制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法。

背景技术

单光子源是量子计算、量子通信、弱信号测试、量子密钥传输等应用的关键器件。以SK(Stranski-Krastanov)模式生长的低密度量子点，由于可在类二能级体系中周期性地光泵浦或电注入电子、空穴，在低温下具有类原子光谱而用以制备单光子源。它具有高的振子强度，窄的谱线宽度，波长可调谐，且容易集成等优势，从而成为固态量子物理和量子信息器件领域研究的热点。

由于折射率差异，量子点发射的大部分光(98％)几乎都被材料全反射掉。近年来，将单个量子点置于微腔中，如光子晶体、反馈式布拉格平面腔、微柱、微盘结构等，因其增强了量子点的收集效率，而被人们广泛关注。但是目前面临的困难是其制备工艺复杂且很难实现对量子点的精确定位。取而代之的是将量子点与天然可控的“纳米线”结构耦合，于2003年被提出，在InAs／GaAs，InAs／InP，InGaP／InP体系中被验证，且被认为是有效的提高量子点单光子源收集效率的方法。但是由于自催化生长过程中，量子点经常会在纳米线的侧壁成核，如何利用天然的纳米线腔与侧壁的量子点耦合成为一个新奇的研究领域。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法，可以实现单个纳米线-量子点耦合的单光子发射光源，具有发射效率高，可控性良好和制备工艺简单的优点。

本发明提供一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法，包括如下步骤：

步骤1：取一半导体衬底，在该半导体衬底上生长二氧化硅层，该二氧化硅层上含有氧化孔洞；

步骤2：对生长有二氧化硅层的半导体衬底进行清洗；

步骤3：采用自催化的方法，在二氧化硅层上生长GaAs纳米线，该GaAs纳米线的顶端形成一Ga液滴；

步骤4：采用高As压处理消耗GaAs纳米线顶端的Ga液滴，抑制GaAs纳米线的轴向VLS生长，形成六棱柱状结构；

步骤5：在六棱柱状结构的侧壁淀积第一AlGaAs势垒层，在AlGaAs势垒层的表面低速淀积GaAs量子点；

步骤6：在GaAs量子点上覆盖第二AlGaAs势垒层；

步骤7：在第二AlGaAs势垒层的表面生长GaAs保护层，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明制备纳米线量子点单光子源具有以下有益效果：

(1)本发明采用自催化方法形成分叉纳米线量子点结构，其密度与位置均能定量的控制，可以实现单根纳米线上生长单个量子点，避免了传统制备微腔(光子晶体、微盘、微柱)的繁琐工艺。

(2)本发明将量子点与具有二维限制作用的六棱柱纳米线微腔结合起来，对载流子具有更好的三维限制作用，光谱结果表现出更好的光电学性质，可成为高效的单光子源，可工作于液氮温度下。

(3)本发明在MBE中利用自催化生长纳米线的成熟技术，具有流程简单、重复性高的优点，同时纳米线的特征尺寸均匀，具备大规模制备量子光电器件的可能。

附图说明

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为采用本方法生长的纳米线结构示意图；

图3为本发明结构的微区荧光光谱测试结果；

图4为本发明结构的二阶相关联函数测试结果。

具体实施方式

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种制备六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的方法。如图1所示，同时参阅图2，本发明包括如下步骤：

步骤1：取一半导体衬底1，在该半导体衬底1上生长二氧化硅层2，该二氧化硅层2上含有氧化孔洞，该半导体衬底1的材料为GaAs(001)或GaAs(111)B，在半导体衬底1上生长二氧化硅层2，采用的是离子束溅射的方法，该二氧化硅层2的厚度为10-20nm。

需要说明的是，制备二氧化硅层2的方式有多种，基本原则为能够精确控制二氧化硅层2的厚度，此处所采用的二氧化硅层2厚度在15nm左右，过厚会导致表面无法生长纳米线或者生长少量无固定取向的纳米线。

步骤2：对生长有二氧化硅层2的半导体衬底1进行清洗，所述的清洗的水溶液为HF，浓度为2-4％；与此相关的是HF溶液处理时间，如果处理时间过长会导致表面的二氧化硅层2消失，从而无法生长GaAs纳米线3。

步骤3：采用自催化的方法，在二氧化硅层2上生长GaAs纳米线3，该GaAs纳米线3的顶端形成一Ga液滴4。

需要说明的是，制备过程是采用自催化(镓辅助)的方法在MBE真空系统中完成的。

首先，为去除半导体衬底1的杂质分子，需要经过烘烤、除气以及生长前的进一步高温处理。包括：将半导体衬底1置于190℃的环境中烘烤2小时，主要在于去除该半导体衬底1表面的水汽成分；将半导体衬底1置于420℃的环境中进一步除气处理，除气的标准为该半导体衬底1周围的真空度降到2。5E-7Torr以下，主要为去除该半导体衬底1表面吸附的杂质分子；对半导体衬底1进行700℃的高温10min处理，该步骤对于GaAs纳米线3的成核至关重要，主要目的在于去除二氧化硅层2表面孔洞中的Ga-O键，形成Ga液滴4的成核点。

其次，关闭As挡板，在低As的环境中淀积若干量的Ga液滴4；打开As与Ga源挡板，进行GaAs纳米线3的生长。该GaAs纳米线3主要采用VLS自催化方式生长，催化煤质为Ga液滴4。该GaAs纳米线3的生长温度在600-670℃左右，依赖于GaAs材料的共晶固融点温度；生长时间控制在60-90min；生长速率为0。7ML／s，典型长度在4-7um，直径约为200-300nm。

步骤4：采用高As压处理消耗GaAs纳米线3顶端的Ga液滴4，目的为抑制以Ga液滴4为催化剂的VLS生长模式继续往顶端生长，处理时间主要以顶端残余Ga液滴4完全消耗成为GaAs为准，最后形成六棱柱状结构。

步骤5：在六棱柱状结构的侧壁上淀积第一AlGaAs势垒层5，在AlGaAs势垒层5的表面低速淀积GaAs量子点6，该GaAs量子点6的生长温度为550℃，生长时间为5-20min；生长速率为0.1ML／s。

步骤6：在GaAs量子点6上覆盖第二AlGaAs势垒层7，该生长第一AlGaAs势垒层5和第二AlGaAs势垒层7采用的是高温高砷压，使其充分迁移，形成良好的双势垒结构并隔绝表面态对GaAs量子点6的影响。

步骤7：在第二AlGaAs势垒层7的表面生长GaAs保护层8，所述GaAs保护层8的生长温度为670℃；生长时间为10min；生长速率与GaAs纳米线3一致，其作用是保护其表面使其不受氧化影响，完成制备。

参阅图3a-b，为了表征GaAs纳米线3中GaAs量子点6的光学特征，图3a中呈现了典型的六棱柱纳米微腔中的量子点单光子源的微区荧光测试结果。光谱测试采用632mn的激光激发，并采用共聚焦显微镜收集，激发光斑在2um左右，因而可以有效的隔离单根纳米线上的量子点发光。实验上采用变激发功率的比较方式进行，其中P₀为激光未衰减功率。由图3a可知，在774mn出现了量子点的单激子及双激子的级联发射信号，激子的确认由积分强度随功率的依赖关系决定，如图3b所示。其积分强度也可算出最高的计数率高达8MHz，表现了极高的发射效率。

参阅图4，即六棱柱纳米微腔中的量子点的二阶相关函数测试结果，表明单根纳米线上的单个量子点显示了很好的单光子发射性质，其零时刻的双光子几率几乎压缩至0，即g²(0)=0。15(2)。

本发明可用于基于量子点的类原子体系中光电子性质研究，同时光谱测试的结果显示了其作为量子通信技术中单光子源的巨大潜质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。