[論文レビュー] Direct observation of nanofabrication influence on the optical properties of single self-assembled InAs/GaAs quantum dots

Jin Liu, Kumarasiri Konthasinghe+12 more|Figshare|Oct 26, 2017

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 27被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、エッチング前後の光学的性質を追跡することで、単一の InAs/GaAs 量子ドットにおけるナノフォトニクスプロセスに起因する劣化を直接調査した。高精度ナノスケール位置決めを用い、~200 nm 以内のエッチング表面が発光線幅を最大数 GHz 幅広げることを明らかにしたが、放射効率の顕著な低下は認めなかった。原子層エピタクシー（ALD）はスペクトル拡散を安定化させ、線幅を部分的に回復させた。

ABSTRACT

Single self-assembled InAs/GaAs quantum dots are a promising solid-state quantum technology, with which vacuum Rabi splitting, single-photon-level nonlinearities, and bright, pure, and indistinguishable single-photon generation having been demonstrated. For such achievements, nanofabrication is used to create structures in which the quantum dot preferentially interacts with strongly-confined optical modes. An open question is the extent to which such nanofabrication may also have an adverse influence, through the creation of traps and surface states that could induce blinking, spectral diffusion, and dephasing. Here, we use photoluminescence imaging to locate the positions of single InAs/GaAs quantum dots with respect to alignment marks with < 5 nm uncertainty, allowing us to measure their behavior before and after fabrication. We track the quantum dot emission linewidth and photon statistics as a function of distance from an etched surface, and find that the linewidth is significantly broadened (up to several GHz) for etched surfaces within a couple hundred nanometers of the quantum dot. However, we do not observe appreciable reduction of the quantum dot radiative efficiency due to blinking. We also show that atomic layer deposition can stabilize spectral diffusion of the quantum dot emission, and partially recover its linewidth.

研究の動機と目的

• 単一自己組織的形成 InAs/GaAs 量子ドットの光学的性質に及ぼすナノフォトニクスプロセス（特にプラズマドライエッチング）の直接的影響を評価すること。
• フォトリソグラフィーに起因する表面状態やトラップが、特に点滅、スペクトル拡散、および位相崩壊に関して量子ドットの性能を劣化させるかどうかという未解決の問題を解明すること。
• 高精度光学位置決めを用いて、ナノフォトニクス前後における単一量子ドットの挙動を正確に比較可能にすること。
• 原子層エピタクシー（ALD）が、ナノフォトニクスに起因するスペクトル不安定性を軽減する効果を評価すること。

提案手法

• アライメントマークからの相対位置を <5 nm の不確実性で特定できるナノスケール光学位置決め技術を用いて、単一 InAs/GaAs 量子ドットの位置を特定した。
• 900 nm 帯で 80% 以上の量子効率を示す超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を用いた光励起イメージングにより、高感度な単一ドット特性評価を実現した。
• 電子ビームリソグラフィーと塩素ベースのドライエッチングを用いて、ナノ構造（例：円形ブラッググレーティング、ナノピラー）を形成し、個々のドットを追跡可能な状態を維持した。
• ハナリー・ブラウン・トゥイス・セットアップを用いて 2 階の自己相関測定（$g^{(2)}( au)$）を実施し、光子統計と点滅挙動を評価した。
• 1 つの明るい励起子状態と 1 つの暗い状態を含むレート方程式モデルで $g^{(2)}( au)$ データをフィッティングし、量子効率と点滅ダイナミクスを推定した。
• 300 °C で TMA と O₂ プラズマを前駆体として用い、エッチング表面に Al₂O₃ を ALD でコーティングし、そのスペクトル安定性への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノフォトニクス構造におけるエッチング表面に近接すると、単一 InAs/GaAs 量子ドットの発光線幅はどの程度広がるか？
• RQ2 プラズマドライエッチングによるナノフォトニクス処理が、単一量子ドットの点滅や放射効率に顕著な影響を及ぼすか？
• RQ3 量子ドット周辺の表面状態やトラップが、スペクトル拡散および位相崩壊にどのように影響するか？
• RQ4 原子層エピタクシー（ALD）は、スペクトル拡散を低減させ、線幅を回復させることで量子ドットの発光を効果的に安定化できるか？

主な発見

• エッチング表面からの距離が ~200 nm 以内の場合、単一 InAs/GaAs 量子ドットの発光線幅が顕著に広がり（最大数 GHz）、ナノフォトニクスに起因する位相崩壊が強いことが示された。
• $g^{(2)}(0)$ 値が 0 に近く、500 ns 以内にポisson統計へと急激に収束することから、放射効率の顕著な低下や点滅は観察されなかった。
• 100 nm 直径のナノピラーに配置された量子ドットは高い量子効率を示し、アンチバウンディングが 500 ns 以内にポissonレベルへ回復した。これは、類似構造において過去の研究で必要とされた 7 個の暗い状態モデルとは対照的であった。
• エッチング表面に Al₂O₃ を ALD でコーティングすることで、スペクトル拡散が安定化され、線幅が部分的に回復した。これは、表面に起因する位相崩壊が軽減されたことを示唆している。
• 本研究では、放射効率が高くても、表面に近接することでナノフォトニクスに起因する顕著な位相崩壊が生じることを実証した。
• 高精度位置決め技術により、ナノフォトニクス前後における単一ドット特性の直接比較が可能となり、長年のナノフォトニクスに起因する劣化の不確実性が解消された。