Источник однофотонного излучения на основе светодиодной излучающей гетероструктуры с эпитаксиальными полупроводниковыми КТ в системе InAs/AlGaAs, изготовленной методом МПЭ

Полезная модель относится к области полупроводниковой фотоники, а именно к области создания источников и детекторов однофотонного излучения. Предложенная полезная модель может быть использована для создания источников однофотонного излучения, являющихся ключевыми элементами устройств квантовой криптографии.
В последние десятилетия были предприняты значительные усилия в области разработки излучателей света, позволяющих тем или иным способом контролируемо испускать одиночные фотоны. Высокоэффективный однофотонный источник потенциально имеет множество важных приложений, в частности, востребован в метрологии или в телекоммуникационных системах, обеспечивая полную безопасность обмена данными с использованием протоколов квантовой криптографии. При этом в квантовой криптографии для достижения условий абсолютной конфиденциальности крайне необходимо, чтобы импульсы на выходе источника никогда не содержали более одного фотона.
Источник одиночных фотонов с электрической накачкой представляет собой систему, которая способна генерировать импульсы света, содержащие только один фотон, при приложении импульсного электрического напряжения между его электродами.
Преимуществом источника однофотонного излучения с инжекционной накачкой является его компактность по сравнению с оптически накачиваемыми источниками, достигаемая за счет исключения сложной оптической схемы накачивающего лазера.
При реализации диодного источника однофотонного излучения с электрической накачкой на основе полупроводниковых квантовых точек (КТ) помимо стандартных задач для однофотонных излучателей (формирование разреженного массива КТ, расчет и реализация распределенных брэгговских отражателей, создание трехмерных микрорезонаторов), необходимо решить и дополнительные вопросы, связанные с n- и р-легированием структур, расположением легированных областей в структуре, формированием омических контактов, созданием латерального ограничения области протекания тока и волноводного ограничения в трехмерном резонаторе.
Одной из наиболее распространенных систем для изготовления источников одиночных фотонов с электрической накачкой в ближней инфракрасной области являются диодные структуры с КТ InAs/(Al,Ga)As.
x
1-x
Известна конструкция однофотонного источника с электрической накачкой [L. Wang, Y. Ying, Z. Guowei, X. Jianxing, N. Haiqiao, N. Zhichuan, патент CN 103532010 А, дата приоритета 25.10.2013] на основе структуры, полученной на подложке GaAs и состоящей из буферного слоя GaAs, распределенных верхнего и нижнего брэгговских зеркал GaAs/AlGaAs и массива КТ InAs в активной области. Недостатком предложенной конструкции однофотонного излучателя является формирование электрических контактов к структуре таким образом, что электрический ток проходит через всю конструкцию, включая толстые (несколько мкм) легированные брэгговские зеркала, что неизбежно должно приводить к дополнительным оптическим потерям, связанным с поглощением на свободных носителях и уменьшением быстродействия за счет высокого сопротивления брэгговских зеркал.
Аналогичным недостатком обладает и источник одиночных фотонов с инжекционной накачкой, предложенный Hirose Shinichi и Usuki Tatsuya (патент US 2007295977 А1, дата приоритета 04.03.2005). В данной конструкции все части структуры являются легированными и электрические контакты формируются к обратной стороне легированной подложки GaAs и к верхней части структуры. Для сбора излучения формируется меза-структура, содержащая, по крайней мере, одну КТ.
0.95
0.05
0.4
0.6
0.8-x
0.2
x
0.71-x
0.29
x
0.95
0.05
2
Другая известная конструкция источника однофотонного излучения с диодной накачкой на основе полупроводниковых КТ [L. Wang, Z. Wang, J. Qin, Y. Li, патент CN 106299066 А, дата приоритета 31.08.2016] включает в себя подложку GaAs, на которой формируется брэгговское зеркало путем чередования слоев GaAs/AlGaAs. Затем следует активная область, состоящая из КТ InAs, смачивающего слоя InGaAs и закрывающих слоев InAlGaAs и InAlGaAs. Массив КТ создается по технологии импринт. Сверху активной области структуры формируется брэгговское зеркало GaAs/AlGaAs. На поверхность осаждается слой SiO, в котором формируется микрорезонаторная структура. В данной конструкции источника однофотонного излучения используются внутрирезонаторные электрические контакты, что позволяет уменьшить оптические потери, связанные с поглощением на свободных носителях [Н.А. Малеев, А.Г. Кузьменков, С.А. Блохин, В.М. Устинов, патент RU 2611555]. Однако в качестве недостатков данной конструкции необходимо отметить сложную и дорогостоящую технологию формирования разреженного массива КТ, а также сложную конструкцию микрорезонаторной структуры, которая формируется внутри осажденного сверху слоя диэлектрика.
В другом типе структур источников однофотонного излучения с инжекционной накачкой формирование верхнего распределенного брэгговского отражателя (РБО), верхнего контактного слоя и электрода происходит уже на сформированном трехмерном микрорезонаторе [В. Ma, Z. Chen, X. Shang, Н. Ni, Z. Niu, патент CN 106099642 А, дата приоритета 30.06.2016]. В данном случае, микрорезонатор представляет собой инвертированную треугольную пирамиду. Такой способ формирования источника одиночных фотонов существенно более технически сложен по сравнению с вышеописанными.
0.9
0.1
x
1-x
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является конструкция источника однофотонного излучения с электрической накачкой, предложенная в работе [D.J.P. Ellis, A.J. Bennett, S.J. Dewhurst, C.A. Nicoll, D.A. Ritchie, A.J. Shields, Cavity-enhanced radiative emission rate in a single-photon-emitting diode operating at 0,5 GHz, New Journal of Physics 10, 043035 (2008)]. Структура источника однофотонного излучения содержит массив КТ InAs низкой плотности, расположенный в середине вертикального резонатора GaAs, заключенного между верхним и нижним РБО GaAs/AlGaAs, содержащими, соответственно, 17 и 25 периодов. Верхнее и нижнее зеркала легируются, соответственно, для получения р- и n-типа проводимости. Источник однофотонного излучения формируется на основе данной полупроводниковой гетероструктуры посредством стандартного фотолитографического процесса и представляет собой меза-структуру прямоугольной формы, электрические контакты формируются к легированным частям структуры на небольшом расстоянии от активной области. В центре плоскости меза-структуры формируется окисляемая апертура, предназначенная для латерального ограничения области протекания тока, которая состоит из трех слоев AlGaAs с содержанием Al 70, 90 и 100%. Основными недостатками данной конструкции являются, как и в вышеописанных устройствах, наличие сильных оптических потерь, обусловленных легированием брэгговских зеркал, и сложность многочасового технологического процесса, в котором необходимо вырастить структуру, содержащую два толстых полупроводниковых РБО и область резонатора между ними, которые бы были спектрально согласованы между собой и с линией излучения одиночных КТ, попадающих в область апертуры, ограничивающей область излучения однофотонного источника.
В качестве заявляемой полезной модели выступает источник однофотонного излучения на основе светодиодной излучающей гетероструктуры с эпитаксиальными полупроводниковыми КТ в системе InAs/AlGaAs, изготовленной методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) и пост-ростовой литографической технологии. Предлагаемая конструкция позволяет упростить процесс изготовления источника однофотонного излучения, улучшить его временные и излучательные характеристики, а также повысить воспроизводимость создания годных для изготовления источников однофотонного излучения меза-структур.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, на котором представлено схематичное изображение структуры источника однофотонного излучения с электрической накачкой (фиг. 1).
На фиг. 2 и фиг. 3 приведены изображения изготовленных гетероструктуры и источника однофотонного излучения соответственно. Изображения получены с помощью растрового электронного микроскопа.
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
2
5
2
Эпитаксиальная гетероструктура выращивается на полупроводниковой подложке GaAs (1) ориентации (001) (фиг. 1) и содержит следующие слои (последовательно в направлении от подложки): буферный слой GaAs (2), нижний РБО GaAs/AlGaAs, содержащий 30 периодов (3), контактный слой GaAs:Si n-типа проводимости, легированный Si (4), градиентную сверхрешетку (CP) n-типа проводимости GaAs:Si/AlGaAs:Si (5), слои окисляемой апертуры n-типа проводимости AlGaiAs:Si/AlAs:Si/AlGaAs:Si (6), обратную градиентную CP n-типа проводимости с GaAs:Si/AlGaAs:Si (7), нелегированную CP GaAs/AlGaAs с постоянным периодом (8), нижний барьерный слой GaAs (9), разреженный массив КТ InAs (10), верхний барьерный слой GaAs (11), нелегированную CP с постоянным периодом AlGaAs/GaAs (12), градиентную CP р-типа проводимости AlGaAs:Be/GaAs:Be (13), слои окисляемой апертуры р-типа проводимости AlGaAs:Be/AlAs:Be/AlGaAs:Be (14), обратную градиентную CP р-типа проводимости GaAs:Be/AlGaAs:Be (15), легированный Be слой GaAs р-типа проводимости (16), стоп-слой р-типа проводимости AlGaAs:Be (17), контактный слой GaAs р-типа проводимости, сильно легированный Be (18). Верхний РБО, представляющий собой периодическую последовательность диэлектрических слоев TaO/SiO, осаждается на поверхность сформированных с помощью пост-ростовых литографических технологий меза-структур со стравленными верхним контактным слоем и стоп-слоем и оставляется в виде цилиндрического РБО только на вершине меза-структур над апертурой источника методом взрывной литографии (19). В качестве электрического контакта р-типа используется система AgMn/Au (20), в качестве п-электрода - AuGe/Ni/Au (21).
Принципиально новой в предлагаемой конструкции источника однофотонного излучения с электрической накачкой является совокупность следующих конструкционной особенностей, приведенных ниже.
0.89
0.11
0.89
0.11
Использование внутрирезонаторных контактов. В этом случае верхний и нижний РБО не легируются, а электрические контакты формируются к тонким контактным слоям GaAs n- и р-типа проводимости, которые расположены внутри микрорезонатора. Потенциальные барьеры, вводимые слоями окисляемых апертур AlGaAs/AlAs/AlGa As сверху и снизу КТ активной области сглаживаются с использованием градиентных СР. Использование внутрирезонаторных контактов позволяет уменьшить оптические потери, обусловленные поглощением на свободных носителях заряда. Кроме того, совместно с градиентными CP, они позволяют уменьшить сопротивление структуры и, как следствие, рабочее напряжение, а также увеличить быстродействие источника.
2
5
2
Использование в качестве верхнего РБО последовательности диэлектрических слоев ТаО/SiO, что позволяет, во-первых, существенно упростить технологию изготовления источника однофотонного излучения посредством исключения второго полупроводникового РБО, МПЭ рост которого требует тщательного подбора и длительного поддержания неизменных условий роста. А во-вторых, позволяет разбить процесс создания источника однофотонного излучения на две стадии: получение полупроводниковой гетероструктуры и тестирование параметров излучения КТ InAs и спектра отражения нижнего РБО с микрорезонатором, и осаждение верхнего диэлектрического РБО с подстройкой его параметров под излучательные характеристики конкретных КТ InAs и параметры нижнего РБО.
Использование двух оксидных апертур сверху и снизу от слоя КТ InAs, что позволяет не только реализовать ограничение области протекания тока в латеральном направлении, но и обеспечить волноводный эффект для однофотонного излучения в вертикальном направлении.
Суммарная толщина структуры составляет величину, кратную длине волны излучения однофотонного источника X в соответствующих слоях. В качестве метода формирования эпитаксиальной гетероструктуры используется метод МПЭ.
Буферный слой GaAs (2) должен быть выполнен толщиной 0,2-0,3 мкм. Его назначение - уменьшение шероховатости поверхности гетероструктуры и предотвращение формирования структурных дефектов на гетерогранице с подложкой.
0.89
0.11
0.89
0.11
Толщина нижнего РБО GaAs/AlGaAs (3) составляет 4,11 мкм, РБО состоит их 30 периодов, включающих слои GaAs толщиной 63 нм и AlGaAs толщиной 74 нм.
Толщина контактного слой GaAs n-типа проводимости (4) составляет 430 нм.
0.89
0.11
0.89
0.11
Толщины градиентных CP n-типа проводимости GaAs:Si/AlGaAs:Si (5 и 7) составляют 15 нм. CP состоят из последовательности чередующихся слоев GaAs:Si/AlGaAs:Si переменной толщины.
0.89
0.11
0.89
0.11
Верхняя и нижняя окисляемая апертура (6 и 14) состоит из следующих слоев 20 нм AlGaAs/20 нм AlAs/10 нм AlGaAs.
0.89
0.11
Толщины верхней и нижней нелегированной CP постоянного периода GaAs/AlGaAs (8 и 12) составляют 128 нм.
Верхний и нижний барьеры (9 и 11) представляют собой слои GaAs толщиной 1 нм.
Толщина слоя КТ InAs (10) составляет 1,7 монослоя.
2
5
2
Верхний РБО (19) состоит из периодической последовательности (7 периодов) слоев 109 нм ТаО /152 нм SiO.
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
0.89
0.11
2
5
2
Пример. На подложке GaAs ориентации (001) была эпитаксиально выращена многослойная гетероструктура, содержащая буферный слой GaAs толщиной 0,2 мкм, нижний РБО GaAs/AlGaAs, содержащий 30 периодов, толщиной 4,11 мкм, контактный слой GaAs: Si n-типа проводимости, легированный Si, толщиной 430 нм, градиентную сверхрешетку (CP) n-типа проводимости GaAs:Si/AlGaAs:Si толщиной 15 нм, слои окисляемой апертуры n-типа проводимости AlGaAs:Si/AlAs:Si/AlGaAs:Si толщиной 50 нм, обратную градиентную CP n-типа проводимости с GaAs:Si/AlGaAs:Si толщиной 15 нм, нелегированную CP GaAs/AlGaAs с постоянным периодом толщиной 128 нм, нижний барьерный слой GaAs толщиной 1 нм, разреженный массив КТ InAs толщиной 1,7 монослоя, верхний барьерный слой GaAs толщиной 1 нм, нелегированную CP с постоянным периодом AlGaAs/GaAs толщиной 128 нм, градиентную CP р-типа проводимости AlGaAs:Be/GaAs:Be толщиной 15 нм, слои окисляемой апертуры р-типа проводимости AlGaAs:Be/AlAs:Be/AlGaAs:Be толщиной 50 нм, обратную градиентную CP р-типа проводимости GaAs:Be/AlGaAs:Be толщиной 15 нм, легированный Be слой GaAs р-типа проводимости толщиной 430 нм, стоп-слой р-типа проводимости AlGaAs:Be толщиной 5 нм, контактный слой GaAs р-типа проводимости, сильно легированный Be, толщиной 60 нм. На выращенной гетероструктуре были сформированы цилиндрические меза-структуры со стравленными верхним контактным слоем и стоп-слоем над апертурой источника. Сформированы электроды р- и n-типа на основе систем AgMn/Au и AuGe/Ni/Au, соответственно. На поверхности меза-структур внутри кольцевого контакта р-типа был осажден верхний цилиндрический диэлектрический РБО, представляющий собой периодическую последовательность диэлектрических слоев ТаО/SiO суммарной толщиной 1,827 мкм.
(2)
Выполненные измерения спектров излучения и автокорреляционной функции второго порядка g(τ) подтвердили однофотонный характер излучения КТ InAs и позволили продемонстрировать следующие параметры:
- длина волны излучения КТ - 896 нм;
- рабочая температура - 10°К;
(2)
- среднее значение корреляционной функции в нуле g(0) - 0,18±0,03;
- скорость генерации - 5,2 МГц.