一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源及其制备方法。本发明专利技术将钙钛矿单光子发光二极管集成于量子芯片，所制备的光源展现了良好的性能，并具有制备工艺简单、实现成本低等优点，避免了现有技术制备单光子电致发光器件使用的苛刻条件，填补了钙钛矿用于片上集成量子芯片电致光源的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源及其制备方法
本专利技术属于光电功能器件领域，涉及钙钛矿光电功能器件结构、光耦合波导的设计，具体涉及一种基于钙钛矿的片上集成量子芯片电致脉冲光源及其制备工艺。
技术介绍
与基于传统芯片技术制备的电子芯片相比，量子芯片具有功耗低、不发热、运算速度快、计算过程可逆等优点，因此备受芯片研究者青睐。光源作为量子芯片的重要组成部分，在芯片运行的过程种扮演着重要的角色，是量子芯片中量子态的“驱动者”。按驱动方式的不同，量子芯片光源有光致发光和电致发光光源两种。据报道，它们的发光材料都是单光子发射体，目前具有单光子发射性质的材料有晶体色心、二维材料、碳纳米管和量子点。尽管光致发光光源制备相对简单，但激发光源的负载不仅占据芯片的有限空间，且能耗较大，这限制了它的广泛应用。对于电致发光光源来说，尽管有效的量子点发光二极管(QLED)已经在GaAs体系产生，但由于发射材料的生长条件苛刻等缺点，减缓了其实际应用的步伐。因此，寻求一种制备工艺简单、缺陷态密度低、发光效率高的材料是解决这一问题的关键。作为“明星材料”的钙钛矿具有制备流程简便、缺陷容忍度高、发光效率高等优点，近年来已被广泛应用于光电探测器、发光二极管和激光等领域，吸引了大量研究人员的目光。值得注意的是基于钙钛矿的光泵激光器件已经被实现，可集成在氮化硅波导平台上。然而，适用于量子芯片光源的钙钛矿电致发光器件及其波导平台目前仍没有实现。
技术实现思路
为了克服现有集成单光子光源技术的不足，本专利技术提供一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源及其制备方法，能够填补钙钛矿电致发光器件与波导系统集成的空白，推动量子芯片的实际应用。本专利技术的技术方案如下：一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，将钙钛矿单光子发光二极管集成于量子芯片，包括自制基底及其上表面的由第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层、第二电荷传输阻挡层和顶电极组成的层叠结构；所述自制基底包括衬底、底电极和波导结构，根据波导结构是处于底电极之上，还是处于底电极之下，可将基底分为平行耦合基底和垂直耦合基底，相应的器件结构为平行耦合结构和垂直耦合结构；其中底电极、钙钛矿层以及顶电极图案化，且钙钛矿层同一层中无钙钛矿材料的区域由绝缘材料覆盖；该光源的发光区域(位置和面积)为底电极、顶电极和钙钛矿层三者的重叠区域。本专利技术使用绝缘层避免了所制备光源的短路，图案化底电极、钙钛矿层和顶电极，简单且很好地控制了发光区域的位置和面积。根据所使用自制基底的不同，可以将本专利技术实现的器件结构分为平行(发光区域与波导结构位于同一水平面)和垂直(发光区域与波导结构垂直)片上集成的钙钛矿电致脉冲光源。根据菲涅耳公式和折射定律，可以增加光耦合层或光耦合器来提高光的耦合效率。本专利技术的量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源可以是垂直耦合结构的器件，也可以是平行耦合结构的器件。对于垂直耦合结构的器件，其结构从下至上，依次为衬底、波导结构、光耦合层、底电极、第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层及绝缘阻挡层、第二电荷传输阻挡层、顶电极和封装层。所述光耦合层的材料和厚度是根据菲涅尔公式和折射定律计算后选择并沉积的。值得注意的是，钙钛矿层与绝缘阻挡层属于同一层，但覆盖区域不同，其中钙钛矿层覆盖波导结构上方及一侧，绝缘阻挡层覆盖波导结构另一侧，其实现方式为图案化技术。此外，底电极和顶电极亦须图案化。这样图案化的底电极、钙钛矿层和顶电极有效地控制了所制备光源的发光区域和大小，使得所制备光源发出的光能够有效地通过底发射的方式垂直地耦合到波导结构中，同时避免了所制备光源的短路。若进一步提高光耦合效率，发光区域可以增加光学微腔，波导结构与发光区域的接触端可以增加光栅等光耦合器。若第一电荷传输阻挡层为电子传输空穴阻挡层，则第二电荷传输阻挡层为空穴传输电子阻挡层。对于平行耦合结构的器件，其结构从下至上依次为衬底、底电极、波导结构、第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层及绝缘阻挡层、第二电荷传输阻挡层、顶电极和封装层。值得注意的是，钙钛矿层与绝缘阻挡层属于同一层，但覆盖的区域不同，其中钙钛矿层覆盖波导结构的一侧，绝缘阻挡层覆盖波导结构的上方和另一侧，其实现方式为图案化技术。此外，底电极和顶电极亦须图案化。这样，图案化后的底电极、钙钛矿和顶电极有效地控制了发光的位置和大小，使得所制备光源发出的光能够有效地通过侧面发射的方式水平地耦合进入波导结构，同时避免了所制备光源的短路。若进一步提高光耦合效率，发光区域可以增加光学微腔，波导结构与发光区域的接触端可以增加光栅等光耦合器。若第一电荷传输阻挡层为电子传输空穴阻挡层，则第二电荷传输阻挡层为空穴传输电子阻挡层。本专利技术还提供了上述量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源的制备方法，包括：第一步，带有波导的基底的制备。对于垂直耦合基底，首先在衬底上沉积一层波导材料，然后对波导材料进行图案化，形成波导结构；接着在波导结构上沉积一层一定厚度的光耦合层，再在光耦合层上表面制备底电极。对于平行耦合基底，首先在衬底表面制备底电极，然后在底电极的表面沉积一层一定厚度的波导材料，并对波导材料进行图案化，形成波导结构。若需要增加光的耦合进波导结构的效率，对于垂直耦合器件，在发光区域下端的波导结构上或光耦合层上制备光耦合器；对于平行耦合器件，在波导结构的光耦合端制备光耦合器。此外，为了提高光的耦合效率，也可为所制备的光源制备光学微腔。第二步，电致钙钛矿单光子发射器件的制备。在第一步制备好的基底表面依次沉积第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层、第二电荷传输阻挡层。沉积第二电荷传输阻挡层之前，利用成熟的刻蚀技术图案化钙钛矿层，并利用绝缘材料填充刻蚀掉的区域，形成绝缘阻挡层。第三步，顶电极沉积。在第二步中沉积的第二电荷传输阻挡层的表面制备顶电极。第四步，封装。对制备好的器件进行封装，隔绝外界环境对器件的损害。上述制备集成片上量子芯片光源的方案中，第一步中对于垂直耦合基底，衬底可以是玻璃片、硅片、PET膜或PI膜等，沉积的波导材料为Si3N4、SiC等高折射率的材料，其沉积方式可以是溅射、蒸镀、纳米压印、旋涂、喷涂和刮涂纳米材料等，沉积厚度为10nm～100μm。对波导材料进行图案化的方式有模板法、离子束图案化法、刻蚀等。在波导结构上沉积的光耦合层材料为SiO2、Al2O3等，沉积方法为溅射、蒸镀、纳米压印、旋涂、喷涂和刮涂纳米材料等，厚度为50～5000nm。所述的底电极材料为Au、Ag、ITO、Al、Cu等金属或它们的混合物，沉积方式为掺杂、溅射、蒸镀、纳米压印、旋涂、喷涂和刮涂纳米材料等，厚度为10nm～10μm。对于平行光耦合基底，衬底可以是玻璃片、硅片、PET膜或PI膜等；底电极材料为Au、Ag、ITO、Al、Cu等金属或它们的混合物，沉积方式为掺杂、溅射、蒸镀、纳米压印、旋涂、喷涂和刮涂纳米材料的等，厚度为10～100nm；沉积的波导材料为Si3N4、SiC等高折射率的材料，其沉积方式为溅射、蒸镀、纳米压印、旋涂、喷涂和刮涂纳米材料等，厚度为10nm～10μm。对波导材料进行图案化的方式有模板法、离子束图案化法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，将钙钛矿单光子发光二极管集成于量子芯片，包括自制基底及其上表面的由第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层、第二电荷传输阻挡层和顶电极组成的层叠结构；所述自制基底包括衬底、底电极和波导结构，其中波导结构位于底电极之上的为平行耦合基底，波导结构位于底电极之下的为垂直耦合基底，相应的器件结构为平行耦合结构和垂直耦合结构；底电极、钙钛矿层以及顶电极图案化，且钙钛矿层同一层中无钙钛矿材料的区域由绝缘材料覆盖；该光源的发光区域为底电极、顶电极和钙钛矿层三者的重叠区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，将钙钛矿单光子发光二极管集成于量子芯片，包括自制基底及其上表面的由第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层、第二电荷传输阻挡层和顶电极组成的层叠结构；所述自制基底包括衬底、底电极和波导结构，其中波导结构位于底电极之上的为平行耦合基底，波导结构位于底电极之下的为垂直耦合基底，相应的器件结构为平行耦合结构和垂直耦合结构；底电极、钙钛矿层以及顶电极图案化，且钙钛矿层同一层中无钙钛矿材料的区域由绝缘材料覆盖；该光源的发光区域为底电极、顶电极和钙钛矿层三者的重叠区域。


2.如权利要求1所述的量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，所述光源为垂直耦合结构的器件，从下至上依次为衬底、波导结构、光耦合层、底电极、第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层及绝缘阻挡层、第二电荷传输阻挡层、顶电极和封装层；钙钛矿层与绝缘阻挡层属于同一层，但覆盖区域不同，其中钙钛矿层覆盖波导结构上方及一侧，绝缘阻挡层覆盖波导结构另一侧。


3.如权利要求1所述的量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，所述光源为平行耦合结构的器件，从下至上依次为衬底、底电极、波导结构、第一电荷传输阻挡层、钙钛矿层及绝缘阻挡层、第二电荷传输阻挡层、顶电极和封装层；钙钛矿层与绝缘阻挡层属于同一层，但覆盖的区域不同，其中钙钛矿层覆盖波导结构一侧，绝缘阻挡层覆盖波导结构上方及另一侧。


4.如权利要求2或3所述的量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，发光区域具有光学微腔，和/或，在波导结构与发光区域的接触端设有光耦合器。


5.如权利要求4所述的量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，所述光学微腔为法布里-珀罗微腔、光子晶体微腔或回音壁式微腔；所述光耦合器是耦合光栅。


6.如权利要求1所述的量子芯片集成钙钛矿电致脉冲光源，其特征在于，所述第一电荷传输阻挡层为电子传输空穴阻挡层，则第二电荷传输阻挡层为空穴传输电子阻挡层，或者，所述第一电荷传输阻挡层为空穴传输电子阻挡层，则第二电荷传输阻挡层为电子传输空穴阻挡层。


7.权利要求1～6任一所述量子芯片集成钙钛矿电致...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞，喻茂滔，李雷，吴疆，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11