量子点单光子源、制备方法及其器件的制备方法技术

本发明专利技术提供了量子点单光子源、制备方法及其器件的制备方法。所述量子点单光子源包括：衬底、缓冲层、和/或DBR反射层、吸收层、有源层、盖层、量子点阵列；所述缓冲层设置于所述衬底上；所述DBR反射层设置于所述缓冲层上；所述吸收层设置于所述DBR反射层上；所述有源层设置于所述吸收层上；所述盖层设置于所述有源层上；所述量子点阵列通过刻蚀所述盖层和所述有源层得到，所述量子点阵列位于所述吸收层上。提高了量子点单光子源器件的荧光发射率，提高了制作量子点单光子源器件的成品率。

【技术实现步骤摘要】
量子点单光子源、制备方法及其器件的制备方法
本专利技术涉及半导体材料及器件
，特别是涉及量子点单光子源、制备方法及其器件的制备方法。
技术介绍
量子点单光子源是指一种单个二能级体系在光或电泵浦等方式激励下每隔一定时间发出单个固定频率光子的器件。高质量的量子点单光子源在量子计算、量子通信、量子测量以及量子存储等方面存在着广泛的应用前景。采用分子束外延技术制作的固体半导体量子点不仅最终实现对载流子的三维限制，导致载流子能量在三个维度上量子化而具备分立的能级，呈现出“类原子”的壳层填充特性。人们在相关实验中观察到光致或电致光子的反聚束效应，并据此成功地制作了光致或电致量子光源。当前固体量子点一般通过“自下而上”与“自上而下”两种方式来制备，其中实用型固体半导体量子点主要通过后一种方式进行制备。尽管采用Stranski-Krastanow(SK)生长模式制备的自组织量子点所发出荧光特性很好，但要实现单量子点的激发，首先就需要将量子点相互隔离。利用SK生长模式制备的Ge、InAs或GaSb等量子点通常存在天然的高密度、随机性、发光效率低以及提取效率低等局限性。为克服上述局限性，以InAs量子点材料为例，最初人们在InAs淀积量达到临界厚度时采用停止淀积，再通过退火的方法来获得小尺寸低密度InAs量子点。但该条件所制之量子点密度仍然很难满足低密度高确定性量子点的应用要求，尺寸较小，发光波长较短，且还存在量子点外延片利用率低、成品率低以及产量低等问题，同时也难以满足大规模1.31μm或1.55μm波长的光纤通信所需通讯窗口的要求。人们尝试不同方法来限制被激发量子点的数目或过滤掉其它量子点的发射，例如结合法布里-珀罗(FP)、光子晶体、回音壁或表面等离子激元微腔等结构来限制被激发量子点的数目或过滤掉其它量子点的发射。比如在量子点上方放置带亚微米孔金属接触来选择下方部分量子点的发射。但该法不光需要高精度光刻，存在由金属孔处引起的衍射原因，而且在与单模光纤耦合时还存在提取效率受限的问题，此外，还存在由于缺少对载流子的空间限制而使得外部量子效率很低。且在实现低成本批量化制备上也存在重大困难。因此，目前市场上还没有成熟的高品质量子点单光子光源。综上所述，在量子点单光子源的制备过程中，不仅存在操作难度大的问题，而且较难满足与光纤匹配实用性方面的要求，还存在成本高居不下及较难批量化制备的问题。制备得到的量子点也存在外量子效率偏低的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题在量子点单光子源的制备过程中，不仅存在操作难度大的问题，而且较难满足与光纤匹配实用性方面的要求，还存在成本高居不下及较难批量化制备的问题。制备得到的量子点也存在外量子效率偏低的问题。(二)技术方案第一方面，本专利技术提供了一种量子点单光子源，包括：衬底、缓冲层、和/或DBR反射层、吸收层、有源层、盖层、量子点阵列；所述缓冲层设置于所述衬底上；所述DBR反射层设置于所述缓冲层上；所述吸收层设置于所述DBR反射层上；所述有源层设置于所述吸收层上；所述盖层设置于所述有源层上；所述量子点阵列通过刻蚀所述盖层和所述有源层得到，所述量子点阵列位于所述吸收层上。第二方面，本专利技术提供了一种量子点单光子源的制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、和/或DBR反射层、吸收层；采用Frank-vanderMerwe(F-vdM)二维生长模式在所述吸收层上生长有源层；在所述有源层上生长盖层；采用电子束曝光方法与感应耦合等离子体刻蚀方法，对所述有源层和盖层进行刻蚀，得到量子点阵列。第三方面，本专利技术提供了一种量子点单光子源器件的制备方法，采用粘贴的方式将排式光纤与通过上文所述的量子点单光子源进行垂直耦合得到量子点单光子源器件，并保证每个光纤内芯处有且仅有一个量子点。(三)有益效果(1)通过对传统SK法制备量子点工艺中存在的不足进行创新，并实现对量子点有源区结构的全新设计来达到调控量子点的密度、位置以及发光特性等目的。具体地，本专利技术采用与SK三维生长模式有别的F-vdM二维生长模式，在衬底上进行外延材料的生长；通过优化器件的外延结构，调控有源层的结构、厚度、掺杂，以实现量子点单光子源器件的高质量荧光发射。(2)采用在有源区下方制作预定对数DBR反射层的方式来提高荧光反射率；采用直接光刻法制作量子点阵列来自由地对量子点的密度、位置以及分布均匀性进行控制。提高了衬底的使用率与高质量量子点单光子源器件的成品率；提高了制作量子点单光子源器件的成品率，以达到降低器件制作成本并最终实现批量化制作低密度高确定性量子点单光子源器件的要求。(3)通过调控有源层的迁移率、淀积速率、淀积厚度、掺杂、V/III束流比、生长温度、生长停顿以及退火来改良有源层的应力、均匀性以及荧光特性。(4)通过电子束曝光(EBL)及电感耦合等离子(ICP)刻蚀工艺来制作InSb量子点阵列器件，该法能够实现对量子点的密度、位置以及分布实现完美控制，进而有效地改善量子点的发光效率、提高荧光提取效率以及拓展荧光波长。附图说明图1是本专利技术实施例提供的量子点单光子源结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的量子点单光子源结构俯视图；图3是本专利技术实施例一提供的InAs/GaAs量子点单光子源结构在刻蚀前的示意图；图4是本专利技术实施例一提供的InAs/GaAs量子点单光子源结构在刻蚀后的示意图；图5为本申请实施例一提供的不同中心波长DBR反射层的模拟反射谱(a)1310纳米与反射谱(b)1550纳米的示意图；图6为本申请实施例四提供的InAs/GaSb量子点单光子源结构示意图；图7为本申请实施例七提供的In(Ga)As/GaAs量子点单光子源结构在刻蚀前的示意图；图8是本专利技术实施例七提供的In(Ga)As/GaAs量子点单光子源结构在刻蚀后的示意图；图9是本专利技术实施例一提供的InAs/GaAs量子点单光子源器件结构示意图；图10是本专利技术实施例一提供的InAs/GaAs量子点单光子源器件中光纤阵列结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本专利技术实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子点单光子源，其特征在于，包括：/n衬底(1)、缓冲层(2)、和/或DBR反射层(3)、吸收层(4)、有源层(5)、盖层(6)、量子点阵列(7)；/n所述缓冲层(2)设置于所述衬底(1)上；/n所述DBR反射层(3)设置于所述缓冲层(2)上；/n所述吸收层(4)设置于所述DBR反射层(3)上；/n所述有源层(5)设置于所述吸收层(4)上；/n所述盖层(6)设置于所述有源层(5)上；/n所述量子点阵列(7)通过刻蚀所述盖层(6)和所述有源层(5)得到，所述量子点阵列(7)位于所述吸收层(4)上。/n

【技术特征摘要】
20200117 CN 2020100502592;20200117 CN 2020100566941.一种量子点单光子源，其特征在于，包括：
衬底(1)、缓冲层(2)、和/或DBR反射层(3)、吸收层(4)、有源层(5)、盖层(6)、量子点阵列(7)；
所述缓冲层(2)设置于所述衬底(1)上；
所述DBR反射层(3)设置于所述缓冲层(2)上；
所述吸收层(4)设置于所述DBR反射层(3)上；
所述有源层(5)设置于所述吸收层(4)上；
所述盖层(6)设置于所述有源层(5)上；
所述量子点阵列(7)通过刻蚀所述盖层(6)和所述有源层(5)得到，所述量子点阵列(7)位于所述吸收层(4)上。


2.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于，所述量子点阵列(7)的点密度为1×106cm-2；所述量子点阵列(7)中量子点的直径为8～70nm、高度为8～100nm、相邻量子点间距为9～10μm。


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DBR反射层(3)包括依次交替生长的A1GaAs层和GaAs层；
所述AlGaAs层的数量为26，所述GaAs层的数量为25。


4.根据权利要求3所述的量子点单光子源，其特征在于，所述A1GaAs层中铝组分y满足0.45≤y≤1，所述AlGaAs层的厚度为74.6～138.6nm，所述GaAs层的厚度为60.1～118.7nm。


5.根据权利要求1所述的量子点单光子源，其特征在于，所述有源层(5)包括进行n型掺杂或p型掺杂的InAs有源层、进行n型掺杂或p型掺杂的InSb有源层、进行n型掺杂或p型掺杂的GaSb有源层中的一种。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：何小武，牛智川，张宇，徐应强，陈昊，孙宝权，窦秀明，尚向军，倪海桥，任正伟，刘汗青，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11