研究人員在每個microLED (μLED)都能以電子分別控制的大型陣列複製出微米級結構。根據《自然光子學》(Nature Photonics)期刊中的「選擇性載子注入金字塔形量子點圖形陣列,實現糾纏光子LED」(Selective carrier injection into patterned arrays of pyramidal quantum dots for entangled photon light-emitting diodes)一文,研究人員表示,這種結構能應用並整合至基於光子的量子電腦——在量子電腦中,極化的糾纏光子理論上可被用於編碼量子資訊。

原始製造製程包括分別在大約5um的寬的(111)B GaAs基板上,以微影圖案化倒金字塔形凹槽內的量子點(QD)外延生長。透過許多金屬有機氣相外延(MOVPE)步驟,幾種不同組成的III-V (Al) GaAs薄層和InGaAs QD薄層在不斷縮減的金字塔形凹槽內部進行自組裝過程。

根據該研究報告,複雜的外延動態分別產生三種嵌入式低能隙垂直量子阱(VQW),以及直徑約20nm的垂直量子線(VQWR)。

20161125 uled NT01 頂端朝上幾何形狀的金字塔結構 (來源:Roisin Kelly,Tyndall National Institute、University College Cork)

此外,InGaAs薄層形成一組互連的奈米結構:在結構中心軸的平坦QD、三個側向量子線(LQWR),以及三個側向量子阱(LQW)。

研究人員藉由回蝕原始基底,使其恢復至頂端向上的金字塔結構,從而較內部打造的嵌入式元件提高幾個數量級的光線擷取。接著設計頂部與底部觸點,以便選擇性地在金字塔結構中央的單個QD中注入電流,關鍵在於利用自校準技巧,從而讓元件易於實現大規模製造。

20161125 uled NT01P1 (左上)經化學蝕刻步驟的金字塔結構;(左下) p-i-n接面結構的LED;(右)具有量子點的金字塔中央部份放大圖。外延層包含具有形成垂直量子線(VQWR)的AlGaAs合金結構。箭頭部份表示通過VQWR的注入電流。 (來源:Roisin Kelly,Tyndall National Institute、University College Cork)

透過接觸所有的μLED,研究人員得以為大約1,300μLED進行大量分析,但也計劃分別控制μLED以實現更佳性能選擇性,以及補償製程的不均勻性。

理想上,針對量子資訊處理,研究人員希望使用μLED,作為糾纏光子完全不可區別的來源。光子擷取效率也相當低,大約是1%左右,因此,研究人員期望透過使用不同的技巧(如內建材料的應力與電場)加以改善。

愛爾蘭丁鐸爾國家研究所研究人員Emanuele Pelucchi認為,研究人員所掌握的研究結果,將是為量子電腦處理任務整合量子光子電路的關鍵。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Pyramidal micro-LEDs output entangled-photons for quantum computing,by Julien Happich)