CN107919604A - 日盲紫外单光子源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种日盲紫外单光子源及其制备方法，包括宽禁带半导体p型层、i型本征层、单量子点和n型层构成的量子点嵌埋pin纳米线或量子点嵌埋pin薄膜，pin结构中量子点的禁带宽度大于4.43 eV，且pin结构采用禁带宽度大于量子点的半导体材料，从而形成类量子阱结构以增强对单量子点的量子限制；本发明对于光泵浦和电泵浦两种激发方式均适用，既可垂直于衬底发射，也可平行于衬底发射，因此既可用于自由空间单光子源也可用于片上集成单光子源；其发射波长在小于280 nm的日盲波段，且宽禁带量子点适于室温乃至高温单光子发射，可广泛应用于量子信息、量子计算、量子成像、量子认证、近距离保密通信、量子精密测量相关领域。

Description

日盲紫外单光子源及其制备方法
技术领域
本发明涉及单光子源、量子保密通信、量子信息领域，具体是指一种日盲紫外单光子源及其制备方法。
背景技术
单光子源是一种能产生量子态光子的光源，是实现量子通信、量子模型、量子计算、量子存储等量子信息技术的重要手段。目前这些量子信息领域通常采用可见和近红外波段的单光子源。由于自然光和人造光源一般都在可见波段，热辐射则是在红外波段，使得当前领域的单光子源在应用中受到的背景干扰很大。
日盲紫外波段是波长小于280 nm的波段。在这个波段，太阳光在穿越地球大气层的过程中受到臭氧层的强烈吸收，基本上无法到达地面。因此除了闪电、爆炸等极端情况外在地球表面附近通常完全没有日盲紫外波段的光信号，工作在该波段的单光子源的相当于工作在天然的暗室之中，背景光干扰影响非常小，这对量子信息系统特别是量子信息微系统非常有利。由于受大气衰减的影响，日盲紫外光特别适合1公里范围内的短距离高安全性保密通信，超过这个范围后紫外光子则基本被大气全部吸收，在远方也无法对本地施行紫外干扰，因此对它进行远程干扰和侦听的可能性几乎为零。紫外光还可以通过弥漫在大气层中的微小颗粒进行散射传输，从而绕过一些障碍物，实现非视线通信。因此，日盲紫外光通信具有非常好的非视距传输和保密性能，非常适用于近距离抗干扰和有遮挡的通信环境。介于以上所述的诸多优点，日盲紫外单光子源在将来的片上集成量子芯片、短距离量子保密通信等领域都有望发挥重要作用。然而，当前单光子源的技术方案主要集中在近红外通信波段以及可见波段。对于小于280nm的日盲紫外波段单光子源尚无成熟方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种日盲紫外单光子源及其制备方法，该方案能在小于280nm的日盲紫外波段实现单光子源。
为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
日盲紫外单光子源，其结构设计为：在衬底上设置有由宽禁带半导体p型层、i型本征层、单量子点和n型层构成的量子点嵌埋pin纳米线或量子点嵌埋pin薄膜，在量子点嵌埋pin纳米线的两端或量子点嵌埋pin薄膜上下层分别是p型电极和n型电极。
所述的衬底的材质包括但不限于绝缘体、半导体、金属。对于从衬底正面向上出光的单光子源，为了适于量子点和纳米线的外延生长可以采用与纳米线同种类的半导体材料，为了提高正面出光效率可采用对发射光高反射率的金属材质或在衬底上镀高反射膜；对于穿过衬底向下出光的单光子源，采用对发射光透明的绝缘材质，并在衬底背面镀减反膜以提高出光效率。
所述的宽禁带半导体p型层、i型本征层、单量子点和n型层均采用宽带大于4.43eV的半导体材料，对应的发射波长小于280 nm，采用的半导体材料类型包括但不限于AlGaN、InAlN、InAlGaN、AlN、BN、Ga2O3、ZnMgO、MgO、ZnBeO、MgS、BeS、金刚石。这些宽禁带半导体量子点的激子束缚能通常较大，适用于室温乃至高温单光子发射。
所述的宽禁带半导体p型层、i型本征层和n型层均采用禁带宽度大于单量子点的半导体材料，以形成类量子阱结构以增强对单量子点的量子限制。所述的单量子点的尺寸不大于构成单量子点的半导体材料中的激子波尔半径，以产生量子限制效应，形成分立能级。
所述的量子点嵌埋pin纳米线可以采用选区外延生长方法，在衬底上先做好图形，再在其上选区生长p型层和i型本征层，然后生长一层几原子层到几纳米的量子盘作为单量子点，然后再依次生长完i型本征层和n型层，从而形成量子点嵌埋pin纳米线结构；也可以采用Top-down的方法，先生长出p型层和一部分i型本征层，然后在长出的一部分的i型本征层上生长一层几原子层到几纳米的单量子阱型薄膜或直接自组装生长量子点，之后再依次生长完i型本征层和n型层，最后采用电子束光刻或纳米压印结合刻蚀或腐蚀，形成量子点嵌埋pin纳米线结构。
所述的量子点嵌埋pin纳米线可以是直接垂直竖立于衬底也可以是生长完剥离下来转移后平躺在衬底上。对于垂直衬底的量子点嵌埋pin纳米线，产生垂直衬底的单光子发射，可以用于自由空间单光子源；对于平躺于衬底的量子点嵌埋pin纳米线，通过与波导耦合能产生平行于衬底的单光子发射，可用于片上集成单光子源。
所述的量子点嵌埋pin薄膜可以在p型层、i型本征层上采用外延自组装法生长量子点，然后再依次生长完i型本征层和n型层薄膜；也可以在p型层、i型本征层上旋涂胶体量子点，然后再依次生长完i型本征层和n型层薄膜。通过自组装工艺控制和胶体量子点浓度控制pin薄膜中量子点分布的密度，使每个量子点间隔足够远，发射的光子不会相互干扰。
所述的p型电极和n型电极可采用金属、类金属薄膜或透明导电膜，与宽禁带半导体p型层和n型层形成良好欧姆接触，实现电注入。所采用的电极材料包括但不限于Au、Ti、Al、Pt、Ni、Cr、石墨烯、ITO及它们的合金。对于垂直竖立于衬底的量子点嵌埋pin纳米线，采用SOG绝缘层将纳米线周围空隙填平后刻蚀出台面，从而在纳米线上下两端做电极；对于平躺在衬底上的纳米线，直接在其两端做电极。对于光泵浦方式，则电极可以不需要。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用禁带宽度大于4.43 eV的宽禁带半导体材料，可以实现发射波长小于280nm的单光子源，从而具备在日盲紫外波段应用的前景；这些宽禁带半导体量子点的激子束缚能通常较大，适用于室温乃至高温单光子发射。
2、本发明提出的日盲紫外单光子源对于纳米线中的量子点和薄膜中的量子点均适用；既可以形成垂直衬底发射的单光子源，也可以形成平行于衬底发射的单光子源，因此即可用于自由空间单光子源也可用于片上集成单光子源；
3、本发明提出的日盲紫外单光子源对于光泵浦和电泵浦两种激发方式均适用。
附图说明
图1为平躺于衬底的AlGaN量子点嵌埋纳米线日盲单光子源结构示意图，其中：101为Si衬底；121为p型Al0.6Ga0.4N纳米线；122为i型Al0.6Ga0.4N层；123为Al0.4Ga0.6N单量子点；124为n型Al0.6Ga0.4N纳米线；103为p型Au/Ti电极；104为n型Au/Ni电极；
图2为InAlN量子点嵌埋InAlGaN薄膜日盲单光子源结构示意图，其中：201为AlN衬底；221为p型In0.1Al0.7Ga0.2N薄膜；222为i型In0.1Al0.7Ga0.2N薄膜；223为In0.25Al0.75N量子点；224为n型In0.1Al0.7Ga0.2N薄膜；203为p型石墨烯电极；204为n型Au/Ni电极；
图3为垂直于衬底的ZnMgO量子点嵌埋纳米线日盲单光子源结构示意图，其中：301为MgO衬底；321为p型Zn0.6Mg0.4O纳米线；322为i型Zn0.6Mg0.4O纳米线；323为Zn0.4Mg0.6O量子点；324为n型Zn0.6Mg0.4O纳米线；303为p型石墨烯电极；304为n型Au/Ni电极；305为p型Zn0.6Mg0.4O薄膜；306为SOG。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
一种平躺于衬底的AlGaN量子点嵌埋纳米线日盲单光子源，如下图1所示，其中：103为Si衬底；121为p型Al0.6Ga0.4N纳米线，长度500 nm，直径40 nm；122为i型Al0.6Ga0.4N层，厚度20 nm；123为Al0.4Ga0.6N单量子点，由量子盘构成，盘直径与纳米线相同，为40 nm，量子盘厚度0.5 nm；124为n型Al0.6Ga0.4N纳米线，长度500 nm，直径40 nm；103为p型Au/Ti电极；104为n型Au/Ni电极。这种单量子点嵌埋纳米线结构先通过MOCVD在GaN衬底上选区生长，然后剥离后平躺到Si衬底上，然后在纳米线两端做电极。这种AlGaN量子点嵌埋纳米线日盲单光子源的发光波长在270 nm，发光方向沿着纳米线平行于衬底，可进一步与波导耦合形成片上集成单光子源，且AlGaN量子点激子束缚能高于室温26 meV，适于高温单光子发射，可用于量子信息处理、量子计算等芯片。
实施例2
一种InAlN量子点嵌埋InAlGaN薄膜的日盲单光子源，如下图2所示，其中：201为AlN衬底；221为p型In0.1Al0.7Ga0.2N薄膜，厚度200 nm；222为i型In0.1Al0.7Ga0.2N薄膜，厚度10 nm；223为In0.25Al0.75N量子点，通过MBE自组装方式生长，量子点高度2 nm，直径10 nm，密度为108 /cm2；24为n型In0.1Al0.7Ga0.2N薄膜，厚度100 nm；203为p型石墨烯电极；204为n型Au/Ni电极。这种结构先生长完量子点嵌埋pin薄膜，然后刻蚀台面露出p型层，然后在台面上下分别制备p型石墨烯电极和n型Au/Ni电极。这种InAlN量子点嵌埋InAlGaN薄膜的日盲单光子源发射波长256 nm，制备过程无需电子束光刻，工艺较简单，发光方向垂直于衬底，可用于自由空间单光子源，也可与光纤耦合。
实施例3
一种垂直于衬底的ZnMgO量子点嵌埋纳米线日盲单光子源，如下图3所示，其中：301为MgO衬底；321为p型Zn0.6Mg0.4O纳米线，长度300 nm，直径50 nm；322为i型Zn0.6Mg0.4O纳米线，长度10 nm，直径50 nm；323为Zn0.4Mg0.6O量子点，厚度为2个原子层，直径与纳米线一致，为50 nm；324为n型Zn0.6Mg0.4O纳米线，长度100 nm，直径50 nm；3为p型石墨烯电极；304为n型Au/Ni电极；305为p型Zn0.6Mg0.4O薄膜；306为SOG。这种结构通过Top-down方法制备。首先将Zn0.6Mg0.4O/Zn0.4Mg0.6O/Zn0.6Mg0.4O单量子阱刻蚀成直径50 nm的纳米线，形成量子点嵌埋纳米线结构，然后利用SOG将纳米线周围空隙填平，然后将SOG刻蚀成台面露出下层p型Zn0.6Mg0.4O薄膜，最后在台面上下分别制备p型石墨烯电极和n型Au/Ni电极。这种垂直于衬底的ZnMgO量子点嵌埋纳米线日盲单光子源发射波长205 nm，且其位置可控。
以上这些实施例仅是本发明的优选案例，本发明所主张的权利范围不局限于这些实施例，任何不脱离本发明的精神和范围的修改、变形都应属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.日盲紫外单光子源，其特征在于：包括衬底及衬底上的量子点嵌埋pin纳米线，所述量子点嵌埋pin纳米线包括宽禁带半导体p型层、i型本征层、单量子点和n型层构成，所述宽禁带半导体p型层、n型层分别位于i型本征层的两侧，单量子点嵌埋于i型本征层内；在量子点嵌埋pin纳米线的两端分别是p型电极和n型电极。
2.日盲紫外单光子源，其特征在于：包括衬底及衬底上的量子点嵌埋pin纳米线，所述量子点嵌埋pin薄膜包括宽禁带半导体p型层、i型本征层、单量子点和n型层构成，所述宽禁带半导体p型层、n型层分别位于i型本征层的两侧，单量子点嵌埋于i型本征层内；所述量子点嵌埋pin薄膜的上下层分别是p型电极和n型电极。
3.根据权利要求1或2所述的日盲紫外单光子源，其特征在于：所述衬底的材质采用绝缘体、半导体或金属。
4.根据权利要求1或2所述的日盲紫外单光子源，其特征在于：所述单量子点采用宽带大于4.43 eV的半导体材料，对应的发射波长小于280 nm；所述半导体材料的类型包括AlGaN、InAlN、InAlGaN、AlN、BN、Ga2O3、ZnMgO、MgO、ZnBeO、MgS、BeS或金刚石。
5.根据权利要求1或2所述日盲紫外单光子源，其特征在于：所述宽禁带半导体p型层、i型本征层和n型层均采用禁带宽度大于量子点的半导体材料，形成用以对单量子点的量子限制的类量子阱结构；所述半导体材料的类型包括AlGaN、InAlN、InAlGaN、AlN、BN、Ga2O3、ZnMgO、MgO、ZnBeO、MgS、BeS或金刚石。
6.根据权利要求1或2所述日盲紫外单光子源，其特征在于：所述单量子点的尺寸小于或等于构成单量子点的半导体材料中的激子波尔半径，以产生量子限制效应，形成分立能级。
7.根据权利要求1或2所述日盲紫外单光子源，其特征在于：所述量子点嵌埋pin纳米线垂直竖立于衬底上，发光方向垂直于衬底的。
8.根据权利要求1或2所述日盲紫外单光子源，其特征在于：所述量子点嵌埋pin纳米线是平躺位于衬底上，发光方向是平行于衬底的。
9.根据权利要求1或2所述日盲紫外单光子源，其特征在于：所述的p型电极和n型电极采用金属、类金属薄膜或透明导电膜，p型电极和n型电极分别与宽禁带半导体p型层、n型层形成欧姆接触，实现电注入。
10.根据权利要求1所述日盲紫外单光子源，其特征在于：首先采用自组装或选区外延生长法在衬底上生长p型纳米线，再在其上继续生长i型纳米线，然后在其上生长单量子点或单量子阱，其后依次生长i型纳米线和p型纳米线；其次将纳米线剥离后平躺到衬底上，最后在纳米线两端做电极。
11.根据权利要求2所述日盲紫外单光子源，其特征在于：首先采用外延生长法在衬底上生长宽禁带半导体p型层，然后在其上生长一层i型本征层，再在其上自组装生长量子点或旋涂胶体量子点，其后依次生长i型本征层和宽禁带半导体n型层，最后刻蚀台面结构并在台面上下分别制作p型和n型电极。
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