ОДНОФОТОННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ОДИНОЧНОЙ КВАНТОВОЙ ТОЧКИ

Предполагаемая полезная модель относится к области оптоэлектроники, конкретно - к устройствам со стимулированным излучением.
Известен аналог заявляемого объекта однофотонный излучатель [Т.В. Hoang, G.M. Akselrod, М.Н. Mikkelsen. Ultrafast room-temperature single photon emission from quantum dots coupled to plasmonic nanocavities // Nano Letters, 2016, 16, 270-275], содержащий металлическую подложку на основе золота, покрытую разделительным полимерным слоем, на котором размещена одиночная квантовая точка CdSe/ZnS, поверх которой расположен кубический кристалл серебра, покрытый дополнительным слоем полимера.
Данный однофотонный излучатель позволяет генерировать одиночные фотоны в видимом оптическом диапазоне.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: одиночная квантовая точка.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: материал квантовой точки, не обеспечивающий необходимый оптический диапазон, низкая стабильность характеристик, конструктивная сложность, слабая масштабируемость и воспроизводимость излучателя.
Известен аналог заявляемого объекта однофотонный излучатель [G.-C. Shan, Z.-Q. Yin, С.Н. Shek, W. Huang. Single photon sources with single semiconductor quantum dots // Frontiers of Physics, 2014, 9(2), 170-193], содержащий полупроводниковую подложку, на которой расположен нижний эпитаксиальный контактный слой GaAs со сформированным к нему нижним металлическим контактом, на котором сформирована мезоструктура, состоящая из нижнего непрозрачного и верхнего полупрозрачного распределенных брэгговских отражателей из N1 и N2 пар слоев GaAs/AlAs, соответственно, между которыми размещена активная область на основе слоя GaAs, содержащего массив квантовых точек InAs, под которой расположено кольцо AlOx, формирующее токовую и оптическую апертуры, и сформированного на ней верхнего эпитаксиального контактного слоя GaAs с верхним металлическим контактом к нему.
Данный однофотонный излучатель позволяет генерировать одиночные фотоны в инфракрасном оптическом диапазоне.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка, эпитаксиальные контактные слои с металлическими контактами к ним, нижний непрозрачный и верхний полупрозрачный распределенные брэгговские отражатели, активная область на основе слоя GaAs, квантовые точки InAs, оксидное кольцо, формирующее токовую и оптическую апертуры.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: слабая воспроизводимость характеристик излучателя из-за случайного характера попадания квантовой точки в область токовой и оптической апертуры, наличие паразитных оптических мод из-за сохранения оптической активности квантовых точек за пределами оптической и токовой апертур.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является однофотонный излучатель [Гайслер В.А. и др., Эффективные излучатели одиночных фотонов на основе селективно-позиционированных InAs-квантовых точек и брэгговских микрорезонаторов // Физика и техника полупроводников, 2015, Т. 49, №1, 35-40], содержащий полупроводниковую подложку GaAs, на которой сформирована мезоструктура, состоящая из нижнего полупроводникового распределенного брэгговского отражателя из N1 пар слоев GaAs/AlGaAs и металлического контакта к нему, на котором расположено кольцо AlGaAs, задающее токовую и оптическую апертуру излучателя, поверх которого расположено кольцо поликристаллической структуры GaAs/AlAs, внутри которых размещена активная область на основе слоя GaAs, содержащего массив квантовых точек InAs, ограниченная сверху верхним распределенным брэгговским отражателем из N2 пар слоев GaAs/AlAs, и верхнего металлического контакта.
Данный однофотонный излучатель позволяет генерировать одиночные фотоны в инфракрасном оптическом диапазоне.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого объекта, являются: полупроводниковая подложка GaAs, верхний и нижний металлические контактами, верхний и нижний распределенные брэгговские отражатели, между которыми расположена активная область на основе слоя GaAs, квантовые точки InAs.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: число квантовых точек в пределах токовой и оптической апертуры отличное от единицы, что приводит к уширению спектра излучения и снижению быстродействия и энергоэффективности излучателя.
Технический результат полезной модели - повышение эффективности процесса генерации одиночных фотонов. Это достигается за счет замены кольца AlGaAs, задающего токовую и оптическую апертуру излучателя, расположенного поверх него кольца поликристаллической структуры GaAs/AlAs, и размещенной внутри них активной области на основе слоя GaAs, содержащего массив квантовых точек InAs, на структуру, содержащую активную область на основе слоя GaAs, содержащего одиночную квантовую точку InAs, заключенную в оксидное кольцо (Al,Ga)Ox, задающее токовую и оптическую апертуры.
Технический результат достигается тем что, в известном устройстве однофотонного излучателя в активной области на основе слоя GaAs вместо массива квантовых точек InAs располагается одиночная квантовая точка InAs, задающее токовую и оптическую апертуру кольцо AlGaAs заменено на оксидное кольцо (Al,Ga)Ox, а кольцо поликристаллической структуры GaAs/AlAs исключено из конструкции.
Для достижения необходимого технического результата в однофотонном излучателе, состоящем из полупроводниковой подложки GaAs, нижнего полупроводникового распределенного брэгговского отражателя из N1 пар слоев GaAs/AlGaAs и металлического контакта к нему, на котором расположено кольцо AlGaAs, задающее токовую и оптическую апертуру излучателя, поверх которого расположено кольцо поликристаллической структуры GaAs/AlAs, внутри которых размещена активная область на основе слоя GaAs, содержащего массив квантовых точек InAs, ограниченная сверху верхним распределенным брэгговским. отражателем из N2 пар слоев GaAs/AlAs, и верхнего металлического контакта, в активной области на основе слоя GaAs вместо массива квантовых точек InAs располагается одиночная квантовая точка InAs, задающее токовую и оптическую апертуру кольцо AlGaAs заменено на оксидное кольцо (Al,Ga)Ox, а кольцо поликристаллической структуры GaAs/AlAs исключено из конструкции.
На Фиг. 1. приведено изображение однофотонного излучателя на основе одиночной квантовой точки.
Однофотонный излучатель (Фиг. 1) включает в себя полупроводниковую подложку GaAs 1, нижний высоколегированный эпитаксиальный контакный слой GaAs 2, нижний металлический контакт 3, верхний высколегированный эпитаксиальный слой GaAs 4, верхний металлический контакт 5, нижний распределенный брэгговский отражатель из N1 пар слоев AlGaAs/GaAs 6, оксидного кольца (Al,Ga)Ox 7, охватывающего активную область на основе слоя GaAs 8, содержащую одиночную квантовую точку InAs 9, верхнего полупроводникового распределенного брэгговского отражателя из N2 пар слоев AlGaAs/GaAs 10.
Работает запоминающий элемент следующим образом.
При подаче положительного смещения между верхним и нижним контактом через структуру начинает протекать электрический ток, плотность которого локализуется в активной области на основе слоя GaAs, содержащего одиночную квантовую точку InAs, в пределах оксидного кольца (Al,Ga)Ox. Разноименные носители заряда рекомбинируют через дискретные состояния в квантовой точке InAs с образованием одиночных фотонов, которые, отражаясь от непрозрачного нижнего распределенного брэгговского отражателя из набора слоев AlGaAs/GaAs, покидают активную область через верхний полупрозрачный распределенный брэгговский отражатель в направлении, нормальном к плоскости подложки.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет излучатель, позволяющий генерировать одиночные фотоны. Использование оксидного кольца (Al,Ga)Ox 7, задающего токовую и оптическую апертуры и охватывающего активную область на основе слоя GaAs 8, содержащую одиночную квантовую точку InAs 9, позволяет снизить энергопотребление, увеличить быстродействие, сузить спектр излучения, подавить паразитные оптические моды, повысить общую эффективность процесса генерации одиночных фотонов.
Таким образом, по сравнению с аналогичными устройствами, предлагаемый однофотонный излучатель позволяет повысить общую эффективность процесса генерации одиночных фотонов.