分立量子点纳米发光器件机理及制备技术研究

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近年来，分立量子点单光子 域的领先研究单位，早在2005年开始研究分立量子点的外延制备技术，目的是研发光器件的研究在国际上受到普遍关注，在材料体系、微腔结构和单光子精密光学测试，以及器件的设计和集成应用方面不断涌现出新的研究成果。不同材料体系的分立量子点工作波段不同，如镓砷（GaAs）基铟砷单量子点（900～1310纳米波段）、镓砷基镓砷/铝镓砷（AlGaAs）单量子点（700～800纳米波段）、铟磷（InP）基铟磷/铟镓磷（InGaP）单量子点（650纳米波段）、镓氮（GaN）基铟镓氮（InGaN）/镓氮单量子点（400纳米波段）、铟磷基铟砷单量子点（1500纳米波段），都被证实了可以实现单光子的发射。

分立量子点与不同结构光学微腔如微柱、光子晶体、微盘回音壁等的耦合实现了发光增强，在高Q值光学腔中观察到量子光学现象Rabi分裂。分立量子点嵌入PIN结实现电驱动的单光子发光，嵌入肖特基结实现了单光子发光的电场调控，嵌入微柱PIN结构中的分立量子点实现了高频电脉冲驱动下的低时间抖动单光子发射。近年来国际上多个实验小组利用共振荧光激发分立量子点的方法，大幅度提高了单光子发射全同性和确定性操控。这类高品质的单光子源可以用于量子光子逻辑门、波色取样等，为实现光量子计算应用提供了可行性。中国科学技术大学（以下简称中科大）是量子光学物理、量子通信领域的先进研究单位，2011年率先实现了量子点共振荧光测试方法，观察到了高确定性单光子发射。

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分立量子点单光子器件 有望取代激光衰减技术实现的模拟量子光源，而量子点-光纤耦合、量子点-波导耦合、量子点-波导-光纤混合耦合技术是目前科学家们研究的技术重点。铟砷量子点单光子发射面临发光波段窄、收集速率低的瓶颈问题。量子点单光子发射可通过与光学微腔耦合得以增强，高Q值光子晶体腔耦合单量子点结构制备难度大。单光子发射收集依赖共聚焦显微光路，显微物镜数值孔径、光路损耗、空间滤波孔损耗等都会影响单光子收集效率。而且，共聚焦光路对隔震性要求高。

探索实现稳定可靠的高耦合效率光纤或者波导-光纤量子点器件结构是实用化技术迫切需要解决的难题。此外，单光子全同性即使在液氦低温下基本消除了晶格振动引起的退相干，受制于量子点周围浸润层带电的影响，量子点单光子发射仍存在时间抖动、频率抖动问题，激子态退相干会显著引起单光子品质下降，光子全同性最好只达到70%。基于相位编码的单光子量子密钥分发（QKD）限制了量子点单光子源在量子通信领域的实用化。

为拓展分立量子点发光波段、提高发射收集效率，中科院半导体所研究团队实现了以下突破：

• （1）采用纳米线中嵌入铟砷量子点或镓砷量子点的结构，利用纳米线空间分立性保证了低密度分立点的形成。同时，纳米线波导增强了单光子垂直出射方向性；

• （2）采用原位烧点法精确监控量子点临界成岛淀积量，从而提高单量子点生长成功率；

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