基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器及其制作方法。該單光子發射器包括：GaAs襯底；在該GaAs襯底上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaAs緩沖層(1)、DBR(4)和(6)、InAs量子點有源區(5)和高折射率對比度光柵(低折射率(7)和高折射率材料(8))。在該外延片上采用標準光刻技術及ICP技術刻蝕露出GaAs緩沖層作為N型歐姆歐姆接觸層，然后分別在高折射率材料和GaAs緩沖層上蒸發合金作為P型電極和N型電極。利用電子束曝光和ICP刻蝕技術在高折射率材料上制作亞微米級光柵，利用腐蝕液選擇性腐蝕光柵下層的材料，得到低折射率的空氣層。
【專利說明】基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體技術、量子計算和量子信息處理【技術領域】，尤其是涉及一種基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會對信息量需求的巨大膨脹，人們對信息的獲取與處理已經從一維的時空軸向二維化發展。除了信息的大量傳送以外，軍事上更注重信息的絕對安全，量子信息處理也成為國際上的前沿課題。對信息傳輸要求大容量，并且要求信息的絕對安全，對于信息光源來說是一個巨大的挑戰。單光子源是實現單光子量子比特、光量子密碼(quantumcryptog raphy)和量子密鑰傳輸(quantum key distribut ion, QKD)、光量子計算和量子網絡(quantum internet)的關鍵器件。由于量子點的三維受限特點，使其具有可以高速發射譜線寬度非常窄的單光子脈沖；可以用光脈沖泵浦或電脈沖產生穩定的單光子流；波長可以在較大范圍內變化等特點，成為最有應用前途的單光子源，并成為近十年來研究的熱點。
[0003]量子計算和量子傳輸都以單光子的單個量子態為基礎。例如單光子的偏振態或相位作為信息編碼，根據量子力學的測不準原理，任何竊聽者(Eve)的存在將搖動原有量子態的信息，被發射端和接收端所了解，從而實現量子密碼傳遞的絕對安全。Charles
H.Bennett與Gilles Brassardl984年發表的BB84協議是最早描述如何利用光子的偏振態來傳輸信息的。國際上相關方面的研究人員和研究機構已經通過在器件上DBR上打孔和制備橢圓微柱結構來達到控制單光子偏振的目的。但是通常這種通過改變光在介質中分布的方法只能將線性偏振劈裂為 亞毫電子伏特量級。控制溫度、泵浦光和驅動電壓改變腔膜和偏振光分量的耦合和分離來達不同的偏振態輸出。也就是說，當外界條件改變，此類器件的偏振態輸出會受到影響。因此迫切需要研發一種新型微腔的單光子發射器，在得到穩定偏振態輸出的同時，還要保證器件的高效收集率，高Q值。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種與高折射率對比光柵相結合的單光子發射器。其可具有高效收集率，高Q值，穩定偏振態輸出的特點。改變有源區量子點的生長條件并且相應匹配高折射率對比光柵的特征參數可以得到波長在860nm-1550nm波段的單光子發射器。
[0005]為此，本發明提出了一種基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其包括:GaAs襯底；在該GaAs襯底上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaAs緩沖層、下GaAs / AlxGa1^xAs DBR層和上GaAs / AlxGa1^xAs DBR層、InAs量子點有源區和高折射率對比度光柵；分別在高折射率材料(8)和GaAs緩沖層(I)上制作的P型電極和N型電極；利用電子束曝光和ICP刻蝕技術在高折射率材料上制作的亞微米級光柵，利用腐蝕液選擇性腐蝕光柵下層的材料，得到的低折射率的空氣層。[0006]本發明還提供了一種基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器制作方法，其包括:
[0007]步驟1:利用分子束外延技術在GaAs襯底上由下至上依次生長GaAs緩沖層、下DBR層、InAs量子點有源區、上DBR層、GaAs犧牲層和高折射率AlxGai_xAs層。
[0008]步驟2:采用標準光刻技術及ICP技術刻蝕露出GaAs緩沖層作為N型歐姆接觸層，然后分別在高折射率層和N型歐姆接觸層上蒸發合金作為P型電極和N型電極；
[0009]步驟3:利用電子束曝光和ICP刻蝕技術在高折射率層上制作光柵；
[0010]步驟4:在恒溫30°C條件下，采用檸檬酸和雙氧水腐蝕制作有光柵的高折射率層下的GaAs犧牲層材料，得到低折射率空氣層；
[0011]步驟5:解離單個器件，并將解離的單個器件壓焊在熱沉上，用金線拉出引線，完成器件制備。
[0012]從上述技術方案可以看出，本發明的有益效果是:
[0013]本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，利用高折射率對比度光柵替代多對DBR作為上反射鏡。相對幾十層結構的DBR來說，高折射率對比度光柵的材料結構只有兩層，因此大大降低了材料生長的難度、節約了生長源材料、減少了器件材料生長時間。
[0014]本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，利用高折射率對比度光柵替代多對DBR作為上反射鏡。對于DBR來說，反射率大于99 %的高反帶可以達到Λλ / λ =3%-9%，而HCG結構反射率大于99%的高反帶可以達到Λ λ / λ >30%。這可以大大提高單光子發射器件的性能，比如提單光子發射器的收集效率，增強出射光，提高單光子發射器的波長調節范圍。
[0015]本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，利用高折射率對比度光柵替代多對DBR作為上反射鏡。相對于DBR來說，將高折射率對比度光柵引入單光子發射器作為上反射鏡，可以在引入非常少的噪聲的情況很確定的控制出射光的偏振情況。
[0016]本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，利用高折射率對比度光柵替代多對DBR作為上反射鏡。相對于以上下DBR為基礎的微柱結構，高折射率對比度光柵引入單光子發射器作為上反射鏡，可以大大簡化單光子發射器的電致器件的工藝復雜性。由于微柱結構的豎直尺寸通常在5— 11微米，而水平方向的直徑在0.5-2微米之間，因此其電致器件的工藝通常較復雜且成品率不高。通常要先用絕緣介質(BCB、二氧化硅等)填平微柱周圍，再刻蝕絕緣介質，使其與微柱成一個平面。然后在此平面上，利用電子束曝光套刻金屬剝離技術得到上電極。而基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器的上下電極都只需要普通光刻技術即可，大大降低了工藝復雜性，增加了成品率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器的結構示意圖。
[0018]圖2是本發明提供的制作基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器的工藝流程。
[0019]圖3(a)?圖3(d)是本發明提供的兩種不同偏振態出射的高折射率對比度光柵的結構不意圖和反射率|旲擬圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器是用分子束外延技術在GaAs襯底上先生長出高質量的器件外延片，再利用面發射工藝技術制作電極，最后利用電子束曝光制作光柵結構。
[0022]圖1是本發明提供的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器的結構示意圖。如圖1所示，該單光子發射器包括=GaAs緩沖層1、N型電極2、二氧化硅鈍化層3、下DBR4、InAs量子點有源區5、上DBR6、高折射率對比度光柵7和8、P性電極9。
[0023]其中，高折射率對比度光柵由低折射率層7和高折射率層8組成，所述低折射率層7的材料可以是空氣，而所述高折射率層8的材料可以是GaAs或AlxGai_xAs，所述低折射率層和高折射率層的折射率差越大越好，最小等于2，所述光柵刻蝕在所述高折射率層的表面，其為亞微米級光柵，周期數可以是5-30個。
[0024]所述鈍化層3為300nm厚的Si02材料制作。所述InAs量子點有源區5采用梯度生長法，淀積2.5ML InAs形成。
[0025]所述結構中下DBR4和上DBR6的兩層材料為GaAs和AlxGai_xAs，每層的厚度由單光子發射器的中心波長決定。下DBR層4的周期數為20-32個，而上DBR層6的周期數為
2—5 個。
[0026]圖2示出了本發明提出的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器制作方法流程圖。如圖2所示，該方法包括:
[0027]步驟1:根據圖1所示結構，利用分子束外延技術生長得到GaAs基器件外延片。
[0028]步驟2:在該外延片上采用標準光刻技術及ICP技術刻蝕露出GaAs緩沖層I作為N型歐姆接觸層，然后分別在高折射率層8的上表面和GaAs緩沖層I露出的位置上蒸發合金作為P型電極9和N型電極2。P型歐姆接觸電極9為鉻金合金，各層
的厚度為Cr(500A)Au (3000A)，N型歐姆接觸電極2為金鍺鎳合金，各層的厚度為Ni (250 A)/Au (900 A)/Ge (120 A)/Ni (100 A)/Au (3000 A)。
[0029]步驟3:利用電子束曝光和ICP刻蝕技術在高折射率層8上表面未制作P型電極9的位置制作亞微米級光柵，光柵的寬度、厚度、占空比由單光子發射器的波長和偏振態決定，周期數可以為5—30個。
[0030]步驟4:在恒溫30°C條件下，采用檸檬酸和雙氧水以1:2的比例將高折射率層下的GaAs層全部腐蝕掉，得到低折射率空氣層。然后采用乙醇稀釋腐蝕液，采用丙酮溶解乙醇，之后將樣品置放于60-70°C的熱板之上，使丙酮揮發。
[0031]步驟5:解離單個器件后，將器件壓焊在熱沉上，用金線拉出引線。
[0032]圖3示出了本發明提供的兩種不同偏振態出射的高折射率對比度光柵結構示意圖和反射率模擬圖。其中，圖3(a)為偏振態TE光柵，其條寬在210nm — 310nm之間，占空比在30% -50%之間，圖3(b)為偏振態TE光柵對應計算反射率。圖3(c)為偏振態TM光柵，其條寬在IOOnm — 200nm之間，占空比在20% -40%之間，圖3(d)為偏振態TM光柵對應計算反射率。
[0033]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，包括:GaAs襯底；在該GaAs襯底上制備的外延片，該外延片由下至上依次包括GaAs緩沖層(I)、下GaAs /AlxGa1^xAs DBR (4)、上 GaAs / AlxGa1^xAs DBR 層(6)、InAs 量子點有源區(5)和高折射率對比度光柵，高折射率對比度光柵由低折射率(7)和高折射率材料(8)組成；在該外延片上采用標準光刻技術及ICP技術刻蝕露出GaAs緩沖層(I)作為N型歐姆歐姆接觸層，然后分別在高折射率材料⑶和GaAs緩沖層⑴上蒸發合金作為P型電極(9)和N型電極⑵；利用電子束曝光和ICP刻蝕技術在高折射率材料(8)上制作亞微米級光柵，利用腐蝕液選擇性腐蝕光柵下層的材料，得到低折射率的空氣層(7)。
2.根據權利要求1所述的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，所述外延片是利用分子束外延方法在GaAs襯底上生長制備的。
3.根據權利要求1所述的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，所述GaAs緩沖層的厚度為300nm至500nm。
4.根據權利要求1所述的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，所述外延片中的上DBR層和下DBR層是由交替生長的GaAs層和AlxGai_xAs層組成的周期性結構，且每個GaAs層和AlxGahAs層的厚度由單光子發射器的中心波長決定；其中下DBR層的周期數為20-32個，而上DBR層的周期數為2_5個。
5.根據權利要求1所述的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，所述InAs量子點有源區采用梯度生長法，淀積2.5ML InAs形成。
6.如權利要求1所述的單光子發射器，其特征在于，所述N型電極和P型電極是采用標準光刻技術及ICP技術刻蝕露出GaAs緩沖層作為N型歐姆接觸層。然后分別在所述N型歐姆接觸層和高折射率對比度光柵上表面蒸發合金形成。
7.根據權利要求1所述的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，P型電極為鉻金合金，各層的厚度為Cr(500A)ALi(3000/\) 4型電極為金鍺鎳合金，各層的厚度為Ni (250 AVAu (900 AyGe(120 A)/ Ni (100 A)/Au.(3000 A)。
8.如權利要求1所述的單光子發射器，其特征在于，所述高折射率對比度光柵由低折射率層和高折射率層組成，通過在高折射率材料上表面制作亞微米級光柵，然后利用腐蝕液選擇性腐蝕光柵下層的材料，得到低折射率空氣層。
9.根據權利要求1所述的基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器，其特征在于，該發射器還包括300nm厚的Si02材料制作鈍化層。
10.一種基于高折射率對比度光柵結構的單光子發射器制作方法，其包括: 步驟1:利用分子束外延技術在GaAs襯底上制作GaAs基器件外延片，該外延片由下至上依次包括GaAs緩沖層(I)、GaAs / AlxGa1^xAs DBR (4)和(6)、InAs量子點有源區(5)和高折射率對比度光柵，高折射率對比度光柵由低折射率材料(7)和高折射率材料(8)組成； 步驟2:采用標準光刻技術及ICP技術刻蝕露出GaAs緩沖層上表面的兩端部作為N型歐姆接觸層，然后分別在高折射率層的上表面和GaAs緩沖層露出的N型歐姆接觸層位置上蒸發合金作為P型電極和N型電極； 步驟3:利用電子束曝光和ICP刻蝕技術在高折射率層上表面未制作P型電極的位置制作光柵； 步驟4 :在恒溫30°C條件下，采用檸檬酸和雙氧水腐蝕制作有光柵的高折射率層下的材料，得到低折射率層，所述低折射率層由空氣構成； 步驟5:解離單個器件，并將解離的單個器件壓焊在熱沉上，用金線拉出引線，完成器件制備。
【文檔編號】H01S5/343GK103532010SQ201310509314
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】王莉娟, 喻穎, 査國偉, 徐建星, 倪海橋, 牛智川 申請人:中國科學院半導體研究所