一种环腔纳米线电注入单光子源器件的制作方法

本实用新型涉及单光子源、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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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，本实用新型采用技术方案如下：

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）中间。

所述p型电极的材质包括但不限于石墨烯、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。

所述多层同心环腔以pin纳米线为圆心，由两种或多种复折射率不同的材质构成，其材质包括但不限于空气、介质绝缘材料、金属材料。所述多层同心环腔是多层同心圆环构成的圆环形布拉格微腔，可以在圆心位置，即pin纳米线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，又可以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、大大提高光收集利用效率。

所述n型电极与下层n型材料形成n型欧姆接触，n型电极的材质为石墨烯、ITO、AZO、Au、Ti、Ni、Pt中的任意一种；

所述下层n型材料与pin纳米线中的n型材料的材质一致。

所述衬底对于从衬底背面向下出光的器件采用对出射光透明的材质。

本实用新型提出的环腔纳米线电注入单光子源器件既能作为从衬底正面向上出射的单光子源器件，又能作为从衬底背面向下出射的单光子源器件。在作为正出射单光子源器件时，p型电极采用对出射光透明的材质，如石墨烯、ITO、AZO；在作为背出射单光子源器件时，p型电极采用对出射光高反射的材质，如金属Au、Pt、Ti/Au，这时可以限制光子只沿纳米线n型一端出射，进一步改善单光子源的方向性。

本实用新型的有益效果如下：

1、在实现电注入工作的同时，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、极大地提高光收集利用效率；

2、既能作为从衬底正面向上出射的单光子源器件，又能作为从衬底背面向下出射的单光子源器件，而且作为背出射单光子源器件时可以限制光子只沿纳米线一端出射，进一步改善单光子源的方向性。

附图说明

图1为本实用新型的三维结构示意图。

图2为图1所示结构沿圆环中心截面的结构示意图。

图3为基于石墨烯透明p型电极的AlGaN/GaN环腔纳米线电注入单光子源器的Purcell增强因子计算值。

其中，附图标记为：1为p型电极；2为pin纳米线；3为量子点；4为多层同心环腔；5为n型电极；6为下层n型材料；7为衬底。

具体实施方式

实施例1

一种基于石墨烯透明p型电极的AlGaN/GaN环腔纳米线电注入单光子源器。如图1、2所示，其中：1为石墨烯透明p型电极；2为p-AlGaN/i-AlGaN/GaN-Qdot/i-AlGaN/n-AlGaN纳米线；3为嵌埋于pin AlGaN纳米线中的GaN量子点；4为AlGaN和旋转涂布玻璃（SOG）构成的多层同心环腔，同心环腔的厚度是等效波长的四分之一；5为Pt/Au构成的n型电极；6为n型AlGaN外延材料；7为AlN衬底。这种结构由多层同心环腔构成的布拉格光栅限制垂直纳米线两个空间维度发散的光子，仅沿着纳米线两端发射单光子，具有很好的方向性，而且同心环微腔内的局域态光子密度增加使量子点辐射单光子的速率大大增加。图3是针对发射波长325nm的AlGaN/GaN量子点/纳米线单光子源器件计算的Purcell增强因子，达到了80倍。

该器件制备方法如下：

先在AlN衬底上生长p-AlGaN/i-AlGaN/GaN-Qdot/i-AlGaN/n-AlGaN多层结构的单量子阱外延片；然后通过电子束光刻或纳米压印在其上产生同心环形及中心圆的纳米图形；其后利用干法刻蚀结合湿法腐蚀产生环腔纳米线结构；之后利用旋转涂布玻璃（SOG）将环腔的空隙填充，并在纳米线顶端生长石墨烯透明p型电极；最后在环腔结构外围刻蚀环形台面并沉积Pt/Au n型电极。

实施例2

一种基于Ti/Au高反射p型电极的InGaAs/InAs环腔纳米线电注入单光子源器。如图1、2所示，其中：1为Ti/Au高反射p型电极；2为p-InGaAs/i-InGaAs/InAs/i-InGaAs/n-InGaAs纳米线；3为嵌埋于pin InGaAs纳米线中的InAs量子点；4为Al₂O₃和空气构成的多层同心环腔，同心环腔的厚度是等效波长的四分之一；5为Ni/Au构成的n型电极；6为n型InGaAs外延材料；7为GaAs衬底。这种结构由多层同心环腔构成的布拉格光栅限制垂直纳米线两个空间维度发散的光子、由Ti/Au高反射p型电极限制沿纳米线p型端发散的光子，从而仅沿着纳米线n型一端超衬底背面向下发射单光子，而且同心环微腔内的局域态光子密度增加使量子点辐射单光子的速率大大增加。

该器件制备方法如下：先在GaAs衬底上制作圆形SiO₂纳米图形掩模，然后在其上选区生长p-InGaAs/i-InGaAs/InAs/i-InGaAs/n-InGaAs纳米线结构；之后利用ALD沉积技术将纳米线周边用Al₂O₃填平，并在顶端生长Ti/Au高反射p型电极；其后围绕纳米线为圆心产生环形纳米图形，并采用干法刻蚀结合湿法腐蚀产生环腔结构；最后在环腔结构外围刻蚀环形台面并沉积Ni/Au n型电极。