InAs/GaAs 양자점과 미세기둥 공동 모드의 완벽한 결합으로 단일 광자 방출 향상

결과 및 토론

그림 1a는 실온(T =300K) 6.5쌍의 아래쪽 및 4쌍의 위쪽 DBR이 있는 사전 성장 샘플과 25.5쌍의 아래쪽 및 15쌍의 위쪽 DBR 스택이 있는 캐비티 모드 보정 프로세스 후의 형식 샘플. 캐비티 모드 보정 과정은 측정된 중심 기본 캐비티 모드(300K에서 사전 성장된 샘플의 933.5nm)와 InAs QD(6.0K에서 917.5nm)의 방출 파장을 비교한 다음 둘 다 동일한 온도로 변환하여 불일치 비율을 얻습니다. 형식 샘플을 성장시킬 때 DBR 성장 시간에 불일치 비율을 곱하여 단일 InAs QD의 방출 파장과 결합하도록 캐비티 모드의 정확한 보정을 달성합니다. 미리 성장한 샘플과 형식 샘플의 반사 스펙트럼을 비교하면 캐비티 모드 위치가 예상대로 933.5에서 941.0nm로 이동했습니다. 그림 1c는 미세기둥 공동의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다. SEM 이미지에서 볼 수 있듯이 직경이 2.0 μ인 미세기둥은 m 및 높이 6.5 μ m은 매우 부드러운 측벽과 고품질 구조 외관을 가지고 있으며 InAs QD는 λ -두꺼운 GaAs 캐비티와 광자 수집 효율성을 향상시키기 위해 25.5쌍의 하부 DBR 스택과 15쌍의 상부 DBR 스택 사이에 끼워져 있습니다.

그림 2a는 917.24nm에서 엑시톤 라인(X)과 917.54nm에서 캐비티 모드(CM) 라인을 보여줍니다. 이는 마이크로필러 캐비티에 내장된 QD의 일반적인 비공진 환경입니다. DBR 캐비티 모드와 InAs QD의 파장을 완벽하게 결합하기 위해 정확한 캐비티 모드 보정 과정을 수행했습니다. 보정 후 캐비티 모드는 QD와 완벽하게 결합되어 그림 2b에서 919.10nm에서 X선만 있는 것을 보여줍니다. 공진 시, 비공진 환경과 비교하여 X 라인의 PL 강도가 42k에서 95k cps로 크게 향상됩니다. QD 및 CM의 디튜닝 에너지는 73.4 μ입니다. 이 V 피팅 결과를 기반으로 합니다. 공진 및 비공진 환경의 시간 분해 측정에 따르면 QD와 캐비티 모드의 완벽한 결합은 그림 2c와 같이 수명을 0.908ns에서 0.689ns로 줄입니다. 방출 강도의 강한 향상과 수명의 감소는 Purcell 효과로 인한 공진 QD 여기자의 자발적 방출 속도 증가와 관련이 있습니다[39].

아 μ 엑시톤(X) 라인과 캐비티 모드(CM) 라인이 있는 6.0K에서 보정되지 않은 샘플의 QD 엑시톤의 PL 스펙트럼. ㄴ μ 6.0K에서 보정된 샘플의 QD 여기자의 PL 스펙트럼. 컬러 라인:실험 데이터의 로렌츠 피팅. ㄷ 6.0K에서 보정되지 않은 샘플 및 보정된 샘플의 시간 분해 측정. d 여자 전력 의존 μ 6.0K에서 보정되지 않은 샘플의 PL 스펙트럼; 삽입:로그-로그 스케일에서 여기 전력의 함수로서 X 및 CM의 통합 PL 강도

여자 전력 의존 μ 마이크로필러와 결합된 InAs/GaAs QD의 PL 스펙트럼은 그림 2d와 같이 대역 이상 여기를 위해 연속파(CW) He-Ne 레이저를 사용하여 연구되었습니다. 품질 요소(Q ) 마이크로필러 공동의 3800으로 추정됩니다. 이러한 방출 라인의 식별은 전력 의존성에 의해 입증됩니다. 가진력이 증가함에 따라 X선과 캐비티 모드선의 PL 강도가 분명히 향상됩니다. 로그-로그 스케일에서 X 라인과 CM 라인의 적분된 PL 강도는 낮은 여기 전력에서는 선형 의존성을 나타내고 높은 여기 전력에서는 포화 상태를 나타냅니다. 실선은 이중 로그 플롯의 데이터에 선형 피팅됩니다. 피팅 결과는 PL 강도와 여기 전력이 n (나 ∝피 ⁿ X와 CM 라인의 )은 각각 0.85와 0.87로, 발광 라인 유형이 엑시톤 라인임을 나타냅니다. 엑시톤 라인에 대해 예상되는 이상적인 값에서 지수 편차(n _X =1) 다른 캐리어 밀도에서 캐리어 분포에 영향을 미치는 QD[4] 부근의 비방사성 재결합 센터의 효과 때문일 수 있습니다.

그림 3a는 보정되지 않은 샘플의 온도 조정된 PL 스펙트럼을 보여줍니다. 도 3a에 따르면 엑시톤(X) 라인과 캐비티 모드(CM) 라인은 온도를 6.0에서 45.0K로 증가시켜 서로 다른 이동 속도로 이동했다. CM 라인은 917.54nm(6.0K)에서 918.01nm로 이동했다. (45.0K) 및 CM 변속 속도는 0.018 μ입니다. eV/K, X선이 917.24nm(6.0K)에서 919.07nm(45.0K)로 이동하고 X 이동 속도는 약 0.069 μ입니다. eV/K. 엑시톤 방출 이동 속도는 예상대로 캐비티 모드 이동 속도보다 큽니다. X선과 CM선의 곡선을 비교하면 24.0K의 온도에서 두 곡선이 교차하여 엑시톤과 캐비티 모드가 24.0K에서 공진에 도달하는 지점을 나타냅니다. 공진에서 엑시톤 방출의 향상이 있고 관찰된 방출 향상은 엑시톤 PL 피크 강도가 6.5×10 ³ 에서 증가한 경우 약 14.6배입니다. cps ~ 9.5×10 ⁴ cps. 캐비티 모드와 엑시톤 에너지의 뚜렷한 교차 현상은 그림 3a에 나와 있으며, 이는 빛-물질 상호 작용이 약한 결합 체제를 따른다는 것을 나타냅니다.

아 6.0 ~ 45.0K 범위에서 보정되지 않은 샘플의 온도 조정된 PL 스펙트럼 등고선. 2차 상관 함수 g ⁽²⁾ (τ ) 보정 과정 없이 샘플의 CW 여기에서 QD 여기자(X) 라인(b ) 및 보정된 샘플(c ). d 복사 수명 및 g ⁽²⁾ (0) 다른 여기 전력에서 보정된 샘플에 대한 여기자 방출

QD 엑시톤 라인의 단일 광자 방출의 번칭 방지 효과를 확인하기 위해 2차 상관 함수 g ⁽²⁾ (τ ) 보정되지 않은 시료와 보정된 시료 모두 CW 여기에서 HBT 설정으로 측정되었습니다. 그림 3b 및 c는 지연 시간 τ의 함수로 공진 상태에서 측정된 X 라인의 2차 상관 함수를 보여줍니다. . 데이터는 다음 식으로 적합할 수 있습니다. \(g^{(2)}(\tau)=1-[1-g^{(2)}(0)]exp(-\frac {\mid \tau \mid }{T})\) [40]. 그림 3b는 보정 과정이 없는 샘플의 2차 상관 함수를 보여줍니다. 더 나은 단일 광자 성능을 얻기 위해 보정되지 않은 샘플의 단일 QD 여기자 X 라인을 24.0K에서 공진으로 조정하여 g ⁽²⁾ (τ ). 온도 조정 공진에서 보정되지 않은 샘플의 지연이 0일 때의 2차 상관 함수는 g입니다. ⁽²⁾ (0)=0.258. 그림 3c는 g ⁽²⁾ (τ ) 6.0K 미만의 정밀 교정 프로세스 후 QD 여기자의 g ⁽²⁾ (0)=0.070. 둘 다 0.5 미만이며, 이는 명백한 번칭 방지 효과를 나타내며 제로 시간 지연에서 다중 광자 방출을 강력하게 억제하는 단일 광자 방출기를 입증합니다. 정확한 캐비티 모드 보정 프로세스로 인해 QD 엑시톤과 캐비티 모드 간의 완벽한 결합으로 단일 광자 순도가 74.2%에서 93.0%로 향상되었습니다. 그림 3d는 복사 수명과 g를 보여줍니다. ⁽²⁾ (0) 다른 여기 전력에서 보정된 샘플에 대한 여기자 방출. \(g^{(2)}(\tau)=1-exp(-\frac {\mid \tau \mid }{T})\)의 곡선 피팅은 여기자 복사 수명(T ), 그리고 그림은 T 여기 전력이 증가함에 따라 짧아지는 반면 g ⁽²⁾ (0) 낮은 여기 전력에서 포화 여기 전력보다 더 작으며, 낮은 여기 전력에서 더 순수한 단일 광자 방출을 나타냅니다.