[논문 리뷰] Effects of diameter reduction on the optical properties of InGaN/GaN nanodisks for quantum photonics applications

Lei Zhang, Leung-Kway Lee외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 24.

GaN-based semiconductor devices and materials인용 수 1

한 줄 요약

InGaN/GaN 나노디스크의 직경을 마이크로미터에서 40 nm 이하로 줄임으로써, 광자 밀도 상태의 감소로 인한 방사성 붕괴 속도 향상은 약 10배에 그치지만, 응력 완화 덕분에 비극성 진동자 강도가 100배 이상 향상됨. 추가로 국소 광자 상태 밀도를 조절하기 위한 유전체 코팅 공학을 통해 방사성 붕괴 속도 향상이 가능함.

ABSTRACT

We show over 100-fold enhancement of the exciton oscillator strength as the diameter of an InGaN nanodisk in a GaN nanopillar is reduced from a few micrometers to less than 40 nm, corresponding to the quantum dot limit. The enhancement results from significant strain relaxation in nanodisks less than 100 nm in diameter. Meanwhile, the radiative decay rate is only improved by 10 folds due to strong reduction of the local density of photon states in small nanodisks. Further increase in the radiative decay rate can be achieved by engineering the local density of photon states, such as adding a dielectric coating.

연구 동기 및 목표

• 양자 광학 응용을 위한 GaN 나노피라미드 내 InGaN/GaN 나노디스크의 직경 감소가 광학적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 100 nm 이하 척도에서 응력 완화가 비극성 전이 강도를 향상시키는 역할을 이해하기 위해.
• 국소 광자 상태 밀도 감소로 인한 감소된 방사성 붕괴 속도와 비극성 진동자 강도 향상 사이의 상충 관계를 분석하기 위해.
• 예를 들어 유전체 코팅을 통한 광학 공학을 통해 추가로 방사성 붕괴 속도 향상을 위한 전략을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 수 마이크로미터에서 40 nm 이하까지 직경을 조절한 InGaN 나노디스크를 포함하는 GaN 나노피라미드의 제작.
• 나노디스크 직경에 따른 비극성 진동자 강도 및 방사성 붕괴 속도 측정.
• 작은 나노디스크에서의 비극성 진동자 강도 향상과 관련된 직경 감소와의 상관관계를 유도하기 위해 응력 완화 모델링 사용.
• 국소 광자 상태 밀도(LDOS) 이론적 분석을 통해 작은 나노디스크에서의 방사성 붕괴 속도 향상 한계를 설명.
• 국소 LDOS를 조작하기 위해 유전체 코팅을 시뮬레이션하여 LDOS 감소를 상쇄시키는 방사성 붕괴 속도 향상 가능 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaN 나노피라미드 내 InGaN 나노디스크의 직경 감소가 그들의 비극성 진동자 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 양자점 한계(<40 nm)에서 응력 완화가 광학 전이 강도를 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 비극성 진동자 강도 향상이 뚜렷한 데도 불구하고 방사성 붕괴 속도 향상 요인이 10배에 그친 이유는 무엇인가?
• RQ4 국소 광자 상태 밀도를 공학적으로 조절하여 100 nm 이하 나노디스크에서 방사성 붕괴 속도를 추가로 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• InGaN 나노디스크의 직경을 수 마이크로미터에서 40 nm 이하로 줄임으로써 비극성 진동자 강도가 100배 이상 향상됨.
• 비극성 진동자 강도 향상은 주로 직경이 100 nm 이하인 나노디스크에서의 심각한 응력 완화에 기인함.
• 작은 나노디스크에서 국소 광자 상태 밀도 감소로 인해 방사성 붕괴 속도는 오직 10배 향상됨.
• 예를 들어 유전체 코팅을 통해 국소 광자 상태 밀도를 공학적으로 조절함으로써 방사성 붕괴 속도 향상이 추가로 가능함.