Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Несмотря на быстрое развитие квантовых фотонных технологий, по-прежнему отсутствуют яркие и эффективные источники одиночных фотонов, которые могли бы стабильно работать в стандартных условиях температуры и давления, что сдерживает развитие и практическое внедрение целого ряда перспективных квантовых устройств, начиная от защищенных линий связи на основе квантовой криптографии и заканчивая квантовыми компьютерами. На сегодняшний день наиболее перспективными кандидатами на роль таких источников являются центры окраски в алмазе и других широкозонных полупроводниках. Центры окраски представляют собой точечные дефекты в кристаллической решетке и обладают оптическими свойствами близкими к свойствам изолированных атомов. Эти дефекты могут быть созданы в полупроводнике, и их можно возбуждать электрически подобно квантовым точкам, но при этом, достигать высоких характеристик при комнатной и более высоких температурах. Однако, однофотонная электролюминесценция центров окраски слабо изучена, а их потенциал еще не известен. На первом этапе проекта разработаны теоретические модели для описания и моделирования процесса однофотонной электролюминесценции центров окраски в алмазе и карбиде кремния. Написаны программы для самосогласованного моделирования электролюминесценции центров окраски при электрической накачке в схеме на основе p-n и p-i-n диодов и проведено моделирование соответствующих однофотонных источников с электрической накачкой. Полученные характеристики однофотонных источников находятся в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными результатами. Разработанные модели и теоретические подходы дают ответ на вопрос, как повысить яркость однофотонных источников до уровней необходимых для использования в реальных устройствах, таких как абсолютно защищенные линии связи на основе квантовой криптографии. В частности, нами было установлено, что яркость однофотонных источников с электрической накачкой на основе центров окраски в карбиде кремния может быть увеличена до 0.1-10x10^9 фотонов в секунду, что открывает путь для создания квантово защищенных линий связи с гигабитной пропускной способностью. При детальном исследовании и моделировании однофотонных источников на основе центров окраски в алмазе, нами был обнаружен новый эффект, а именно суперинжекция электронов в алмазных гомопереходах. Этот эффект позволяет создать в i-области алмазного p-i-n диода концентрацию электронов на три порядка выше, чем в n-области, из которой происходит инжекция. Другими словами, яркость однофотонного источника может быть более чем на три порядка больше, чем ограничение, обусловленное легированием n-области. Ранее считалось, что суперинжекцию можно осуществить только в гетероструктурах. Мы впервые показали, что условия для суперинжекции можно достичь и в гомоструктурах, если энергия активации доноров достаточно высока. Нами было показано, что данный эффект можно реализовать на достаточно низких токах, что создает основу для проектирования эффективных однофотонных источников излучения на основе центров окраски в алмазе. Текущую информацию о проекте можно найти на веб-странице проекта: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/funding_ru/russian-science-foundation-highly-efficient-electrically-driven-single-photon-sources-based-on-color.php

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Второй этап проекта является логическим продолжением первого этапа. На первом этапе был обнаружен эффект суперинжекции электронов в алмазных p-i-n диодах, позволяющий создать в i-области диода концентрацию электронов на три порядка выше концентрации электронов в n-области. Ввиду того, что высокая энергия активации доноров в алмазе (~0.6 эВ) и существенная (~10%) компенсация доноров дефектами акцепторного типа не позволяет увеличить концентрацию электронов выше 10^11 см^-3, эффект суперинжекции представляет большой практический интерес, т.к. позволяет обойти проблемы связанные с легированием и значительно улучшить характеристики алмазных электронных и оптоэлектронных устройств, в том числе однофотонных источников излучения с электрической накачкой. На втором этапе проекта было проведено исследование зависимости силы эффекта от параметров p-i-n диода. Было установлено, что суперинжекция также возможна и в алмазных p-n диодах, однако сила эффекта, т.е. максимальная концентрация инжектированных электронов, более чем в 10 раз ниже. Сила эффекта увеличивается с увеличением размера i-области от 0 до 30 мкм, а затем практически не меняется, а при очень больших размерах начинает падать из-за рекомбинации. При этом наиболее оптимальный размер i-области является ~10 мкм, т.к. максимальная концентрация инжектированных электронов достигается при одновременно низких токах и умеренных значения напряжения смещения. Также было проведено исследование возможности наблюдения эффекта суперинжекции в карбиде кремния. Установлено, что в 4H-SiC, 6H-SiC и 3C-SiC p-i-n диодах возможна суперинжекция дырок. Сила эффекта зависит от энергии ионизации акцепторов и варьируется от 30 до 800 при использовании наиболее распространенных акцепторных примесей. При уменьшении температуры, сила эффекта растет и при 200 К уже может достигать 5000-10000. Помимо эффекта суперинжекции, были исследованы характеристики однофотонных источников с электрической накачкой на основе центров окраски в алмазных p-i-n диодах. Найдены автокорреляционная функция второго порядка g2(t) и время отклика однофотонного источника на основе NV-центров и SiV-центров. Также исследовано влияние самонагрева на интенсивность однофотонного излучения. Кроме того, предложена принципиально новая схема электрической накачки центров окраски на основе контактов Шоттки. Необычность схемы накачки заключается в том, что диоды Шоттки обычно являются устройствами основных типов носителей заряда, т.е. концентрации неосновных носителей заряда близки к нулю при любых напряжениях смещения. Однако высота барьера Шоттки в контактах золото/алмаз n-типа может превышать 5.1 эВ благодаря пассивации поверхности алмаза водородом. Это позволяет осуществлять эффективную инжекцию дырок непосредственно из металла в алмаз с электронной проводимостью (алмаз p-типа), что должно позволить создавать однофотонные источники на основе центров окраски используя лишь алмазные пластины n-типа и металлизацию. Текущую информацию о проекте можно найти на веб-странице проекта: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/funding_ru/russian-science-foundation-highly-efficient-electrically-driven-single-photon-sources-based-on-color.php

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Третий этап проекта является продолжением второго этапа. На втором этапе проекта нами была предложена принципиально новая схема электрической накачки центров окраски в алмазе на основе контактов Шоттки между золотом и алмазом n-типа, поверхность которого пассивирована водородом. Разместив центр окраски в алмазе, например посредством ионной имплантации, на расстоянии от нескольких десятков нанометров до нескольких единиц микрометров до золотого контакта, при прямом смещении диода Шоттки можно создать высокую концентрацию как электронов, так и дырок, что создает благоприятные условия для однофотонной электролюминесценции центра окраски. На третьем этапе проекта нами проведено самосогласованное моделирование однофотонного источника с электрической накачкой на основе контакта Шоттки и установлено, что при комнатной температуре максимальная яркость может достигать 5x10^4 фотонов в секунду, причем яркость ограничена не инжекцией дырок из металла, а легированием алмаза n-типа. Путем нагрева однофотонного источника до 500 - 530 К его яркость может быть повышена до 10^7 - 10^8 фотонов в секунду. Такая яркость позволяет использовать его в многих практических приложениях. Также нами исследовано влияние золотого контакта к алмазу на эффективность излучения центра окраски в алмазе и разработана плазмонная наноантенна с размером менее половины длины волны света. Наноантенна не препятствует электрической накачке в схеме на основе контакта Шоттки и позволяет существенно улучшить излучательный свойства однофотонных источников на основе вертикально ориентированного SiV центров. Квантовая эффективность повышается с 30% до 62%, но что еще более важно, оптимизированный дизайн наноантенны позволяет достигнуть высокой направленности излучаемых фотонов так, что более 85% излученных фотонов могут быть собраны при помощи обычного иммерсионного объектива. Текущую информацию о проекте можно найти на веб-странице проекта: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/funding_ru/russian-science-foundation-highly-efficient-electrically-driven-single-photon-sources-based-on-color.php