半导体单量子点的分子束外延生长及调控
2023-07-13宋长坤黄晓莹陈英鑫余思远
宋长坤,黄晓莹,陈英鑫,喻 颖,余思远
(中山大学光电材料与技术国家重点实验室,广州 510275)
0 引 言
在光量子信息技术中,例如光量子计算[1-3]、安全的量子通信[4-6]及精密量子测量[7],光与物质相互作用的量子接口扮演着非常重要的角色。一方面,光子是良好的信息载体,单个光子具有偏振、频率、路径、轨道角动量及时间等自由度可以用来编码量子信息,且光子与环境的相互作用十分微弱,能够长时间保持相干性质,传输速度快,长程传输损耗低;另一方面,由于光子间的弱相互作用,需要通过局域的固态系统与单个光子建立纠缠,并将两个不同固态系统的飞行光子进行干涉,以实现光子和固态系统之间的纠缠交换。
被称为“人造原子”的半导体自组织量子点,集优良的光子-电子自旋特性于一身,被认为是制备高品质量子光源(光发射),以及构建可扩展性量子网络(光路由、光传输)最有潜力的固态量子体系之一[8-11]。首先,它可产生确定性的量子光源,单个量子点具有类原子的分立能级结构,发光性质稳定[12-13]。很多量子光学及量子信息的经典实验都在量子点体系中被验证,包括首次测到反聚束现象[14]、激子的Rabi振荡[15]、Hong-Ou-Mandel双光子干涉[16]、共振荧光[17-18]等。实验上已经能够实现单光子的确定性发射[19],产生线宽接近辐射极限的全同光子,用以制备飞行光子比特[10]。此外,它能够通过双激子级联发射过程产生严格的或者时间重定序的纠缠光子对[20-24]。其次,它可作为固态自旋比特载体。能够通过电学注入囚禁量子点中的单个电子或空穴[25-26],具有较长的相干时间[27-28],可实现高精度自旋态的制备[29-31],也可进一步将飞行光子比特和固态自旋联系起来,通过光学跃迁直接产生确定性的自旋-光子纠缠态[32]、光子簇态[33]。然而,如何进一步在半导体量子点体系中,实现可扩展的多量子比特的高效制备及相干操纵,并与其他的量子体系兼容,仍存在巨大的挑战。本文将从分子束外延生长的角度出发,探讨进一步提升单量子点材料品质的生长及精确调控方法。
S-K(Stranski-Krastanow, S-K)模式生长的In(Ga)As/GaAs量子点作为量子光源表现出优异的性能,具有极高的量子效率和接近变换极限的发射线宽[9,34-36]。然而,可靠的晶圆级生长技术一直是难点[37-39]。针对这个问题,在下文第1节中,介绍了S-K模式生长机理和一种低密度调控方法,这种方法在3英寸(1英寸=2.54 cm)晶片上实现了均匀低密度InAs/GaAs量子点生长[40]。
量子点的均匀性和对称性对于量子信息处理的性能至关重要。量子隐形传态、量子中继、量子计算均依赖于高保真度的多光子纠缠[16,41-42],而高质量纠缠光子源的制备必须克服由量子点形貌不对称/应力分布引起的精细结构劈裂(fine structure splitting, FSS)[42-43]。但是随机生长的自组装量子点在形成过程中不可避免地出现大小、组分及形状等差异[43-45]。目前已经提出了多种方法来改进量子点的均匀性和开发高度对称的量子点,比如采取快速热退火技术[46]、In-flush技术[47]、在InAs量子点覆盖薄AlAs抑制In偏析[48]、无应变局部液滴外延GaAs量子点[49]、在具有C3v对称性的(111)A晶体液滴生长InAs/GaAs或InAs/InP量子点[50-51],以及量子点的应变控制[52]等方法。在下文第2节中,首先介绍了常见的用以改善量子点的均匀性的In-flush技术,之后报道了一种利用AlGaAs薄层覆盖量子点的生长方法,这种方法不但改善了量子点的对称性,还减小了FSS,并且能够抑制浸润层的发光[53]。
远距离纠缠在各种量子技术中起着越来越重要的作用,如量子密钥分发[54]和量子互联网[55]等领域。它不仅有助于解决量子力学基础问题,如贝尔不等式,还促进了更大规模的量子通信和网络应用的实现。然而,在光纤传输中光子损失是一个困扰的问题。由于光信号在光纤中的衰减,可见光波长范围内的光子损失每公里超过3 dB,这对于长距离传输来说并不理想。在1 310和1 550 nm处有最小衰减的两个通信窗口,分别称为O波段(0.3 dB/km)和C波段(0.15 dB/km),适用于基于光纤的长距离通信,由于这两个窗口具有较低的太阳辐射和瑞利散射,它们也适用于自由空间通信[56]。因此,目前许多研究致力于在通信波长下产生单光子源。另一个实现远距离纠缠分发的方案是使用量子中继器[20],将距离划分为较短的环节,在各个环节上建立独立的量子存储器纠缠,并通过纠缠交换连接环节实现整体纠缠[57]。半导体量子点可以作为可靠的确定性单光子和纠缠光子对的光源,当光子的波长与自然原子系综的吸收峰相匹配时,可以将光量子比特存储在其中。实验中常用的自然原子系综包括Nd3+∶YVO4晶体(吸收线为879.7 nm)和Yb∶Y2SiO5晶体(吸收线为978.9 nm)[58-59]。然而,InAs/GaAs量子点的发射波长范围约在900 nm附近,与自然原子系综的吸收峰和通信波段不匹配。为了解决这个问题,在下文第3节中介绍了一种调控量子点发射波长的生长方法,即在InAs量子点顶部覆盖高势垒层或应变缓冲层。通过这种方法成功制备了发射波长在880和980 nm的高质量纠缠光源[53],实现了在通信波长下的单光子源的发射(1 320 nm)[60]。
电场调控在半导体量子点作为量子光源的发展中起到了极其重要的推动作用[61-63]。该技术的关键在于将量子点置于二极管结构中,通过施加电场来调控量子点的性质[64],例如调控光子发射波长[65-66]、可控地调节量子点电荷的能力[67]及电致发光[68]的产生等。这种电场调控技术的发展对于实现高效、可调控、高稳定性的半导体量子光源具有重要意义,同时也为研究量子点的基本物理性质提供了新的手段[69-71]。在第4节中,本文归纳了几类目前最为常见的电调控单个量子点的器件设计原理。
近年来,液滴刻蚀外延作为一种较为新颖的量子点生长方法越来越受到关注[72-73]。液滴外延与应力驱动的S-K模式外延不同,它不受固有晶格失配大小的限制。对于偏振纠缠光子源,通过局部液滴刻蚀 (local droplet etching, LDE)制造的GaAs/AlGaAs量子点具有出色的光学特性,如接近于零的FSS和短激子辐射寿命[74-75]。在下文第5节中,首先介绍了LDE外延机理,之后展示了纳米孔结构的形态演变及制备FSS极小的GaAs量子点的方法[76]。在第5节最后一部分,介绍了一种液滴蚀刻制备InAs单量子点的方法[77]。
1 低密度InAs/GaAs量子点外延生长
半导体量子点的制备主要采用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)和金属有机物化学气相沉积技术[78]。MBE生长可以利用反射高能电子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)设备原位监控量子点的形成过程[79],成为制备半导体量子点的主导技术。外延生长低密度量子点需要对生长条件进行高度精确的控制,生长参数(如生长温度[80]、沉积量[81]或束流[82])细微的偏差都会影响量子点的质量和均匀性。这使得控制量子点的密度和尺寸变得具有挑战性,尤其是在晶圆级别的生长制备上。
1.1 S-K生长模式
S-K模式是生长量子点最常用的技术[83-85]。在S-K生长模式下,量子点的形成是衬底和外延生长层之间的晶格失配产生的应力积累导致的。图1显示了S-K量子点形成过程,最初,量子点材料以逐层的二维模式生长在缓冲层上形成浸润层;晶格失配导致的应力随着浸润层厚度的增加逐渐积累,浸润层生长到一定的厚度后(通常小于两个原子单层),二维生长不能补偿积累的应力能,浸润层生长结束;之后开始通过三维岛状生长的方式释放应力,形成量子点。该方法需要缓冲层和量子点材料具备合适的晶格失配,在GaAs上生长InAs量子点,由于存在较大的晶格失配(~7%),成为了研究S-K模式的范本[12-13]。
图1 S-K量子点形成过程示意图Fig.1 Schematic process showing the formation of S-K quantum dots
1.2 低密度InAs/GaAs量子点生长
目前最常见的实现低密度量子点的方法是梯度生长法,即在生长量子点时样品停止旋转,由于束流在样品不同的位置通量不同,在衬底上形成密度梯度分布的量子点[86]。然而,这种方法分布将导致衬底上只有一小部分区域的密度是合适的(<1 mm),其他区域密度太高或者几乎没有量子点,造成样品利用效率低。这里介绍一种精确的均匀低密度量子点的生长方法,即通过监测衬底的温度分布,精确控制InAs沉积量和生长温度[40]。
这个方法的关键是精确的控制InAs从二维浸润层到三维量子点的临界转变。通常使用RHEED进行原位监测,当RHEED图像从条纹变成点阵的再构图形时,认为InAs外延层从二维生长变成三维生长[79],此时的InAs淀积量θc称为临界生长厚度。样品的生长次序是:先在半绝缘的GaAs衬底上同质外延GaAs缓冲层,接着生长InAs量子点,随后生长GaAs覆盖层。图2(a)显示了不同InAs淀积量的光致发光(photoluminescence, PL)谱线,表明量子点的沉积量在一个合适的范围能够观察到单量子点谱线。在这个实验中,83%θc的沉积量,量子点密度合适,波长中心在900 nm左右。低于这个沉积量,量子点太小不发光[82];高于这个沉积量,量子点的密度过高,难以在荧光中分辨出单个点的发光。
图2 3英寸衬底外延低密度InAs/GaAs量子点[40]。(a)不同InAs量子点的沉积量的PL光谱;(b)晶圆上的温度分布;(c)量子点在晶圆上的密度分布;(d)衬底不同区域的量子点荧光成像和对应的PL光谱Fig.2 Epitaxial low-density InAs/GaAs quantum dots on a three-inch wafer[40]. (a) PL spectra of different deposited amounts of InAs quantum dots; (b) temperature distribution on the wafer; (c) density distribution of quantum dots on the wafer; (d) fluorescence imaging of quantum dots in different regions of the substrate and the corresponding PL spectra
除此之外,衬底温度也是生长低密度InAs量子点的重要参数,因为它影响了In原子的吸附、解吸、迁移过程。为了获得晶圆级的样品,需要了解衬底的温度分布。通过对比衬底中心在不同温度(低温生长区,此时InAs的解吸附可以忽略)下生长的量子点密度,发现量子点密度几乎线性地随生长温度的增加而减小,因此,可以由量子点密度和温度的关系推断出整个3英寸衬底的温度分布(见图2(b))。最终通过精确控制InAs沉积量和生长温度,成功地在3英寸晶圆上实现了用于单光子发射器的晶圆级低密度InAs/GaAs 量子点,如图2(c)、(d)所示,在2 cm的半径范围内InAs/GaAs量子点密度低至0.96 μm-2,在这个范围内荧光成像可以分辨出单个量子点并观察到单量子点的PL谱线。
2 高均匀性和对称性的InAs/GaAs 量子点外延生长
2.1 In-flush技术提高量子点的均匀性
在提高量子点均匀性的方法中,In-flush技术是较为常见的一种[47,87]。过程如图3(a)所示,在GaAs上生长完InAs量子点后,在量子点上低温沉积特定厚度的GaAs盖层,用以部分覆盖InAs量子点,然后迅速提高衬底温度,使盖层上多余的量子点材料蒸发,从而产生具有GaAs盖层控制高度的量子点,实现InAs量子点的精确高度控制[88-89]。In-flush过程中GaAs覆盖层厚度会影响量子点的均匀性和发光波长。图3(b)总结了不同GaAs覆盖层厚度各约120个量子点的PL测量结果,发现GaAs覆盖层厚度为4.5 nm时展宽最小,发射波长均匀性最好。覆盖层太薄将使量子点在In-flush过程中减小太多而不发光,太厚则In-flush过程不起作用。更薄的GaAs盖层会出现波长蓝移,原因是在In-flush过程中减少了量子点的尺寸,增大了单个量子点的带隙[90]。
2.2 AlGaAs盖层改善InAs/GaAs量子点的对称性
量子点的对称性与FSS,以及其作为纠缠光子对源的性能之间存在密切关系。FSS是指量子点的电子和空穴交换相互作用引起的激发态能级劈裂现象,量子点的激发态退简并为两个线偏振的本征态。在理想情况下,量子点具有高度对称性,例如三角形量子点的C3v对称性或者柱形量子点的D2d对称性,此时激子的两个态具有不可约的表示,所以它们的能级是简并的[44]。然而,在实际情况中,量子点的对称性常常会被破坏,例如由于形貌的不对称性或应力分布的不均匀性等因素[42]。这种对称性的破缺会导致激发态能级的FSS增大。当FSS超过光子的本征辐射线宽时,纠缠光子对的产生被限制。这种情况下,为了有效地产生纠缠光子对,可以采取一些策略:比如通过引入外部电场[65],可以调整量子点的势能,改变电子和空穴的波函数叠加情况,从而减小FSS;或者通过调控量子点所处的应力分布[20],可以影响电子和空穴的受限状态,从而减小FSS。另一方面,在S-K生长模式中,耦合到量子点的二维浸润层的存在几乎是不可避免的。浸润层和量子点的电荷载流子通常会存在库仑相互作用,从而导致量子态的杂化,使得量子点不是理想的单光子源[91-92]。
图4 不同组分的AlGaAs盖层对InAs/GaAs量子点对称性的影响[53]。(a)样品A~F的形态学特性;(b)样品A~F的光学特性;(c)样本B~F中的平均FSS值;(d)没有In-flush步骤下量子点的PL光谱和FSS值;(e)能带结构和电子/空穴波函数模拟计算结果Fig.4 Influence of different AlGaAs capping layers on the symmetry of InAs/GaAs quantum dots[53]. (a) Morphological characteristics of samples A~F; (b) optical properties observed in samples A~F; (c) average FSS values across samples B~F; (d) PL spectra and corresponding FSS values for quantum dots grown without the In-flush step; (e) band structure and simulated electron/hole wavefunction calculations
3 InAs/GaAs量子点波段可调外延生长
半导体量子点在量子存储和通信中发挥重要作用,但需要匹配特定波段才能实现有效储存和传输光量子比特[56]。目前还缺乏关于制备产生的波长在980 nm附近的量子点纠缠光源的报道。这个波段与稀土离子掺杂的吸收性量子存储器的吸收线相匹配[59,94]。
这里介绍一种简单的波段调控方法,通过在量子点上方引入应变层来改变量子点的发射波长[40,53,60]。对于通过S-K模式生长的InAs/GaAs量子点,常见的结构如图5(a)所示,InAs量子点夹在两个高势垒的GaAs阻挡层之间。可以通过控制量子点的沉积量或者衬底温度等生长条件改变量子点的大小[80-81],从而发射不同波长。然而由于固有晶格失配的限制,仅改变生长条件调控波长的范围有限。单个InAs/GaAs量子点的发射波长通常在900 nm左右(见图5(a))[40]。为了与量子储存的Yb∶Y2SiO5晶体的吸收线(978.854 nm)相匹配及制备更长波段的通信波段量子光源,需要将发射波长红移。通过在InAs量子点顶部覆盖一个InGaAs应变缓冲层,实现了980和1 320 nm波长的发射,生长结构如图5(b)、(c)所示。具体方法是沉积量子点后,用InxGa1-xAs(x一般小于0.25)层覆盖量子点。InGaAs的晶格常数比GaAs大,从而降低了量子点上的应变[95-96]。例如,4.5 nm的In0.17Ga0.83As可以将波长红移至980 nm,8 nm In0.17Ga0.83As可以将波长红移至通信波长1 320 nm。同理,在量子点上方覆盖更高势垒的应变层可以将量子点的发射波长蓝移。如图5(d)所示,在量子点上方沉积0.5 nm的Al0.2Ga0.8As将波长蓝移至880 nm左右,与Nd3+∶YVO4晶体的吸收线相匹配。
图5 不同波段量子点生长结构和对应的单量子点PL光谱[40,53,60]Fig.5 Structure of quantum dot growth at different wavelengths and corresponding single quantum dot PL spectra[40,53,60]
4 电调可控的量子点单光子源
电调控的半导体量子点器件能够实现载流子注入、电荷受控填充或发射波长调谐。图6显示了4种最常用的p-i-n器件设计和对应能带结构,以及外部偏压函数的发射光谱[64]。分别是电致发光二极管[97]、波长调控二极管[98]、电子调控二极管[99]和空穴调控二极管[34]。其中,对于GaAs Ⅲ-Ⅴ族材料体系而言,pn掺杂层是在外延生长过程中引入铍或碳作为受体,或硅作为施主杂质创建的,通过在掺杂层制备欧姆接触,外加偏压沿生长方向改变量子点中的电场。
图6 电调可控的二极管中单量子点的器件设计和对应能带结构,以及外部偏压函数的发射光谱[64]Fig.6 Device design, corresponding energy band structure and emission spectra of external bias function for single quantum dots in electrotonically controllable diodes[64]
传统的发光二极管结构如图6(a)所示,由n-i-p GaAs和InAs量子点组成,InAs量子点插入GaAs本征区[97]。它能够将量子点的单光子发射特性与二极管结构的电流驱动能力相结合[34]。施加正向偏压时,电流将通过器件,当电流增加时,载流子可能被量子点捕获并辐射复合,这通常被称为电致发光。改变量子点两侧本征区的厚度可以平衡电子和空穴的注入,使n和p掺杂区域中的载流子与单个量子点中的能级共振,允许将电子空穴共振隧穿注入到特定量子点中,从而有可能实现类共振电驱动的单光子发射[68]。这种基于量子点的电驱动单光子源有助于简化庞大的激光激发系统,并使量子点在片上量子器件中的应用更有价值[61]。
量子点在外部电场的作用下,还会出现量子受限斯塔克效应,即半导体能带倾斜,电子-空穴对空间分离,导致基态能级改变,从而改变发光波长[65,98]。为了构建可扩展的固态量子网络,需要将不同量子点的共振波长调谐到目标波长,以创建高度难以区分的光子[41,100]。在电致发光二极管中,In(Ga)As量子点和周围的GaAs材料之间的低势垒限制了施加电场的大小,最大只能施加约20 kV/cm。更强的电场将会使载流子隧穿出量子点,引起发光效率下降[34]。因此,通常的斯塔克位移能量仅约为1 meV。一个衬底上生长的量子点产生的波长分布约为10 meV[101],量子点单个谱线的线宽范围为1~5 eV,所以找到明显重叠的量子点的机会很小。将量子点嵌入GaAs/AlGaAs量子阱中心可以大幅增加波长调控范围,如图6(b)所示。这种结构不仅保留了InGaAs/GaAs量子点系统的优点,而且即使在存在较大的垂直电场情况下也能够限制载流子,从而导致高达25 meV的能量偏移[98]。同时,量子点的电子和空穴在电场下的概率密度分布改变不同,调控电场还可以减小激子的FSS,产生不可分辨的纠缠光子对[102]。
另一种常见的结构是电荷调节结构,通过确定性方式将有限数量的电子或空穴注入量子点中。如图6(c)、(d)所示,在这两种情况下,InAs量子点和AlGaAs阻挡层之间都有几纳米厚的GaAs层以保持光学质量[103-104]。对于电子(空穴)调控器件,在量子点和p(n)接触之间有高Al含量的阻挡层,防止空穴(电子)隧穿进入量子点。通过施加偏压改变n(p)层的费米能级,当n(p)层的费米能级与量子点的电子能级对准时,允许电子(空穴)通过约30 nm厚的GaAs势垒隧穿进入量子点[99]。例如施加偏压会导致单个电子隧穿进入量子点,在PL光谱中出现X-跃迁[105]。在外部偏压进一步增加之前,更多的电子隧穿进入量子点在能量上是被禁止的,这是由于被困在零维限制势中的电子具有库仑排斥能。类似的论据也可以用于图6(d)中的空穴调控器件[34,103]。这种电荷调节器件提供了对量子点电荷状态的控制,能够将电荷噪声降至很低,产生将近自然光学线宽的单光子[34]。作为外部偏压函数的发射光谱也揭示了有关量子点内部能级的大量信息[69-70],并允许研究量子点能级与费米海之间的耦合[71]。
5 局部液滴蚀刻外延制备量子点
5.1 Al液滴蚀刻制备GaAs量子点
在过去的几年中,通过LDE方法生长无应变的量子点在纠缠光源方面表现出巨大的优势[49]。具体生长过程如图7(a)所示,首先在(Al)GaAs衬底上高温沉积Al液滴或者In液滴(缺As环境下)。以AlGaAs表面沉积Al液滴为例[49,75,106]:AlGaAs在液-固体界面分解为Al/Ga和As,沉积的Al与从AlGaAs分解的金属原子形成Al/Ga液滴,由于浓度梯度驱动的作用,As原子向液滴扩散并溶入液滴;当As浓度超过在液滴中的溶解度时,As原子在液滴边缘重新与Al/Ga原子形成AlGaAs结晶,还有一部分的Al/Ga原子会扩散出液滴;在重新提供As源之后,结晶加速,延长退火/蚀刻时间,可以将Al/Ga金属都重新结晶,完全去除纳米孔底部的所有残留金属,最终形成纳米孔和在其周围的环形小丘的结构;之后往纳米孔中填入GaAs并重新生长AlGaAs盖层,便完成了液滴量子点的生长。这一外延技术的优势[74-75]在于:1)液滴外延与应力驱动的S-K模式不同,可兼容同质材料体系;2)由于非应力驱动,不受固有晶格失配大小的限制,量子点的大小、形状和密度的调控范围大,即对应着更丰富的单光子发射调控,包括FSS、波长等;3)由于高温生长,晶格的缺陷小,量子点的发光性能好。
5.2 In液滴蚀刻制备InAs量子点
本节介绍一种In液滴蚀刻纳米孔获得的InAs量子点的方法[77]。为了得到用于填充的纳米孔洞,需要精确控制刻蚀过程中砷通量的中断时间及刻蚀温度,为了实现纳米孔内的单量子点,需要精确控制InAs的沉积量。
In液滴在高温下刻蚀底层GaAs形成纳米孔,首先探讨不同的As中断时间对刻蚀过程的影响。In液滴沉积后立即暴露于As原子时,In液滴直接转化为In(Ga)As晶体。中断时间增加(2 min),大多数液滴扩散并迁移到一起,形成一个更大的液滴。当进一步增加中断时间(6 min),较大的液滴与底层的砷化镓能够充分反应,形成纳米孔。温度也是影响刻蚀的关键因素,较高生长温度下表面的In吸附的原子具有更长的扩散长度,导致更大和更低密度的液滴。在较高生长温度(600 ℃)下,较大的液滴能够刻蚀形成的纳米孔。逐渐降低沉积温度(550 ℃),纳米孔与小液滴同时形成。沉积温度太低(520 ℃)时,In液滴太小被限制与底层GaAs反应,导致无法形成纳米孔。
InAs的沉积量与密度相关,沉积量过高会在一个纳米孔内有多个量子点共存。InAs的沉积量在0.4MLs时,能够在一个纳米孔内沉积一个量子点,如图8(a)的AFM照片所示,对应的PL光谱的单根谱线也证明了单个量子点的存在。在32个量子点的PL测试中,量子点发射波长在885~865 nm,系综展宽仅为12 meV(见图8(b))。对于最对称的量子点,测量的激子FSS只有(4.4±0.8) μeV,g(2)(t=0)值为0.143±0.034(见图8(c))。
图8 In液滴蚀刻制备InAs量子点[77]。(a)单量子点形貌图和PL光谱;(b)15个量子点代表性的PL光谱和32个量子点的能量分布;(c)最对称量子点的FSS值和g(2)值Fig.8 InAs quantum dot fabrication by In droplet etching[77]. (a) Single quantum dot morphology map and PL spectra; (b) PL spectra of 15 quantum dots and energy distribution of 32 quantum dots; (c) FSS value of the most symmetric quantum dots and the corresponding g(2) value
6 结语与展望
过去三十年,通过先进的分子束外延技术,包括S-K模式生长和液滴外延,研究人员见证了量子点从概念到应用的快速发展。在量子信息领域,半导体量子点已被认为是单光子源和纠缠光子源的优秀候选者之一。在外延生长方面,未来需重点解决:1)精确控制量子点的位置。由于自组织量子点在生长过程中是自发形成的,其位置随机分布,为了进行大规模的集成加工,如何在保证良好的量子点单光子光学性质前提下,实现大面积、确定性的量子点定位生长,是目前量子点生长技术亟待解决的问题。2)通过p-i-n结构实现电荷环境和波长的精确调控。为了抑制电荷噪声,可以通过将量子点嵌入到p-i-n二极管,引入库仑阻塞来锁定电荷状态,从而抑制电荷波动。或者引入斯塔克效应调节量子点发光波长。然而,这两种调控分别对应不同的器件结构。开发出能在同一个器件中实现电荷锁定和波长调节的方式也是非常有必要的。3)量子点的多维调控。为了制备多量子比特和构建可扩展性量子网络,单光子源不可避免地要求能够同时调控量子点的位置、密度,以及波长、带电状态和精细结构劈裂等。现在的调控手段往往只能仅针对其中的一两个方面,如何从多个维度调控量子点,也是一个急需解决的问题。