[論文レビュー] III-nitride based quantum dots for photon emission with controlled polarization switching

Supaluck Amloy, Fredrik Karlsson+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2013

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、亜鉛鉛型InNを含むIII族窒化物量子ドットが、高い感度で動的かつ電場制御可能な線形偏光スイッチングを実現できることを提案している。6バンドk·p計算を用いて、中程度の横方向電場が、ほぼ完全な線形偏光を誘発し、その方向を90°反転させられることを示した。これにより、量子情報技術に最適な1光子ごとの偏光制御が可能となる。

ABSTRACT

Computational studies based on 6 band k$\cdot$p theory are employed on lens-shaped III-nitride quantum dots (QDs) with focus on the polarization properties of the optical interband transitions. The results predict pronounced linear polarization of the ground-state related transitions for asymmetric QDs of a material with small split-off energy. It is demonstrated that a moderate externally applied electric field can be used to induce a linear polarization and to control its direction. InN is found to be the most efficient choice for dynamic polarization switching controlled by an electric field, with potential for polarization control on a photon-by-photon level.

研究の動機と目的

• 単一光子放出において、制御可能な偏光を有するIII族窒化物量子ドットの偏光特性を調査すること。
• 量子ドットを用いた単一光子源において、動的かつオンデマンドの偏光スイッチングを達成する課題に対処すること。
• 量子情報技術分野における高精度な電場可変線形偏光を実現する材料および構造を同定すること。
• 分離エネルギー、QDの対称性、外部電場が偏光特性に与える影響を評価すること。
• 量子暗号および量子計算における1光子ごとの偏光制御に最適なInNベースの量子ドットを提案すること。

提案手法

• 電子および正孔の包絡波動関数とエネルギー準位を計算するために、有限差分離散化を用いた6バンドk·p理論を採用した。
• 連続体力学的弾性理論を用いて歪み効果を組み込み、自発的分極およびピエゾ効果に起因する内部分極電場を考慮した。
• 線形偏光度を決定するために、光学遷移双極子行列要素を計算し、$ P = \frac{I_x - I_y}{I_x + I_y} $ を用いた。ここで $ I_x $ および $ I_y $ は直交する平面内方向の強度を表す。
• 高さを固定（2 nm）し、楕円形の底面（平均半径6 nm）を変化させたレンズ型QDをモデル化し、拡張度を制御するための対称性パラメータ $ \alpha = b/a $ を用いた。
• バルク状態の遷移エネルギーのストarkシフトが50 kV/cmまで10 meV未満に収まるため、低温環境下でも実現可能である。
• 亜鉛鉛型InNを(111)面に用い、予測された高い感度と対称性の利点から、主たるモデルとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分離エネルギーが、非対称なIII族窒化物量子ドットにおける遷移の線形偏光にどのように影響するか？
• RQ2 外部電場が、III族窒化物量子ドットにおける線形偏光の方向を動的に制御できるか？
• RQ3 InNベースの量子ドットは、従来のIII-砒素化物と比較して、偏光スイッチング効率および感度はどの程度か？
• RQ4 QDの対称性および結晶構造（ウルツァイト対比亜鉛鉛型）が、偏光制御能力に与える影響は何か？
• RQ5 電極の再配置なしに、電場が偏光方向を90°切り替える程度に達するか？

主な発見

• InNは、その小さな分離エネルギー（$ \Delta_{SO} \approx 0.1 $ eV）のおかげで、最小限の電場で強力な偏光制御が可能なため、動的偏光スイッチングにおいて最高の可能性を示している。
• 横方向電場±20 kV/cmが、(111)面に形成された亜鉛鉛型InN QDで、ほぼ完全な線形偏光（偏光度が±1に近づく）を誘発する。
• 電場の向きを反転させることで、偏光軸が90°反転し、再構成なしに双方向制御が可能になる。
• InN QDの偏光感度は、GaN QDと比較して約50倍高い。これは、三角形に近い正孔波動関数の対称性に起因する。
• 50 kV/cmまでの電場でも、基底状態遷移エネルギーのストークスシフトが10 meV未満に収まるため、低温環境下での実現可能性が示された。
• 電場下では電子-正孔波動関数の重なりが減少するため、全放射強度はわずかに低下するが、主な偏光方向の強度はほぼ2倍に増加する。