CN110346931A - 一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件及其制备方法和应用。所述确定性量子光源器件由下至上依次为反射层金、SiO2层和微透镜阵列；其中量子点在微透镜中。所述确定性量子光源器件中微透镜的底端圆截面直径为200nm～3μm，并以金作为反射镜，结合微透镜大大提高荧光提取效率与带宽，当NA=1时，荧光提取效率高达90%，带宽可达100nm；在电泵浦高速发射量子点单光子源以及与压电陶瓷键合产生高效率级联发射纠缠光子对等方面具有极大的潜在应用价值；在制备方法中，利用加热电子胶的方法实现金反射层上微透镜掩膜的制作，同时通过对荧光成像定位和高精度电子束曝光套刻实现单个量子点与GaAs微透镜的确定性耦合，方法灵活、简单，可大面积制备。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术、量子计算和量子信息处理器件制作工艺技术领域，更具体地，涉及一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件及其制备方法和应用。
背景技术
光子，作为良好的信息载体，不仅被应用在经典光通信中，在量子信息领域里也发挥其独特的作用。单光子作为量子化的电磁场的基本单元，具有极化、动量、轨道角动量以及时间等自由度可以用来编码量子信息（量子比特）。同时，它与环境的相互作用十分微弱，能够长时间保持相干性质，保证其所携带的量子信息不丢失，非常适合进行远距离的信息传输。此外，虽然光子之间的相互作用很微弱，但是通过后选择测量的方法，可以实现基于光子的受控量子门操作，也可以把不同的光子纠缠起来，为线性光学量子计算提供重要的多光子纠缠资源。这些应用需要用到单光子源和纠缠光子源，它们是完全不同于任何经典光源的新型量子光源，对量子通信、量子计算和量子网络的实用化具有非常重要的意义。
被称为“人造原子”的半导体量子点是一种纳米结构材料，具有优秀的光学性质：寿命短、线宽接近辐射极限、发光性质稳定，通过改变量子点的生长材料和调控生长条件，可以获得不同波长的量子点荧光（700~1550nm）。单个量子点能够囚禁住电子和空穴，像单个原子一样形成分立的能级结构，产生单光子和纠缠光子对。目前，实验上已经在单个InAs量子点中实现了高品质的单光子按需产生，这种单光子源在单个共振π脉冲光触发下产生单个光子的概率接近于1，多光子出射概率接近于0，光子的不可分辨性大于 99%。此外，基于成熟的半导体生长和加工技术，容易实现量子点的大规模扩展与集成，制造具有实用性的量子点量子光源器件。
然而，量子点位于高折射率的半导体材料当中，大部分的出射荧光在材料和空气的交界面发生全反射而无法被有效地收集起来，通常块状结构中的量子点荧光的提取效率（被第一个透镜收集到的效率）不到0.1%，如此低的收集效率严重阻碍了实际应用。
法国巴黎-萨克雷大学的一个研究小组在高Q值（>10000）的微柱微腔中实现了单个量子点的共振激发，光子的提取效率接近 65%。但是，高Q值的微腔带宽只有零点几个纳米，不仅对量子点的谱匹配有很高的要求，而且通常只能收集单条谱线，不适合纠缠光子对的产生。基于量子点的纠缠光子对是通过级联跃迁产生的，两个光子波长相差了几个纳米，窄带宽的高Q值微腔无法同时和这两个光子共振。此外，在非共振激发下，微柱微腔中量子点会再次捕获载流子，单光子的纯度会随着激发功率的增加而下降。纳米线量子点也被证明具有非常高的光子提取效率，提取效率可以达到 72%，但由于量子点非常接近纳米线表面，表面缺陷态中囚禁的电子的电场振荡会造成谱线的非均匀加宽，降低了光子的相干性，目前还无法通过共振激发的方式实现高品质的纳米线量子点单光子源。
理论模拟表明在下方有金反射层的量子点表面通过微纳加工技术制造出直径只有亚微米量级的透镜结构能够显著增强量子点荧光的发光方向性，用数值孔径为1的物镜收集时光子提取效率可以达到 90%以上，并且具有很高的带宽。而且在作为电泵浦单光子源背电极以及与压电陶瓷键合产生高效率纠缠光子对等方面具有潜在应用。
但是，目前尚未报道基于金反射层结合的可控制备的微透镜阵列，其难度在于金反射层上电子胶对比度太高，利用传统3D EBL曝光难以制备微透镜掩膜。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术仅有理论支持，但实际难以制备基于金反射层结合的微透镜的不足，提供一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件。本发明所述确定性量子光源器件中微透镜的底端圆截面直径为200nm～3μm，为纳米级别的微透镜，且量子点位于微透镜的正中间，并以金作为反射镜，结合微透镜大大提高荧光提取效率与带宽，当NA=1时荧光提取效率可达90%，带宽可达100nm；所述确定性量子光源器件同时在电泵浦高速发射量子点单光子源以及与压电陶瓷键合产生高效率级联发射纠缠光子对等方面具有极大的潜在应用价值。
本发明的另一目的在于提供所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的应用。
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：
一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件，由下至上依次为反射层金、SiO2层和包含有一个量子点的微透镜阵列；其中量子点在微透镜中。
本发明以金作为反射镜，结合纳米级的包含有量子点的微透镜，大大提高了确定性量子光源器件的荧光提取效率与带宽，当NA=1时荧光提取效率可达90%，带宽可达100nm，性能优越，具有极大的应用前景。
优选地，所述反射层金的厚度为50nm～200nm；所述SiO2层的厚度为10～30nm；所述微透镜底端圆截面直径为200nm～4μm。
优选地，所述量子点为InAs/GaAs量子点或GaAs/AlGaAs量子点；所述微透镜的材料为AlxGa1-xAs，0≤x≤0.4。
本发明同时还保护所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，包括如下过程：
S1. 利用分子束外延技术在GaAs衬底上由下至上依次生长Al0.95Ga0.05As牺牲层、AlxGa1-xAs层，其中量子点在生长时被嵌入到AlxGa1-xAs层中；然后再利用PECVD法在AlxGa1- xAs层上生长SiO2层，最后蒸镀金反射层；其中0≤x≤0.4；
S2. 利用衬底转移技术，将步骤S1制备的样品转移至玻璃衬底上，再将GaAs衬底和Al0.95Ga0.05As牺牲层去除；
S3. 利用电子束曝光及lift-off工艺在转移后的样品上制作金标记，然后通过对量子点和金标记进行荧光成像来确定量子点相对金标记的精确位置；
S4. 在做好金标记的样品上旋涂电子胶层，再通过电子束曝光与显影在量子点上方套刻圆柱掩膜；
S5. 利用加热电子胶产生热回流的方法，使圆柱掩膜变成半球形掩膜；
S6. 利用等离子体刻蚀将电子胶掩膜的轮廓传递至AlxGa1-xAs层，即得到所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件。
本发明所述制备方法中，通过以加热电子胶产生热回流的方法实现金反射层上微透镜掩膜的制备，克服了传统3D EBL 因金反射层上电子胶对比度太高而无法得到微透镜掩膜的困难。所述制备方法能够精准的控制量子点在微透镜中的位置，方法简单、灵活，可实现大面积基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件阵列的制备。
此外，本发明所述方法可以精准的控制微透镜的大小、量子点在微透镜中的位置，可以根据需要精准的制备所需的确定性量子光源器件。
优选地，步骤S1中，Al0.95Ga0.05As牺牲层的厚度为300nm～1000nm；AlxGa1-xAs层的厚度为300nm～2000nm；SiO2层的厚度为10nm～30nm；金反射层的厚度为50nm～200nm。
优选地，步骤S2中，去除GaAs衬底和Al0.95Ga0.05As牺牲层的过程为：先用化学机械研磨将GaAs衬底减薄到50μm，然后再用柠檬酸与双氧水混合液湿法腐蚀去除；最后将样品置于质量分数为10% 的HF溶液中腐蚀，即可去除Al0.95Ga0.05As牺牲层。
优选地，步骤S1中，量子点为InAs或GaAs；步骤S2中，柠檬酸与双氧水混合液中二者的体积比为3:1；步骤S4中，所述电子胶为可热回流的电子胶；步骤S5中，所述电子胶加热过程中，加热温度为140℃～170℃，加热时间为2min～10min。
优选地，步骤S4中所述电子胶为Ma-N2400。
优选地，在步骤S4～S6中，掩膜套刻过程中，电子束曝光套刻精度高于20nm。通过对量子点相对金标记进行荧光成像定位，再进行精度高于20nm的EBL套刻实现单个量子点与GaAs微透镜的确定性耦合。
所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件作为单光子源或纠缠光子源的应用也在本发明的保护范围内。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明所述确定性量子光源器件中微透镜的底端圆截面直径为200nm～3μm，为纳米级别的微透镜，且量子点位于微透镜中，并以金作为反射镜，结合微透镜大大提高荧光提取效率与带宽，当NA=1时荧光提取效率可达90%，带宽可达100nm；所述确定性量子光源器件同时在电泵浦高速发射量子点单光子源以及与压电陶瓷键合产生高效率级联发射纠缠光子对等方面具有极大的潜在应用价值。
（2）在制备方法中，本发明利用加热电子胶（例如Ma-N2400）产生热回流的方法实现金反射层上微透镜掩膜的制作，克服了传统3D EBL 因金反射层上电子胶对比度太高而无法得到微透镜掩膜的困难；同时通过对量子点相对金标记进行荧光成像定位，再进行精度高于20nm的EBL套刻实现单个量子点与GaAs微透镜的确定性耦合。本发明提供的基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，利用灵活简单的工艺可实现大面积基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件阵列的制备。
附图说明
图1为实施例1制备基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的工艺流程示意图。
图2为实施例1制备半球形微透镜的SEM图。
图3为实施例1制备的基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的提取效率和带宽模拟结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1
一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件，具体的制备工艺过程如图1所示，其中1为GaAs衬底、2为Al0.95Ga0.05As牺牲层、3为AlxGa1-xAs（0≤x≤0.4）层、4为SiO2层、5为金反射层、6为量子点、7为玻璃衬底、8为紫外固化胶、9为金标记、10为圆柱掩膜、11为含有量子点的AlxGa1-xAs微透镜。
具体的制备过程为：
（1）如图1a，利用分子束外延技术在GaAs衬底1上由下至上依次生长300nm~1000nm 的Al0.95Ga0.05As牺牲层2、300nm~2000nm 的AlxGa1-xAs（0≤x≤0.4）层3，InAs/GaAs量子点或GaAs/AlGaAs量子点6在生长时被嵌入到AlxGa1-xAs（0≤x≤0.4）层中；然后再经过PECVD方法生长10nm~30nm的SiO2层4，最后蒸镀50nm~200nm金反射层5；
（2）如图1b，先通过Norland Optical Adhesive 61（NOA）紫外固化胶8将样品翻转与玻璃衬底7键合，实现的衬底转移；再利用化学机械研磨（CMP）将GaAs衬底减薄到50μm，用柠檬酸与双氧水混合液将其去除；最后将样品置于稀释的HF中腐蚀去除Al0.95Ga0.05As牺牲层；
（3）如图1c，利用电子束曝光及lift-off工艺在转移后的样品上制作金标记9，然后通过对量子点和金标记进行荧光成像来确定量子点相对金标记的精确位置；
（4）如图1d，在做好金标记的样品上旋涂Ma-N2400系列或其它可热回流的电子胶；利用电子束曝光系统对电子胶进行套刻曝光，剂量450uC/cm2，束流5na；再使用ma-D 525显影1min，得到量子点上方的圆柱掩膜10，套刻精度高于20nm；
（5）如图1e，利用热板加热电子胶使其产生热回流，通过调节加热时间与加热温度来控制掩膜的形状与尺寸，得到与目标半球形微透镜轮廓一致的掩膜10。加热温度为140℃～170℃，加热时间为2min～10min，145℃烘烤3min效果最佳；
（6）如图1f，利用SiCl4、氩气的等离子体刻蚀，将电子胶掩膜的轮廓1:1传递至AlxGa1- xAs（0≤x≤0.4）层，从而得到含量子点6的AlxGa1-xAs（0≤x≤0.4）半球形微透镜11，即制备得到基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件。
其中可以通过控制刻蚀选择比来控制微透镜的曲率半径，最终得到的微透镜最底端圆截面直径在200nm~3μm；微透镜再结合金作为反射镜，大大提高荧光提取效率与带宽。
上述制备的含量子点的AlxGa1-xAs（0≤x≤0.4）半球形微透镜SEM图如图2所示。SEM图清晰的表征了基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的表面形貌。
测试上述制备的基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的荧光提取性能和带宽模拟测试，具体测试结果如图3所示，模拟结果显示当NA=1时荧光提取效率可达90%，带宽可达100nm。
本实施例通过利用加热电子胶Ma-N2403产生热回流的方法实现金反射层上微透镜掩膜的制作，克服了传统3D EBL 因金反射层上电子胶对比度太高而无法得到微透镜掩膜的困难；同时通过对量子点相对金标记进行荧光成像定位，再进行精度高于20nm的EBL套刻实现单个量子点与GaAs微透镜的确定性耦合；制备方法简单、灵活，可大面积制备基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件阵列；同时制备的确定性量子光源器件具有很好的荧光提取效率与带宽，当NA=1时荧光提取效率可达90%，带宽可达100nm；确定性量子光源器件同时在电泵浦高速发射量子点单光子源以及与压电陶瓷键合产生高效率级联发射纠缠光子对等方面具有极大的潜在应用价值。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件，其特征在于，由下至上依次为反射层金、SiO2层和包含有一个量子点的微透镜阵列；其中量子点在微透镜中。
2.根据权利要求1所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件，其特征在于，所述反射层金的厚度为50nm～200nm；所述SiO2层的厚度为10～30nm；所述微透镜底端圆截面直径为200nm～4μm。
3.根据权利要求1所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件，其特征在于，所述量子点为InAs/GaAs量子点或GaAs/AlGaAs量子点；所述微透镜的材料为AlxGa1-xAs，0≤x≤0.4。
4.权利要求1～3任一所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
S1. 利用分子束外延技术在GaAs衬底上由下至上依次生长Al0.95Ga0.05As牺牲层、AlxGa1-xAs层，其中量子点在生长时被嵌入到AlxGa1-xAs层中；然后再利用PECVD法在AlxGa1- xAs层上生长SiO2层，最后蒸镀金反射层；其中0≤x≤0.4；
S2. 利用衬底转移技术，将步骤S1制备的样品转移至玻璃衬底上，再将GaAs衬底和Al0.95Ga0.05As牺牲层去除；
S3. 利用电子束曝光及lift-off工艺在转移后的样品上制作金标记，然后通过对量子点和金标记进行荧光成像来确定量子点相对金标记的精确位置；
S4. 在做好金标记的样品上旋涂电子胶层，再通过电子束曝光与显影在量子点上方套刻圆柱掩膜；
S5. 利用加热电子胶产生热回流的方法，使圆柱掩膜变成半球形掩膜；
S6. 利用等离子体刻蚀将电子胶掩膜的轮廓传递至AlxGa1-xAs层，即得到所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件。
5.根据权利要求4所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，Al0.95Ga0.05As牺牲层的厚度为300nm～1000nm；AlxGa1-xAs层的厚度为300nm～2000nm；SiO2层的厚度为10nm～30nm；金反射层的厚度为50～200nm。
6.根据权利要求4所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，去除GaAs衬底和Al0.95Ga0.05As牺牲层的过程为：先用化学机械研磨将GaAs衬底减薄到50μm，然后再用柠檬酸与双氧水混合液湿法腐蚀去除；最后将样品置于质量分数为10% 的HF溶液中腐蚀，即可去除Al0.95Ga0.05As牺牲层。
7.根据权利要求4所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，量子点为InAs或GaAs；步骤S4中，所述电子胶为可热回流的电子胶；步骤S5中，所述电子胶加热过程中，加热温度为140℃～170℃，加热时间为2min～10min。
8.根据权利要求7所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述电子胶为Ma-N2400。
9.根据权利要求4所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件的制备方法，其特征在于，在步骤S4～S6中，掩膜套刻过程中，电子束曝光套刻精度高于20nm。
10.权利要求1～3任一所述基于金反射层结合微透镜的确定性量子光源器件作为单光子源或纠缠光子源的应用。
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