[論文レビュー] Effects of diameter reduction on the optical properties of InGaN/GaN nanodisks for quantum photonics applications

Lei Zhang, Leung-Kway Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2013

GaN-based semiconductor devices and materials被引用数 1

ひとこと要約

InGaN/GaNナノディスクの直径をマイクロメーターから40 nm未塔に低下させることで、応力緩和のため、励起子の振動数強度が100倍以上向上する。これは、光子状態密度の低下に起因する放射性衰え率の向上が僅か10倍にとどまるにもかかわらずである。さらに、局所的光子状態密度（LDOS）を調整するための誘電体被膜の設計によって、放射性衰え率のさらなる向上が可能である。

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.

研究の動機と目的

• 量子フォトニクスを目的とした、GaNナノピルラに埋め込まれたInGaN/GaNナノディスクの直径低減が光学的性質に与える影響を調査すること。
• 100 nm未塔のスケールで、励起子の振動数強度を向上させる応力緩和の役割を理解すること。
• 局所的光子状態密度（LDOS）の抑制に起因する、振動数強度の向上と放射性衰え率の低下のトレードオフを分析すること。
• 誘電体被膜の応用による光子工学的戦略を通じて、さらなる放射性衰え率の向上を検討すること。

提案手法

• 数マイクロメートルから40 nm未塔まで変化する直径のInGaNナノディスクを有するGaNナノピルラの作製。
• ナノディスクの直径に応じた励起子の振動数強度および放射性衰え率の測定。
• 直径低減と小径ナノディスクにおける振動数強度の向上を関連付けるための応力緩和モデリングの使用。
• 小径ナノディスクにおける局所的光子状態密度（LDOS）の理論的分析により、放射性衰え率向上が限定的である理由を説明。
• 局所的LDOSを制御するための誘電体被膜による放射性衰え率向上のシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GaNナノピルラ内のInGaNナノディスクの直径低減が、その励起子の振動数強度にどのように影響するか？
• RQ2 量子ドット限界（40 nm未塔）において、応力緩和が光学遷移強度を向上させる役割を果たす理由は何か？
• RQ3 振動数強度の顕著な向上にもかかわらず、なぜ放射性衰え率は10倍にしか向上しないのか？
• RQ4 局所的光子状態密度（LDOS）を制御することで、100 nm未塔のナノディスクにおける放射性衰え率をさらに向上させられるか？

主な発見

• ナノディスクの直径を数マイクロメートルから40 nm未塔に低下させることで、励起子の振動数強度が100倍以上向上する。
• 振動数強度の向上は、直径100 nm未塔のナノディスクで顕著な応力緩和に起因する。
• 小径ナノディスクでは局所的光子状態密度（LDOS）が著しく低下するため、放射性衰え率の向上は10倍にとどまる。
• 誘電体被膜の適用による局所的LDOSの制御によって、さらなる放射性衰え率の向上が可能である。