一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件及其制備方法和應用技術

本發明專利技術公開了一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件及其制備方法和應用。所述確定性量子光源器件由下至上依次為反射層金、SiO2層和微透鏡陣列；其中量子點在微透鏡中。所述確定性量子光源器件中微透鏡的底端圓截面直徑為200nm～3μm，并以金作為反射鏡，結合微透鏡大大提高熒光提取效率與帶寬，當NA=1時，熒光提取效率高達90%，帶寬可達100nm；在電泵浦高速發射量子點單光子源以及與壓電陶瓷鍵合產生高效率級聯發射糾纏光子對等方面具有極大的潛在應用價值；在制備方法中，利用加熱電子膠的方法實現金反射層上微透鏡掩膜的制作，同時通過對熒光成像定位和高精度電子束曝光套刻實現單個量子點與GaAs微透鏡的確定性耦合，方法靈活、簡單，可大面積制備。

A deterministic quantum light source device based on gold reflector combined with microlens and its preparation method and Application

【技術實現步驟摘要】
一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件及其制備方法和應用
本專利技術涉及半導體技術、量子計算和量子信息處理器件制作工藝
，更具體地，涉及一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件及其制備方法和應用。
技術介紹
光子，作為良好的信息載體，不僅被應用在經典光通信中，在量子信息領域里也發揮其獨特的作用。單光子作為量子化的電磁場的基本單元，具有極化、動量、軌道角動量以及時間等自由度可以用來編碼量子信息（量子比特）。同時，它與環境的相互作用十分微弱，能夠長時間保持相干性質，保證其所攜帶的量子信息不丟失，非常適合進行遠距離的信息傳輸。此外，雖然光子之間的相互作用很微弱，但是通過后選擇測量的方法，可以實現基于光子的受控量子門操作，也可以把不同的光子糾纏起來，為線性光學量子計算提供重要的多光子糾纏資源。這些應用需要用到單光子源和糾纏光子源，它們是完全不同于任何經典光源的新型量子光源，對量子通信、量子計算和量子網絡的實用化具有非常重要的意義。被稱為“人造原子”的半導體量子點是一種納米結構材料，具有優秀的光學性質：壽命短、線寬接近輻射極限、發光性質穩定，通過改變量子點的生長材料和調控生長條件，可以獲得不同波長的量子點熒光（700~1550nm）。單個量子點能夠囚禁住電子和空穴，像單個原子一樣形成分立的能級結構，產生單光子和糾纏光子對。目前，實驗上已經在單個InAs量子點中實現了高品質的單光子按需產生，這種單光子源在單個共振π脈沖光觸發下產生單個光子的概率接近于1，多光子出射概率接近于0，光子的不可分辨性大于99%。此外，基于成熟的半導體生長和加工技術，容易實現量子點的大規模擴展與集成，制造具有實用性的量子點量子光源器件。然而，量子點位于高折射率的半導體材料當中，大部分的出射熒光在材料和空氣的交界面發生全反射而無法被有效地收集起來，通常塊狀結構中的量子點熒光的提取效率（被第一個透鏡收集到的效率）不到0.1%，如此低的收集效率嚴重阻礙了實際應用。法國巴黎-薩克雷大學的一個研究小組在高Q值（>10000）的微柱微腔中實現了單個量子點的共振激發，光子的提取效率接近65%。但是，高Q值的微腔帶寬只有零點幾個納米，不僅對量子點的譜匹配有很高的要求，而且通常只能收集單條譜線，不適合糾纏光子對的產生。基于量子點的糾纏光子對是通過級聯躍遷產生的，兩個光子波長相差了幾個納米，窄帶寬的高Q值微腔無法同時和這兩個光子共振。此外，在非共振激發下，微柱微腔中量子點會再次捕獲載流子，單光子的純度會隨著激發功率的增加而下降。納米線量子點也被證明具有非常高的光子提取效率，提取效率可以達到72%，但由于量子點非常接近納米線表面，表面缺陷態中囚禁的電子的電場振蕩會造成譜線的非均勻加寬，降低了光子的相干性，目前還無法通過共振激發的方式實現高品質的納米線量子點單光子源。理論模擬表明在下方有金反射層的量子點表面通過微納加工技術制造出直徑只有亞微米量級的透鏡結構能夠顯著增強量子點熒光的發光方向性，用數值孔徑為1的物鏡收集時光子提取效率可以達到90%以上，并且具有很高的帶寬。而且在作為電泵浦單光子源背電極以及與壓電陶瓷鍵合產生高效率糾纏光子對等方面具有潛在應用。但是，目前尚未報道基于金反射層結合的可控制備的微透鏡陣列，其難度在于金反射層上電子膠對比度太高，利用傳統3DEBL曝光難以制備微透鏡掩膜。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術僅有理論支持，但實際難以制備基于金反射層結合的微透鏡的不足，提供一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件。本專利技術所述確定性量子光源器件中微透鏡的底端圓截面直徑為200nm～3μm，為納米級別的微透鏡，且量子點位于微透鏡的正中間，并以金作為反射鏡，結合微透鏡大大提高熒光提取效率與帶寬，當NA=1時熒光提取效率可達90%，帶寬可達100nm；所述確定性量子光源器件同時在電泵浦高速發射量子點單光子源以及與壓電陶瓷鍵合產生高效率級聯發射糾纏光子對等方面具有極大的潛在應用價值。本專利技術的另一目的在于提供所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件的制備方法。本專利技術的再一目的在于提供所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件的應用。本專利技術的上述目的是通過以下方案予以實現的：一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件，由下至上依次為反射層金、SiO2層和包含有一個量子點的微透鏡陣列；其中量子點在微透鏡中。本專利技術以金作為反射鏡，結合納米級的包含有量子點的微透鏡，大大提高了確定性量子光源器件的熒光提取效率與帶寬，當NA=1時熒光提取效率可達90%，帶寬可達100nm，性能優越，具有極大的應用前景。優選地，所述反射層金的厚度為50nm～200nm；所述SiO2層的厚度為10～30nm；所述微透鏡底端圓截面直徑為200nm～4μm。優選地，所述量子點為InAs/GaAs量子點或GaAs/AlGaAs量子點；所述微透鏡的材料為AlxGa1-xAs，0≤x≤0.4。本專利技術同時還保護所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件的制備方法，包括如下過程：S1.利用分子束外延技術在GaAs襯底上由下至上依次生長Al0.95Ga0.05As犧牲層、AlxGa1-xAs層，其中量子點在生長時被嵌入到AlxGa1-xAs層中；然后再利用PECVD法在AlxGa1-xAs層上生長SiO2層，最后蒸鍍金反射層；其中0≤x≤0.4；S2.利用襯底轉移技術，將步驟S1制備的樣品轉移至玻璃襯底上，再將GaAs襯底和Al0.95Ga0.05As犧牲層去除；S3.利用電子束曝光及lift-off工藝在轉移后的樣品上制作金標記，然后通過對量子點和金標記進行熒光成像來確定量子點相對金標記的精確位置；S4.在做好金標記的樣品上旋涂電子膠層，再通過電子束曝光與顯影在量子點上方套刻圓柱掩膜；S5.利用加熱電子膠產生熱回流的方法，使圓柱掩膜變成半球形掩膜；S6.利用等離子體刻蝕將電子膠掩膜的輪廓傳遞至AlxGa1-xAs層，即得到所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件。本專利技術所述制備方法中，通過以加熱電子膠產生熱回流的方法實現金反射層上微透鏡掩膜的制備，克服了傳統3DEBL因金反射層上電子膠對比度太高而無法得到微透鏡掩膜的困難。所述制備方法能夠精準的控制量子點在微透鏡中的位置，方法簡單、靈活，可實現大面積基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件陣列的制備。此外，本專利技術所述方法可以精準的控制微透鏡的大小、量子點在微透鏡中的位置，可以根據需要精準的制備所需的確定性量子光源器件。優選地，步驟S1中，Al0.95Ga0.05As犧牲層的厚度為300nm～1000nm；AlxGa1-xAs層的厚度為300nm～2000nm；SiO2層的厚度為10nm～30nm；金反射層的厚度為50nm～200nm。優選地，步驟S2中，去除GaAs襯底和Al0.95Ga0.05As犧牲層的過程為：先用化學機械研磨將GaAs襯底減薄到50μm，然后再用檸檬酸與雙氧水混合液濕法腐蝕去除；最后將樣品置于質量分數為10%的HF溶液中腐蝕，即可去除Al0.95Ga0.05As犧牲層。優選地，步驟S1中，量子點為InAs或GaAs；步驟S2中，檸檬酸與雙氧水混合液中二者的體積比為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件，其特征在于，由下至上依次為反射層金、SiO2層和包含有一個量子點的微透鏡陣列；其中量子點在微透鏡中。

【技術特征摘要】
1.一種基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件，其特征在于，由下至上依次為反射層金、SiO2層和包含有一個量子點的微透鏡陣列；其中量子點在微透鏡中。2.根據權利要求1所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件，其特征在于，所述反射層金的厚度為50nm～200nm；所述SiO2層的厚度為10～30nm；所述微透鏡底端圓截面直徑為200nm～4μm。3.根據權利要求1所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件，其特征在于，所述量子點為InAs/GaAs量子點或GaAs/AlGaAs量子點；所述微透鏡的材料為AlxGa1-xAs，0≤x≤0.4。4.權利要求1～3任一所述基于金反射層結合微透鏡的確定性量子光源器件的制備方法，其特征在于，包括如下過程：S1.利用分子束外延技術在GaAs襯底上由下至上依次生長Al0.95Ga0.05As犧牲層、AlxGa1-xAs層，其中量子點在生長時被嵌入到AlxGa1-xAs層中；然后再利用PECVD法在AlxGa1-xAs層上生長SiO2層，最后蒸鍍金反射層；其中0≤x≤0.4；S2.利用襯底轉移技術，將步驟S1制備的樣品轉移至玻璃襯底上，再將GaAs襯底和Al0.95Ga0.05As犧牲層去除；S3.利用電子束曝光及lift-off工藝在轉移后的樣品上制作金標記，然后通過對量子點和金標記進行熒光成像來確定量子點相對金標記的精確位置；S4.在做好金標記的樣品上旋涂電子膠層，再通過電子束曝光與顯影在量子點上方套刻圓柱掩膜；S5.利用加熱電子膠產生熱回流的方法，使圓柱掩膜變成半球形掩膜；S6.利用等離子體刻蝕將電子膠掩膜...

【專利技術屬性】
技術研發人員：周麗丹，楊家煒，喻穎，余思遠，
申請(專利權)人：中山大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44