ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА С ПОНИЖЕННОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

Полезная модель относится к квантовой электронной технике, а точнее к источникам одиночных фотонов телекоммуникационного диапазона.
10
−2
Наилучшими кандидатами на роль активных областей для излучателей в системах управления одиночными фотонами являются квантовые точки (КТ). Известны полупроводниковые гетероструктуры излучателей одиночных фотонов с активными областями, содержащими в своем составе КТ со значениями поверхностной плотности ниже 1 · 10 cm[Single Semiconductor Quantum Dots, ed. by P. Michler (Heidelberg: Springer-Verlag, 2009) 389 p. DOI: 10.1007/978-3-540-87446-1].
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является полупроводниковая гетероструктура с пониженной поверхностной плотностью квантовых точек [Н.В. Крыжановская и др. “Оптические свойства трехмерных островков InGaP(As), сформированных методом замещения элементов пятой группы”, журнал “Оптика и спектроскопия”, 2021, том 129, вып. 2 DOI: 10.21883/OS.2021.02.50561.263-20], [А.Г. Гладышев и др. “Исследование оптических и структурных свойств трехмерных островков InGaP(As), сформированных методом замещения элементов пятой группы”, журнал технической физики, 2020, том 90, вып. 12 DOI: 10.21883/JTF.2020.12.50133.129-20]. Такая гетероструктура выполнена на подложке из GaAs, на которой последовательно сформированы буферный слой из GaAs, первый барьерный слой из AlGaAs, слой из GaAs, активный слой с КТ из InGaP(As), слой из GaAs, второй барьерный слой из AlGaAs, покровный слой из GaAs. Недостатком такой гетероструктуры является ее неэффективность на длинах волн более 1200 нм, необходимых для передачи данных во втором окне прозрачности кварцевого оптоволокна.
Задача полезной модели заключается в достижении совпадения длины волны излучения со вторым окном прозрачности кварцевого оптоволокна.
Поставленная задача достигается за счет технического результата, заключающегося в оптимизации гетероструктуры с обеспечением резонанаса в области 1300 нм.
0.9
0.1
0,3
0,7
Данный технический результат достигается тем, что в полупроводниковой гетероструктуре излучателя одиночных фотонов, содержащей подложку из GaAs, буферный слой из GaAs толщиной 100 нм, активную область в виде слоя квантовых точек InGaP(As) с пониженной поверхностной плотностью толщиной 3 нм и покровный слой из GaAs, после буферного слоя последовательно сформированы распределенный брэгговский отражатель (РБО), состоящий из 35 пар слоев GaAs/AlGaAs толщиной 95 нм и 111 нм соответственно, нижний покровный слой GaAs толщиной 370 нм, второй буферный слой, выполненный из слоя квантовых точек InGaP(As) с пониженной поверхностной плотностью толщиной 3 нм, и расположенного на нем среднего покровного слоя GaAs толщиной 4 нм, а активная область расположена на среднем покровном слое и образована слоем с излучающими квантовыми точками из InAs толщиной 2.5 монослоя со сформированным на нем слоем с квантовыми ямами из InGaAs толщиной 4 нм, при этом верхний покровный слой из GaAs толщиной 370 нм выполнен поверх активной области, а каждая излучающая квантовая точка из InAs выполнена строго над квантовой точкой из InGaP(As).
Толщины слоев между верхней поверхностью РБО и поверхностью верхнего покровного слоя, граничащей с воздухом, обеспечивают условие кратности оптической длины резонатора половине длины волны излучения в вакууме. Квантовые точки из InAs равноудалено от поверхности верхней поверхности РБО и поверхности верхнего покровного слоя, граничащей с воздухом. Сущность полезной модели поясняется фигурой.
На фигуре схематично изображена предложенная гетероструктура в поперечном разрезе.
0.9
0.1
0,3
0,7
Предложенная гетероструктура включает подложку 1 из GaAs, на которой в направлении эпитаксиального роста последовательно расположены буферный слой из GaAs 2 толщиной 100 нм, РБО 3 из 35 пар слоев GaAs/AlGaAs толщиной 95 нм и 111 нм соответственно, нижний покровный слой 4 из GaAs толщиной 370 нм, слой с квантовыми точками из InGaP(As) 5 толщиной 3 нм, средний покровный слой 6 из GaAs толщиной 4 нм, слой с излучающими квантовыми точками 7 из InAs толщиной 2.5 монослоя, слой с квантовыми ямами из InGaAs толщиной 4 нм 8 и верхний покровный слой из GaAs 9 толщиной 370 нм.
Слой с квантовыми точками 5 и средний покровный слой 6 образуют второй буферный слой 10.
РБО 3 и воздух, граничащий с поверхностью верхнего покровного слоя 9, образуют резонатор.
Слой с излучающими квантовыми точками 7 и слой с квантовыми ямами 8 образуют активную область 11.
Буферный слой 2 выполнен из GaAs толщиной 100 нм.
0.9
0.1
РБО 3 состоит из чередующихся слоев GaAs/AlGaAs толщиной 95 нм и 111 нм соответственно.
Квантовые точки 5 выполнены из InGaP(As), излучающие квантовые точки 7, выполнены из InAs. Каждая квантовая точка 7 сформирована строго над каждой квантовой точкой 5
Толщина среднего покровного слоя 6 составляет 4 нм.
0,3
0,7
Квантовые ямы 8 выполнены из InGaAs толщиной 4 нм.
Квантовые точки 7 равноудалены от верхней поверхности РБО 3 и верхней поверхности верхнего покровного слоя 9, граничащей с воздухом.
Предложенная гетероструктура работает следующим образом. Положение каждой квантовой точки 7 и длину волны ее излучения идентифицируют методом микрофотолюминесценции или катодолюминисценции на длине волны 1300 нм. В результате оптической накачки внешним лазером с длиной волны, соответствующей длине волны положения центра отражения РБО 3, возбуждается фотолюминесценция каждой квантовой точки 7 с длиной волны больше значения длины волны центра отражения РБО 3. При оптической накачке на предложенную гетероструктуру светят под углом, чтобы избежать попадания фотонов от лазера накачки в детектируемый сигнал от оптически возбуждаемой квантовой точки 7. За счет наличия резонатора происходит усиление излучения от возбужденной квантовой точки 7. В квантовых точках 7 активной области 11 происходит излучательная рекомбинация электронов и дырок, которая обеспечивает оптическое усиление для генерации одиночного фотона. Таким образом, осуществляется излучение одиночного фотона от квантовой точки 7.
0,3
0,7
Из уровня техники известно, что поверхностная плотность квантовых точек 5 является пониженной. Поскольку каждая квантовая точка 7 располагается над каждой квантовой точкой 5 первого слоя, то поверхностная плотность квантовых точек 7 также оказывается пониженной за счет формирования этих квантовых  точек в полях упругих напряжений квантовых точек 5. Кроме того, выполнение квантовых точек 7 из InAs и наличие слоя квантовых ям 8 из InGaAs позволяет обеспечить генерирование одиночных фотонов на длине волны 1300 нм.