[論文レビュー] Vanishing fine structure splittings in telecom wavelength quantum dots grown on (111)A surfaces by droplet epitaxy

Xiangming Liu, Neul Ha+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 63被引用数 49

ひとこと要約

本研究では、ドロップレットエpitaxyを用いてInP(111)A基板上に高対称性を有するInAs/InAlAs量子ドットを形成し、通信帯のO、C、Lバンド（1.3–1.6 µm）において、平均的な微細構造分裂（FSS）がわずか25 µeVにまで低下する近似的に縮退した励起子遷移を達成した。光学的整列技術により励起子準位の縮退が確認され、本ドットは長距離光ファイバー量子通信におけるオンデマンドで高忠実度のエンタングルド光子源として極めて適した候補であることが示された。

ABSTRACT

The emission cascade of a single quantum dot is a promising source of entangled photons. A prerequisite for this source is the use of a symmetric dot analogous to an atom in a vacuum, but the simultaneous achievement of structural symmetry and emission in a telecom band poses a challenge. Here we report the growth and characterization of highly symmetric InAs/InAlAs quantum dots self-assembled on C3v symmetric InP(111)A. The broad emission spectra cover the O (1.3 micron-m), C (1.55 micron-m), and L (1.6 micron-m) telecom bands. The distribution of the fine-structure splittings is considerably smaller than those reported in previous works on dots at similar wavelengths. The presence of dots with degenerate exciton lines is further confirmed by the optical orientation technique. Thus, our dot systems are expected to serve as efficient entangled photon emitters for long-distance fiber-based quantum key distribution.

研究の動機と目的

• 長距離量子鍵配送（QKD）に適した通信帯波長の量子ドットを用いた固体状態光子対発生源の開発を目的とする。
• 半導体量子ドットにおけるエンタングルメントに必要な対称性を損なう大きな微細構造分裂（FSS）の課題を克服することを目的とする。
• FSSを最小限に抑えるために、(111)A指向のInP基板上に成長したInAs量子ドットの構造的・電子的対称性を実現することを目的とする。
• 通信帯発光と近似的に縮退した励起子状態を組み合わせることで、実用的でファイバー準拠の量子フォトニクスを実現することを目的とする。

提案手法

• 歪みの大きいInP(111)A基板上に、歪み駆動成長メカニズムを回避するため、ドロップレットエpitaxyを用いてInAs量子ドットを成長させた。
• 分子ビームエpitaxy（MBE）を用い、470 °Cで150-nmのIn0.52Al0.48Asバリア層を成長させ、その後320 °CでInドロップレットを堆積させた。
• As4フラックスを用いて270 °Cでドロップレットを結晶化させ、その後370 °Cでアニール処理を行い、75-nmのIn0.52Al0.48As層でキャップした。
• 原子間力顕微鏡（AFM）を用いてドットの形状を確認した。高さは3.0 ± 1.0 nm、直径は38 ± 10 nmであり、高い横方向対称性を示した。
• 低温（10 K）でのマイクロフォトリアミネッセンス（PL）分光測定を実施。705 nmのレーザーを用い、50-cm焦点距離の分光計（分解能55 µeV）を用いた。
• 光学的整列技術を用いて励起子の縮退状態を評価した。偏光依存PL測定を実施し、発光ピークをガウス関数でフィッティングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドロップレットエpitaxyを用いて(111)Aインジウムホスファイト基板上に成長したInAs量子ドットが、通信帯領域でほぼゼロの微細構造分裂（FSS）を示すか？
• RQ2 従来の(001)基板と比較して、(111)A面のC3v対称性がFSSをどの程度低減させるか？
• RQ3 光学的整列技術により、これらのドットに近似的に縮退した励起子準位が存在することを確認できるか？
• RQ4 O、C、L通信帯における発光スペクトルの分布は何か？また、ドットの高さや対称性とどのように相関するか？

主な発見

• 集団としての平均微細構造分裂（FSS）は25 µeVであり、Stranski-Krastanov（SK）モードで成長した類似波長の量子ドットと比較して顕著に小さい値であった。
• FSSの分布は、先行研究と比較して著しく狭く、ドットに高い構造的・電子的対称性が存在することを示している。
• 光学的整列測定により、ほぼ縮退した励起子準位を持つ量子ドットが存在することが確認され、エンタングルド光子発生の可能性が裏付けられた。
• フォトリアミネッセンススペクトルは1.1から1.6 µmにわたり、Oバンド（1310 nm）、Cバンド（1550 nm）、Lバンド（1600 nm）をカバーしており、既存のファイバーネットワークと互換性があることが示された。
• 測定された励起子寿命は1.43 nsであり、単一光子発生と量子情報応用に適した値であった。
• AFMの[01-1]および[-210]方向における断面像は、ほぼ同一のプロファイルを示し、高い横方向対称性と縦方向への歪みの欠如を確認した。