CN111900619A - 基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件 - Google Patents

基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件，包括在硅基衬底上沉积SiN薄膜，在SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构，在SiN波导层上沉积二氧化硅找平层，在二氧化硅找平层上沉积并制备SiN微盘夹心层结构；SiN微盘夹心层结构的有源层是量子点薄层。本发明可以采用垂直激光的泵浦，使得量子点受激发光。通过设计合理尺寸的微盘结构，使得微盘边缘处的量子点受激发光产生的光子与微盘发生谐振作用。最后谐振光耦合进SiN波导中，实现光在波导中传输，在波导的输出端口采用光纤收集测试光子数。

Description

基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件
技术领域
本发明属于单光子源技术领域，具体涉及一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件。
背景技术
单光子源(SPS)技术在量子通信和量子计算机领域取得了优秀的研究成果。由于量子通信对于信息保密性强、安全性好以及量子计算机的运行速度快等优点得到了人们的关注和重视，因此量子通信是现在通信领域的专家们的一个研究热点。理想的单光子源是量子通信的重要核心技术之一。由于理想的单光子源具有每个脉冲中有且仅有一个光子的特性，使得量子信息的泄密几率接近为零。因此研究出理想的单光子源具有非常重要的意义！
单光子源的种类比较多，有量子点单光子源、原子单光子源、分子单光子源以及缺陷单光子源等，其中量子点单光子源被人们认为最有可能成为量子光源，并且对它的研究时间和研究成果也是最多的一种单光子源。目前使用的量子点的制备方法有两种：一种是通过物理方法生长的外延量子点，一种是通过湿化学方法合成的胶体量子点。其中，外延量子点拥有高增益和高效率、超低阈值电流密度和温度不敏感性等优点；但是外延量子点发射单个光子有一个限制条件，那就是仅在低温下才能发射单光子，而另一种基于湿法合成胶体量子点的制备方法，胶体量子点的特点是量子点的尺寸较小，一般是小于5nm，并且无需像外延生长的量子点，必须在相应的衬底上存在，它可以脱离衬底以一种溶液的形式存在，因此在制备内嵌量子点结构时比较简便，可以以一种匀胶的方式旋涂在结构上面。另外，胶体量子点还有一个优点就是通过这种溶液中化学合成方法制备的胶体量子点相比于外延生产方法，胶体量子点的生产周期短且产量高，因此，其制备成本随之降低。同时基于II-VI族化合物的核壳结构胶体量子点具有在室温及以上发射单光子，表现出光子反聚束效应。目前这些晶体在医疗、能源、环境和航空航天等不同领域都有广泛的应用。
相关技术中，在SiN夹心层内嵌量子点的激光器件的研究已经被报道，但是SiN微盘夹心层内嵌量子点单光子源的研究暂时还是处于空白阶段，而相关技术中的单光子源发光效率低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件，以解决现有技术中单光子源的发光效率低的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法，包括：
在硅基衬底上沉积SiN薄膜，得到SiN芯片；
在所述SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；
在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层；
在所述二氧化硅找平层上沉积并制备SiN微盘夹心层结构；所述SiN微盘夹心层结构的有源层为量子点薄层。
进一步的，所述硅基衬底包括：硅衬底和二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为5um；所述在硅基衬底上沉积SiN薄膜，包括：
采用低温PECVD方法在所述二氧化硅层上沉积SiN薄膜；其中，所述SiN薄膜的厚度为200nm。
进一步的，所述在所述SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；包括：
在所述SiN薄膜上旋涂光刻胶；
采用光刻的方法制备M个SiN波导阵列结构；其中M为整数。
进一步的，所述在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层，包括：
采用高温PECVD方法在所述SiN波导层上沉积厚度为1um～1.5um的二氧化硅薄膜；
采用化学机械抛光方法对所述二氧化硅薄膜减薄抛光，形成厚度为210nm～220nm二氧化硅找平层。
进一步的，所述在所述二氧化硅找平层上制备SiN微盘夹心层结构，包括：
在所述二氧化硅找平层上采用低温PECVD方法沉积厚度为90～110nm的SiN薄膜，形成SiN微盘夹心层结构的底层；
在所述底层上引上量子点，形成SiN微盘夹心层结构的有源层；
在所述有源层上采用低温PECVD方法沉积SiN薄膜，形成SiN微盘夹心层结构的顶层；
在所述顶层上旋涂光刻胶，采用光刻工艺得到微盘结构；
对所述微盘结构进行刻蚀处理，得到SiN微盘夹心层结构并利用丙酮和酒精清洗所述光刻胶。
进一步的，在所述底层上采用采用拖拉法、旋涂法或点滴法引上胶体量子点；
所述量子点的直径范围为3nm～10nm，所述量子点的浓度的范围为1×10-9M～1×10-11M，所述量子点的发光波长范围为400nm～1600nm。
进一步的，所述量子点包括：
可见光波段的CdSe/ZnS胶体量子点、可见光波段的InP/ZnS胶体量子点。
进一步的，在所述在硅基衬底上沉积SiN薄膜之前还包括：
对硅基衬底进行清洗。
本申请实施例提供一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备器件，包括：
在硅基衬底上沉积SiN薄膜得到的SiN芯片；
在所述SiN芯片上通过光刻方法制备的SiN波导阵列结构；
在所述SiN波导层上沉积的二氧化硅找平层；
在所述找平层上沉积SiN薄膜并通过光刻方法制备的SiN微盘夹心层结构，其中，所述SiN微盘夹心层设置在所述SiN波导阵列结构的上方。
进一步的，所述SiN微盘夹心层结构包括：
底层、有源层、顶层；
所述有源层位于所述底层和顶层之间；
所述有源层包括量子点。
本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：
1、本发明提供的SiN微盘夹心层结构内嵌量子点，且单光子源具有找平层(一层薄膜的二氧化硅)，所述的找平工艺可以有效增加光耦合进波导的耦合效率，减少耦合光的泄露；
2、本发明中提供的SiN波导阵列结构具有光传输通道的作用，通过设计优化波导的宽度和高度可以提高光的传输效率，降低损耗；
3、本发明中提供的SiN微盘夹心层结构可以有利于光在微盘上发生谐振，进而增强量子点的发光，提高单个量子点的发光强度。因此，本发明填补了SiN微盘夹心层内嵌量子点单光子源的技术空白，同时也达到了提高该结构量子点单光子源的发光效率的技术效果。
4、本发明采用垂直激光的泵浦，使得量子点受激发光，通过微盘边缘处的量子点受激发光产生的光子与微盘发生谐振作用，最后谐振光耦合进SiN波导中，实现光在波导中传输，在波导的输出端口采用光纤收集测试光子数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法的步骤示意图；
图2为本发明基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的SiN波导阵列结构示意图；
图3为本发明基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的二氧化硅找平层的结构示意图；
图4为本发明基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法。
如图1所示，本申请实施例中提供的基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法包括：
S101，如图2所示，在硅基衬底上沉积SiN薄膜203，得到SiN芯片；
本申请采用硅基衬底，首先对硅基衬底进行清洗，之后在硅基衬底远离衬底201层的一面上沉积SiN薄膜203，得到SiN芯片。
S102，在所述SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；
在SiN薄膜203的表面上旋涂光刻胶，制备M个波导，得到SiN波导阵列结构，需要说明的是，M为整数。采用SiN波导阵列结构能够提高光传输的效率。
S103，如图3所示，在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层204；
本申请中在SiN波导层上沉积二氧化硅找平层204，可以有效增加光耦合进波导的耦合效率，减少耦合光的泄露。
S104，在所述二氧化硅找平层204上沉积并制备SiN微盘夹心层结构；所述SiN微盘夹心层结构的有源层为量子点薄层，其中SiN微盘夹心层结构包括顶层、有源层和底层，有源层为中间层。
本发明中提供的SiN微盘夹心层结构可以有利于光在微盘上发生谐振，进而增强量子点的发光，提高单个量子点的发光强度。因此，本发明填补了SiN微盘夹心层内嵌量子点单光子源的技术空白，同时也达到了增强该结构量子点单光子源的发光效率的技术效果。
基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法的工作原理为：本申请中采用垂直激光的泵浦，使得量子点受激发光。通过设计直径为10um～50um尺寸不等的微盘结构，使得微盘边缘处的量子点受激发光产生的光子与微盘发生谐振作用。最后，谐振光耦合进SiN波导中，实现光在SiN波导中传输。在SiN波导的输出端口采用光纤收集测试光子数。其中，微盘结构为圆柱体。
一些实施例中，所述硅基衬底包括：硅基衬底201和设置在硅基衬底201上的二氧化硅层202，所述二氧化硅层202的厚度为5um；所述在硅基衬底上沉积SiN薄膜203，包括：
采用低温PECVD方法在所述二氧化硅层202上沉积SiN薄膜203；其中，所述SiN薄膜203的厚度为200nm。
需要说明的是，二氧化硅衬底层和找平层均为光波导包层，这里所说的低温为70℃，等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)有很多优点，比如成膜质量好等。PECVD是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。本申请中的硅基衬底采用现有技术，本申请在此不做赘述。
一些实施例中，所述在所述SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；包括：
在所述SiN薄膜203上旋涂光刻胶；
采用光刻的方法制备M个SiN波导阵列结构；其中M为整数。
具体的，首先在SiN薄膜203上旋涂光刻胶，然后对SiN薄膜203进行光刻曝光制备M组2um宽的SiN波导阵列结构，可以理解的是，M为整数。本发明中提供的SiN波导阵列结构具有光传输通道的作用，通过优化SiN波导的宽度和高度可以提高光的传输效率，降低损耗。其中，光刻方法采用常规光刻方法即可，本申请在此不做限定。
一些实施例中，所述在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层204，包括：
采用高温PECVD方法在所述SiN波导层上沉积厚度为1um～1.5um的二氧化硅薄膜；
采用化学机械抛光方法对所述二氧化硅薄膜减薄抛光，形成厚度为210nm～220nm二氧化硅找平层204。
具体的，首先在SiN波导层上采用高温PECVD技术生长1um～1.5um二氧化硅薄膜，达到SiN波导阵列结构表面的平整性。然后采用化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing，CMP)的方法对二氧化硅薄膜减薄抛光，厚度减薄至210nm～220nm。二氧化硅找平层204的厚度为210nm～220nm，而SiN薄膜的厚度为200nm，所以二氧化硅找平层204的顶面距离SiN波导阵列结构顶面的距离只有10-20nm，SiN波导阵列结构表面的平整可以有效增加光耦合进波导的耦合效率，减少耦合光的泄露。
一些实施例中，如图4所示，所述在所述二氧化硅找平层204上制备SiN微盘夹心层结构，包括：
在所述二氧化硅找平层204上采用低温PECVD方法沉积厚度为90～110nm的SiN薄膜203，形成SiN微盘夹心层结构的底层205；
在所述底层205上引上低浓度的量子点，形成SiN微盘夹心层结构的有源层206；
在所述有源层206上采用低温PECVD方法沉积SiN薄膜203，形成SiN微盘夹心层结构的顶层207；
在所述顶层207上旋涂光刻胶，光刻得到微盘结构；
对所述微盘结构进行刻蚀处理，得到SiN微盘夹心层结构并利用丙酮和酒精清洗所述光刻胶。
优选的，在所述底层205上采用采用拖拉法、旋涂法或点滴法引上低浓度的胶体量子点；
所述量子点的直径范围为3nm～10nm，所述量子点的浓度的范围为1×10-9M～1×10-11M，所述量子点的发光波长范围为400nm～1600nm。
具体的，本申请中二氧化硅找平层204表面通过低温PECVD技术生长厚度为90～110nm的SiN薄膜203，作为SiN夹心层的底层205。
在底层205表面上采用拖拉法、旋涂法或者点滴法引上低浓度的胶体量子点，其中，胶体量子点的直径范围可以为3nm～10nm。量子点的发光波长范围可以为400nm～1600nm。量子点薄膜作为有源层206。
再次在有源层206表面上采用低温PECVD技术生长厚度为90～110nm的SiN薄膜203，作为SiN夹心层的顶层207。
在所述的SiN夹心层的顶层207旋涂一层光刻胶；
最后，采用优化后的普通常规光刻工艺和ICP工艺制备出SiN微盘夹心层结构。
由上述内容可知，二氧化硅找平层204的顶面距离SiN波导阵列结构顶面的距离只有10-20nm，可以使得有源层206量子点光更容易耦合进SiN波导结构中；需要说明的是，如图4所示，SiN微盘夹心层结构的底层205、有源层206以及顶层207的一边边缘处与SiN波导结构的边缘处在方向上构成上下垂直。SiN微盘夹心层结构可以有利于光在微盘上发生谐振，进而增强量子点的发光，提高单个量子点的发光强度。因此，本发明填补了SiN微盘夹心层内嵌量子点单光子源的技术空白，同时也达到了增强该结构量子点单光子源的发光效率的技术效果。
优选的，所述量子点包括：
可见光波段的CdSe/ZnS胶体量子点、可见光波段的InP/ZnS胶体量子点。
优选的，在所述在硅基衬底上沉积SiN薄膜203之前，还包括：
对硅基衬底进行清洗。
本申请实施例提供一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源器件，包括：
在硅基衬底上沉积SiN薄膜203得到的SiN芯片；
在所述SiN芯片上形成的SiN波导层，所述SiN波导层形成SiN波导阵列结构；
在所述SiN波导层上形成的找平层204；
在所述找平层204上形成的SiN微盘夹心层结构。
优选的，所述SiN微盘夹心层结构包括：
底层205、有源层206、顶层207；
所述有源层206位于所述底层205和顶层207之间；
所述有源层206包括量子点。
其中，底层205、有源层206、顶层207构成SiN微盘夹心层结构。有源层206即为中间层，微盘夹心层结构为圆柱体。
本申请实施例提供一种计算机设备，包括处理器，以及与处理器连接的存储器；
存储器用于存储计算机程序，计算机程序用于执行上述任一实施例提供的基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法；
处理器用于调用并执行存储器中的计算机程序。
综上所述，本发明提供一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法及器件，包括在硅基衬底上沉积SiN薄膜，得到SiN芯片；在所述SiN芯片上沉积SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层；在所述二氧化硅找平层上制备SiN微盘夹心层结构；所述SiN微盘夹心层结构包括量子点。本申请提供的SiN夹心层内嵌量子点单光子源具有找平结构(一层薄层的二氧化硅)，所述的找平工艺可以有效增加光耦合进波导的耦合效率，减少耦合光的泄露；SiN波导阵列结构具有光传输通道的作用，通过设计优化波导的宽度和高度可以提高光的传输效率，降低损耗；SiN的微盘夹心层结构可以有利于光在微盘上发生谐振，进而增强量子点的发光，提高单个量子点的发光强度。因此本发明填补了SiN微盘夹心层内嵌量子点单光子源的技术空白，同时也达到了增强该结构量子点单光子源的发光效率的技术效果；本申请可以采用垂直激光的泵浦，使得量子点受激发光。通过微盘边缘处的量子点受激发光产生的光子与微盘发生谐振作用。最后谐振光耦合进SiN波导中，实现光在波导中传输，在波导的输出端口采用光纤收集测试光子数。
可以理解的是，上述提供的方法实施例与上述的器件实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的器件。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令方法的制造品，该指令方法实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源的制备方法，其特征在于，包括：
在硅基衬底上沉积SiN薄膜，得到SiN芯片；
在所述SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；
在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层；
在所述二氧化硅找平层上沉积并制备SiN微盘夹心层结构；所述SiN微盘夹心层结构的有源层为量子点薄层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅基衬底包括：硅衬底和二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为5um；所述在硅基衬底上沉积SiN薄膜，包括：
采用低温PECVD方法在所述二氧化硅层上沉积SiN薄膜；其中，所述SiN薄膜的厚度为200nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述SiN芯片上制备SiN波导层，得到SiN波导阵列结构；包括：
在所述SiN薄膜上旋涂光刻胶；
采用光刻的方法制备M个SiN波导阵列结构；其中M为整数。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述SiN波导层上沉积二氧化硅找平层，包括：
采用高温PECVD方法在所述SiN波导层上沉积厚度为1um～1.5um的二氧化硅薄膜；
采用化学机械抛光方法对所述二氧化硅薄膜减薄抛光，形成厚度为210nm～220nm二氧化硅找平层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述二氧化硅找平层上制备SiN微盘夹心层结构，包括：
在所述二氧化硅找平层上采用低温PECVD方法沉积厚度为90～110nm的SiN薄膜，形成SiN微盘夹心层结构的底层；
在所述SiN微盘夹心层结构底层上引上量子点，形成SiN微盘夹心层结构的有源层；
在所述有源层上采用低温PECVD方法沉积SiN薄膜，形成SiN微盘夹心层结构的顶层；
在所述顶层上旋涂光刻胶，采用光刻工艺得到微盘结构；
对所述微盘结构进行刻蚀处理，得到SiN微盘夹心层结构并利用丙酮和酒精清洗所述光刻胶。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
在所述底层上采用采用拖拉法、旋涂法或点滴法引上胶体量子点；
所述量子点的直径范围为3nm～10nm，所述量子点的浓度的范围为1×10-9M～1×10- 11M，所述量子点的发光波长范围为400nm～1600nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述量子点包括：
可见光波段的CdSe/ZnS胶体量子点、可见光波段的InP/ZnS胶体量子点。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述在硅基衬底上沉积SiN薄膜之前，还包括：
对硅基衬底进行清洗。
9.一种基于SiN微盘夹心层结构的单光子源器件，其特征在于，包括：
在硅基衬底上沉积SiN薄膜得到的SiN芯片；
在所述SiN芯片上通过光刻方法制备的SiN波导阵列结构；
在所述SiN波导层上沉积的二氧化硅找平层；
在所述找平层上沉积SiN薄膜并通过光刻方法制备的SiN微盘夹心层结构，其中，所述SiN微盘夹心层设置在所述SiN波导阵列结构的上方。
10.根据权利要求9所述的器件，其特征在于，所述SiN微盘夹心层结构包括：
底层、有源层、顶层；
所述有源层位于所述底层和顶层之间；
所述有源层包括量子点。
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