[논문 리뷰] Bright Room-Temperature Single Photon Emission from Defects in Gallium Nitride

Amanuel M. Berhane, Kwang‐Yong Jeong외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 15.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기성의 광학 통합 기술과 호환되는 성숙한 반도체인 질화갈륨(GaN)의 결함에서 빛나는 실온 단일 광자 발광을 입증한다. 이 발광체는 헥사고날 GaN 내의 입방 구조 포함물에 기인하며, 1초당 500,000 건 이상의 밝기를 달성하여 양산 가능하고 칩 내 통합이 가능한 양자 기술 플랫폼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기성의 광학 통합 회로와 호환되는 기술적으로 성숙한 반도체에서 견고하고 밝은 단일 광자 발광체를 식별하는 것.
• 다이아몬드나 SiC와 같은 넓은 금역 간극 재료들이 저색소 기반재에 얇은 필름으로 쉽게 증착되지 않는 한계를 극복하는 것.
• 실용적인 양자 기술을 위한 실온에서의 확장 가능한 칩 내 단일 광자 발광체를 GaN에서 입증하는 것.
• 입방 구조 포함물이 헥사고날 GaN 내에 존재함에 따라 발생하는 발광체 기원을 설명하는 이론적 모델을 제안하는 것.
• 다양한 GaN 웨이퍼를 통해 발광체 성능을 평가하여 신뢰성과 재현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 실온에서의 마이크로 광발광 스펙트로스코피를 통해 단일 광자 발광체를 식별하는 것.
• 공초점 현미경을 사용하여 GaN 웨이퍼 내 개별 결함의 발광 특성을 맵핑하고 특성화하는 것.
• 환경 조건 하에서 발광체의 밝기, 광안정성 및 스펙트럼 특성을 측정하는 것.
• 입방 구조 포함물이 헥사고날 GaN 격자 내에 임베디드된 상태에서의 결함 구조를 이론적으로 모델링하는 것.
• 투과전자현미경 및 X선 회절 데이터에서 관측된 구조적 비균일성과 발광 특징을 연관시키는 것.
• 다양한 GaN 웨이퍼를 통한 발광체 성능 평가를 통해 재현 가능성과 확장 가능성을 확인하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질화갈륨(GaN)의 결함에서 밝고 실온에서의 단일 광자 발광을 달성할 수 있는가?
• RQ2 GaN 웨이퍼에서 관측된 단일 광자 발광체의 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ3 이 발광체는 다양한 GaN 기반재에서 안정적이고 재현 가능하며 확장 가능한가?
• RQ4 GaN 기반 발광체는 기성의 광학 통합 회로 기술에 통합될 수 있는가?
• RQ5 GaN 기반 발광체의 밝기는 다른 알려진 단일 광자 소스와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 이 연구는 1초당 500,000 건 이상의 밝기를 보이는 GaN 내 단일 광자 발광체를 보고한다. 이는 많은 기존 소스보다 현저히 높은 수준이다.
• 발광체는 실온에서 안정적이며, 좁은 발광선을 보이며 강한 광발광 특성을 나타낸다.
• 다양한 GaN 웨이퍼에서 밝은 발광체가 관측되어 재현 가능성과 확장 가능성을 입증한다.
• 이론적 모델링은 발광체가 헥사고날 GaN 매트릭스 내 입방 구조 포함물에 기인한다고 규명한다.
• 발광체는 견고하고 표준 반도체 공정과 호환되어 광학 회로에 통합이 가능하다.
• 결과적으로 GaN를 활용한 확장 가능한 칩 내 양자 기술로 향하는 실현 가능한 길을 제시한다.