[論文レビュー] Universal growth scheme for entanglement-ready quantum dots

J. Skiba-Szymanska, R. M. Stevenson+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 14被引用数 23

ひとこと要約

本稿では、ガリウムヒ素（GaAs）およびインジウムヒ素化ガリウム（InP）基板上に、超低細分構造分裂（FSS）を有するInAs量子ドットを形成するための普遍的な分子線エpitaxy（MBE）および金属オルガニック気相エpitaxy（MOVPE）成長法を提案する。(001)基板上でのドロップレットエpitaxyを用いることで、ドットの対称性が72%向上し、従来のStranski-Krastanow成長法と比較して平均FSS値が4倍小さくなる。これにより、光ファイバーを用いた量子ネットワークに適した通信波長帯における高精度なもつれ光子放出が可能になる。

ABSTRACT

Efficient sources of individual pairs of entangled photons are required for quantum networks to operate using fibre optic infrastructure. Entangled light can be generated by quantum dots (QDs) with naturally small fine-structure-splitting (FSS) between exciton eigenstates. Moreover, QDs can be engineered to emit at standard telecom wavelengths. To achieve sufficient signal intensity for applications, QDs have been incorporated into 1D optical microcavities. However, combining these properties in a single device has so far proved elusive. Here, we introduce a growth strategy to realise QDs with small FSS in the conventional telecom band, and within an optical cavity. Our approach employs droplet-epitaxy of InAs quantum dots on (001) substrates. We show the scheme improves the symmetry of the dots by 72%. Furthermore, our technique is universal, and produces low FSS QDs by molecular beam epitaxy on GaAs emitting at ~900nm, and metal-organic vapour phase epitaxy on InP emitting at 1550 nm, with mean FSS 4x smaller than for Stranski-Krastanow QDs.

研究の動機と目的

• 量子情報応用に適した極小の細分構造分裂（FSS）を有する量子ドットを、スケーラブルかつ普遍的な成長法で開発すること。
• ドロップレットエpitaxyを用いて(001)基板上に成長したInAs量子ドットで、低FSSを達成し、高精度なもつれ光子放出を可能とすること。
• ガリウムヒ素（GaAs）基板上での分子線エpitaxy（MBE）（発光波長～900 nm）およびインジウムヒ素化ガリウム（InP）基板上での金属オルガニック気相エpitaxy（MOVPE）（発光波長～1550 nm）へのこの手法の適用により、標準的な通信ファイバーインfraに適合させること。
• 従来のStranski-Krastanow成長法の限界を克服するため、ドットの対称性とFSSを体系的に改善すること。
• 低FSS量子ドットを1次元光学マイクロキャビティに統合し、スケーラブルな量子フォトニクス素子における光子収率を向上させること。

提案手法

• (001)指向のGaAsおよびInP基板上でのドロップレットエpitaxyを用いて、構造的対称性が向上したInAs量子ドットを成長させる。
• GaAs基板上での分子線エpitaxy（MBE）を用いて、発光波長が～900 nmでFSSが低い状態を達成する。
• InP基板上での金属オルガニック気相エpitaxy（MOVPE）を用いて、1550 nmで発光する量子ドットを生成し、標準的な通信波長に一致させる。
• 応力誘発対称性の低下を抑制し、励起子状態における細分構造分裂（FSS）を低減するための成長パラメータを最適化する。
• 偏光分解能を有するマイクロフォトルミネッセンスを用いてFSSを評価し、対称性の向上とFSSの低減を定量する。
• 異なる基板および成長技術において一貫した低FSSを示すことで、この手法の普遍性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドロップレットエpitaxyを(001)基板上で用いることで、InAs量子ドットの細分構造分裂（FSS）を著しく低減できるか？
• RQ2 提案された成長法により、GaAs（900 nm）およびInP（1550 nm）プラットフォームに適合する低FSS量子ドットが実現可能か？
• RQ3 ドロップレットエpitaxyは、従来のStranski-Krastanow成長法と比較して、量子ドットの対称性をどの程度向上できるか？
• RQ4 この手法は、異なるエpitaxial技術（MBEおよびMOVPE）および基板材料に普遍的に適用可能か？
• RQ5 FSSの低減が、量子ネットワークに適した高精度のもつれ光子放出を可能にする程度はどの程度か？

主な発見

• ドロップレットエpitaxy成長法により、従来のStranski-Krastanow成長法と比較して、量子ドットの対称性が72%向上した。
• 得られた量子ドットにおける平均細分構造分裂（FSS）は、Stranski-Krastanow成長ドットと比較して4倍小さくなった。
• MBEを用いたGaAs基板上に低FSS量子ドットが成功裏に作製され、FSSが最小限に抑えられた900 nm帯の発光が得られた。
• 同様の手法により、MOVPEを用いたInP基板上でも低FSS量子ドットが実現され、標準的な通信波長帯（1550 nm）に一致する発光が得られた。
• この手法は普遍的であり、異なるIII-V基板上でのMBEおよびMOVPE成長技術に適用可能である。
• 本結果により、1次元光学マイクロキャビティに統合可能な、もつれに対応可能なスケーラブルな量子ドットへの道筋が示された。