[论文解读] Vanishing fine structure splittings in telecom wavelength quantum dots grown on (111)A surfaces by droplet epitaxy

Xiangming Liu, Neul Ha+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 63被引用 49

一句话总结

本研究通过液滴外延法在InP(111)A衬底上实现了高度对称的InAs/InAlAs量子点，实现了近简并的激子跃迁，在通信O、C和L波段（1.3–1.6 µm）范围内平均精细结构分裂（FSS）仅为25 µeV。光学取向技术证实了简并的激子谱线，表明这些量子点是长距离光纤量子通信中按需产生高保真度纠缠光子的理想候选材料。

ABSTRACT

The emission cascade of a single quantum dot is a promising source of entangled photons. A prerequisite for this source is the use of a symmetric dot analogous to an atom in a vacuum, but the simultaneous achievement of structural symmetry and emission in a telecom band poses a challenge. Here we report the growth and characterization of highly symmetric InAs/InAlAs quantum dots self-assembled on C3v symmetric InP(111)A. The broad emission spectra cover the O (1.3 micron-m), C (1.55 micron-m), and L (1.6 micron-m) telecom bands. The distribution of the fine-structure splittings is considerably smaller than those reported in previous works on dots at similar wavelengths. The presence of dots with degenerate exciton lines is further confirmed by the optical orientation technique. Thus, our dot systems are expected to serve as efficient entangled photon emitters for long-distance fiber-based quantum key distribution.

研究动机与目标

• 开发基于通信波段量子点的固态纠缠光子源，用于长距离量子密钥分发（QKD）。
• 克服半导体量子点中因大精细结构分裂（FSS）导致的对称性破缺问题，从而破坏纠缠态的形成。
• 在(111)A取向的InP衬底上实现InAs量子点的结构与电子结构对称性，以实现最小FSS。
• 通过结合通信波段发射与近简并的激子态，实现实用化、光纤兼容的量子光子学。

提出的方法

• 采用液滴外延法在晶格失配的InP(111)A衬底上生长InAs量子点，避免应变驱动的生长机制。
• 使用分子束外延（MBE）在470 °C下生长150-nm的In0.52Al0.48As阻挡层，随后在320 °C下沉积In液滴。
• 在270 °C下通过As4束流将In液滴结晶为量子点，随后在370 °C下退火，并用75-nm的In0.52Al0.48As层封盖。
• 通过原子力显微镜（AFM）确认量子点形貌，其高度为3.0 ± 1.0 nm，直径为38 ± 10 nm，具有优异的横向对称性。
• 采用低温（10 K）显微光致发光（PL）光谱测量，使用705 nm激光和焦距为50 cm的光谱仪（分辨率55 µeV）。
• 采用光学取向技术通过测量偏振依赖的PL并使用高斯拟合发射谱线，探测激子简并性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在(111)A InP衬底上通过液滴外延能否实现通信波段中FSS接近零的InAs量子点？
• RQ2 与传统的(001)衬底相比，(111)A表面的C3v对称性在多大程度上抑制了FSS？
• RQ3 光学取向技术能否证实这些量子点中存在激子简并性，表明其具有高度对称性？
• RQ4 在O、C和L通信波段的发射光谱分布如何？其与量子点高度和对称性的相关性如何？

主要发现

• 整个样品的平均精细结构分裂（FSS）为25 µeV，显著低于以往通过Stranski-Krastanov（SK）模式生长的同类波长量子点的报道值。
• FSS分布明显比以往研究更窄，表明量子点具有高度的结构与电子对称性。
• 光学取向测量证实了存在近乎简并的激子谱线，验证了其在纠缠光子发射方面的潜力。
• 光致发光光谱覆盖1.1至1.6 µm，涵盖O波段（1310 nm）、C波段（1550 nm）和L波段（1600 nm），可与现有光纤网络兼容。
• 测得的激子寿命为1.43 ns，与单光子发射一致，适用于量子信息应用。
• 沿[01-1]和[-210]方向的AFM截面图几乎完全相同，证实了高度的横向对称性且无拉长现象。