[发明专利]一种采用应变工程原理和图形衬底结合技术定位生长低密度InAs量子点的MBE外延方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光材料外延生长技术，属于半导体材料外延生长技术领域。 

背景技术

量子点由于强的三维量子限制作用，具有独特的类原子特性，因此具有强的发射单光子能力。特别是自组织生长的半导体量子点，它具有结构和光学特性稳定性好、辐射复合效率高、能确实地产生单光子、易于与微腔集成、可以实现电注入以及易于封装乃至于实现商品化等特点，因此成为实现实用单光子发射器件最理想的候选材料之一。近十几年来，研究开发半导体量子点单光子发射源已经成为量子通讯研究领域中的国际前沿和热点。欧美等国都投入了大量的人力和物力进行基础和应用开发方面的研究。 

最早采用半导体量子点实现单光子发射源的研究工作主要集中在波长小于1微米的范围，这是因为在这一波段硅基探测技术及半导体量子点制备技术比较成熟。而在1.3和1.5微米波长范围，一方面由于缺少高效的近红外单光子探测器，另一方面由于生长制备这一波段的半导体量子点相对比较困难，因而使得对这一波段范围工作的半导体量子点单光子发射源的研究相对较少。直到最近由于单光子探测技术及量子点制备技术的逐渐成熟，这方面的研究才有相关报道并快速取得重大进展。对这一波段单光子发射现象的研究工作主要集中在埋层于InP或GaAs材料中的InAs量子点上。由于量子点自发发射产生的光指向各个方向，因此探测器件对它的收集效率较低。为了增强收集效率，在实际应用中通常需要把量子点放置在微腔结构里。然而在InP基材料系统中由于缺少高反射率分布布拉格反射镜(DBR)，很难获得微腔结构，导致采用InAs/InP量子点实现实用的单光子发射器件存在一定的困难。在GaAs基材料系统中，微腔结构制造技术相对成熟，因此在这一材料体系中首先实现通讯波段用的实用单光子发射源成为必然。2005年，来自英国剑桥大学欧洲东芝研究中心的研究团队在美国巴尔地摩举行的CLEO/QELS研讨会上首次宣布成功利用半导体InAs/GaAs量子点制造出波长落在1.3微米通讯波段的单光子发射源原型器件。与相干光脉冲衰减方法相比，这个量子点单光子源产生的多光子小了一个数量级。虽然需要在低温和光激发注入条件下工作，它的研制成功却代表了量子通讯用单光子发射源研究的重大进展。此后不久，瑞士洛桑联邦高等理工学院光电子学与量子电子学研究所的研究小组在2006年也成功地演示了氧化孔径限制电注入1.3微米InAs/GaAs量子点单光子发射器件，并且在2008年演示了基于光子晶体微腔的通讯波段InAs/GaAs量子点单光子源。同年，演示了即插即用(plug and play)型1.3微米InAs/GaAs量子点单光子光源。在同一时期，英国剑桥大学欧洲东芝研究中心的研究者们利用光激发1.3微米InAs/GaAs量子点单光子源产生的单光子实现了35公里的量子密钥光 纤传送。这些研究结果清楚地表明，半导体量子点可以为实用化量子通信系统的研究和应用提供理想的单光子发射器件。在国内，对量子点单光子源的研究工作刚开始起步，主要的研究单位是中国科学院半导体研究所，最近他们报道了可在液氮温度下工作的波长为0.966微米的量子点单光子发射器件。尽管器件的工作波长还没有达到通讯波段，他们的研究成果却代表了国内在量子点单光子发射源研究中的重大突破与进展。 

发明内容

本发明是一种采用应变工程原理和图形衬底结合技术定位生长低密度InAs量子点的MBE外延方法。是为进一步制备量子点单光子发射源在材料制备手段上提供的一种参考手段。 

单光子在理想情况下是由单个量子点发光实现的，因此能够有效隔离单个量子点就变得相当重要。当前，用来制作实现量子点单光子发射器件的InAs/GaAs量子点主要是通过自组织生长方法获得，它们在生长表面上随机分布并且点密度很高，每平方微米上就有几个到几百个量子点，因此有效地隔离单个量子点相当困难。另外，由于这些量子点在生长表面分布的随机性，可靠地控制其在光学微腔中的位置也变得相当不易。