GaN缺陷单光子发射器中光学声子的退相干*

1. 概述

        在技术成熟的宽带隙半导体中，单光子发射器（SPE），特别是那些具有磁性和光学可寻址自旋态的单光子缺陷发射极，对于实现量子应用的集成平台具有吸引力。由固态SPE中的退相干引起的零声子线（ZPL）的加宽限制了发射光子的不可区分性。退相干还限制了缺陷态在量子信息处理、传感和计量中的使用。在大多数缺陷发射体中，如碳化硅（SiC）和金刚石中的缺陷发射体，与低能声学声子的相互作用决定了退相干率的温度依赖性，并且由此产生的零声子线随温度的加宽服从幂律。氮化镓（GaN）在600nm至700nm波长范围内具有明亮稳定的单光子发射器，即使在室温下也具有强零声子线。

        在这项工作中，研究了与固体浸没透镜集成的GaN单光子发射器的零声子线光谱的温度依赖性，以了解相关的退相干机制。在低于-50 K的温度下，发现零声子线线形是高斯的，其线宽与温度无关，并由光谱扩散主导。在～50K以上，线宽随温度单调增加，线型演变为洛伦兹型。非常值得注意的是，线宽的温度依赖性不遵循幂律。研究者们提出了一个模型，其中由弹性拉曼过程中光学声子的吸收/发射引起的退相干决定了线形和线宽的温度依赖性。该模型解释了零声子线线宽和线型在本工作中探索的整个10K至270K温度范围内的温度依赖性。通过将模型与数据拟合提取的~19meV光学声子能量与GaN中最低光学声子带（E2（低））的~18meV区域中心能量非常匹配。该工作揭示了GaN单光子探测器中线宽加宽的机制。由于低能光学声子带（E2（低））是大多数具有纤锌矿晶体结构的III-V族氮化物的特征，包括氮化硼（hBN）和氮化铝（AlN），预计提出的机制也将在这些材料中的缺陷发射体中发挥重要作用。

2. 样品制备

        本研究的样品材料采用HVPE法在430µm厚的蓝宝石衬底上生长~4µm厚的Ga极性半绝缘GaN外延层（来自中芯晶研），而后制成单光子发射器。使用定制的共聚焦扫描显微镜装置光学激发单光子发射器（使用532nm泵浦激光器）并收集PL。使用具有galvo镜的4f装置进行扫描。将收集的PL以50:50分成光谱仪和Hanbury-Brown and Twiss装置，该装置由两个光子计数检测器（Picoquant的PMA混合40）和相关器（Picoquant的Multiharp150）组成。0.9NA物镜用于所有室温测量，而对于低温测量，样品安装在低温恒温器内，并且使用具有校正套环的0.7NA物镜通过低温恒温器窗口收集PL。该装置在～650 nm波长下的光谱分辨率为～0.18 meV。

3. 结论

        本工作研究了GaN 单光子发射器，并研究了其发射光谱的温度依赖性。与以前的报道相比，该工作发现FWHM零声子线线宽和发射中心波长都随温度单调增加。零声子线线宽的温度依赖性可以通过所提出的模型在整个10K到270K的温度范围内很好地解释，其中通过光学声子的吸收/发射发生退相干。实验确定的光学声子能量与GaN中最低光学声子带（E2（低））的区域中心能量匹配良好。

        明亮、稳定、快速的GaN 单光子发射器在高重复率单光子的应用中发挥具体的潜力。然而，宽的零声子线线宽可能会对需要不可区分光子的应用构成挑战。本研究为单光子发射器中线宽加宽建立了机制。

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