[논문 리뷰] Direct observation of nanofabrication influence on the optical properties of single self-assembled InAs/GaAs quantum dots

Jin Liu, Kumarasiri Konthasinghe외 12명|Figshare|2017. 10. 26.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 27인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 에칭 전후의 광학적 성질을 추적하여 단일 InAs/GaAs 양자점에서 나노재료 제조에 의한 열화를 직접적으로 조사한다. 고정밀 나노스케일 위치 조정을 통해 약 200 nm 이내의 에칭된 표면이 방출 선 broadening을 최대 몇 GHz까지 유도하는 것으로 밝혀졌지만, 복사 효율에 큰 영향을 주지는 않았다. 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)은 스펙트럼 확산을 안정화시키고 선 broadening을 부분적으로 복구시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 자가조립형 InAs/GaAs 양자점의 광학적 성질에 대한 나노재료 제조, 특히 플라즈마 건식 에칭의 영향을 직접 평가하기 위해.
• 제조 과정에 의해 유도된 표면 상태 및 함정이 양자점 성능을 떨어뜨리는지, 특히 번쩍임(blinking), 스펙트럼 확산, 분극화 감쇠(dephasing) 측면에서 여전히 미해결된 문제를 해결하기 위해.
• 고정밀 광학적 위치 조정을 통해 단일 양자점의 제조 전·후 행동을 정밀하게 비교할 수 있도록 하기 위해.
• 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)이 제조 과정에 의해 유도된 스펙트럼 불안정성을 완화하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 정확도가 5 nm 이내인 나노스케일 광학적 위치 조정 기술을 사용하여, 정렬 마크에 대한 단일 InAs/GaAs 양자점의 위치를 특정하였다.
• 900 nm 대역에서 80% 이상의 양자 효율을 보이는 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD)와 함께 광발광 영상 기법을 사용하여 고감도 단일점 특성 분석을 수행하였다.
• 전자빔 리터그래피와 염소 기반 건식 에칭을 적용하여 나노구조(예: 원형 브라그 격자, 나노피라미드)를 제작하면서도 개별 양자점을 추적할 수 있는 능력을 유지하였다.
• 한버리-브라운 앤 투이스(Hanbury-Brown and Twiss) 장치를 사용하여 2차 상관도 측정($g^{(2)}( au)$)을 수행하여 광자 통계 및 번쩍임 행동을 평가하였다.
• 한 개의 밝은 엑시톤 상태와 한 개의 어두운 상태를 포함하는 비율 방정식 모델을 $g^{(2)}( au)$ 데이터에 적합하여 양자 효율과 번쩍임 동역학을 추정하였다.
• 에칭된 표면에 TMA와 O₂ 플라즈마 전구체를 사용하여 300 °C에서 원자층 증착(ALD)을 적용하고, 그로 인한 스펙트럼 안정성에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노재료 제조된 구조에서 에칭된 표면에 얼마나 가까이 있을 경우 단일 InAs/GaAs 양자점의 방출 선 폭이 넓어지는가?
• RQ2 플라즈마 건식 에칭을 통한 나노재료 제조가 단일 양자점의 번쩍임이나 복사 효율에 심각한 영향을 미치는가?
• RQ3 양자점 근처의 표면 상태 및 함정 존재가 스펙트럼 확산과 분극화 감쇠에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 원자층 증착(ALD)이 표면 관련 분극화 감쇠를 줄임으로써 양자점의 방출을 효과적으로 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 근처의 에칭된 표면으로부터 약 200 nm 이내에 있을 경우 단일 InAs/GaAs 양자점의 방출 선 폭이 크게 넓어지며(최대 몇 GHz까지), 이는 강한 나노재료 제조 유도 분극화 감쇠를 시사한다.
• $g^{(2)}(0)$ 값이 0에 가까운 것으로 나타나 복사 효율 감소나 번쩍임이 눈에 띄게 관찰되지 않았으며, 500 ns 이내에 포isson 분포로 빠르게 복귀하였다.
• 100 nm 지름의 나노피라미드에 있는 양자점은 높은 양자 효율을 보였으며, 반구분성(anti-bunching)이 500 ns 이내에 포isson 수준으로 복귀하였다. 이는 이전 연구에서 유사한 장치에 대해 필요로 한 7개의 어두운 상태 모델과 대비된다.
• 에칭된 표면에 Al₂O₃를 ALD로 코ating한 결과 스펙트럼 확산이 안정되고 선 폭이 부분적으로 복구되는 것으로 나타나, 표면 관련 분극화 감쇠가 완화된 것으로 판단된다.
• 이 연구는 복사 효율이 높더라도 표면 근접 효과에 의해 나노재료 제조 과정에서 심각한 분극화 감쇠가 유도될 수 있음을 입증하였다.
• 고정밀 위치 조정을 통해 제조 전·후의 단일 양자점 성질를 직접 비교함으로써 오랫동안 남아 있던 제조 유도 열화에 대한 불확실성을 해소하였다.