[論文レビュー] Temperature insensitive optical alignment of the exciton in nanowire embedded GaN Quantum Dots

A. Balocchi, Julien Renard+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2011

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 32被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、時間分解光励起分光法を用いて、ナノワイヤに埋め込まれたGaN/AlN量子ドットにおける励起子の温度に依存しない光学的整列を実証した。準共鳴的線形偏光励起条件下では、励起子スピン偏光は室温まで安定であり、線形偏光度に時間的・振幅的減衰が認められないことから、強固なスピン記憶が可能であることが示された。直交する線形固有状態は、平面内における偏向を示さず、高品質なザイツ型ナノ構造における対称性を保ったスピンダイナミクスを確認した。

ABSTRACT

We report on the exciton spin dynamics of nanowire embedded GaN/AlN Quantum Dots (QDs) investigated by time-resolved photoluminescence spectroscopy. Under a linearly polarized quasiresonant excitation we evidence the quenching of the exciton spin relaxation and a temperature insensitive degree of the exciton linear polarization, demonstrating the robustness of the optical alignment of the exciton spin in these nanowire embedded QDs. A detailed examination of the luminescence polarization angular dependence shows orthogonal linear exciton eigenstates with no preferential crystallographic orientation.

研究の動機と目的

• ナノワイヤに埋め込まれた高品質なGaN/AlN量子ドットにおける励起子スピンダイナミクスを調査すること。
• 励起子の線形偏光およびスピン緩和の温度依存性を特定すること。
• ザイツ型ナノ構造における励起子固有状態の対称性および方位を同定すること。
• 窒化ガリウム系量子ドットにおける光学的整列のスピン記憶への耐久性を評価すること。

提案手法

• 4.00–4.77 eVの励起エネルギーを持つ1.5 psパルスレーザーを用いた時間分解光励起分光法。
• ナノワイヤのc軸に沿った準共鳴的線形偏光励起を用いて、光学的整列効果を調査した。
• 8 psの時間分解能を持つストリークカメラを用いて、偏光ダイナミクスを測定した。
• 複数の測定角度における線形偏光度 Plin = (Iα − Iα⊥)/(Iα + Iα⊥) を測定した。
• 励起および検出の偏光フレームを回転させた、系統的な角度依存性分析によりPL偏光の依存性を評価した。
• 室温（300 K）と低温（8.5 K）における偏光挙動の比較により、熱的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノワイヤに埋め込まれたGaN/AlN量子ドットにおける励起子スピン偏光は、室温でも安定しているか？
• RQ2 結晶の対称性および方位が、閉じ込められた励起子の固有状態を決定する役割を果たすか？
• RQ3 線形偏光の角度依存性は、励起子状態の性質をどのように明らかにするか？
• RQ4 これらのナノワイヤ埋め込みQDにおける励起子の光学的整列は、他の窒化ガリウム系QD系と比較してなぜより強固なのか？

主な発見

• 励起子の線形偏光度は300 Kまで時間的・振幅的減衰なしに安定しており、温度に依存しない光学的整列であることが示された。
• 室温における発光スペクトルの高エネルギー領域では、約15%の偏光度が観測された。
• 発光エネルギーから450 meV以上高い励起エネルギーでは、測定可能な線形偏光が検出されず、非共鳴条件下での整列の喪失を示した。
• 角度依存性測定により、平面内に偏向を示さない直交する線形固有状態が得られ、C6v対称性に一致した。
• 偏光の減衰が認められず、対称性を保った固有状態が確認されたことから、高品質なナノワイヤ埋め込み量子ドットにおける強固なスピン記憶が裏付けられた。
• 亜鉛ダイアモンド型およびザイツ型InGaN/GaN QDにおける既存の報告とは対照的に、温度上昇に伴い偏光が減少するのではなく、本研究の結果では偏光が維持された。