論文の概要: Controlled growth of rare-earth-doped TiO$_{2}$ thin films on III-V semiconductors for hybrid quantum photonic interfaces
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.03918v1
- Date: Wed, 05 Nov 2025 23:42:09 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-11-07 20:17:53.241105
- Title: Controlled growth of rare-earth-doped TiO$_{2}$ thin films on III-V semiconductors for hybrid quantum photonic interfaces
- Title（参考訳）: ハイブリッド量子フォトニック界面用III-V半導体上への希土類ドープTiO$_{2}$薄膜の成長制御
- Authors: Henry C. Hammer, Caleb Whittier, Nathan A. Helvy, Christopher Rouleau, Nabil D. Bassim, Ravitej Uppu,
- Abstract要約: 量子フォトニックネットワークには、明るい単一光子源と長寿命量子メモリという、2つの異なる機能が必要である。
本稿では,Er$3+Doped TiO$_2$薄膜の低温パルスレーザー堆積をGaAsおよびGaSb基板上で直接示す。
半導体光子源と希土類量子メモリをモノリシックに統合するための材料プラットフォームを構築した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Quantum photonic networks require two distinct functionalities: bright single-photon sources and long-lived quantum memories. III-V semiconductor quantum dots excel as deterministic and coherent photon emitters, while rare-earth ions such as erbium (Er$^{3+}$) in crystalline oxides offer exceptional spin and optical coherence at telecom wavelengths. Combining these systems and their functionalities via direct epitaxy is challenging due to lattice mismatch and incompatible growth conditions. Here we demonstrate low-temperature pulsed laser deposition of Er$^{3+}$-doped TiO$_{2}$ thin films directly on GaAs and GaSb substrates. Controlled surface preparation with an arsenic cap and an oxygen-deficient buffer layer enables the growth of epitaxial anatase TiO$_{2}$ (001) at 390$^{o}$C with sub-300 pm surface roughness, while avoiding interface degradation. In contrast, high-temperature oxide desorption or growth temperatures drive the transition to rough, polycrystalline rutile film, as confirmed by transmission electron microscopy. Minimal coincident interface area (MCIA) modeling explains the orientation-selective growth on GaAs and GaSb. Raman and cryogenic photoluminescence excitation spectroscopy verify the crystal phase and optical activation of Er$^{3+}$ ions. This multi-parameter growth strategy helps preserve III-V quantum dot functionality and yields smooth surfaces suitable for low-loss nanophotonic structures. Our results establish a materials platform for monolithically integrating rare-earth quantum memories with semiconductor photon sources, paving the way toward scalable hybrid quantum photonic chips.
- Abstract（参考訳）: 量子フォトニックネットワークには、明るい単一光子源と長寿命量子メモリという、2つの異なる機能が必要である。
III-V半導体量子ドットは、決定論的およびコヒーレントな光子エミッタとして優れ、一方、結晶酸化物中のエルビウム(Er$^{3+}$)のような希土類イオンは、テレコム波長において例外的なスピンと光コヒーレンスを与える。
これらのシステムと直接エピタキシーによる機能の組み合わせは、格子ミスマッチと非互換な成長条件のために困難である。
本稿では,Er$^{3+}$ドープTiO$_{2}$薄膜の低温パルスレーザー堆積をGaAsおよびGaSb基板上で直接示す。
ヒ素キャップと酸素欠乏緩衝層を用いた表面処理により,300 pm以下の表面粗さを有するエピタキシャルアナターゼTiO$_{2}$(001)を390$^{o}$Cで成長させることができ,界面劣化を回避できる。
対照的に、高温酸化脱離または成長温度は、透過電子顕微鏡によって確認された、粗い多結晶性ルチル膜への遷移を誘導する。
MCIAモデリングはGaAsとGaSbの配向選択的成長を説明する。
ラマンおよび低温発光励起分光法は、Er$^{3+}$イオンの結晶相と光活性化を検証する。
このマルチパラメータ成長戦略は、III-V量子ドットの機能を保存し、低損失ナノフォトニクス構造に適した滑らかな表面を得るのに役立つ。
本研究は、半導体光子源と希土類量子メモリをモノリシックに統合し、スケーラブルなハイブリッド量子フォトニックチップへの道を開くための材料プラットフォームを構築した。
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