[论文解读] Bright Room-Temperature Single Photon Emission from Defects in Gallium Nitride

Amanuel M. Berhane, Kwang‐Yong Jeong+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文展示了来自氮化镓（GaN）缺陷的明亮、室温单光子发射，这是一种与现有光子集成技术兼容的成熟半导体。这些发射体被归因于六方GaN中的立方相纳米沉淀物，其亮度超过500,000 cps，为量子技术提供了可扩展的片上平台。

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.

研究动机与目标

• 识别一种技术成熟、与光子集成电路兼容的半导体中稳定且明亮的单光子发射体。
• 克服金刚石和碳化硅等宽带隙材料的局限性，这些材料难以在低折射率衬底上外延生长为薄膜。
• 在氮化镓（GaN）中实现可扩展、片上的量子发射体，以推动实际量子技术的发展。
• 提出一个理论模型，解释基于六方GaN中立方相沉淀物的发射体起源。
• 通过多个GaN晶圆的性能验证，确保发射体的可靠性与可重复性。

提出的方法

• 通过室温下的显微光致发光光谱法识别单光子发射体。
• 利用共聚焦显微镜对GaN晶圆中单个缺陷的发射特性进行测绘与表征。
• 在环境条件下测量发射体的亮度、光稳定性及光谱特性。
• 基于嵌入六方GaN晶格中的立方相缺陷结构建立理论模型。
• 将发射特征与透射电子显微镜和X射线衍射数据中观察到的结构非均匀性相关联。
• 在多个GaN晶圆上评估发射体性能，以确认其可重复性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在氮化镓（GaN）缺陷中实现明亮、室温下的单光子发射？
• RQ2 在GaN晶圆中观察到的单光子发射体的结构起源是什么？
• RQ3 这些发射体在不同GaN衬底上是否稳定、可重复且可扩展？
• RQ4 GaN基发射体能否集成到现有的光子集成电路技术中？
• RQ5 GaN基发射体的亮度与已知的其他单光子源相比如何？

主要发现

• 该研究报道了GaN中单光子发射体的亮度超过500,000 cps，显著高于许多现有光源。
• 发射体在室温下稳定，表现出强烈的光致发光及窄发射线。
• 在多个GaN晶圆中均观察到明亮发射体，表明其具有可重复性与可扩展性。
• 理论建模表明发射体源于六方GaN基质中的立方相沉淀物。
• 发射体表现出鲁棒性，并与标准半导体工艺兼容，可实现光子电路中的集成。
• 结果表明，基于GaN的可扩展片上量子技术路径切实可行。