Title:
Einzelphotonenquelle und Methode zur kontrollierten Erzeugung von Photonen
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird eine Einzelphotonenquelle (10) mit einem Halbleiterkörper (2) und einem Transducer (3) angegeben, bei der der Halbleiterkörper (2) eine aktive Zone (23) zur Erzeugung von einzelnen Photonen aufweist, wobei die aktive Zone (3) ein piezoelektrisches Halbleitermaterial enthält. Der Transducer (3) ist zur Erzeugung von Oberflächenwellen eingerichtet, wobei der Halbleiterkörper (2) und der Transducer (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die im Betrieb der Einzelphotonenquelle von dem Transducer erzeugten Oberflächenwellen in die aktive Zone (23) einkoppelbar sind.
Des Weiteren wird eine Methode zur kontrollierten Erzeugung von Photonen unter Verwendung von Oberflächenwellen angegeben. embedded image




Inventors:
Ebbecke, Jens, Dr. (93352, Rohr, DE)
Application Number:
DE102017101877A
Publication Date:
08/02/2018
Filing Date:
01/31/2017
Assignee:
OSRAM Opto Semiconductors GmbH, 93055 (DE)



Foreign References:
87914942014-07-29
200401738162004-09-09
JP2005317722A2005-11-10
Other References:
GELL, J.-R. [et al.]: Modulation of single quantum dot energy levels by a surface-acoustic-wave. In: Applied Physics Letters, Vol. 93, 2008, 081115, [DOI: 10.1063/1.2976135].
Attorney, Agent or Firm:
Epping Hermann Fischer Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639, München, DE
Claims:
Einzelphotonenquelle (10) mit einem Halbleiterkörper (2) und einem Transducer (3), bei der
- der Halbleiterkörper (2) eine aktive Zone (23) zur Erzeugung von einzelnen Photonen aufweist, wobei die aktive Zone (3) ein piezoelektrisches Halbleitermaterial enthält,
- der Transducer (3) zur Erzeugung von Oberflächenwellen eingerichtet ist, und
- der Halbleiterkörper (2) und der Transducer (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die im Betrieb der Einzelphotonenquelle von dem Transducer erzeugten Oberflächenwellen in die aktive Zone (23) einkoppelbar sind.

Einzelphotonenquelle nach Anspruch 1, bei der der Halbleiterkörper (2) eine erste Halbleiterschicht (21) aufweist, wobei die aktive Zone (23) und der Transducer (3) auf derselben ersten Halbleiterschicht aufgebracht sind und in der lateralen Richtung voneinander beabstandet sind.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Träger (1), wobei die aktive Zone (23) und der Transducer (3) auf der gleichen vertikalen Höhe zu dem Träger angeordnet sind.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Halbleiterkörper (2) eine geringfügig dotierte oder undotierte Zwischenschicht (20) aufweist, die sowohl an die aktive Zone (23) als auch an den Transducer (3) angrenzt.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Transducer (3) auf dem Halbleiterkörper (2) angeordnet und von diesem elektrisch isoliert ist.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Transducer (3) ein Interdigitaltransducer (IDT) mit fingerartigen Strukturen (31, 32) ist, die ohne sich zu berühren ineinandergreifen.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die aktive Zone (23) einem inselartigen Teilbereich des Halbleiterkörpers (2) zugeordnet ist.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Halbleiterkörper (2) eine erste Halbleiterschicht (21) und eine zweite Halbleiterschicht (22) aufweist, wobei
- die aktive Zone (23) zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist,
- die erste Halbleiterschicht zusammenhängend ist, und
- die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht jeweils eine Mehrzahl von voneinander lateral beabstandeten Teilregionen aufweisen, welche inselartige Teilbereiche des Halbleiterkörpers bilden.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, die erste Kontaktstelle (61) und zweite Kontaktstelle (62) des Halbleiterkörpers (2) sowie erste Anschlussstelle (71) und zweite Anschlussstelle (72) des Transducers (3) aufweist, wobei die Kontaktstellen (61, 62) im Betrieb der Einzelphotenenquelle einem ersten Stromkreis zugeordnet sind und die Anschlussstelle (71, 72) einem zweiten von dem ersten Stromkreis verschiedenen Stromkreis zugeordnet sind.

Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die aktive Zone (23) auf InGaN basiert ist.

Verfahren zur Herstellung der Einzelphotonenquelle nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- der Halbleiterkörper (2) mit einer aktiven Schicht (23), einer ersten Halbleiterschicht (21) und einer zweiten Halbleiterschicht (22) auf ein Substrat (1) aufgebracht wird,
- der Halbleiterkörper derart strukturiert wird, dass die zweite Halbleiterschicht und die aktive Schicht bereichsweise entfernt werden, wodurch die aktive Schicht zumindest eine inselartige Teilregion als aktive Zone aufweist, die einem inselartigen Teilbereich des Halbleiterkörpers auf der ersten Halbleiterschicht zugeordnet ist, und
- der Transducer (3) auf einer durch die Strukturierung freigelegten Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet wird, wobei der Transducer von der aktiven Zone lateral beabstandet ist.

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem umliegende Bereiche des inselartigen Teilbereichs des Halbleiterkörpers (2) in vertikaler Richtung durch die zweite Halbleiterschicht (22) und die aktive Schicht (23) hindurch bis zu einer geringfügig dotierten oder undotierten Zwischenschicht (20) des Halbleiterkörpers (2) entfernt werden und der Transducer (3) auf der freigelegten Oberfläche der Zwischenschicht gebildet wird.

Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine Passivierungsschicht (4) auf dem inselartigen Teilbereich des Halbleiterkörpers (2) gebildet wird, wobei die Passivierungsschicht zur Freilegung der zweiten Halbleiterschicht (22) stellenweise geöffnet wird, woraufhin eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht (5) auf die zweite Halbleiterschicht aufgebracht wird.

Methode zur Erzeugung von Photonen, bei der
- ein Halbleiterkörper (2) mit einer aktiven Zone (23) aus einem piezoelektrischen Halbleitermaterial bereitgestellt wird,
- die aktive Zone (23) elektrisch vorgespannt wird, wobei eine externe elektrische Spannung (Vo) derart gewählt wird, dass eine Bandverbiegung jedoch keine Rekombination von Ladungsträgern in der aktiven Zone (23) stattfindet,
- Oberflächenwellen mittels eines Transducers (3) erzeugt werden, wobei der Halbleiterkörper (2) und der Transducer (3) derart zueinander angeordnet sind, dass die durch den Transducer (3) erzeugten Oberflächenwellen in die aktive Zone (23) einkoppelt werden, wodurch eine piezoelektrische Spannung (Vw) in der aktiven Zone (23) erzeugt wird, und
- durch eine Überlagerung der externen elektrischen Spannung (Vo) und der piezoelektrischen Spannung (Vw) eine Rekombination von Ladungsträgern in der aktiven Zone (23) zur Erzeugung von Photonen angeregt wird.

Methode nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Häufigkeit des Auftretens der einzelnen Rekombination von Ladungsträgern durch die Frequenz der an den Transducer (3) angelegten elektrischen Spannung eingestellt wird.

Description:

Es wird eine Einzelphotonenquelle angegeben. Des Weiteren wird eine Methode zur kontrollierten Erzeugung von Photonen angegeben.

Einzelphotonenquellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie kontrollierbar nur einzelne Photonen aussenden, wobei die Emission mehrerer gleichzeitiger Photonen unterdrückt wird. Es ist technologisch sehr anspruchsvoll, reproduzierbar elektrisch ansteuerbare Einzelphotonenquellen zu realisieren, die ein derart ausgeprägtes Photonenantibunching aufweisen, bei dem mehrere einzeln emittierte Photonen voneinander gut trennbar sind. Aus kapazitiven Gründen sind die Einzelphotonenquellen bezüglich der Emissionsrate außerdem nur im niederen Frequenzbereich zwischen einigen kHz und wenigen MHz verwendbar. Zudem ist ein Raumtemperaturbetrieb bei den meisten herkömmlichen Einzelphotonenquellen aufgrund des unzureichenden Photonenantibunchings nicht möglich. Das sind einige Hauptprobleme, die bisher einen kommerziellen Einsatz von Einzelphotonenquellen begrenzen.

Eine Aufgabe ist es, eine effiziente und breit einsetzbare Einzelphotonenquelle anzugeben. Außerdem soll eine zuverlässige Methode zur kontrollierten Erzeugung von Photonen, insbesondere von einzelnen Photonen angegeben werden.

In mindestens einer Ausführungsform einer Einzelphotonenquelle weist diese einen Halbleiterkörper und einen Transducer auf. Der Halbleiterkörper weist eine aktive Zone auf, die zur Erzeugung von einzelnen Photonen eingerichtet ist. Zweckmäßig enthält die aktive Zone ein piezoelektrisches Halbleitermaterial. Der Halbleiterkörper weist insbesondere eine LED-Struktur mit der aktiven Zone auf. Der Transducer ist zur Erzeugung von Oberflächenwellen eingerichtet. Insbesondere werden akustische Oberflächenwellen mittels des Transducers angeregt, die in den Halbleiterkörper einkoppelbar sind. Bevorzugt sind der Halbleiterkörper und der Transducer derart zueinander angeordnet, dass die im Betrieb der Einzelphotonenquelle von dem Transducer erzeugten Oberflächenwellen in die aktive Zone einkoppelbar sind.

Die vorliegende Anmeldung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass eine Oberflächenwelle, insbesondere eine akustische Oberflächenwelle in piezoelektrischen Materialien mit einer periodischen elektrischen Potentialänderung verbunden ist. Wird der Halbleiterkörper mit der LED-Struktur so elektrisch vorgespannt, dass gerade noch keine Ladungsträgerkombination stattfindet, so erniedrigt oder erhöht die Oberflächenwelle aufgrund der periodischen Potentialänderung eine sich fortlaufend periodisch ändernde Bandverbiegung in der LED-Struktur. In einer ersten Hälfte der Periode der Oberflächenwelle kann eine resultierende Spannung soweit erhöht werden, dass die Ladungsträger Potentialbarrieren überwinden können und einen Quantentopf der aktiven Zone füllen, währenddessen die resultierende Spannung in einer zweiten Hälfte der Periode durch die Oberflächenwelle erniedrigt wird, dass eine weitere Besetzung des Quantentopfs durch ein Elektron-Loch-Paar unterbunden wird. Somit wird erreicht, dass ein einzelnes Photon pro Oberflächenwellen-Periode in einem Quantentopf kontrollierbar erzeugt wird. Die aktive Zone ist bezüglich deren geometrischer Größe und im Hinblick auf die Einsatztemperatur derart ausgebildet, dass zumindest lokal pro Oberflächenwellen-Periode genau ein Elektron und ein Loch den Quantentopf bevölkern, wodurch eine Einzelphotonenquelle realisiert ist. Insbesondere ist die geometrische Größe der aktiven Zone derart gewählt, dass eine Energieaufspaltung im Quantentopf aufgrund der Quantisierung und der Coulomb-Abstoßung größer ist als die thermische Energie, welche von der Einsatztemperatur abhängig ist, sodass pro Oberflächenwellen-Periode genau ein Elektron und ein Loch einen Quantentopf der aktiven Zone besetzen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle weist der Halbleiterkörper eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht auf, wobei die aktive Zone in vertikaler Richtung zwischen der ersten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht angeordnet ist. Die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht können n-leitend beziehungsweise p-leitend ausgebildet sein, oder umgekehrt. Insbesondere ist die n-leitende Halbleiterschicht in vertikaler Richtung zwischen einem Träger der Einzelphotonenquelle und der aktiven Zone angeordnet. Insbesondere sind die aktive Zone und der Transducer auf derselben ersten Halbleiterschicht aufgebracht und in der lateralen Richtung voneinander beabstandet. Zum Beispiel sind die aktive Zone und der Transducer auf derselben Seite der ersten Halbleiterschicht angeordnet. Die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht können jeweils eine Mehrzahl von voneinander lateral beabstandeten und somit inselartig ausgebildeten Teilregionen aufweisen, wobei eine inselartige Teilregion der aktiven Zone und eine inselartige Teilregion der zweiten Halbleiterschicht einen inselartigen Teilbereich des Halbleiterkörpers bilden. Auch ist es möglich, dass der Halbleiterkörper einen einzigen inselartigen Teilbereich aufweist, der die gesamte aktive Zone und die gesamte zweite Halbleiterschicht enthält.

Unter einer vertikalen Richtung wird eine Richtung verstanden, die quer, insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsfläche des Halbleiterkörpers, etwa der ersten Halbleiterschicht gerichtet ist. Zum Beispiel ist die vertikale Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers. Unter einer lateralen Richtung wird allgemein eine Richtung verstanden, die entlang, insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsfläche des Halbleiterkörpers oder ersten Halbleiterschicht verläuft. Die vertikale Richtung und die laterale Richtung sind quer oder im Wesentlichen senkrecht zueinander gerichtet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle ist der Halbleiterkörper auf einem III-V- oder auf einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Der Halbleiterkörper kann ausschließlich Halbleiterschichten aufweisen. Insbesondere ist der Halbleiterkörper auf einem Substrat epitaktisch aufgebracht beziehungsweise angeordnet. Das Substrat ist zum Beispiel ein Aufwachssubstrat etwa aus Silizium oder ein Saphirsubstrat. Insbesondere dient das Substrat als Träger der Einzelphotonenquelle. Besonders bevorzugt ist die aktive Zone auf InGaN basiert. InGaN ist ein ausgezeichnetes piezoelektrisches Material und eignet besonders dazu, im Betrieb der Einzelphotonenquelle elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Die erste und zweite Halbleiterschicht können jeweils auf GaN basiert sein, wobei erste und zweite Halbleiterschicht n-leitend beziehungsweise p-leitend ausgebildet sein können. Es wurde festgestellt, dass InGaN-Bauelemente Coulomb-Blockade Effekte sogar bis Raumtemperaturen zeigen, sodass mit InGaN eine Einzelphotonenquelle realisierbar ist, die bei flüssigen Stickstoff-Temperaturen oder sogar bei Raumtemperaturen einsetzbar ist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle weist diese einen Träger auf. Der Träger kann das Substrat oder verschieden von dem Substrat sein. Insbesondere sind die aktive Zone und der Transducer auf der gleichen vertikalen Höhe zu dem Träger angeordnet. Werden von dem Transducer akustische Oberflächenwellen erzeugt beziehungsweise angeregt, können diese auf einfacher Art und Weise in die aktive Zone eingekoppelt werden. Zum Beispiel sind die aktive Zone und der Transducer auf einer gemeinsamen Halbleiterschicht angeordnet, wobei die gemeinsame Halbleiterschicht eine feste und zumindest bereichsweise freiliegende Oberfläche aufweist. Die gemeinsame Halbleiterchicht kann somit als Ausbreitungsmedium für die von dem Transducer erzeugten akustischen Oberflächenwellen dienen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle weist der Halbleiterkörper eine Zwischenschicht auf, die sowohl an die aktive Zone als auch an den Transducer mittelbar oder unmittelbar angrenzt. Die Zwischenschicht kann die oben genannte gemeinsame Halbleiterschicht sein, die etwa stellenweise zwischen der ersten Halbleiterschicht und der aktiven Zone angeordnet ist. Bevorzugt sind die Zwischenschicht und/oder die gemeinsame Halbleiterschicht aus einem piezoelektrischen Material gebildet oder bestehen aus diesem. Die Zwischenschicht und/oder die gemeinsame Halbleiterschicht können auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial wie GaN basiert sein.

Die Zwischenschicht kann Teilregionen aufweisen, die in Draufsicht freiliegend und somit frei von Überlappungen mit der aktiven Zone und/oder mit der zweiten Halbleiterschicht sind. Insbesondere ist die Zwischenschicht undotiert oder zumindest in den Überlappungsregionen mit dem Transducer undotiert. Es ist jedoch auch möglich, dass die Zwischenschicht im Wesentlichen undotiert oder zumindest in den Überlappungsregionen mit dem Transducer derart niedrig dotiert ist, dass eine elektrische Verbindung zwischen dem Transducer und der aktiven Zone unterbunden ist, selbst wenn der Transducer und die aktive Zone unmittelbar auf der Zwischenschicht angeordnet sind. Die Zwischenschicht kann somit als Ausbreitungsmedium für die von dem Transducer erzeugten beziehungsweise angeregten Oberflächenwellen dienen. Eine Schicht ist im Wesentlichen undotiert oder niedrig dotiert, wenn diese Schicht insbesondere lediglich Spuren von Dotierstoffen aufweist oder eine Dotierkonzentration etwa von höchstens 1013cm-3, 1010cm-3 oder höchstens 105cm-3 oder höchstens 103cm-3 aufweist.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle ist der Transducer auf dem Halbleiterkörper angeordnet und von diesem elektrisch isoliert. Die elektrische Isolierung kann durch die Zwischenschicht erzielt werden. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass eine Isolierungsschicht zwischen dem Transducer und dem Halbleiterkörper angeordnet ist. Die Isolierungsschicht kann ein piezoelektrisches Material aufweisen oder aus diesem bestehen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle ist der Transducer ein Interdigitaltransducer (IDT) mit fingerartigen Strukturen, wobei die fingerartigen Strukturen derart ineinandergreifen, ohne sich dabei zu berühren. Der Transducer kann eine erste Anschlussstelle und zweite Anschlussstelle aufweisen, über die die fingerartigen Strukturen mit einer externen Spannungsquelle elektrisch kontaktierbar sind. Wird eine externe elektrische Spannung, insbesondere eine Wechselspannung an den Transducer angelegt, können Vibrationen erzeugt werden. Mit anderen Worten kann der Transducer elektrische Energie in mechanische Energie etwa in Form von Oberflächenwellen, insbesondere in Form von akustischen Oberflächenwellen umwandeln, wobei die Oberflächenwellen etwa über die Zwischenschicht in die aktive Zone eingekoppelt wird. Mittels des Transducers und der angelegten Wechselspannung kann auf einfacher Art und Weise eingestellt werden, mit welcher Frequenz Oberflächenwellen erzeugt werden. Dadurch ist es möglich, dass die Einzelphotonenquelle bezüglich der Emissionsrate nicht nur im niederen Frequenzbereich zwischen einigen kHz und wenigen MHz sondern auch im höheren Frequenzbereich etwa im GHz-Bereich Anwendung findet.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle enthält die aktive Zone eine Quantentopfschicht (Englisch: quantum well layer). Bei einem von einer Quantentopfschicht und ihr zugeordneten Barriereschichten definierten Quantentopf kann es sich um einen Quantenfilm, einen Quantendraht, einen Quantentrog oder um einen Quantenpunkt oder um eine Kombination von dieser Strukturen handeln. Die Quantentopfschicht kann zusammenhängend ausgebildet und einem einzigen strahlungsaktiven Teilbereich des Halbleiterkörpers zugeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Quantentopfschicht eine Mehrzahl von räumlich beabstandeten Teilregionen aufweisen, die jeweils einem der voneinander lateral beabstandeten Teilbereiche des Halbleiterkörpers zugeordnet sein.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle ist die gesamte aktive Zone einem inselartigen und insbesondere als Quantenpunkt ausgebildeten Teilbereich des Halbleiterkörpers zugeordnet. Der inselartige Teilbereich weist bevorzugt einen einzigen Quantentopf auf, der im Betrieb der Einzelphotonenquelle zeitweise von einem einzigen Ladungsträgerpaar bevölkert wird. Das Ladungsträgerpaar ist in der Regel ein Elektron-Loch-Paar, das in dem Quantentopf strahlend rekombinieren kann, wodurch ein einziges Photon emittiert wird. Es ist möglich, dass die aktive Zone eine Mehrzahl von voneinander räumlich getrennten Teilregionen aufweisen, die jeweils einem der inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers zugeordnet sind.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Einzelphotonenquelle weist diese zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterkörpers und somit der aktiven Zone eine erste Kontaktstelle und eine zweite Kontaktstelle auf. Insbesondere sind die Kontaktstellen im Betrieb der Einzelphotenenquelle einem ersten Stromkreis etwa einem Gleichstromkreis zugeordnet, während die Anschlussstellen des Transducers einem zweiten von dem ersten Stromkreis verschiedenen Stromkreis etwa einem Wechselstromkreis zugeordnet sind. Mit anderen sind der Transducer und der Halbleiterkörper der Einzelphotonenquelle zwei verschiedenen Stromkreisen zugeordnet.

In einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen Einzelphotonenquelle wird der Halbleiterkörper mit einer aktiven Schicht, einer ersten Halbleiterschicht und einer zweiten Halbleiterschicht insbesondere schichtenweise mittels eines Beschichtungsverfahrens auf ein Substrat aufgebracht. Das Beschichtungsverfahren kann ein Epitaxie-Verfahren sein, wobei das Substrat ein Aufwachssubstrat ist. Der Halbleiterkörper wird anschließend derart strukturiert, dass die zweite Halbleiterschicht und die aktive Schicht bereichsweise entfernt werden, wodurch die aktive Schicht und/oder die zweite Halbleiterschicht jeweils eine inselartige Teilregion oder mehrere inselartige Teilregionen auf der ersten Halbleiterschicht aufweisen. Die verbleibenden Teilregionen der aktiven Schicht und der zweiten Halbleiterschicht bilden einen inselartigen Teilbereich oder mehrere inselartige Teilbereiche des Halbleiterkörpers auf der gemeinsamen ersten Halbleiterschicht. Die strukturierte aktive Schicht bildet dabei die aktive Zone der herzustellenden Einzelphotonenquelle.

Bei der Strukturierung des Halbleiterkörpers wird insbesondere Material der zweiten Halbleiterschicht und/oder der aktiven Schicht abgetragen. Hierfür kann ein chemisches Verfahren, etwa ein Ätzverfahren, Anwendung finden. Der Transducer wird auf einer durch die Strukturierung freigelegten Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet, wobei der Transducer von der aktiven Zone lateral beabstandet ist. Die freigelegte Oberfläche des Halbleiterkörpers zwischen dem Substrat und der aktiven Zone angeordnet und kann Oberfläche einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material sein. Zum Beispiel ist die freigelegte Oberfläche eine Oberfläche einer nahezu undotierten oder undotierten Halbleiterschicht, etwa einer GaN-Schicht.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden umliegende Bereiche des zumindest einen inselartigen Teilbereichs oder umliegende Bereiche der inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers in vertikaler Richtung durch die zweite Halbleiterschicht und die aktive Schicht hindurch bis zu einer geringfügig dotierten oder undotierten Zwischenschicht des Halbleiterkörpers entfernt. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt kann der Transducer auf der freigelegten Oberfläche der Zwischenschicht prozessiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Passivierungsschicht auf dem zumindest einen inselartigen Teilbereich oder auf den inselartigen Teilbereichen des Halbleiterkörpers gebildet. Insbesondere wird ein elektrisch isolierendes Material derart großflächig auf den strukturierten Halbleiterkörper aufgebracht, dass der zumindest eine inselartigen Teilbereich oder die inselartigen Teilbereichen des Halbleiterkörpers in Draufsicht von der Passivierungsschicht vollständig bedeckt wird/werden. Der Transducer ist insbesondere frei von der Passivierungsschicht oder frei von einer allgemeinen Bedeckungsschicht. Zur bereichsweisen Freilegung der zweiten Halbleiterschicht wird die Passivierungsschicht stellenweise geöffnet, woraufhin eine strahlungsdurchlässige Kontaktschicht auf die zweite Halbleiterschicht aufgebracht wird. Die strahlungsdurchlässige Kontaktschicht kann aus einem elektrisch leitfähigen Oxid, etwa aus Indiumzinnoxid (ITO) gebildet sein.

Das oben beschriebene Verfahren ist für die Herstellung einer hier beschriebenen Einzelphotonenquelle besonders geeignet. Im Zusammenhang mit der Einzelphotonenquelle beschriebenen Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.

In einer Ausführungsform einer Methode zur kontrollierten Erzeugung von Photonen, insbesondere von einzelnen Photonen wird ein Halbleiterkörper mit einer aktiven Zone aus einem piezoelektrischen Halbleitermaterial bereitgestellt. Die aktive Zone wird elektrisch vorgespannt, wobei eine externe elektrische Spannung derart gewählt wird, dass in der aktiven Zone eine Bandverbiegung jedoch keine Rekombination von Ladungsträgern stattfindet. Es werden Oberflächenwellen, insbesondere akustische Oberflächenwellen mittels eines Transducers erzeugt, wobei der Halbleiterkörper und der Transducer derart zueinander angeordnet sind, dass die durch den Transducer erzeugten Oberflächenwellen in die aktive Zone einkoppelt werden, wodurch eine piezoelektrische Spannung in der aktiven Zone erzeugt wird. Durch Überlagerung der externen elektrischen Spannung und der piezoelektrischen Spannung wird eine Rekombination von Ladungsträgern in der aktiven Zone zur kontrollierten Erzeugung von Photonen, insbesondere von einzelnen Photonen angeregt.

In der Regel wird die externe elektrische Spannung konstant gehalten. Aufgrund der angelegten externen elektrischen Spannung findet zwar eine Bandverbiegung im Halbleiterkörper statt, wodurch die entsprechenden Quasi-Ferminiveaus in der aktiven Zone nicht mehr gleich sind. Die externe elektrische Spannung wird jedoch derart niedrig eingestellt, dass gerade keine Rekombination von Ladungsträgern in dem einzelnen Quantentopf der aktiven Zone stattfindet. Eine propagierende Oberflächenwelle auf oder in einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material ist mit erheblichen piezoelektrischen Feldern verbunden, die periodisch zu einer zusätzlichen Bandverbiegung in dem Halbleiterkörper führen. Die dabei entstehende piezoelektrische Spannung ist eine mit der Zeit veränderliche Spannung, deren Wert sich entsprechend des Periodenverlaufs der eingekoppelten Oberflächenwelle ändert. Insgesamt führt dies zu einer periodisch verändernden resultierenden Spannung, die sich aus der externen elektrischen Spannung und der piezoelektrischen Spannung zusammensetzt.

Während der ersten Hälfte der Periode der Oberflächenwelle kann die piezoelektrische Spannung einen positiven Wert annehmen, wodurch die resultierende Spannung erhöht ist und es somit zu einer zusätzlichen Annäherung an den sogenannten Flachbandfall kommt, bei dem Ladungsträger in den Quantentopf der aktiven Zone gelangen können. Während der zweiten Hälfte der Periode der Oberflächenwelle, in der die piezoelektrische Spannung einen negativen Wert annimmt, wird die resultierende Spannung erniedrigt, wodurch eine Besetzung des Quantentopfs durch weitere Ladungsträger unterdrückt wird. Wird die aktive Zone hinsichtlich deren geometrischer Größe und im Hinblick auf die Einsatztemperatur derart gebildet, dass es zur Ausbildung eines Quantenpunktes oder mehrerer voneinander räumlich beabstandeter Quantenpunkten kommt, können aufgrund der Quantisierung und der Coulomb-Abstoßung nur ein einziges Loch und ein einziges Elektron den Quantentopf des zugehörigen Quantenpunktes bevölkern. Die Elektron-Loch-Paar-Rekombination kann letztendlich zur Emission eines einzelnen Photons führen. Die Häufigkeit des Auftretens der Rekombination von Ladungsträgern hängt somit unter anderem unmittelbar von der Frequenz der Oberflächenwelle ab und ist somit durch die Frequenz der an den Transducer angelegten elektrischen Spannung einstellbar.

In diesem Sinne kann eine periodisch gepumpte und deterministische Einzelphotenenquelle realisiert werden. Die Rekombinationsrate der Einzelphotenenquelle oder die Frequenz der Erzeugung von einzelnen Photonen kann auf einfacher Art und Weise eingestellt werden. Die Frequenz der Erzeugung der einzelnen Photonen kann etwa im niederfrequenten Bereichen, etwa im kHz- oder MHz-Bereich, oder im hochfrequenten Bereich, etwa im GHz-Bereich liegen.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Methode zur Erzeugung von Photonen wird die Häufigkeit des Auftretens der Rekombination von Ladungsträgern durch die Frequenz der an den Transducer angelegten elektrischen Spannung eingestellt. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die aktive Zone eine Mehrzahl von aktiven inselartigen Teilregionen enthält, die unterschiedliche laterale Abstände zum Transducer aufweisen, sodass die von dem Transducer erzeugte Oberflächenwelle die aktiven inselartigen Teilregionen zu unterschiedlichen Zeitpunkten antrifft, wodurch die Häufigkeit des Auftretens der Rekombination von Ladungsträgern in der aktiven Zone weiterhin durch die relativen Lagen der inselartigen Teilregionen der aktiven Zone zum Transducer einstellbar ist.

Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Methode, des Verfahrens sowie der Einzelphotenenquelle ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

  • 1A und 1B eine Einzelphotenenquelle in schematischen Schnittansichten,
  • 2A, 2B und 2C schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise der Einzelphotenenquelle, und
  • 3A, 3B, 3C und 4 weitere Ausführungsbeispiele für eine Einzelphotenenquelle in schematischen Schnittansichten.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Einzelphotenenquelle 10 ist in 1A schematisch in Draufsicht auf die xy-Ebene dargestellt, wobei x eine laterale Richtung, etwa eine laterale Querrichtung, und y eine weitere laterale Richtung, etwa eine laterale Längsrichtung, kennzeichnet. In 1B wird die Einzelphotenenquelle 10 entlang der in der 1A gestrichelt dargestellten AA'-Linie in Schnittansicht in der yz-Ebene schematisch dargestellt, wobei z eine vertikale Richtung kennzeichnet.

Die Einzelphotenenquelle 10 weist einen Halbleiterkörper 2 auf einem Träger 1 auf. Der Träger 1 kann ein Aufwachssubstrat sein, auf dem der Halbleiterkörper 2 epitaktisch abgeschieden ist. Der Halbleiterkörper 2 weist eine erste Halbleiterschicht 21, eine zweite Halbleiterschicht 22 und eine dazwischenliegende aktive Zone 23 auf. Zum Beispiel ist die erste Halbleiterschicht 21 n-leitend und die zweite Halbleiterschicht 22 p-leitend ausgebildet, oder umgekehrt. Der Halbleiterkörper 2 enthält außerdem eine Zwischenschicht 20, die zwischen dem Träger 1 und der aktiven Zone 23 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 20 kann eine niedrig dotierte, im Wesentlichen undotierte oder eine undotierte Teilschicht der ersten Halbleiterschicht 21 sein, welche der aktiven Zone 23 zugewandt ist. Die Zwischenschicht 20 kann an die aktive Zone 23 angrenzen. Insbesondere können die Zwischenschicht 20 und die erste Halbleiterschicht 21 auf demselben Halbleitermaterial basieren, wobei die erste Halbleiterschicht 21 im Vergleich zu der Zwischenschicht 20 eine höhere Konzentration an Dotierstoffen aufweist.

Der Halbleiterkörper 2 ist bevorzugt auf einem piezoelektrischen Material basiert. Zum Beispiel weist der Halbleiterkörper ein III-V- oder ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterial auf. Beispielsweise sind die erste und zweite Halbleiterschicht 21 und 22 sowie die Zwischenschicht 20 aus GaN gebildet. Die aktive Zone 23 weist etwa InGaN auf. Mit den Halbleiterschichten 21 und 22 sowie der aktiven Zone 23 weist der Halbleiterkörper 2 eine LED-Struktur auf, die im Betrieb der Einzelphotonenquelle 10 Photonen, insbesondere einzelne Photonen emittieren kann.

Wie in den 1A und 1B dargestellt, bilden die zweite Halbleiterschicht 22 und die aktive Zone 23 einen inselartigen Teilbereich des Halbleiterkörpers 2 über die Zwischenschicht 20 und die erste Halbleiterschicht 21. Der inselartige Teilbereich ragt in vertikaler Richtung über eine der aktiven Zone 23 zugewandte Oberfläche der Zwischenschicht 20 hin. Dieser Teilbereich kann eine vertikale Höhe zwischen einschließlich 50 nm und 500 nm, etwa zwischen einschließlich 100 nm und 200 nm aufweisen. In Draufsicht auf den Träger 1 bedecken die zweite Halbleiterschicht 22 und die aktive Zone 23 den Träger 1 nur bereichsweise, zum Beispiel höchstens 10 %, 5 % oder höchstens 3 % oder 1 % einer Oberfläche des Trägers 1. Die Zwischenschicht 20 und/oder die erste Halbleiterschicht 21 können den Träger 1 vollständig oder nahezu vollständig bedecken, etwa mindestens 70%, 80 %, 90 % oder mindestens 95 % der Oberfläche des Trägers 1. Zum Beispiel sind die Zwischenschicht 20 und die erste Halbleiterschicht 21 in Draufsicht deckungsgleich.

In lateralen Richtungen sind die aktive Zone 23 und die zweite Halbleiterschicht 22 von einer Passivierungsschicht 4 umgeben, insbesondere vollumfänglich umschlossen. Die Passivierungsschicht 4 kann mittels eines Beschichtungsverfahrens, etwa mittels Atomlagenabscheidung (ALD) auf den Halbleiterkörper 2 aufgebracht werden, insbesondere nachdem der Halbleiterkörper 2 zur Ausbildung des inselartigen Teilbereichs strukturiert wurde. Durch die Atomlagenabscheidung können vertikal verlaufende Kanten des Teilbereichs bereits durch eine besonders dünne Passivierungsschicht 4 elektrisch isoliert werden. Die Passivierungsschicht 4 weist zum Beispiel A1203 auf. Eine der aktiven Zone 23 abgewandte Oberfläche der zweiten Halbleiterschicht 22 ist nicht oder lediglich teilweise von der Passivierungsschicht 4 bedeckt. Mit anderen Worten weist die Passivierungsschicht 4 in Draufsicht eine Öffnung auf, in der die zweite Halbleiterschicht 22 freigelegt ist. Die Passivierungsschicht 4 kann zunächst flächig auf den Teilbereich aufgebracht werden, wodurch die zweite Halbleiterschicht 22 vollständig bedeckt wird. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann die Passivierungsschicht 4 zur Freilegung der zweiten Halbleiterschicht 22 bereichsweise entfernt werden.

Eine Kontaktschicht 5, die etwa strahlungsdurchlässig ist, ist auf der Passivierungsschicht 4 gebildet. Die Kontaktschicht 5 erstreckt sich durch die Öffnung der Passivierungsschicht 4 hindurch zur elektrischen Kontaktierung der zweiten Halbleiterschicht 22. Durch die Passivierungsschicht 4 grenzt die Kontaktschicht 5 nicht direkt an die Zwischenschicht 20 oder an die erste Halbleiterschicht 21 an, wodurch die Kontaktschicht 5 außerhalb der aktiven Zone 23 von der Zwischenschicht 20 und von der ersten Halbleiterschicht 21 elektrisch isoliert ist. Über eine Kontaktstelle 62, die etwa in Form eines Kontaktpad auf der Kontaktschicht 5 angeordnet ist, kann die Kontaktschicht 5 mit einer externen Spannungsquelle elektrisch angeschlossen werden. Die Kontaktstelle 62 ist zum Beispiel ein Au-Pad.

Zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterkörpers 2 weist die Einzelphotenenquelle 10 eine weitere Kontaktstelle 61 auf. Über die erste Kontaktstelle 61 und die zweite Kontaktstelle 62 kann die LED-Struktur des Halbleiterkörpers 2 extern elektrisch kontaktiert werden. In der 1B ist die erste Kontaktstelle 61 auf einer Rückseite des Trägers 1 angeordnet, die dem Halbleiterkörper 2 abgewandt ist. In diesem Fall ist der Träger 1 bevorzugt elektrisch leitfähig ausgebildet. Zum Beispiel ist der Träger 1 ein SiliziumSubstrat. Abweichend davon ist es möglich, dass der Träger 1 ein elektrisch isolierendes Substrat und Durchkontaktierungen aufweist, wobei sich die Durchkontaktierungen in der vertikalen Richtung von der Kontaktstelle 61 durch das Substrat hindurch zu der ersten Halbleiterschicht 21 erstrecken.

Die Einzelphotenenquelle 10 weist einen Transducer 3 auf. Der Transducer 3 und der Halbleiterkörper 2 sind auf einem gemeinsamen Träger 1 angeordnet. Der Transducer 3 ist insbesondere zur Erzeugung von Oberflächenwellen, etwa von akustischen Oberflächenwellen eingerichtet. Der Halbleiterkörper 2 und der Transducer 3 sind derart zueinander angeordnet, dass die im Betrieb der Einzelphotonenquelle 10 von dem Transducer 3 erzeugten Oberflächenwellen in die aktive Zone 23 eingekoppelt werden können. Gemäß 1B ist der Transducer 3 auf der Zwischenschicht 20 angeordnet, wobei die Zwischenschicht 20 als Ausbreitungsmedium für die Oberflächenwellen dienen kann. Über die Zwischenschicht 20 können die von dem Transducer 3 erzeugten beziehungsweise angeregten Oberflächenwellen in die aktive Zone 23 zugeleitet werden.

Die Zwischenschicht 20 weist bevorzugt ein piezoelektrisches Material auf oder besteht aus diesem. Zum Beispiel ist die Zwischenschicht 20 eine GaN-Schicht. Die Zwischenschicht 20 ist insbesondere von dem Transducer 3 elektrisch isoliert. Die elektrische Isolierung zwischen der Zwischenschicht 20 und dem Transducer 3 kann dadurch erzielt werden, dass die Zwischenschicht 20 als Halbleiterschicht ausgebildet ist, die zumindest im Überlappungsbereich mit dem Transducer 3 niedrig dotiert oder im Wesentlichen undotiert ist. In diesem Fall kann der Transducer 3 unmittelbar auf der Zwischenschicht 20 angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass eine Isolierungsschicht 25 (siehe 4) zwischen dem Transducer 3 und der Zwischenschicht 20 angeordnet ist.

Der Transducer 3 weist eine erste Anschlussstelle 71 und eine zweite Anschlussstelle 72 auf, wobei der Transducer 3 über die Anschlussstellen 71 und 72 mit einer externen Spannungsquelle, etwa einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle elektrisch kontaktierbar ist. In Draufsicht sind die Anschlussstellen 71 und 72 auf der Zwischenschicht 20 und auf der ersten Halbleiterschicht 21 angeordnet. Im Betrieb der Einzelphotenenquelle 10 sind der Halbleiterkörper 2 und die Kontaktstellen 61 und 62 einem ersten Stromkreis, insbesondere einem Gleichstromkreis zugeordnet, während der Transducer 3 mit den Anschlussstellen 71 und 72 einem zweiten von dem ersten Stromkreis verschiedenen Stromkreis, etwa einem Wechselstromkreis, zugeordnet ist.

Der Transducer 3 ist bevorzugt ein Interdigitaltransducer (IDT) mit einer Mehrzahl von fingerartigen Strukturen 31 und 32, welche ohne sich zu berühren ineinandergreifen. Die fingerartigen Strukturen 31 und 32 können aus Metall sein. Mit welcher Frequenz die Oberflächenwellen erzeugt werden, hängt unter anderem von der Geometrie des Transducers 3 und/oder von der Frequenz der angelegten Spannung ab. Die Oberflächenwellen werden erzeugt beziehungsweise angeregt, indem an den Transducer 3 insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Die ersten fingerartigen Strukturen 31 auf einer Seite sind durch eine etwa als erste Anschlussstelle 71 ausgebildete Verbindungsschiene miteinander verbunden und liegen so auf demselben Potential. Die zweiten fingerartigen Strukturen 32 auf der anderen Seite sind durch eine etwa als zweite Anschlussstelle 72 ausgebildete Verbindungsschiene miteinander verbunden. Die Anregung der mechanischen beziehungsweise akustischen Oberflächenwelle erfolgt aus der Wechselspannung durch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, bei dem das zeitlich verändernde elektrische Feld zwischen den fingerartigen Strukturen 31 und 32 eine sich periodisch ändernde Verspannung auf der piezoelektrischen Zwischenschicht 20 erzeugt, wobei sich die zeitlich veränderliche Verspannung als akustische Oberflächenwelle zu der aktiven Zone 23 ausbreitet.

Anhand den 2A, 2B und 2C wird die Funktionsweise der Einzelphotenenquelle 10 erläutert.

Gemäß 2A wird die aktive Zone 23, die insbesondere einen pn-Übergangszone mit einem Quantentopf aufweist, mit einer Vorspannspannung Vo elektrisch vorgespannt. Die Spannung Vo ist bevorzugt eine Gleichspannung und wird etwa konstant oder im Wesentlichen konstant gehalten. Die Spannung Vo verursacht eine Bandverbiegung im Halbleiterkörper 2, sodass das p-Ferminiveau EFp und das n-Ferminiveau EFp nicht mehr gleich sind. Die Spannung Vo wird jedoch derart gewählt, dass das Leitungsband EL und das Valenzband Ev an dem Quantentopf jeweils einen derart steilen Verlauf aufweisen, dass die Ladungsträger aufgrund der Potentialbarriere den Quantentopf nicht bevölkern können. Mit anderen Worten wird Spannung Vo derart gewählt, dass eine Bandverbiegung im Halbleiterkörper 2 zwar stattfindet, eine Rekombination von Ladungsträgern in dem einzelnen Quantentopf der aktiven Zone 23 jedoch gerade noch unterbunden wird. Ist der Halbleiterkörper 2 auf GaN basiert und weist die aktive Zone 23 InGaN auf, kann die Spannung Vo circa 2,5 V betragen.

Eine propagierende Oberflächenwelle auf oder in einer Schicht aus einem piezoelektrischen Material ist in der Regel mit erheblichen piezoelektrischen Feldern verbunden, die periodisch zu einer zusätzlichen Bandverbiegung in dem Halbleiterkörper 2 insbesondere in der aktiven Zone 3 führen. Trifft die Oberflächenwelle in die aktive Zone 23 ein, wird in der aktiven Zone 23 eine piezoelektrische Spannung Vw induziert, deren Amplitude sich periodisch ändert. Aufgrund der Überlagerung der extern angelegten Spannung Vo und der piezoelektrischen Spannung Vw führt dies zu einer sich periodisch ändernden resultierenden Spannung, welche sich aus der Spannung Vo und der piezoelektrischen Spannung Vw zusammensetzt. Der Betrag der resultierenden Spannung variiert innerhalb einer Periode der Oberflächenwelle zwischen Vo + Vw und Vo - Vw.

Während der ersten Hälfte der Periode der Oberflächenwelle wächst die resultierende Spannung und kann im Vergleich zur Spannung Vo um die piezoelektrische Spannung Vw erhöht werden (siehe 2B), wodurch der Leitungsbandverlauf und der Valenzbandverlauf an dem zugehörigen Quantentopf aufgrund der zusätzlichen Bandverbiegung flacher werden, sodass Ladungsträger in den Quantentopf gelangen können.

Während der zweiten Hälfte der Periode der Oberflächenwelle, nimmt die resultierende Spannung ab und kann im Vergleich zur Spannung Vo um die piezoelektrische Spannung Vw reduziert werden (siehe 2C), wodurch der Leitungsbandverlauf und der Valenzbandverlauf an dem zugehörigen Quantentopf aufgrund der zusätzlichen Bandverbiegung wieder steiler werden, sodass eine weitere Population des Quantentopfs etwa durch weitere Elektron-Loch-Paare unterdrückt wird.

Durch Einstellung der geometrischen Größe der aktiven Zone 3 insbesondere im Hinblick auf die Einsatztemperatur kann realisiert werden, dass ein einziges Elektron-Loch-Paar während einer Periode der Oberflächenwelle den Quantentopf bevölkert, welches unter Rekombination zur Emission eines einzelnen Photons γ führt. In diesem Sinne weist die aktive Zone 3 einen Quantenpunkt auf, an dem ein einzelnes Photon emittiert wird. Mit anderen Worten kann mit der Ausbildung des Quantenpunkts unterdrückt werden, dass an einem Quantenpunkt zwei Photonen gleichzeitig emittiert werden. Der in den 1A und 1B dargestellte inselartige Teilbereich des Halbleiterkörpers 2 mit der aktiven Zone 23 und der zweiten Halbleiterschicht 22 kann in diesem Sinne als strahlungsaktiven Quantenpunkt der Einzelphotonenquelle 10 angesehen werden.

Der zeitliche Abstand zwischen zwei Ereignissen, in denen jeweils ein einzelnes Photon erzeugt wird, hängt somit unter anderem unmittelbar von der Frequenz der Oberflächenwelle ab. Dies hängt wiederum von der Frequenz der an den Transducer 3 angelegten elektrischen Spannung und/oder von dem Aufbau des Transducers 3 ab und ist somit auf einfacher Art und Weise einstellbar. Die Frequenz bezüglich der Erzeugung von Photonen, insbesondere von einzelnen Photonen kann vereinfacht eingestellt werden, etwa im niederfrequenten kHz- oder MHz-Bereich oder im hochfrequenten GHz-Bereich.

Die in den 3A, 3B und 3C dargestellten Ausführungsbeispiele für eine Einzelphotonenquelle 10 entsprechen im Wesentlichen dem in der 1A dargestellten Ausführungsbeispiel. Gemäß 1A weist der Halbleiterkörper 2 einen einzigen inselartigen Teilbereich auf, der die zusammenhängende aktive Zone 23 und die zusammenhängende zweite Halbleiterschicht 22 aufweist. Im Unterschied hierzu weist der Halbleiterkörper 2 gemäß den 3A, 3B und 3C eine Mehrzahl von lateral beabstandeten inselartigen Teilbereichen auf, die jeweils strahlungsaktiv und zur Erzeugung eines einzelnen Photons eingerichtet sind. Entsprechend weisen die zweite Halbleiterschicht 22 und die aktive Zone 23 jeweils eine Mehrzahl von räumlich beabstandeten Teilregionen auf, wobei jeder inselartige Teilbereich des Halbleiterkörpers 2 eine inselartige Teilregion der zweiten Halbleiterschicht 22 und eine inselartige Teilregion der aktiven Zone 23 aufweist. Die inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers 2 sind auf einer gemeinsamen zusammenhängenden ersten Halbleiterschicht 21 des Halbleiterkörpers 2 angeordnet.

Die Ladungsträgerrekombination kann in jedem der inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers 2 auftreten. Die Frequenz bezüglich der Erzeugung von einzelnen Photonen kann somit zusätzlich durch die relative Anordnung der inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers 2 zu dem Transducer 3 eingestellt werden, da die von dem Transducer 3 erzeugte Oberflächenwelle die verschiedenen strahlungsaktiven Teilbereiche zu unterschiedlichen Zeitpunkten antreffen wird. Der in den 3A bis 3C dargestellte Pfeil deutet auf die Propagationsrichtung der Oberflächenwellen hin.

In der 3A sind die inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers 2 jeweils mit einer inselartigen Teilregion der aktiven Zone 23 in Reihe entlang der lateralen Querrichtung x angeordnet. Einzelne Photonen in den einzelnen Teilregionen der aktiven Zone können zeitgleich oder nahezu zeitgleich erzeugt werden. In der 3B sind die inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers 2 in Reihe entlang der lateralen Längsrichtung y angeordnet. Das in der 3C dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine Kombination aus den in den 3A und 3B dargestellten Ausführungsbeispielen, wobei die Reihe der inselartigen Teilbereiche des Halbleiterkörpers 2 entlang einer lateralen Diagonalrichtung angeordnet ist. Gemäß den in den Figuren 3B und 3C können einzelnen Photonen in den Teilregionen der aktiven Zone 23 hintereinander erzeugt werden, wodurch die Frequenz der Erzeugung der einzelnen Photonen weiter erhöht wird.

Das in der 4 dargestellte Ausführungsbeispiel für eine Einzelphotonenquelle 10 entspricht im Wesentlichen dem in der 1B dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu weist die Einzelphotonenquelle 10 eine Isolierungsschicht 25 auf, die zwischen dem Transducer 3 und dem Halbleiterkörper 2 angeordnet ist. Die Isolierungsschicht 25 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, das piezoelektrische Eigenschaften aufweisen kann. Das elektrisch isolierende Material kann ein undotiertes oder niedrig dotiertes Halbleitermaterial sein. Mittels der Isolierungsschicht 25 wird der Transducer 3 von dem Halbleiterkörper 2 elektrisch isoliert.

Gemäß 4 ist die erste Kontaktstelle 61 des Halbleiterkörpers 2 nicht auf der Rückseite sondern auf einer stellenweise freigelegten Oberfläche der ersten Halbleitschicht 21 angeordnet, wobei die stellenweise freigelegten Oberfläche der aktiven Zone 23 zugewandt ist. Die stellenweise Freilegung der ersten Halbleiterschicht 21 kann durch einen zusätzlichen Ätzschritt durchgeführt werden, bei dem die Zwischenschicht 20 bereichsweise zur Freilegung der ersten Halbleiterschicht 21 entfernt wird. Sowohl die erste Kontaktstelle 61 als auch die zweite Kontaktstelle 62 des Halbleiterkörpers 2 sind seitlich der aktiven Zone 23 angeordnet und weisen deshalb in Draufsicht keine Überlappungen mit der aktiven Zone 23 auf.

Durch die Anwendung von Oberflächenwellen zur kontrollierten Erzeugung von einzelnen Photonen ist eine massentaugliche Herstellung von Einzelphotonenquellen, insbesondere von InGaN-Einzelphotonenquellen möglich, wobei die Emissionsrate der Einzelphotonenquellen in einem breiten Frequenzbereich zwischen einigen kHz und mehreren GHz vereinfacht einstellbar ist.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Bezugszeichenliste

10
Einzelphotonenquelle
1
Träger/ Substrat
2
Halbleiterkörper
20
Zwischenschicht
21
erste Halbleiterschicht
22
zweite Halbleiterschicht
23
aktive Zone/ aktive Schicht
25
Isolierungsschicht
3
Transducer
31
erste Struktur des Transducers
32
zweite Struktur des Transducers
4
Passivierungsschicht
5
Kontaktschicht
61
erste Kontaktstelle des Halbleiterkörpers
62
zweite Kontaktstelle des Halbleiterkörpers
71
erste Anschlussstelle des Transducers
72
zweite Anschlussstelle des Transducers
EL
Leitungsband
EV
Valenzband
EFp
p-Ferminiveau
EFn
n-Ferminiveau
VO
Vorspannspannung
VW
piezoelektrische Spannung
γ
Photon