CN111029446B - 一种量子点单光子源及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点单光子源及其制备方法，包括从下到上依次排列的衬底层、金属层、电介质层、纳米线量子点层；所述纳米线量子点层设置成圆柱形，并包括纳米线量子点层底层、纳米线量子点层中层、纳米线量子点层顶层；所述纳米线量子点层的两侧对应位置设置有呈三角形对称的等离激元结构层；所述等离激元结构层设置在纳米线量子点层中层的高度位置。本发明的量子点单光子源能通过纳米线量子点层和等离激元结构层的耦合，改变二能级系统的局部光学态密度。
Description
技术领域
本发明涉及量子点领域，具体为一种量子点单光子源及其制备方法。
背景技术
单光子是量子技术，如量子通信、量子计算机的基本载体。理想的单光子源是一种按需，确定性的单光子源，在一定时间脉冲内刚好发射一个光子。目前使用基于参数下转换的单光子源，虽然在许多方面都很出色，但是扩展到大面积的量子光学系统仍然具有挑战性。限制单光子源的最大光子速率的因素主要为：低的收集效率和长的本征的辐射复合寿命。
在2000年，半导体量子点被证明可以发射单光子，其中通过外延方法生长的量子点具有高的振子强度、窄的半波宽、高的量子产率和高稳定性。在外延生长的量子点中，纳米线量子点比S-K生长的量子点更有优势：能精确的控制材料的组份从而避免量子点的非均匀性展宽、实验证实能达到75％以上的收集效率(Nature Photonics 2010,4,174–177(2010))。
量子点的能级是一种二能级系统。单光子的产生主要依赖于二能级系统：二能级系统吸收特定波长的光，电子从价带跃迁到导带。激发态不稳定，电子通过辐射复合又跃迁回价带，从而放出光子。通常，辐射复合的寿命为～2-20纳秒(Nano Lett.2016,16,270-275)。它限制了单光子源的最大光子速率(在单位时间产生单光子的数量)。
通过金属等离激元结构和量子光源的耦合，可以改变二能级系统的局部光学态密度。这种二能级系统的自发辐射速率随着外部光学态密度的改变而变化的现象叫做珀塞尔效应(purcell factor)。目前，已经有技术展示了利用微腔耦合S-K生长的量子点从而实现超快量子光源，也有通过纳米腔耦合胶体量子点实现超快量子光源。现有技术中，利用微腔耦合S-K生长的量子点的方式的增强有限，通常其珀塞尔因子被限制在30左右；通过纳米腔耦合胶体量子点虽然能实现超快光源(>80GHz)，然而，胶体量子点不稳定，仅仅能在短时间内发光又不能与主流硅(Si)基工艺相结合。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能超快发光，具有高的光子速率，具有高收集效率和快辐射复合速率的量子点单光子源及其制备方法。
本发明首先提供一种量子点单光子源，包括从下到上依次排列的衬底层、金属层、电介质层、纳米线量子点层；所述纳米线量子点层设置成圆柱形，并包括纳米线量子点层底层、纳米线量子点层中层、纳米线量子点层顶层；所述纳米线量子点层的两侧对应位置设置有呈三角形对称的等离激元结构层；所述等离激元结构层设置在纳米线量子点层中层的高度位置。
本发明还提供如下优化方案：
优选的，所述等离激元结构层底部设置电介质层连接层用以连接电介质层和等离激元结构层。
优选的，所述衬底层为纯硅层或砷化镓层。
优选的，所述金属层为金质薄膜层。
优选的，所述金属层厚度为150m。
优选的，所述电介质层为SiO2或者Al2O3材质。
优选的，所述纳米线量子点层底层和纳米线量子点层顶层为GaAsP材质；所述纳米线量子点层中层为GaAs材质。
其次，本发明还提供一种量子点单光子源的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一纯硅或砷化镓的衬底层；
S2在所述衬底层上形成一金属层；
S3在所述金属层上形成一电介质层；
S4在所述电介质层上利用选择区域外延法形成纳米线量子点层；所述纳米线量子点层依次在电介质层上形成GaAsP的纳米线量子点层底层、GaAs的纳米线量子点层中层、GaAsP的纳米线量子点层顶层；
S5在电介质层上除纳米线量子点层的表面上沉积一层二氧化硅层到纳米线量子点层底层与纳米线量子点层中层的交界面的高度后停止；
S6在所述二氧化硅层上位于纳米线量子点层两侧的对称位置形成两个对称的三角形的等离激元结构层；
S7将除纳米线量子点层与等离激元结构层以外的二氧化硅层刻蚀去除。
优选的，所述等离激元结构层是采用EBL对准曝光形成。
优选的，所述S7步骤中刻蚀前先在纳米线量子点层与等离激元结构层上沉积金属镍形成刻蚀保护层。
本发明的有益效果是：
1、本发明的量子点单光子源能实现高的光子速率，最大光子速率到30个GHz；
2、本发明的量子点单光子源具有高的收集效率和快的辐射复合速率；
3、本发明的量子点单光子源能通过纳米线量子点层和等离激元结构层的耦合，改变二能级系统的局部光学态密度。
附图说明
图1为本发明一种优选实施例的量子点单光子源的正视图；
图2为本发明一种优选实施例的量子点单光子源的俯视图；
图3为本发明一种优选实施例的量子点单光子源的制备工艺图；
图4为本发明一种优选实施例的量子点单光子源的
具体的附图标记为：
1衬底层；2金属层；3电介质层；4纳米线量子点层；5等离激元结构层；41纳米线量子点层底层；42纳米线量子点层中层；43纳米线量子点层顶层。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1和2所示，本发明的量子点单光子源，包括从下到上依次排列的衬底层1、金属层2、电介质层3、纳米线量子点层4；所述纳米线量子点层4设置成圆柱形，并从下到上依次包括纳米线量子点层底层41、纳米线量子点层中层42、纳米线量子点层顶层43；所述纳米线量子点层4的两侧对应位置设置有呈三角形对称的等离激元结构层5；所述等离激元结构层5设置在纳米线量子点层中层42的高度位置。
两个所述等离激元结构层5与纳米线量子点层4形成一蝴蝶结结构，所述蝴蝶结结构以纳米线量子点层4为中间的结点，两个等离激元结构层5为两侧的蝴蝶结；所述等离激元结构层5与纳米线量子点层中层42的高度一致，且厚度也一致。两个等离激元结构层5优选的设置成等腰三角形，且等腰三角形的顶点与纳米线量子点层4的圆心对应，两个等腰三角形的顶点与纳米线量子点层4的圆心呈对称对应。更优选的，所述等离激元结构层5设置成等边三角形，两个顶点与纳米线量子点层4的圆心呈对称对应。
为了使等离激元结构层5能稳定设置在纳米线量子点层中层42的高度位置，所述等离激元结构层5底部设置电介质层3连接层用以连接电介质层3和等离激元结构层5。优选的，所述电介质层3连接层与电介质层3的材质一致。
为了使量子点单光子源顺利形成，所述衬底层1为纯硅层或砷化镓层。
在所述衬底层1的上表面镀覆有金属层2，所述金属层2具体为150nm厚的金质薄膜层。实现的方式可以采用电子束蒸镀精确控制厚度。
在所述金属层2的上表面覆盖有电介质层3，所述电介质层3具体为厚度为10-30nm厚的SiO2或者Al2O3层。所述的电介质层3可以采用电子束蒸发沉积或者原子层沉积生长。
所述纳米线量子点层底层41和纳米线量子点层顶层43为GaAsP材质；所述纳米线量子点层中层42为GaAs材质。所述纳米线量子点层4的材料为GaAsP/GaAs,纳米线的长度为2-5微米，量子点的高度为5-25nm，它们的直径为100-300nm，生长的方式为在MBE中利用选择区域外延法。
本发明增强最大光子速率的原理如下：利用珀塞尔效应改变纳米线量子点周围的光学态密度。与自由空间相比，等离激元结构能够把光局域在纳米结构周围，形成光学纳米腔，腔内量子发射体的自发发射的增强归因于增加的局部光学态密度。由于量子发射器的发射速率与局部光学态密度成线性比例，因此等离激元引入的纳米腔的存在直接增强了珀塞尔效应，因此实现了增强光子速率的效果。珀塞尔因子Fp定义为腔内自发辐射率Γc与自由空间中发射率Γ0的比值：
特别的，蝴蝶结构的等离激元能够把光限制在两个结构的中间，进一步较小上述公式纳米光学腔的体积，因而可以把珀塞尔因子增加到1000以上。
如图3所示，本发明还提供一种量子点单光子源的制备方法，包括如下步骤：
S1提供一纯硅或砷化镓的衬底层1；
S2在所述衬底层1上形成一金属层2；在衬底层1上形成
S3在所述金属层2上形成一电介质层3；
S4在所述电介质层3上利用选择区域外延法形成纳米线量子点层4；所述纳米线量子点层4依次在电介质层3上形成GaAsP的纳米线量子点层底层41、GaAs的纳米线量子点层中层42、GaAsP的纳米线量子点层顶层43；
S5在电介质层3上除纳米线量子点层4的表面上沉积一层二氧化硅层到纳米线量子点层底层41与纳米线量子点层中层42的交界面的高度后停止；
S6在所述二氧化硅层上位于纳米线量子点层4两侧的对称位置形成两个对称的三角形的等离激元结构层5；
S7将除纳米线量子点层4与等离激元结构层5以外的二氧化硅层刻蚀去除。
所述等离激元结构层5是采用EBL对准曝光形成。
所述S7步骤中刻蚀前先在纳米线量子点层4与等离激元结构层5上沉积金属镍形成刻蚀保护层。
实施例一
本实施例中的量子点单光子源由下至上依次设置有衬底层1、金属层2、电介质层3、纳米线量子点层4和等离激元结构层5。
所述衬底层1为纯硅层或砷化镓层中的一种，在所述衬底层1的上表面镀覆有金属层2，所述金属层2具体为150nm厚的金质薄膜层。实现的方式可以采用电子束蒸镀精确控制厚度。
在所述金属层2的上表面覆盖有电介质层3，所述电介质层3具体为厚度为10-30nm厚的SiO2或者Al2O3层。所述的电介质层3可以采用电子束蒸发沉积或者原子层沉积生长。
所述纳米线量子点层4的材料为GaAsP/GaAs,纳米线的长度为2-5微米，量子点的高度为5-25nm，它们的直径为100-300nm，生长的方式为在MBE中利用选择区域外延法。生长的参数如下所示：
首先，在砷化镓衬底上沉积二氧化硅并利用电子束曝光在SiO2层上形成100nm的小孔，小孔间距为500nm；
其次，衬底被放入MBE的腔体中，在610摄氏度温度下去气一小时然后生长GaAsP纳米线以形成纳米线量子点层底层41。GaAsP纳米线的生长时间为60-120分钟，此时Ga、As、P的束流等效压分别为3.78×10-6、3.52×10-6、4.8×10-6Torr。在生长GaAs量子点的纳米线量子点层中层42时，P源被完全的关掉并被遮挡，测得的磷源的等效压为～1.83×10-7Torr。而这时候As源的等效压从3.52×10-6增加到4.4×10-6，Ga源的等效压从3.78×10-6增加到4.13×10-6。GaAs量子点的生长时间为10秒至30秒。之后在形成纳米线量子点层顶层43时，Ga、As和P源的等效压设置回最初的参数，再生长60-120min的GaAsP纳米线。
形成纳米线量子点层4的结构后，在所述结构上用PECVD沉积一层二氧化硅，厚度以量子点到SiO2的高度为准，然后采用EBL对准曝光在纳米线量子点周围形成等离激元结构层5的蝴蝶结结构，所述结构的边长为120-200nm，高度为5-25nm。然后，在所述结构上沉积5nm厚的金属镍用作刻蚀保护层，最后在反应离子束中刻蚀成如图1所示结构。
实验结果：
没有加金属蝴蝶结结构的单光子源的工作速率为50MHz，收集效率为65％，二次相关函数为0.151，辐射复合速率约为20ns(一般外延生长量子点的寿命微几十个纳秒)；而加了蝴蝶结结构的工作速率为10GHz,收集效率为96％，二次相关函数为0.143辐射复合速率约为100ps，如图4所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种量子点单光子源，其特征在于：包括从下到上依次排列的衬底层、金属层、电介质层、纳米线量子点层；所述纳米线量子点层设置成圆柱形，并包括纳米线量子点层底层、纳米线量子点层中层、纳米线量子点层顶层；所述纳米线量子点层的两侧对应位置设置有呈三角形并以 纳米线量子点层的圆心为对称中心而对称设置的等离激元结构层；所述等离激元结构层设置在纳米线量子点层中层的高度位置。
2.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于：所述等离激元结构层底部设置电介质层连接层用以连接电介质层和等离激元结构层。
3.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于：所述衬底层为纯硅层或砷化镓层。
4.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于：所述金属层为金质薄膜层。
5.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于：所述金属层厚度为150m。
6.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于：所述电介质层为SiO2或者Al2O3材质。
7.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于：所述纳米线量子点层底层和纳米线量子点层顶层为GaAsP材质；所述纳米线量子点层中层为GaAs材质。
8.一种量子点单光子源的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1提供一纯硅或砷化镓的衬底层；
S2在所述衬底层上形成一金属层；
S3在所述金属层上形成一电介质层；
S4在所述电介质层上利用选择区域外延法形成纳米线量子点层；所述纳米线量子点层依次在电介质层上形成GaAsP的纳米线量子点层底层、GaAs的纳米线量子点层中层、GaAsP的纳米线量子点层顶层；
S5在电介质层上除纳米线量子点层的表面上沉积一层二氧化硅层到纳米线量子点层底层与纳米线量子点层中层的交界面的高度后停止；
S6在所述二氧化硅层上位于纳米线量子点层两侧的对称位置形成两个呈三角形并以纳米线量子点层的圆心为对称中心而对称设置的等离激元结构层；
S7将除纳米线量子点层与等离激元结构层以外的二氧化硅层刻蚀去除。
9.根据权利要求8所述的量子点单光子源的制备方法，其特征在于：所述等离激元结构层是采用EBL对准曝光形成。
10.根据权利要求8所述的量子点单光子源的制备方法，其特征在于：所述S7步骤中刻蚀前先在纳米线量子点层与等离激元结构层上沉积金属镍形成刻蚀保护层。
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