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Die Erfindung betrifft eine Einzelphotonenquelle mit (a) einem Quantenpunkt aus einem Halbleitermaterial, (b) wobei der Quantenpunkt geometrische Abmessungen dergestalt hat, dass das Leitungsband des Halbleitermaterials in diskrete Leitungsband-Energieniveaus degeneriert ist.
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Derartige Einzelphotonenquellen werden intensiv untersucht, da die Hoffnung besteht, dass mit ihrer Hilfe Quantenkryptographie betreibbar ist. Unter Quantenkryptographie wird das Übermitteln geheimer Nachrichten verstanden, bei denen aufgrund der Quanteneigenschaft der zur Übermittlung eingesetzten Photonen sichergestellt werden kann, dass ein Abhören unmöglich ist oder mit Sicherheit erkannt werden kann.
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Bisherige Einzelphotonenquellen aus Halbleitermaterial haben den Nachteil, dass sie bei maximal 200 Kelvin betrieben werden können. Der Grund dafür ist, dass diese Quellen auf Übergängen zwischen quantisierten Zuständen des Valenzbands beruhen. In Materialien mit derart kleiner Bandlücke, dass eine Wellenlänge nahe 1,55 µm erreicht werden kann, sind weitere höhere quantisierte Zustände vorhanden, die bei höheren Temperaturen besetzt werden und damit die Ausgangszustände für die Einzelphoton-Emission entvölkern. Für eine praktische Anwendung in der Quantenkryptographie sind derartige Einzelphotonenquellen aus diesem Grund nur wenig geeignet.
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Die P. Lefebvre und B. Gayral: „Optical properties of GaN/AIN quantum dots“, C. R. Physique 9, pp. 816–829 (2008) betrifft eine Untersuchung der besonderen optischen Eigenschaften von GaN/AIN-Quantenpunkten. Mittels Mikro-Photolumineszenz wurden die Eigenschaften von Ensembles und einzelnen Quantenpunkten untersucht. Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Intraband-Übergängen wurden die Elektronen-Interband-Übergange auf 0,8 eV, beispielsweise eine für Langstrecken-Telekommunikationsanwendungen gewählte Wellenlänge von 1,55 Mikrometern, eingestellt.
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In F. H. Julien, M. Tchernycheva und E. Monroy: „GaN/AIGaN intersubband optoelectronic devices at telecommunication wavelengths“, Proc. SPIE 7222, pp. 72220J (2009) wurden III-Nitrid-Intersubband-Vorrichtungen auf Basis von Quantentöpfen und Quantenpunkten untersucht. Beschrieben wird dabei unter anderem die Eignung von Quantenpunkten als unipolare Laser.
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Die
WO 2011/009 465 A1 betrifft eine Einzelphotonenquelle mit einem konischen Nanodraht aus einem Halbleitermaterial. Die Einzelphotonenquelle umfasst weiter eine erste und zweite Elektrode, die mit einem Photonenstrahler elektrisch gekoppelt sind. Der Photonenstrahler ist in den Nanodraht eingelassen und emittiert bei Aufbringen einer Aktivierungsspannung zwischen den Elektroden ein einzelnes Photon.
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Die Nevou et al.: „Intraband emission at λ ≈ 1,48 µm from GaN/AIN quantum dots at room temperature”, Appl. Phys. Lett. 92, pp. 161105 (2008) betrifft die Untersuchung einer Lichtquelle auf der Wellenlänge von λ = 1,48 µm bei Raumtemperatur.
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Die
US 2008/0 089 367 A1 betrifft ein optisches Gerät mit einem Mikrokavität-Lichtemitter, einer Monomode-Glasfaser und einer beweglichen Bühne, auf die der Mikrokavität-Lichtemitter montiert ist. Der Mikrokavität-Lichtemitter umfasst eine Anregungsenergie absorbierende und Laserlicht emittierende Halbleiter-Quantenpunkt-Struktur. Ein Teil des emittierten Laserlichtes wird in zumindest eine von zwei Abschnitten der Monomoden-Faser eingekoppelt.
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In S. Kako et al.: „A gallium nitride single-photon source operation at 200 K“, Nature Materials 5, pp. 887–892 (2006) wird der Einsatz von in Aluminumnitrid eingebetteten, epitaktisch gewachsenen Gallium-Nitrid-Quantenpunkten zur Emission von Einzelphotonen untersucht. Bis Temperaturen von 200 K, die nur durch thermo-elektrisches Kühlen erreicht wurden, wurde kontrollierte Emission (engl. „photon on demand“) von Einzelphotonen festgestellt.
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In S. Tomić, N. Vukmirović: “Excitonic and biexcitonic properties of single GaN quantum dots modeled by 8-band k·p theory and configuration-interaction method”, Phys. Rev. B 79, pp. 245330 (2009) wurden Exzitonen und Biexzitonen in GaN/AIN-Quantenpunkten mit speziellem Augenmerk auf ihre Anwendung in Einzelphotonenquellen hin theoretisch untersucht. Die theoretische Methodik für die Berechnung von Einteilchen-Zuständen basiert auf einem 8-Band-kp-Hamiltonian unter Berücksichtigung von Verspannung, Spin-Bahn-Wechselwirkung, Kristallfeldaufspaltung und Polarisationsfeldern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einzelphotonenquelle anzugeben, die bei Raumtemperatur betreibbar ist.
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Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Einzelphotonenquelle, bei der (c) die geometrischen Abmessungen dergestalt sind, dass ein Übergang von einem ersten Leitungsband-Energieniveau zu einem zweiten Leitungsband-Energieniveau mit einer Niveaudifferenz existiert, die einer Vakuumwellenlänge von mehr als einem Mikrometer, insbesondere von 1,55 ± 0,05 Mikrometern, entspricht, wobei (d) die geometrischen Abmessungen des Quantenpunkts dergestalt sind, dass der Übergang zwischen energetisch benachbarten Niveaus existiert, wobei die geometrischen Abmessungen insbesondere dergestalt sind, dass der Übergang zwischen energetisch benachbarten Niveaus ein Dipolübergang ist und wobei (e) die Einzelphotonenquelle einen Resonator umfasst, der ein erstes Reflektorelement und zumindest ein zweites Reflektorelement aufweist, die einen Resonatorraum begrenzen, wobei der Quantenpunkt im Resonatorraum angeordnet ist.
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Vorteilhaft an einer derartigen Einzelphotonenquelle ist, dass der Übergang, der zur Erzeugung des Photons ausgenutzt wird, zwischen zwei Leitungsband-Energieniveaus stattfindet. Das hat zur Folge, dass keine Zwischenniveaus existieren können, in die ein Übergang mit einem Photon einer nicht erwünschten Wellenlänge möglich ist.
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Der physikalische Hintergrund der Erfindung ist, dass bei bekannten Einzelphotonenquellen auf Halbleiterbasis das Photon durch Rekombination eines Elektrons aus einem Leitungsband-Energieniveau mit einem Loch eines Valenzband-Energieniveaus erzeugt wird, was, wie oben bereits beschrieben, bei hohen Temperaturen thermisch entvölkert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird das Photon durch einen Wechsel des Energieniveaus eines Elektrons erzeugt, wobei beide Energieniveaus im Leitungsband liegen. Es kann daher davon gesprochen werden, dass ein „Intersubband-Übergang“ genutzt wird. Das hat den Vorteil, dass der Infrarot-Spektralbereich jenseits von 1 Mikrometer für Einzelphotonen-Emissionen erschlossen wird. Glasfasern haben in diesem Bereich eine so kleine Absorption, dass Quantenkryptographie über praktisch relevante Abstände möglich wird.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass die erfindungsgemäße Einzelphotonenquelle direkt elektrisch betrieben werden kann. In anderen Worten wird das Elektron mittels eines elektrischen Feldes direkt oder indirekt auf das erste Leitungsband-Energieniveau gebracht. Ein optisches Pumpen ist entbehrlich, wenngleich möglich und von der Erfindung umfasst. Der direkte elektrische Betrieb führt zu einer besonders einfach aufgebauten Einzelphotonenquelle. Ein direkter elektrischer Betrieb ist weder für Atome in Paul-Fallen noch bei Einzelphotonenquellen auf Basis von Defektzentren in Festkörpern möglich.
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Ein weiterer Vorteil ist die hohe Übergangswahrscheinlichkeit der Intersubband-Übergänge, die eine hohe Photonenrate erlaubt, also einen geringen zeitlichen Abstand zwischen zwei erzeugten Photonen. Das führt zu einer hohen Übertragungsrate für ein System zur Quantenkryptographie.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einzelphotonenquelle aus einem Galliumnitrid/Aluminiumnitrid-Materialsystem aufgebaut. Dieses Materialsystem hat eine extrem große Diskontinuität des Leitungsbands. In anderen Worten sind die diskreten Leitungsband-Energieniveaus weit voneinander beabstandet. Das erlaubt Niveaudifferenzen im Bereich bis nahe an den sichtbaren Spektralbereich.
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Die geometrischen Abmessungen sind dergestalt, dass der Übergang zwischen energetisch benachbarten Niveaus existiert, wobei die geometrischen Abmessungen insbesondere dergestalt sind, dass der Übergang zwischen diesen energetisch benachbarten Niveaus ein Dipolübergang ist. Hieran ist vorteilhaft, dass parasitäre Übergänge in Zwischenniveaus ausgeschlossen sind.
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Die Elektronenquelle besitzt einen Resonator, der ein erstes Reflektorelement und zumindest ein zweites Reflektorelement aufweist, die einen Resonatorraum begrenzen, wobei der Quantenpunkt im Resonatorraum angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass der Emission des Photons eine Vorzugsrichtung eingeprägt werden kann, so dass eine Einkopplung in eine Glasfaser mit besonders hoher Effizienz gelingt.
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Insbesondere ist im Resonatorraum genau ein Quantenpunkt angeordnet. Besonders günstig ist es, wenn die Einzelphotonenquelle eine Glaserfaser-Einkoppelvorrichtung aufweist, die in Verlängerung einer Vorzugs-Austrittsrichtung des Resonators angeordnet ist. Unter der Vorzugs-Austrittsrichtung des Resonators ist diejenige Richtung zu verstehen, in die mit der höchsten Wahrscheinlichkeit ein vom Quantenpunkt emittiertes Photon abgegeben wird.
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Vorzugsweise hat der Quantenpunkt eine Höhe zwischen 0,5 und 4 Nanometern, insbesondere zwischen 1 und 2 Nanometern. Besonders günstig ist es, wenn der Durchmesser zwischen 5–25 Nanometern beträgt. Die Höhe des Quantenpunkts wird dabei in Normalenrichtung des Substrats gemessen. Derartige Quantenpunkte werden beispielsweise durch Selbstorganisation hergestellt. Ein besonders geeigneter Prozess wird weiter unten im Zusammenhang mit der 3 beschrieben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Einzelphotonenquelle eine Kontaktierung des Quantenpunkts und eine Spannungsquelle, die mittels der Kontaktierung mit dem Quantenpunkt verbunden ist, so dass der Quantenpunkt durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes zur Emission von einzelnen Photonen anregbar ist. Unter dem Merkmal, dass die Spannungsquelle mit dem Quantenpunkt verbunden ist, wird verstanden, dass der Quantenpunkt genau eine individuelle Kontaktierung besitzt. Würden zwei oder mehr Quantenpunkte mit ein- und derselben Kontaktierung mit der Spannungsquelle beaufschlagt, so könnte nicht sichergestellt werden, dass genau ein Photon erzeugt wird.
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Bei Betrieb mit Gleichspannung werden einzelne Photonen in zufälliger Folge erzeugt, durch Betrieb mit kurzen elektrischen Pulsen können einzelne Photonen auf Abruf („photon on demand“) erzeugt werden. Wünschenswert ist, die Wiederholrate der Emission einzelner Photonen bis in den Bereich von 1–100 Megahertz steigern zu können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einzelphotonenquelle,
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2 schematisch den Resonatorübergang und
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3 schematisch den Quantenpunkt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Einzelphotonenquelle 10 mit einem Quantenpunkt 12 aus einem Halbleitermaterial in Form von Galliumnitrid/Aluminiumnitrid, das auf einem Substrat 14 in einem Selbstorganisierungsprozess aufgewachsen wurde. Nachfolgend wurde der Bereich um den Quantenpunkt 12 ausgeschnitten, so dass das Substrat 14 erhalten wurde. Der Quantenpunkt 12 hat einen Durchmesser d von 1,5 Nanometern und eine Höhe, die senkrecht zur Zeichnungsebene gemessen wird, von 10 Nanometern.
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Der Quantenpunkt 12 ist mittels einer Kontaktierung 16 kontaktiert, die eine erste Elektrode 18 und eine zweite Elektrode 20 umfasst. Die Kontaktierung ist mit einer Spannungsquelle 22 mittels Kabeln 24, 26 verbunden. Mittels der Spannungsquelle 22 ist der Quantenpunkt 12 mit einer Spannung U mit einer Frequenz f beaufschlagbar, wobei die Frequenz f sowohl null sein kann (Gleichstrom) als auch größer als null und dann möglichst hoch liegt, wenn möglich im Megahertzbereich. Betreibbar ist die Einzelphotonenquelle 10 aber auch mit niedrigeren Frequenzen.
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2 zeigt schematisch den Resonatorübergang, wobei im linken Teilbild ein Interband-Übergang angedeutet ist, im rechten Teilbild ein Intersubband-Übergang. Im linken Teilbild ist unten das Valenzband 28 eingezeichnet, das aufgrund der Abmessungen des Quantenpunkts in diskrete Valenzband-Energieniveaus 30.1, 30.2, ..., 30.6 degeneriert ist. Selbstverständlich ist die Zahl sechs für die Energiegröße beliebig herausgegriffen, es können auch mehr oder weniger Energieniveaus vorhanden sein.
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2 zeigt zudem ein Leitungsband 32, das aufgrund der geometrischen Abmessungen in zwei diskrete Leitungsband-Energieniveaus 34.1, 34.2 degeneriert ist. Bei einem Interband-Übergang, wie er im linken Teilbild angedeutet ist, rekombiniert ein Elektron, beispielsweise aus dem Leitungsband-Energieniveau 34.1 mit einem Loch aus beispielsweise dem Valenzband-Energieniveau 30.6.
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Im rechten Teilbild von 2 ist ein Intersubband-Übergang dargestellt, bei dem Elektron von Leitungsband-Energieniveau 34.2 auf das Leitungsband-Energieniveau 34.1 fällt und dabei ein Photon 36 emittiert.
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1 zeigt schematisch dieses Photon 36, das sich auf ein erstes Reflektorelement 38 zu bewegt. Das erste Reflektorelement 38 bildet mit einem zweiten Reflektorelement 40 einen Resonator 42, der einen Resonatorraum 44 begrenzt. In Verlängerung einer Vorzugs-Austrittsrichtung R ist eine Glasfasereinkoppelvorrichtung 46 angeordnet, so dass das Photon 36 nach einer Reflexion am ersten Reflektorelement 38 in eine Glasfaser 48 einkoppeln kann.
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3 zeigt schematisch den Quantenpunkt 12. Der Quantenpunkt wird vorzugsweise selbstorganisiert mit Hilfe von epitaktischer Abscheidung dünner Schichten hergestellt. Dazu wird zunächst auf dem Substrat 14 eine Pufferschicht aus einem Barrienmaterial hergestellt. Beispielsweise wird als Barrienmaterial AlN (Aluminium Nitrid) verwendet. Auf dem Barrienmaterial wird danach eine dünne Schicht, die eine Dicke im Nanometerbereich hat, aus dem Material des Quantenpunkts abgeschieden. Beispielsweise wird der Quantenpunkt aus dem Halbleitermaterial Gallium Nitrid (GaN) hergestellt. Aufgrund der Differenz der Gitterkonstanten zwischen Barrienmaterial und Halbleitermaterial baut sich in dieser sehr dünnen Schicht eine hohe elastische Verspannung auf, die bei Überschreiten einer vorbestimmten Dicke zum Aufbrechen der zweidimensionalen Schicht und zur Bildung des dreidimensionalen Quantenpunkts 12 führt. Die Quantenpunkte bauen damit die elastische Verspannung teilweise ab. Der Quantenpunkt 12 wird damit insbesondere nach dem Stransky-Krastanov-Wachstumsmodus hergestellt.
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Nachfolgend wird auf der so erhaltenen Schicht eine weitere Deckschicht aus dem Barrierenmaterial, insbesondere aus Aluminium Nitrid (AlN) abgeschieden. Die Deckschicht wird so abgeschieden, dass sie das Halbleitermaterial vollständig mit dem Barrienmaterial mit höherer Bandlücke umgibt. Die Zuführung von elektrischem Strom und damit das Anregen des Quantenpunkts 12 in einen angeregten Zustand kann durch resonantes Tunneln aus einer Pufferschicht über die Quantenpunkte in eine Deckschicht erfolgen. Dazu werden die Pufferschicht und die Deckschicht jeweils als Übergitter ausgebildet, so dass die Minibänder des Übergitters energetisch resonant mit einem angeregten Zustand oder dem Grundzustand des Quantenpunkts sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Einzelphotonenquelle
- 12
- Quantenpunkt
- 14
- Substrat
- 16
- Kontaktierung
- 18
- erste Elektrode
- 20
- zweite Elektrode
- 22
- Spannungsquelle
- 24
- Kabel
- 26
- Kabel
- 28
- Valenzband
- 30
- Valenzband-Energieniveaus
- 32
- Leitungsband
- 34
- Leitungsband-Energieniveau
- 36
- Photon
- 38
- erstes Reflektorelement
- 40
- zweites Reflektorelement
- 42
- Resonator
- 44
- Resonatorraum
- 46
- Glasfasereinkoppelvorrichtung
- 48
- Glasfaser
- d
- Durchmesser
- U
- Spannung
- f
- Frequenz
- R
- Vorzugs-Austrittsrichtung
