[发明专利]一种环腔纳米线电注入单光子源器件

说明书

本发明公开了一种环腔纳米线电注入单光子源器件，其特征在于：包括p型电极、pin纳米线、嵌埋于纳米线中的量子点、多层同心环腔、n型电极、n型材料和衬底。这种器件的优点在于：在实现电注入工作的同时，利用多层同心圆环构成的圆环形布拉格微腔，在圆心量子点位置产生电磁场局域增强，既能利用珀塞尔效应增强量子点单光子源的辐射效率，又能在垂直于纳米线的两个空间维度限制光子的发散，使单光子只沿纳米线方向出射,易于和光纤耦合，极大地提高光收集利用效率。本发明的环腔纳米线电注入单光子源器件可广泛应用于量子信息、量子计算、量子认证、量子精密测量相关领域。

技术领域

本发明涉及单光子源、半导体微纳光子器件、量子信息领域，具体是指一种环腔纳米线电注入单光子源器件。

技术背景

单光子源不仅是量子信息处理、量子保密通讯、量子线性光学计算和量子密码学的重要组成部分，在微量吸收测量、超高灵敏磁场测量、生物荧光标记与成像等领域也有重要应用价值。在众多单光子发射的产生方案中，基于量子点的单光子源相比其它单光子源在各方面都有着很大的优越性，如具有谱线宽度窄、振子强度高、不会发生光褪色或闪烁、时间抖动小、重复频率高、发射波段可覆盖从紫外到红外的各个波段、适于电泵浦等。通常，量子点发射单光子都是没有方向性的，而且其在自由空间中的自发辐射效率低，造成很难真正实用。

为了提高单光子源的发射效率，获得高品质单光子源，可以将量子点放在微腔中，利用purcell效应，即微腔中原子的自发辐射较处于自由空间中的自发辐射可以被极大地加强，从而利用微腔可以提高单光子发射的量子效率。对于电泵浦器件而言，微腔的存在可以极大地降低电注入的工作电压，从而提高器件的稳定性。通常是采用光子晶体微腔或DBR微腔来获得高品质单光子源。然而，光子晶体微腔与电注入器件结构兼容性不佳，而且对短波波段其结构尺寸小、制备难道很大；DBR微腔则只能在垂直方向一个维度限制光，而且其要求量子点发光波长与DBR腔共振波长精确对准，导致适于电泵浦的高质量DBR微腔对外延设备要求高、制备难度大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种适合电注入、制备简单且能在两个维度上限制光的环腔纳米线电注入单光子源器件。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

一种环腔纳米线电注入单光子源器件，由上至下依次包括：p型电极、pin纳米线、量子点、多层同心环腔、n型电极、下层n型材料和衬底；其中：

所述衬底位于最底层，衬底的上面为下层n型材料，下层n型材料的上面为pin纳米线、量子点、多层同心环腔、n型电极，p型电极位于pin纳米线的上面；

所述多层同心环腔以pin纳米线为圆心位于 pin纳米线的外层；

所述n型电极以pin纳米线为圆心呈环形位于多层同心环腔的外层，且靠近下层n型材料（6）的边缘；

所述pin纳米线位于下层n型材料的中心上，量子点嵌埋于pin纳米线（2）的本征层中。

所述p型电极的材质包括石墨烯、ITO、AZO、Au、Ti、Ni、Pt中的一种或多种混合。对于从衬底正面向上出光的器件采用对出射光透明的材质，对于从衬底背面向下出光的器件采用对出射光高反射的材质。

所述pin纳米线是由p型材料、本征型、n型材料三层构成的pin结构。其中，p型层材料位于最上层，与p型电极形成欧姆接触。

所述量子点位于pin纳米线的本征层中，是禁带宽度小于pin纳米线的材料，与pin纳米线一起构成单量子阱结构。