InAs 이중층 양자점과 마이크로필라 캐비티를 이용한 1.3 µm 고성능 단일광자 소스

배경

광섬유 기반 양자 정보에는 통신 대역 실제 단일광자 소스(SPS)가 필요해 강하게 감쇠된 펄스 레이저 기반 유사 SPS 대체. 자기조립 개별 양자점(QD)은 실제 단일광자 방출 잠재력으로 큰 관심 [1,2,3,4]. 분산 브라그 반사체(DBR) 캐비티를 단일 QD와 통합하면 지향성 방출 향상. InP 기판 위 InAs QD가 ~1.55 µm 발광, 격자정합 인듐 풍부 소재 저온 성장 DBR [5, 6]과 비교해, GaAs 기판 위 InAs QD는 격자정합 고품질 GaAs/Al₀.₉Ga₀.₁As DBR 쉬운 통합 장점. InAs/GaAs QD SPS를 통신 대역 구현하려면 발광 파장을 통상 ~0.9 µm에서 1.3 또는 1.55 µm로 확장하고 밀도 10⁷–10⁸ cm⁻² 유지해 마이크로영역 단일 QD 실현 필요. 분자빔 에피택시(MBE) 저밀도 InAs QD 제조 위해 초저 성장률 [3], 고성장 온도 [7,8,9], QD 증착량 정밀 제어 [10], 메사/홀 패턴 기판 성장 [11] 또는 마이크로필라 식각 [12, 13] 등 제안. 발광 파장 확장을 위해 QD 변형 공학 [14], 변성 구조 [2], 변형 결합 이중층 QD(BQD) 구조 [15,16,17] 등 개발. GaAs 기판 BQD 구조는 1.3 µm 이상 발광 달성 효과적. 고밀도 BQD ~1.5 µm 실온 레이저 다이오드 적용 [15, 16]. 변성층과 활성층 초저 성장률 회피로 결정 품질 저하 방지 [2], BQD 구조가 통신 파장 저밀도 QD 성장에도 바람직. 저밀도 InAs/GaAs BQD 1.3 µm 발광 선행 연구 [18]서 얻음. 광섬유 응용용 1.3 µm 고계수 단일광자 위해 [2, 19] 단일 QD 광자 추출 효율 개선 필수. 본 서신에서 BQD 구조 성장 조건 추가 최적화와 마이크로필라 구조 제작으로 1.3 µm 발광 단일 InAs/GaAs BQD 광자 추출 대폭 개선. 단일광자 계수율 InGaAs 단일광자 계수 모듈서 62,000 counts/s, 컨포칼 현미경 분광 설정 광자 수집 효율 고려 시 제1 대물렌즈서 3.45 M counts/s 도달. InAs/GaAs 이중층 QD 이용 통신 파장 고계수 단일광자 방출 최초 보고. n형 δ-도핑 층을 BQD 층 인접 도입해 전자 하전 엑시톤 생성으로 방출 강도 추가 향상 가능 [13].

방법

조사 시료 고체원천 MBE(VEECO Gen930 시스템)로 반절연 (100) GaAs 기판 위 성장. 시료 구조 순서대로: 300 nm 두께 GaAs 버퍼층, 25.5쌍 파장정합 Al₀.₉Ga₀.₁As(113.7 nm)/GaAs(98.6 nm) 하부 DBR, 1 λ 두께 무도핑 GaAs 캐비티, 동일 주기 8쌍 Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs 상부 DBR. GaAs 캐비티 중심에 통신 발광용 활성층, 즉 InGaAs 변형 완화층 포함 BQD 구조, 470 °C Stranski-Krastanov 성장 모드 성장(선행 연구보다 낮은 온도). 성장 상세 Ref. [18]. 본 연구서 특별히 포토리소그래피와 염소(Cl₂)-아르곤(Ar) 혼합가스 유도결합 플라즈마(ICP) 식각으로 DBR 캐비티 결합 BQD 시료 위 마이크로필라 어레이 제작. Fig. 2a SEM 이미지서 마이크로필라 직경 ~3 µm, 높이 7.75 µm, 매우 매끄러운 측벽 확인. 시료 극저온 비냉동 크라이오스탯 4–50 K 미세 조절 냉각, 633 nm He-Ne 레이저 여기. 컨포칼 현미경 설정(대물렌즈 NA 0.65) 레이저 2 µm 직경 스팟 집속, 발광 효과적 수집 분광기, 마이크로영역 스캔으로 단일 QD 엑시톤 스펙트럼 라인 탐색. 마이크로포토루미네선스(µPL) 스펙트럼 0.3 m 초점거리 모노크로메이터, 액체질소 냉각 InGaAs 선형어레이 검출기 분광기. 반사율 측정 분광광도계(PerkinElmer 1050) 2 nm 스텝, 3 mm × 3 mm 광스팟. 엑시톤 복사 수명 조사 위해 시간상관 단일광자 계수(TCSPC) 보드와 Ti:Sapphire 펄스 레이저(펄스폭 ~100 fs, 반복주파수 80 MHz, 파장 740 nm) 시간분해 µPL 측정. 2차 자기상관함수 g⁽²⁾(τ) 측정 위해 QD 스펙트럼 라인 발광 광섬유 결합 Hanbury-Brown and Twiss(HBT) 셋업 [20] 전송, 두 InGaAs 눈사태 단일광자 계수 모듈(IDQ 230; 시간분해능 200 ps; 다크카운트 ~80 counts/s; 데드타임 30 µs)과 시간일치 계수 모듈 검출.

결과 및 논의

Figure 1a, b 480 °C와 470 °C 성장 BQD AFM 이미지. 480 °C 시료 BQD 평균 직경 61 nm, 높이 ~10 nm. 470 °C 시료 평균 직경 75 nm, 높이 13 nm로 480 °C 대비 더 크고 높음. 낮은 온도 QD 크기와 종횡비 증가 기여 [21]. 광자 수집 효율 향상 위해 BQD λ-두께 GaAs 캐비티 내 임베드, 25.5 하부, 8 상부 DBR 스택 샌드위치. 두 시료 모두 동일, BQD 성장 온도만 다름. Fig. 1c 관측된 가장 밝은 BQD PL 스펙트럼 두 시료서 큰 차이. 낮은 성장 온도서 PL 강도 크게 향상, BQD 주변 변형 완화와 전위 감소 기인 [21]. Figure 1d 하부 DBR 측정 반사율 스펙트럼, 1310–1380 nm 범위 ~99% 값, QD 발광 반사 좋은 미러 입증.

1 × 1 µm² 원자력 현미경(AFM) 이미지 언캡 BQD 성장 a 480 °C, b 470 °C. c DBR 캐비티 임베드 BQD µPL 스펙트럼, 480 °C(적색), 470 °C(흑색), 4 K 측정. d 하부 DBR 반사율 스펙트럼, 상온 측정

Figure 2 마이크로필라 SEM 이미지, 내장 대표 BQD µPL 스펙트럼. Figure 2d 온도 함수 µPL 스펙트럼. BQD 발광 30 K에서 최대 강도, 캐비티 공명 시사; Fig. 2c 참조. 마이크로필라 캐비티 품질 인자(Q) ~361 추정. 낮은 Q는 통신 파장에서 GaAs와 Al₀.₉Ga₀.₁As 반사율 오프셋 작음, 기존 <1 µm 발광 QD 결합 DBR보다 적은 DBR 쌍 사용 탓 [12, 22].

a 마이크로필라 구조 SEM 이미지(직경 ~3 µm). b 4 K 마이크로필라 내 단일 BQD 대표 PL 스펙트럼. d 마이크로필라 내 대표 BQD 온도 의존 µPL 스펙트럼, c 엑시톤-캐비티 디튠 함수 통합 PL 강도, 여기 파워 ~2 µW, 적색 선: 로렌츠 피팅

마이크로필라 내 InAs/GaAs BQD 여기 파워 의존 µPL 스펙트럼 연속파(cw) He-Ne 레이저 위밴드 여기로 연구, Fig. 3a. 엑시톤 라인(X) 1325.6 nm, 하전 엑시톤 라인(X*) 1327.1 nm 나타남. 다양한 파워 의존성으로 방출 라인 식별 뒷받침. Fig. 3b 1325.6 nm X 라인 통합 PL 강도 저파워 영역서 여기 파워 선형 의존, 고여기 파워서 포화. 실선 이중로그 플롯 데이터 선형 피팅. 1327.1 nm X* 라인 비포화 여기 파워 의존성 [23]. 후속 조사 X 라인 수행.

a 마이크로필라 내 대표 BQD 여기 파워 의존 µPL 스펙트럼 (T = 4 K). b 엑시톤(X)과 하전 엑시톤(X*) 통합 PL 강도 여기 파워 함수 이중로그 스케일. 색상 선: 실험 데이터 선형 피팅

시간분해 PL 측정으로 퍼셀 향상 결정. 캐비티 공명시와 원거리 디튠 BQD X 라인 자발방출 붕괴 Fig. 4a. 피팅 복사 수명 공명 0.66 ns, 원거리 디튠 1.25 ns, 퍼셀 향상 인자 1.9 대응. X 라인 1325.6 nm 단일광자 방출 확인 위해 2차 상관함수 g⁽²⁾(τ) HBT 셋업 cw 여기와 포화 펄스 여기로 측정. Figure 4b cw 여기 아래 X 라인 2차 상관함수 지연시간 τ 함수. 데이터 다음 식으로 피팅: g⁽²⁾(τ) = 1 − [1 − g⁽²⁾(0)]exp(−|τ|/T) [24]. 피팅 결과 g²(0) = 0.14, 영시간 지연에서 다중광자 방출 강하게 억제된 단일광자 방출체 입증. 검출기 계수율 Fig. 4c 펌프 파워 함수. 약펌프 영역 선형 의존, 강펌프 영역 포화. 포화시 두 InGaAs 단일광자 검출기서 ~62,000 counts/s, 두 검출기 다크카운트 포함. 제1 렌즈 수집 광자수 산출 위해 cw 레이저 1320 nm로 전체 광학 손실 보정. 현미경 대물렌즈, 장파장 패스 필터, 미러, 렌즈, 모노크로메이터, 렌즈, 파이버 커넥터 효율 포함 전송 손실 10.46 dB. 데드타임 30 µs InGaAs 검출기 검출 효율 18%, 다크카운트 ~150 counts/s. InGaAs 단일광자 검출기 계수율과 [1−g²(0)]¹ᐟ² [25] 보정 인자로 다중광자 방출과 다크카운트 기여 보정 후 순수 단일광자 검출율 포화 펌프 파워서 제1 대물렌즈 3.45 × 10⁶ counts/s 추정. 마이크로필라 구조 광자 추출 효율 평가 위해 펄스 여기 측정도 수행. Fig. 4d, e 포화 펌프 파워서 단일광자 검출기 48,000/s 계수율, g²(0)=0.19, 80 MHz 반복률 레이저 여기, 다중광자 방출 기여 보정과 검출 셋업 효율 고려 후 광자 추출 효율 3.3% 추정. 비공명 여기 과정 [12, 26]과 InGaAs 검출기 저검출효율, 긴 데드타임으로 관측 단일광자 계수율 과소평가 가능성.

a X 라인 마이크로필라 공명(흰 원) 및 비공명(검은 원) 시간분해 측정, 퍼셀 인자 F_p = 1.9 드러냄. b, d cw 여기와 80 MHz 펄스 레이저 여기 포화 펌프 파워 X 라인 2차 상관함수 g⁽²⁾(τ). c, e cw와 펄스 여기 엑시톤 피크 1325.6 nm 펌프 파워 의존 PL 강도. c, e 검은 원 InGaAs 검출기 기록 계수율

결론

결론적으로 마이크로필라 Al₀.₉Ga₀.₁As/GaAs DBR 캐비티 내 단일 변형 결합 이중층 InAs/GaAs QD 이용 1325.6 nm 밝은 단일광자 소스 제시. QD 성장 온도 최적화와 마이크로필라 구조 제작으로 단일광자 방출 실제 향상. 검출 단일광자율 62,000 counts/s, 제1 대물렌즈 단일광자 방출율 3.45 MHz 대응. 광자 추출 효율 Q ~300 마이크로필라 캐비티서 ~3.3% 추정. InGaAs 단일광자 계수 모듈 2차 자기상관 측정 g⁽²⁾(0) = 0.14, 고계수에서도 단일광자 방출 입증. InAs/GaAs 이중층 QD 단일 소자 이용 통신 대역 고계수 단일광자 방출 최초 보고.

약어

AFM:

원자력 현미경

BQD:

이중층 QD

cw:

연속파

DBRs:

분산 브라그 반사체

HBT:

Hanbury-Brown and Twiss

ICP:

유도결합 플라즈마

MBE:

분자빔 에피택시

QDs:

양자점

SEM:

주사전자현미경

SPSs:

단일광자 소스

TCSPC:

시간상관 단일광자 계수

µPL:

마이크로포토루미네선스