一种量子点单光子源及其制备方法与流程

本发明涉及单光子源领域，具体涉及一种量子点单光子源及其制备方法。

背景技术：

随着社会的进步和发展，计算机的并行处理能力越来越强，尤其是超算的快速进步，对人类信息安全构成重大威胁，同时社会对通信保密的需求也越来越高，为了增加通信的保密程度，主要是基于增加算法的复杂度，但是这种技术形成的保密信息是可以被破解的。

量子通信是量子论和信息论结合产生的研究领域，是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，它是基于光的单量子态来实现通信的手段，由于其基于单光子的量子特性，从本质上是不可破译的，因此，量子通信能够完成经典通信手段无法完成的保密性任务，在量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码方面得到了广泛的应用。

单光子源是量子密钥通信的核心，目前的单光子源主要是基于激光衰减的方案得到的，但是，由于基于激光衰减的方案只是理论上将激光的能量衰减到单光子量级，因此，得到的单光子源在发射光子时，不仅会发射单光子，还会发射多光子，同时，发射光子的时间也是随机的，即基于激光衰减的方案得到的单光子源是伪单光子源。

最近究表明，基于量子点的单光子源，不仅单光子产生效率高，且调制速率快，是一项极具前景的技术。然而，量子点单光子源的制备过程中存在多项技术瓶颈：光谱的单色性控制、单量子点的发光特性研究、高质量单量子点生长、微腔量子点耦合结构制备、单光子源的发光效率、单光子光谱检测技术等等。

目前基于量子点的单光子源生长包括量子点外延结构的生长和单量子的定位两大步骤，为了保证单光子源的发光特性，要求有源区内仅有一个量子点被激发，因此在制备量子点层时需严格控制生长条件，确保量子点层的密度足够稀疏，同时，为了增加单量子发光效率，通常使用微纳腔结构对量子点进行耦合，现有技术主要是先进行量子点的生长再定位：使用共聚焦显微镜对量子点外延结构进行PL(Photoluminescence，荧光)谱测量，寻找到PL谱最强的位置再将微纳腔结构的模板进行投影光刻。

由于微米量级的光斑在厘米量级外延结构表面寻找定位点的难度较大，需要耗费大量的时间，限制了该技术在工业生产中的应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种量子点单光子源及其制备方法，能够快速准确定位量子点的位置，便于工业生产。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种量子点单光子源的制备方法，预制压印模板，所述压印模板上设置有若干与单个量子点相匹配的凸起结构，该方法包括以下步骤：

S1、在基底上生长缓冲层，在缓冲层上交替生长至少4对GaAs和Al_0.95Ga_0.05As，得到DBR反射镜层，在DBR反射镜层上表面生长n掺杂的GaAs作为背面栅极；

S2、在背面栅极上压印出纳米压印模板的结构，并刻蚀与凸起结构相对应的微腔，作为应力集中区；

S3、在应力集中区上沉积量子点，得到有源层，在有源层上生长P掺杂的GaAs层作为正面栅极，在正面栅极上交替生至少4对GaAs和Al_0.95Ga_0.05As，得到上表面DBR层，即光源样品，对光源样品进行标记、刻蚀，得到量子点单光子源。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中所述在应力集中区上生长量子点具体包括以下步骤：生长n掺杂GaAs作为过渡层，并在过渡层表面生长In_0.4Ga_0.6As浸润层，(生长中断)随后降温至500度，以防止表面的分解。1.8ML(monolayer，单原子层)InAs在这期间沉积，生长速率约为0.12nm/s，V/III的比例为0.4。生长过程中气源每隔5s中断一次，使得In原子在表面迁移，形成量子点

在上述技术方案的基础上，步骤S3中所述在应力集中区之后，得到有源层之前，还包括以下步骤：

在量子点上生长第一帽层In_0.8-xAl_0.2Ga_xAs、然后解析浸润层上未被第一帽层覆盖的区域，并拉平量子点的顶端，最后生长第二帽层In_0.71-xA_l0.29Ga_xAs得到有源层。

在上述技术方案的基础上，所述第一帽层的厚度为0.2nm，所述第二帽层的厚度小于等于30nm。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中所述对光源样品进行标记、刻蚀，得到量子点单光子源具体包括以下步骤：

在光源样品表面生长一层SiO₂层，使用紫外光刻的方法将微腔结构定义到光源样品表面；刻蚀除去SiO₂层，之后对光源样品自上而下逐层进行刻蚀，且刻蚀深度至少至有源层底部，重新蒸镀一层SiO₂，使用紫外曝光机对单个电极的位置进行曝光、显影、刻蚀逐一定义出所有电极。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中所述压印模板的中心区域设置有若干直径小于等于50nm、高度小于等于20nm的圆柱体，所述圆柱体为与单个量子点相匹配的凸起结构。

在上述技术方案的基础上，所述缓冲层的厚度大于等于50nm。

在上述技术方案的基础上，所述背面栅极和正面栅极的厚度均与DBR反射镜层中任一一层GaAs厚度相同。

一种量子点单光子源，自下而上依次包括基底、缓冲层、DBR反射镜层、背面栅极、有源层、正面栅极和第二DBR结构层，所述有源层中有单个量子点，且单光子源本体上设置有两电极，一电极与背面栅极连接，另一电极与正面栅极连接，作为正、负极，以单光子源本体其他部分作为导体，形成一完整的电路，且单光子源本体上与量子点相对应之处开有一微腔结构。

在上述技术方案的基础上，基底选用GaAs或者磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族化合物，缓冲层为GaAs。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明中量子点单光子源的制备方法，先在基底上标记出量子点生长的位点，即根据定位标记的位置在基片上印出纳米量级的小孔，然后再进行量子点的生长，并在生长过程中严格控制生长温度，由于In原子的高迁移率和孔内的应力分布较为大，量子点的岛状结构大都分布在小孔内，最后根据对准标记将微纳腔的模板定位在样品表面，这不仅实现了较高品质的量子点外延层，还简化了单量子点与微腔耦合的工艺流程，与现有技术中先进行量子点的生长再定位，使用共聚焦显微镜对量子点外延结构进行PL谱测量，寻找到PL谱最强的位置再将微纳腔结构的模板进行投影光刻相比，本发明能够快速准确定位量子点的位置，便于批量化生产。

(2)本发明中量子点单光子源的制备方法，其量子点是基于自组装的方法生长，能方便进行批量化生产，有效提高量子点单光子源的效率，简化了工艺流程，且采用本发明的方法得到的单光子源的二阶相干性低于0.1，单光子的收集效率大于20％。

附图说明

图1为本发明实施例中量子点单光子源的结构示意图；

图2为本发明实施例中确定量子点的生长位置的流程图。

图中：1-基底，2-缓冲层，3-DBR反射镜层，4-背面栅极，5-有源层，6-正面栅极，7-第二DBR结构层，8-电极，9-单光子源本体，10-微腔结构，11-量子点生长区域，12-应力集中区。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种量子点单光子源，包括自下而上依次包括基底1、缓冲层2、DBR反射镜层3、背面栅极4、有源层5、正面栅极6和第二DBR结构层7，有源层5中有单个量子点，且单光子源本体9上设置有两电极8，一电极8与背面栅极4连接，另一电极8与正面栅极6连接，作为正、负极，以单光子源本体9其他部分作为导体，形成一完整的电路，且单光子源本体9上与量子点相对应之处开有一微腔结构10。

本发明还提供一种量子点单光子源的制备方法，包括以下步骤：

S1、使用电子束光刻的方法制备纳米压印模板，该模板的中心区域设置有若干直径小于等于50nm、高度小于等于20nm的圆柱体，圆柱体的排列周期是50um*50um。

在实际制备中，圆柱体的直径和高度可以根据需要进行选择，本实施例中，圆柱体的直径为25nm，高度为5nm。

在基底1上定义对准标记：先在基底1的表面涂一层光刻胶，使用紫外曝光机进行曝光，之后显影，刻蚀，刻蚀深度大于1um。

S2、在压强为90～110mBar，温度为550～650℃的条件下，在基底1上生长厚度为大于等于50nm的缓冲层2，以减小晶片表面的晶格缺陷。

在实际生产中，反应的压强和温度根据实际需要进行设定，反应压强为100mBar，温度为600℃，缓冲层2的厚度为60nm，基底1选用GaAs或者磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族化合物，缓冲层2为GaAs。

S3、在GaAs缓冲层2的上表面交替生长至少4对GaAs和Al_0.95Ga_0.05As，得到DBR(布拉格反射型)反射镜层3。本实施例中，GaAs和Al_0.95Ga_0.05As为32对。

S4、在DBR反射镜层3的上表面生长厚度与DBR反射镜层3中GaAs厚度相同，n掺杂的GaAs层作为背面栅极4。

S5、参见图2所示，使用紫外曝光法在背面栅极4表面对准标记量子点生长区域，基于对准标记的区域，采用纳米压印的方法，在背面栅极4上压印出纳米压印模板的结构，标记出量子点生长区域11，然后采用等离子刻蚀方法进行刻蚀，刻蚀的深度为5nm～10nm，使得背面栅极4上形成若干应力集中区12。

S6、在刻蚀后的背面栅极4表面生长厚度小于等于10nm的n掺杂GaAs(本实施例中n掺杂GaAs的厚度为5nm)，作为过渡层，以减小刻蚀过程中造成的背面栅极4表面缺陷和晶格损伤。

S7、先在过渡层表面生长2nm的In_0.4Ga_0.6As浸润层；然后在TBA(五族元素叔丁基砷)氛围中将温度降低至不低于480℃，防止浸润层分解，(生长中断)1.8ML(monolayer，单原子层)InAs在这期间沉积，生长速率约为0.12nm/s，V/III的比例为0.4。生长过程中气源每隔5s中断一次，使得In原子在表面迁移，形成量子点。

S8、在温度为500℃的条件下，在量子点上生长厚度为0.2nm的第一帽层In_0.8-xAl_0.2Ga_xAs；然后升温至600℃，解析浸润层上未被第一帽层覆盖的区域，并拉平量子点的顶端；最后生长厚度小于等于30nm的第二帽层In_0.71-xAl_0.29Ga_xAs(本实施例中，第二帽层的厚度为20nm)，得到有源层5。

S9、在有源层5上生长厚度与负面栅极相同、P掺杂的GaAs层，作为正面栅极6。

S10、在正面栅极6上交替生长大于等于4对GaAs和Al_0.95Ga_0.05As，得到上表面DBR层7，即光源样品(本实施例中，GaAs和Al_0.95Ga_0.05As的对数为24对)。

S11、使用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)在光源样品表面生长一层厚度为1um的SiO₂层，并旋涂一层S1805光刻胶。使用紫外光刻的方法将微腔的结构(即纳米压印模板上的圆柱体结构)定义到光源样品表面。

S12、使用二氧化硅刻蚀液BOE(Buffered Oxide Etchant，缓冲氧化蚀刻剂)刻蚀掉表面的SiO₂层，之后对光源样品自上而下逐层进行ICP刻蚀(感应耦合等离子体刻蚀)，且刻蚀深度至少到有源层5底部，可以刻蚀到基底1，得到单光子源本体半成品。

S13、使用BOE将原先残留的SiO₂层刻蚀掉并清洗掉，然后重新蒸镀一层厚度为1um的SiO₂，并旋涂上一层S1805，使用紫外曝光机基于纳米压印时的对准标记进行整体曝光、显影、刻蚀。

S14、使用异丙醇和丙酮清洗定义后的单光子源本体半成品，并在单光子源本体半成品上涂覆一层LOR(做lift-off的胶)，定义第一个电极8，对样品进行曝光、显影，使用电子束蒸镀Ti/Pt/Au合金，随后进行lift-off工艺，得到另一个电极8后，重复曝光、显影，使用电子束蒸镀Ti/Pt/Au合金的操作。得到若干单光子源本体9，并对所有单光子源本体9进行相应的测试。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。