CN109713094A - 一种单光子光源的制备方法及元器件 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的一种单光子光源的制备方法及元器件，其中方法包括：在衬底材料上布置二维薄膜材料；在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置；对所述辐照位置进行重离子辐照，以使二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷；对重离子辐照后的二维薄膜材料进行高温退火，以使辐照产生的位移点缺陷形成孤立的发光中心。通过该方法获得的单光子光源具有更高的品质，并且通过重离子辐照与高温退火方法可有效的控制单光子数，且可保证制备的单光子光源具有良好的均匀性，光源谱型好，半高宽小，背景噪声低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料与量子通信技术领域，具体而言，涉及一种单光子光源的制备方法及及元器件。
背景技术
随着量子光学发展势头迅速且应用领域日益广泛，如今量子信息科学备受关注，应用领域包括安全通信、量子计算、量子仿真和量子计量等。在这些应用中，光子是一个尤其关键的物理量子，对单光子的制备目前常用的方法有：1、利用激光衰减法制备单光子光源。2、利用晶体生长的方法在半导体材料中生成尺度在纳米量级的量子点。空间上三维限制的量子点结构具有明显的量子限制效应，量子点在相空间内形成三维限制的分立能级，利用电子在分立能级之间的跃迁产生单光子。以上两种单光子的制备方法均存在单光子品质不高，光源谱型差的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种单光子光源的制备方法及元器件，通过重离子辐照及高温退火制备单光子光源，解决了现有制备方法制备额单光子光源品质不高，光源谱型差的问题。
第一方面，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
一种单光子光源的制备方法，包括：
在衬底材料上布置二维薄膜材料；对所述二维薄膜材料进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷；对重离子辐照后的所述二维薄膜材料进行高温退火，以使辐照产生的位移点缺陷形成孤立的发光中心。
优选地，所述对所述二维薄膜材料进行重离子辐照的步骤，包括：
在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置；对所述辐照位置进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷。
优选地，所述在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置的步骤，包括：
采用刻蚀方法在所述衬底材料上制作参考标记；通过所述参考标记定位所述二维薄膜材料上的辐照位置。
优选地，重离子辐照光斑直径为1-5微米。
优选地，重离子的离子能量为50-500MeV；重离子的线性能量传输值为1-100MeV·cm2/mg。
优选地，重离子辐照注量在1E7cm-2至1E10cm-2之间。
优选地，重离子辐照时的离子入射方向与所述二维薄膜材料表面的法向夹角为0-60度。
优选地，对重离子辐照后的二维薄膜材料进行高温退火时，采用的退火温度为400℃-800℃，退火时间为20-80分钟。
优选地，所述衬底材料为硅衬底，所述二维薄膜材料为氮化硼薄膜。
第二方面，基于同一发明构思，本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：
一种单光子元器件，包括：第一电极、第二电极、P型材料、N型材料、具有单光子发光中心的二维薄膜材料以及用于导出单光子发光中心的光信号的导模光纤；所述P型材料与所述N型材料位于所述二维薄膜材料的两侧，所述第一电极位于所述P型材料的远离所述二维薄膜材料的一侧，所述第二电极位于所述N型材料的远离所述二维薄膜材料的一侧，所述导模光纤连接到所述P型材料上的靠近所述单光子发光中心的位置。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种单光子光源的制备方法及元器件，与现有技术相比，其中方法通过在衬底材料上布置二维薄膜材料，然后在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置。对所述辐照位置进行重离子辐照，以使二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷。对重离子辐照后的二维薄膜材料进行高温退火，以使辐照产生的位移点缺陷形成孤立的发光中心，以此获得的孤立发光中心即为单光子光源。通过该方法获得的单光子光源具有更高的品质，并且通过重离子辐照与高温退火方法可有效的控制单光子数，因为辐照效应形成的位移点缺陷相互独立、一致性好，点缺陷形成孤立缺陷能级，俘获的激子以单光子形式发射，故相比于激光衰减法，可以有效地控制单光子数。且可保证制备的单光子光源具有良好的均匀性，光源谱型好，半高宽小，背景噪声低等优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的一种单光子光源的制备方法的流程图。
图2为本发明第一实施例中以参考标识为参考对对二维薄膜材料的辐照位置进行重离子辐照的应用示意图。
图3为本发明第二实施例提供的一种单光子元器件的结构示意图。
图标：10-单光子元器件；11-第一电极；12-第二电极；13-P型材料；14-N型材料；15-二维薄膜材料；16-导模光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
第一实施例
请参照图1，图1示出了本实施例中提供的一种单光子光源的制备方法的流程图。具体的所述制备方法，包括：
步骤S10：在衬底材料上布置二维薄膜材料。
步骤S20：对所述二维薄膜材料进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷。
步骤S30：：对重离子辐照后的二维薄膜材料进行高温退火，以使辐照产生的位移点缺陷形成孤立的发光中心。
在步骤S10中，所述的二维薄膜材料包括但不限于：氮化硼，氮化镓，砷化镓，金刚石和碳化硅等半导体薄膜材料。本实施例中，较优选的材料为氮化硼二维薄膜材料。
以氮化硼二维薄膜材料为例，在步骤S10之前即可采用化学气相沉积(CVD)的方法制备高质量的氮化硼晶体；然后可在超净手套箱内或其他洁净的环境中，采用机械臂结合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等有机聚合物在氮化硼晶体中机械剥离出单层或多层氮化硼二维薄膜，具体的可根据制备要求剥离出单层或多层的氮化硼二维薄膜。例如：
在步骤S10之后，可对二维薄膜材料层数进行表征，以便确认是否适合当前的需求层数。具体可采用拉曼光谱和原子力显微镜方法对转移到衬底上的二维薄膜材料的层数进行表征。
在步骤S20中，对所述二维薄膜材料进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷。其中具体包括：首先，可在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置；然后，对所述辐照位置进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷。
单光子光源的辐照位置的确定，可通过制作参考标识完成，如图2所示。具体如下：
采用刻蚀方法在所述衬底材料上制作参考标记。其中衬底材料包括但不限于蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)等，在本实施例中优选的为硅材料衬底。以硅材料衬底为例，可采用甩胶、固化、曝光、显影、定影、刻蚀、去胶等光刻刻蚀方法在衬底上制作参考标记，光刻工艺为现有的技术可直接采用。然后，通过所述参考标记定位所述二维薄膜材料上的辐照位置，避免直接对参考标记进行辐照，同时还便于在辐照后寻找对应的位移点缺陷。具体定位方式可以根据与参考标记的方向与距离进行确定辐照位置，保证辐照准确性，具体操作过程可通过采用金相显微镜，电子扫描显微镜等设备完成。
若为硅衬底，二维薄膜材料为氮化硅薄膜材料。在步骤S10中的布置二维薄膜材料方式可为：将单层或多层氮化硼薄膜转移到热氧化处理过的硅片等衬底上，以完成布置。
在步骤S20中，对辐照位置进行重离子辐照的具体操作可为，在高能重离子串列加速器微区辐照平台上通过参考坐标在二维薄膜上辐照位置进行微区重离子辐照。
辐照时，重离子辐照光斑直径为1-5微米；重离子的类型为硼，硅，锗或金，在本实施例中优选的为硅或锗。重离子的离子能量为50-500MeV；重离子的线性能量传输值为1-100MeV·cm2/mg。重离子辐照注量在1E7cm-2至1E10cm-2之间。重离子辐照时的离子入射方向与所述二维薄膜材料的法向夹角为0-60度。需要说明的是，上述的取值区间均包含端点值。在进行重离子辐照时将使二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷，该位移点缺陷在进行高温退火后就可作为单光子光源。
在步骤S30中，对重离子辐照后的二维薄膜材料进行高温退火时，采用的退火温度为400℃-800℃，退火时间为20-80分钟，需要说明的是，所述的取值区间均包含端点值。通过该退火工艺就可使辐照产生的位移点缺陷形成孤立的缺陷发光中心，该缺陷发光中心即为本发明的单光子光源制备方法制备的光源。
本发明提供的单光子光源的制备方法，实施简单、有效、可控、易集成、成本低；通过重离子辐照与高温退火方法可有效的控制单光子数，且可保证制备的单光子光源具有良好的均匀性，光源谱型好，半高宽小，背景噪声低等优点。
第二实施例
基于同一发明构思，本申请第二实施例中提供一种单光子元器件10，该单光子元器件10中的单光子发光中心可采用第一实施例中的单光子光源的制备方法制得。请参照图3，具体的，所述单光子元器件10，包括：第一电极11、第二电极12、P型材料13、N型材料14、具有单光子发光中心的二维薄膜材料15以及用于导出单光子发光中心的光信号的导模光纤16；所述P型材料13与所述N型材料14位于所述二维薄膜材料15的两侧，所述第一电极11位于所述P型材料13的远离所述二维薄膜材料15的一侧，所述第二电极12位于所述N型材料14的远离所述二维薄膜材料15的一侧，所述导模光纤16连接到所述P型材料13上的靠近所述单光子发光中心的位置。
在本实施例中，第一电极11、第二电极12、P型材料13和N型材料14的所采用的具体种类不作限制，所述二维薄膜材料15的具体种类可参见第一实施例中所提出的任一种，不作限制。
本实施例中的单光子元器件10，相比于现有激光脉冲衰减法制备的单光子光源和量子点单光子光源，本实施的单光子元器件10接近二维平面结构，采用P型材料13和N型材料14组成的P、N结构实现电致发光，易于器件集成和光纤耦合。此外，本实施例中的单光子元器件10的其他有益效果可具体参见第一实施例中所述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种单光子光源的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底材料上布置二维薄膜材料；
对所述二维薄膜材料进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷；
对重离子辐照后的所述二维薄膜材料进行高温退火，以使辐照产生的位移点缺陷形成孤立的发光中心。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述二维薄膜材料进行重离子辐照的步骤，包括：
在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置；
对所述辐照位置进行重离子辐照，以使所述二维薄膜材料内的原子发生碰撞产生位移点缺陷。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在所述二维薄膜材料上确定需要制备单光子光源的辐照位置的步骤，包括：
采用刻蚀方法在所述衬底材料上制作参考标记；
通过所述参考标记定位所述二维薄膜材料上的辐照位置。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重离子辐照光斑直径为1-5微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重离子的离子能量为50-500MeV；重离子的线性能量传输值为1-100MeV·cm2/mg。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重离子辐照注量在1E7cm-2至1E10cm-2之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重离子辐照时的离子入射方向与所述二维薄膜材料表面的法向夹角为0-60度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对重离子辐照后的二维薄膜材料进行高温退火时，采用的退火温度为400℃-800℃，退火时间为20-80分钟。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底材料为硅衬底，所述二维薄膜材料为氮化硼薄膜。
10.一种单光子元器件，其特征在于，包括：第一电极、第二电极、P型材料、N型材料、具有单光子发光中心的二维薄膜材料以及用于导出单光子发光中心的光信号的导模光纤；所述P型材料与所述N型材料位于所述二维薄膜材料的两侧，所述第一电极位于所述P型材料的远离所述二维薄膜材料的一侧，所述第二电极位于所述N型材料的远离所述二维薄膜材料的一侧，所述导模光纤连接到所述P型材料上的靠近所述单光子发光中心的位置。
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- 2018-11-27 CN CN201811423197.4A patent/CN109713094B/zh active Active
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