Значительное усиление одиночно-фотонной эмиссии через оптимизированную связь InAs/GaAs квантовой точки с микропиллярной кавитетностью

Аннотация

Предложен точный процесс калибровки Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs DBR микропиллярной кавитетности для согласования одиночной InAs/GaAs квантовой точки (QD) экситонной эмиссии и достижения резонанса кавитетного режима и огромного усиления QD фотолюминесценции (PL). Взаимодействие света и материи одиночной QD в DBR микропиллярной кавитетности (Q ~ 3800) в режиме слабой связи изучалось температурно-настроенными PL спектрами; наблюдалось выраженное усиление (14,6-кратное) экситонной эмиссии QD на резонансе. Измерение второй порядка автокорреляции показывает g⁽²⁾(0)=0,070, а оцененная чистая скорость счета перед первым объективом достигает 1,6×10⁷ отсчетов/с при непрерывном волновом возбуждении, указывая на высокочистую одиночно-фотонную эмиссию при высоких скоростях счета.

Введение

Квантовый источник света, испускающий одиночные фотоны, — ключевое устройство квантовой информационной обработки. Желательны высокая эффективность извлечения фотонов, сильное подавление многофотонной эмиссии и высокая неразличимость испускаемых одиночных фотонов. Среди способов реализации квантовых источников света — атомные системы, параметрическое нисходящее преобразование, вакантные центры в алмазе — полупроводниковые InAs/GaAs квантовые точки (QD) являются перспективными кандидатами для практических монолитных квантовых источников света для квантовых коммуникаций и других применений, таких как квантово-усиленное сенсирование или квантовая визуализация. Преимущества InAs/GaAs QD включают экстремально узкую линию, стабильную и по запросу эмиссию с высокой скоростью одиночно-фотонной эмиссии (может быть усилена кавитетной связью), легкую настройку через физические мультиполя, большую пригодность для волоконно-массивного выходного сопряжения и настраиваемую длину волны (840-1300 нм) для потенциальных телеком квантово-информационных применений. Несмотря на преимущества, ключевая проблема реализации практичного QD одиночно-фотонного источника — как еще улучшить яркость (скорость счета) одиночно-фотонного источника, что значительно улучшит эффективность квантовой информационной передачи. Поэтому необходимо улучшить эффективность извлечения QD эмиссии и повысить их яркость путем связи QD с микрокавитетностями, включая микропилляры, микродиски, фотонные кристаллы и микроструктуры вроде микролинз. В то же время, взаимодействие света и материи разных систем и эффект связи в видимом и ИК диапазонах изучались обширно. В последние годы изучение полупроводниковых QD, встроенных в микропиллярные кавитетности, и их кавитетных электродинамических эффектов привлекло широкое внимание за высокие Q-факторы, низкие модовые объемы и удобство прямого волоконного выходного сопряжения. Кроме того, идеальный резонансный сопряжение кавитетного режима с длиной волны QD люминесценции — еще одна ключевая проблема. В этой работе наблюдалось выраженное перекрестное явление энергии экситона и микропиллярного кавитетного режима (Q ~ 3800) и усиление интенсивности экситонной эмиссии, и предложен экспериментальный точный процесс калибровки кавитетного режима, который может достичь идеального сопряжения микропиллярного кавитетного режима и длины волны QD и затем производить одиночно-фотонный источник с высокой яркостью и высокой чистотой одиночно-фотонной эмиссии.

Методы

Исследуемый образец вырос методом твердотельного МБЭ (VEECO Gen930) на полупроводящей GaAs(001) подложке. Структура образца состоит из, по порядку, 500-нм GaAs буферного слоя, 25,5 пар Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs нижнего DBR, одного λ-тощего GaAs кавитета и 15 пар Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs верхнего DBR с тем же периодом. В центре одного λ-тощего GaAs кавитета активный слой InAs/GaAs QD для одиночно-фотонной эмиссии вырос в режиме Сtranski-Krastanov с градиентом количества осажденного индия на чипе так, что определенные области удовлетворяют надлежащему количеству осадки для разбавленного одиночного QD формирования с экситонной эмиссионной длиной волны около 910-930 нм. Надлежащий над InAs QD слоем 10-нм GaAs кладдинг. Над кладдингом Be δ-допированный слой со средней плотностью поверхностной легирования ~2×10⁸ см⁻² для увеличения яркости QD, и общая схема структуры формального образца показана на Рис. 1b.

Для идеального сопряжения DBR кавитетного режима с длиной волны эмиссии InAs QD проведен точный процесс калибровки кавитетного режима. Процесс калибровки: сначала определить длину волны экситонной эмиссии одиночной InAs/GaAs QD μPL спектроскопией (обычно ~920 нм при 10 К); затем вырастить предварительный QD образец с меньшим числом периодов Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs DBR (6,5 пар нижнего и 4 пары верхнего DBR) с толщинами, определенными λ/4n (λ: спроектированная центральная длина волны DBR кавитета, n: показатель преломления материала); после роста предварительного образца измерять его оптические рефлексионные спектры при 300 К и 77 К соответственно для получения скорости смещения кавитетного режима; затем определить коэффициент несоответствия толщины DBR при той же температуре; здесь определенная измеренная позиция кавитетного режима предварительного образца (например, λ1) и коэффициент несоответствия λ/λ1 так, что формальный образец (25,5 пар нижнего и 15 пар верхнего DBR) расти с DBR толщиной (т.е. временем роста), умноженной на коэффициент несоответствия. Образцы, выросшие этим методом, могут точно получить идеальное фазовое согласование в DBR микрокавитете как спроектировано, тем самым сопрягаясь с длиной волны эмиссии одиночных InAs QD и достигая оптимального усиления QD эмиссии.

В этой работе микропиллярные массивы изготавливались на DBR кавитет-связанных QD образцах электронно-лучевой фотолитографией (EBL) и индуктивно-связанной плазмой (ICP) травингом; серийный номер проектировался и изготавливался на поверхности образца для идентификации каждого отдельного микропилляра. В температурно-настроенных PL спектрах образец охлаждался в бескриогенной банной криостате с тонкой температурной настройкой от 4 К до 60 К и возбуждался He-Ne лазером при длине волны 632,8 нм. Конфокальная микроскопическая установка с объективом (NA, 0,70) фокусировала лазер в пятно диаметром 2 мкм и эффективно собирала люминесценцию в спектрограф, позволяя сканирование микрообласти для поиска одиночных QD экситонных спектральных линий. Микро-фотолюминесценция (μPL) детектировалась 0,75-м фокальным расстоянием монохроматором с жидкостно-азотно-охлажденным Si CCD детектором для спектрографа. Аттенюационный срез устанавливался в спектральной системе для настройки мощности возбуждения, для идентификации типа экситона. Для исследования явления связи экситона и кавитетного режима μPL спектры измерялись при различных стабильных температурах от 6 до 45 К. Для исследования радиативного времени жизни экситона использовалась плата временно-коррелированного одиночно-фотонного счета (TCSPC) для времени-разрешенных μPL измерений. Для измерения функции второй порядка автокорреляции g⁽²⁾(τ) QD спектральная линия люминесценции отправлялась в волоконно-сопряженную установку Hanbury-Brown и Twiss (HBT) и детектировалась двумя Si лавинными одиночно-фотонными счетными модулями (SPCM-AQR-15; временное разрешение 350 пс; темная скорость счета 80 отсчетов/с; мертвое время 45 нс) и модулем временного совпадения счета.

Результаты и обсуждение

Рис. 1a показывает рефлексионные спектры при комнатной температуре (T = 300 К) предварительного образца с 6,5 парами нижнего и 4 парами верхнего DBR и формального образца после процесса калибровки кавитетного режима с 25,5 парами нижнего и 15 парами верхнего DBR. Процесс калибровки кавитетного режима — сравнить измеренный центральный фундаментальный кавитетный режим (933,5 нм предварительного образца при 300 К) с длиной волны эмиссии InAs QD (917,5 нм при 6,0 К), и затем конвертировать оба в ту же температуру для получения коэффициента несоответствия. При росте формального образца умножают время роста DBR на коэффициент несоответствия для достижения точной калибровки кавитетного режима для сопряжения с длиной волны эмиссии одиночных InAs QD. Сравнивая рефлексионные спектры предварительного и формального образцов, позиция кавитетного режима сместилась с 933,5 на 941,0 нм как ожидалось. Рис. 1c показывает SEM изображение микропиллярной кавитетности. Как видно на SEM, микропилляры с диаметром 2,0 мкм и высотой 6,5 мкм имеют очень гладкие боковые стенки и высокое качество структуры, и InAs QD были встроены в λ-тощий GaAs кавитет и помещены между 25,5 парами нижнего и 15 парами верхнего DBR для усиления эффективности сбора фотонов.

Рис. 2a показывает экситонную линию (X) при 917,24 нм и линию кавитетного режима (CM) при 917,54 нм — типичная нерезонансная обстановка QD, встроенной в микропиллярную кавитетность. Для идеального сопряжения DBR кавитетного режима с длиной волны InAs QD проведен точный процесс калибровки кавитетного режима. После калибровки кавитетный режим сопрягся с QD идеально, что показано на Рис. 2b, где есть только X линия при 919,10 нм. На резонансе, по сравнению с нерезонансной обстановкой, PL интенсивность X линии усилилась значительно с 42к до 95к отсчетов/с. Энергия детонации QD и CM составляет 73,4 мкэВ по результатам фиттинга. Согласно времени-разрешенным измерениям резонансной и нерезонансной обстановок, идеальная связь QD и кавитетного режима сокращает время жизни с 0,908 до 0,689 нс как показано на Рис. 2c. Сильное усиление интенсивности эмиссии и уменьшение времени жизни связаны с увеличенной скоростью спонтанной эмиссии резонансного QD экситона из-за эффекта Пурселла.

Возбуждение-зависимая μPL спектры InAs/GaAs QD, связанной с микропилляром, изучались с использованием непрерывноволнового (CW) He-Ne лазера для надполосного возбуждения как показано на Рис. 2d. Качественный фактор (Q) микропиллярной кавитетности оценивается как 3800. Идентификация этих эмиссионных линий демонстрируется их мощностными зависимостями. С увеличением мощности возбуждения PL интенсивность X линии и кавитетного режима усиливается очевидно. Интегрированная PL интенсивность и X линии и CM линий в лог-лог масштабе показывает линейную зависимость при низкой мощности возбуждения и насыщение при высокой. Сплошные линии — линейная аппроксимация данных в двойном логарифмическом графике. Результаты фиттинга показывают, что PL интенсивность и мощность возбуждения имеют экспоненциальную связь, где n (I∝Pⁿ) для X и CM линий составляют 0,85 и 0,87 соответственно, указывая, что тип эмиссионной линии — экситонная линия. Отклонение экспоненты от идеального значения для экситонной линии (n_X=1) может быть из-за влияния нерадиативных рекомбинационных центров вблизи QD, влияющих на распределение носителей при разных плотностях носителей.

Рис. 3a показывает температурно-настроенные PL спектры нескалиброванного образца. Согласно Рис. 3a, экситонная (X) линия и кавитетный режим (CM) линия смещались с разными скоростями при повышении температуры от 6,0 до 45,0 К. CM линия сместилась с 917,54 нм (6,0 К) на 918,01 нм (45,0 К), скорость смещения CM 0,018 мкэВ/К, в то время как X линия сместилась с 917,24 нм (6,0 К) на 919,07 нм (45,0 К), скорость смещения X около 0,069 мкэВ/К. Скорость смещения экситонной эмиссии больше скорости смещения кавитетного режима как ожидалось. Сравнивая кривые X и CM линий, две кривые пересекаются при температуре 24,0 К, указывая на точку, где экситон и кавитетный режим достигают резонанса при 24,0 К. На резонансе наблюдается усиление экситонной эмиссии, и наблюдаемое усиление эмиссии составляет около 14,6-кратное, где пик экситонной PL интенсивности увеличился с 6,5×10³ отсчетов/с до 9,5×10⁴ отсчетов/с. Выраженное перекрестное явление кавитетного режима и энергий экситона демонстрируется на Рис. 3a, что указывает на то, что взаимодействие света и материи соответствует режиму слабой связи.

Для подтверждения антибанчингового эффекта одиночно-фотонной эмиссии QD экситонной линии, функция второй порядка автокорреляции g⁽²⁾(τ) для нескалиброванного и скалиброванного образцов измерялась HBT установкой при CW возбуждении. Рис. 3b и c показывают измеренную функцию второй порядка автокорреляции X линии под резонансом как функцию задержки времени τ. Данные могли быть аппроксимированы выражением: g⁽²⁾(τ)=1-[1-g⁽²⁾(0)]exp(-|τ|/T). Рис. 3b показывает функцию второй порядка автокорреляции образца без процесса калибровки. Для получения лучшей одиночно-фотонной производительности, одиночная QD экситонная X линия нескалиброванного образца была настроена в резонанс при 24,0 К для измерения g⁽²⁾(τ). Функция второй порядка автокорреляции при нулевой задержке нескалиброванного образца под температурно-настроенным резонансом g⁽²⁾(0)=0,258. Рис. 3c показывает g⁽²⁾(τ) QD экситона после точного процесса калибровки при 6,0 К, где g⁽²⁾(0)=0,070. Оба меньше 0,5, что указывает на очевидный антибанчинговый эффект и доказывает одиночно-фотонный излучатель с сильным подавлением многофотонной эмиссии при нулевой временной задержке. Благодаря точному процессу калибровки кавитетного режима, идеальная связь между QD экситоном и кавитетным режимом улучшила чистоту одиночно-фотонной эмиссии с 74,2 % до 93,0 %. Рис. 3d показывает радиативное время жизни и g⁽²⁾(0) экситонной эмиссии для скалиброванного образца под разной мощностью возбуждения. Кривые фиттинга g⁽²⁾(τ)=1-exp(-|τ|/T) дают радиативное время жизни экситона (T), и рисунок демонстрирует, что T становится короче при увеличении мощности возбуждения, в то время как g⁽²⁾(0) при более низкой мощности возбуждения меньше, чем при насыщенной мощности возбуждения, указывая на более чистую одиночно-фотонную эмиссию при более низкой мощности возбуждения.

Для получения чистой одиночно-фотонной скорости счета QD экситона после точного процесса калибровки, оценили все оптические потери, включая эффективность детектирования фотонов и потери передачи. Эффективность детектирования фотонов Si детектора 33 %, потери передачи 81 % включая эффективность сбора объективом (66 %), эффективность узкополосного фильтра (40 %), волоконный коллиматор (80 %) и эффективность мультимодного волоконного сопряжения (90 %). Основываясь на скорости счета (1,0×10⁶ отсчетов/с) на двух Si одиночно-фотонных детекторах в измерениях совпадений и скорректированной скорости счета фотонов коэффициентом [1-g⁽²⁾(0)]¹/², оцениваем чистую одиночно-фотонную скорость счета 1,6×10⁷ отсчетов/с на первом объективе. Результаты указывают, что на стадии роста образца идеальная связь между кавитетным режимом и QD экситоном может произвести более чистый и яркий одиночно-фотонный источник через точный процесс калибровки.