[論文レビュー] Bright Room-Temperature Single Photon Emission from Defects in Gallium Nitride

Amanuel M. Berhane, Kwang‐Yong Jeong+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、既存の光子集積回路と互換性がある成熟した半導体である窒化ガンメチウム（GaN）の欠陥からの明るい室温単一光子発光を示している。発光体は、六方晶GaN中の立方晶インクルージョンに起因するとされ、1秒あたり500,000カウントを超える輝度を達成しており、量子技術のスケーラブルでオンチップなプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Single photon emitters play a central role in many photonic quantum technologies. A promising class of single photon emitters consists of atomic color centers in wide-bandgap crystals, such as diamond silicon carbide and hexagonal boron nitride. However, it is currently not possible to grow these materials as sub-micron thick films on low-refractive index substrates, which is necessary for mature photonic integrated circuit technologies. Hence, there is great interest in identifying quantum emitters in technologically mature semiconductors that are compatible with suitable heteroepitaxies. Here, we demonstrate robust single photon emitters based on defects in gallium nitride (GaN), the most established and well understood semiconductor that can emit light over the entire visible spectrum. We show that the emitters have excellent photophysical properties including a brightness in excess of 500x10^3 counts/s. We further show that the emitters can be found in a variety of GaN wafers, thus offering reliable and scalable platform for further technological development. We propose a theoretical model to explain the origin of these emitters based on cubic inclusions in hexagonal gallium nitride. Our results constitute a feasible path to scalable, integrated on-chip quantum technologies based on GaN.

研究の動機と目的

• 光子集積回路と互換性がある技術的に成熟した半導体に、強力で安定した単一光子発光体を特定すること。
• ダイヤモンドやSiCのような広帯ギャップ材料の制限を克服し、低インデックス基板上に薄膜として容易に成長できない問題に対処すること。
• 実用的な量子技術に向けたスケーラブルでオンチップのガリウムナイトライド（GaN）ベースの量子発光体を実証すること。
• 六方晶GaN中の立方晶インクルージョンに基づく発光体の起源を説明する理論的モデルを提案すること。
• 複数のGaNウェーハにわたる発光体の性能評価を通じて、信頼性と再現性を確認すること。

提案手法

• 室温下でのマイクロフォトレアリスセンス分光法を用いた単一光子発光体の同定。
• 共焦点顕微鏡を用いて、GaNウェーハ内の個々の欠陥の発光特性をマッピングおよび特徴付けた。
• 環境条件下での発光体の輝度、光安定性、およびスペクトル特性を測定した。
• 立方晶インクルージョンが六方晶GaN格子に埋め込まれた欠陥構造の理論的モデリング。
• 透過型電子顕微鏡およびX線回折データで観察された構造的不均一性と発光特徴の相関を分析した。
• 複数のGaNウェーハにおける発光体性能の評価を通じて、再現性とスケーラビリティを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 窒化ガリウム（GaN）の欠陥から明るい室温単一光子発光を達成できるか？
• RQ2 GaNウェーハで観察された単一光子発光体の構造的起源は何か？
• RQ3 これらの発光体は、異なるGaN基板上で安定的で再現可能かつスケーラブルか？
• RQ4 GaNベースの発光体は、既存の光子集積回路技術に統合可能か？
• RQ5 GaNベースの発光体の輝度は、他の既知の単一光子源と比べてどうか？

主な発見

• 本研究では、1秒あたり500,000カウントを超える輝度を示すGaNにおける単一光子発光体を報告している。これは、多くの既存の光源よりも顕著に高い。
• 発光体は室温で安定しており、明確な発光線を示す狭帯域発光を示している。
• 複数のGaNウェーハにわたり明るい発光体が観察され、再現性とスケーラビリティが裏付けられた。
• 理論的モデリングにより、発光体は六方晶GaNマトリックス内の立方晶インクルージョンに起因するとされた。
• 発光体は頑丈で、標準的な半導体プロセスと相性が良く、光子回路への統合が可能である。
• 本研究の結果は、GaNを用いたスケーラブルでオンチップの量子技術への実現可能性を示している。