[實用新型]一種環腔納米線電注入單光子源器件

有效

• 申請號: 201720046617.6
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN206541846U
• 公開（公告）日: 2017-10-03
• 發明（設計）人: 陳飛良;李沫;黃鋒;張暉;李倩;王旺平;康健彬;李俊澤;張健
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/10
• 代理公司: 成都天嘉專利事務所(普通合伙)51211
• 代理人: 蔣斯琪

技術領域

本實用新型涉及單光子源、半導體微納光子器件、量子信息領域，具體是指一種環腔納米線電注入單光子源器件。

背景技術

單光子源不僅是量子信息處理、量子保密通訊、量子線性光學計算和量子密碼學的重要組成部分，在微量吸收測量、超高靈敏磁場測量、生物熒光標記與成像等領域也有重要應用價值。在眾多單光子發射的產生方案中，基于量子點的單光子源相比其它單光子源在各方面都有著很大的優越性，如具有譜線寬度窄、振子強度高、不會發生光褪色或閃爍、時間抖動小、重復頻率高、發射波段可覆蓋從紫外到紅外的各個波段、適于電泵浦等。通常，量子點發射單光子都是沒有方向性的，而且其在自由空間中的自發輻射效率低，造成很難真正實用。

為了提高單光子源的發射效率，獲得高品質單光子源，可以將量子點放在微腔中，利用purcell效應，即微腔中原子的自發輻射較處于自由空間中的自發輻射可以被極大地加強，從而利用微腔可以提高單光子發射的量子效率。對于電泵浦器件而言，微腔的存在可以極大地降低電注入的工作電壓，從而提高器件的穩定性。通常是采用光子晶體微腔或DBR微腔來獲得高品質單光子源。然而，光子晶體微腔與電注入器件結構兼容性不佳，而且對短波波段其結構尺寸小、制備難道很大；DBR微腔則只能在垂直方向一個維度限制光，而且其要求量子點發光波長與DBR腔共振波長精確對準，導致適于電泵浦的高質量DBR微腔對外延設備要求高、制備難度大。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服上述現有技術中的不足，提供一種適合電注入、制備簡單且能在兩個維度上限制光的環腔納米線電注入單光子源器件。

為實現上述目的，本實用新型采用技術方案如下：

一種環腔納米線電注入單光子源器件，由上至下依次包括：p型電極、pin納米線、量子點、多層同心環腔、n型電極、下層n型材料和襯底；其中：

所述襯底位于最底層，襯底的上面為下層n型材料，下層n型材料的上面為pin納米線、量子點、多層同心環腔、n型電極，p型電極位于pin納米線的上面；

所述多層同心環腔以pin納米線為圓心位于 pin納米線的外層；

所述n型電極以pin納米線為圓心呈環形位于多層同心環腔的外層，且靠近下層n型材料（6）的邊緣；

所述pin納米線位于下層n型材料的中心上，量子點嵌埋于pin納米線（2）中間。

所述p型電極的材質包括但不限于石墨烯、ITO、AZO、Au、Ti、Ni、Pt中的一種或多種混合。對于從襯底正面向上出光的器件采用對出射光透明的材質，對于從襯底背面向下出光的器件采用對出射光高反射的材質。

所述pin納米線是由p型材料、本征型、n型材料三層構成的pin結構。其中，p型層材料位于最上層，與p型電極形成歐姆接觸。

所述量子點位于pin納米線的本征層中，是禁帶寬度小于pin納米線的材料，與pin納米線一起構成單量子阱結構。

所述多層同心環腔以pin納米線為圓心，由兩種或多種復折射率不同的材質構成，其材質包括但不限于空氣、介質絕緣材料、金屬材料。所述多層同心環腔是多層同心圓環構成的圓環形布拉格微腔，可以在圓心位置，即pin納米線位置產生電磁場局域增強，既能利用珀塞爾效應增強量子點單光子源的輻射效率，又可以在垂直于納米線的兩個空間維度限制光子的發散，使單光子只沿納米線方向出射、大大提高光收集利用效率。

所述n型電極與下層n型材料形成n型歐姆接觸，n型電極的材質為石墨烯、ITO、AZO、Au、Ti、Ni、Pt中的任意一種；

所述下層n型材料與pin納米線中的n型材料的材質一致。

所述襯底對于從襯底背面向下出光的器件采用對出射光透明的材質。

本實用新型提出的環腔納米線電注入單光子源器件既能作為從襯底正面向上出射的單光子源器件，又能作為從襯底背面向下出射的單光子源器件。在作為正出射單光子源器件時，p型電極采用對出射光透明的材質，如石墨烯、ITO、AZO；在作為背出射單光子源器件時，p型電極采用對出射光高反射的材質，如金屬Au、Pt、Ti/Au，這時可以限制光子只沿納米線n型一端出射，進一步改善單光子源的方向性。

本實用新型的有益效果如下：

1、在實現電注入工作的同時，既能利用珀塞爾效應增強量子點單光子源的輻射效率，又能在垂直于納米線的兩個空間維度限制光子的發散，使單光子只沿納米線方向出射、極大地提高光收集利用效率；