基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器及其制作方法。该单光子发射器包括：GaAs衬底；在该GaAs衬底上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaAs缓冲层(1)、DBR(4)和(6)、InAs量子点有源区(5)和高折射率对比度光栅(低折射率(7)和高折射率材料(8))。在该外延片上采用标准光刻技术及ICP技术刻蚀露出GaAs缓冲层作为N型欧姆欧姆接触层，然后分别在高折射率材料和GaAs缓冲层上蒸发合金作为P型电极和N型电极。利用电子束曝光和ICP刻蚀技术在高折射率材料上制作亚微米级光栅，利用腐蚀液选择性腐蚀光栅下层的材料，得到低折射率的空气层。
【专利说明】基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术、量子计算和量子信息处理【技术领域】，尤其是涉及一种基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]随着社会对信息量需求的巨大膨胀，人们对信息的获取与处理已经从一维的时空轴向二维化发展。除了信息的大量传送以外，军事上更注重信息的绝对安全，量子信息处理也成为国际上的前沿课题。对信息传输要求大容量，并且要求信息的绝对安全，对于信息光源来说是一个巨大的挑战。单光子源是实现单光子量子比特、光量子密码(quantumcryptog raphy)和量子密钥传输(quantum key distribut ion, QKD)、光量子计算和量子网络(quantum internet)的关键器件。由于量子点的三维受限特点，使其具有可以高速发射谱线宽度非常窄的单光子脉冲；可以用光脉冲泵浦或电脉冲产生稳定的单光子流；波长可以在较大范围内变化等特点，成为最有应用前途的单光子源，并成为近十年来研究的热点。
[0003]量子计算和量子传输都以单光子的单个量子态为基础。例如单光子的偏振态或相位作为信息编码，根据量子力学的测不准原理，任何窃听者(Eve)的存在将摇动原有量子态的信息，被发射端和接收端所了解，从而实现量子密码传递的绝对安全。Charles
H.Bennett与Gilles Brassardl984年发表的BB84协议是最早描述如何利用光子的偏振态来传输信息的。国际上相关方面的研究人员和研究机构已经通过在器件上DBR上打孔和制备椭圆微柱结构来达到控制单光子偏振的目的。但是通常这种通过改变光在介质中分布的方法只能将线性偏振劈裂为 亚毫电子伏特量级。控制温度、泵浦光和驱动电压改变腔膜和偏振光分量的耦合和分离来达不同的偏振态输出。也就是说，当外界条件改变，此类器件的偏振态输出会受到影响。因此迫切需要研发一种新型微腔的单光子发射器，在得到稳定偏振态输出的同时，还要保证器件的高效收集率，高Q值。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种与高折射率对比光栅相结合的单光子发射器。其可具有高效收集率，高Q值，稳定偏振态输出的特点。改变有源区量子点的生长条件并且相应匹配高折射率对比光栅的特征参数可以得到波长在860nm-1550nm波段的单光子发射器。
[0005]为此，本发明提出了一种基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其包括:GaAs衬底；在该GaAs衬底上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaAs缓冲层、下GaAs / AlxGa1^xAs DBR层和上GaAs / AlxGa1^xAs DBR层、InAs量子点有源区和高折射率对比度光栅；分别在高折射率材料(8)和GaAs缓冲层(I)上制作的P型电极和N型电极；利用电子束曝光和ICP刻蚀技术在高折射率材料上制作的亚微米级光栅，利用腐蚀液选择性腐蚀光栅下层的材料，得到的低折射率的空气层。[0006]本发明还提供了一种基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器制作方法，其包括:
[0007]步骤1:利用分子束外延技术在GaAs衬底上由下至上依次生长GaAs缓冲层、下DBR层、InAs量子点有源区、上DBR层、GaAs牺牲层和高折射率AlxGai_xAs层。
[0008]步骤2:采用标准光刻技术及ICP技术刻蚀露出GaAs缓冲层作为N型欧姆接触层，然后分别在高折射率层和N型欧姆接触层上蒸发合金作为P型电极和N型电极；
[0009]步骤3:利用电子束曝光和ICP刻蚀技术在高折射率层上制作光栅；
[0010]步骤4:在恒温30°C条件下，采用柠檬酸和双氧水腐蚀制作有光栅的高折射率层下的GaAs牺牲层材料，得到低折射率空气层；
[0011]步骤5:解离单个器件，并将解离的单个器件压焊在热沉上，用金线拉出引线，完成器件制备。
[0012]从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是:
[0013]本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，利用高折射率对比度光栅替代多对DBR作为上反射镜。相对几十层结构的DBR来说，高折射率对比度光栅的材料结构只有两层，因此大大降低了材料生长的难度、节约了生长源材料、减少了器件材料生长时间。
[0014]本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，利用高折射率对比度光栅替代多对DBR作为上反射镜。对于DBR来说，反射率大于99 %的高反带可以达到Λλ / λ =3%-9%，而HCG结构反射率大于99%的高反带可以达到Λ λ / λ >30%。这可以大大提高单光子发射器件的性能，比如提单光子发射器的收集效率，增强出射光，提高单光子发射器的波长调节范围。
[0015]本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，利用高折射率对比度光栅替代多对DBR作为上反射镜。相对于DBR来说，将高折射率对比度光栅引入单光子发射器作为上反射镜，可以在引入非常少的噪声的情况很确定的控制出射光的偏振情况。
[0016]本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，利用高折射率对比度光栅替代多对DBR作为上反射镜。相对于以上下DBR为基础的微柱结构，高折射率对比度光栅引入单光子发射器作为上反射镜，可以大大简化单光子发射器的电致器件的工艺复杂性。由于微柱结构的竖直尺寸通常在5— 11微米，而水平方向的直径在0.5-2微米之间，因此其电致器件的工艺通常较复杂且成品率不高。通常要先用绝缘介质(BCB、二氧化硅等)填平微柱周围，再刻蚀绝缘介质，使其与微柱成一个平面。然后在此平面上，利用电子束曝光套刻金属剥离技术得到上电极。而基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器的上下电极都只需要普通光刻技术即可，大大降低了工艺复杂性，增加了成品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器的结构示意图。
[0018]图2是本发明提供的制作基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器的工艺流程。
[0019]图3(a)?图3(d)是本发明提供的两种不同偏振态出射的高折射率对比度光栅的结构不意图和反射率|旲拟图。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0021]本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器是用分子束外延技术在GaAs衬底上先生长出高质量的器件外延片，再利用面发射工艺技术制作电极，最后利用电子束曝光制作光栅结构。
[0022]图1是本发明提供的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器的结构示意图。如图1所示，该单光子发射器包括=GaAs缓冲层1、N型电极2、二氧化硅钝化层3、下DBR4、InAs量子点有源区5、上DBR6、高折射率对比度光栅7和8、P性电极9。
[0023]其中，高折射率对比度光栅由低折射率层7和高折射率层8组成，所述低折射率层7的材料可以是空气，而所述高折射率层8的材料可以是GaAs或AlxGai_xAs，所述低折射率层和高折射率层的折射率差越大越好，最小等于2，所述光栅刻蚀在所述高折射率层的表面，其为亚微米级光栅，周期数可以是5-30个。
[0024]所述钝化层3为300nm厚的Si02材料制作。所述InAs量子点有源区5采用梯度生长法，淀积2.5ML InAs形成。
[0025]所述结构中下DBR4和上DBR6的两层材料为GaAs和AlxGai_xAs，每层的厚度由单光子发射器的中心波长决定。下DBR层4的周期数为20-32个，而上DBR层6的周期数为
2—5 个。
[0026]图2示出了本发明提出的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器制作方法流程图。如图2所示，该方法包括:
[0027]步骤1:根据图1所示结构，利用分子束外延技术生长得到GaAs基器件外延片。
[0028]步骤2:在该外延片上采用标准光刻技术及ICP技术刻蚀露出GaAs缓冲层I作为N型欧姆接触层，然后分别在高折射率层8的上表面和GaAs缓冲层I露出的位置上蒸发合金作为P型电极9和N型电极2。P型欧姆接触电极9为铬金合金，各层
的厚度为Cr(500A)Au (3000A)，N型欧姆接触电极2为金鍺镍合金，各层的厚度为Ni (250 A)/Au (900 A)/Ge (120 A)/Ni (100 A)/Au (3000 A)。
[0029]步骤3:利用电子束曝光和ICP刻蚀技术在高折射率层8上表面未制作P型电极9的位置制作亚微米级光栅，光栅的宽度、厚度、占空比由单光子发射器的波长和偏振态决定，周期数可以为5—30个。
[0030]步骤4:在恒温30°C条件下，采用柠檬酸和双氧水以1:2的比例将高折射率层下的GaAs层全部腐蚀掉，得到低折射率空气层。然后采用乙醇稀释腐蚀液，采用丙酮溶解乙醇，之后将样品置放于60-70°C的热板之上，使丙酮挥发。
[0031]步骤5:解离单个器件后，将器件压焊在热沉上，用金线拉出引线。
[0032]图3示出了本发明提供的两种不同偏振态出射的高折射率对比度光栅结构示意图和反射率模拟图。其中，图3(a)为偏振态TE光栅，其条宽在210nm — 310nm之间，占空比在30% -50%之间，图3(b)为偏振态TE光栅对应计算反射率。图3(c)为偏振态TM光栅，其条宽在IOOnm — 200nm之间，占空比在20% -40%之间，图3(d)为偏振态TM光栅对应计算反射率。
[0033]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，包括:GaAs衬底；在该GaAs衬底上制备的外延片，该外延片由下至上依次包括GaAs缓冲层(I)、下GaAs /AlxGa1^xAs DBR (4)、上 GaAs / AlxGa1^xAs DBR 层(6)、InAs 量子点有源区(5)和高折射率对比度光栅，高折射率对比度光栅由低折射率(7)和高折射率材料(8)组成；在该外延片上采用标准光刻技术及ICP技术刻蚀露出GaAs缓冲层(I)作为N型欧姆欧姆接触层，然后分别在高折射率材料⑶和GaAs缓冲层⑴上蒸发合金作为P型电极(9)和N型电极⑵；利用电子束曝光和ICP刻蚀技术在高折射率材料(8)上制作亚微米级光栅，利用腐蚀液选择性腐蚀光栅下层的材料，得到低折射率的空气层(7)。
2.根据权利要求1所述的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，所述外延片是利用分子束外延方法在GaAs衬底上生长制备的。
3.根据权利要求1所述的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，所述GaAs缓冲层的厚度为300nm至500nm。
4.根据权利要求1所述的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，所述外延片中的上DBR层和下DBR层是由交替生长的GaAs层和AlxGai_xAs层组成的周期性结构，且每个GaAs层和AlxGahAs层的厚度由单光子发射器的中心波长决定；其中下DBR层的周期数为20-32个，而上DBR层的周期数为2_5个。
5.根据权利要求1所述的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，所述InAs量子点有源区采用梯度生长法，淀积2.5ML InAs形成。
6.如权利要求1所述的单光子发射器，其特征在于，所述N型电极和P型电极是采用标准光刻技术及ICP技术刻蚀露出GaAs缓冲层作为N型欧姆接触层。然后分别在所述N型欧姆接触层和高折射率对比度光栅上表面蒸发合金形成。
7.根据权利要求1所述的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，P型电极为铬金合金，各层的厚度为Cr(500A)ALi(3000/\) 4型电极为金鍺镍合金，各层的厚度为Ni (250 AVAu (900 AyGe(120 A)/ Ni (100 A)/Au.(3000 A)。
8.如权利要求1所述的单光子发射器，其特征在于，所述高折射率对比度光栅由低折射率层和高折射率层组成，通过在高折射率材料上表面制作亚微米级光栅，然后利用腐蚀液选择性腐蚀光栅下层的材料，得到低折射率空气层。
9.根据权利要求1所述的基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器，其特征在于，该发射器还包括300nm厚的Si02材料制作钝化层。
10.一种基于高折射率对比度光栅结构的单光子发射器制作方法，其包括: 步骤1:利用分子束外延技术在GaAs衬底上制作GaAs基器件外延片，该外延片由下至上依次包括GaAs缓冲层(I)、GaAs / AlxGa1^xAs DBR (4)和(6)、InAs量子点有源区(5)和高折射率对比度光栅，高折射率对比度光栅由低折射率材料(7)和高折射率材料(8)组成； 步骤2:采用标准光刻技术及ICP技术刻蚀露出GaAs缓冲层上表面的两端部作为N型欧姆接触层，然后分别在高折射率层的上表面和GaAs缓冲层露出的N型欧姆接触层位置上蒸发合金作为P型电极和N型电极； 步骤3:利用电子束曝光和ICP刻蚀技术在高折射率层上表面未制作P型电极的位置制作光栅； 步骤4 :在恒温30°C条件下，采用柠檬酸和双氧水腐蚀制作有光栅的高折射率层下的材料，得到低折射率层，所述低折射率层由空气构成； 步骤5:解离单个器件，并将解离的单个器件压焊在热沉上，用金线拉出引线，完成器件制备。
【文档编号】H01S5/343GK103532010SQ201310509314
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】王莉娟, 喻颖, 査国伟, 徐建星, 倪海桥, 牛智川 申请人:中国科学院半导体研究所