Функциональный элемент квантового излучателя Российский патент 2022 года по МПК C30B29/62 C09K11/08 H01L33/04 H01L33/50 B82Y30/00 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а точнее, к устройству функционального элемента квантового излучателя (ФЭКИ) с оптической накачкой. Изобретение может найти применение в квантовой криптографии и системах передачи информации (в том числе в телекоммуникационных диапазонах 1,3 и 1,55 мкм длин волн излучения), системах для квантовых вычислений и обработки данных, использоваться в качестве метрологического стандарта (стандарты для энергетики, стандарты светового потока).

Одними из наиболее перспективных нанообъектов для создания квантовых излучателей являются полупроводниковые нитевидные нанокристаллы (далее ННК) - наноструктуры, чья длина (500 - 10000 нм) намного превышает их диаметр (20-200 нм). Структура таких ФЭКИ содержит активную область, в которой возникает излучение и область, обеспечивающую эффективный вывод оптического излучения. В качестве основных материалов для изготовления ФЭКИ могут применяться полупроводниковые оптические прямозонные материалы, как правило, А3В5 и/или А2В6 такие как InGaAs/GaAs, GaAs/AlGaAs, InAsP/InP, InGaN/GaN, GaN/AlGaN, GaPAlGaP, ZnSe/ZnS, CdSe/ZnSe, CdTe/ZnTe и т.д.

В патенте US 9112082 [1] описан источник одиночных фотонов на основе ННК с электрическим питанием. Описанная в патенте структура ФЭКИ на основе гетероструктуры с квантовыми точками (КТ) представляет из себя вертикально расположенный на подложке (пластине) «стержень», в котором находится КТ. Для обеспечения электрического управления излучением такого ФЭКИ к концам стержня подводятся электрические контакты. В качестве нижнего контакта выступает проводящий слой на подложке. Для формирования верхнего контакта наносятся планаризующий диэлектрический прозрачный слой и поверх него прозрачный электропроводящий слой, например, оксида индия-олова, покрывающий открытую верхнюю часть ННК для обеспечения электрического контакта. Таким образом, ФЭКИ на основе ННК представляет собой систему - стержень с внедренной квантовой точкой. В патенте предлагаются различные комбинации материалов для реализации данного излучателя (InGaAs/GaAs, InAsP/InP, InGaN/GaN, GaN/AlN, CdTe/ZnTe, CdSe/ZnSe), которые могут обеспечить работу ФЭКИ в оптическом диапазоне от 0,3 до 1,6 мкм. В том числе рассматриваются ФЭКИ - ННК арсенида галлия с КТ твердого раствора арсенида индия-галлия, сформированные травлением предварительно выращенной планарной гетероструктуры со слоем квантовых точек. Практический пример реализации квантового излучателя заключается в следующем: на полупроводниковой подложке синтезируется последовательность слоeв полупроводниковых материалов, в том числе слоя с квантовыми точками. Затем для формирования ННК осуществляется плазмохимическое травление через нанесенное на поверхность планарной гетероструктуры масочное покрытие. В результате формируются отдельные вертикальные ННК с квантовыми точками. При работе излучателя к вершине и основанию сформированного нитевидного нанокристалла подводятся импульсы напряжения и в результате рекомбинации носителей заряда КТ излучает одиночные фотоны с энергией, соответствующей системе энергетических уровней квантовой точки. Проблемы такого варианта реализации структур ФЭКИ заключаются в образовании структурных дефектов на поверхности и внутри ФЭКИ. Такие дефекты, как правило, являются центрами безызлучательной рекомбинации носителей зарядов, т.е. приводят к снижению эффективности оптического излучения ФЭКИ. Случайный же характер положения КТ, благодаря дисперсии плотности КТ в исходной планарной гетероструктуре, может привести к тому, что в ФЭКИ может не оказаться КТ или оказаться вместо одной - 2-3 КТ, что приводит к некорректной работе ФЭКИ. Дисперсия размеров и энергетических уровней КТ приводит к вариации энергии/длины волны излучения и снижению скорости/плотности передаваемой/обрабатываемой информации. Реализация системы с электрическим управлением накладывает множество ограничений. Например, ФЭКИ на основе нитевидных нанокристаллов на сегодняшний день функционируют при низких температурах - порядка 4К. Поведение системы электрического питания при таких температурах ещe мало изучено и может иметься ряд неконтролируемых эффектов.

Другой подход к реализации квантового излучателя описан в статье [2. G.E. Cirlin, R.R. Reznik, I.V. Shtrom, A.I. Khrebtov, Yu.B. Samsonenko, S. A. Kukushkin, T. Kasama, N. Akopian, L. Leonardo, Hybrid GaAs/AlGaAs Nanowire - Quantum dot System for Single Photon Sources, Semiconductors, Vol. 52, No. 4, 2018]. В ней описан однофотонный источник излучения с оптической накачкой на основе ННК арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) с КТ арсенида галлия (GaAs). В этой работе описаны ФЭКИ, синтезированные методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ). Для этого в условиях сверхвысокого вакуума на полупроводниковой пластине формируют центры роста ННК в виде массива наноразмерных капель катализатора - золота, под которыми при последующем высоковакуумном осаждении потоков атомов галлия, алюминия и мышьяка на подложке растут ННК твердых растворов арсенида алюминия-галлия. При этом ННК формируется в виде структуры стержень-оболочка с процентным содержанием алюминия в оболочке ННК. При кратковременном отключении потока алюминия в стержне AlGaAs формируется КТ GaAs. Поперечный размер КТ практически равен диаметру стержня. Стержень имеет слабо изменяющиеся вдоль всей длины ННК геометрические размеры. В этом случае ФЭКИ представляет собой структуру типа стержень-оболочка из арсенида алюминия-галлия и только одну квантовую точку из арсенида галлия. Отметим, что такой подход позволяет формировать эффективный резонатор в ФЭКИ и осуществлять вывод излучения в одном направлении. Длина волны оптического излучения ФЭКИ определяется материалом КТ и еe геометрическими размерами, то есть задается технологическими режимами. В указанной работе описан ФЭКИ с одной КТ внутри ННК и показано, что такая структура может работать как излучатель одиночных фотонов с оптической накачкой. В статье представлены варианты реализации ННК арсенид алюминия-галлия с одиночными квантовыми точками арсенида галлия разных размеров. Например: ННК с КТ, синтезированной в течение 5 сек, при оптической накачке КТ характерная длина волны излучения составила 750 нм. В свою очередь для ННК с КТ синтезированной в течение 15 сек характерная длина волны излучения составила 800 нм. Отметим, что ширина полосы излучения составила менее 0,5 нм.

Преимущества такого ФЭКИ с оптической накачкой заключаются в следующем. Во-первых, это быстродействие и закрытие сигнала от стороннего считывания - высокая безопасность передачи информации. В случае перехвата сигнала будет происходить уменьшение интенсивности регистрируемого сигнала, что будет сигнализировать о вмешательстве в систему. Во-вторых, это технологичность изготовления - дизайн реализуемой структуры без электрических контактов и возможность реализации ФЭКИ на различных подложках, в том числе на кремниевых, т.е. интеграция с кремниевой технологией. К недостаткам такого ФЭКИ можно отнести наличие одной исходно заданной длины волны излучения без возможности преобразований в спектре.

Однако современные ФЭКИ должны обеспечивать многоканальную среду обработки приема/передачи сигнала - позволять с помощью одного ФЭКИ получить пакет сигналов с различными (2 или более) длинами волн излучения одиночных фотонов одновременно и/или получение одиночных сигналов разных длин волн, разнесенных во времени. Это позволяет многократно увеличить плотность передаваемой информации, обеспечить новые возможности для кодирования данных и систем квантовых вычислений.

В качестве прототипа заявляемого устройства принят ФЭКИ, описанный в статье [3. R.R. Reznik, G.E. Cirlin, K.P. Kotlyar, I.V. Ilkiv, N. Akopian, L. Leandro, V.V. Nikolaev, A.V. Belonovski, M.A. Kaliteevski, Purcell Effect and Beaming of Emission in Hybrid AlGaAs Nanowires with GaAs Quantum Dots, Nanomaterials, 11, 2894, 2021]. В данной статье, в отличие от публикации [2], описан ФЭКИ в котором в стержне ННК синтезировано 10 одинаковых квантовых точек арсенида галлия, имеющих одинаковые геометрические размеры - поперечный размер 30 нм, осевой размер 10,5 нм и расположенных на одном расстоянии друг от друга (45 нм) в стержне ННК. В этой статье описана технология формирования такого ФЭКИ, в целом повторяющая описанную выше технологию синтеза методом МПЭ. Отличие состоит в том, что при синтезе ННК заслонка системы подачи потока атомов алюминия десять раз открывается и закрывается на одинаковое время, тем самым формируется заданное количество одинаковых квантовых точек арсенида галлия в стержне ННК. Специалисту очевидно, что оптическое возбуждение одной квантовой точки в ННК позволяет получить излучение на одной длине волны, а дальнейшее увеличение числа одинаковых квантовых точек приводит только к линейному увеличению интенсивности излучения при оптическом возбуждении нескольких квантовых точек одновременно. Аналогичный эффект достигается увеличением мощности лазерного излучения при оптической накачке ФЭКИ с одной квантовой точкой. При оптической накачке такой системы происходит возбуждение всех точек одновременно, поскольку расстояние между квантовыми точками много меньше минимального диаметра пятна возбуждающего лазерного излучения, попадающего на ННК (далее -пятно лазерного излучения) порядка 1000 нм. Как и в примере [2], квантовый излучатель, реализованный в [3], не позволяет получать излучение на разных длинах волн, что существенно снижает функционал реализуемого устройства.

В основу изобретения поставлена проблема расширения арсенала средств и создания нового функционального элемента квантового излучателя с оптической накачкой, реализованного на основе нитевидных нанокристаллов, и являющегося источником с перестраиваемым спектром излучения.

Достигаемый технический результат - обеспечение возможности вариативности излучения функционального элемента квантового излучателя, задаваемой алгоритмом оптического возбуждения, а именно обеспечение возможности получения одновременно двух и более сигналов разных длин волн (пакетов сигналов), что повышает плотность передаваемой информации, или получения одиночных сигналов разных длин волн, разнесенных во времени, что расширяет возможности кодирования информации.

Поставленная задача решается тем, что функциональный элемент квантового излучателя представляет собой нитевидный нанокристалл, выполненный из полупроводниковых материалов, и имеет структуру стержень-оболочка, в которой материал стержня обладает меньшей шириной запрещенной зоны, чем материал оболочки. При этом стержень имеет по всей длине постоянный диаметр и содержит квантовые точки одного поперечного размера, расположенные вдоль оси нанокристалла. От прототипа отличается тем, что квантовые точки имеют отличный друг от друга осевой размер, при этом соотношение между осевым размером нитевидного нанокристалла и расстоянием между квантовыми точками определяется условием распределения квантовых точек таким образом, что обеспечивается возможность оптического возбуждения каждой квантовой точки в отдельности.

Здесь и далее термин "осевой размер" означает "размер вдоль продольной оси ННК". В качестве материалов стержня и оболочки нанокристалла могут быть применены известные в данной области полупроводниковые материалы АЗВ5, часть из которых описана в приведенном ниже примере реализации. Определяющим условием выбора материал оболочки является поглощение в более высокоэнергетической области спектра, чем стержень и КТ.

Авторами экспериментально установлено, что наилучший результат достигается, когда в качестве материала стержня выбирают арсенид алюминия-галлия с долей алюминия 13-19% по отношению к галлию, в качестве материала оболочки выбирают арсенид алюминия-галлия с долей алюминия 21-27% по отношению к галлию, а в качестве материала квантовой точки выбирают арсенид галлия.

Авторами экспериментально установлено, что осевой размер квантовых точек может варьироваться в пределах (1-20) нм. При этом ННК может иметь вершину с углом схождения 5-10 град. У ФЭКИ с вершиной конической формы диаграмма направленности излучения изменяется и излучение более эффективно (вплоть до 70%) направлено вдоль оси ННК, что, например, в последующем упрощает вывод излучения в оптоволокно.

Оптимальным является решение, когда осевой размер квантовых точек увеличивается к вершине нитевидного нанокристалла при сохранении неизменным расстояния между квантовыми точками.

За счет различия квантовых точек по осевому размеру каждой квантовой точке соответствует своя длина волны/энергия излучения, таким образом, при возбуждении лазером определенных квантовых точек в одном ФЭКИ можно варьировать длину волны излучения одиночных фотонов - получить одиночные сигналы разных длин волн разнесенные во времени. Длина волны излучения одиночных фотонов является дополнительным параметром для задания информации, и возможность еe вариации позволяет расширить возможности кодирования, обработки информации. В отличие от излучения одиночных фотонов на определeнной длине волны, реализуемого путeм возбуждения конкретной квантовой точки, в случае одновременного возбуждения разных квантовых точек за счeт их облучения лазером с пятном лазерного излучения, захватывающим две или более КТ, возможно получить пакет сигналов с различными длинами волн излучения одиночных фотонов одновременно. Также пакет сигналов можно получить, возбуждая несколькими лазерами разные квантовые точки в разных частях нитевидного нанокристалла. Наличие множества сигналов одновременно - определяет «многоканальность» передачи информации, позволит многократно повысить плотность передаваемой информации.

Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации ФЭКИ на основе ННК арсенида алюминия-галлия с квантовыми точками на основе арсенида галлия. Пример реализации иллюстрируется фигурами чертежей, на которых представлено:

Фиг. 1 - структура ФЭКИ (схематично);

Фиг. 2 - изображение растровой электронной микроскопии синтезированного на подложке массива ННК арсенида алюминия-галлия с квантовыми точками арсенида галлия;

Фиг. 3 - схематично лазерное облучение квантовой точки у основания ННК (а) и графическое представление зависимости интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны излучения (б) при оптическом возбуждении квантовой точки наименьшего осевого размера (соответственно, расположенной при основании ННК);

Фиг. 4 - схематично лазерное облучение квантовой точки при вершине ННК (а) и графическое представление зависимости интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны излучения (б) при оптическом возбуждении квантовой точки наибольшего осевого размера (соответственно, расположенной при вершине ННК);

Фиг. 5 - схематично лазерное облучение группы квантовых точек одним лазером (а) и несколькими лазерами (б), графическое представление зависимости интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны излучения при оптическом возбуждении группы квантовых точек;

Фиг. 6 - экспериментальные зависимости интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны излучения при оптическом возбуждении квантовых точек разного осевого размера: при основании (а) и при вершине (б) ННК.

Фиг. 7 - экспериментальная зависимость интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны излучения при оптическом возбуждении группы квантовых точек.

Изобретение реализуется следующим образом. Синтез массива ННК с необходимым ФЭКИ реализовывался методом МПЭ на подложке кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (111). Для этого подложку помещают в вакуумную камеру металлизации установки МПЭ, где после термической очистки, на еe поверхность осаждается 0,5 нм золота при температуре 550°С. Подложка выдерживается при постоянной температуре в течение 60-ти секунд для формирования массива золотых капель - катализатора. После чего подложка переводится в ростовую камеру и при температуре подложки 510°С открываются заслонки источников атомов алюминия, галлия и мышьяка, и начинается синтез ННК. Потоки атомов галлия и алюминия из источников материалов соответствуют скоростям роста планарных слоeв GaAs и AlAs: 0.7 и 0.3 монослоя в секунду (МС/с) соответственно согласно предварительным калибровкам. Поток атомов мышьяка на поверхность подложки эквивалентен давлению 2*10^-5 Торр. Время формирования участка арсенида алюминия-галлия между КТ одинаково для всех ННК и составляет 220 секунд, что соответствует осевому размеру области - 1000 нм. Для формирования квантовых точек разного осевого размера, в процессе роста ННК периодически на определeнный промежуток времени закрывается заслонка источника атомов алюминия. После первоначально синтезированного участка арсенида алюминия-галлия формируют четыре квантовых точки, время роста последовательно формируемых в ННК точек увеличивается от точки к точке и составляет 6, 7, 10, 15 сек соответственно, что соответствует диапазону осевых размеров КТ: 5-20 нм. После роста последней квантовой точки синтезируют участок арсенида алюминия-галлия с осевым размером 3000 нм. Общая длительность синтеза составляет 30 минут. После завершения синтеза, заслонки источников закрываются, образец охлаждается до комнатной температуры. Ввиду того, что способ получения ФЭКИ не является предметом настоящего изобретения, в настоящей заявке не представлены конкретные режимы его изготовления.

Более подробно сущность изобретения раскрывается на приведенных фигурах. На Фиг. 1. схематично показано строение ФЭКИ и расположение квантовых точек внутри него. ФЭКИ представляет собой ННК с осевым размером L и поперечным размером D. В общем случае рассматривается цилиндрическая форма вершины ННК, однако она может отличаться от неe для различных приложений. Например, изменение формы вершины позволяет управлять выводом света из ФЭКИ. Внутренняя структура представляет собой стержень 1 поперечного размера d с квантовыми точками 2 расположенными вдоль оси ННК и оболочку 3 из материала с большей шириной запрещeнной зоны по отношению к материалу стержня. N квантовых точек в ННК расположены на расстояниях l₁-l_n-1 друг от друга и имеют осевые размеры h₁<h₂<…<h_n увеличивающиеся к вершине ННК.

На изображении растровой электронной микроскопии на Фиг. 2. представлен синтезированный по описанной технологии массив нитевидных нанокристаллов арсенида алюминия-галлия с квантовыми точками арсенида галлия. Как можно видеть из представленной иллюстрации синтезированные ННК имеют осевой размер L, составляющий от 7,5 - до 8 мкм и постоянный поперечный размер D, составляющий от 120 - до 130 нм вплоть до конусообразной вершины ННК. В данном примере реализации вершина ННК имеет коническую форму, имеющею угол схождения 5 град. В описанных условиях роста ННК стержень формируется из арсенид алюминия-галлия с долей алюминия 13-19% по отношению к галлию, а оболочка из арсенид алюминия-галлия с долей алюминия 21-27% по отношению к галлию. Задавая соотношение потоков атомов алюминия и галлия возможно варьировать процентный состав по алюминию в стержне в пределах 5-35% по отношению к содержанию алюминия в оболочке составляющее 10-70%, что соответствует условию: материал стержня обладает меньшей шириной запрещeнной зоны, чем материал оболочки.

Поперечный размер каждой квантовой точки 2, синтезируемой внутри ННК, равен поперечному размеру стержня d ННК, который, в свою очередь, определяется размером наночастицы катализатора золота и составляет порядка 30 нм в реализованном случае. Соответственно толщина оболочки ННК составляет от 45 до 50 нм.

В зависимости от назначения и необходимых параметров излучения ФЭКИ задаются геометрические характеристики ФЭКИ для определeнной системы материалов. В процессе синтеза ФЭКИ скорость роста материала ННК постоянна. Задавая время синтеза ННК, количество и продолжительность открытия-закрытия заслонок источников полупроводниковых материалов для формирования КТ внутри стержня ННК можно задавать необходимый осевой размер ННК, количество и осевые размеры КТ для требуемых длин волн излучения и расстояние l между КТ. Так, например, вариация осевого размера квантовых точек арсенида галлия диаметром 30 нм в диапазоне осевых размеров 5-20 нм позволяет получить квантовые точки, соответствующие определeнной длине волны излучения в диапазоне 750-780 нм. Осевой размер квантовой точки не должен превышать 30 нм для данного материала (арсенида галлия), для выполнения условия размерного квантования. Отметим, что квантовые точки разных осевых размеров могут располагаться в произвольном порядке вдоль оси ННК.

Расстояния l₁, l_2...l_n-1 между КТ определяются условием распределения КТ в стержне ННК таким образом, что обеспечивается возможность оптического возбуждения каждой КТ в отдельности. Для этого расстояние между КТ должно быть не меньше диаметра пятна лазерного излучения при оптической накачке, определяемого характерной длиной волны возбуждающего излучения, возможностями фокусирующей системы лазера, и должно составлять не менее 1000 нм.

В зависимости от необходимого количества КТ и их осевых размеров при условии возможности оптической накачки каждой квантовой точки по отдельности задаeтся осевой размер ННК L. На Фиг. 2. схематично изображены расположения синтезированных КТ1-КТ4 в ННК с расстояниями между ними l₁, l₂, l_{3 ,} составившими порядка 1000 нм каждое.

Также отметим, что конкретные параметры процесса МПЭ зависят от множества факторов. В частности от конструктивных и функциональных особенностей установки МПЭ, и технологических режимов. В качестве материалов ФЭКИ целесообразно применение таких комбинаций A3B5 полупроводниковых материалов - нитридов, арсенидов, фосфидов металлов третьей группы периодической системы им. Д.И. Менделеева, чтобы ширина запрещeнной зоны материала КТ была меньше, чем ширина запрещeнной зоны материала стержня, а ширина запрещeнной зоны материала стержня ННК была меньше, чем ширина запрещeнной зоны материала оболочки. Это условие определяет сам принцип работы квантового излучателя, реализуя как полупроводниковую гетероструктуру в ННК, так и оптическое ограничение для эффективного вывода возбуждаемого излучения. В том числе возможно применение таких материалов как арсенид галлия, арсенид индия (InAs), фосфид индия (InP), тройные соединения, такие как арсенид алюминия-галлия или арсенид индия-галлия (InGaAs) и др.

Реализация квантового излучателя на основе заявляемого ФЭКИ с оптической накачкой заключается в следующем. Для упрощения нами рассматривается ННК, отделeнный после синтеза от подложки и перенесeнный на иную подложку. При этом ННК расположен параллельно еe поверхности и лазером можно осуществлять оптическое возбуждение отдельной КТ в ННК. Однако, если в исходном синтезированном массиве ННК на подложке среднее расстояние между ННК порядка диаметра пятна лазерного излучения, то возможна реализация квантового излучателя на конкретном ННК непосредственно в синтезированном массиве. Оптическая накачка КТ осуществляется лазером с энергией излучения больше максимальной ширины запрещeнной зоны КТ в ФЭКИ.

При оптическом возбуждении определeнных квантовых точек в ФЭКИ через заданные промежутки времени, для системы с диаметром пятна лазерного излучения порядка 1000 нм при расстоянии между квантовыми точками порядка 1000 нм, за счeт отличия квантовых точек по осевому размеру достигается возможность получения одиночных сигналов разных длин волн, что расширяет возможности кодирования информации. На Фиг.3 схематически изображена геометрия облучения ФЭКИ лазером (а) и графическое представление получаемой зависимости интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны регистрируемого излучения при оптическом возбуждении квантовой точки наименьшего осевого размера расположенной у основания ННК (б). Фиг.4 советует схеме облучения и графическому представлению спектра люминесценции для квантовой точки максимального осевого размера, расположенной у вершины ННК. Максимумы пиков люминесценции вследствие отличия осевых размеров КТ соответствуют разным длинам волн излучения Л₁ и Л₂.

При возбуждении нескольких квантовых точек (группы квантовых точек) возможно, получить излучение фотонов с энергиями, соответствующими различным длинам волн, тем самым получить пакет сигналов одиночных фотонов разных длин волн одновременно, что позволяет повысить плотность передаваемой информации. На Фиг. 5 а, б показаны возможные варианты реализации облучения группы КТ. Во-первых, этого можно добиться, увеличив диаметр пятна лазерного излучения, так чтобы оно захватывало необходимое число КТ как показано на Фиг.5 а. Во-вторых, возможна реализация возбуждения КТ в разных частях ННК разными лазерами (как показано на Фиг.5.б). На Фиг.4 в. изображено графическое представление получаемой зависимости интенсивности люминесценции ФЭКИ от длины волны при возбуждении двух квантовых точек в ФЭКИ одновременно - регистрируется излучение на разных длинах волн Л₁ и Л₂. Таким образом, заявляемый ФЭКИ позволяет реализовать в полной мере управление спектром излучения: получить одновременно два и более сигналов разных длин волн (пакетов сигналов), или получить одиночные сигналы разных длин волн, разнесенных во времени. Отметим, что для реализации квантового излучателя можно использовать как систему ФЭКИ-лазер, так и в последующем на еe основе разработать миниатюрный квантовый излучатель с оптической накачкой не от стационарного лазера, а от нанолазера (-ов) на фотонном чипе.

Для демонстрации практической реализации характеристик квантового излучателя на основе разработанного ФЭКИ, синтезированные ННК были отделены от исходной подложки и перенесены на инородную подложку. Облучение проводилось неодимовым лазером с диаметром пятна лазерного излучения порядка 1000 нм и длиной волны излучения 532 нм при температуре 4К. Исследование зависимости интенсивности возбуждаемого в ННК излучения от длины волны проводилось для участков ННК от основания к вершине ННК с шагом перемещения пятна лазера вдоль ННК 20 нм. На Фиг.6 представлены полученные зависимости люминесценции при облучении 1-ой (а), а затем 4-той (б) квантовой точек. Как можно видеть, излучение от квантовых точек соответствует длинам волн 752 и 778 нм. На Фиг.6 представлена полученная зависимость люминесценции при облучении двух квантовых точек одновременно: 2-ой и 3-ей. Для этого диаметр пятна лазерного излучения был увеличен до 2 мкм. Как можно видеть, спектр излучения содержит два пика соответствующих 757 и 770 нм, тем самым продемонстрирована возможность задания пакета сигналов.

Таким образом, как показали исследования, разработанный функциональный элемент квантового излучателя на основе нитевидного нанокристалла является источником одиночных фотонов с перестраиваемым спектром излучения: возможно получить пакет сигналов разных длин волн одновременно или одиночные, разнесенные во времени сигналы, различных длин волн при оптической накачке, что было представлено впервые. В ранее приведeнных примерах реализованных исследователями и приведeнными выше эта возможность отсутствовала. Полученная заявленным способом структура обладает функциональными свойствами, позволяющими использовать еe в качестве ФЭКИ оптоэлектронных приборов, например, для создания устройств квантовой криптографии и передачи информации, значительно увеличивая плотность передачи информации и расширяя возможности кодирования и систем квантовых вычислений.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в квантовой криптографии, в системах передачи информации, квантовых вычислений или обработки данных, а также в качестве метрологического стандарта светового потока и для энергетики. Функциональный элемент квантового излучателя представляет собой нитевидный нанокристалл со структурой стержень-оболочка, выполненный из полупроводниковых материалов. Материал стержня 1 обладает меньшей шириной запрещенной зоны, чем материал оболочки 3. Стержень 1 содержит квантовые точки 2 одного поперечного размера d, расположенные по оси нанокристалла и имеющие отличный друг от друга осевой размер h₁-h_n. Cоотношение между осевым размером L нитевидного нанокристалла и расстоянием l₁-l_n-1 между квантовыми точками 2 определяется условием их распределения таким образом, что обеспечивается возможность оптического возбуждения каждой квантовой точки 2 в отдельности. Нитевидный нанокристалл имеет вершину с углом схождения 5-10 град. Осевой размер h₁-h_n квантовых точек 2 увеличивается к вершине нитевидного нанокристалла при сохранении неизменным расстояния l₁-l_n-1. Обеспечивается возможность вариативности излучения за счёт получения одновременно пакета сигналов разных длин волн, что повышает плотность передаваемой информации, или же одиночных сигналов разных длин волн, разнесённых во времени, что расширяет возможности кодирования информации. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Функциональный элемент квантового излучателя, представляющий собой нитевидный нанокристалл, выполненный из полупроводниковых материалов, имеющий структуру стержень-оболочка, в которой материал стержня обладает меньшей шириной запрещенной зоны, чем материал оболочки, при этом стержень содержит квантовые точки одного поперечного размера, расположенные по оси нанокристалла, отличающийся тем, что квантовые точки имеют отличный друг от друга осевой размер, при этом соотношение между осевым размером нитевидного нанокристалла и расстоянием между квантовыми точками определяется условием распределения квантовых точек таким образом, что обеспечивается возможность оптического возбуждения каждой квантовой точки в отдельности.

2. Функциональный элемент квантового излучателя по п. 1, отличающийся тем, что нитевидный нанокристалл имеет вершину с углом схождения 5-10 град.

3. Функциональный элемент квантового излучателя по п. 2, отличающийся тем, что осевой размер квантовых точек увеличивается к вершине нитевидного нанокристалла при сохранении неизменным расстояния между квантовыми точками.