确定性固态量子光源基础材料与器件

量子光源是量子通信和光量子计算的基础模块。光子的单光子性保证了通信的无条件安全,光子的高不可分辨性保证了计算方案的复杂度。在各类固态材料候选体系中,基于半导体量子点体系的单光子源和纠缠光子源保持着量子光源品质的最高纪录,展现了巨大的潜力。分子束外延是目前最适合制备固态半导体量子点的生长方法,超高真空、超纯材料、原位监测和生长过程中参数的高度可控等特点使其优势明显。为了实现同时具备高效率、高单光子纯度、高不可分辨性和高纠缠保真度的量子光源,量子点的材料生长、外部调控、钝化技术和测量技术等都需要系统优化提升。本文将综述基于分子束外延生长实现固态量子点体系量子光源的基础材料与器件的研究进展,讨论两种常见量子点的制备原理以及外延生长中各类参数对量子点品质的影响,包括背景真空、源料纯度、衬底温度、生长速率和束流比等。本文随后简介了外部调控、表面钝化、测量技术等手段优化量子光源器件性能的技术细节和实验进展,最后对量子光源在基础科学研究和量子网络构建中取得的进展进行总结,并对其实际应用与发展前景进行展望。     

硅基上Si1-xGex合金的外延生长及性能研究

硅基上高质量的异质外延生长是实现高性能微电子器件的基础,本文通过低温分子束外延技术在Si衬底上实现了全组分的Si1-x Gex(0相似文献   

1.55μm波长发光的自组织InAs量子点生长

通过引入较长停顿时间,采用分子束外延循环生长方法在350℃低温获得了一种横向聚合的InAs自组织量子点,在荧光光谱中观察到1.55μm波长的发光峰. 通过AFM和PL谱的联合研究,表明此低温循环生长方法有利于在长波长发光的量子点的形成.     

固态源MBE系统生长高质量的调制掺杂GaAs结构材料和InP/InP外延材料的兼容性研究

通过固态源的分子束外延系统生长了调制掺杂AlGaAs/GaAs结构材料和InP/InP外延材料.在生长含磷材料之后,生长条件(真空状态)变差;我们通过采取合理的工艺方法和生长工艺条件的优化,获得了电子迁移率为1.86×105cm2/Vs(77K)调制掺杂AlGaAs/GaAs结构材料和电子迁移率为2.09×105cm2/Vs(77K)δ-Si掺杂AlGaAs/GaAs结构材料.InP/InP材料的电子迁移率为4.57×104 cm2/Vs(77K),该数值是目前国际报道最高迁移率值和最低的电子浓度的InP外延材料.成功地实现了在一个固态源分子束外延设备交替生长高质量的调制掺杂AlGaAs/GaAs结构材料和含磷材料.     

分子束外延生长过程中GaAs(001)表面铝液滴的扩散成核过程

量子点的性质主要由其密度及尺寸参数控制,而原子在衬底上的成核运动又决定了量子点的密度、直径、高度等参数,因此研究原子的扩散成核过程对自组装制备量子点具有重要意义.本文通过分子束外延生长技术研究了GaAs(001)表面金属铝液滴的成核过程,发现衬底温度和金属铝沉积速率的变化直接影响了液滴的尺寸、密度以及形状等特征.根据经...     

半导体所在纳米线量子结构材料研究方面取得新进展

<正>中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室研究员牛智川课题组近年来深入系统地研究了In(Ga)As量子点、量子环、纳米线中量子点、纳米线中量子环的自组织外延生长、液滴外延生长方法。最近,课题组查国伟、喻颖等在研究中发现:通过优化GaAs纳米线侧壁淀积Ga液滴成核温度与晶化条件等参数,可以生长出密度与形貌可控量子点、量子环等新奇量子结构,首次发现单根纳米线侧壁形成单个"方形"量子环且具有高品质发光特性。(Nanoscale,10.1039(2013))。他们进一步生长了GaAs/AlGaAs纳米线中的GaAs量子点,以及置于AlGaAs量子环中心并覆盖AlGaAs     

GaSb薄膜生长的RHEED研究

采用分子束外延技术,在GaAs衬底上生长GaSb薄膜时,利用反射式高能电子衍射仪(RHEED)对衬底表面清洁状况、外延层厚度等进行在线监控.通过RHEED讨论低温缓冲层对GaSb薄膜表面结构和生长机制的作用,可以估算衬底温度,并能计算出薄膜的生长速率.实验测量GaSb的生长周期为1.96s,每秒沉积0.51单分子层.低温缓冲层提高了在GaAs衬底上外延GaSb薄膜的生长质量.     

R面、C面蓝宝石上生长的InGaN多层量子点的发光性质研究

采用表面钝化和MOCVD低温生长在蓝宝石(0001)面(即C面)和蓝宝石(1102)面(即R面)上形成了InGaN量子点,并构成了该量子点的多层结构.原子力显微镜测试的结果表明单层InGaN量子点平均宽约40nm,高约15nm;而多层量子点上层的量子点则比单层的InGaN量子点大.R面蓝宝石衬底上生长的InGaN量子点和C面蓝宝石衬底上生长的InGaN量子点相比,其PL谱不仅强度高,而且没有多峰结构.这是由于在C面蓝宝石衬底上生长的InGaN/GaN多层量子点沿生长方向[0001]存在较强的内建电场,而在R面蓝宝石衬底上得到的多层量子点沿着生长方向[1120]没有内建电场.InGaN量子点变温光致发光(PL)谱研究发现量子点相关的峰有快速红移现象,这是量子点系统所特有的PL谱特征.用在R面蓝宝石上生长的InGaN量子点作有源层有望避免内建电场的影响,得到高量子效率且发光波长稳定的发光器件.     

上海技物所自主研制的太赫兹量子级联激光器实现激射

<正>近日,中国科学院上海技术物理研究所首次自主研制的太赫兹量子级联激光器成功实现激射。中科院红外成像材料与器件重点实验室的科研人员采用先进的分子束外延技术和半导体微纳加工平台自主完成了太赫兹量子级联激光器的结构设计、材料生长和器件制备。激光器经法国国家科学研究中心基础电子学研究所测试,激光频率为2.5THz,最高工作温度为73K,输出功率为5mW;器件性能与英国剑桥大学研制的同样采用"束缚态至连续态跃迁"有源区设计方案的激光器水平相当。上海技物所中科院"百人计划"徐刚毅     

利用Al/AlAs中间层调控GaAs在Si(111)上外延生长的研究

为了实现Ⅲ-V器件在硅基平台上单片集成,近年来Ⅲ-V半导体在硅衬底上的异质外延得到了广泛研究。由于Ⅲ-V半导体与Si之间大的晶格失配以及晶格结构不同,在Si上生长的Ⅲ-V半导体中存在较多的失配位错及反相畴,对器件性能造成严重影响。而Si(111)表面的双原子台阶可以避免Ⅲ-V异质外延过程中形成反相畴。本文利用分子束外延技术通过Al/AlAs作为中间层首次在Si(111)衬底上外延生长了GaAs(111)薄膜。通过一系列对比实验验证了Al/AlAs中间层的插入对GaAs薄膜质量的调控作用,并在此基础上通过低温-高温两步法优化了GaAs的生长条件。结果表明Al/AlAs插层可以为GaAs外延生长提供模板,并在一定程度上释放GaAs与Si之间的失配应力,从而使GaAs薄膜的晶体质量得到提高。以上工作为Ⅲ-V半导体在硅上的生长提供了新思路。     

InP同质外延的不稳定生长:小丘的形成

用原子力显微镜研究了在不同的条件下采用固态磷源分子束外延技术生长的InP同质外延薄膜的表面形貌。在样品的表面观察到不稳定三维岛状生长。其主要原因有两种,第一种是生长温度较低时,由于吸附原子受到附加的ES台阶边垒的阻碍作用,使扩散运动不能向台阶下面运动,而在台阶上面形成小丘,第二种是生长温度较高或V/III较低时,因生长中缺磷造成In的堆积而产生。在合适的生长条件下,可获得了光滑的2D层状生长。     

半导体薄膜材料外延生长的蒙特卡罗模拟

半导体自组织生长量子点是一种新型半导体材料,它在纳米电子学、光电子学和生命科学中有广泛的应用前景,本文讨论了计算机模拟量子点的生长在材料设计中的重要意义,建立动力学蒙特卡罗二维模型, 通过获得的原子沉积的表面图样和对原子簇大小分布的数学统计,得到提高生长温度或者降低沉积速率等量子点外延生长的优化条件.     

LPE InAsPSb外延层组分分布的均匀性的研究

本文采用ＬＰＥ生长技术，分析，研究了降温，恒温两种方法生长的ＩｎＡｓＰＳｂ外延层组分分布。实验结果表明，用恒温方法生长的外延层，Ｐ、Ｓｂ组分分布均匀不变。     

分子束外延生长的InAs/GaAs自组织量子点发光特性

研究了分子束外延生长的覆盖了1nm的InxAl1-xAs(x=0.2,O.3)和3nm的Ino2Gao8As复合应力缓冲层InAs/GaAs自组织量子点(QD)光致发光(PL)特性.加InAlAs层后PL谱红移到1.33μm,室温下基态和第一激发态间的跃迁能级差增加到86meV.高In组份的InAlAs有利于获得较长波长和较窄的半高宽(FWHM).对于覆盖复合应力缓冲层的QD不会使波长和FWHM发生显著变化,但可以使基态和第一激发态间的能级差进一步增大.这些结果归因于InAlAs能够有效的抑制In的偏析,减少应力,使QD保持较高的高度.同时,由于InAlAs具有较高的限制势垒,可以增加基态和第一激发态间的能级差.     

MPCVD单晶金刚石初始及断续生长界面的表征与分析

采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术制备的大尺寸、高质量单晶金刚石材料具备卓越的物理化学性能,在珠宝、电子、核与射线探测等消费品、工业和国防科技领域极具应用前景.研究发现在化学气相沉积单晶金刚石生长过程中,在衬底与外延层之间,以及生长中途停止-继续生长的生长层之间出现明显的界面区.本文采用偏光显微镜、拉曼光谱、荧光光谱(PL)等手段对界面区域进行了测试分析,界面区在偏光显微镜下表现出因应力导致的亮区,且荧光光谱(PL)及其线扫描显示该区域的NV色心含量远高于衬底及其前后外延层,表明该界面区具有较高的缺陷和杂质含量.结果表明在生长高品质单晶金刚石初期就应当采取一定手段进行品质调控,并尽量在一个生长周期内完成制备.     

有序纳米半导体量子点的自组织生长

纳米半导体量子点以其所具有的新颖光电性质与输运特性,正在各类量子功能器件中获得成功应用.作为纳米量子点的一种主要制备工艺,自组织生长技术正在受到人们的普遍重视.而如何实现具有尺寸与密度可控纳米量子点的自组织生长,更为材料物理学家们所广泛关注.因为这是由自组织方法形成的量子点最终能否器件实用化的关键.本文简要介绍了有序纳米量子点的自组织生长及其新近研究进展.     

低温AIN插入层降低硅基GaN膜微裂

为了降低MOCVD外延硅基GaN膜层中的应力、减少硅基厚GaN层的微裂；在高温GaN层中插入低温MN。低温MN插入层可平衡HT-GaN生长和降温过程引起的张应力，降低厚膜外延层的微裂，已研制出厚度超过1．8微米无微裂GaN外延层。本文重点研究了低温A1N生长温度对HT-GaN材料的影响，给出了较佳的LT-MN生长温度。采用扫描电子显微镜（SEM），原子力显微镜（AFM）和高分辨率双晶X射线衍射（DCXRD），对样品进行了测试分析。试验和测试结果表明低温A1N的生长温度至关重要，生长温度过低影响GaN晶体质量，甚至不能形成晶体；生长温度过高同样会影响GaN结晶质量，同时降低插入层的应力平衡作用；实验结果表明最佳的LT-MN插入层的生长温度为680℃左右。     

生长气压对分子束外延β-Ga2O3薄膜特性的影响

本文采用分子束外延技术在具有6°斜切角的c面蓝宝石衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜,系统研究了生长气压对薄膜特性的影响。X射线衍射谱和表面形貌分析表明,不同生长气压下所外延的薄膜表面平整,均具有(201)择优取向。并且,其结晶质量和生长速率均随生长气压增大而逐渐提高。通过X射线光电子能谱分析发现,生长气压增大使得氧空位的浓度大幅下降,高价态Ga比例增大,最终使得O/Ga原子数之比接近理想Ga₂O₃材料的化学计量比值。利用Tauc公式和乌尔巴赫带尾模型进行计算,结果表明随着生长气压的增大,样品的光学带隙由4.94 eV增加到5.00 eV,乌尔巴赫能量由0.47 eV下降到0.32 eV,证明了生长气压的增大有利于降低薄膜中的缺陷密度,提高薄膜晶体质量。     

ZnSe/ZnS 核壳结构量子点的制备与表征

采用外延生长法在低于 ZnS 晶体成核温度(120 ℃)的条件下,通过在ZnSe 量子点表面生长 ZnS,制备出结晶良好的 ZnSe/ZnS 核壳型量子点.通过 X 射线衍射(XRD),透射电镜分析(TEM)证实了核壳结构的生成.通过荧光光谱和紫外-可见光吸收光谱分析证实,核壳结构的形成改善了 ZnSe 量子点的荧光特性.通过改变反应温度、反应时间、反应物的用量等实验参数,可得到不同厚度ZnS壳层包覆的核壳型量子点.所制备的ZnSe/ZnS量子点具有良好的水溶性,可以分散形成稳定、澄清的水溶液.在紫外灯的照射下,溶液呈现明亮的蓝绿色荧光.     

影响半导体量子点生长因素的分析

生长高面密度和尺寸均匀的量子点是半导体量子点实用化的关键.本文在已有研究工作的基础上,从材料本身的特性和生长量子点时的外界条件两方面总结了影响量子点生长的各种因素,从原理上分析了控制量子点有序生长的可能性的几种方法.