CN112928187A - 一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法 - Google Patents
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Abstract
一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法涉及半导体光电器件技术领域，解决了未实现二维第三主族金属氮化物单光子发射的问题，方法为：利用分子束外延技术生长二维第三主族金属氮化物，通过调节生长条件和/或通过等离子轰击或电子轰击二维第三主族金属氮化物，以获得具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物；利用具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物制备单光子发射器件。目标点缺陷至少包括第三主族金属空位缺陷、带负电的第三主族金属空位缺陷、带正电第三主族金属反位缺陷中的一种。一种单光子发射器，采用上述方法制备。本发明能够制备具有高光提取效率、能够调节发射单光子的能量的单光子发射器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件技术领域，具体涉及一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法。
背景技术
控制单光子是量子信息技术的关键，发展基于半导体的单光子发射源是实现稳定单光子发射的重要手段。宽禁带半导体是制备单光子源的理想材料。目前，用于实现单光子发射的材料包括金刚石、碳化硅、III族氮化物等。然而，这些体块材料存在如下三个问题：1、宿主材料的反射指数高，导致激发效率低；2、发射出的单光子在宿主材料中的散射作用强，所以单光子提取效率低；3、体块材料的辐射寿命长，所以发光效率低。
二维半导体材料的特殊结构和光电性质，有望克服上述问题。首先，二维半导体的厚度仅为一个或几个原子层，这种整体开放性使所有原子都能暴露在光下，极大地增加了光吸收的效率，提升了激发效率。其次出色的透光性几乎消除了体相材料中的散射，因此便于提取发射的光子。第三，二维材料中的有效缺陷玻尔半径更小，缺陷级别变得更深，更局域，有利于单光子源的制备。第四，与体相相比，随着二维材料介电常数的减小，在二维半导体中辐射速率和振荡强度得到增强，这有助于提高两能态之间光学跃迁的量子效率。近年来，基于过渡金属二硫物，如MoS2和WS2，已经实现了单光子发射。但是，该材料的带隙通常在约1至2eV的范围内，限制了发射光子的能量。因此，发展基于二维宽禁带半导体的单光子发射源对推动该领域的发展具有重要意义。
发明内容
为了解决现有实现单光子发射的二维半导体材料限制了发射光子的能量的问题以及二维第三主族金属氮化物未实现单光子发射的问题，本发明提供一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法，包括如下步骤：
步骤一、利用分子束外延技术生长二维第三主族金属氮化物，通过调节二维第三主族金属氮化物的生长条件和/或通过轰击二维第三主族金属氮化物，以获得具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物，所述轰击为等离子轰击或电子轰击，所述目标点缺陷至少包括第三主族金属空位缺陷、带负电的第三主族金属空位缺陷、带正电第三主族金属反位缺陷中的一种；
步骤二、利用具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物制备单光子发射器件。
进一步的，所述第三主族金属为Al、Ga、In或Tl。
一种单光子发射器，所述单光子发射器采用所述的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法制备。
本发明的有益效果是：
本发明的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法实现了二维第三主族金属氮化物的单光子发射，采用分子束外延的方法得到二维材料，具有目标缺陷的二维AlN材料不仅可以在外延阶段获得，也可以在材料生长之后通过等离子或电子轰击获得，制备得到具有高光提取效率的单光子发射器。本发明单光子发射器能够调节发射单光子的能量。
本发明的二维第三主族金属氮化物作为二维半导体材料，克服了体块材料的缺点，利用二维第三主族金属氮化物高透光性率，提升激发效率；二维第三主族金属氮化物的开放结构能够避免发射的单光子被宿主材料散射，提高了光提取效率。二维第三主族金属氮化物带隙较宽、缺陷能级比体材料更深，能够有效地避免环境干扰，并能够调节发射单光子的能量。
附图说明
图1为本发明的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法的流程图。
图2为本发明二维六方AlN中具备双重态能级点缺陷能级图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法，包括如下步骤：
步骤一、利用分子束外延技术生长二维第三主族金属氮化物，通过调节二维第三主族金属氮化物的生长条件和/或通过轰击生长得到的二维第三主族金属氮化物，以获得具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物，上述轰击为等离子轰击或电子轰击。
具体为：在采用分子束外延技术生长(MBE)二维第三主族金属氮化物时调节生长条件，使得生长得到的具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物，也就是通过调节二维第三主族金属氮化物的生长条件调控缺陷类型和缺陷浓度。或者具体为：利用分子束外延技术生长二维第三主族金属氮化物，得到二维第三主族金属氮化物，利用等离子轰击或电子轰击二维第三主族金属氮化物，轰击获得具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物，也就是通过调控等离子束或电子束的参数调控缺陷类型和缺陷浓度。再或者为：在利用分子束外延技术生长二维第三主族金属氮化物时调节生长条件，通过调节二维第三主族金属氮化物的生长条件调控缺陷类型和缺陷浓度，得到的具有一定缺陷的第三主族金属氮化物，一定缺陷可包括二维第三主族金属缺陷和/或氮缺陷，再利用等离子轰击或电子轰击一定缺陷的二维第三主族金属氮化物，通过调控等离子束或电子束的参数调控缺陷类型和缺陷浓度，获得具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物。上述目标点缺陷至少包括下述三种中的一种：第三主族金属空位缺陷、带负电的第三主族金属空位缺陷和带正电第三主族金属反位缺陷。目标点缺陷为点缺陷，又称特定点缺陷。步骤二、利用步骤一得到的具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物制备单光子发射器件。
第三主族金属为铝Al、镓Ga、铟In或铊Tl，二维第三主族金属氮化物为AlN、GaN、InN或TlN，二维第三主族金属氮化物均为二维六方结构。下面以AlN进行详述。
一种基于二维六方AlN实现单光子发射的方法，如图1，包括以下步骤：
S1、对二维六方AlN中点缺陷的缺陷能级位置进行了第一性原理模拟，结果如图2所示，向上的箭头代表自旋向上，向下的箭头代表自旋向下，实心箭头代表占据态，空心箭头代表未占据态。可知Al空位缺陷VAl、带负电的Al空位缺陷VAl -和带正电Al反位缺陷NAl +都可以在材料的禁带中引入双能级系统，适合作为单光子发射中心。
S2、通过分子束外延的方法进行二维AlN材料的生长，并且通过调节生长条件，如温度、反应腔压力、衬底材料等，调节二维AlN材料中的点缺陷结构及带电情况，得到具有Al点缺陷或N点缺陷的二维AlN外延片。
S3、通过等离子或电子轰击S2得到的具有一定点缺陷的二维AlN外延片，进一步制造材料缺陷，得到具有Al空位缺陷、带负电的Al空位缺陷和带正电Al反位缺陷的二维AlN材料。
S4、利用S3得到的具有Al空位缺陷、带负电的Al空位缺陷和带正电Al反位缺陷的二维AlN材料，制备基于二维AlN的单光子发射器件并进行性能测试。
一种单光子发射器，该单光子发射器采用上述的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法制备得到。。
本发明的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法采用分子束外延的方法得到二维材料，具有目标缺陷的二维AlN材料不仅可以在外延阶段获得，也可以在材料生长之后通过等离子或电子轰击获得，制备得到具有高光提取效率的单光子发射器。基于本发明的单光子源避免了体块半导体光源出光散射严重的问题，具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物，用于调控材料的光电性质。因此，该发明的方法具备多重价值。本发明的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法适用于制备二维AlN外延片、二维GaN外延片、二维InN外延片等，即制备AlN单光子发射器、GaN单光子发射器、InN单光子发射器。本发明利用二维第三主族金属氮化物高透光性率，提升激发效率；二维材料的发光效率高；二维第三主族金属氮化物的开放结构能够避免发射的单光子被宿主材料散射，提高了光提取效率；二维第三主族金属氮化物带隙较宽、缺陷能级比体材料更深，能够有效地避免环境干扰，并能够调节发射单光子的能量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用分子束外延技术生长二维第三主族金属氮化物，通过调节二维第三主族金属氮化物的生长条件和/或通过轰击二维第三主族金属氮化物，以获得具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物，所述轰击为等离子轰击或电子轰击，所述目标点缺陷至少包括第三主族金属空位缺陷、带负电的第三主族金属空位缺陷、带正电第三主族金属反位缺陷中的一种；
步骤二、利用具有目标点缺陷的二维第三主族金属氮化物制备单光子发射器件。
2.如权利要求1所述的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法，其特征在于，所述第三主族金属为Al、Ga、In或Tl。
3.一种单光子发射器，其特征在于，所述单光子发射器采用如权利要求1或2所述的一种二维第三主族金属氮化物实现单光子发射的方法制备。
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