单光子光源元件及其制造方法技术

一种单光子光源元件制造方法，包括以下步骤：提供一前驱体，该前驱体包含一基板及在该基板上依次生长的一未掺杂的低温GaN层、一未掺杂的高温GaN层、一N型GaN层、一量子阱层和一结构层；蚀刻所述前驱体的结构层、量子阱层和N型GaN层并形成楔形结构的阵列和一平面区；蚀刻楔形结构为柱状结构；在NH3气氛中热处理，使量子阱层转变为量子点层；在柱状结构侧面及柱状结构之间的N型GaN层的上表面生长一高介电层；在柱状结构的顶面所在平面之上依次生长一P型GaN层和一ITO层；在ITO层上和平面区上分别设置电极。

【技术实现步骤摘要】
单光子光源元件及其制造方法
本专利技术涉及一种单光子光源元件的制造方法，尤其涉及一种包含尺寸均一、位置固定的量子点的单光子光源元件的制造方法，以及采用此方法制造的单光子光源元件。
技术介绍
单光子光源是执行量子资讯（尤其是量子密码及量子电脑）最重要的元件，而单颗半导体量子点是制作固态单光子光源最适合的材料。通常采用自上而下或自下而上的方法制造量子点结构，但此两种方法制造的量子点结构的位置是随机的，而且量子点的尺寸大小不一致，从而导致难以制造尺寸一致的单光子光源元件。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种制造尺寸一致的量子点的单光子光源元件的方法以及相应的单光子光源元件。一种单光子光源元件制造方法，包括以下步骤：提供一前驱体，该前驱体包含一基板及在该基板上依次生长的一未掺杂的低温GaN层、一未掺杂的高温GaN层、一N型GaN层、一量子阱层和一结构层，所述量子阱层的材料为InxGa1-xN，其中，0＜x≤1，所述结构层的材料为AlyGa1-yN，其中0≤y≤1；蚀刻所述前驱体的结构层、量子阱层和N型GaN层并形成楔形结构的阵列和一平面区，其中N型GaN层未被完全蚀刻；蚀刻楔形结构为柱状结构；在NH3气氛中热处理，使量子阱层转变为量子点层，所述量子点层为包含量子点的InzGa1-zN层，其中，0＜z≤1；在柱状结构侧面及柱状结构之间的N型GaN层的上表面生长一高介电层；在柱状结构的顶面所在平面之上依次生长一P型GaN层和一ITO层；在ITO层上和平面区上分别设置电极。一种单光子光源元件，包括：一基板以及在该基板上依次生长的一未掺杂的低温GaN层、一未掺杂的高温GaN层、一N型GaN层，所述N型GaN层表面包含一平面区，该平面区旁的N型GaN层表面上设置有柱状结构的阵列，所述柱状结构为多层结构，底层为N型GaN层，中层为量子点层，顶层为结构层，所述N型GaN层与所述N型GaN层为一体结构；一高介电层，生长于柱状结构侧面及柱状结构之间的N型GaN层的上表面；一P型GaN层和一ITO层，依次生长于柱状结构的顶面所在平面之上；以及电极，分别设置于ITO层上和平面区上。在本专利技术所提供的单光子光源元件及其制造方法中，通过蚀刻的方式设置待形成量子点的阵列，因此形成量子点的位置的固定的，且待形成量子点的阵列的单元面积一致，因此形成的量子点的尺寸均一性高，从而使得采用本专利技术所提供的单光子光源元件的量子点的位置和尺寸都具有均一性。附图说明图1是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第一个步骤。图2是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第二个步骤。图3是图2步骤中得到的楔形结构的SEM图。图4是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第三个步骤。图5是图4步骤中得到的柱状结构的侧视SEM图。图6是图4步骤中得到的柱状结构的俯视SEM图。图7为图4步骤中得到的柱状结构阵列的第一种排布方式图。图8为图4步骤中得到的柱状结构阵列的第二种排布方式图。图9是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第四个步骤。图10是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第五个步骤。图11是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第六个步骤。图12是本专利技术所提供的单光子光源元件的制造方法的第七个步骤。主要元件符号说明前驱体100基板110未掺杂的低温GaN层120未掺杂的高温GaN层130N型GaN层140、141量子阱层150量子点层151量子点1501结构层160高介电层170空隙区域171P型GaN层180ITO层190平面区200楔形结构201柱状结构202侧面2021上表面2022顶面2023第一电极301第二电极302半成品400如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。请参见图1，首先提供一前驱体100，所述前驱体100包含一基板110及在该基板110上依次生长的一未掺杂的低温GaN层120、一未掺杂的高温GaN层130、一N型GaN层140、一量子阱层150和一结构层160。所述基板110可选择蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）、硅（Si）或氮化镓（GaN）中的一种，具体可根据所需要达到的物理性能和光学特性以及成本预算而定。所述量子阱层150的材料为InxGa1-xN（0＜x≤1）,其中，当x=1时，所述量子阱层150的材料为InN。所述量子阱层150厚度为0~100nm。所述结构层160的材料为AlyGa1-yN（0≤y≤1），其中，当y=0时，所述结构层160的材料为GaN，当y=1时，所述结构层160的材料为AlN。所述量子阱层150和结构层160构成单量子阱结构。需要说明的是，本专利技术不仅可采用所述单量子阱结构，也可采用多量子阱结构。优选的，所述量子阱层150厚度为2nm。请参见图2及图3，可采用微影蚀刻法或纳米牙印法，将所述前驱体100的结构层160、量子阱层150和N型GaN层140蚀刻为若干楔形结构201的阵列和一平面区200，其中N型GaN层140在厚度方向未被完全蚀刻。所述楔形结构201的高度H为0.2~1μm。优选的，所述楔形结构201的高度H为0.5μm。请参阅图4，可采用化学蚀刻法将所述楔形结构201蚀刻为柱状结构202，经过此步骤得到半成品400。具体的，可选择KOH溶液为蚀刻溶液对楔形结构201进行蚀刻。所述柱状结构202的高度D为0.2~1μm。所述柱状结构202的宽度X为0~100nm。所述柱状结构202的侧视SEM图及俯视SEM图如图5及图6所示。将楔形结构201蚀刻为柱状结构202不仅可以减小材料内部的应力，同时可以减少由楔形结构201表面的悬空键引起的漏电流，从而提高本专利技术所提供的单光子光源元件的发光性能。另外，所述柱状结构202形成的阵列可选择不同的排布方式。相邻的柱状结构202之间的距离Y为50~500nm。请参阅图7及图8。图7示出了采用六角最紧密堆积的排布方式形成的柱状结构202阵列，其中相邻的柱状结构202之间的距离Y为200nm。图8示出了采用正方形排布方式形成的柱状结构202阵列，其中相邻的柱状结构202之间的距离Y为200nm。需要说明的是，柱状结构202形成的阵列的排布方式并不拘泥于以上两种方式，也可采用其他的排布方式。请参阅图9，在NH3气氛中，采用MOCVD机台，对经过“蚀刻楔形结构201为柱状结构202”形成的半成品400进行热处理以使得所述量子阱层150转变为量子点层151。所述热处理的温度为700~900℃，时间为1~5min，压力为50~760torr。优选的，热处理温度为750℃，时间为2min，压力为500torr。具体原理如下：由于材料GaN和InN的晶格差异，导致In在GaN中的溶解度有限。由于溶解度可随温度而改变，因此通过热处理，使In在GaN中的溶解度变小，从而产生纳米尺度的In的富集区，所述纳米尺度的In的富集区即所述量子点1501。需要说明的是，如果量子阱层150为InxGa1-xN（0＜x＜1），则量子点层151为包含InGaN量子点1501的InzGa1-zN层，其中，0＜z＜1；如果量子阱层150为InxGa1-xN（x=1），也即量子阱层150为InN，则量子点层151为包含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单光子光源元件制造方法，包括以下步骤：提供一前驱体，该前驱体包含一基板及在该基板上依次生长的一未掺杂的低温GaN层、一未掺杂的高温GaN层、一N型GaN层、一量子阱层和一结构层，所述量子阱层的材料为InxGa1‑xN，其中，0＜x≤1，所述结构层的材料为AlyGa1‑yN，其中0≤y≤1；蚀刻所述前驱体的结构层、量子阱层和N型GaN层并形成楔形结构的阵列和一平面区，其中N型GaN层未被完全蚀刻；蚀刻楔形结构为柱状结构；在NH3气氛中热处理，使量子阱层转变为量子点层，所述量子点层为包含量子点的InzGa1‑zN层，其中，0＜z≤1；在柱状结构侧面及柱状结构之间的N型GaN层的上表面生长一高介电层；在柱状结构的顶面所在平面之上依次生长一P型GaN层和一ITO层；在ITO层上和平面区上分别设置电极。

【技术特征摘要】
1.一种单光子光源元件制造方法，包括以下步骤：提供一前驱体，该前驱体包含一基板及在该基板上依次生长的一未掺杂的低温GaN层、一未掺杂的高温GaN层、一N型GaN层、一量子阱层和一结构层，所述量子阱层的材料为InxGa1-xN，其中，0＜x≤1，所述结构层的材料为AlyGa1-yN，其中0≤y≤1；蚀刻所述前驱体的结构层、量子阱层和N型GaN层并形成楔形结构的阵列和一平面区，其中N型GaN层未被完全蚀刻；蚀刻楔形结构为柱状结构；在NH3气氛中热处理，使量子阱层转变为量子点层，所述量子点层为包含量子点的InzGa1-zN层，其中，0＜z≤1；在柱状结构侧面及柱状结构之间的N型GaN层的上表面生长一高介电层；在柱状结构的顶面所在平面之上依次生长一P型GaN层和一ITO层；在ITO层上和平面区上分别设置电极。2.如权利要求1所述的单光子光源元件制造方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱镜学，林雅雯，凃博闵，黄世晟，
申请(专利权)人：展晶科技深圳有限公司，荣创能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44