半導體單量子點的分子束外延生長及調控

宋長坤,黃曉瑩,陳英鑫,喻 穎,余思遠

(中山大學光電材料與技術國家重點實驗室,廣州 510275)

0 引 言

在光量子信息技術中,例如光量子計算[1-3]、安全的量子通信[4-6]及精密量子測量[7],光與物質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,單個光子具有偏振、頻率、路徑、軌道角動量及時間等自由度可以用來編碼量子信息,且光子與環境的相互作用十分微弱,能夠長時間保持相干性質,傳輸速度快,長程傳輸損耗低;另一方面,由于光子間的弱相互作用,需要通過局域的固態系統與單個光子建立糾纏,并將兩個不同固態系統的飛行光子進行干涉,以實現光子和固態系統之間的糾纏交換。

被稱為“人造原子”的半導體自組織量子點,集優良的光子-電子自旋特性于一身,被認為是制備高品質量子光源(光發射),以及構建可擴展性量子網絡(光路由、光傳輸)最有潛力的固態量子體系之一[8-11]。首先,它可產生確定性的量子光源,單個量子點具有類原子的分立能級結構,發光性質穩定[12-13]。很多量子光學及量子信息的經典實驗都在量子點體系中被驗證,包括首次測到反聚束現象[14]、激子的Rabi振蕩[15]、Hong-Ou-Mandel雙光子干涉[16]、共振熒光[17-18]等。實驗上已經能夠實現單光子的確定性發射[19],產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,它能夠通過雙激子級聯發射過程產生嚴格的或者時間重定序的糾纏光子對[20-24]。其次,它可作為固態自旋比特載體。能夠通過電學注入囚禁量子點中的單個電子或空穴[25-26],具有較長的相干時間[27-28],可實現高精度自旋態的制備[29-31],也可進一步將飛行光子比特和固態自旋聯系起來,通過光學躍遷直接產生確定性的自旋-光子糾纏態[32]、光子簇態[33]。然而,如何進一步在半導體量子點體系中,實現可擴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。本文將從分子束外延生長的角度出發,探討進一步提升單量子點材料品質的生長及精確調控方法。

S-K(Stranski-Krastanow, S-K)模式生長的In(Ga)As/GaAs量子點作為量子光源表現出優異的性能,具有極高的量子效率和接近變換極限的發射線寬[9,34-36]。然而,可靠的晶圓級生長技術一直是難點[37-39]。針對這個問題,在下文第1節中,介紹了S-K模式生長機理和一種低密度調控方法,這種方法在3英寸(1英寸=2.54 cm)晶片上實現了均勻低密度InAs/GaAs量子點生長[40]。

量子點的均勻性和對稱性對于量子信息處理的性能至關重要。量子隱形傳態、量子中繼、量子計算均依賴于高保真度的多光子糾纏[16,41-42],而高質量糾纏光子源的制備必須克服由量子點形貌不對稱/應力分布引起的精細結構劈裂(fine structure splitting, FSS)[42-43]。但是隨機生長的自組裝量子點在形成過程中不可避免地出現大小、組分及形狀等差異[43-45]。目前已經提出了多種方法來改進量子點的均勻性和開發高度對稱的量子點,比如采取快速熱退火技術[46]、In-flush技術[47]、在InAs量子點覆蓋薄AlAs抑制In偏析[48]、無應變局部液滴外延GaAs量子點[49]、在具有C3v對稱性的(111)A晶體液滴生長InAs/GaAs或InAs/InP量子點[50-51],以及量子點的應變控制[52]等方法。在下文第2節中,首先介紹了常見的用以改善量子點的均勻性的In-flush技術,之后報道了一種利用AlGaAs薄層覆蓋量子點的生長方法,這種方法不但改善了量子點的對稱性,還減小了FSS,并且能夠抑制浸潤層的發光[53]。

遠距離糾纏在各種量子技術中起著越來越重要的作用,如量子密鑰分發[54]和量子互聯網[55]等領域。它不僅有助于解決量子力學基礎問題,如貝爾不等式,還促進了更大規模的量子通信和網絡應用的實現。然而,在光纖傳輸中光子損失是一個困擾的問題。由于光信號在光纖中的衰減,可見光波長范圍內的光子損失每公里超過3 dB,這對于長距離傳輸來說并不理想。在1 310和1 550 nm處有最小衰減的兩個通信窗口,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距離通信,由于這兩個窗口具有較低的太陽輻射和瑞利散射,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下產生單光子源。另一個實現遠距離糾纏分發的方案是使用量子中繼器[20],將距離劃分為較短的環節,在各個環節上建立獨立的量子存儲器糾纏,并通過糾纏交換連接環節實現整體糾纏[57]。半導體量子點可以作為可靠的確定性單光子和糾纏光子對的光源,當光子的波長與自然原子系綜的吸收峰相匹配時,可以將光量子比特存儲在其中。實驗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量子點的發射波長范圍約在900 nm附近,與自然原子系綜的吸收峰和通信波段不匹配。為了解決這個問題,在下文第3節中介紹了一種調控量子點發射波長的生長方法,即在InAs量子點頂部覆蓋高勢壘層或應變緩沖層。通過這種方法成功制備了發射波長在880和980 nm的高質量糾纏光源[53],實現了在通信波長下的單光子源的發射(1 320 nm)[60]。

電場調控在半導體量子點作為量子光源的發展中起到了極其重要的推動作用[61-63]。該技術的關鍵在于將量子點置于二極管結構中,通過施加電場來調控量子點的性質[64],例如調控光子發射波長[65-66]、可控地調節量子點電荷的能力[67]及電致發光[68]的產生等。這種電場調控技術的發展對于實現高效、可調控、高穩定性的半導體量子光源具有重要意義,同時也為研究量子點的基本物理性質提供了新的手段[69-71]。在第4節中,本文歸納了幾類目前最為常見的電調控單個量子點的器件設計原理。

近年來,液滴刻蝕外延作為一種較為新穎的量子點生長方法越來越受到關注[72-73]。液滴外延與應力驅動的S-K模式外延不同,它不受固有晶格失配大小的限制。對于偏振糾纏光子源,通過局部液滴刻蝕 (local droplet etching, LDE)制造的GaAs/AlGaAs量子點具有出色的光學特性,如接近于零的FSS和短激子輻射壽命[74-75]。在下文第5節中,首先介紹了LDE外延機理,之后展示了納米孔結構的形態演變及制備FSS極小的GaAs量子點的方法[76]。在第5節最后一部分,介紹了一種液滴蝕刻制備InAs單量子點的方法[77]。

1 低密度InAs/GaAs量子點外延生長

半導體量子點的制備主要采用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)和金屬有機物化學氣相沉積技術[78]。MBE生長可以利用反射高能電子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)設備原位監控量子點的形成過程[79],成為制備半導體量子點的主導技術。外延生長低密度量子點需要對生長條件進行高度精確的控制,生長參數(如生長溫度[80]、沉積量[81]或束流[82])細微的偏差都會影響量子點的質量和均勻性。這使得控制量子點的密度和尺寸變得具有挑戰性,尤其是在晶圓級別的生長制備上。

1.1 S-K生長模式

S-K模式是生長量子點最常用的技術[83-85]。在S-K生長模式下,量子點的形成是襯底和外延生長層之間的晶格失配產生的應力積累導致的。圖1顯示了S-K量子點形成過程,最初,量子點材料以逐層的二維模式生長在緩沖層上形成浸潤層;晶格失配導致的應力隨著浸潤層厚度的增加逐漸積累,浸潤層生長到一定的厚度后(通常小于兩個原子單層),二維生長不能補償積累的應力能,浸潤層生長結束;之后開始通過三維島狀生長的方式釋放應力,形成量子點。該方法需要緩沖層和量子點材料具備合適的晶格失配,在GaAs上生長InAs量子點,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量子點形成過程示意圖Fig.1 Schematic process showing the formation of S-K quantum dots

1.2 低密度InAs/GaAs量子點生長

目前最常見的實現低密度量子點的方法是梯度生長法,即在生長量子點時樣品停止旋轉,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[86]。然而,這種方法分布將導致襯底上只有一小部分區域的密度是合適的(<1 mm),其他區域密度太高或者幾乎沒有量子點,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的生長方法,即通過監測襯底的溫度分布,精確控制InAs沉積量和生長溫度[40]。

這個方法的關鍵是精確的控制InAs從二維浸潤層到三維量子點的臨界轉變。通常使用RHEED進行原位監測,當RHEED圖像從條紋變成點陣的再構圖形時,認為InAs外延層從二維生長變成三維生長[79],此時的InAs淀積量θc稱為臨界生長厚度。樣品的生長次序是:先在半絕緣的GaAs襯底上同質外延GaAs緩沖層,接著生長InAs量子點,隨后生長GaAs覆蓋層。圖2(a)顯示了不同InAs淀積量的光致發光(photoluminescence, PL)譜線,表明量子點的沉積量在一個合適的范圍能夠觀察到單量子點譜線。在這個實驗中,83%θc的沉積量,量子點密度合適,波長中心在900 nm左右。低于這個沉積量,量子點太小不發光[82];高于這個沉積量,量子點的密度過高,難以在熒光中分辨出單個點的發光。

圖2 3英寸襯底外延低密度InAs/GaAs量子點[40]。(a)不同InAs量子點的沉積量的PL光譜;(b)晶圓上的溫度分布;(c)量子點在晶圓上的密度分布;(d)襯底不同區域的量子點熒光成像和對應的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,襯底溫度也是生長低密度InAs量子點的重要參數,因為它影響了In原子的吸附、解吸、遷移過程。為了獲得晶圓級的樣品,需要了解襯底的溫度分布。通過對比襯底中心在不同溫度(低溫生長區,此時InAs的解吸附可以忽略)下生長的量子點密度,發現量子點密度幾乎線性地隨生長溫度的增加而減小,因此,可以由量子點密度和溫度的關系推斷出整個3英寸襯底的溫度分布(見圖2(b))。最終通過精確控制InAs沉積量和生長溫度,成功地在3英寸晶圓上實現了用于單光子發射器的晶圓級低密度InAs/GaAs 量子點,如圖2(c)、(d)所示,在2 cm的半徑范圍內InAs/GaAs量子點密度低至0.96 μm-2,在這個范圍內熒光成像可以分辨出單個量子點并觀察到單量子點的PL譜線。

2 高均勻性和對稱性的InAs/GaAs 量子點外延生長

2.1 In-flush技術提高量子點的均勻性

在提高量子點均勻性的方法中,In-flush技術是較為常見的一種[47,87]。過程如圖3(a)所示,在GaAs上生長完InAs量子點后,在量子點上低溫沉積特定厚度的GaAs蓋層,用以部分覆蓋InAs量子點,然后迅速提高襯底溫度,使蓋層上多余的量子點材料蒸發,從而產生具有GaAs蓋層控制高度的量子點,實現InAs量子點的精確高度控制[88-89]。In-flush過程中GaAs覆蓋層厚度會影響量子點的均勻性和發光波長。圖3(b)總結了不同GaAs覆蓋層厚度各約120個量子點的PL測量結果,發現GaAs覆蓋層厚度為4.5 nm時展寬最小,發射波長均勻性最好。覆蓋層太薄將使量子點在In-flush過程中減小太多而不發光,太厚則In-flush過程不起作用。更薄的GaAs蓋層會出現波長藍移,原因是在In-flush過程中減少了量子點的尺寸,增大了單個量子點的帶隙[90]。

2.2 AlGaAs蓋層改善InAs/GaAs量子點的對稱性

量子點的對稱性與FSS,以及其作為糾纏光子對源的性能之間存在密切關系。FSS是指量子點的電子和空穴交換相互作用引起的激發態能級劈裂現象,量子點的激發態退簡并為兩個線偏振的本征態。在理想情況下,量子點具有高度對稱性,例如三角形量子點的C3v對稱性或者柱形量子點的D2d對稱性,此時激子的兩個態具有不可約的表示,所以它們的能級是簡并的[44]。然而,在實際情況中,量子點的對稱性常常會被破壞,例如由于形貌的不對稱性或應力分布的不均勻性等因素[42]。這種對稱性的破缺會導致激發態能級的FSS增大。當FSS超過光子的本征輻射線寬時,糾纏光子對的產生被限制。這種情況下,為了有效地產生糾纏光子對,可以采取一些策略:比如通過引入外部電場[65],可以調整量子點的勢能,改變電子和空穴的波函數疊加情況,從而減小FSS;或者通過調控量子點所處的應力分布[20],可以影響電子和空穴的受限狀態,從而減小FSS。另一方面,在S-K生長模式中,耦合到量子點的二維浸潤層的存在幾乎是不可避免的。浸潤層和量子點的電荷載流子通常會存在庫侖相互作用,從而導致量子態的雜化,使得量子點不是理想的單光子源[91-92]。

圖4 不同組分的AlGaAs蓋層對InAs/GaAs量子點對稱性的影響[53]。(a)樣品A～F的形態學特性;(b)樣品A～F的光學特性;(c)樣本B～F中的平均FSS值;(d)沒有In-flush步驟下量子點的PL光譜和FSS值;(e)能帶結構和電子/空穴波函數模擬計算結果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量子點波段可調外延生長

半導體量子點在量子存儲和通信中發揮重要作用,但需要匹配特定波段才能實現有效儲存和傳輸光量子比特[56]。目前還缺乏關于制備產生的波長在980 nm附近的量子點糾纏光源的報道。這個波段與稀土離子摻雜的吸收性量子存儲器的吸收線相匹配[59,94]。

這里介紹一種簡單的波段調控方法,通過在量子點上方引入應變層來改變量子點的發射波長[40,53,60]。對于通過S-K模式生長的InAs/GaAs量子點,常見的結構如圖5(a)所示,InAs量子點夾在兩個高勢壘的GaAs阻擋層之間。可以通過控制量子點的沉積量或者襯底溫度等生長條件改變量子點的大小[80-81],從而發射不同波長。然而由于固有晶格失配的限制,僅改變生長條件調控波長的范圍有限。單個InAs/GaAs量子點的發射波長通常在900 nm左右(見圖5(a))[40]。為了與量子儲存的Yb∶Y2SiO5晶體的吸收線(978.854 nm)相匹配及制備更長波段的通信波段量子光源,需要將發射波長紅移。通過在InAs量子點頂部覆蓋一個InGaAs應變緩沖層,實現了980和1 320 nm波長的發射,生長結構如圖5(b)、(c)所示。具體方法是沉積量子點后,用InxGa1-xAs(x一般小于0.25)層覆蓋量子點。InGaAs的晶格常數比GaAs大,從而降低了量子點上的應變[95-96]。例如,4.5 nm的In0.17Ga0.83As可以將波長紅移至980 nm,8 nm In0.17Ga0.83As可以將波長紅移至通信波長1 320 nm。同理,在量子點上方覆蓋更高勢壘的應變層可以將量子點的發射波長藍移。如圖5(d)所示,在量子點上方沉積0.5 nm的Al0.2Ga0.8As將波長藍移至880 nm左右,與Nd3+∶YVO4晶體的吸收線相匹配。

圖5 不同波段量子點生長結構和對應的單量子點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 電調可控的量子點單光子源

電調控的半導體量子點器件能夠實現載流子注入、電荷受控填充或發射波長調諧。圖6顯示了4種最常用的p-i-n器件設計和對應能帶結構,以及外部偏壓函數的發射光譜[64]。分別是電致發光二極管[97]、波長調控二極管[98]、電子調控二極管[99]和空穴調控二極管[34]。其中,對于GaAs Ⅲ-Ⅴ族材料體系而言,pn摻雜層是在外延生長過程中引入鈹或碳作為受體,或硅作為施主雜質創建的,通過在摻雜層制備歐姆接觸,外加偏壓沿生長方向改變量子點中的電場。

圖6 電調可控的二極管中單量子點的器件設計和對應能帶結構,以及外部偏壓函數的發射光譜[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]

傳統的發光二極管結構如圖6(a)所示,由n-i-p GaAs和InAs量子點組成,InAs量子點插入GaAs本征區[97]。它能夠將量子點的單光子發射特性與二極管結構的電流驅動能力相結合[34]。施加正向偏壓時,電流將通過器件,當電流增加時,載流子可能被量子點捕獲并輻射復合,這通常被稱為電致發光。改變量子點兩側本征區的厚度可以平衡電子和空穴的注入,使n和p摻雜區域中的載流子與單個量子點中的能級共振,允許將電子空穴共振隧穿注入到特定量子點中,從而有可能實現類共振電驅動的單光子發射[68]。這種基于量子點的電驅動單光子源有助于簡化龐大的激光激發系統,并使量子點在片上量子器件中的應用更有價值[61]。

量子點在外部電場的作用下,還會出現量子受限斯塔克效應,即半導體能帶傾斜,電子-空穴對空間分離,導致基態能級改變,從而改變發光波長[65,98]。為了構建可擴展的固態量子網絡,需要將不同量子點的共振波長調諧到目標波長,以創建高度難以區分的光子[41,100]。在電致發光二極管中,In(Ga)As量子點和周圍的GaAs材料之間的低勢壘限制了施加電場的大小,最大只能施加約20 kV/cm。更強的電場將會使載流子隧穿出量子點,引起發光效率下降[34]。因此,通常的斯塔克位移能量僅約為1 meV。一個襯底上生長的量子點產生的波長分布約為10 meV[101],量子點單個譜線的線寬范圍為1～5 eV,所以找到明顯重疊的量子點的機會很小。將量子點嵌入GaAs/AlGaAs量子阱中心可以大幅增加波長調控范圍,如圖6(b)所示。這種結構不僅保留了InGaAs/GaAs量子點系統的優點,而且即使在存在較大的垂直電場情況下也能夠限制載流子,從而導致高達25 meV的能量偏移[98]。同時,量子點的電子和空穴在電場下的概率密度分布改變不同,調控電場還可以減小激子的FSS,產生不可分辨的糾纏光子對[102]。

另一種常見的結構是電荷調節結構,通過確定性方式將有限數量的電子或空穴注入量子點中。如圖6(c)、(d)所示,在這兩種情況下,InAs量子點和AlGaAs阻擋層之間都有幾納米厚的GaAs層以保持光學質量[103-104]。對于電子(空穴)調控器件,在量子點和p(n)接觸之間有高Al含量的阻擋層,防止空穴(電子)隧穿進入量子點。通過施加偏壓改變n(p)層的費米能級,當n(p)層的費米能級與量子點的電子能級對準時,允許電子(空穴)通過約30 nm厚的GaAs勢壘隧穿進入量子點[99]。例如施加偏壓會導致單個電子隧穿進入量子點,在PL光譜中出現X-躍遷[105]。在外部偏壓進一步增加之前,更多的電子隧穿進入量子點在能量上是被禁止的,這是由于被困在零維限制勢中的電子具有庫侖排斥能。類似的論據也可以用于圖6(d)中的空穴調控器件[34,103]。這種電荷調節器件提供了對量子點電荷狀態的控制,能夠將電荷噪聲降至很低,產生將近自然光學線寬的單光子[34]。作為外部偏壓函數的發射光譜也揭示了有關量子點內部能級的大量信息[69-70],并允許研究量子點能級與費米海之間的耦合[71]。

5 局部液滴蝕刻外延制備量子點

5.1 Al液滴蝕刻制備GaAs量子點

在過去的幾年中,通過LDE方法生長無應變的量子點在糾纏光源方面表現出巨大的優勢[49]。具體生長過程如圖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,由于濃度梯度驅動的作用,As原子向液滴擴散并溶入液滴;當As濃度超過在液滴中的溶解度時,As原子在液滴邊緣重新與Al/Ga原子形成AlGaAs結晶,還有一部分的Al/Ga原子會擴散出液滴;在重新提供As源之后,結晶加速,延長退火/蝕刻時間,可以將Al/Ga金屬都重新結晶,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圍的環形小丘的結構;之后往納米孔中填入GaAs并重新生長AlGaAs蓋層,便完成了液滴量子點的生長。這一外延技術的優勢[74-75]在于:1)液滴外延與應力驅動的S-K模式不同,可兼容同質材料體系;2)由于非應力驅動,不受固有晶格失配大小的限制,量子點的大小、形狀和密度的調控范圍大,即對應著更豐富的單光子發射調控,包括FSS、波長等;3)由于高溫生長,晶格的缺陷小,量子點的發光性能好。

5.2 In液滴蝕刻制備InAs量子點

本節介紹一種In液滴蝕刻納米孔獲得的InAs量子點的方法[77]。為了得到用于填充的納米孔洞,需要精確控制刻蝕過程中砷通量的中斷時間及刻蝕溫度,為了實現納米孔內的單量子點,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中斷時間對刻蝕過程的影響。In液滴沉積后立即暴露于As原子時,In液滴直接轉化為In(Ga)As晶體。中斷時間增加(2 min),大多數液滴擴散并遷移到一起,形成一個更大的液滴。當進一步增加中斷時間(6 min),較大的液滴與底層的砷化鎵能夠充分反應,形成納米孔。溫度也是影響刻蝕的關鍵因素,較高生長溫度下表面的In吸附的原子具有更長的擴散長度,導致更大和更低密度的液滴。在較高生長溫度(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形成。沉積溫度太低(520 ℃)時,In液滴太小被限制與底層GaAs反應,導致無法形成納米孔。

InAs的沉積量與密度相關,沉積量過高會在一個納米孔內有多個量子點共存。InAs的沉積量在0.4MLs時,能夠在一個納米孔內沉積一個量子點,如圖8(a)的AFM照片所示,對應的PL光譜的單根譜線也證明了單個量子點的存在。在32個量子點的PL測試中,量子點發射波長在885～865 nm,系綜展寬僅為12 meV(見圖8(b))。對于最對稱的量子點,測量的激子FSS只有(4.4±0.8) μeV,g(2)(t=0)值為0.143±0.034(見圖8(c))。

圖8 In液滴蝕刻制備InAs量子點[77]。(a)單量子點形貌圖和PL光譜;(b)15個量子點代表性的PL光譜和32個量子點的能量分布;(c)最對稱量子點的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 結語與展望

過去三十年,通過先進的分子束外延技術,包括S-K模式生長和液滴外延,研究人員見證了量子點從概念到應用的快速發展。在量子信息領域,半導體量子點已被認為是單光子源和糾纏光子源的優秀候選者之一。在外延生長方面,未來需重點解決:1)精確控制量子點的位置。由于自組織量子點在生長過程中是自發形成的,其位置隨機分布,為了進行大規模的集成加工,如何在保證良好的量子點單光子光學性質前提下,實現大面積、確定性的量子點定位生長,是目前量子點生長技術亟待解決的問題。2)通過p-i-n結構實現電荷環境和波長的精確調控。為了抑制電荷噪聲,可以通過將量子點嵌入到p-i-n二極管,引入庫侖阻塞來鎖定電荷狀態,從而抑制電荷波動。或者引入斯塔克效應調節量子點發光波長。然而,這兩種調控分別對應不同的器件結構。開發出能在同一個器件中實現電荷鎖定和波長調節的方式也是非常有必要的。3)量子點的多維調控。為了制備多量子比特和構建可擴展性量子網絡,單光子源不可避免地要求能夠同時調控量子點的位置、密度,以及波長、帶電狀態和精細結構劈裂等。現在的調控手段往往只能僅針對其中的一兩個方面,如何從多個維度調控量子點,也是一個急需解決的問題。