GaN 결함 단일에서 광학 포논에 의한 디페이징

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8678(2023) 이 기사 인용

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기술적으로 성숙한 와이드 밴드갭 반도체에서 단일 광자 결함 방출기(SPE), 특히 자기적 및 광학적으로 주소 지정이 가능한 스핀 상태를 갖는 SPE는 양자 응용을 위한 통합 플랫폼을 실현하는 데 매력적입니다. 고체 상태 SPE의 디페이싱으로 인해 발생하는 제로 포논 라인(ZPL)의 확장은 방출된 광자의 구별 불가능성을 제한합니다. 디페이징은 또한 양자 정보 처리, 감지 및 계측에서 결함 상태의 사용을 제한합니다. SiC 및 다이아몬드와 같은 대부분의 결함 방출기에서 저에너지 음향 포논과의 상호 작용은 디페이싱 속도의 온도 의존성을 결정하고 결과적으로 온도에 따라 ZPL이 넓어지는 것은 거듭제곱 법칙을 따릅니다. GaN은 실온에서도 강력한 ZPL을 사용하여 600~700nm 파장 범위에서 밝고 안정적인 단일 광자 방출기를 호스팅합니다. 본 연구에서는 관련 디페이징 메커니즘을 이해하기 위한 목적으로 고체 침지 렌즈와 통합된 GaN SPE의 ZPL 스펙트럼의 온도 의존성을 연구합니다. ~ 50K 미만의 온도에서 ZPL 선 모양은 가우시안으로 나타나고 ZPL 선폭은 온도에 독립적이며 스펙트럼 확산에 의해 지배됩니다. ~ 50K 이상에서는 선폭이 온도에 따라 단조롭게 증가하고 선 모양이 Lorentzian으로 발전합니다. 놀랍게도 선폭의 온도 의존성은 거듭제곱 법칙을 따르지 않습니다. 우리는 탄성 라만 과정에서 광학 포논의 흡수/방출로 인한 위상차가 선 모양과 선폭의 온도 의존성을 결정하는 모델을 제안합니다. 우리 모델은 이 연구에서 탐구된 전체 10-270K 온도 범위에서 ZPL 선폭과 선형의 온도 의존성을 설명합니다. 모델을 데이터에 피팅하여 추출된 ~ 19 meV 광학 포논 에너지는 GaN에서 가장 낮은 광학 포논 대역(\(E_{2}(low)\))의 ~ 18 meV 영역 중심 에너지와 매우 잘 일치합니다. 우리의 연구는 GaN SPE에서 선폭 확장을 담당하는 메커니즘을 조명합니다. 저에너지 광학 포논 밴드(\(E_{2}(low)\))는 hBN 및 AlN을 포함하여 울츠광 결정 구조를 갖는 대부분의 III-V족 질화물의 특징이므로 제안된 메커니즘이 중요한 역할을 할 것으로 기대합니다. 이러한 물질의 결함 방출체에서도 역할을 합니다.

단일 광자 방출기(SPE)는 양자 계산 및 통신 애플리케이션에 중요합니다1. 주문형 고체 단일 광자 방출기는 반도체 양자점2,3, 2차원 재료의 결함4,5, 다이아몬드6,7 및 SiC8과 같은 넓은 밴드갭 재료의 결함을 포함한 다양한 재료 시스템에서 실현되었습니다. 기술적으로 성숙하고, 고품질 에피택시를 사용하여 합성할 수 있으며, 광소자 및 제어 전자 장치와 통합할 수 있는 반도체 재료에서 고휘도, 스펙트럼 순수성 및 고효율 SPE를 식별하는 것이 매우 바람직합니다1. 최근 AlN9 및 GaN10,11의 결함 기반 SPE가 보고되었습니다. GaN은 가시 파장 레이저, 발광 다이오드, 반도체 RF 및 전력 장치와 관련된 응용 분야에서 기술적 중요성이 높은 직접적이고 넓은 밴드갭 소재입니다. 따라서 GaN의 SPE는 흥미롭고 기술적으로 관련성이 있습니다. GaN SPE는 밝고 광안정성이 있으며 600~700 nm 파장 범위에서 날카로운 PL(광발광) 피크가 퍼져 있는 것으로 보고되었습니다10,11. 이러한 GaN SPE의 특성은 아직 파악하기 어렵습니다. GaN의 점 결함과 결정의 적층 결함 및 전위에 국한된 전자 상태가 후보로 제안되었습니다.

이 연구에서 우리는 GaN SPE에서 ZPL 방출 스펙트럼의 온도 의존성을 연구하고 관찰된 ZPL 선폭 확장을 담당하는 광학 포논과의 상호 작용을 포함하는 새로운 디페이싱 메커니즘을 제안합니다. 디페이싱으로 인한 ZPL 선폭 확장은 많은 양자 시스템에 필요한 구별할 수 없는 광자를 생성하는 데 어려운 문제입니다. ZPL(제로 포논 라인) 방출 스펙트럼의 온도 의존성은 결함 기반 SPE의 특성에 대한 풍부한 정보를 제공할 뿐만 아니라 디페이싱 및 방출 선폭 확장을 담당하는 물리적 프로세스에 대한 창도 제공합니다. 대부분의 고체 결함 SPE에서 저에너지 음향 포논과의 상호 작용은 디페이싱 속도의 온도 의존성과 방출 선폭 확장을 담당합니다. 고체 상태 SPE에서 관찰된 방출 선폭의 온도 의존성을 설명하기 위해 음향 포논에 의해 유도된 디페이징에 대한 다양한 물리적 모델이 제안되었습니다. 예를 들어, AlN, SiC 및 hBN SPE에서 관찰된 \(T^{3}\) 온도 의존성은 다수의 결함이 있는 결정의 음향 포논 유발 디페이징에 기인합니다. 다이아몬드의 \(\hbox {NV}^{-}\) 중심에서 관찰된 \(T^{5}\) 의존성은 여기 상태에서 동적 Jahn-Teller 효과의 결과로 표시되었습니다. 많은 고체 방출체에서 관찰된 \(T^{7}\) 의존성은 음향 포논에 대한 2차 결합에 기인합니다. 광학 포논과의 상호작용은 일반적으로 광학 포논의 큰 에너지를 고려할 때 실온보다 훨씬 낮은 온도에서 디페이징을 위한 중요한 메커니즘으로 간주되지 않습니다.