基于可控鍺量子點的硅基微納發(fā)光器件研究.pdf

1、光互連是一種通過光來高速傳遞信息的技術(shù)，它具有高傳輸速率、大傳輸帶寬等優(yōu)點，因此以光互連代替電互連將是今后的一大發(fā)展趨勢。硅基光互連技術(shù)因其超高傳輸速率、低功耗、高集成度、成熟的硅基工藝等優(yōu)勢，成為最有前景的下一代片上光互連方案。一個硅基光互連系統(tǒng)應(yīng)包括硅基光源、硅基光波導(dǎo)、硅基調(diào)制器和硅基探測器四大核心部件。由于硅是一種間接帶隙的半導(dǎo)體材料，發(fā)光效率低，不能為硅基集成器件提供光源。而鍺自組裝量子點具有易于制備、發(fā)光波長在通信波段內(nèi)、與

2、CMOS工藝兼容等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種可能實現(xiàn)硅基發(fā)光器件的途徑。量子通信網(wǎng)絡(luò)中以單光子為量子信號的載體，從物理上保證了所傳播信息的絕對安全。如果能將量子信息傳輸和處理所依賴的關(guān)鍵器件小型化、集成化，就有可能實現(xiàn)高速的保密通信。硅基光子芯片為高度集成化的量子信息傳輸和處理提供了一個良好的平臺。要實現(xiàn)下一代硅基集成的量子信息平臺，其核心課題是制備高性能的量子光源。單個鍺量子點光源是一種硅基量子光源的備選方案。
　　本研究主要內(nèi)容包括：

3、⑴探索開發(fā)了鍺硅材料的分子束外延生長工藝，摸索出一種“低溫+高溫”兩步法來生長多層高密度自組裝鍺量子點，量子點的面密度高達9×109 cm-2。利用電子束曝光和干法刻蝕制備了大周期的硅基納米坑圖形襯底，利用分子束外延在圖形襯底上生長出了低密度的定位單個鍺量子點。可控的單個鍺量子點在周期0.6?m~15?m的圖形襯底上均能生長出來。理論分析表明量子點在納米坑中優(yōu)先成核的動力學(xué)原因是納米坑內(nèi)存在表面化學(xué)勢的最小值。⑵開發(fā)了兩種高精度的電子束

4、曝光套刻標(biāo)記：二氧化鉿套刻標(biāo)記和 SOI襯底上的凹陷刻蝕標(biāo)記。兩種標(biāo)記均能與高溫工藝兼容，且對準(zhǔn)誤差均小于25 nm。將電子束曝光套刻與鍺量子點定位生長工藝結(jié)合起來，實現(xiàn)了硅基光子晶體微腔與單個鍺量子點精確耦合器件的批量制備，量子點與微腔中心的平均對準(zhǔn)誤差為22nm。⑶系統(tǒng)地表征了光子晶體微腔增強的單個鍺量子點的光致發(fā)光特性。在光子晶體L3腔的作用下，鍺量子點出現(xiàn)了共振熒光增強效應(yīng)；其中最強的諧振峰位于1498.8nm，增強因子約為13

5、00。據(jù)此估算器件的Purcell因子可達66，約為已報道微腔增強鍺量子點器件的10倍。單量子點與光子晶體微腔在空域和頻域上的精確對準(zhǔn)是高Purcell因子的主要原因。鍺量子點在低溫下較寬的熒光光譜主要來源于量子點內(nèi)部復(fù)雜的復(fù)合機制，包括空穴基態(tài)的直接和間接躍遷、空穴激發(fā)態(tài)的直接和間接躍遷。測試結(jié)果表明L3腔的M0發(fā)光峰來源于微腔基模與空穴基態(tài)發(fā)光的耦合；L3腔的M3發(fā)光峰來源于微腔高階模與空穴激發(fā)態(tài)發(fā)光的耦合。通過擬合器件的變溫光譜，

6、得到鍺量子點空穴基態(tài)和激發(fā)態(tài)發(fā)光的激活能分別為151和83meV。⑷制備并表征了金屬納米天線增強的鍺量子點發(fā)光器件。設(shè)計并制作蝴蝶結(jié)金納米天線陣列，在室溫下天線對鍺量子點在1577 nm處有4.2倍的發(fā)光增強。發(fā)光增強來源于天線的局域等離子體激元與附近量子點的強相互作用。依據(jù)發(fā)光增強因子及理論模擬得到的激發(fā)效率和光收集效率，可以估算出天線作用下的鍺量子點的平均內(nèi)量子效率提升8.09倍。⑸開發(fā)了循環(huán)高溫氧化退火實現(xiàn)鍺濃縮的工藝，提出一種結(jié)