[论文解读] 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 1

一句话总结

将GaN纳米柱中InGaN/GaN纳米盘的直径从微米级减小到40 nm以下，尽管光子态密度降低导致辐射衰变速率仅提高10倍，但因应变弛豫，激子振子强度提升了超过100倍；通过介电涂层工程调控局域光子态密度，可进一步提升辐射衰变速率。

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.

研究动机与目标

• 研究减小GaN纳米柱中InGaN/GaN纳米盘直径对其光学性质的影响，以促进量子光子学应用。
• 理解在亚100 nm尺度下，应变弛豫在增强激子振子强度中的作用。
• 分析因局域光子态密度抑制导致的振子强度增强与辐射衰变速率降低之间的权衡。
• 探索通过光子工程策略（如介电涂层）进一步提升辐射衰变速率的可行性。

提出的方法

• 制备包含直径从几微米至小于40 nm的InGaN纳米盘的GaN纳米柱。
• 测量作为纳米盘直径函数的激子振子强度与辐射衰变速率。
• 利用应变弛豫模型，将直径减小与小尺寸纳米盘中振子强度增强相关联。
• 对小尺寸纳米盘中的局域光子态密度（LDOS）进行理论分析，以解释辐射衰变速率提升有限的原因。
• 通过模拟介电涂层对局域LDOS的调控，预测辐射衰变速率的增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GaN纳米柱中减小InGaN纳米盘的直径如何影响其激子振子强度？
• RQ2 在量子点极限（<40 nm）下，应变弛豫在增强光学跃迁强度方面发挥何种作用？
• RQ3 尽管振子强度显著增强，为何辐射衰变速率仅提高10倍？
• RQ4 是否可通过工程化局域光子态密度，进一步提升亚100 nm尺寸纳米盘的辐射衰变速率？

主要发现

• 将纳米盘直径从几微米减小到40 nm以下，可使激子振子强度提升超过100倍。
• 振子强度的增强主要源于直径小于100 nm的纳米盘中显著的应变弛豫。
• 由于小尺寸纳米盘中局域光子态密度强烈降低，辐射衰变速率仅提高10倍。
• 通过工程化局域光子态密度（如施加介电涂层）可进一步提升辐射衰变速率。