RU209708U1

RU209708U1 - SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURE WITH REDUCED QUANTUM DOTS SURFACE DENSITY

Info

Publication number: RU209708U1
Application number: RU2021137550U
Authority: RU
Inventors: Владислав Васильевич Андрюшкин; Иннокентий Игоревич Новиков; Андрей Геннадьевич Гладышев; Леонид Яковлевич Карачинский; Антон Юрьевич Егоров; Владислав Евгеньевич Бугров
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-03-18

Abstract

Полезная модель относится к квантовой электронной технике, а точнее к источникам одиночных фотонов с PN-переходами телекоммуникационного диапазона. Полупроводниковой гетероструктура излучателя одиночных фотонов содержит 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/Al0.9Ga0.1As 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 In0,3Ga0,7As 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). Технический результат заключается в оптимизации гетероструктуры с обеспечением резонанаса в области 1300 нм.The utility model relates to quantum electronic technology, and more specifically to sources of single photons with PN junctions in the telecommunications range. The semiconductor heterostructure of the emitter of single photons contains a GaAs substrate, a GaAs buffer layer 100 nm thick, an active region in the form of a layer of InGaP(As) quantum dots with a reduced surface density 3 nm thick, and a GaAs cover layer, after the buffer layer a distributed Bragg reflector is sequentially formed (DBR), consisting of 35 pairs of GaAs/Al0.9Ga0.1As layers with a thickness of 95 nm and 111 nm, respectively, a lower GaAs cover layer with a thickness of 370 nm, a second buffer layer made of a layer of InGaP(As) quantum dots with a reduced surface density 3 nm, and the middle GaAs cover layer located on it with a thickness of 4 nm, and the active region is located on the middle cover layer and is formed by a layer with emitting quantum dots from InAs with a thickness of 2.5 monolayers with a layer formed on it with quantum wells from In0.3Ga0.7As with a thickness 4 nm, while the upper covering layer of GaAs with a thickness of 370 nm is made over the active region, and each emitter The insulating InAs quantum dot is made strictly above the InGaP(As) quantum dot. The technical result is to optimize the heterostructure to provide resonance in the region of 1300 nm.

Description

Полезная модель относится к квантовой электронной технике, а точнее к источникам одиночных фотонов телекоммуникационного диапазона.The utility model relates to quantum electronic technology, and more specifically to sources of single photons in the telecommunications range.

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 · 10¹⁰ cm⁻²[Single Semiconductor Quantum Dots, ed. by P. Michler (Heidelberg: Springer-Verlag, 2009) 389 p. DOI: 10.1007/978-3-540-87446-1].The best candidates for the role of active regions for emitters in single photon control systems are quantum dots (QDs). Semiconductor heterostructures emitting single photons with active regions containing QDs with surface densities below 1 × 10 ¹⁰ cm– ² are known [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. Closest to the proposed utility model is a semiconductor heterostructure with a reduced surface density of quantum dots [N.V. Kryzhanovskaya et. 2 DOI: 10.21883/OS.2021.02.50561.263-20], [A.G. Gladyshev et. 12 DOI: 10.21883/JTF.2020.12.50133.129-20]. Such a heterostructure is made on a GaAs substrate, on which a GaAs buffer layer, a first AlGaAs barrier layer, a GaAs layer, an active layer with InGaP(As) QDs, a GaAs layer, a second AlGaAs barrier layer, and a GaAs. The disadvantage of such a heterostructure is its inefficiency at wavelengths greater than 1200 nm, which are necessary for data transmission in the second transparency window of a quartz fiber.

Задача полезной модели заключается в достижении совпадения длины волны излучения со вторым окном прозрачности кварцевого оптоволокна. The objective of the utility model is to achieve coincidence of the radiation wavelength with the second transparency window of the quartz fiber.

Поставленная задача достигается за счет технического результата, заключающегося в оптимизации гетероструктуры с обеспечением резонанаса в области 1300 нм.The task is achieved due to the technical result, which consists in optimizing the heterostructure with the provision of resonance in the region of 1300 nm.

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/Al_0.9Ga_0.1As 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 In_0,3Ga_0,7As 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). This technical result is achieved by the fact that in a semiconductor heterostructure of a single photon emitter containing a GaAs substrate, a GaAs buffer layer 100 nm thick, an active region in the form of a layer of InGaP(As) quantum dots with a reduced surface density 3 nm thick and a GaAs cover layer , after the buffer layer, a distributed Bragg reflector (DBR) was sequentially formed, consisting of 35 pairs of GaAs/Al _0.9 Ga _0.1 As layers with a thickness of 95 nm and 111 nm, respectively, a lower GaAs cover layer with a thickness of 370 nm, and a second buffer layer made of a layer of quantum dots InGaP(As) with a reduced surface density 3 nm thick, and the middle GaAs cover layer 4 nm thick located on it, and the active region is located on the middle cover layer and is formed by a layer with emitting InAs quantum dots 2.5 monolayer thick with a layer formed on it with quantum wells from In _0.3 Ga _0.7 As with a thickness of 4 nm, while the upper covering layer of GaAs then 370 nm thick is made over the active region, and each emitting InAs quantum dot is made strictly above the InGaP(As) quantum dot.

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.The thicknesses of the layers between the upper surface of the DBR and the surface of the upper cover layer adjoining air provide the condition that the optical length of the resonator is a multiple of half the radiation wavelength in vacuum. Quantum dots from InAs are equidistant from the surface of the upper surface of the DBR and the surface of the upper cover layer adjoining air. The essence of the utility model is illustrated by a figure.

На фигуре схематично изображена предложенная гетероструктура в поперечном разрезе.The figure schematically shows the proposed heterostructure in cross section.

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/Al_0.9Ga_0.1As 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 In_0,3Ga_0,7As толщиной 4 нм 8 и верхний покровный слой из GaAs 9 толщиной 370 нм. The proposed heterostructure includes a GaAs substrate 1, on which a GaAs 2 buffer layer 100 nm thick, DBR 3 of 35 pairs of GaAs/Al _0.9 Ga _0.1 As layers 95 nm and 111 nm thick, respectively, are successively located in the direction of epitaxial growth, the lower cover layer 4 GaAs layer 370 nm thick, InGaP(As) quantum dot layer 5 3 nm thick, GaAs middle cover layer 6 4 nm thick, InAs emitting quantum dot layer 7 2.5 monolayer thick, In _{0 quantum well layer, 3} Ga _0.7 As with a thickness of 4 nm 8 and the upper coating layer of GaAs 9 with a thickness of 370 nm.

Слой с квантовыми точками 5 и средний покровный слой 6 образуют второй буферный слой 10. The quantum dot layer 5 and the middle cover layer 6 form the second buffer layer 10.

РБО 3 и воздух, граничащий с поверхностью верхнего покровного слоя 9, образуют резонатор.RBO 3 and the air adjacent to the surface of the upper cover layer 9 form a resonator.

Слой с излучающими квантовыми точками 7 и слой с квантовыми ямами 8 образуют активную область 11.The layer with emitting quantum dots 7 and the layer with quantum wells 8 form an active region 11.

Буферный слой 2 выполнен из GaAs толщиной 100 нм. Buffer layer 2 is made of GaAs 100 nm thick.

РБО 3 состоит из чередующихся слоев GaAs/Al_0.9Ga_0.1As толщиной 95 нм и 111 нм соответственно. DBR 3 consists of alternating _GaAs / _Al0.9Ga0.1As layers 95 nm and 111 nm thick, respectively.

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 Quantum dots 5 are made of InGaP(As), emitting quantum dots 7 are made of InAs. Each quantum dot 7 is formed strictly above each quantum dot 5

Толщина среднего покровного слоя 6 составляет 4 нм. The thickness of the middle cover layer 6 is 4 nm.

Квантовые ямы 8 выполнены из In_0,3Ga_0,7As толщиной 4 нм.Quantum wells 8 are made of In _0.3 Ga _0.7 As with a thickness of 4 nm.

Квантовые точки 7 равноудалены от верхней поверхности РБО 3 и верхней поверхности верхнего покровного слоя 9, граничащей с воздухом.Quantum dots 7 are equidistant from the upper surface of the DBR 3 and the upper surface of the upper cover layer 9 adjoining the air.

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. The proposed heterostructure works as follows. The position of each quantum dot 7 and the wavelength of its emission are identified by microphotoluminescence or cathodoluminescence at a wavelength of 1300 nm. As a result of optical pumping by an external laser with a wavelength corresponding to the wavelength of the position of the reflection center DBR 3, photoluminescence of each quantum dot 7 is excited with a wavelength greater than the wavelength of the reflection center DBR 3. During optical pumping, the proposed heterostructure is illuminated at an angle to avoid hitting photons from the pump laser into a detected signal from an optically excited quantum dot 7. Due to the presence of a resonator, the radiation from the excited quantum dot 7 is amplified. In the quantum dots 7 of the active region 11, radiative recombination of electrons and holes occurs, which provides optical amplification for the generation of a single photon. Thus, a single photon is emitted from quantum dot 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 In_0,3Ga_0,7As позволяет обеспечить генерирование одиночных фотонов на длине волны 1300 нм. It is known from the prior art that the surface density of the quantum dots 5 is reduced. Since each quantum dot 7 is located above each quantum dot 5 of the first layer, the surface density of quantum dots 7 is also reduced due to the formation of these quantum dots in the fields of elastic stresses of quantum dots 5. In addition, the implementation of quantum dots 7 from InAs and the presence of a layer of quantum wells 8 of In _0.3 Ga _0.7 As allows the generation of single photons at a wavelength of 1300 nm.

Claims

A semiconductor heterostructure of a single photon emitter containing a GaAs substrate, a GaAs buffer layer 100 nm thick, an active region in the form of a layer of InGaP(As) quantum dots with a reduced surface density 3 nm thick, and a GaAs cover layer, characterized in that after the buffer layer a distributed Bragg reflector consisting of 35 pairs of GaAs/Al _0.9 Ga _0.1 As layers with a thickness of 95 nm and 111 nm, respectively, a lower GaAs cover layer with a thickness of 370 nm, and a second buffer layer made of a layer of InGaP(As) quantum dots with a reduced surface with a density of 3 nm thick, and the middle GaAs cover layer with a thickness of 4 nm located on it, and the active region is located on the middle cover layer and is formed by a layer with emitting InAs quantum dots with a thickness of 2.5 monolayers with a layer with quantum wells formed on it from In _{0 .3} Ga _0.7 As with a thickness of 4 nm, while the upper coating layer of GaAs with a thickness of 370 nm is made over the active th region, and each emitting InAs quantum dot is made strictly above the InGaP(As) quantum dot.