本發(fā)明涉及一種單光子源，尤其涉及一種電致單光子源器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

單光子源，是指每間隔一個固定時刻發(fā)出單個固定頻率的光子。一個高亮度且穩(wěn)定的單光子源作為一種非經(jīng)典光源，在量子信息等諸多領(lǐng)域有很多的應(yīng)用，如：隨機數(shù)產(chǎn)生器、弱吸收測量、線性光學(xué)計算、量子密鑰分配以及量子存儲等。

自組織量子點能夠?qū)d流子進行三維限制，使載流子的能量在三個維度上量子化而具有分立的能級，呈現(xiàn)出某些類似“原子”的殼層填充特性，被稱為“人造原子”，是最有潛力的一種單光子源。目前的半導(dǎo)體材料的發(fā)光波長基本上可以覆蓋從可見光到紅外波段；自組織量子點的尺寸可以在很大范圍內(nèi)調(diào)整，且波長也可以根據(jù)需要在較大范圍內(nèi)變化。量子點單光子源具有高的振子強度，窄的譜線寬度，且不會發(fā)生光退色等優(yōu)點。

此外，自組織量子點器件結(jié)構(gòu)容易集成，既可以使用光脈沖泵浦，也可以采用電致產(chǎn)生穩(wěn)定的單光子源。其中，光致單光子器件需要外加激光器注入載流子，很難應(yīng)用于實際的量子通信中；與光致單光子結(jié)構(gòu)相比，，電致單光子的集成度高，如果與注入電源結(jié)構(gòu)集成，將會大大提高其應(yīng)用前景。但是電致單光子結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，，如果為了增大單光子的提取效率而采用與光致結(jié)構(gòu)一樣的微腔結(jié)構(gòu)，在器件尺寸縮小到微米量級的情況下，將會進一步加大后續(xù)工藝的難度。

目前實現(xiàn)的單光子電驅(qū)動器件主要有三種結(jié)構(gòu)：pin結(jié)構(gòu)、微柱結(jié)構(gòu)和光子晶體結(jié)構(gòu)。

其中的pin結(jié)構(gòu)，上下dbr高摻雜，中間為in(ga)as量子點有源區(qū)，并制備n和p電極接觸，pin結(jié)構(gòu)往往利用氧化孔或者開金屬小孔的方式隔離單個量子點發(fā)光。其中氧化孔的方法是在有源區(qū)附近上生長高al組分層，需要將其放置在水蒸氣/氮氣的環(huán)境中使其沿材料側(cè)方往里氧化，通過精確控制氧化的時間可使得中心區(qū)域形成微米量級的非氧化小孔作為電流注入?yún)^(qū)，這種方法雖然應(yīng)用廣泛，但對氧化過程要求很高。

此外為了得到高q值，提高單光子收集效率，電驅(qū)動器件也有微柱結(jié)構(gòu)，也就是在微柱的基礎(chǔ)制備n和p電極。一般來說n型下電極不存在工藝難度，主要是上電極p制備非常困難。這是因為微柱在一個維度的尺寸能縮小到微米量級，而上電極很難在這樣小的臺面上制備。目前主要的方式是采用bcb(苯并環(huán)丁烯)填平技術(shù)，在填平的臺面上利用電子束套刻制備上電極，此種結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功使用于實驗室量子密鑰傳輸中，但是這種方法對工藝要求高，制作起來較為困難。

另外也可以采取微米量級的“橋”將上電極與微柱連接，形成電驅(qū)動器件。此結(jié)構(gòu)中光場泄露情況在4～5μm微柱情況下很小，在小尺寸微柱(1～2μm)情況下泄露較大，且此種方法對曝光設(shè)備要求很高。

因此，上述所提到的實現(xiàn)單光子電驅(qū)動器件的方法對工藝和實驗設(shè)備的要求都非常高，這制約了電致單光子源的發(fā)展與應(yīng)用。如何簡化電致單光子源的工藝流程這是實現(xiàn)電致單光子源的重點也是難點，也是人們研究所聚焦的一個地方。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的主要目的在于提出一種電致單光子源器件及其制備方法，用于解決以上技術(shù)問題的至少之一。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出一種電致單光子源器件的制備方法，包括：

步驟1、在一襯底的上表面依次形成電流限制層和砷化鎵層；

步驟2、在步驟1形成的器件的上表面中心位置形成作為電流注入?yún)^(qū)的凸臺；在步驟1形成的器件的上表面除了凸臺所在區(qū)域的其他區(qū)域腐蝕去除砷化鎵層，并露出電流限制層；

步驟3、待步驟2中露出的電流限制層氧化后，在步驟2形成的器件的上表面二次外延形成p型摻雜分布式布拉格反射層，完成電致單光子源器件的制備。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述步驟1中，在形成電流限制層前，在襯底的上表面還依次形成n型摻雜分布式布拉格反射層和有源區(qū)，電流限制層形成于有源區(qū)的上表面。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述有源區(qū)包括砷化銦量子點和厚度為λ的砷化鎵，所述λ為300k時電致單光子源器件的中心波長。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述砷化銦量子點采用梯度生長和原位燒點結(jié)合的方法形成。

在本發(fā)明的一些實施例中，在上述步驟3后，還包括：

步驟4、在p型摻雜分布式布拉格反射層的上表面濺射剝離tiptau或cr/au，形成環(huán)形上電極；

步驟5、將襯底減薄拋光后，在襯底的下表面熱蒸發(fā)augeni/au形成下電極，完成電致單光子源器件的制備。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型摻雜分布式布拉格反射層的對數(shù)為a，p型摻雜分布式布拉格反射層的對數(shù)為b，其中，a大于b。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型摻雜分布式布拉格反射層的材料為gaas/algaas，該gaas和algaas的厚度均滿足λ/4，其中，λ為300k時電致單光子源器件的中心波長，algaas中al組分的質(zhì)量分數(shù)為0.9～1.0。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述p型摻雜分布式布拉格反射層的材料為gaas/algaas，該gaas和algaas的厚度滿足λ/4；且在形成p型摻雜分布式布拉格反射層時，第一層gaas厚度與電流注入?yún)^(qū)厚度的總和滿足λ/4，其中，λ為300k時電致單光子源器件的中心波長。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述電流注入?yún)^(qū)的上表面的面積為2～80μm²。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述作為電流注入?yún)^(qū)的凸臺為圓臺結(jié)構(gòu)，其直徑為2～10μm。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述電流限制層的材料為al組分質(zhì)量分數(shù)為0.2～0.4的algaas。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述步驟2中，腐蝕所用的腐蝕液的配比為h3po4∶h2o2∶h2o＝3∶1∶40或hcl∶h2o2＝1∶1。

為了實現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提出一種電致單光子源器件，采用上述的電致單光子源器件的制備方法制備得到。

本發(fā)明提出的電致單光子源器件及其制備方法，具有以下有益效果：

1、通過二次外延的方法制備得到的電致單光子源器件，可以有效的縮小電致結(jié)構(gòu)中注入電流的面積，從而可降低閾值電流，易于形成光的模式限制；

2、本發(fā)明中露出的電流限制層僅在空氣中就可充分氧化，對氧化過程沒有要求；且環(huán)形上電極可直接在器件上表面濺射剝離形成，不存在形成于小臺面的情況，因此制備工藝簡單，無需特殊設(shè)計；因此本發(fā)明的電致單光子源器件的制備方法對工藝和實驗設(shè)備要求不高；

3、本發(fā)明中電致單光子源的外延層無需復(fù)雜的外延結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，在工藝的重復(fù)性、可靠性上都有良好的保障；

4、本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)為電致單光子源結(jié)構(gòu)，相比于光致結(jié)構(gòu)有極大的優(yōu)勢，且本發(fā)明的結(jié)構(gòu)便于與外部電路集成。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例提出的電致單光子源的縱向截面圖；

圖2是本發(fā)明一實施例提出的電致單光子源的俯視透視圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

提出了一種基于二次外延的電致單光子源器件制備方法，該電致單光子源的主體結(jié)構(gòu)為pin結(jié)構(gòu)，上下分布式布拉格反射層(distributedbraggreflectordbr)高摻雜，中間為inas量子點有源區(qū)，并制備n和p電極接觸。通過該結(jié)構(gòu)，可縮小注入電流的面積，結(jié)合量子點稀點的生長方法可實現(xiàn)電致單光子源器件的制備。此電致單光子源器件制備方法對工藝和實驗設(shè)備要求不高，因而可行性高。

具體地，本發(fā)明公開了一種電致單光子源器件的制備方法，包括：

步驟1、在一襯底的上表面依次形成電流限制層和砷化鎵層；

步驟2、在步驟1形成的器件的上表面中心位置形成作為電流注入?yún)^(qū)的凸臺；在步驟1形成的器件的上表面除了凸臺所在區(qū)域的其他區(qū)域腐蝕去除砷化鎵層，并露出電流限制層；

步驟3、待步驟2中露出的電流限制層氧化后，在步驟2形成的器件的上表面二次外延形成p型摻雜分布式布拉格反射層，完成電致單光子源器件的制備。

通過二次外延的方法制備得到的電致單光子源器件，可以有效的縮小電致結(jié)構(gòu)中注入電流的面積，從而可降低閾值電流，易于形成光的模式限制，本發(fā)明露出的電流限制層僅在空氣中就可充分氧化，對氧化過程沒有要求。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述電流注入?yún)^(qū)的上表面的面積為2～80μm²；優(yōu)選地，上述作為電流注入?yún)^(qū)的凸臺為圓臺結(jié)構(gòu)，其直徑為2～10μm，這是由于圓臺結(jié)構(gòu)更易于形成光的模式限制。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述步驟1中，在形成電流限制層前，在襯底的上表面還依次形成n型摻雜分布式布拉格反射層和有源區(qū)，電流限制層形成于有源區(qū)的上表面。

本實施例中電致單光子源的外延層無需復(fù)雜的外延結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，在工藝的重復(fù)性、可靠性上都有良好的保障。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述有源區(qū)包括砷化銦量子點和厚度為λ的砷化鎵，所述λ為300k時電致單光子源器件的中心波長。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述砷化銦量子點采用梯度生長和原位燒點結(jié)合的方法形成。

在本發(fā)明的一些實施例中，在上述步驟3后，還包括：

步驟4、在p型摻雜分布式布拉格反射層的上表面濺射剝離tiptau或cr/au，形成環(huán)形上電極；

步驟5、將襯底減薄拋光后，在襯底的下表面熱蒸發(fā)augeni/au形成下電極，完成電致單光子源器件的制備。

本實施例的環(huán)形上電極可直接在器件上表面濺射剝離形成，不存在形成于小臺面的情況，因此制備工藝簡單，無需特殊設(shè)計；因此本實施例的電致單光子源器件的制備方法對工藝和實驗設(shè)備要求不高。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型摻雜分布式布拉格反射層的對數(shù)為a，p型摻雜分布式布拉格反射層的對數(shù)為b，其中，a大于b，這樣由于上下反射率的差可保證光向上出射，其中，一般選擇b為8-12，a為24。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述p型摻雜分布式布拉格反射層的摻雜濃度自上之下漸變，以形成良好的歐姆接觸。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述n型摻雜分布式布拉格反射層的材料為gaas/algaas，該gaas和algaas的厚度均滿足λ/4，其中，λ為300k條件下電致單光子源器件的中心波長，algaas中al組分的質(zhì)量分數(shù)為0.9～1.0。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述p型摻雜分布式布拉格反射層的材料為gaas/algaas，該gaas和algaas的厚度滿足λ/4；且在形成p型摻雜分布式布拉格反射層時，第一層gaas厚度與電流注入?yún)^(qū)厚度的總和滿足λ/4，其中λ為300k時電致單光子源器件的中心波長。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述電流限制層的材料為al組分質(zhì)量分數(shù)0.2～0.4的algaas。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述步驟2中，腐蝕所用的腐蝕液的配比為h3po4∶h2o2∶h2o＝3∶1∶40或hcl∶h2o2＝1∶1。

在本發(fā)明的一些實施例中，上述p型摻雜分布式布拉格反射層的摻雜濃度自下而上為3×10¹⁸cm^-3～2×10¹⁹cm^-3。

基于上述的電致單光子源器件的制備方法，本發(fā)明還公開了一種電致單光子源器件。

以下通過具體實施例，對本發(fā)明提出的電致單光子源及其制備方法進行詳細描述。

實施例1

如圖1所示，本實施例提出了一種基于二次外延的電致單光子源器件，包括：

一下電極1，是最后將襯底2減薄拋光后熱蒸發(fā)augeni/au形成的n型下電極；

一襯底2，材料為n+型gaas(100)襯底，其作用是作為外延層生長的基底；

一n型(si)摻雜的dbr層(distributedbraggreflector)3，其結(jié)構(gòu)是nd對n型摻雜的gaas/al0.9ga0.1as，其生長在gaas(n⁺)襯底上，摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3，每一周期中，gaas厚度為65.33nm(λ/4)，al0.9ga0.1as為77.4nm(λ/4)(該生長厚度是以腔模在300k條件下中心波長在930nm為例)；

一有源區(qū)4，包含厚度為一個腔長λ的gaas和梯度生長的inas量子點，其中一個腔長的gaas厚度為261.32nm(該生長厚度是以腔模在300k時中心波長在930nm為例)；

其中，該有源區(qū)4包括inas量子點5，是采用梯度生長和原位燒點相結(jié)合的方法以生長量子點烯點形成的，生長過程為在540℃條件下生長量子點，并通過rheed(reflectionhigh-energyelectrondiffraction，反射高能電子衍射)來確定臨界淀積量θc，在670℃的高溫條件下燒點后停止轉(zhuǎn)動襯底2，在540℃條件下原位生長量子點，其中淀積量為θc-δθc；

一電流限制層6，其材料成分是al0.3ga0.7as；

一電流注入?yún)^(qū)7，其材料成分為gaas，其厚度為30nm，其制備為在電流限制層6上生長gaas層后，用正膠作掩膜光刻出直徑為5μm的圓形區(qū)域作為電流注入層，然后用h3po4∶h2o2∶h2o＝3∶1∶40的腐蝕液腐蝕其他部分的gaas層至電流限制層6，此種腐蝕液對gaas的腐蝕速率約為2nm/s，可適當(dāng)過腐蝕使電流限制層6暴露在空氣中，露出的al0.3ga0.7as在空氣中氧化后即為電流限制層6；

一p型(be)摻雜的dbr層8，其材料與n型(si)摻雜的dbr層3一樣，為包括nup(nup＜nd)對p型摻雜的gaas/al0.9ga0.1as，摻雜濃度由下而上在3×10¹⁸cm^-3至2×10¹⁹cm^-3范圍內(nèi)漸變，以形成歐姆接觸，該p型摻雜的dbr層8的厚度為：第一層gaas厚度為35.33nm，以與電流注入?yún)^(qū)7中g(shù)aas(30nm)的總厚度為λ/4，之后每對中g(shù)aas的厚度為65.33nm(λ/4)，每對中al0.9ga0.1as的厚度均為77.4nm(λ/4)，該生長厚度是以腔模在300k時中心波長在930nm為例；

一上電極9，材料為tiptau，如圖2所示，該上電極9的形狀為環(huán)形，通過光刻后濺射剝離金屬的方法得到。

實施例2

本實施例提出了一種基于二次外延的電致單光子源器件的制備方法，如下：

步驟1、在一襯底的上表面依次形成電流限制層和gaas層；具體地包括以下步驟：

步驟1-1、首先在n⁺型gaas襯底2上外延生長厚度為300nm、摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3的n型gaas作為緩沖層；

步驟1-2、接著外延生長24對、材料結(jié)構(gòu)gaas/al0.9ga0.1as的n型摻雜的下層dbr3，其中，摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3，gaas和algaas的厚度均為λ/4(以腔模在300k時中心波長在930nm為例，gaas為65.33nm，，al0.9ga0.1as為77.4nm)，作為電致單光子源的下反射面，

與上dbr及有源區(qū)形成共振腔以增大單光子的提取效率；

步驟1-3、然后外延生長有源區(qū)4，其外延生長采用的是梯度生長和原位燒點結(jié)合的方法，在生長有源區(qū)時先在580℃條件下生長50nm厚的gaas，后將溫度降至540℃后生長inas量子點，通過反射高能電子衍射rheed(reflectionhigh-energyelectrondiffraction)記錄量子點的臨界成島時間，進而計算出臨界成島淀積量θc；然后再在670℃的高溫條件下將inas量子點解吸附，這就是原位燒點過程；原位燒點過程結(jié)束后，再生長80.66nm的gaas，之后停止轉(zhuǎn)動襯底，生長淀積量為θc-δθc的inas量子點，這就是梯度生長過程，從而在后續(xù)的光譜測試中沿梯度方向即可找到烯點區(qū)域；在梯度生長形成inas量子點后，在inas量子點的上表面外延生長130.66nm的gaas，完成有源區(qū)4的制備。

步驟1-4、接著生長低al組分的al0.3gaas作為電流限制層6，厚度為λ/4(以腔模在300k時中心波長在930nm為例，厚度為69.72nm)；

步驟2、通過光刻、腐蝕，在所述步驟1中器件的上表面的中心位置形成一圓臺作為電流注入?yún)^(qū)；步驟1中器件的上表面其他區(qū)域腐蝕去除所述gaas層并露出所述電流限制層；

具體地，在電流限制層6上生長30nm的gaas后，采用分子束外延設(shè)備mbe進行工藝，先用正膠光刻出5μm直徑的圓形結(jié)構(gòu)作為電流注入?yún)^(qū)7，后以正膠為掩膜進行濕法腐蝕，腐蝕液體配方為h3po4∶h2o2∶h2o＝3∶1∶40，對gaas的腐蝕速率約為2nm/s，通過控制腐蝕時間使其腐蝕至電流限制層6，可適量過腐蝕，使電流限制層6暴露在空氣中。

步驟3、待步驟2中露出的所述電流限制層氧化后，在所述步驟2中器件的上表面二次外延形成p型摻雜dbr層，完成電致單光子源器件的制備，具體包括以下步驟：

步驟3-1、待一段時間的氧化后形成電流限制，而光刻膠覆蓋的圓形區(qū)域則為電流注入?yún)^(qū)，由此可將電流限制在5μm直徑的小面積區(qū)域內(nèi)；

步驟3-2、經(jīng)過清洗過程之后將外延片放入mbe生長室內(nèi)進行二次外延生長，生長包含10對p型摻雜的dbr層8，材料結(jié)構(gòu)及生長厚度與下層dbr一樣，p型摻雜濃度由下而上在3×10¹⁸cm^-3至2×10¹⁹cm^-3內(nèi)漸變，以形成歐姆接觸；其中，第一層gaas的厚度為35.33nm，以與電流注入?yún)^(qū)7中g(shù)aas(30nm)的總厚度為λ/4，之后每對中g(shù)aas厚度為65.33nm(λ/4)，每對中al0.9ga0.1as的厚度為77.4nm(λ/4)。

步驟4、在p型摻雜dbr層8的上表面濺射剝離tiptau，形成環(huán)形上電極9；

具體的，通過光刻后濺射剝離tiptau，在p型摻雜的dbr層8的上表面形成環(huán)形上電極9。

步驟5、將襯底2減薄拋光后，在襯底2的下表面熱蒸發(fā)augeni/au形成下電極1，便于與外電路連接。

通過上述材料外延以及工藝制備，最終得到電致單光子源器件，該電致單光子源器件的俯視圖如圖2所示。

本發(fā)明提出的電致單光子源器件具體工作時，在環(huán)形上電極9上加電壓注入電流，由于氧化后的電流限制層6具有電流限制的作用，電流只能通過中心5μm直徑的圓形的中心電流注入?yún)^(qū)，這樣只能激發(fā)位于圓臺區(qū)域下的量子點，可有效地縮小電流注入的面積，且結(jié)合稀點的生長方法可最終制作成電致單光子源器件。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。