[发明专利]电致单光子源器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单光子源，尤其涉及一种电致单光子源器件及其制备方法。

背景技术

单光子源，是指每间隔一个固定时刻发出单个固定频率的光子。一个高亮度且稳定的单光子源作为一种非经典光源，在量子信息等诸多领域有很多的应用，如：随机数产生器、弱吸收测量、线性光学计算、量子密钥分配以及量子存储等。

自组织量子点能够对载流子进行三维限制，使载流子的能量在三个维度上量子化而具有分立的能级，呈现出某些类似“原子”的壳层填充特性，被称为“人造原子”，是最有潜力的一种单光子源。目前的半导体材料的发光波长基本上可以覆盖从可见光到红外波段；自组织量子点的尺寸可以在很大范围内调整，且波长也可以根据需要在较大范围内变化。量子点单光子源具有高的振子强度，窄的谱线宽度，且不会发生光退色等优点。

此外，自组织量子点器件结构容易集成，既可以使用光脉冲泵浦，也可以采用电致产生稳定的单光子源。其中，光致单光子器件需要外加激光器注入载流子，很难应用于实际的量子通信中；与光致单光子结构相比，，电致单光子的集成度高，如果与注入电源结构集成，将会大大提高其应用前景。但是电致单光子结构要复杂得多，，如果为了增大单光子的提取效率而采用与光致结构一样的微腔结构，在器件尺寸缩小到微米量级的情况下，将会进一步加大后续工艺的难度。

目前实现的单光子电驱动器件主要有三种结构：PIN结构、微柱结构和光子晶体结构。

其中的PIN结构，上下DBR高掺杂，中间为In(Ga)As量子点有源区，并制备n和p电极接触，PIN结构往往利用氧化孔或者开金属小孔的方式隔离单个量子点发光。其中氧化孔的方法是在有源区附近上生长高Al组分层，需要将其放置在水蒸气/氮气的环境中使其沿材料侧方往里氧化，通过精确控制氧化的时间可使得中心区域形成微米量级的非氧化小孔作为电流注入区，这种方法虽然应用广泛，但对氧化过程要求很高。

此外为了得到高Q值，提高单光子收集效率，电驱动器件也有微柱结构，也就是在微柱的基础制备n和p电极。一般来说n型下电极不存在工艺难度，主要是上电极p制备非常困难。这是因为微柱在一个维度的尺寸能缩小到微米量级，而上电极很难在这样小的台面上制备。目前主要的方式是采用BCB(苯并环丁烯)填平技术，在填平的台面上利用电子束套刻制备上电极，此种结构已经成功使用于实验室量子密钥传输中，但是这种方法对工艺要求高，制作起来较为困难。

另外也可以采取微米量级的“桥”将上电极与微柱连接，形成电驱动器件。此结构中光场泄露情况在4～5μm微柱情况下很小，在小尺寸微柱(1～2μm)情况下泄露较大，且此种方法对曝光设备要求很高。

因此，上述所提到的实现单光子电驱动器件的方法对工艺和实验设备的要求都非常高，这制约了电致单光子源的发展与应用。如何简化电致单光子源的工艺流程这是实现电致单光子源的重点也是难点，也是人们研究所聚焦的一个地方。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种电致单光子源器件及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出一种电致单光子源器件的制备方法，包括：

步骤1、在一衬底的上表面依次形成电流限制层和砷化镓层；

步骤2、在步骤1形成的器件的上表面中心位置形成作为电流注入区的凸台；在步骤1形成的器件的上表面除了凸台所在区域的其他区域腐蚀去除砷化镓层，并露出电流限制层；

步骤3、待步骤2中露出的电流限制层氧化后，在步骤2形成的器件的上表面二次外延形成p型掺杂分布式布拉格反射层，完成电致单光子源器件的制备。

在本发明的一些实施例中，上述步骤1中，在形成电流限制层前，在衬底的上表面还依次形成n型掺杂分布式布拉格反射层和有源区，电流限制层形成于有源区的上表面。

在本发明的一些实施例中，上述有源区包括砷化铟量子点和厚度为λ的砷化镓，所述λ为300K时电致单光子源器件的中心波长。

在本发明的一些实施例中，上述砷化铟量子点采用梯度生长和原位烧点结合的方法形成。

在本发明的一些实施例中，在上述步骤3后，还包括：

步骤4、在p型掺杂分布式布拉格反射层的上表面溅射剥离TiPtAu或Cr/Au，形成环形上电极；

步骤5、将衬底减薄抛光后，在衬底的下表面热蒸发AuGeNi/Au形成下电极，完成电致单光子源器件的制备。

在本发明的一些实施例中，上述n型掺杂分布式布拉格反射层的对数为a，p型掺杂分布式布拉格反射层的对数为b，其中，a大于b。