半導(dǎo)體單量子點(diǎn)的分子束外延生長(zhǎng)及調(diào)控

宋長(zhǎng)坤,黃曉瑩,陳英鑫,喻 穎,余思遠(yuǎn)

(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510275)

0 引 言

在光量子信息技術(shù)中,例如光量子計(jì)算[1-3]、安全的量子通信[4-6]及精密量子測(cè)量[7],光與物質(zhì)相互作用的量子接口扮演著非常重要的角色。一方面,光子是良好的信息載體,單個(gè)光子具有偏振、頻率、路徑、軌道角動(dòng)量及時(shí)間等自由度可以用來(lái)編碼量子信息,且光子與環(huán)境的相互作用十分微弱,能夠長(zhǎng)時(shí)間保持相干性質(zhì),傳輸速度快,長(zhǎng)程傳輸損耗低;另一方面,由于光子間的弱相互作用,需要通過(guò)局域的固態(tài)系統(tǒng)與單個(gè)光子建立糾纏,并將兩個(gè)不同固態(tài)系統(tǒng)的飛行光子進(jìn)行干涉,以實(shí)現(xiàn)光子和固態(tài)系統(tǒng)之間的糾纏交換。

被稱為“人造原子”的半導(dǎo)體自組織量子點(diǎn),集優(yōu)良的光子-電子自旋特性于一身,被認(rèn)為是制備高品質(zhì)量子光源(光發(fā)射),以及構(gòu)建可擴(kuò)展性量子網(wǎng)絡(luò)(光路由、光傳輸)最有潛力的固態(tài)量子體系之一[8-11]。首先,它可產(chǎn)生確定性的量子光源,單個(gè)量子點(diǎn)具有類原子的分立能級(jí)結(jié)構(gòu),發(fā)光性質(zhì)穩(wěn)定[12-13]。很多量子光學(xué)及量子信息的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)都在量子點(diǎn)體系中被驗(yàn)證,包括首次測(cè)到反聚束現(xiàn)象[14]、激子的Rabi振蕩[15]、Hong-Ou-Mandel雙光子干涉[16]、共振熒光[17-18]等。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單光子的確定性發(fā)射[19],產(chǎn)生線寬接近輻射極限的全同光子,用以制備飛行光子比特[10]。此外,它能夠通過(guò)雙激子級(jí)聯(lián)發(fā)射過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)格的或者時(shí)間重定序的糾纏光子對(duì)[20-24]。其次,它可作為固態(tài)自旋比特載體。能夠通過(guò)電學(xué)注入囚禁量子點(diǎn)中的單個(gè)電子或空穴[25-26],具有較長(zhǎng)的相干時(shí)間[27-28],可實(shí)現(xiàn)高精度自旋態(tài)的制備[29-31],也可進(jìn)一步將飛行光子比特和固態(tài)自旋聯(lián)系起來(lái),通過(guò)光學(xué)躍遷直接產(chǎn)生確定性的自旋-光子糾纏態(tài)[32]、光子簇態(tài)[33]。然而,如何進(jìn)一步在半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中,實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的多量子比特的高效制備及相干操縱,并與其他的量子體系兼容,仍存在巨大的挑戰(zhàn)。本文將從分子束外延生長(zhǎng)的角度出發(fā),探討進(jìn)一步提升單量子點(diǎn)材料品質(zhì)的生長(zhǎng)及精確調(diào)控方法。

S-K(Stranski-Krastanow, S-K)模式生長(zhǎng)的In(Ga)As/GaAs量子點(diǎn)作為量子光源表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,具有極高的量子效率和接近變換極限的發(fā)射線寬[9,34-36]。然而,可靠的晶圓級(jí)生長(zhǎng)技術(shù)一直是難點(diǎn)[37-39]。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,在下文第1節(jié)中,介紹了S-K模式生長(zhǎng)機(jī)理和一種低密度調(diào)控方法,這種方法在3英寸(1英寸=2.54 cm)晶片上實(shí)現(xiàn)了均勻低密度InAs/GaAs量子點(diǎn)生長(zhǎng)[40]。

量子點(diǎn)的均勻性和對(duì)稱性對(duì)于量子信息處理的性能至關(guān)重要。量子隱形傳態(tài)、量子中繼、量子計(jì)算均依賴于高保真度的多光子糾纏[16,41-42],而高質(zhì)量糾纏光子源的制備必須克服由量子點(diǎn)形貌不對(duì)稱/應(yīng)力分布引起的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂(fine structure splitting, FSS)[42-43]。但是隨機(jī)生長(zhǎng)的自組裝量子點(diǎn)在形成過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)大小、組分及形狀等差異[43-45]。目前已經(jīng)提出了多種方法來(lái)改進(jìn)量子點(diǎn)的均勻性和開(kāi)發(fā)高度對(duì)稱的量子點(diǎn),比如采取快速熱退火技術(shù)[46]、In-flush技術(shù)[47]、在InAs量子點(diǎn)覆蓋薄AlAs抑制In偏析[48]、無(wú)應(yīng)變局部液滴外延GaAs量子點(diǎn)[49]、在具有C3v對(duì)稱性的(111)A晶體液滴生長(zhǎng)InAs/GaAs或InAs/InP量子點(diǎn)[50-51],以及量子點(diǎn)的應(yīng)變控制[52]等方法。在下文第2節(jié)中,首先介紹了常見(jiàn)的用以改善量子點(diǎn)的均勻性的In-flush技術(shù),之后報(bào)道了一種利用AlGaAs薄層覆蓋量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法,這種方法不但改善了量子點(diǎn)的對(duì)稱性,還減小了FSS,并且能夠抑制浸潤(rùn)層的發(fā)光[53]。

遠(yuǎn)距離糾纏在各種量子技術(shù)中起著越來(lái)越重要的作用,如量子密鑰分發(fā)[54]和量子互聯(lián)網(wǎng)[55]等領(lǐng)域。它不僅有助于解決量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題,如貝爾不等式,還促進(jìn)了更大規(guī)模的量子通信和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。然而,在光纖傳輸中光子損失是一個(gè)困擾的問(wèn)題。由于光信號(hào)在光纖中的衰減,可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子損失每公里超過(guò)3 dB,這對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸來(lái)說(shuō)并不理想。在1 310和1 550 nm處有最小衰減的兩個(gè)通信窗口,分別稱為O波段(0.3 dB/km)和C波段(0.15 dB/km),適用于基于光纖的長(zhǎng)距離通信,由于這兩個(gè)窗口具有較低的太陽(yáng)輻射和瑞利散射,它們也適用于自由空間通信[56]。因此,目前許多研究致力于在通信波長(zhǎng)下產(chǎn)生單光子源。另一個(gè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離糾纏分發(fā)的方案是使用量子中繼器[20],將距離劃分為較短的環(huán)節(jié),在各個(gè)環(huán)節(jié)上建立獨(dú)立的量子存儲(chǔ)器糾纏,并通過(guò)糾纏交換連接環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)整體糾纏[57]。半導(dǎo)體量子點(diǎn)可以作為可靠的確定性單光子和糾纏光子對(duì)的光源,當(dāng)光子的波長(zhǎng)與自然原子系綜的吸收峰相匹配時(shí),可以將光量子比特存儲(chǔ)在其中。實(shí)驗(yàn)中常用的自然原子系綜包括Nd3+∶YVO4晶體(吸收線為879.7 nm)和Yb∶Y2SiO5晶體(吸收線為978.9 nm)[58-59]。然而,InAs/GaAs量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)范圍約在900 nm附近,與自然原子系綜的吸收峰和通信波段不匹配。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在下文第3節(jié)中介紹了一種調(diào)控量子點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)的生長(zhǎng)方法,即在InAs量子點(diǎn)頂部覆蓋高勢(shì)壘層或應(yīng)變緩沖層。通過(guò)這種方法成功制備了發(fā)射波長(zhǎng)在880和980 nm的高質(zhì)量糾纏光源[53],實(shí)現(xiàn)了在通信波長(zhǎng)下的單光子源的發(fā)射(1 320 nm)[60]。

電場(chǎng)調(diào)控在半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為量子光源的發(fā)展中起到了極其重要的推動(dòng)作用[61-63]。該技術(shù)的關(guān)鍵在于將量子點(diǎn)置于二極管結(jié)構(gòu)中,通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)調(diào)控量子點(diǎn)的性質(zhì)[64],例如調(diào)控光子發(fā)射波長(zhǎng)[65-66]、可控地調(diào)節(jié)量子點(diǎn)電荷的能力[67]及電致發(fā)光[68]的產(chǎn)生等。這種電場(chǎng)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效、可調(diào)控、高穩(wěn)定性的半導(dǎo)體量子光源具有重要意義,同時(shí)也為研究量子點(diǎn)的基本物理性質(zhì)提供了新的手段[69-71]。在第4節(jié)中,本文歸納了幾類目前最為常見(jiàn)的電調(diào)控單個(gè)量子點(diǎn)的器件設(shè)計(jì)原理。

近年來(lái),液滴刻蝕外延作為一種較為新穎的量子點(diǎn)生長(zhǎng)方法越來(lái)越受到關(guān)注[72-73]。液滴外延與應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的S-K模式外延不同,它不受固有晶格失配大小的限制。對(duì)于偏振糾纏光子源,通過(guò)局部液滴刻蝕 (local droplet etching, LDE)制造的GaAs/AlGaAs量子點(diǎn)具有出色的光學(xué)特性,如接近于零的FSS和短激子輻射壽命[74-75]。在下文第5節(jié)中,首先介紹了LDE外延機(jī)理,之后展示了納米孔結(jié)構(gòu)的形態(tài)演變及制備FSS極小的GaAs量子點(diǎn)的方法[76]。在第5節(jié)最后一部分,介紹了一種液滴蝕刻制備InAs單量子點(diǎn)的方法[77]。

1 低密度InAs/GaAs量子點(diǎn)外延生長(zhǎng)

半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備主要采用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積技術(shù)[78]。MBE生長(zhǎng)可以利用反射高能電子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)設(shè)備原位監(jiān)控量子點(diǎn)的形成過(guò)程[79],成為制備半導(dǎo)體量子點(diǎn)的主導(dǎo)技術(shù)。外延生長(zhǎng)低密度量子點(diǎn)需要對(duì)生長(zhǎng)條件進(jìn)行高度精確的控制,生長(zhǎng)參數(shù)(如生長(zhǎng)溫度[80]、沉積量[81]或束流[82])細(xì)微的偏差都會(huì)影響量子點(diǎn)的質(zhì)量和均勻性。這使得控制量子點(diǎn)的密度和尺寸變得具有挑戰(zhàn)性,尤其是在晶圓級(jí)別的生長(zhǎng)制備上。

1.1 S-K生長(zhǎng)模式

S-K模式是生長(zhǎng)量子點(diǎn)最常用的技術(shù)[83-85]。在S-K生長(zhǎng)模式下,量子點(diǎn)的形成是襯底和外延生長(zhǎng)層之間的晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力積累導(dǎo)致的。圖1顯示了S-K量子點(diǎn)形成過(guò)程,最初,量子點(diǎn)材料以逐層的二維模式生長(zhǎng)在緩沖層上形成浸潤(rùn)層;晶格失配導(dǎo)致的應(yīng)力隨著浸潤(rùn)層厚度的增加逐漸積累,浸潤(rùn)層生長(zhǎng)到一定的厚度后(通常小于兩個(gè)原子單層),二維生長(zhǎng)不能補(bǔ)償積累的應(yīng)力能,浸潤(rùn)層生長(zhǎng)結(jié)束;之后開(kāi)始通過(guò)三維島狀生長(zhǎng)的方式釋放應(yīng)力,形成量子點(diǎn)。該方法需要緩沖層和量子點(diǎn)材料具備合適的晶格失配,在GaAs上生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn),由于存在較大的晶格失配(～7%),成為了研究S-K模式的范本[12-13]。

圖1 S-K量子點(diǎn)形成過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic process showing the formation of S-K quantum dots

1.2 低密度InAs/GaAs量子點(diǎn)生長(zhǎng)

目前最常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)低密度量子點(diǎn)的方法是梯度生長(zhǎng)法,即在生長(zhǎng)量子點(diǎn)時(shí)樣品停止旋轉(zhuǎn),由于束流在樣品不同的位置通量不同,在襯底上形成密度梯度分布的量子點(diǎn)[86]。然而,這種方法分布將導(dǎo)致襯底上只有一小部分區(qū)域的密度是合適的(<1 mm),其他區(qū)域密度太高或者幾乎沒(méi)有量子點(diǎn),造成樣品利用效率低。這里介紹一種精確的均勻低密度量子點(diǎn)的生長(zhǎng)方法,即通過(guò)監(jiān)測(cè)襯底的溫度分布,精確控制InAs沉積量和生長(zhǎng)溫度[40]。

這個(gè)方法的關(guān)鍵是精確的控制InAs從二維浸潤(rùn)層到三維量子點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變。通常使用RHEED進(jìn)行原位監(jiān)測(cè),當(dāng)RHEED圖像從條紋變成點(diǎn)陣的再構(gòu)圖形時(shí),認(rèn)為InAs外延層從二維生長(zhǎng)變成三維生長(zhǎng)[79],此時(shí)的InAs淀積量θc稱為臨界生長(zhǎng)厚度。樣品的生長(zhǎng)次序是:先在半絕緣的GaAs襯底上同質(zhì)外延GaAs緩沖層,接著生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn),隨后生長(zhǎng)GaAs覆蓋層。圖2(a)顯示了不同InAs淀積量的光致發(fā)光(photoluminescence, PL)譜線,表明量子點(diǎn)的沉積量在一個(gè)合適的范圍能夠觀察到單量子點(diǎn)譜線。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,83%θc的沉積量,量子點(diǎn)密度合適,波長(zhǎng)中心在900 nm左右。低于這個(gè)沉積量,量子點(diǎn)太小不發(fā)光[82];高于這個(gè)沉積量,量子點(diǎn)的密度過(guò)高,難以在熒光中分辨出單個(gè)點(diǎn)的發(fā)光。

圖2 3英寸襯底外延低密度InAs/GaAs量子點(diǎn)[40]。(a)不同InAs量子點(diǎn)的沉積量的PL光譜;(b)晶圓上的溫度分布;(c)量子點(diǎn)在晶圓上的密度分布;(d)襯底不同區(qū)域的量子點(diǎn)熒光成像和對(duì)應(yīng)的PL光譜Fig.2 Epitaxial low-density InAs/GaAs quantum dots on a three-inch wafer[40]. (a) PL spectra of different deposited amounts of InAs quantum dots; (b) temperature distribution on the wafer; (c) density distribution of quantum dots on the wafer; (d) fluorescence imaging of quantum dots in different regions of the substrate and the corresponding PL spectra

除此之外,襯底溫度也是生長(zhǎng)低密度InAs量子點(diǎn)的重要參數(shù),因?yàn)樗绊懥薎n原子的吸附、解吸、遷移過(guò)程。為了獲得晶圓級(jí)的樣品,需要了解襯底的溫度分布。通過(guò)對(duì)比襯底中心在不同溫度(低溫生長(zhǎng)區(qū),此時(shí)InAs的解吸附可以忽略)下生長(zhǎng)的量子點(diǎn)密度,發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)密度幾乎線性地隨生長(zhǎng)溫度的增加而減小,因此,可以由量子點(diǎn)密度和溫度的關(guān)系推斷出整個(gè)3英寸襯底的溫度分布(見(jiàn)圖2(b))。最終通過(guò)精確控制InAs沉積量和生長(zhǎng)溫度,成功地在3英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了用于單光子發(fā)射器的晶圓級(jí)低密度InAs/GaAs 量子點(diǎn),如圖2(c)、(d)所示,在2 cm的半徑范圍內(nèi)InAs/GaAs量子點(diǎn)密度低至0.96 μm-2,在這個(gè)范圍內(nèi)熒光成像可以分辨出單個(gè)量子點(diǎn)并觀察到單量子點(diǎn)的PL譜線。

2 高均勻性和對(duì)稱性的InAs/GaAs 量子點(diǎn)外延生長(zhǎng)

2.1 In-flush技術(shù)提高量子點(diǎn)的均勻性

在提高量子點(diǎn)均勻性的方法中,In-flush技術(shù)是較為常見(jiàn)的一種[47,87]。過(guò)程如圖3(a)所示,在GaAs上生長(zhǎng)完InAs量子點(diǎn)后,在量子點(diǎn)上低溫沉積特定厚度的GaAs蓋層,用以部分覆蓋InAs量子點(diǎn),然后迅速提高襯底溫度,使蓋層上多余的量子點(diǎn)材料蒸發(fā),從而產(chǎn)生具有GaAs蓋層控制高度的量子點(diǎn),實(shí)現(xiàn)InAs量子點(diǎn)的精確高度控制[88-89]。In-flush過(guò)程中GaAs覆蓋層厚度會(huì)影響量子點(diǎn)的均勻性和發(fā)光波長(zhǎng)。圖3(b)總結(jié)了不同GaAs覆蓋層厚度各約120個(gè)量子點(diǎn)的PL測(cè)量結(jié)果,發(fā)現(xiàn)GaAs覆蓋層厚度為4.5 nm時(shí)展寬最小,發(fā)射波長(zhǎng)均勻性最好。覆蓋層太薄將使量子點(diǎn)在In-flush過(guò)程中減小太多而不發(fā)光,太厚則In-flush過(guò)程不起作用。更薄的GaAs蓋層會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)藍(lán)移,原因是在In-flush過(guò)程中減少了量子點(diǎn)的尺寸,增大了單個(gè)量子點(diǎn)的帶隙[90]。

2.2 AlGaAs蓋層改善InAs/GaAs量子點(diǎn)的對(duì)稱性

量子點(diǎn)的對(duì)稱性與FSS,以及其作為糾纏光子對(duì)源的性能之間存在密切關(guān)系。FSS是指量子點(diǎn)的電子和空穴交換相互作用引起的激發(fā)態(tài)能級(jí)劈裂現(xiàn)象,量子點(diǎn)的激發(fā)態(tài)退簡(jiǎn)并為兩個(gè)線偏振的本征態(tài)。在理想情況下,量子點(diǎn)具有高度對(duì)稱性,例如三角形量子點(diǎn)的C3v對(duì)稱性或者柱形量子點(diǎn)的D2d對(duì)稱性,此時(shí)激子的兩個(gè)態(tài)具有不可約的表示,所以它們的能級(jí)是簡(jiǎn)并的[44]。然而,在實(shí)際情況中,量子點(diǎn)的對(duì)稱性常常會(huì)被破壞,例如由于形貌的不對(duì)稱性或應(yīng)力分布的不均勻性等因素[42]。這種對(duì)稱性的破缺會(huì)導(dǎo)致激發(fā)態(tài)能級(jí)的FSS增大。當(dāng)FSS超過(guò)光子的本征輻射線寬時(shí),糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生被限制。這種情況下,為了有效地產(chǎn)生糾纏光子對(duì),可以采取一些策略:比如通過(guò)引入外部電場(chǎng)[65],可以調(diào)整量子點(diǎn)的勢(shì)能,改變電子和空穴的波函數(shù)疊加情況,從而減小FSS;或者通過(guò)調(diào)控量子點(diǎn)所處的應(yīng)力分布[20],可以影響電子和空穴的受限狀態(tài),從而減小FSS。另一方面,在S-K生長(zhǎng)模式中,耦合到量子點(diǎn)的二維浸潤(rùn)層的存在幾乎是不可避免的。浸潤(rùn)層和量子點(diǎn)的電荷載流子通常會(huì)存在庫(kù)侖相互作用,從而導(dǎo)致量子態(tài)的雜化,使得量子點(diǎn)不是理想的單光子源[91-92]。

圖4 不同組分的AlGaAs蓋層對(duì)InAs/GaAs量子點(diǎn)對(duì)稱性的影響[53]。(a)樣品A～F的形態(tài)學(xué)特性;(b)樣品A～F的光學(xué)特性;(c)樣本B～F中的平均FSS值;(d)沒(méi)有In-flush步驟下量子點(diǎn)的PL光譜和FSS值;(e)能帶結(jié)構(gòu)和電子/空穴波函數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果Fig.4 Influence of different AlGaAs capping layers on the symmetry of InAs/GaAs quantum dots[53]. (a) Morphological characteristics of samples A～F; (b) optical properties observed in samples A～F; (c) average FSS values across samples B～F; (d) PL spectra and corresponding FSS values for quantum dots grown without the In-flush step; (e) band structure and simulated electron/hole wavefunction calculations

3 InAs/GaAs量子點(diǎn)波段可調(diào)外延生長(zhǎng)

半導(dǎo)體量子點(diǎn)在量子存儲(chǔ)和通信中發(fā)揮重要作用,但需要匹配特定波段才能實(shí)現(xiàn)有效儲(chǔ)存和傳輸光量子比特[56]。目前還缺乏關(guān)于制備產(chǎn)生的波長(zhǎng)在980 nm附近的量子點(diǎn)糾纏光源的報(bào)道。這個(gè)波段與稀土離子摻雜的吸收性量子存儲(chǔ)器的吸收線相匹配[59,94]。

這里介紹一種簡(jiǎn)單的波段調(diào)控方法,通過(guò)在量子點(diǎn)上方引入應(yīng)變層來(lái)改變量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)[40,53,60]。對(duì)于通過(guò)S-K模式生長(zhǎng)的InAs/GaAs量子點(diǎn),常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,InAs量子點(diǎn)夾在兩個(gè)高勢(shì)壘的GaAs阻擋層之間?？梢酝ㄟ^(guò)控制量子點(diǎn)的沉積量或者襯底溫度等生長(zhǎng)條件改變量子點(diǎn)的大小[80-81],從而發(fā)射不同波長(zhǎng)。然而由于固有晶格失配的限制,僅改變生長(zhǎng)條件調(diào)控波長(zhǎng)的范圍有限。單個(gè)InAs/GaAs量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)通常在900 nm左右(見(jiàn)圖5(a))[40]。為了與量子儲(chǔ)存的Yb∶Y2SiO5晶體的吸收線(978.854 nm)相匹配及制備更長(zhǎng)波段的通信波段量子光源,需要將發(fā)射波長(zhǎng)紅移。通過(guò)在InAs量子點(diǎn)頂部覆蓋一個(gè)InGaAs應(yīng)變緩沖層,實(shí)現(xiàn)了980和1 320 nm波長(zhǎng)的發(fā)射,生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如圖5(b)、(c)所示。具體方法是沉積量子點(diǎn)后,用InxGa1-xAs(x一般小于0.25)層覆蓋量子點(diǎn)。InGaAs的晶格常數(shù)比GaAs大,從而降低了量子點(diǎn)上的應(yīng)變[95-96]。例如,4.5 nm的In0.17Ga0.83As可以將波長(zhǎng)紅移至980 nm,8 nm In0.17Ga0.83As可以將波長(zhǎng)紅移至通信波長(zhǎng)1 320 nm。同理,在量子點(diǎn)上方覆蓋更高勢(shì)壘的應(yīng)變層可以將量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)藍(lán)移。如圖5(d)所示,在量子點(diǎn)上方沉積0.5 nm的Al0.2Ga0.8As將波長(zhǎng)藍(lán)移至880 nm左右,與Nd3+∶YVO4晶體的吸收線相匹配。

圖5 不同波段量子點(diǎn)生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的單量子點(diǎn)PL光譜[40,53,60]Fig.5 Structure of quantum dot growth at different wavelengths and corresponding single quantum dot PL spectra[40,53,60]

4 電調(diào)可控的量子點(diǎn)單光子源

電調(diào)控的半導(dǎo)體量子點(diǎn)器件能夠?qū)崿F(xiàn)載流子注入、電荷受控填充或發(fā)射波長(zhǎng)調(diào)諧。圖6顯示了4種最常用的p-i-n器件設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)能帶結(jié)構(gòu),以及外部偏壓函數(shù)的發(fā)射光譜[64]。分別是電致發(fā)光二極管[97]、波長(zhǎng)調(diào)控二極管[98]、電子調(diào)控二極管[99]和空穴調(diào)控二極管[34]。其中,對(duì)于GaAs Ⅲ-Ⅴ族材料體系而言,pn摻雜層是在外延生長(zhǎng)過(guò)程中引入鈹或碳作為受體,或硅作為施主雜質(zhì)創(chuàng)建的,通過(guò)在摻雜層制備歐姆接觸,外加偏壓沿生長(zhǎng)方向改變量子點(diǎn)中的電場(chǎng)。

圖6 電調(diào)可控的二極管中單量子點(diǎn)的器件設(shè)計(jì)和對(duì)應(yīng)能帶結(jié)構(gòu),以及外部偏壓函數(shù)的發(fā)射光譜[64]Fig.6 Device design, corresponding energy band structure and emission spectra of external bias function for single quantum dots in electrotonically controllable diodes[64]

傳統(tǒng)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示,由n-i-p GaAs和InAs量子點(diǎn)組成,InAs量子點(diǎn)插入GaAs本征區(qū)[97]。它能夠?qū)⒘孔狱c(diǎn)的單光子發(fā)射特性與二極管結(jié)構(gòu)的電流驅(qū)動(dòng)能力相結(jié)合[34]。施加正向偏壓時(shí),電流將通過(guò)器件,當(dāng)電流增加時(shí),載流子可能被量子點(diǎn)捕獲并輻射復(fù)合,這通常被稱為電致發(fā)光。改變量子點(diǎn)兩側(cè)本征區(qū)的厚度可以平衡電子和空穴的注入,使n和p摻雜區(qū)域中的載流子與單個(gè)量子點(diǎn)中的能級(jí)共振,允許將電子空穴共振隧穿注入到特定量子點(diǎn)中,從而有可能實(shí)現(xiàn)類共振電驅(qū)動(dòng)的單光子發(fā)射[68]。這種基于量子點(diǎn)的電驅(qū)動(dòng)單光子源有助于簡(jiǎn)化龐大的激光激發(fā)系統(tǒng),并使量子點(diǎn)在片上量子器件中的應(yīng)用更有價(jià)值[61]。

量子點(diǎn)在外部電場(chǎng)的作用下,還會(huì)出現(xiàn)量子受限斯塔克效應(yīng),即半導(dǎo)體能帶傾斜,電子-空穴對(duì)空間分離,導(dǎo)致基態(tài)能級(jí)改變,從而改變發(fā)光波長(zhǎng)[65,98]。為了構(gòu)建可擴(kuò)展的固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò),需要將不同量子點(diǎn)的共振波長(zhǎng)調(diào)諧到目標(biāo)波長(zhǎng),以創(chuàng)建高度難以區(qū)分的光子[41,100]。在電致發(fā)光二極管中,In(Ga)As量子點(diǎn)和周?chē)腉aAs材料之間的低勢(shì)壘限制了施加電場(chǎng)的大小,最大只能施加約20 kV/cm。更強(qiáng)的電場(chǎng)將會(huì)使載流子隧穿出量子點(diǎn),引起發(fā)光效率下降[34]。因此,通常的斯塔克位移能量?jī)H約為1 meV。一個(gè)襯底上生長(zhǎng)的量子點(diǎn)產(chǎn)生的波長(zhǎng)分布約為10 meV[101],量子點(diǎn)單個(gè)譜線的線寬范圍為1～5 eV,所以找到明顯重疊的量子點(diǎn)的機(jī)會(huì)很小。將量子點(diǎn)嵌入GaAs/AlGaAs量子阱中心可以大幅增加波長(zhǎng)調(diào)控范圍,如圖6(b)所示。這種結(jié)構(gòu)不僅保留了InGaAs/GaAs量子點(diǎn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),而且即使在存在較大的垂直電場(chǎng)情況下也能夠限制載流子,從而導(dǎo)致高達(dá)25 meV的能量偏移[98]。同時(shí),量子點(diǎn)的電子和空穴在電場(chǎng)下的概率密度分布改變不同,調(diào)控電場(chǎng)還可以減小激子的FSS,產(chǎn)生不可分辨的糾纏光子對(duì)[102]。

另一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)是電荷調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),通過(guò)確定性方式將有限數(shù)量的電子或空穴注入量子點(diǎn)中。如圖6(c)、(d)所示,在這兩種情況下,InAs量子點(diǎn)和AlGaAs阻擋層之間都有幾納米厚的GaAs層以保持光學(xué)質(zhì)量[103-104]。對(duì)于電子(空穴)調(diào)控器件,在量子點(diǎn)和p(n)接觸之間有高Al含量的阻擋層,防止空穴(電子)隧穿進(jìn)入量子點(diǎn)。通過(guò)施加偏壓改變n(p)層的費(fèi)米能級(jí),當(dāng)n(p)層的費(fèi)米能級(jí)與量子點(diǎn)的電子能級(jí)對(duì)準(zhǔn)時(shí),允許電子(空穴)通過(guò)約30 nm厚的GaAs勢(shì)壘隧穿進(jìn)入量子點(diǎn)[99]。例如施加偏壓會(huì)導(dǎo)致單個(gè)電子隧穿進(jìn)入量子點(diǎn),在PL光譜中出現(xiàn)X-躍遷[105]。在外部偏壓進(jìn)一步增加之前,更多的電子隧穿進(jìn)入量子點(diǎn)在能量上是被禁止的,這是由于被困在零維限制勢(shì)中的電子具有庫(kù)侖排斥能。類似的論據(jù)也可以用于圖6(d)中的空穴調(diào)控器件[34,103]。這種電荷調(diào)節(jié)器件提供了對(duì)量子點(diǎn)電荷狀態(tài)的控制,能夠?qū)㈦姾稍肼暯抵梁艿?產(chǎn)生將近自然光學(xué)線寬的單光子[34]。作為外部偏壓函數(shù)的發(fā)射光譜也揭示了有關(guān)量子點(diǎn)內(nèi)部能級(jí)的大量信息[69-70],并允許研究量子點(diǎn)能級(jí)與費(fèi)米海之間的耦合[71]。

5 局部液滴蝕刻外延制備量子點(diǎn)

5.1 Al液滴蝕刻制備GaAs量子點(diǎn)

在過(guò)去的幾年中,通過(guò)LDE方法生長(zhǎng)無(wú)應(yīng)變的量子點(diǎn)在糾纏光源方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[49]。具體生長(zhǎng)過(guò)程如圖7(a)所示,首先在(Al)GaAs襯底上高溫沉積Al液滴或者In液滴(缺As環(huán)境下)。以AlGaAs表面沉積Al液滴為例[49,75,106]:AlGaAs在液-固體界面分解為Al/Ga和As,沉積的Al與從AlGaAs分解的金屬原子形成Al/Ga液滴,由于濃度梯度驅(qū)動(dòng)的作用,As原子向液滴擴(kuò)散并溶入液滴;當(dāng)As濃度超過(guò)在液滴中的溶解度時(shí),As原子在液滴邊緣重新與Al/Ga原子形成AlGaAs結(jié)晶,還有一部分的Al/Ga原子會(huì)擴(kuò)散出液滴;在重新提供As源之后,結(jié)晶加速,延長(zhǎng)退火/蝕刻時(shí)間,可以將Al/Ga金屬都重新結(jié)晶,完全去除納米孔底部的所有殘留金屬,最終形成納米孔和在其周?chē)沫h(huán)形小丘的結(jié)構(gòu);之后往納米孔中填入GaAs并重新生長(zhǎng)AlGaAs蓋層,便完成了液滴量子點(diǎn)的生長(zhǎng)。這一外延技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[74-75]在于:1)液滴外延與應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的S-K模式不同,可兼容同質(zhì)材料體系;2)由于非應(yīng)力驅(qū)動(dòng),不受固有晶格失配大小的限制,量子點(diǎn)的大小、形狀和密度的調(diào)控范圍大,即對(duì)應(yīng)著更豐富的單光子發(fā)射調(diào)控,包括FSS、波長(zhǎng)等;3)由于高溫生長(zhǎng),晶格的缺陷小,量子點(diǎn)的發(fā)光性能好。

5.2 In液滴蝕刻制備InAs量子點(diǎn)

本節(jié)介紹一種In液滴蝕刻納米孔獲得的InAs量子點(diǎn)的方法[77]。為了得到用于填充的納米孔洞,需要精確控制刻蝕過(guò)程中砷通量的中斷時(shí)間及刻蝕溫度,為了實(shí)現(xiàn)納米孔內(nèi)的單量子點(diǎn),需要精確控制InAs的沉積量。

In液滴在高溫下刻蝕底層GaAs形成納米孔,首先探討不同的As中斷時(shí)間對(duì)刻蝕過(guò)程的影響。In液滴沉積后立即暴露于As原子時(shí),In液滴直接轉(zhuǎn)化為In(Ga)As晶體。中斷時(shí)間增加(2 min),大多數(shù)液滴擴(kuò)散并遷移到一起,形成一個(gè)更大的液滴。當(dāng)進(jìn)一步增加中斷時(shí)間(6 min),較大的液滴與底層的砷化鎵能夠充分反應(yīng),形成納米孔。溫度也是影響刻蝕的關(guān)鍵因素,較高生長(zhǎng)溫度下表面的In吸附的原子具有更長(zhǎng)的擴(kuò)散長(zhǎng)度,導(dǎo)致更大和更低密度的液滴。在較高生長(zhǎng)溫度(600 ℃)下,較大的液滴能夠刻蝕形成的納米孔。逐漸降低沉積溫度(550 ℃),納米孔與小液滴同時(shí)形成。沉積溫度太低(520 ℃)時(shí),In液滴太小被限制與底層GaAs反應(yīng),導(dǎo)致無(wú)法形成納米孔。

InAs的沉積量與密度相關(guān),沉積量過(guò)高會(huì)在一個(gè)納米孔內(nèi)有多個(gè)量子點(diǎn)共存。InAs的沉積量在0.4MLs時(shí),能夠在一個(gè)納米孔內(nèi)沉積一個(gè)量子點(diǎn),如圖8(a)的AFM照片所示,對(duì)應(yīng)的PL光譜的單根譜線也證明了單個(gè)量子點(diǎn)的存在。在32個(gè)量子點(diǎn)的PL測(cè)試中,量子點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)在885～865 nm,系綜展寬僅為12 meV(見(jiàn)圖8(b))。對(duì)于最對(duì)稱的量子點(diǎn),測(cè)量的激子FSS只有(4.4±0.8) μeV,g(2)(t=0)值為0.143±0.034(見(jiàn)圖8(c))。

圖8 In液滴蝕刻制備InAs量子點(diǎn)[77]。(a)單量子點(diǎn)形貌圖和PL光譜;(b)15個(gè)量子點(diǎn)代表性的PL光譜和32個(gè)量子點(diǎn)的能量分布;(c)最對(duì)稱量子點(diǎn)的FSS值和g(2)值Fig.8 InAs quantum dot fabrication by In droplet etching[77]. (a) Single quantum dot morphology map and PL spectra; (b) PL spectra of 15 quantum dots and energy distribution of 32 quantum dots; (c) FSS value of the most symmetric quantum dots and the corresponding g(2) value

6 結(jié)語(yǔ)與展望

過(guò)去三十年,通過(guò)先進(jìn)的分子束外延技術(shù),包括S-K模式生長(zhǎng)和液滴外延,研究人員見(jiàn)證了量子點(diǎn)從概念到應(yīng)用的快速發(fā)展。在量子信息領(lǐng)域,半導(dǎo)體量子點(diǎn)已被認(rèn)為是單光子源和糾纏光子源的優(yōu)秀候選者之一。在外延生長(zhǎng)方面,未來(lái)需重點(diǎn)解決:1)精確控制量子點(diǎn)的位置。由于自組織量子點(diǎn)在生長(zhǎng)過(guò)程中是自發(fā)形成的,其位置隨機(jī)分布,為了進(jìn)行大規(guī)模的集成加工,如何在保證良好的量子點(diǎn)單光子光學(xué)性質(zhì)前提下,實(shí)現(xiàn)大面積、確定性的量子點(diǎn)定位生長(zhǎng),是目前量子點(diǎn)生長(zhǎng)技術(shù)亟待解決的問(wèn)題。2)通過(guò)p-i-n結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電荷環(huán)境和波長(zhǎng)的精確調(diào)控。為了抑制電荷噪聲,可以通過(guò)將量子點(diǎn)嵌入到p-i-n二極管,引入庫(kù)侖阻塞來(lái)鎖定電荷狀態(tài),從而抑制電荷波動(dòng)?；蛘咭胨顾诵?yīng)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)。然而,這兩種調(diào)控分別對(duì)應(yīng)不同的器件結(jié)構(gòu)。開(kāi)發(fā)出能在同一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)電荷鎖定和波長(zhǎng)調(diào)節(jié)的方式也是非常有必要的。3)量子點(diǎn)的多維調(diào)控。為了制備多量子比特和構(gòu)建可擴(kuò)展性量子網(wǎng)絡(luò),單光子源不可避免地要求能夠同時(shí)調(diào)控量子點(diǎn)的位置、密度,以及波長(zhǎng)、帶電狀態(tài)和精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂等?，F(xiàn)在的調(diào)控手段往往只能僅針對(duì)其中的一兩個(gè)方面,如何從多個(gè)維度調(diào)控量子點(diǎn),也是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。