[논문 리뷰] Single photon emission and recombination dynamics in self-assembled GaN/AlN quantum dots

Johann Stachurski, Sebastian Tamariz외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 03.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 95인용 수 48

한 줄 요약

이 연구는 Si(111) 기반 자기조립형 GaN/AlN 양자점에서 단일 광자 방출 및 효소 재결합 동역학을 조사하며, 실온에서 g(2)(0) = 0.17 ± 0.08인 단일 광자 순도를 입증한다. 마이크로 광발광 및 시간 해상도 측정을 통해 이중 지수 감쇠 동역학과 높은 열적 안정성을 규명하여 비방출 재결합이 억제되고 실온 조건에서 실용적 양자 응용 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

III-nitride quantum dots (QDs) are a promising system actively studied for their ability to maintain single photon emission up to room temperature. Here, we report on the evolution of the emission properties of self-assembled GaN/AlN QDs for temperatures ranging from 5 to 300K. We carefully track the photoluminescence of a single QD and measure an optimum single photon purity of g(2)(0) = 0.05+-0.02 at 5 K and 0.17+-0.8 at 300 K. We complement this study with temperaturedependent time-resolved photoluminescence measurements (TRPL) performed on a QD ensemble to further investigate the exciton recombination dynamics of such polar zero-dimensional nanostructures. By comparing our results to past reports, we emphasize the complexity of recombination processes in this system. Instead of the more conventional mono-exponential decay typical of exciton recombination, TRPL transients display a bi-exponential feature with short- and long-lived components that persist in the low excitation regime. From the temperature insensitivity of the long-lived excitonic component, we first discard the interplay of dark-to-bright state refilling in the exciton recombination process. Besides, this temperature-invariance also highlights the absence of nonradiative exciton recombinations, a likely direct consequence of the strong carrier confinement observed in GaN/AlN QDs up to 300K. Overall, our results support the viability of these dots as a potential single-photon source for quantum applications at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 자기조립형 GaN/AlN 양자점의 실온에서 5 K에서 300 K까지의 단일 광자 발광 성능 평가
• 극성 III- nitride 양자점에서 장수명 효소 재결합 성분의 기원 이해
• 발광 통계 및 재결합 동역학 분석을 통한 GaN/AlN QDs의 온칩 양자 응용 가능성 평가
• 온도 및 조도 강도가 광자 동일성 및 스펙트럼 안정성에 미치는 영향 조사
• 집합체 및 단일 양자점 측정을 통해 극성으로 강하게 구속된 GaN/AlN 양자점의 복잡한 재결합 과정 규명

제안 방법

• 단일 양자점 및 집합체에서 준공 resonant 조도 조건 하에 마이크로 광발광(µ-PL) 측정 수행
• 실온에서의 단일 광자 순도를 정량화하기 위해 이阶 자기상관 함수 g(2)(τ) 측정
• g(2)(τ) 추적에 다중 효소 모델을 적용하여 r0(빠른 감쇠 성분 대비 느린 감쇠 성분의 비율)와 같은 매개변수 추출
• 저조도 조건에서 5 K에서 300 K까지 QD 집합체에 대한 시간 해상도 광발광(TRPL) 측정 수행
• 이중 지수 피팅을 통해 TRPL 전이를 모델링하고 짧은 및 긴 수명 재결합 성분 간 구분
• 전기장, 결함 및 운반자 구속의 역할 평가를 위해 실험 결과를 이론 모델 및 이전 보고와 비교

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaN/AlN 양자점에서 단일 광자 순도(g(2)(0))의 온도 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ2 왜 GaN/AlN QDs의 TRPL 전이에서 이중 지수 감쇠가 발생하고 단일 지수 행동이 아닌가?
• RQ3 TRPL에서 관측된 장수명 효소 성분의 기원은 무엇이며, 비방출 재결합과의 관계는 무엇인가?
• RQ4 빠른 감쇠 성분 대비 느린 감쇠 성분의 비율(r0)은 온도 및 조도 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 강한 운반자 구속이 실온에서 GaN/AlN QDs의 비방출 재결합을 얼마나 억제하는가?

주요 결과

• GaN/AlN 양자점의 단일 광자 순도는 5 K에서 g(2)(0) = 0.05 ± 0.02, 300 K에서 0.17 ± 0.08에 도달하여 실온에서도 실용적인 단일 광자 방출 가능함을 시사한다.
• QD 집합체의 TRPL 전이에서 장수명 성분이 300 K까지 유지되는 이중 지수 감쇠를 보이며 비방출 재결합이 억제됨을 나타낸다.
• 장수명 성분은 온도에 민감하지 않아 어두운 상태에서 빛나는 상태로의 재충전이 느린 감쇠의 주요 메커니즘이 아니라는 것을 배제한다.
• 4.25 eV에서 방출하는 QDs의 경우 r0 비율은 5 K에서 0.9에서 300 K에서 0.25로 감소하여 빠른 성분의 열적 활성화를 나타낸다.
• 장수명 성분의 온도 의존성 부재는 비방출 경로를 억제하는 데 강한 운반자 구속이 지배적임을 확인한다.
• 결과는 GaN/AlN QDs가 양자 기술 응용을 위한 견고하고 실온에서 기능하는 단일 광자 소스로서의 잠재력을 뒷받침하며, 특히 광자 동일성이 요구되지 않는 응용 분야에서 유망하다.