CN102113188B - 光子对源及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造具有至少一个量子点的、生成纠缠光子对的光子对源的方法，其中，通过设定至少一个量子点的激子能级的精细结构劈裂来确定所述光子对源的工作特性。根据本发明设计成通过将所述至少一个量子点沉淀在半导体基底的{111}晶面上，来实现所述激子能级的精细结构劈裂的设定。

Description

光子对源及其制造方法
本发明涉及具有根据权利要求1前序部分的特征的方法。
国际专利申请WO 2007/062625 A2公开了一种这个类型的方法。在该已知的方法中，通过把一个或多个量子点(Quantenpunkt)沉淀(abscheiden)在基底上，制造出生成纠缠光子对的光子对源。为了使光子对源能够生成纠缠光子对，要把一个或多个量子点的激子能级的精细结构劈裂(Feinstrukturaufspaltung)设定得尽可能小。上述出版物还介绍了，为精细结构劈裂设置-100μeV和+100μeV之间的范围，以便使纠缠光子对的生成成为可能。把每个量子点的原子数设定在800和5000之间，就能够实现根据该出版物理论的精细结构劈裂。
本发明的基本任务在于给出生成纠缠光子对的光子对源的制造方法，该方法比现有方法实施更简单，重现性更好。
根据本发明，可以通过具有根据专利权利要求1特点的方法来完成这个任务。根据本发明的方法的有利设计方案将在从属权利要求中给出。
随后，根据本发明设计通过把量子点沉淀在半导体基底的{111}晶面上，来实现量子点的激子能级的精细结构劈裂的设定。基底的(111)取向晶面以及所有其他的与(111)取向晶面等效的晶面被理解为{111}晶面。
根据本发明的方法，其基本优点在于，在该方法中的精细结构劈裂始终是零，至少始终近似是零。发明方通过理论研究确定了这一实际情况，即在研究中，借助所谓的组态相互作用方法(以下简称CI方法)计算出量子点的激子状态。其中，以单粒子波函数(斯莱特行列式)的反对称乘积为基础发展出了多粒子汉米尔顿算子。借助所谓的8带kp理论，考虑实际的三维几何情况、由Stranski-Krastanow生长方法造成的晶格畸变和这里决定性的压电效应，可以计算出单粒子状态。从量子化学推导出的CI方法非常精确，并且不仅考虑到了直接的库仑效应和相关效应，还考虑到了这里出现的交换的项。发明方借助本方法，用放置在(111)基底上的量子点来对精细结构劈裂建模(modellieren)，其中，量子点自身被假定为是旋转对称的。垂直高宽比(高与宽的比例)、量子点的尺寸和平均In含量都有所改变。从关于对称性的设想出发能够推导出，对于具有垂直于(111)平面的至少三重的对称轴的(111)基底上面的每个量子点，精细结构劈裂必须消失。这也与发明方所做的数字化模拟相符。此外，发明方还确定了，由于晶格对称性，{111}晶体表面上不存在关于各向异性(Ad)原子的活动性的、彼此正交的各向异性，该Ad原子的活动性会导致在侧向上伸长的量子点的成长。对于“完美”的{111}表面，始终有量子点的C3v对称，即生成的量子点据有三重对称轴，并因此省去了精细结构劈裂的计算。其偏差仅仅是统计学上(偶然)的性质，并且在技术上可忽略。
根据本发明的方法的另一个重要优点在于，由量子点张紧(Verspannung)产生的压电场不会对量子点产生对称性削减作用，并因此C3v对称和精细结构劈裂在张紧情况下和有压电场出现时都会得以保持。
根据本发明的方法的第三个重要优点依据的是，具有量子点C3v对称性的半导体基底的基础(unterliegend)晶格的对称是协调的，并且相应地不能够出现对称性减弱作用。由于{111}基底面的应用，量子力学的禁闭势能(confinement potential)同样至少包括C3v对称性，以致于精细结构劈裂必须消失，并因此产生纠缠光子对。
根据本发明的方法的另一个重要优点在于，用这种方法能够很简单地产生用于数据加密的光子对源，上述数据加密是基于量子力学原理的。在纠缠光子对中，即便两个光子相距很远，对一个光子的测量将直接影响到关于各个光子对中的另一个光子的测量结果。为了获取信息，潜在的“窃听者”必需在传输线中设置特殊的测量器具，并且因此通过其测量将不可避免地消除光子对的纠缠度，同样也改变光子传输。而另一方面，这能够在接收端的极化测量中引起注意，从而能够发现线路窃听行为。
根据本方法的优选设计方案，可将量子点的垂直高宽比设计成介于0.05和0.7之间，特别是介于0.15和0.5之间。例如在半导体基底的支承面上，设定量子点的高与量子点的直径的比值介于0.05和0.7之间。
至少一个量子点和/或半导体基底最好由混合晶体组成，其包括有：
-In(Ga)As材料，其被嵌入Ga(In，Al)As晶体之中，
-In(Ga)P材料，其被嵌入Ga(In，Al)P晶体之中，
-In(Ga)As材料，其被嵌入In(Ga，Al)P晶体之中，和/或
-InxGa1-xAs材料，其中x介于0.3和1之间。
在半导体基底的支承面上，量子点的直径最好选择在5nm和50nm之间，特别是在10nm和20nm之间。
从垂直于基底的{111}面的角度来看，量子点的轮廓优选是三角形、六角形或圆形的。
此外，本发明还涉及到具有至少一个量子点的、生成纠缠光子对的光子对源。
对此，根据本发明设计了将至少一个量子点沉淀在半导体基底的{111}晶面上。
上述实施方式与根据本发明的方法相结合体现出根据本发明的光子对源的相关优点，因为根据本发明的光子对源的优点实质上与根据本发明的方法的优点相符。
光子对源的有利设计方案在从属权利要求中给出。
以下结合实施例进一步阐明本发明，例如所示为：
图1    示意性的能量图，
图2    不同光子源的光子的统计数据的比较，
图3    压电场的比较，
图4    (001)和(111)基底取向，
图5    结合能的比较，以及
图6    根据本发明的光子对源的实施例。
为了进行概括介绍，图1示出量子点中的激子(X)和双激子(XX)的示意性能量图。从中可以看出激子状态的精细结构劈裂(FSS)，该精细结构劈裂由EX1-EX2得到。用参考标记π+和π-标出两个彼此垂直的极化方向。当精细结构劈裂尽可能小，例如在-100μeV和+100μeV之间的时候，能够实现纠缠光子对的发射。这里还应用了光子从双激子→激子→0的级联衰变(Zerfallskaskade)。在两个现有的激子状态之间，过大的能量间距会妨碍发射光子对的纠缠度。
为了进行概括介绍，图2显示了在依照泊松统计法
Figure BPA00001308051000041
发射出光量子的经典光子源和例如能够使用量子点实现的单一光子源之间的光子统计数据的比较。p(n)代表在一个脉冲中出现n个光子的概率；p表示每个脉冲中的平均光子数。本结果可以转送到光子对源，以生成成对的纠缠光子。
图3显示了量子点的压电场(第一和第二级)的比较，量子点被放置在(111)面(左)和(001)面(右)上。可以看到压电场不同的设计方案，其导致当量子点在(111)面上生长时，精细结构劈裂始终是零，并且还导致当量子点在(001)面上生长时，精细结构劈裂很难达到零。
为了进行概括介绍，图4再次以三维图像显示了(001)和(111)晶体取向。
关于光子对源的实施例，图5显示了双激子(弯曲虚线)相对于激子(在0位上，通过0meV的线)的结合能。可以看出，在精细结构劈裂恒定等于零时，通过适当的量子点参数的选取，在双激子传递能量和激子传递能量之间的差，即双激子的结合能会受到影响。图5显示了关于以下情况的结合能：
(a)在量子点尺寸变化，直径从10.2变化到20.4的情况。垂直的高宽比是0.17。
(b)在体积恒定时，垂直高宽比在0.17至0.5之间变化的情况。最平整结构的直径例如是17.0nm。
(c)在量子点中的InAs的含量在100％(0％的GaAs)和30％(70％的GaAs)之间变化的情况。在所有三组中共同出现的量子点结构分别用箭头标明。
为了根据各自的使用要求实现光子对源的最佳特性，量子点尺寸、垂直高宽比和系统的化学成分最好作为参数使用。以下参数，单个地或组合地使用，都是有利的：
-量子点的垂直高宽比介于0.05和0.7之间，特别是0.15和0.5之间。
-量子点的高和量子点的直径间的比值介于0.05和0.7之间。
-量子点的直径介于5nm和50nm之间，特别是10nm和20nm之间。
-量子点具有三角形、六角形或圆形的轮廓。
-基底和/或量子点由混合晶体组成，其包含：
-In(Ga)As材料，其被嵌入Ga(In，Al)As晶体之中，和/或
-In(Ga)P材料，其被嵌入Ga(In，Al)P晶体之中，和/或
-In(Ga)As材料，其被嵌入In(Ga，Al)P晶体之中，和/或
-InxGa1-xAs材料，其中x介于0.3和1之间。
图6以三维的视角显示了光子对源的实施例。从中可见，如何在空腔谐振器
Figure BPA00001308051000051
中置入量子点层。DBR镜(DBR：Distributed Bragg Reflector＝分布式布拉格反射器)DBR位于上端以及下端。氧化孔径10起控制电流通路的作用，并由此起到控制单个量子点的目标指向的空间选择的作用。
在空腔谐振器中进行置入，使得所生成的光子对能够有指向地且有效地从光子对源中脱出。类似于垂直发射激光，空腔谐振器最好被设计成要使得纠缠光子的能量与空腔谐振器的波模
Figure BPA00001308051000061
共振。基于珀塞尔效应，自发发射的比率会提高，而且脱出效率也会提高。用参考标记20标记金属接触。
为传输量子密码所加密的数据，例如借助埃克特协议(Eckert-Protokolls)(A.Eckert，J.Rarity，P.Tapster，M.Palma，Phys.Rev.Lett.69，S.1293 ff(1992))，此类光子对源例如能够构成光子网络的组成部分。

Claims (18)

1.一种制造用于生成纠缠光子对的光子对源的方法，所述光子对源具有至少一个量子点，其中，通过设定至少一个量子点的激子能级的精细结构劈裂来确定所述光子对源的工作特性，其特征在于，
通过将所述至少一个量子点沉淀在半导体基底的{111}晶面上，来实现对所述激子能级的精细结构劈裂的设定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
产生在0.05和0.7之间的量子点的垂直高宽比。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
产生在0.15和0.5之间的量子点的垂直高宽比。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
在所述半导体基底的支承面上，将所述量子点的高与所述量子点的直径之间的比值设定在0.05和0.7之间。
5.如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述至少一个量子点由混合晶体制造，其中所述混合晶体包括被嵌入Ga(In，Al)As晶体之中的In(Ga)As材料。
6.如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述至少一个量子点由混合晶体制造，其中所述混合晶体包括被嵌入Ga(In，Al)P晶体之中的In(Ga)P材料。
7.如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
所述至少一个量子点由混合晶体制造，其中所述混合晶体包括被嵌入Ga(In，Al)P晶体之中的In(Ga)As材料。
8.如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
制造由具有InxGa1-xAs材料的混合晶体组成的所述至少一个量子点，其中x介于0.3和1之间。
9.如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
在所述半导体基底的支承面上，制造直径在5nm和50nm之间的所述量子点。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述直径在10nm和20nm之间。
11.如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
制造特别从垂直于所述基底{111}面的角度看的轮廓是三角形、六角形或圆形的所述量子点。
12.一种生成纠缠光子对的光子对源，该光子对源具有至少一个量子点，其特征在于，
所述至少一个量子点被沉淀在半导体基底的{111}晶面上。
13.如权利要求12所述的光子对源，其特征在于，
在所述半导体基底{111}晶面的支承面上，所述量子点的高与所述量子点的直径之间的比值介于0.05和0.7之间。
14.如权利要求13所述的光子对源，其特征在于，
所述量子点的高与所述量子点的直径之间的比值介于0.15和0.5之间。
15.如前述权利要求12至14中任一项所述的光子对源，其特征在于，
所述至少一个量子点和/或所述半导体基底由混合晶体组成，所述混合晶体包含：
-In(Ga)As材料，其被嵌入Ga(In，Al)As晶体之中，和/或
-In(Ga)P材料，其被嵌入Ga(In，Al)P晶体之中，和/或
-In(Ga)As材料，其被嵌入In(Ga，Al)P晶之中，和/或
-InxGa1-xAs材料，其中x介于0.3和1之间。
16.如前述权利要求12至14中任一项所述的光子对源，其特征在于，
在所述半导体基底{111}晶面的支承面上，所述量子点的直径在5nm和50nm之间。
17.如权利要求16所述的光子对源，其特征在于，
所述量子点的直径在10nm和20nm之间。
18.如前述权利要求12至14中任一项所述的光子对源，其特征在于，
所述量子点具有特别是从垂直于所述半导体基底的{111}面的角度来看是三角形、六角形或圆形的轮廓。
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