EP4029066A1 - Optisch aktiver und durch gatter definierter quantenpunkt - Google Patents

Optisch aktiver und durch gatter definierter quantenpunkt

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EP4029066A1
EP4029066A1 EP20775176.9A EP20775176A EP4029066A1 EP 4029066 A1 EP4029066 A1 EP 4029066A1 EP 20775176 A EP20775176 A EP 20775176A EP 4029066 A1 EP4029066 A1 EP 4029066A1
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EP
European Patent Office
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layer
gallium arsenide
electronic component
quantum
generating
Prior art date
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Pending
Application number
EP20775176.9A
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English (en)
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Inventor
Hendrik BLUHM
Feng Liu
Thomas DESCAMPS
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Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control

Definitions

  • the LED is, for example, a light-emitting semiconductor component.
  • LED technology is already replacing light bulbs, fluorescent tubes and other light sources due to their high efficiency and thus low energy consumption.
  • Semiconductors are also suitable as semiconductor lasers or laser diodes for generating laser light.
  • the optically active GD quantum dot has great potential to meet all requirements.
  • An optically active GD quantum dot that captures a single indirect exciton has already been demonstrated.
  • the long radiation lifetime (TI ⁇ 100 ns) of the indirect exciton significantly limits the brightness of the quantum dot and photon indistinguishability, which is determined by the ratio between the coherence time and the radiation lifetime T2 / (2T1).
  • a light-sensitive or photosensitive optoelectronic device is known from DE 602005 004925 T2. More specifically, it is aimed at organic photosensitive / photosensitive optoelectronic devices with nanoparticles.
  • Light-sensitive optoelectronic devices convert electromagnetic radiation into electricity.
  • Solar cells also known as photovoltaic (PV) devices, are a type of photosensitive optoelectronic device that is specifically used to generate electrical energy.
  • PV photovoltaic
  • the charges do not separate, they can separate in a pairwise recombination process, which is also known as quenching, either by means of radiation, i.e. by the emission of light with less energy than that of the incident light, or by means of non-radiation recombine, i.e. by generating heat.
  • the specialist publication "PHYSICAL REVIEW LETTERS, March 22, 2013, PRL 110, 127403 (2013)” describes the inclusion and interaction of individual indirect excitons in a voltage-controlled trap, which is formed by double InGaAs quantum wells.
  • the quantum traps can be caused by voltage
  • the quantum traps include single and spatially indirect and long-lived excitons. This is realized with coupled and double quantum wells with nanoscopic gates. This would allow the transition from enclosed multi-excitons to a single, electrostatically enclosed indirect exciton to be investigated. In the few exciton regimes observed discrete emission lines, which can be identified as the result of a single dipolar exciton, a biexziton or a triexziton.
  • the object is achieved in that in an electronic component for generating and emitting electromagnetic waves with a layer system of semiconductor materials of the type mentioned above, metal contacts are provided as gate electrodes on the outer layers of gallium arsenide, which are connected to a voltage source.
  • the protective gate encloses the trap gate at least partially in the plane of the outer layer.
  • the protective gate encloses the trap gate in such a way that it leads to a particularly optimal form of the quantum well for the exciton.
  • the metal contact arrangements 26, 28 form gate electrodes 35, 37 which each consist of a central trap gate 36, 38 and a protective gate 40, 42 each.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem Schichtsystem (12) aus Halbleitermaterialien. Dabei ist eine mittlere Schicht (13) aus Galliumarsenid zwischen einer ersten Schicht (14) aus Aluminiumgalliumarsenid und einer zweiten Schicht (16) aus Aluminiumgalliumarsenid angeordnet. Eine erste Außenschicht (18) aus Galliumarsenid ist auf der ersten Schicht (14) aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen. Eine zweite Außenschicht (20) aus Galliumarsenid ist ferner auf der zweiten Schicht (16) aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen.

Description

Optisch aktiver und durch Gatter definierter Quantenpunkt
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen mit einem Schichtsystem aus Halbleitermaterialien, wobei a) eine mittlere Schicht aus Galliumarsenid zwischen i. einer ersten Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid und ii. einer zweiten Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid angeordnet ist; b) eine erste Außenschicht aus Galliumarsenid auf der ersten Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen ist, c) eine zweite Außenschicht aus Galliumarsenid auf der zweiten Schicht aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen ist. Beschreibung
Elektronische Bauelemente werden technisch zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Licht, eingesetzt. Die LED (engl light-emitting-diode) ist bspw. ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement. So wird mit der LED-Technik insbesondere bereits die Glühbirne, Leuchtstoffröhren und andere Leuchtmittel aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und damit geringen Energieverbrauchs abgelöst. Mit der LED können die unterschiedlichsten Spektralbereiche abgedeckt werden. Halbleiter eignen sich zudem auch als Halbleiterlaser bzw. Laserdiode zur Erzeugung von Laserlicht.
Quantenpunkte werden in Halbleitern, wie bspw. InGaAs oder CdSe, generiert. Die Schichtdicke der Halbleitermaterialien liegt dabei im Bereich von einer bis einigen hundert Atomlagen - also im nanoskopischen Bereich. Durch die geringe Ausdehnung ist die Beweglichkeit von Ladungsträgern in Quantenpunkten so eingeschränkt, dass sie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Zustände annehmen können. Ladungsträger sind im Halbleiter üblicherweise entweder Elektronen oder Elektronenlöcher - kurz Löcher.
Ein in einem Isolator oder in einem Halbleiter gebundenes Elektron und ein Loch bilden ein Elektronen-Loch-Paar. In einem Halbleiter verhält sich ein solches Elektronen-Loch- Paar vielfältig, besonders bei der quantenmechanischen Betrachtung, wie ein Wasserstoffatom. Dieses Quasiteilchen in dem Festkörper wird auch als Exziton bezeichnet. Ein Exziton entsteht in einem Halbleiter beispielsweise, wenn ein Photon ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband anhebt.
Herkömmliche Computer enthalten Halbleiterbauteile mit integrierten Schaltkreisen. Diese Schaltkreise arbeiten immer mit Systemen welche auf einer logischen „0" oder „1" basieren - also Schalter „an" oder „aus". Bei Halbleiterspeichern wird dies dadurch realisiert, dass das Potential entweder oberhalb oder unterhalb eines Schwellwerts liegt. Um Rechenleistung erheblich zu erhöhen, sind seit langem Modelle für sogenannte Quantencomputer bekannt. Technisch ließen sie sich aus unterschiedlichen Gründen bislang jedoch noch nicht in ausreichender Größe realisieren. Die Modelle von Quantencomputern sehen vor, dass quantenmechanische Zustände von Teilchen, wie z.B. Elektronen, ausgenutzt werden. Dabei wird ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen als kleinste Einheit zum Speichern von Informationen als „Qubit" bezeichnet. Ein Qubit wird beispielsweise durch den quantenmechanischen Zustand Spin „Up" und Spin „Down" definiert.
Einzelphotonenquellen spielen eine Schlüsselrolle in der photonischen Quantentechnologie. In den letzten Jahren wurden große Forschungsanstrengungen unternommen, um eine Einzelphotonenquelle zu entwickeln, die in der Lage ist, einzelne Photonen mit hoher Einzelphotonenreinheit und Ununterscheidbarkeit deterministisch zu erzeugen. Für eine skalierbare integrierte Quantentechnologie müssen zusätzliche Bedingungen erfüllt werden: 1. Photonen können an Wellenleiter auf einem Chip gekoppelt werden; 2. die Energie der Photonen von verschiedenen Emittern kann auf Resonanz abgestimmt werden; 3. die Einzelphotonenquelle kann an einer gewünschten Position deterministisch hergestellt werden. Die resonanzkohärent angesteuerte einzelne selbstorganisierte Quantenpunkte in einem Mikropillar-Resonator bietet eine nahezu ideale Leistung (Reinheit des einzelnen Photons: 99,1%, Ununterscheidbarkeit: 98,5%), wenn sie in den freien Raum emittiert wird. Die Kopplung der Mikrosäulen- Kavität mit On-Chip-Wellenleitern ist jedoch eine ziemliche Herausforderung. Darüber hinaus deutet die große inhomogene Verbreiterung (typischerweise mehrere zehn meV) des Ensembles selbst organisierter Quantenpunkte im Vergleich zum kleinen elektrischen Abstimmbereich (< 0,4 meV), der in diesem Gerät demonstriert wurde, darauf hin, dass die Massenproduktion solcher Einzelphotonenquellen mit derselben Photonenenergie schwierig sein wird. Die direkte Integration selbstorganisierter Quantenpunkte in einen Nanostrahl-Wellenleiter oder photonischen Kristall-Wellenleiter ist möglich, während die Photonenkohärenz - und damit die Ununterscheidbarkeit - aufgrund der signifikanten Dephasierung, die durch das Ladungsrauschen der geätzten Oberflächen in der Nähe der Quantenpunkte verursacht wird, verschlechtert wird. Kürzlich wurde eine On-Chip- Einzelphotonenquelle nachgewiesen, welche die meisten der oben genannten Anforderungen erfüllt, basierend auf einem wellenleitergekoppelten photonischen Kristallhohlraum (PhCC), der zufällig angeordnete Quantenpunkte enthält. Die Massenproduktion einer solchen Einzelphotonenquelle erfordert eine präzise Steuerung der Quantenpunkt-Position. Obwohl die Herstellung von standortgesteuerten Quantenpunkten in PhCC demonstriert wurde, wird die photonische Kopplung zwischen entfernten Quantenpunkten auf dem Chip noch nicht erreicht, da es schwierig ist, eine unabhängige elektrische Abstimmung verschiedener standortgesteuerter Quantenpunkte auf demselben Chip zu realisieren.
Stickstoff/Silizium-Vakanzen (N/Si-Vs) in Diamant wurden ebenfalls intensiv als Einzelphotonenquelle erforscht. Obwohl Verschränkung und Teleportation zwischen entfernten N-V-Zentren nachgewiesen wurde, gibt es immer noch mehrere Probleme, die die Erzeugung einzelner Photonen einschränken: 1. nur ein sehr kleiner Teil (~3%) der Photonen wird in die nutzbare Nullphotonenlinie (ZPL) emittiert; 2. die lange Strahlungslebensdauer begrenzt die Helligkeit der Photonenquelle. Viele Anstrengungen konzentrieren sich auf die Überwindung der beiden Probleme durch die Integration von N-V-Zentren in Kavitäten. Im Vergleich zu N-V-Zentren ist das Si-V-Zentrum aufgrund einer schwächeren Kopplung an das Phononenseitenband, einer geringeren inhomogenen Verbreiterung und einer nahezu transformbegrenzten Linienbreite ein geeigneterer Kandidat. Die genaue Positionierung der Si-V-Zentren in einem Hohlraum/Wellenleiter und die kohärente Ansteuerung der optischen Übergänge wurde nachgewiesen, aber eine vollständige Bewertung seiner Leistung als Einzelphotonenquelle im On-Demand-Betrieb (angeregt durch einen p-lmpuls) ist nicht verfügbar. Zu den weiteren Nachteilen der Diamantfarbzentren gehört das: 1. die deterministische Erzeugung eines einzelnen Farbzentrums an der gewünschten Position ist noch nicht nachgewiesen; 2. der Diamant ist schwieriger zu verarbeiten als GaAs.
Kolloidale Nanokristalle (NCs) erregen ebenfalls viel Aufmerksamkeit aufgrund der Erzeugung eines einzelnen Photons bei Raumtemperatur und der niedrigen Herstellungskosten. Bislang beschränken sich Studien zu den kolloidalen NCs als Einzelphotonenquelle jedoch hauptsächlich auf die Messung der Reinheit des einzelnen Photons. Es ist noch ein langer Weg zurückzulegen, bis eine qualitativ hochwertige Einzelphotonenemission, die mit den von selbstorganisierten Systemen vergleichbar ist, nachgewiesen werden kann.
Der optisch aktive GD-Quantenpunkt besitzt ein großes Potential, um alle Anforderungen zu erfüllen. Ein optisch-aktiver GD-Quantenpunkt, der ein einzelnes indirektes Exziton einfängt, wurde bereits demonstriert. Allerdings begrenzt die lange Strahlungslebensdauer (TI ~ 100 ns) des indirekten Exzitons die Helligkeit des Quantenpunkts und die Photonenununterscheidbarkeit, die durch das Verhältnis zwischen der Kohärenzzeit und der Strahlungslebensdauer T2/(2T1) bestimmt wird, erheblich.
Insgesamt ist eine ideale Einzelphotonenquelle, die alle Bedingungen für eine integrierte photonische Quantentechnologie erfüllt, noch nicht verfügbar. Neuheit, Attraktivität und Vorteile im Vergleich zu bestehenden Lösungen.
Stand der Technik
Aus der DE 602005 004925 T2 ist eine lichtempfindliche bzw. photosensitive optoelektronische Einrichtungen bekannt. Genauer gesagt ist sie auf organische lichtempfindliche/photosensitive optoelektronische Einrichtungen mit Nanopartikeln ausgerichtet. Lichtempfindliche optoelektronische Einrichtungen wandeln elektromagnetische Strahlung in Elektrizität um. Solarzellen, die auch als photovoltaische (PV-)Einrichtungen bezeichnet werden, sind eine Art photosensitiver optoelektronischer Einrichtungen, die speziell verwendet werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Wenn elektromagnetische Strahlung, geeigneter Energie, auf ein halbleitendes organisches Material, z. B. ein organisches molekulares Kristall (OMC)-Material oder ein Polymer einwirkt, kann ein Photon absorbiert werden und einen erregten molekularen Zustand erzeugen. Diese Energieabsorption ist mit der Beförderung eines Elektrons aus einem gebundenen Zustand in ein höheres Energieniveau verbunden. In äquivalenter Weise ist mit der Beförderung eines Loches von einem Energieniveau auf ein weiteres Energieniveau verbunden. Bei organischen Dünnschicht-Photoleitern wird generell angenommen, dass der erzeugte molekulare Zustand ein Exziton, d. h. ein Elektronen- Loch-Paar in einem gebundenen Zustand ist, das als Quasi-Partikel transportiert wird. Die Exzitonen können vor paarweiser Rekombination eine nennenswerte Lebenszeit aufweisen, was sich auf den Prozess des Rekombinierens des Original-Elektrons und - Loches miteinander im Gegensatz zur Rekombination von Löchern und Elektronen aus anderen Paaren bezieht. Um einen Photostrom zu erzeugen, wird das Elektron-Loch-Paar typischerweise an einer Donor-Akzeptor-Grenzfläche zwischen zwei ungleichen, einander kontaktierenden organischen Dünnschichten getrennt. Wenn sich die Ladungen nicht trennen, können sie sich in einem paarweisen Rekombinationsprozess, der auch als Quenching bekannt ist, entweder auf dem Wege der Strahlung, also durch die Emission von Licht geringerer Energie als der des einfallenden Lichts, oderauf dem Wege der Nicht- Strahlung, also durch die Erzeugung von Wärme, rekombinieren.
Die DE 10 2016 218 696 Al beschreibt ein Licht emittierendes Element mit einer hohen Emissionseffizienz und niedriger Ansteuerspannung. Das Licht emittierende Element enthält ein Gastmaterial und ein Wirtsmaterial. Ein LUMO-Niveau des Gastmaterials ist niedriger als ein LUMO-Niveau des Wirtsmaterials. Eine Energiedifferenz zwischen dem LUMO-Niveau und einem HOMO-Niveau des Gastmaterials ist größer als eine Energiedifferenz zwischen dem LUMO-Niveau und einem HOMO-Niveau des Wirtsmaterials. Das Gastmaterial weist eine Funktion zum Umwandeln der Triplett- Anregungsenergie in eine Lichtemission auf. Eine Energiedifferenz zwischen dem LUMO- Niveau des Gastmaterials und dem HOMO-Niveau des Wirtsmaterials ist größer als oder gleich der Energie einer Lichtemission des Gastmaterials. Indem Elektronen und Löcher, die von einem Paar von Elektroden oder der Ladungserzeugungsschicht in der Licht emittierenden Schicht injiziert werden, rekombinieren, werden Exzitone gebildet. Da die Menge des Wirtsmaterials größer als diejenige des Gastmaterials ist, wird das Wirtsmaterial durch die Exzitonenerzeugung in einen angeregten Zustand versetzt. Da Exzitone Energie aufweisen, wird ein Material, in dem Exzitone gebildet werden, in einen angeregten Zustand versetzt. In dem Fall, in dem der gebildete Anregungszustand des Wirtsmaterials ein singulärer Anregungszustand ist, wird die singuläre Anregungsenergie von dem Niveau des Wirtsmaterials auf das Niveau des Gastmaterials übertragen, wodurch der singuläre Anregungszustand des Gastmaterials gebildet wird.
Die DE 691 20479 T2 befasst sich allgemein mit Photonengeräten, und sie betrifft spezieller Photonenvorrichtungen mit Quantentopfstrukturen. Ein Kristallkörper- Wellenleiter oder Scheiben-Wellenleiter (slab wave guide) mit einem Kern wird vorgesehen, der eine Quantenmulden-Struktur aufweist, so dass die seitliche Begrenzung eines Lichtstrahls, der in den Kern eingeführt wird, durch den quanten-begrenzten Stark- Effekt (QCSE; quantum-confined Stark Effekt) erreicht wird. Der QCSE ist ein Effekt, der sich auf die Verschiebung von niedrigeren Photonenenergien von Exzitonenresonanzen in Quanten-Potentialtöpfen bezieht. Exzitone sind gebundene Zustände von Elektronen- Loch-Paaren, die abhängig von einfallender Photonenenergie entstehen können. Bei Raumtemperatur sind Exzitone so kurzlebig, dass ihre Resonanzen eine untergeordnete Rolle bei den optischen Eigenschaften in massiven Materialien spielen. Bei Quantenmulden-Strukturen sind Exzitonresonanzen bei Raumtemperatur jedoch deutlich wahrnehmbar, und sie schaffen Quantenmulden-Strukturen mit starken nicht linearen Absorptionseigenschaften. Bei dem QCSE verschiebt ein elektrisches Feld, welches senkrecht zu der Ebene des Quantenmuldenkerns in dem Kristallkörper- Wellenleiter angelegt wird, diese von den Exzitonen erzeugten nicht linearen Absorptionseigenschaften. Bei einer Verschiebung der Absorptionseigenschaften, die durch den QCSE bewirkt wird, entsteht zwingend auch eine Verschiebung des Brechungsindexes der Quantenmulde. Aufgrund dieser unterschiedlichen Phänomene, welche dem QCSE und dem linearen optischen Kerreffekt unterlagert sind, ist die mathematische Beziehung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Änderung des Brechungsindexes von quadratischen Termen und Termen höherer Ordnung für den QCSE dominiert. Dies steht im Gegensatz zu dem linearen optischen Kerreffekt, der von dem linearen Term dominiert ist. Eine Eigenschaft des QCSE, welche ein potentielles Hindernis für die Realisierung von Bauelementen unter Ausnutzung des Effekts in der Praxis darstellt, ist, dass die größte Änderung der Absorption, welche sich aus dem QCSE ergibt, bei ungefähr derselben Photonenenergie auftritt, wie die größte Änderung des Brechungsindexes. Durch Auswählen einer geeigneten Photonenenergie für den Lichtstrahl, der in den Quantenmuldenkern eingebracht wird, kann jedoch eine erhebliche Erhöhung des Brechungsindexes ohne eine entsprechend große Änderung der Absorption erhalten werden. Um die Ausbreitung eines Lichtstrahls durch einen Kristallkörper-Wellenleiter mit einem Quantenmuldenkern seitlich zu begrenzen, wird ein elektrisches Feld über einen ausgewählten Bereich des Wellenleiters, ungefähr in einer Linie mit dem eingebrachten Lichtstrahl und in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu der Ebene des Kernes angelegt. Durch gesteuertes Anlegen des elektrischen Feldes kann die seitliche Ausbreitung des Lichtes innerhalb des Kristallkörpers kontrolliert werden, während eine Übertragung mit geringen Verlusten erreicht wird. Es wird dabei angenommen, dass die richtige Photonenenene ausgewählt wurde. Optoelektronische Einrichtungen können basierend auf der Steuerung der seitlichen Begrenzung des Lichtstrahls hergestellt werden. Der Wellenleiter kann z. B. zwischen zwei Lichtleitfaserkabel gelegt werden, um ein optisches Signal zu modulieren, welches von den Kabeln transportiert wird.
In der Fachpublikation „PHYSICAL REVIEW LETTERS, 22.03.2013, PRL 110, 127403 (2013)" wird der Einschluss und die Wechselwirkung einzelner indirekter Exzitonen in einer spannungsgesteuerten Falle beschrieben, welche von doppelten InGaAs-Quantentöpfen gebildet wird. Durch Spannung lassen sich die Quantenfallen abstimmen. Dabei schließen die Quantenfallen einzelne und räumlich indirekte und langlebige Exzitonen ein. Dies wird mit gekoppelten und doppelten Quantentöpfen mit nanoskopischen Gates realisiert. Damit ließe sich der Übergang von eingeschlossenen Multiexzitonen zu einem einzelnen, elektrostatisch eingeschlossenen indirekten Exziton untersuchen. In den wenigen Exzitonenregimen werden diskrete Emissionslinien beobachtet, die sich als Ergebnis eines einzelnen dipolaren Exzitons, eines Biexzitons bzw. eines Triexzitons identifizieren lassen. Ihre energetische Aufspaltung wird durch „Wigner"-artige Molekülstrukturen beschrieben, die das Zusammenspiel von dipolarer interexzitonischer Abstoßung und räumlicher Quantisierung widerspiegeln. Nachteil bei den bekannten elektronischen Bauteilen in diesem Gebiet sind, dass die räumliche Position und Emissionswellenlänge von selbstorganisierten Quantenpunkten zufällig oder weit gestreut sind. Weiterhin beschränken sich die optisch aktiven Gates nur auf indirekte Exzitonen. Dabei wird ein Quantenpunkt definiert, der auf doppelten Quantentöpfen basiert. Das indirekte Exziton hat eine sehr lange Lebensdauer. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass es nicht hell genug ist, um als einzelne oder verschränkte Photonenquelle verwendet zu werden zu können.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein elektronisches Bauelement zu schaffen, welches hinreichend als Photonenquelle nutzbar und insbesondere zur Kopplung von Qubits von Quantencomputern einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem elektronischen Bauelement zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen mit einem Schichtsystem aus Halbleitermaterialien der eingangs genannten Art Metallkontakte als Gatterelektroden an den Außenschichten aus Galliumarsenid vorgesehen sind, welche mit einer Spannungsquelle verbunden sind.
Die Erfindung beruht u.a. auf dem Prinzip, dass bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil nur ein einzelner Quantentopf benötigt wird, der ein Exziton einschließt. Durch Beaufschlagung der Gatterelektroden mit einer geeigneten Spannung wird das einzelne Exziton lokalisiert. Über die nanoskopischen Metallkontakte an den beiden äußeren Seiten des Schichtsystems wird der dreidimensionale Einschluss für das einzelne und direkte Exziton ermöglicht. Die Quantentöpfe und die nanoskopischen Gatterelektroden können dabei vollständig in der dem Fachmann geläufigen „Top-Down- Herstellungstechnik" hergestellt werden, was auch ein bislang bestehendes Skalierbarkeitsproblem löst. Da das erfindungsgemäße elektronische Bauelement eher direkte als indirekte Exzitonen einschließt, wird auch die Helligkeit von Quantenpunkten stark verbessert. Dieses optisch aktive elektronische Bauelement kann als Quelle für ein einzelnes und/oder verschränktes Photon verwendet werden. Damit ist das elektronische Bauelement auch für den Einsatz zur Kopplung von Qubits eines Quantencomputers bevorzugt geeignet. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung auch mit anderen Materialien durchführen, solange sie vergleichbare bzw. ähnliche Eigenschaften wie Galliumarsenid bzw. Aluminiumgalliumarsenid aufweisen. Diese Ersatzstoffe können Galliumarsenid bzw. Aluminiumgalliumarsenid entsprechend ersetzen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements ist die Stärke des Schichtsystems kleiner als 200 nm ausgebildet. Mit dieser Ausdehnung des Schichtsystems lässt sich ein Quantenpunkt optimal definieren. Hierdurch entstehen im Quantenpunkt nur noch diskrete Zustände. Diese diskreten Energieniveaus werden besonders bei der Kopplung von Qubits benötigt.
Eine besondere Ausbildung des elektronischen Bauelements zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen besteht darin, dass die Gatterelektroden jeweils an der Außenschicht ein Schutzgatter und ein Fallengatter aufweisen. Das Schutzgatter und das Fallengatter ermöglichen eine definierte und abstimmbare Erzeugung des Quantentopfs und Anregung des Quantenpunkts.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass nunmehr bei dem elektronischen Bauelement zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen mit einem Schichtsystem aus Halbleitermaterialien jeweils das Schutzgatter das Fallengatter zumindest teilweise in der Ebene der Außenschicht umschließt. Das Schutzgatter umschließt dabei das Fallengatter derart, dass es zu einer besonders optimalen Ausprägung des Quantentopfs für das Exziton führt.
Eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements ergibt sich weiterhin dadurch, dass das Schichtsystem aus sich mehreren abwechselnd vorgesehenen Lagen aus Aluminiumgalliumarsenid und Galliumarsenid besteht, wobei die Metallkontakte an den Außenseiten der äußersten Schichten vorgesehen sind. Grundsätzlich sind nur relativ wenige Lagen aus abwechselnd Aluminiumgalliumarsenid und Galliumarsenid erforderlich. Dies macht das erfindungsgemäße elektronische Bauelement im Aufbau relativ einfach. Jedoch können insbesondere physikalische Eigenschaften für das membranartige Bauelement Vorkommen, die eine höhere Anzahl an Schichten notwendig machen.
Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung hat sich erwiesen, wenn bei einem erfindungsgemäßen elektronischen Bauelement zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen, die Spannungsquelle abstimmbar ausgestaltet ist. Hierdurch lässt sich das elektronische Bauelement im Hinblick als Photonenquelle leicht optimieren, z.B. in Bezug auf die Emissionswellenlänge.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung soll nicht alleine auf diese aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die derzeit besten möglichen Ausführungsarten der Offenbarung. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, sondern dient lediglich der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung, da der Umfang der Erfindung am besten durch die beigefügten Ansprüche definiert wird. Dabei gilt der zitierte Stand der Technik vollständig als Teil der zur Erfindung gehörigen Offenbarung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Explosionsdarstellung das erfindungsgemäße
5 elektronische Bauelement.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
10 In Fig. 1 wird ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 10 perspektivisch als schematische Prinzipskizze dargestellt. Das elektronische Bauelement 10 ist dreidimensional dargestellt, wie mit dem Koordinatenkreuz 11 angedeutet wird. Das elektronische Bauelement 10 weist ein dünnes Schichtsystem 12 mit unterschiedlichen Halbleitermaterialien auf. Das Schichtsystem 12 bildet eine membranartige
15 Schichtstruktur mit einer Dicke, die im Bereich und auch kleiner als 200 Nanometer ist.
Das Schichtsystem 12 enthält eine mittlere Schicht 13 aus Galliumarsenid. Die mittlere Schicht 13 ist zwischen einer ersten Schicht 14 und einer zweiten Schicht 16 aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen. Auf den nach außen zeigenden Flächen der beiden
20 Schichten 14, 16 aus Aluminiumgalliumarsenid, befinden sich weitere Außenschichten 18, 20 aus Galliumarsenid. Auf den Außenflächen 22, 24 dieser Außenschichten 18, 20 sind jeweils Metallkontaktanordnungen 26, 28 vorgesehen. Die Metallkontaktanordnungen 26, 28 sind mit Spannungsquellen 30 verbunden. Dabei ist die
Metallkontaktanordnungen 26 mit dem negativen Pol 32 der Spannungsquellen 30
25 verbunden. Der positive Pol 34 ist auf die Metallkontaktanordnungen 28 bzw. Erde aufgeschaltet.
Die Metallkontaktanordnungen 26, 28 bilden Gatterelektroden 35, 37, welche jeweils aus einem zentralen Fallengatter 36, 38 und jeweils einem Schutzgatter 40, 42 bestehen. Die
BO Schutzgatter 40, 42 umschließen die zentralen Fallengatter 36, 38. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben sowohl die Schutzgatter 40, 42, als auch die zentralen Fallengatter 36, 38 eine gerundete Form.
Durch die mittlere Schicht 13 wird ein Quantentopf 44 gebildet, in dem ein Exziton 46 eingeschlossen ist. Der gebundene Exzitonzustand 46 wird gezielt durch Beaufschlagung der Kontaktanordnungen 26, 28 mit Spannung aus den Spannungsquellen 30 erzeugt. Durch Rekombination des Exzitons 46 wird ein einzelnes und/oder verschränktes Photon 48 generiert. Daher eignet sich ein solches elektronisches Bauelement 10 auch für den Informationsaustausch zwischen Qubits, weil so ein quantenmechanischer Zustand übermittelt werden kann.
In Fig. 2 wird das erfindungsgemäße elektronische Bauelement 10 gemäß Fig.l schematisch in einer dreidimensionalen Explosionszeichnung dargestellt. Hier wird das Schichtsystem 12 des elektronischen Bauelements 10 deutlich. In der mittleren Schicht 13 aus GaAs wird der Quantentopf 44 gebildet. Die mittlere Schicht 13 befindet sich zwischen den Halbleiterschichten 14, 16 aus AIGaAs. Dieses Schichten 13, 14, 16 befinden sich wiederum zwischen den äußeren Schichten 18, 20 aus GaAs.
Die Metallkontaktanordnungen 26, 28 sind als Gatterelektroden 35, 37 ausgebildet. Dabei weisen die Gatterelektroden 35, 37 jeweils an der Außenschicht 18, 20 das Fallengatter 36, 38 und das Schutzgatter 40, 42 auf. Die Gatterelektroden 35, 37 werden so mit Spannung beaufschlagt, dass in dem Quantentopf 44 ein Exziton 46 entsteht, welches beim Rekombinieren ein quantenmechanisch definiertes Photon 48 aussendet.
Bezugszeichenliste
10 elektronisches Bauelement
11 Koordinatenkreuz
12 Schichtsystem
13 mittlere Schicht (GaAs)
14 erste Schicht (AIGaAs)
16 zweite Schicht (AIGaAs)
18 Außenschicht (GaAs)
20 Außenschicht (GaAs)
22 Außenfläche
24 Außenfläche
26 Metallkontaktanordnung
28 Metallkontaktanordnung
30 Spannungsquellen
32 negative Pol
34 positive Pol
35 Gatterelektrode
36 Zentrales Fallengatter
37 Gatterelektrode
38 zentraler Fallengatter
40 Schutzgatter
42 Schutzgatter
44 Quantentopf
46 Exziton
48 Photon

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem Schichtsystem (12) aus Halbleitermaterialien, wobei a) eine mittlere Schicht (13) aus Galliumarsenid zwischen i. einer ersten Schicht (14) aus Aluminiumgalliumarsenid und ii. einer zweiten Schicht (16) aus Aluminiumgalliumarsenid angeordnet ist; b) eine erste Außenschicht (18) aus Galliumarsenid auf der ersten Schicht (14) aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen ist, c) eine zweite Außenschicht (20) aus Galliumarsenid auf der zweiten Schicht (16) aus Aluminiumgalliumarsenid vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass d) Metallkontaktanordnungen (26, 28) als Gatterelektroden (35, 37) an den Außenschichten (18, 20) aus Galliumarsenid vorgesehen sind, welche mit einer Spannungsquelle (30) verbunden sind.
2. Elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem Schichtsystem (12) aus Halbleitermaterialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Schichtsystems (12) kleiner als 200 nm ausgebildet ist.
3. Elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem Schichtsystem (12) aus Halbleitermaterialien nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gatterelektroden (35, 37 ) jeweils an der Außenschicht (18, 20) ein Schutzgatter (40, 42) und ein Fallengatter (36, 38) aufweisen.
4. Elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem
Schichtsystem (12) aus Halbleitermaterialien nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das Schutzgatter (40, 42) das Fallengatter (36, 38) zumindest teilweise in der Ebene der Außenschicht (18, 20) umschließt.
5. Elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem
Schichtsystem aus Halbleitermaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (12) aus sich mehreren abwechselnd vorgesehenen Lagen aus Aluminiumgalliumarsenid und Galliumarsenid besteht, wobei die Metallkontaktanordnungen (26, 28) an den
Außenseiten (22, 24) der äußersten Schichten (18, 20) vorgesehen ist.
6. Elektronisches Bauelement (10) zum Erzeugen und Emittieren von elektromagnetischen Wellen bzw. einzelnen Photonen (48) mit einem
Schichtsystem (12) aus Halbleitermaterialien nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle durch die Spannung der Spannungsquelle (30) abstimmbar ausgestaltet ist.
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US5048907A (en) 1990-02-23 1991-09-17 Amoco Corporation Electric field induced quantum well waveguides
JP4360812B2 (ja) * 2003-02-20 2009-11-11 富士通株式会社 単一光子発生装置および単一光子発生方法
US8592680B2 (en) 2004-08-11 2013-11-26 The Trustees Of Princeton University Organic photosensitive devices
JP5332886B2 (ja) * 2008-07-14 2013-11-06 日本電気株式会社 光子発生装置
KR20170038681A (ko) 2015-09-30 2017-04-07 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 발광 소자, 표시 장치, 전자 기기, 및 조명 장치
CN107275452A (zh) * 2017-05-25 2017-10-20 中国科学院半导体研究所 电致单光子源器件及其制备方法

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