本實(shí)用新型涉及單光子源、半導(dǎo)體微納光子器件、量子信息領(lǐng)域，具體是指一種環(huán)腔納米線電注入單光子源器件。

背景技術(shù)：

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(xué)計(jì)算和量子密碼學(xué)的重要組成部分，在微量吸收測(cè)量、超高靈敏磁場(chǎng)測(cè)量、生物熒光標(biāo)記與成像等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用價(jià)值。在眾多單光子發(fā)射的產(chǎn)生方案中，基于量子點(diǎn)的單光子源相比其它單光子源在各方面都有著很大的優(yōu)越性，如具有譜線寬度窄、振子強(qiáng)度高、不會(huì)發(fā)生光褪色或閃爍、時(shí)間抖動(dòng)小、重復(fù)頻率高、發(fā)射波段可覆蓋從紫外到紅外的各個(gè)波段、適于電泵浦等。通常，量子點(diǎn)發(fā)射單光子都是沒有方向性的，而且其在自由空間中的自發(fā)輻射效率低，造成很難真正實(shí)用。

為了提高單光子源的發(fā)射效率，獲得高品質(zhì)單光子源，可以將量子點(diǎn)放在微腔中，利用purcell效應(yīng)，即微腔中原子的自發(fā)輻射較處于自由空間中的自發(fā)輻射可以被極大地加強(qiáng)，從而利用微腔可以提高單光子發(fā)射的量子效率。對(duì)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(wěn)定性。通常是采用光子晶體微腔或DBR微腔來獲得高品質(zhì)單光子源。然而，光子晶體微腔與電注入器件結(jié)構(gòu)兼容性不佳，而且對(duì)短波波段其結(jié)構(gòu)尺寸小、制備難道很大；DBR微腔則只能在垂直方向一個(gè)維度限制光，而且其要求量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)與DBR腔共振波長(zhǎng)精確對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致適于電泵浦的高質(zhì)量DBR微腔對(duì)外延設(shè)備要求高、制備難度大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種適合電注入、制備簡(jiǎn)單且能在兩個(gè)維度上限制光的環(huán)腔納米線電注入單光子源器件。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用技術(shù)方案如下：

一種環(huán)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(diǎn)、多層同心環(huán)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(diǎn)、多層同心環(huán)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(huán)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(huán)形位于多層同心環(huán)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(diǎn)嵌埋于pin納米線（2）中間。

所述p型電極的材質(zhì)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(duì)于從襯底正面向上出光的器件采用對(duì)出射光透明的材質(zhì)，對(duì)于從襯底背面向下出光的器件采用對(duì)出射光高反射的材質(zhì)。

所述pin納米線是由p型材料、本征型、n型材料三層構(gòu)成的pin結(jié)構(gòu)。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(diǎn)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(gòu)成單量子阱結(jié)構(gòu)。

所述多層同心環(huán)腔以pin納米線為圓心，由兩種或多種復(fù)折射率不同的材質(zhì)構(gòu)成，其材質(zhì)包括但不限于空氣、介質(zhì)絕緣材料、金屬材料。所述多層同心環(huán)腔是多層同心圓環(huán)構(gòu)成的圓環(huán)形布拉格微腔，可以在圓心位置，即pin納米線位置產(chǎn)生電磁場(chǎng)局域增強(qiáng)，既能利用珀塞爾效應(yīng)增強(qiáng)量子點(diǎn)單光子源的輻射效率，又可以在垂直于納米線的兩個(gè)空間維度限制光子的發(fā)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(zhì)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(zhì)一致。

所述襯底對(duì)于從襯底背面向下出光的器件采用對(duì)出射光透明的材質(zhì)。

本實(shí)用新型提出的環(huán)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(shí)，p型電極采用對(duì)出射光透明的材質(zhì)，如石墨烯、ITO、AZO；在作為背出射單光子源器件時(shí)，p型電極采用對(duì)出射光高反射的材質(zhì)，如金屬Au、Pt、Ti/Au，這時(shí)可以限制光子只沿納米線n型一端出射，進(jìn)一步改善單光子源的方向性。

本實(shí)用新型的有益效果如下：

1、在實(shí)現(xiàn)電注入工作的同時(shí)，既能利用珀塞爾效應(yīng)增強(qiáng)量子點(diǎn)單光子源的輻射效率，又能在垂直于納米線的兩個(gè)空間維度限制光子的發(fā)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；

2、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，而且作為背出射單光子源器件時(shí)可以限制光子只沿納米線一端出射，進(jìn)一步改善單光子源的方向性。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)沿圓環(huán)中心截面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為基于石墨烯透明p型電極的AlGaN/GaN環(huán)腔納米線電注入單光子源器的Purcell增強(qiáng)因子計(jì)算值。

其中，附圖標(biāo)記為：1為p型電極；2為pin納米線；3為量子點(diǎn)；4為多層同心環(huán)腔；5為n型電極；6為下層n型材料；7為襯底。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種基于石墨烯透明p型電極的AlGaN/GaN環(huán)腔納米線電注入單光子源器。如圖1、2所示，其中：1為石墨烯透明p型電極；2為p-AlGaN/i-AlGaN/GaN-Qdot/i-AlGaN/n-AlGaN納米線；3為嵌埋于pin AlGaN納米線中的GaN量子點(diǎn)；4為AlGaN和旋轉(zhuǎn)涂布玻璃（SOG）構(gòu)成的多層同心環(huán)腔，同心環(huán)腔的厚度是等效波長(zhǎng)的四分之一；5為Pt/Au構(gòu)成的n型電極；6為n型AlGaN外延材料；7為AlN襯底。這種結(jié)構(gòu)由多層同心環(huán)腔構(gòu)成的布拉格光柵限制垂直納米線兩個(gè)空間維度發(fā)散的光子，僅沿著納米線兩端發(fā)射單光子，具有很好的方向性，而且同心環(huán)微腔內(nèi)的局域態(tài)光子密度增加使量子點(diǎn)輻射單光子的速率大大增加。圖3是針對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)325nm的AlGaN/GaN量子點(diǎn)/納米線單光子源器件計(jì)算的Purcell增強(qiáng)因子，達(dá)到了80倍。

該器件制備方法如下：

先在AlN襯底上生長(zhǎng)p-AlGaN/i-AlGaN/GaN-Qdot/i-AlGaN/n-AlGaN多層結(jié)構(gòu)的單量子阱外延片；然后通過電子束光刻或納米壓印在其上產(chǎn)生同心環(huán)形及中心圓的納米圖形；其后利用干法刻蝕結(jié)合濕法腐蝕產(chǎn)生環(huán)腔納米線結(jié)構(gòu)；之后利用旋轉(zhuǎn)涂布玻璃（SOG）將環(huán)腔的空隙填充，并在納米線頂端生長(zhǎng)石墨烯透明p型電極；最后在環(huán)腔結(jié)構(gòu)外圍刻蝕環(huán)形臺(tái)面并沉積Pt/Au n型電極。

實(shí)施例2

一種基于Ti/Au高反射p型電極的InGaAs/InAs環(huán)腔納米線電注入單光子源器。如圖1、2所示，其中：1為Ti/Au高反射p型電極；2為p-InGaAs/i-InGaAs/InAs/i-InGaAs/n-InGaAs納米線；3為嵌埋于pin InGaAs納米線中的InAs量子點(diǎn)；4為Al₂O₃和空氣構(gòu)成的多層同心環(huán)腔，同心環(huán)腔的厚度是等效波長(zhǎng)的四分之一；5為Ni/Au構(gòu)成的n型電極；6為n型InGaAs外延材料；7為GaAs襯底。這種結(jié)構(gòu)由多層同心環(huán)腔構(gòu)成的布拉格光柵限制垂直納米線兩個(gè)空間維度發(fā)散的光子、由Ti/Au高反射p型電極限制沿納米線p型端發(fā)散的光子，從而僅沿著納米線n型一端超襯底背面向下發(fā)射單光子，而且同心環(huán)微腔內(nèi)的局域態(tài)光子密度增加使量子點(diǎn)輻射單光子的速率大大增加。

該器件制備方法如下：先在GaAs襯底上制作圓形SiO₂納米圖形掩模，然后在其上選區(qū)生長(zhǎng)p-InGaAs/i-InGaAs/InAs/i-InGaAs/n-InGaAs納米線結(jié)構(gòu)；之后利用ALD沉積技術(shù)將納米線周邊用Al₂O₃填平，并在頂端生長(zhǎng)Ti/Au高反射p型電極；其后圍繞納米線為圓心產(chǎn)生環(huán)形納米圖形，并采用干法刻蝕結(jié)合濕法腐蝕產(chǎn)生環(huán)腔結(jié)構(gòu)；最后在環(huán)腔結(jié)構(gòu)外圍刻蝕環(huán)形臺(tái)面并沉積Ni/Au n型電極。