[论文解读] Universal growth scheme for entanglement-ready quantum dots

J. Skiba-Szymanska, R. M. Stevenson+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 14被引用 23

一句话总结

本文提出了一种通用的分子束外延（MBE）和金属有机化学气相外延（MOVPE）生长方案，可在GaAs和InP衬底上制备具有超低精细结构分裂（FSS）的InAs量子点。通过在（001）衬底上采用液滴外延技术，该方法使量子点对称性提升了72%，平均FSS值比传统的Stranski-Krastanow生长方法小四倍，从而实现了适合光纤量子网络的长距离通信波段高保真度纠缠光子发射。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、通用的量子点生长方法，实现极低精细结构分裂（FSS），适用于量子信息应用。
• 通过液滴外延在（001）衬底上生长InAs量子点，实现极低FSS，从而实现高保真度纠缠光子发射。
• 将该方法扩展至分子束外延（MBE）在GaAs上（发射波长约900 nm）和金属有机化学气相外延（MOVPE）在InP上（发射波长约1550 nm），以适配标准通信光纤基础设施。
• 系统性地提升量子点对称性并降低FSS，克服传统Stranski-Krastanow生长的局限性。
• 实现低FSS量子点与一维光学微腔的集成，以在可扩展的量子光子器件中提高光子收集效率。

提出的方法

• 在（001）取向的GaAs和InP衬底上采用液滴外延技术，生长具有增强结构对称性的InAs量子点。
• 在GaAs衬底上采用分子束外延（MBE）生长，实现约900 nm波段发射且FSS极低的量子点。
• 在InP衬底上采用金属有机化学气相外延（MOVPE）技术，制备发射波长为1550 nm的量子点，匹配标准通信波段。
• 优化生长参数，以抑制应变引起的不对称性，降低激子态的精细结构分裂（FSS）。
• 通过偏振分辨显微光致发光表征FSS，量化对称性改善和FSS降低程度。
• 通过在不同衬底和生长技术上均实现一致的低FSS，验证该方案的通用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在（001）衬底上采用液滴外延技术，显著降低InAs量子点的精细结构分裂？
• RQ2 所提出的生长方案是否能实现与GaAs（900 nm）和InP（1550 nm）平台兼容的低FSS量子点？
• RQ3 与传统的Stranski-Krastanow生长相比，液滴外延在多大程度上提升了量子点的对称性？
• RQ4 该方法是否可普遍适用于不同的外延技术（MBE和MOVPE）和衬底材料？
• RQ5 FSS的降低是否足以实现适合用于量子网络的高保真度纠缠光子发射？

主要发现

• 与传统的Stranski-Krastanow生长相比，液滴外延生长方案使量子点对称性提升了72%。
• 所制备量子点的平均精细结构分裂（FSS）比Stranski-Krastanow生长的量子点小四倍。
• 通过MBE在GaAs衬底上成功制备了低FSS量子点，发射波长约900 nm，FSS极低。
• 相同方案通过MOVPE在InP衬底上实现了低FSS量子点，发射波长为1550 nm，匹配标准通信波段。
• 该方法具有通用性，适用于不同III-V族衬底上的MBE和MOVPE生长技术。
• 结果表明，该方法为实现可集成于一维光学微腔中的“纠缠就绪”量子点提供了可扩展路径，可显著提升光子源的效率。