制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法
【專利摘要】一種制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，包括如下步驟：步驟1：取一半導(dǎo)體襯底，在該半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層，該二氧化硅層上含有氧化孔洞；步驟2：對生長有二氧化硅層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗；步驟3：采用自催化的方法，在二氧化硅層上生長GaAs納米線，該GaAs納米線的頂端形成一Ga液滴；步驟4：采用高As壓處理消耗GaAs納米線頂端的Ga液滴，抑制GaAs納米線的軸向VLS生長，形成六棱柱狀結(jié)構(gòu)；步驟5：在六棱柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁淀積第一AlGaAs勢壘層，在AlGaAs勢壘層的表面低速淀積GaAs量子點；步驟6：在GaAs量子點上覆蓋第二AlGaAs勢壘層；步驟7：在第二AlGaAs勢壘層的表面生長GaAs保護(hù)層，完成制備。
【專利說明】制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料與器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單光子源是量子計算、量子通信、弱信號測試、量子密鑰傳輸?shù)葢?yīng)用的關(guān)鍵器件。以SK(Stransk1-Krastanov)模式生長的低密度量子點，由于可在類二能級體系中周期性地光泵浦或電注入電子、空穴，在低溫下具有類原子光譜而用以制備單光子源。它具有高的振子強(qiáng)度，窄的譜線寬度，波長可調(diào)諧，且容易集成等優(yōu)勢，從而成為固態(tài)量子物理和量子信息器件領(lǐng)域研究的熱點。
[0003]由于折射率差異，量子點發(fā)射的大部分光(98% )幾乎都被材料全反射掉。近年來，將單個量子點置于微腔中，如光子晶體、反饋式布拉格平面腔、微柱、微盤結(jié)構(gòu)等，因其增強(qiáng)了量子點的收集效率，而被人們廣泛關(guān)注。但是目前面臨的困難是其制備工藝復(fù)雜且很難實現(xiàn)對量子點的精確定位。取而代之的是將量子點與天然可控的“納米線”結(jié)構(gòu)耦合，于2003年被提出，在InAs / GaAs7InAs / InP, InGaP / InP體系中被驗證，且被認(rèn)為是有效的提高量子點單光子源收集效率的方法。但是由于自催化生長過程中，量子點經(jīng)常會在納米線的側(cè)壁成核，如何利用天然的納米線腔與側(cè)壁的量子點耦合成為一個新奇的研究領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，可以實現(xiàn)單個納米線-量子點耦合的單光子發(fā)射光源，具有發(fā)射效率高，可控性良好和制備工藝簡單的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明提供一種制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，包括如下步驟:
[0006]步驟1:取一半導(dǎo)體襯底，在該半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層，該二氧化硅層上含有氧化孔洞；
[0007]步驟2:對生長有二氧化硅層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗；
[0008]步驟3:采用自催化的方法，在二氧化硅層上生長GaAs納米線，該GaAs納米線的頂端形成一 Ga液滴；
[0009]步驟4:采用高As壓處理消耗GaAs納米線頂端的Ga液滴,抑制GaAs納米線的軸向VLS生長，形成六棱柱狀結(jié)構(gòu)；
[0010]步驟5:在六棱柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁淀積第一 AlGaAs勢魚層,在AlGaAs勢魚層的表面低速淀積GaAs量子點；
[0011]步驟6:在GaAs量子點上覆蓋第二 AlGaAs勢壘層；
[0012]步驟7:在第二 AlGaAs勢壘層的表面生長GaAs保護(hù)層，完成制備。[0013]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明制備納米線量子點單光子源具有以下有益效果:
[0014](I)本發(fā)明采用自催化方法形成分叉納米線量子點結(jié)構(gòu)，其密度與位置均能定量的控制，可以實現(xiàn)單根納米線上生長單個量子點，避免了傳統(tǒng)制備微腔(光子晶體、微盤、微柱)的繁瑣工藝。
[0015](2)本發(fā)明將量子點與具有二維限制作用的六棱柱納米線微腔結(jié)合起來，對載流子具有更好的三維限制作用，光譜結(jié)果表現(xiàn)出更好的光電學(xué)性質(zhì)，可成為高效的單光子源，可工作于液氮溫度下。
[0016](3)本發(fā)明在MBE中利用自催化生長納米線的成熟技術(shù)，具有流程簡單、重復(fù)性高的優(yōu)點，同時納米線的特征尺寸均勻，具備大規(guī)模制備量子光電器件的可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:
[0018]圖1為本發(fā)明的制備流程圖；
[0019]圖2為采用本方法生長的納米線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的微區(qū)熒光光譜測試結(jié)果；
[0021]圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的二階相關(guān)聯(lián)函數(shù)測試結(jié)果。
【具體實施方式】
[0022]需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0023]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法。如圖1所示，同時參閱圖2，本發(fā)明包括如下步驟:
[0024]步驟1:取一半導(dǎo)體襯底I，在該半導(dǎo)體襯底I上生長二氧化硅層2，該二氧化硅層2上含有氧化孔洞，該半導(dǎo)體襯底I的材料為GaAs(OOl)或GaAs (111) B，在半導(dǎo)體襯底I上生長二氧化硅層2，采用的是離子束濺射的方法，該二氧化硅層2的厚度為10-20nm。
[0025]需要說明的是，制備二氧化硅層2的方式有多種，基本原則為能夠精確控制二氧化硅層2的厚度，此處所采用的二氧化硅層2厚度在15nm左右，過厚會導(dǎo)致表面無法生長納米線或者生長少量無固定取向的納米線。
[0026]步驟2:對生長有二氧化硅層2的半導(dǎo)體襯底I進(jìn)行清洗，所述的清洗的水溶液為HF，濃度為2-4% ;與此相關(guān)的是HF溶液處理時間，如果處理時間過長會導(dǎo)致表面的二氧化硅層2消失，從而無法生長GaAs納米線3。
[0027]步驟3:采用自催化的方法，在二氧化硅層2上生長GaAs納米線3，該GaAs納米線3的頂端形成一 Ga液滴4。[0028]需要說明的是，制備過程是采用自催化(鎵輔助)的方法在MBE真空系統(tǒng)中完成的。
[0029]首先，為去除半導(dǎo)體襯底I的雜質(zhì)分子，需要經(jīng)過烘烤、除氣以及生長前的進(jìn)一步高溫處理。包括:將半導(dǎo)體襯底I置于190°C的環(huán)境中烘烤2小時，主要在于去除該半導(dǎo)體襯底I表面的水汽成分；將半導(dǎo)體襯底I置于420°C的環(huán)境中進(jìn)一步除氣處理，除氣的標(biāo)準(zhǔn)為該半導(dǎo)體襯底I周圍的真空度降到2。5E-7Torr以下，主要為去除該半導(dǎo)體襯底I表面吸附的雜質(zhì)分子；對半導(dǎo)體襯底I進(jìn)行700°C的高溫IOmin處理，該步驟對于GaAs納米線3的成核至關(guān)重要，主要目的在于去除二氧化硅層2表面孔洞中的Ga-O鍵，形成Ga液滴4的成核點。
[0030]其次，關(guān)閉As擋板，在低As的環(huán)境中淀積若干量的Ga液滴4 ;打開As與Ga源擋板，進(jìn)行GaAs納米線3的生長。該GaAs納米線3主要采用VLS自催化方式生長，催化煤質(zhì)為Ga液滴4。該GaAs納米線3的生長溫度在600-670°C左右，依賴于GaAs材料的共晶固融點溫度；生長時間控制在60-90min ;生長速率為O。7ML / S，典型長度在4_7um，直徑約為 200-300nm。
[0031]步驟4:采用高As壓處理消耗GaAs納米線3頂端的Ga液滴4，目的為抑制以Ga液滴4為催化劑的VLS生長模式繼續(xù)往頂端生長，處理時間主要以頂端殘余Ga液滴4完全消耗成為GaAs為準(zhǔn),最后形成六棱柱狀結(jié)構(gòu)。
[0032]步驟5:在六棱柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上淀積第一 AlGaAs勢壘層5，在AlGaAs勢壘層5的表面低速淀積GaAs量子點6，該GaAs量子點6的生長溫度為550°C，生長時間為5_20min ；生長速率為0.1ML / S0
[0033]步驟6:在GaAs量子點6上覆蓋第二 AlGaAs勢壘層7，該生長第一 AlGaAs勢壘層5和第二 AlGaAs勢壘層7采用的是高溫高砷壓，使其充分遷移，形成良好的雙勢壘結(jié)構(gòu)并隔絕表面態(tài)對GaAs量子點6的影響。
[0034]步驟7:在第二 AlGaAs勢魚層7的表面生長GaAs保護(hù)層8,所述GaAs保護(hù)層8的生長溫度為670°C ;生長時間為IOmin ;生長速率與GaAs納米線3 —致，其作用是保護(hù)其表面使其不受氧化影響，完成制備。
[0035]參閱圖3a_b，為了表征GaAs納米線3中GaAs量子點6的光學(xué)特征，圖3a中呈現(xiàn)了典型的六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的微區(qū)熒光測試結(jié)果。光譜測試采用632mn的激光激發(fā)，并采用共聚焦顯微鏡收集，激發(fā)光斑在2um左右，因而可以有效的隔離單根納米線上的量子點發(fā)光。實驗上采用變激發(fā)功率的比較方式進(jìn)行，其中Ptl為激光未衰減功率。由圖3a可知，在774mn出現(xiàn)了量子點的單激子及雙激子的級聯(lián)發(fā)射信號，激子的確認(rèn)由積分強(qiáng)度隨功率的依賴關(guān)系決定，如圖3b所示。其積分強(qiáng)度也可算出最高的計數(shù)率高達(dá)8MHz，表現(xiàn)了極高的發(fā)射效率。
[0036]參閱圖4，即六棱柱納米微腔中的量子點的二階相關(guān)函數(shù)測試結(jié)果，表明單根納米線上的單個量子點顯示了很好的單光子發(fā)射性質(zhì)，其零時刻的雙光子幾率幾乎壓縮至0，即g2 (O)=Oo 15(2)。
[0037]本發(fā)明可用于基于量子點的類原子體系中光電子性質(zhì)研究，同時光譜測試的結(jié)果顯示了其作為量子通信技術(shù)中單光子源的巨大潛質(zhì)。
[0038]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，包括如下步驟: 步驟1:取一半導(dǎo)體襯底，在該半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層，該二氧化硅層上含有氧化孔洞； 步驟2:對生長有二氧化硅層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行清洗； 步驟3:采用自催化的方法，在二氧化硅層上生長GaAs納米線，該GaAs納米線的頂端形成一 Ga液滴； 步驟4:采用高As壓處理消耗GaAs納米線頂端的Ga液滴,抑制GaAs納米線的軸向VLS生長，形成六棱柱狀結(jié)構(gòu)； 步驟5:在六棱柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)壁淀積第一 AlGaAs勢魚層,在AlGaAs勢魚層的表面低速淀積GaAs量子點； 步驟6:在GaAs量子點上覆蓋第二 AlGaAs勢壘層； 步驟7:在第二 AlGaAs勢壘層的表面生長GaAs保護(hù)層，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中該半導(dǎo)體襯底的材料為GaAs(OOl)或GaAs (111) B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中在半導(dǎo)體襯底上生長二氧化硅層，采用的是離子束濺射的方法，該二氧化硅層的厚度為10_20nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中清洗的水溶液為HF，濃度為2-4%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中在二氧化硅層上生長GaAs納米線的溫度為600-670°C ;生長時間為60_90min ;生長速率為O。6-0。8ML / s ;長度為 5-7 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中生長第一 AlGaAs勢壘層和第二 AlGaAs勢壘層采用的是高溫高砷壓，使其充分遷移，形成良好的雙勢壘結(jié)構(gòu)并隔絕表面態(tài)對GaAs量子點的影響。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中GaAs量子點的生長溫度為550°C，生長時間為5-20min:生長速率為0.1ML / S。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備六棱柱納米微腔中的量子點單光子源的方法，其中GaAs保護(hù)層的生長溫度為670°C ;生長時間為IOmin ;生長速率與GaAs納米線一致，其作用是保護(hù)其表面使其不受氧化影響。
【文檔編號】H01L33/14GK103531679SQ201310503124
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】喻穎, 査國偉, 徐建星, 尚向軍, 李密鋒, 倪海橋, 賀振宏, 牛智川 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所