基于单量子点与量子阱能量转移的室温电泵量子光源基础研究

According to quantum communication and quantum computing applications, room temperature, electrical injected single photon sources display important scientific significance and practical value. Up to the present, room temperature, electrical injected single photon sources have not been reported. We will etch photonic crystal holes into the electrical injected quantum well light-emitting materials, control the depth of the hole to reach the quantum well layer and introduce colloidal quantum dots in the photonic crystal holes. By controlling the concentration of quantum dots and making the electrode, the energy will transfer efficiency from quantum well light-emitting materials to quantum dots under the principle of Forster resonant energy transfer (FRET). Furthermore, we will research on emitting characteristics with high efficiency, room temperature electric injected single photon sources by reducing the concentration of quantum dots. Focusing on the interaction principle between quantum wells and quantum dots, using micro-processing technology, we will design, fabricate and detect electrical injected single photon sources, which will work at room temperature. This study is very innovative in working principle, fabrication technology and prototype devices. The implementation and completion of this project will make academic innovation and high-tech breakthroughs in quantum communication and quantum information process, make our country step into the international advanced level and promote rapid development in quantum communication and quantum information processing affairs.

面向量子通信和量子计算应用，室温的电注入单光子源的实现将具有重要的科学意义和实用价值。到目前为止还未看到室温下电注入单光子源的报道。我们将在电注入量子阱发光材料上制作光子晶体孔，控制孔的深度达到量子阱层，在光子晶体孔内引入胶体量子点，控制量子点浓度，制作电极，利用光子晶体增强量子阱发光与量子点的相互作用，利用共振能量转移原理(FRET)实现量子阱发光到量子点的高效率能量转移，实现量子点高效率电注入发光；通过减少量子点浓度，研究新型高效率、室温电注入单光子发射特性。本项目将采用量子阱与量子点的相互作用原理和微加工技术,设计、制作并表征电注入单光子源，并实现室温工作。该研究无论在工作原理上，实现技术以及原型器件上都是创新的。该项目的实施和完成，将在量子通信和量子信息处理中光源方面取得学术创新和高技术突破，达到国际领先水平，将推动我国量子通信和量子信息处理事业的快速发展。

面向量子通信和量子计算应用，室温的电注入单光子源的实现将具有重要的科学意义和实用价值。在这个项目支持下，研究建立了量子阱-量子点基于共振能量转移机制的电注入高效发光模型，研究并掌握了光子晶体结构GaN 量子阱与胶体量子点混合结构电注入单光子发射器件制作的工艺技术和方法，研制了GaN基光子晶体结构量子点混合型电注入发光器件，研究了光子微结构对量子点发光的调控作用，从理论和实验两方面研究了单光子发光特性。研究了量子点发光与光子微结构产生耦合的量子电动力学过程，研究并实现了量子点发光增强效果，为新型单光子源的实现提供原理和技术支持。研究了电注入和光泵浦条件下量子点发光过程带电激子和多激子产生机制，发现胶体量子点在刻蚀过的氮化硅材料上容易产生带电激子和多激子发光。研究了光子晶体结构InGaN/GaN量子阱与胶体量子点CdSe/ZnSe之间的能量转移效应。采用光刻和干法刻蚀方法GaN LED上的光子晶体结构，晶格常数为几百纳米的光子晶体孔阵列采用全息曝光方法。胶体量子点引入到GaN LED光子晶体的孔内或表面。分别采用电注入和光泵浦方法研究了量子阱与胶体量子点之间的能量转移，研究了能量转移效率随电注入时间、胶体量子点浓度和注入电流大小的变化关系，研究发现光子晶体对量子阱与量子点之间的能量转移效率有提高的效果。由测量的荧光寿命分析得到，量子阱与量子点见产生的共振能量转移效率达到88%，而产生了共振能量转移的电子-空穴对的比例达到42%。该研究可能为间接电注入的胶体量子点器件提供了简易可行的方法。研究了GaN 量子阱材料上低浓度和单个量子点发光特性。在加工有金属孔的GaN量子阱上引入低浓度胶体量子点后测试到荧光闪烁现象，得到单个量子点单光子发光特性。在相同的泵浦条件下，单量子点在GaN材料上的发光计数率比在二氧化硅材料上的要高，较强的计数率达到40000 cps。