DOI: https://doi.org/10.1063/5.0300338
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Katie M. Eggleton وآخرون
الموضوع الرئيسي: أجهزة ومواد أشباه الموصلات القائمة على GaN
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة طريقة جديدة للتحكم في نمو مصدري الكم من نيتريد الغاليوم (GaN) على ركائز السيليكون، باستخدام تقنية نمو البخار العضوي المعدني المدمجة مع معالجة السيلاين. تتيح هذه الطريقة وضع مصدري الكم بدقة على أعماق محددة داخل الهيكل البلوري، متجاوزة القيود التي فرضتها الطرق السابقة التي أدت إلى أعماق غير متحكم بها للمصادر على ركائز الياقوت. تظهر مصدري الكم الناتجة عامل ديباي-والر مرتفع وتظهر سلوك مضاد للتجمع عند درجة حرارة الغرفة، مما يجعلها مناسبة للتكامل في أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة.
تشير النتائج إلى إمكانيات كبيرة لتطوير تقنيات الكم المتطورة، بما في ذلك التجاويف المصممة لوضع المصادر عند العقدة المضادة للحقل الكهربائي. ومع ذلك، فإن تحقيق المستوى المطلوب من طبقة التغطية من GaN يمثل تحديات. تشير الأبحاث أيضًا إلى أنه مع التحكم المناسب في تشبع المواد، قد يكون من الممكن إنشاء ثنائيات للتعديل الإلكتروني وضخ الحاملات في مصدري الكم. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكامل خطوط الموجات الدقيقة للكشف عن الرنين المغناطيسي بصريًا ممكن. بشكل عام، فإن توافق هذه الطريقة مع عمليات التصنيع المعتمدة يضع هذه المصادر الكمومية كمرشحين واعدين للتطبيقات المستقبلية في تكنولوجيا الكم.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية مصدري الكم من الحالة الصلبة (QEs) في تقدم تقنيات الكم، لا سيما في مجالات الاتصالات الكمومية، وأجهزة الاستشعار، والحوسبة. هناك تأكيد ملحوظ على تطوير QEs بدرجة حرارة الغرفة من مواد متنوعة، بما في ذلك الماس، نيتريد البورون السداسي، كربيد السيليكون، والسيليكون، مع التركيز على نيتريدات الورتزيت مثل نيتريد الغاليوم (GaN) ونيتريد الألمنيوم (AlN). تعتبر QEs من GaN واعدة بشكل خاص بسبب استقرارها البصري، وطيف انبعاثها الواسع، ودرجة سطوعها العالية، مما سهل تكاملها في أنظمة الاتصالات الكمومية النموذجية.
يصف المؤلفون عملية نمو بلورية مبتكرة تهدف إلى تحقيق QEs من GaN بكثافة منخفضة عند عمق متحكم به، مما يتجاوز التحديات التي تفرضها العيوب عند واجهة الطبقة الرفيعة والركيزة. تحاكي هذه الطريقة الظروف التي تتشكل فيها QEs عادة عند واجهة الياقوت-GaN. تظهر الدراسة أن هذه QEs، التي تتميز بعامل ديباي-والر مرتفع وانبعاث مستقر عند درجة حرارة الغرفة، يمكن دمجها بشكل فعال في طبقة GaN مسطحة دون المساس بخصائصها. تشير النتائج إلى أن هذه الطريقة تتيح التحكم الدقيق في عمق تشكيل QEs، مما يضع GaN على السيليكون كمنصة قابلة للتطبيق لتطوير مصادر الضوء الكمومية وأجهزة الاستشعار بدرجة حرارة الغرفة.
طرق
في القسم التجريبي، تم إجراء قياسات الفوتولومينيسنس باستخدام ميكروسكوب 4f مخصص للمسح الضوئي، مع توفير الإثارة بواسطة ليزر بطول موجي 520 نانومتر. تم عزل انبعاث الكفاءة الكمومية (QE) من خلال مرآة ثنائية اللون بطول موجي 532 نانومتر وفلتر تمرير طويل بطول موجي 550 نانومتر، بينما تم محاذاة قطب مستقطب خطي مع ثنائي القطب للمصدر لتعزيز نسبة الإشارة إلى الخلفية. تم استخدام عدسة انكسارية ذات فتحة عددية تبلغ 0.9 لتركيز الليزر على العينة وجمع الفلورية الناتجة.
تم تحقيق كشف الفوتونات باستخدام ثنائيات ضوئية من نوع SPCM-AQRH من Excelitas متصلة بالألياف. لتحسين البيانات، تم تعديل الارتباط من الدرجة الثانية الموضح في الزاوية من الشكل 1(د) لاستبعاد العد من الانعكاسات داخل الألياف التي تحدث ضمن أوقات التأخير من ± (15 → 27 نانوثانية). بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء قياسات طيفية باستخدام مطياف بطول 328 مم مزود بشبكية 80 خط لكل مم وكاميرا CCD من السيليكون. أظهر الميكروسكوب الضوئي المستخدم في هذه التجارب مدى رايلي يبلغ حوالي 2.4 ميكرومتر، مما يدل على قدرته على التصوير عالي الدقة.
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج دراستهم حول نمو مصدري الكم (QEs) داخل طبقة GaN على ركيزة سيليكون. تتضمن عملية النمو البلوري عدة طبقات، بدءًا من طبقة AlN بسمك 250 نانومتر تليها طبقة AlGaN ذات التركيب المتدرج وطبقة عازلة من GaN، مما يؤدي إلى ارتفاع إجمالي للنمو البلوري يبلغ 3.0 ميكرومتر. تتشكل QEs خلال المراحل الأولية من نمو طبقة AlN، بكثافة تبلغ حوالي \(10^{-3}\) مصادر لكل 10 نانومتر من عرض الطيف لكل ميكرومتر مربع. تكشف قياسات الفوتولومينيسنس عند درجة حرارة الغرفة (PL) عن توزيع لمصادر نقطية، حيث تظهر QEs المعتمدة على AlN بكثافة تبلغ حوالي 1 ميكرومتر\(^{-2}\) وQEs من GaN بكثافة أقل بكثير.
تؤكد الدراسة أن QEs من GaN تظهر خصائص بصرية مميزة، بما في ذلك خطوط طيفية ضيقة وسلوك مضاد للتجمع يدل على حالات طاقة كمية. تظهر قياسات الارتباط من الدرجة الثانية قيمة \(g^{(2)}(0)\) تبلغ 0.26 ± 0.05 لأحد QEs من GaN، وهو أقل من الحد الكلاسيكي، مما يشير إلى وجود انبعاث فوتون واحد. بالإضافة إلى ذلك، يستكشف المؤلفون تشكيل QEs من GaN على سطح معالج بالسيلاين، مشيرين إلى أنه بينما تقع بعض المصادر بالقرب من السطح، إلا أنها لا تزال تظهر خصائص QE. تؤكد النتائج على ضرورة تضمين QEs من GaN داخل طبقات رفيعة مسطحة لتسهيل تصنيع الأجهزة مع تقليل التفاعلات السطحية. تسلط النتائج الضوء على تعقيد تحقيق سطح مسطح لتكامل فعال لـ QE، كما يتضح من الحاجة إلى نمو زائد كبير لتحقيق سطح مستوي.
نقاش
في هذا النقاش، يقيم المؤلفون تداعيات النجاح في نمو مصدري الكم من GaN (QEs) في طبقات رقيقة متحكم بها عبر تقنية نمو البخار العضوي المعدني (MOVPE). يبرزون أهمية نتائجهم فيما يتعلق بالأصول الهيكلية لـ QEs من GaN، مشيرين إلى أنه بينما اقترحت الأدبيات السابقة تكوينات هيكلية متنوعة، لا يزال التعريف الدقيق بعيد المنال. تكشف الدراسة أن QEs من GaN تتشكل بشكل تفضيلي على ركائز الياقوت وتقترح أن هذه المصادر يمكن أيضًا دمجها داخل طبقات GaN على ركائز أخرى، كما يتضح من تقنيات التوصيف الهيكلي مثل المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) والمجهر الضوئي السعوي.
يقدم المؤلفون ملاحظات مفصلة من تجاربهم، بما في ذلك وجود تشوهات متسلسلة وإدماج مواد مشبعة من النوع n، والتي قد تؤثر على النشاط البصري لـ QEs. يبلغون عن خصائص طيفية لـ QEs، بما في ذلك أطوال موجية لخطوط الفونون الصفري (ZPL) وعرض كامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM)، مما يدل على مجموعة من خصائص الانبعاث. بينما لا تؤسس الدراسة رابطًا مباشرًا بين QEs والفراغات المتعلقة بالسيليكون، فإنها تفتح آفاقًا لمزيد من التحقيق في الأصول المجهرية لهذه المصادر. تؤكد النتائج على الإمكانية لتكامل QEs من GaN في تقنيات الكم المتقدمة، مما يبرز الحاجة إلى تشبع متحكم فيه وتسطح المواد لتسهيل تطبيقها في أجهزة مثل الثنائيات وأجهزة الاستشعار للرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0300338
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Katie M. Eggleton et al.
Primary Topic: GaN-based semiconductor devices and materials
Overview
This research presents a novel method for the controlled epitaxy of gallium nitride (GaN) quantum emitters on silicon substrates, utilizing metal-organic vapor phase epitaxy combined with a silane treatment. This approach allows for the precise placement of quantum emitters at defined depths within the crystal structure, overcoming the limitations of previous methods that resulted in uncontrolled emitter depths on sapphire substrates. The resulting quantum emitters exhibit a high Debye-Waller factor and demonstrate strong anti-bunching at room temperature, making them suitable for integration into advanced semiconductor devices.
The findings suggest significant potential for the development of sophisticated quantum technologies, including cavities designed to position emitters at the anti-node of the electric field. However, achieving the necessary planarization of the GaN capping layer poses challenges. The research also indicates that with appropriate control over material doping, it may be possible to create diodes for electronic tuning and carrier injection into the quantum emitters. Additionally, the integration of microwave striplines for optically-detected magnetic resonance sensing is feasible. Overall, the compatibility of this method with established manufacturing processes positions these quantum emitters as promising candidates for future applications in quantum technology.
Introduction
The introduction highlights the significance of solid-state quantum emitters (QEs) in advancing quantum technologies, particularly in the realms of quantum communications, sensors, and computing. There is a notable emphasis on the development of room-temperature QEs from various materials, including diamond, hexagonal boron nitride, silicon carbide, and silicon, with a focus on wurtzite nitrides like gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN). GaN QEs are particularly promising due to their optical stability, broad emission spectrum, and high brightness, which have facilitated their integration into prototype quantum communication systems.
The authors describe an innovative epitaxial growth process aimed at achieving low-density GaN QEs at a controlled depth, thereby circumventing the challenges posed by defects at the epilayer-substrate interface. This method mimics the conditions under which QEs typically form at the sapphire-GaN interface. The study demonstrates that these QEs, characterized by a high Debye-Waller factor and stable emission at room temperature, can be effectively integrated into a planar GaN layer without compromising their properties. The findings suggest that this approach enables precise control over the depth of QE formation, positioning GaN-on-silicon as a viable platform for developing room-temperature quantum light sources and sensors.
Methods
In the experimental section, photoluminescence measurements were conducted using a custom scanning confocal 4f microscope, with excitation provided by a 520 nm wavelength laser. The quantum efficiency (QE) emission was isolated through a 532 nm dichroic mirror and a 550 nm long pass filter, while a linear polarizer was aligned with the emitter dipole to enhance the signal-to-background ratio. A refractive objective with a numerical aperture of 0.9 was employed to focus the laser on the sample and collect the resulting fluorescence.
Photon detection was achieved using Excelitas fiber-coupled SPCM-AQRH silicon avalanche photodiodes (APDs). To refine the data, the second-order correlation depicted in the inset of Fig. 1(d) was adjusted to exclude counts from in-fiber reflections occurring within the delay times of ± (15 → 27 ns). Additionally, spectral measurements were performed with a 328 mm spectrometer featuring an 80 lines per mm grating and a silicon CCD. The confocal microscope utilized in these experiments exhibited a Rayleigh range of approximately 2.4 µm, indicating its capability for high-resolution imaging.
Results
In this section, the authors present the results of their study on the growth of quantum emitters (QEs) within a GaN layer on a Si substrate. The epitaxial growth process involves several layers, starting with a 250 nm AlN layer followed by a compositionally-graded AlGaN layer and a GaN buffer layer, culminating in a total epitaxy height of 3.0 µm. The QEs are formed during the initial stages of the AlN layer growth, with a density of approximately \(10^{-3}\) emitters per 10 nm of spectral bandwidth per square micron. Room-temperature photoluminescence (PL) measurements reveal a distribution of point-like emitters, with AlN-based QEs appearing at a density of about 1 µm\(^{-2}\) and GaN QEs at a significantly lower density.
The study confirms that GaN QEs exhibit distinct optical characteristics, including narrow spectral linewidths and antibunching behavior indicative of quantized energy states. The second-order correlation measurements show a \(g^{(2)}(0)\) value of 0.26 ± 0.05 for one of the GaN QEs, which is below the classical limit, suggesting the presence of single-photon emission. Additionally, the authors explore the formation of GaN QEs on a silane-treated surface, noting that while some emitters are located near the surface, they still exhibit QE characteristics. The findings emphasize the necessity of embedding GaN QEs within flat epilayers to facilitate device fabrication while mitigating surface interactions. The results highlight the complexity of achieving a flat surface for effective QE integration, as evidenced by the need for significant overgrowth to achieve a planarized surface.
Discussion
In this discussion, the authors evaluate the implications of successfully growing GaN quantum emitters (QEs) in controlled thin layers via metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). They highlight the significance of their findings in relation to the structural origins of GaN QEs, noting that while previous literature has proposed various structural configurations, definitive identification remains elusive. The study reveals that GaN QEs preferentially form on sapphire substrates and suggests that these emitters can also be integrated within GaN epilayers on other substrates, as evidenced by structural characterization techniques such as transmission electron microscopy (TEM) and scanning capacitance microscopy.
The authors present detailed observations from their experiments, including the presence of threading dislocations and n-type dopant incorporation, which may influence the optical activity of the QEs. They report spectral properties of the QEs, including zero-phonon line (ZPL) wavelengths and full width at half maximum (FWHM), indicating a range of emission characteristics. While the study does not establish a direct link between the QEs and silicon-related vacancies, it opens avenues for further investigation into the microscopic origins of these emitters. The findings underscore the potential for integrating GaN QEs into advanced quantum technologies, emphasizing the need for controlled doping and material planarization to facilitate their application in devices such as diodes and optically-detected magnetic resonance sensors.