излучения одиночных фотонов (может быть увеличено за счет связи резонатора) [11], простота настройки с помощью физических многополей [12]. –14], больше подходит для выхода связи волоконно-оптических сетей [15], а длина волны настраивается (840 ∼1300 нм в настоящее время) для потенциального применения квантовой информации в телекоммуникациях [16]. Несмотря на свои преимущества, ключевым вопросом для реализации практического источника однофотонных квантовых точек является дальнейшее повышение яркости (т.е. скорости счета) источника одиночных фотонов, что значительно повысит эффективность передачи квантовой информации [4]. Следовательно, необходимо повысить эффективность извлечения излучения квантовых точек и повысить их яркость за счет связывания квантовых точек с микрополостями, включая микростолбы [11], микродиск [17], фотонные кристаллы [18] и микроструктуры типа микролинз [19–22]. ]. Между тем, взаимодействие между светом и веществом различных систем и эффект связи в видимом и инфракрасном диапазоне интенсивно изучаются [23–27]. В последние годы изучение полупроводниковых квантовых точек, встроенных в микропиллярные полости, и их электродинамических эффектов в полостях привлекло большое внимание из-за высоких Q значение, низкий объем моды [11], и его удобство в прямом выходном соединении волокна [28–33]. Кроме того, еще одной ключевой проблемой является идеальная резонансная связь моды резонатора с длиной волны люминесценции КТ [34, 35]. В этой работе наблюдалось выраженное явление кроссовера энергии экситона и моды микропиллярного резонатора (Q ∼ 3800) и увеличение интенсивности экситонной эмиссии, и был предложен экспериментальный процесс точной калибровки мод резонатора, который может обеспечить идеальную связь моды микропиллярного резонатора. и длину волны квантовых точек, а затем создать источник одиночных фотонов с высокой яркостью и высокой чистотой одиночных фотонов.

Методы

Исследуемый образец был выращен методом МПЭ с твердым источником (система VEECO Gen930) на полуизолирующей подложке GaAs (001). Структура образца последовательно состоит из буферного слоя GaAs толщиной 500 нм, 25,5 пар Al _0,9 Га _0,1 Нижний РБО для As / GaAs, один λ -толстый резонатор из GaAs и 15 пар Al _0,9 Га _0,1 As / GaAs верхний РБО с тем же периодом. В центре один λ -плотный GaAs-резонатор, активный слой квантовых точек InAs / GaAs для однофотонной эмиссии был выращен в режиме роста Странского-Крастанова с градиентом количества осаждения индия на кристалле, так что определенные области удовлетворяют надлежащему количеству осаждения для формирования разбавленных одиночных квантовых точек с длиной волны излучения экситонов. около 910 ∼930 нм [36]. Вышеуказанный слой квантовых точек InAs представляет собой покрывающий слой GaAs толщиной 10 нм. Над облицовочным слоем находится Be δ -слой легирования со средней плотностью легирования листа около 2 × 10 ⁸ c м ⁻² для увеличения яркости КТ [37, 38], а общая схематическая структура формального образца была продемонстрирована на Рис. 1b.

а Спектры отражения при комнатной температуре ( T =300K) предварительно выращенного образца с нижним РБО 6,5 пар и верхним РБО с 4 парами и формальным образцом после процесса точной калибровки в режиме резонатора с 25,5 парами нижним и 15 парами верхним РБО. б Схематическое изображение формального образца. c Изображение микропиллярной полости диаметром 2,0 мкм на растровом электронном микроскопе (СЭМ) м и высотой 6,5 μ м

Чтобы идеально связать режим резонатора РБО с длиной волны излучения квантовых точек InAs, мы выполнили точный процесс калибровки мод резонатора. Процесс калибровки выглядит следующим образом:во-первых, определить длину волны излучения одиночного экситона КТ InAs / GaAs по μ Спектроскопия ФЛ (обычно ∼ 920 нм при 10 К); затем вырастите предварительно выращенный образец КТ с меньшим количеством Al _0,9 Га _0,1 Периоды РБО для As / GaAs (6,5 пар нижних и 4 пары верхних РБО) с толщиной, определяемой λ / 4 n ( λ :расчетная центральная длина волны резонатора DBR, n :показатель преломления материала); после выращивания предварительно выращенного образца измерьте его спектры оптического отражения при 300 К и 77 К соответственно, чтобы получить скорость сдвига моды резонатора; затем определите коэффициент рассогласования толщины РБО при той же температуре; здесь мы определили измеренное положение моды резонатора предварительно выращенного образца (например, λ 1), а коэффициент рассогласования равен λ / λ 1, так что мы выращиваем формальный образец (25,5 пар нижних и 15 пар верхних РБО) с толщиной РБО (то есть временем роста), умножая коэффициент рассогласования. Образцы, выращенные этим методом, могут точно получить идеальное фазовое согласование в микрорезонаторе DBR, как это было спроектировано, таким образом согласовываясь с длиной волны излучения одиночных квантовых точек InAs и достигая оптимального усиления излучения квантовых точек.

В данной работе массивы микростолбиков были изготовлены на образцах квантовых точек, связанных с РБР, с помощью электронно-лучевой фотолитографии (ЭЛП) и травления с индуктивно связанной плазмой (ИСП); серийный номер разработан и изготовлен на поверхности образца для идентификации каждого микропила. При измерении спектров ФЛ с температурной регулировкой образец охлаждали в криостате с безкриогенной ванной с точной настройкой температуры от 4 до 60 К и возбуждали гелий-неоновым лазером на длине волны 632,8 нм. Конфокальный микроскоп с линзой объектива (NA, 0,70) фокусирует лазер в пятно диаметром 2 μ . m и эффективно собирает люминесценцию в спектрограф, что позволяет сканировать микрообласть для поиска спектральных линий экситонов с одиночными квантовыми точками. Микрофотолюминесценция ( μ ФЛ) спектры регистрировались монохроматором с фокусным расстоянием 0,75 м, снабженным охлаждаемым жидким азотом Si CCD-детектором для спектрографа. Срез ослабления был установлен в спектральной системе для настройки мощности возбуждения, чтобы идентифицировать стиль экситона. Чтобы исследовать явление связи экситонной моды и моды резонатора, μ Спектры фотолюминесценции измерялись при различных стабильных температурах в диапазоне от 6 до 45 К. Для исследования радиационного времени жизни экситона использовалась доска для счета единичных фотонов с временной корреляцией (TCSPC) с временным разрешением μ Измерение PL. Для измерения автокорреляционной функции второго порядка g ⁽²⁾ ( τ ) люминесценция спектральной линии квантовых точек подавалась на волоконно-связанную установку Hanbury-Brown and Twiss (HBT) [20] и регистрировалась двумя лавинными модулями счета одиночных фотонов Si (SPCM-AQR-15; временное разрешение 350 пс; темновая скорость счета 80 отсчетов / с; мертвое время 45 нс) и модуль счета совпадений по времени.

Результаты и обсуждение

На рис. 1а показаны спектры отражения при комнатной температуре ( T =300 K) предварительно выращенного образца с 6,5 парами нижних и 4 парами верхних РБО и формального образца после процесса калибровки в режиме резонатора с 25,5 парами нижних и 15 пар верхних стопок РБО. Процесс калибровки моды резонатора заключается в сравнении измеренной центральной основной моды резонатора (933,5 нм предварительно выращенного образца при 300 K) с длиной волны излучения квантовых точек InAs (917,5 нм при 6,0 K), а затем преобразование обеих мод при одинаковой температуре в получить коэффициент рассогласования. При выращивании формального образца умножьте время роста РБО на коэффициент рассогласования, чтобы добиться точной калибровки моды резонатора для связи с длиной волны излучения одиночных квантовых точек InAs. Сравнивая спектры отражения предварительно выращенного образца и формального образца, положение моды резонатора было перемещено с 933,5 на 941,0 нм, как и ожидалось. На рис. 1в показано изображение микропиллярной полости, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Как показано на СЭМ-изображении, микростолбы диаметром 2,0 μ м и высотой 6,5 μ m имеют очень гладкие боковые стенки и высококачественную структуру, а квантовые точки InAs были встроены в λ -толстый резонатор из GaAs и зажат между 25,5 парами нижних и 15 парами верхних стопок РБО для повышения эффективности сбора фотонов.

На рис. 2а показана линия экситона (X) на длине волны 917,24 нм и линия мод резонатора (CM) на длине волны 917,54 нм, что является типичным нерезонансным обстоятельством КТ, внедренной в микропиллярную полость. Для идеального согласования моды резонатора РБО с длиной волны квантовых точек InAs был проведен процесс точной калибровки мод резонатора. После калибровки мода резонатора идеально сочетается с КТ, что показано на рис. 2b, где есть только линия X на 919,10 нм. В резонансе, по сравнению с нерезонансными обстоятельствами, интенсивность ФЛ линии X значительно увеличивается с 42k до 95k cps. Энергия отстройки КТ и КМ составляет 73,4 μ е V на основе результатов подгонки. Согласно измерениям резонансных и нерезонансных обстоятельств с временным разрешением, идеальная связь КТ и моды резонатора сокращает время жизни с 0,908 до 0,689 нс, как показано на рис. 2c. Сильное увеличение интенсивности излучения и уменьшение времени жизни связано с увеличением скорости спонтанного излучения для резонансного экситона с КТ из-за эффекта Парселла [39].

а μ Спектры ФЛ экситона КТ некалиброванного образца при 6,0 К с линией экситона (X) и линией моды резонатора (CM). б μ Спектры ФЛ экситона КТ калиброванного образца при 6,0 К. Цветные линии:лоренц-аппроксимация экспериментальных данных. c Измерения с временным разрешением некалиброванного образца и калиброванного образца при 6,0 К. d Зависит от мощности возбуждения μ Спектры ФЛ некалиброванного образца при 6,0 К; вставка:интегральная интенсивность ФЛ X и CM как функция мощности возбуждения в логарифмическом масштабе

Зависимость от мощности возбуждения μ Спектры фотолюминесценции квантовых точек InAs / GaAs, соединенных с микростолбом, были исследованы с использованием непрерывного (CW) гелий-неонового лазера для надзонного возбуждения, как показано на рис. 2d. Фактор качества ( Q ) микропиллярной полости оценивается в 3800. Идентификация этих эмиссионных линий демонстрируется их зависимостями от мощности. Очевидно, что с увеличением мощности возбуждения интенсивность ФЛ линии X и линии моды резонатора увеличивается. Интегрированная интенсивность ФЛ как линии X, так и линий CM в логарифмическом масштабе показывает линейную зависимость при низкой мощности возбуждения и насыщенную при высокой мощности возбуждения. Сплошные линии соответствуют данным на двойном логарифмическом графике. Результаты подгонки показывают, что интенсивность ФЛ и мощность возбуждения имеют экспоненциальную зависимость, где n ( Я ∝ P ⁿ ) линии X и CM равны 0,85 и 0,87 соответственно, что указывает на то, что тип эмиссионной линии является экситонной. Отклонение показателя степени от идеального значения, ожидаемого для экситонной линии ( n _X =1) может быть связано с влиянием центров безызлучательной рекомбинации вблизи квантовых точек [4], которые влияют на распределение носителей при разной плотности носителей.

На рис. 3а показаны температурно-регулируемые спектры ФЛ некалиброванного образца. Согласно рис. 3а, линия экситона (X) и линия моды резонатора (CM) перемещались с разной скоростью сдвига за счет увеличения температуры от 6,0 до 45,0 К. Линия CM сместилась с 917,54 нм (6,0 К) до 918,01 нм. (45,0 K), а скорость сдвига CM составляет 0,018 μ эВ / К, в то время как линия X сместилась от 917,24 нм (6,0 K) до 919,07 нм (45,0 K), а скорость сдвига X составляет около 0,069 μ эВ / К. Скорость сдвига экситонного излучения превышает ожидаемую скорость сдвига моды резонатора. Сравнивая кривые линий X и CM, две кривые пересекаются при температуре 24,0 К, указывая на точку, в которой экситон и мода резонатора достигают резонанса при 24,0 К. При резонансе наблюдается усиление экситонного излучения и наблюдаемое усиление излучения составляет примерно 14,6 раза, при этом интенсивность пика экситонной ФЛ увеличилась с 6,5 × 10 ³ cps до 9,5 × 10 ⁴ cps. Ярко выраженное явление пересечения моды резонатора и энергий экситонов продемонстрировано на рис. 3а, который указывает на то, что взаимодействие света и вещества соответствует режиму слабой связи.

а Контур температурно-настроенных спектров ФЛ некалиброванного образца от 6,0 до 45,0 К. Корреляционная функция второго порядка g ⁽²⁾ ( τ ) линии экситона (X) КТ при непрерывном возбуждении образца без процесса калибровки ( b ) и откалиброванный образец ( c ). г Излучательное время жизни и g ⁽²⁾ (0) излучения экситона для калиброванного образца при различной мощности возбуждения

Чтобы подтвердить антигруппирующий эффект однофотонного излучения экситонной линии КТ, корреляционная функция второго порядка g ⁽²⁾ ( τ ) как некалиброванного образца, так и калиброванного образца измеряли на установке HBT при непрерывном возбуждении. На рис. 3b и c показаны измеренные корреляционные функции второго порядка для линии X в условиях резонанса как функция времени задержки τ . . Данные могут быть укомплектованы следующим выражением:\ (g ^ {(2)} (\ tau) =1- [1-g ^ {(2)} (0)] exp (- \ frac {\ mid \ tau \ mid} {T}) \) [40]. На рис. 3б показана корреляционная функция второго порядка образца без калибровки. Чтобы получить лучшую однофотонную характеристику, экситонная X-линия одиночной КТ некалиброванного образца была настроена в резонанс при температуре 24,0 К для измерения g ⁽²⁾ ( τ ). Корреляционная функция второго порядка при нулевой задержке некалиброванного образца в резонансе с температурной настройкой равна g ⁽²⁾ (0) =0,258. На рисунке 3c показан g ⁽²⁾ ( τ ) экситона КТ после точной калибровки при 6,0 К, где g ⁽²⁾ (0) =0,070. Оба значения меньше 0,5, что указывает на очевидный антигруппирующий эффект и доказывает, что излучатель однофотонный с сильным подавлением многофотонного излучения при нулевой временной задержке. Благодаря точному процессу калибровки мод резонатора, идеальная связь между экситонами с квантовыми точками и модой резонатора улучшила однофотонную чистоту с 74,2% до 93,0%. На рисунке 3d показано радиационное время жизни и g ⁽²⁾ (0) излучения экситона для калиброванного образца при различной мощности возбуждения. Подгонка кривых \ (g ^ {(2)} (\ tau) =1-exp (- \ frac {\ mid \ tau \ mid} {T}) \) дает радиационное время жизни экситона ( T ), а рисунок демонстрирует, что T становится короче с увеличением мощности возбуждения, а g ⁽²⁾ (0) при более низкой мощности возбуждения меньше, чем при мощности насыщенного возбуждения, что указывает на более чистое излучение одиночных фотонов при более низкой мощности возбуждения.