半導體所等在納米線量子點單光子發射研究中獲得新發現

2020-12-05 中國科學院

半導體自組織InAs量子點因其具有「類原子」特性，是目前量子物理和量子信息器件研究最重要的固態量子結構之一。基於InAs量子點的高品質單光子的發射、讀取、操縱、存儲以及並行計算等是熱點研究方向。而InAs單量子點的可控制備（如精確定位、有序擴展、與光學諧振腔耦合等）是目前面臨的挑戰性問題。

近年來，中科院半導體研究所牛智川研究員帶領的課題組開展了基於InAs量子點的單光子發射物理效應和器件製備研究，在掌握了量子點密度控制、發光波長調控等關鍵技術基礎上，研製成功GaAs襯底InAs量子點與分布式布拉格反饋（DBR）諧振腔耦合結構的單光子發射器件。為進一步提高單光子源的品質，該課題組根據國際發展動態，於2011年開始探索納米線異質結量子點的可控分子束外延生長及其單光子發射效應。這種結構相當於把量子點置於可定向發射的「天線」中，可以有效提高單光子發射效率。

課題組開展了Si基自催化納米線中量子點結構生長，研究了Ga液滴自催化GaAs納米線生長技術，GaAs/AlGaAs核殼結構設計、納米線中嵌入InAs量子點結構等。最近該課題組博士生喻穎、李密鋒、賀繼方等在研究中發現：在Si基上自催化形成的GaAs納米線中，自組織生長的InAs量子點分布於側面，由於存在應力使Ga液滴集聚，導致側壁優先生長，形成分叉GaAs納米線，而InAs量子點正好位於兩根GaAs納米線的分支點。

課題組與中國科學技術大學合作，利用低溫共聚焦螢光系統對其激子級聯發射、單光子特性進行綜合分析，觀測到了單根分叉GaAs納米線中單InAs量子點的高純單光子發射，光子計數是其他納米線量子點的20倍。這項工作的重要意義在於：這種分叉納米線量子點是生長在Si襯底上的，這為實現Si基光子互聯、波導耦合等量子器件提供了新思路；這種結構不僅具有高品質的單光子發射特性，還具有潛在豐富的量子信息處理功能，如通過控制分叉點位置實現多通道量子器件，在量子點周圍摻雜實現三端調控量子電學器件等等。

這項工作發表在《納米快報》（Nano Letters; DOI: 10.1021/nl304157d）上。項目得到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、中科院先導專項（B）的支持。

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半導體所納米線量子點單光子發射研究獲得新發現

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