[논문 리뷰] Universal growth scheme for entanglement-ready quantum dots

J. Skiba-Szymanska, R. M. Stevenson외 13명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 14인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 GaAs 및 InP 기반에서 초저항성 구조 상분리(FSS)를 갖는 InAs 양자점을 생성하기 위한 유니버설 분자비늘 에pitaxy(MBE) 및 유기금속기상 에pitaxy(MOVPE) 성장 방법을 제시한다. (001) 기반에서의 드롭렛 에pitaxy를 사용함으로써, 양자점의 대칭성을 72% 향상시켜 전통적인 Stranski-Krastanow 성장 방식보다 평균 FSS 값을 4배 작게 만들었으며, 섬유 기반 양자 네트워크에 적합한 통신 파장에서 고정밀 얽힌 광자 방출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Efficient sources of individual pairs of entangled photons are required for quantum networks to operate using fibre optic infrastructure. Entangled light can be generated by quantum dots (QDs) with naturally small fine-structure-splitting (FSS) between exciton eigenstates. Moreover, QDs can be engineered to emit at standard telecom wavelengths. To achieve sufficient signal intensity for applications, QDs have been incorporated into 1D optical microcavities. However, combining these properties in a single device has so far proved elusive. Here, we introduce a growth strategy to realise QDs with small FSS in the conventional telecom band, and within an optical cavity. Our approach employs droplet-epitaxy of InAs quantum dots on (001) substrates. We show the scheme improves the symmetry of the dots by 72%. Furthermore, our technique is universal, and produces low FSS QDs by molecular beam epitaxy on GaAs emitting at ~900nm, and metal-organic vapour phase epitaxy on InP emitting at 1550 nm, with mean FSS 4x smaller than for Stranski-Krastanow QDs.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 응용 분야에 적합한 최소한의 구조 상분리(FSS)를 갖는 양자점의 확장 가능하고 유니버설한 성장 방법을 개발하기.
• 드롭렛 에pitaxy를 사용하여 (001) 기반에서 성장한 InAs 양자점에서 저FSS를 달성함으로써 고정밀 얽힌 광자 방출을 가능하게 하기.
• GaAs 기반에서 MBE를 통해 약 900 nm에서 방출되는 것과 InP 기반에서 MOVPE를 통해 약 1550 nm에서 방출되는 것 모두를 포함하여 표준 통신 섬유 인프라와의 호환성을 확보하기.
• 기존의 Stranski-Krastanow 성장 방식의 한계를 극복하기 위해 양자점 대칭성과 FSS를 체계적으로 향상시키기.
• 저FSS 양자점을 1D 광학 마이크로캐비티에 통합하여 확장 가능한 양자 포토닉 장치에서 광자 수집 효율을 높이기.

제안 방법

• (001) 기울기의 GaAs 및 InP 기반에서 드롭렛 에pitaxy를 사용하여 구조 대칭성이 향상된 InAs 양자점 성장.
• GaAs 기반에서 MBE를 사용하여 약 900 nm에서 방출되는 저FSS 성질을 갖는 성장.
• InP 기반에서 MOVPE를 적용하여 1550 nm에서 방출되는 양자점 생성, 표준 통신 파장과 일치.
• 응력 유도 비대칭성을 억제하고 엑시톤 상태의 구조 상분리(FSS)를 감소시키기 위해 성장 조건 최적화.
• 극성 분해 해석을 통한 마이크로광발광 측정을 통해 FSS를 정량화하고 대칭성 향상과 FSS 감소를 확인.
• 다양한 기반 및 성장 기술에서 일관된 저FSS 성과를 보여줌으로써 성장 방법의 유니버설성을 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 드롭렛 에pitaxy를 (001) 기반에서 사용하여 InAs 양자점의 구조 상분리(FSS)를 현저히 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 성장 방법이 GaAs(900 nm) 및 InP(1550 nm) 플랫폼 모두와 호환되는 저FSS 양자점 생성에 기여하는가?
• RQ3 드롭렛 에pitaxy는 기존의 Stranski-Krastanow 성장 방식에 비해 양자점 대칭성을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 이 방법은 다양한 에pitaxial 기술(MBE 및 MOVPE)과 기반 재료에 대해 일반적으로 적용 가능한가?
• RQ5 FSS 감소가 양자 네트워크에 적합한 고정밀 얽힌 광자 방출을 가능하게 하는 데 충분한가?

주요 결과

• 드롭렛 에pitaxy 성장 방법은 기존의 Stranski-Krastanow 성장 방식 대비 양자점 대칭성을 72% 향상시켰다.
• 해당 성장 방법으로 유도된 양자점의 평균 구조 상분리(FSS)는 Stranski-Krastanow 성장 양자점보다 4배 작다.
• MBE를 통해 GaAs 기반에서 저FSS 양자점을 성공적으로 제작하여 약 900 nm에서 방출되며, FSS가 최소한이다.
• 동일한 방법을 통해 MOVPE를 통해 InP 기반에서 저FSS 양자점을 제작하여 1550 nm에서 방출되며, 표준 통신 파장과 일치한다.
• 이 방법은 MBE 및 MOVPE 성장 기술을 모두 적용할 수 있으며, 다양한 III-V 기반에서 적용 가능하여 유니버설하다.
• 결과적으로, 1D 광학 마이크로캐비티에 통합 가능한 고효율 광자 소스를 위한 확장 가능한 경로를 제시한다.