Дефазировка оптическими фононами в одиночном дефекте GaN

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8678 (2023) Цитировать эту статью

973 Доступа

Подробности о метриках

Эмиттеры однофотонных дефектов (SPE), особенно с магнитно и оптически адресуемыми спиновыми состояниями, в технологически зрелых широкозонных полупроводниках привлекательны для реализации интегрированных платформ для квантовых приложений. Уширение бесфононной линии (БФЛ), вызванное дефазировкой в ​​твердотельных СПС, ограничивает неразличимость испускаемых фотонов. Дефазировка также ограничивает использование дефектных состояний в квантовой обработке информации, зондировании и метрологии. В большинстве дефектных эмиттеров, например в SiC и алмазе, взаимодействие с низкоэнергетическими акустическими фононами определяет температурную зависимость скорости дефазировки, а результирующее уширение ЗФЛ с температурой подчиняется степенному закону. GaN содержит яркие и стабильные однофотонные эмиттеры в диапазоне длин волн 600–700 нм с сильными ZPL даже при комнатной температуре. В этой работе мы изучаем температурную зависимость спектров БФЛ GaN SPE, интегрированных с твердотельными иммерсионными линзами, с целью понять соответствующие механизмы дефазировки. При температурах ниже ~ 50 К форма линии ЗФЛ оказывается гауссовой, а ширина линии ЗФЛ не зависит от температуры и в ней преобладает спектральная диффузия. Выше ~ 50 К ширина линии монотонно увеличивается с температурой и форма линии переходит в лоренцианскую. Весьма примечательно, что температурная зависимость ширины линии не подчиняется степенному закону. Мы предлагаем модель, в которой дефазировка, вызванная поглощением/испусканием оптических фононов в процессе упругого комбинационного рассеяния света, определяет температурную зависимость формы и ширины линии. Наша модель объясняет температурную зависимость ширины и формы линий БФЛ во всем исследованном в работе диапазоне температур 10–270 К. Энергия оптического фонона ~ 19 мэВ, полученная путем подгонки модели к данным, удивительно хорошо соответствует энергии центра зоны ~ 18 мэВ самой нижней полосы оптических фононов (\(E_{2}(low)\)) в GaN. Наша работа проливает свет на механизмы, ответственные за уширение линии в GaN SPE. Поскольку полоса оптических фононов низкой энергии (\(E_{2}(low)\)) является особенностью большинства нитридов групп III–V с кристаллической структурой вюрцита, включая hBN и AlN, мы ожидаем, что предложенный нами механизм сыграет важную роль. роль эмиттеров дефектов в этих материалах.

Однофотонные эмиттеры (SPE) важны для квантовых вычислений и приложений связи1. Твердотельные однофотонные излучатели по требованию были реализованы в различных материальных системах, включая полупроводниковые квантовые точки2,3, дефекты в двумерных материалах4,5 и дефекты в материалах с широкой запрещенной зоной, таких как алмаз6,7 и SiC8. Крайне желательно идентифицировать высокояркие, спектрально чистые и высокоэффективные ТФЭ в полупроводниковых материалах, которые технологически зрелы, могут быть синтезированы с использованием высококачественной эпитаксии и обеспечивают интеграцию с фотонными устройствами и управляющей электроникой1. Недавно появились сообщения о ТПС на основе дефектов в AlN9 и GaN10,11. GaN представляет собой материал с широкой запрещенной зоной, имеющий большое технологическое значение в приложениях, связанных с лазерами видимой длины волны и светоизлучающими диодами, а также полупроводниковыми радиочастотными и силовыми устройствами. Поэтому СПС в GaN интересны и технологически актуальны. Сообщалось, что GaN SPE являются яркими, фотостабильными и демонстрируют острые пики фотолюминесценции (ФЛ), расположенные в диапазоне длин волн 600-700 нм10,11. Природа этих GaN SPE остается неясной. В качестве кандидатов были предложены точечные дефекты в GaN, а также электронные состояния, локализованные в дефектах упаковки и дислокациях кристалла12,13.

В этой работе мы изучаем температурную зависимость спектров излучения БФЛ в GaN SPE и предлагаем новый механизм дефазировки, включающий взаимодействие с оптическими фононами, который отвечает за наблюдаемое уширение ширины линии БФЛ. Расширение ширины линии ZPL, вызванное дефазировкой, является проблемой для генерации неразличимых фотонов, необходимых во многих квантовых системах. Температурная зависимость спектра излучения бесфононных линий (БФЛ) дает богатую информацию не только о природе СПС на основе дефектов, но также открывает окно в физические процессы, ответственные за дефазировку и уширение ширины линии излучения. В большинстве СПС с твердотельными дефектами взаимодействие с низкоэнергетическими акустическими фононами ответственно за температурную зависимость скорости дефазировки, а также за уширение ширины линии излучения. Различные физические модели дефазировки, вызванной акустическим фононом, были предложены для объяснения температурной зависимости ширины линий излучения, наблюдаемой в твердотельных СПС. Например, температурная зависимость \(T^{3}\), наблюдаемая в SPE AlN, SiC и hBN9,14,15, объясняется дефазировкой, индуцированной акустическими фононами в кристаллах с большим количеством дефектов16. Было показано, что зависимость \(T^{5}\), наблюдаемая в центрах \(\hbox {NV}^{-}\) в алмазе, является результатом динамического эффекта Яна-Теллера в возбужденном состоянии17,18. Зависимость \(T^{7}\), наблюдаемая во многих твердотельных эмиттерах, объясняется квадратичной связью с акустическими фононами19,20. Взаимодействие с оптическими фононами обычно не считается важным механизмом дефазировки при температурах, значительно ниже комнатной, учитывая большие энергии оптических фононов.