一种电致单光子源器件及其制备方法，该电致单光子源器件包括衬底；微柱结构，设置于衬底一侧；微柱填充物形成在所述微柱结构的侧壁外围，其高度不高于微柱结构高度；欧姆接触层，覆盖微柱结构和微柱填充物，并与微柱结构形成欧姆接触；上电极，设置在欧姆接触层上；以及下电极，形成于衬底的另一侧，该制备方法采用制备欧姆接触层形成于微柱结构与上电极之间，对工艺和设备要求不高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体器件领域，具体涉及一种电致单光子源器件及其制备方法。
技术介绍
单光子源，是指每间隔一个固定时刻发出单个固定频率的光子。一个高亮度且稳定的单光子源作为一种非经典光源，在量子信息等诸多领域有很多的应用，如：随机数产生器、弱吸收测量、线性光学计算、量子密钥分配以及量子存储等。自组织量子点能够对载流子三维限制，使载流子的能量在三个维度上量子化而具有分立的能级，呈现出某些类似“原子”的壳层填充特性，被称为“人造原子”，被认为是最有潜力的一种单光子源。目前的半导体材料的发光波长基本上可以覆盖从可见光到红外波段。自组织量子点的尺寸可以在很大范围内调整，波长也可以根据需要在较大范围内变化。量子点单光子源具有高的振子强度，窄的谱线宽度，且不会发生光褪色等优点。此外，自组织量子点器件结构容易集成，既可以使用光脉冲泵浦，也可以采用电致产生稳定的单光子源。光致单光子源器件需要外加激光器注入载流子，很难应用于实际的量子通信中，与光致单光子结构相比，电致单光子结构集成度高，如果与注入电源结构集成，将会大大提高其应用前景。但是电致单光子结构要复杂得多，如果为了增大单光子的提取效率而采用与光致单光子结构一样的微腔结构，在器件尺寸缩小到微米量级的情况下，将会进一步加大后续工艺的难度。目前实现的电致单光子源器件主要有三种结构：PIN结构，微柱结构和光子晶体结构。PIN结构，上下DBR层高掺杂，中间为In(Ga)As量子点有源区，并制备n和p电极接触，PIN结构往往利用氧化孔或者开金属小孔的方式隔离单个量子点发光，其中氧化孔的方法是在有源区附近上生长高Al组分层，将其放置在水蒸气/氮气的环境中使其沿材料侧方往里氧化，通过精确控制氧化的时间使得中心区域形成微米量级的非氧化小孔作为电流注入区，这种方法应用广泛但对氧化过程要求很高。此外为了得到高Q值，提高单光子收集效率，电致单光子源器件设置微柱结构，也就是在微柱的基础上制备上和下电极。一般来说下电极(n电极)不存在工艺难度，主要是上电极(p电极)制备非常困难。这是因为微柱在一个维度的尺寸缩小到微米量级，而上电极很难在这样小的台面上制备。目前主要的方式是采用BCB(苯并环丁烯)填平技术，在填平的台面上利用电子束套刻制备上电极，此种结构已经成功使用于实验室量子密钥传输中。另外也可以采取微米量级的“桥”将上电极与微柱连接。此结构中光场泄露情况在4-5μm微柱情况下很小，但在小尺寸微柱(1-2μm)情况下泄露较大，且此种方法对曝光设备要求很高。上述所提到的实现电致单光子源器件的方法对工艺和实验设备的要求都非常高，这制约了电致单光子源的发展与应用。
技术实现思路
鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种电致单光子源器件及其制备方法，以解决上述技术问题至少之一。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电致单光子源器件，包括：衬底；微柱结构，设置于衬底一侧；微柱填充物形成在所述微柱结构的侧壁外围，其高度不高于微柱结构高度；欧姆接触层，覆盖微柱结构和微柱填充物，并与微柱结构形成欧姆接触；上电极，设置在欧姆接触层上；以及下电极，形成于衬底的另一侧。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电致单光子源器件的制备方法，包括：在衬底上外延生长，并刻蚀形成微柱结构；在微柱结构的外围填充微柱填充物；微柱结构和微柱填充物上形成欧姆接触层；采用光刻工艺在欧姆接触层上形成上电极；将衬底外延生长的相反侧减薄抛光，在其上形成下电极。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：(1)形成欧姆接触层，该欧姆接触层形成于微柱结构与上电极之间，实现了两者的电连接，并且欧姆接触层比微柱结构的尺度要大，从而上电极套刻于尺度较大的欧姆接触层上即可，从而避免了上电极精确刻套在微柱结构上的工艺步骤，对工艺和设备要求不高；(2)微柱结构中的上下DBR层及有源区形成共振腔以增大单光子的提取效率；(3)微柱结构直径小，有效缩小电致结构中注入电流的面积。附图说明图1(a)为本专利技术实施例中电致单光子源器件的结构示意图；图1(b)为未切割的多个图1(a)所示电致单光子源器件结构示意图；图2为图1(a)的电致单光子源器件的结构加注电压的俯视图；图3为制备本专利技术实施例中电致单光子源器件的流程图。【主要元件】1-下电极； 2-衬底； 3-缓冲层；4-下DBR层； 5-有源区； 6-量子点；7-上DBR层； 8-微柱填充物； 9-欧姆接触层；10-上电极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术实施例提供了一种电致单光子源器件，如图1(a)、1(b)所示，电致单光子源器件包括：衬底2；衬底2下表面形成有下电极1；衬底2上表面形成有用于产生单光子的微柱结构；微柱结构侧壁外围填充微柱填充物8；欧姆接触层9形成于微柱结构和微柱填充物8之上，并与微柱结构形成欧姆接触；上电极10形成于欧姆接触层上，并与其形成欧姆接触。采用该结构，由于欧姆层比微柱结构的尺度要大，从而上电极套刻于尺度较大的欧姆层上即可，从而避免上电极精确套刻在微柱上这种难度较大的工艺步骤，仅需将上电极套刻在微柱外部即可，大大降低了套刻的难度。具体的，衬底2为n+型GaAs衬底，作为外延层生长的基底。微柱结构，为圆柱形，直径为1～5μm。如图1(a)、1(b)所示，该微柱结构自下而上包括：缓冲层3、下DBR层(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射层)4、有源区5、上DBR层7，其中有源区5包括一InAs量子点6。以预期结构为腔模在300K下，共振腔中心波长λ在930nm的设计为例，具体描述微柱结构的各层结构：缓冲层3选用n型GaAs材料，厚度为300nm、掺杂浓度为2×18cm-3。下DBR层4为两种不同折射率材料交替生长而成的多层膜结构，n型(Si)掺杂，具体为J对(J为大于等于3的正整数)n型掺杂的GaAs/Al0.9GaAs生长在缓冲层3上，掺杂浓度为2×1018cm-3，生长厚度：GaAs厚度d1＝65.3nm，Al0.9GaAs厚度d2＝77.5nm，作为电致单光子源器件的下反射面，其中，GaAs和Al0.9GaAs的厚度具体计算方法为：d1＝λ/4n1，d2＝λ/4n2其中λ＝930nm，其中n1和n2分别为GaAs和Al0.9GaAs材料在300K条件下的折射率，即n1＝3.56，n2＝3.00。有源区5包含厚度为λ/n1的GaAs层和梯度生长的量子点6，GaAs厚度为261.2nm，量子点6为InAs量子点；量子点6采用梯度生长和原位烧点相结合的方法以生长量子点稀点，生长过程为在540℃条件下生长量子点通过RHEED(Reflection high-energy electron diffraction，反射高能电子衍射)来确定临界淀积量θe，在670℃的高温条件下烧点后停止转动衬底在540℃条件下原位生长量子点，淀积量为θc-Δθc；其中Δθc为一个小的淀积量数值，其数值对于不同的θc会有所不同。上DBR层7亦为两种不同折射率材料交替生长而成的多层膜结构，具体为K(K为大于等本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电致单光子源器件，其特征在于，包括：衬底(2)；微柱结构，设置于衬底(2)一侧；微柱填充物(8)，形成在所述微柱结构的侧壁外围，其高度不高于微柱结构高度；欧姆接触层(9)，覆盖所述微柱结构和微柱填充物(8)，并与所述微柱结构形成欧姆接触；上电极(10)，设置在所述欧姆接触层(9)上；以及下电极(1)，形成于衬底(2)的另一侧。
【技术特征摘要】
1.一种电致单光子源器件，其特征在于，包括：衬底(2)；微柱结构，设置于衬底(2)一侧；微柱填充物(8)，形成在所述微柱结构的侧壁外围，其高度不高于微柱结构高度；欧姆接触层(9)，覆盖所述微柱结构和微柱填充物(8)，并与所述微柱结构形成欧姆接触；上电极(10)，设置在所述欧姆接触层(9)上；以及下电极(1)，形成于衬底(2)的另一侧。2.根据权利要求1所述的电致单光子源器件，其特征在于，所述微柱结构包括：下DBR层(4)，生长在衬底(2)一侧上，包括两种不同折射率材料交替生长而成的多层膜结构；有源区(5)，形成在下DBR层(4)上，用于生成单光子；上DBR层(7)，生长在有源区(5)上，包括两种不同折射率材料交替生长而成的多层膜结构；所述下DBR层(4)、有源区(5)以及上DBR层(7)形成共振腔。3.根据权利要求2所述的电致单光子源器件，其特征在于：所述下DBR层(4)为J对交替生长的n型掺杂的CaAs/Al0.9GaAs，掺杂浓度为2×1018cm-3，其中J为大于等于3的正整数。4.根据权利要求2所述的电致单光子源器件，其特征在于，所述有源区(5)包括：GaAs层，厚度为λ/n1，其中，λ为共振腔中心波长，n1为GaAs材料的折射率；量子点(6)，为InAs量子点，采用梯度生长的方式形成在所述GaAs层厚度方向上的中心区域。5.根据权利要求3所述的电致单光子源器件，其特征在于：所述上DBR层(7)为K对交替生长的p型掺杂的CaAs/Al0.9GaAs，掺杂浓度由下而上为3×1018cm-3至2×1019cm-3，其中K为大于等于2的正整数，且K＜J。6.根据权利要求3或5所述的电致单光子源器件，其特征在于：所述n型掺杂的CaAs/Al0.9GaAs及所述p型掺杂的CaAs/Al0.9GaAs中的GaAs每层的厚度为λ/4n1，Al0.9GaAs每层的厚...
【专利技术属性】
技术研发人员：马奔，陈泽升，尚向军，倪海桥，牛智川，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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