Light: 王新强|利用GaN中的类孤立In原子实现单光子源

图片来源：Light: Science & Applications

撰稿 | 孙萧萧

近日，北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心王新强、沈波、葛惟昆等与东京大学Mark Holmes,Yasuhiko Arakawa研究团队发展出了一种由空间分离的InGaN单原子层嵌入在GaN薄膜中形成的新型量子发射器。该方法利用GaN中类孤立In原子形成的单光子发射系统具有稳定的发光能量，较快的寿命值以及高品质的二阶相关度结果，为未来的光量子技术的发展提供了更多的可能性。该文章已于近日发表在国际顶尖学术期刊Light: Science & Applications，题为 “Single photon emission from isolated monolayer islands of InGaN”

单光子源是实现未来光量子技术（包括光量子计算、量子秘钥分配等）的一种必要光源。迄今为止，已有多种结构和材料体系被用于实现高品质的单光子源，比如单原子、单分子、半导体量子点以及宽带隙和二维材料中的点缺陷。III族氮化物材料具有发光波长覆盖面广和振子强度大的特点，有望为未来室温实用器件的开发提供多种优势。此外，由于氮化物材料与硅基底生长的兼容性，以及它们在现代光电子学和功率器件应用中的广泛使用，从而得到全球工业基础设施对器件制造的支持。

图1 通过逆反应生长和再生长制备出高品质量子发射器

北京大学宽禁带半导体研究中心与合作者利用原位逆反应生长及再生长，制备出高质量、强约束的纳米线量子盘,其PL光谱线宽、发光背景强度以及二阶相干度结果表明强束缚的量子盘有极好的光学品质（图1）；在阵列纳米线的基础上，制备出将量子点耦合进入喇叭状的倒立六棱形结构中，极大地提高了单光子的效率 （图2）。然而半导体量子点系统发展至今，总会存在难以控制的微小尺寸变化，进而导致不同发射体之间发射能量的相对较大的变化。因此，利用新材料或新技术开发单光子源的基础研究至关重要。

图2 量子点耦合进入喇叭状的倒立六棱形结构实现高效单光子源

针对这一难题，研究团队发展出了一种由空间分离的InGaN单原子层嵌入在GaN薄膜中形成的新型量子发射器。传统意义上点缺陷在其主晶体中的随机位置形成，往往具有很强的声子耦合，并由于可转移状态而表现出闪烁等问题，而通过生长设计出的“类孤立原子”结构则可以有效地控制其随机性以及发光的闪烁。研究团队采用分子束外延摸索制备出单原子层In(Ga)N结构，实验观测和计算结果皆证明In原子周期性地以In:Ga ~ 1：2的比例嵌入进入Ga原子中（图3）。为了进一步在空间上使得周期性的In原子分离，同时也提高光子的提取效率，再通过纳米压印技术把平面结构图形化，将其刻蚀成阵列式的柱状结构。详细完善的光学表征证明，所形成的单光子发射系统具有非常稳定的发光能量，较快的寿命值（意味着较强的发光效率）以及高品质的二阶相关度结果，为未来的光量子技术的发展提供了更多的可能性。

图3 可控可调节的InGaN单层嵌入GaN薄膜中形成的新型量子发射器

该研究成果以"Single photon emission from isolated monolayer islands of InGaN"为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文第一作者为北京大学物理学院博士生孙萧萧，通讯作者为北京大学王新强教授和东京大学Mark Holmes教授。该研究获得挑战计划、重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项、自然科学基金的资助及北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室的大力支持。