[发明专利]一种量子点单光子源及其制备方法

说明书

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。

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；