Оптоэлектроника центров окраски в алмазе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Храмцов Игорь Александрович

• Храмцов Игорь Александрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Храмцов Игорь Александрович

Содержание

Введение

Глава 1 - АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Однофотонное излучение

1.1.1 Применения в квантовых технологиях

1.1.2 Физические системы для наблюдения однофотонного излучения

1.1.3 Экспериментальное подтверждение однофотонности

1.2 Центры окраски в широкозонных полупроводниках

1.3 Генерация одиночных фотонов при накачке центров окраски

1.3.1 Модель фотолюминесценции ЫУ-центров

1.3.2 Модель электролюминесценции ЫУ-центров

1.3.3 Интенсивность электролюминесценции

1.4 Выводы

Глава 2 - ДИНАМИКА ОДНОФОТОННОЙ ЭМИССИИ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ В АЛМАЗЕ

28

2.1 Введение

2.2 Автокорреляционная функция второго порядка для излучения центра окраски при оптической накачке

2.3 Автокорреляционная функция второго порядка для излучения центра окраски при электрической накачке

2.4 Однофотонный источник на основе N9 центров в алмазе

2.5 Выводы

Глава 3 - УВЕЛИЧЕНИЕ ЯРКОСТИ ОДНОФОТОННОГО ИСТОЧНИКА ЗА СЧЕТ

ЭФФЕКТА СУПЕРИНЖЕКЦИИ В АЛМАЗНЫХ Р-Ы ДИОДАХ

3.1 Введение

3.2 Эффект суперинжекции в гетероструктурах

3.3 Эффект суперинжекции в алмазном р-1-п диоде

3.3.1 Алмазныйр-1-п диод, излучающий одиночные фотоны

3.3.2 Увеличение яркости за счет эффекта суперинжекции

3.3.3 Влияние толщины г-области

3.3.4 Влияние положения центра окраски в I-области р-1-п диода

3.3.5 Влияние качества контактов 65 3.4 Выводы

Глава 4 - УПРАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТОМ СУПЕРИНЖЕКЦИИ ПРИ ПОМОЩИ Р-(1-Р)у-Ш,

Р-^Ы и Р-1-^Ы СТРУКТУР

4.1 Введение

4.2 Суперинжекция в алмазных р-(1-р)^-ьп структурах

4.3 Суперинжекция в алмазных р-п-1-п структурах

4.4 Суперинжекция в алмазных р-ьп-ьп структурах

4.5 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптоэлектроника центров окраски в алмазе»

Введение

Актуальность работы. Практическая реализация квантовых технологий требует работы с одно-, двух- и .-фотонными состояниями с заданными корреляциями между фотонами. Достижение этой цели невозможно без генерации однофотонных состояний по требованию. Иными словами, требуется разработка однофотонных источников, испускающих один и только один фотон с вероятностью близкой к 100% в заданный момент времени. Однофотонные источники лежат в основе целого ряда приложений квантовой физики: точные измерения в пределах дробового шума [1]; линейные оптические квантовые компьютеры, позволяющие решать задачи, недоступные современным классическим компьютерам [2]; а также квантово защищенные оптические линии связи способные защитить передачу данных от универсального квантового компьютера, который, в случае появления, за секунды сможет взламывать используемый в настоящий момент криптографический алгоритм RSA, названный в честь Р. Ривеста (R. Rivest), А. Шамира (A. Shamir) и Л. Адлемана (L. Adleman) [3]. В последней из перечисленных технологий секретный ключ может быть зашифрован в поляризации одиночных фотонов. Согласно законам квантовой физики любой злоумышленник, который захочет измерить состояние фотона, непременно его изменит, что в итоге будет замечено принимающей стороной. Таким образом, линии связи защищены фундаментальным образом, и появление даже мощных квантовых компьютеров не поможет злоумышленнику. При этом использование устройств "похожих" на однофотонные источники, но ими не являющиеся, отменяет фундаментальность защиты и оставляет лазейки для несанкционированного доступа к каналу передачи информации. Например, использование ослабленных лазеров, где вероятность испускания двух и более фотонов мала, но не равна 0, создает ситуации, когда по линии связи передается два фотона, кодирующих один и тот же бит информации. В этой ситуации потенциальный злоумышленник сможет использовать это для незаметного копирования состояния одного из фотонов. Несмотря на то, что для устранения уязвимостей такого рода были разработаны специальные протоколы передачи зашифрованных данных, эти протоколы существенно увеличивают нагрузку на линию связи и снижают пропускную способность [4,5]. Поэтому использование истинно однофотонных источников поможет не только повысить степень защищенности, но и увеличит пропускную способность.

Идеальный однофотонный источник должен быть продуман не только с точки зрения излучательных свойств, необходимых для конкретного применения, но и с точки зрения возможности практического использования. Одним из требований практической реализации является использование электрической накачки [6]. Такой тип накачки позволит размещать на одном чипе до нескольких сотен однофотонных источников и избавит от необходимости

использовать громоздкие внешние лазеры для возбуждения однофотонных излучателей. Это приведет к существенному улучшению энергоэффективности, компактности и масштабируемости. В то же время, следующим требованием к однофотонным источникам является возможность генерации излучения при нормальных условиях температуры и давления. Крайне важно избежать использования дорогостоящих охлаждающих систем, чтобы в будущем снизить стоимость однофотонных источников и их размеры до стоимости и размеров электронных компонентов в компьютерах и обеспечить интеграцию этих устройств с имеющейся оптической и электронной компонентной базой.

С момента первого наблюдения однофотонной эмиссии в 1977 году [7], на роль однофотонного источника были предложены различные квантовые объекты: единичные атомы и молекулы, углеродные нанотрубки, квантовые точки, центры окраски [8]. Наиболее перспективными по ряду свойств считаются центры окраски, которые являются точечными дефектами в широкозонных полупроводниках с оптическим переходом внутри запрещенной зоны. За исключением двух работ по квантовым точкам [9,10], в которых скорость генерации фотонов при электрической накачке была очень низкой, центры окраски — единственные, для которых была продемонстрирована однофотонная электролюминесценция при комнатной температуре [11-14]. При этом ее интенсивность хоть и была на 1 - 2 порядка выше, чем в случае с квантовыми точками, но все равно была хотя бы на 1 порядок меньше, чем при оптической накачке центров окраски [8]. В связи с этим возникает потребность в изучении однофотонной электролюминесценции центров окраски, потому что эта область слабо изучена в отличие от их однофотонной фотолюминесценции и возникает немало вопросов по достижению яркой однофотонной электролюминесценции центров окраски при комнатной температуре.

Цель работы. Целью диссертационной работы является изучение оптоэлектроники центров окраски в алмазе для улучшения характеристик однофотонных источников, работающих при комнатной температуре от электрической накачки.

Научная новизна работы. Впервые предложен теоретический подход для описания автокорреляционной функции второго порядка для излучения МУ-центров в алмазе при электрической накачке.

Используя предложенный подход и численное моделирование транспорта носителей в алмазных диодах впервые удалось объяснить и теоретически воспроизвести экспериментальные результаты по однофотонной электролюминесценции центров окраски.

Предложен новый метод определения локальной концентрации носителей заряда в алмазных диодах по излучательным характеристикам центров окраски при электрической накачке.

Впервые предсказан эффект суперинжекции в p-i-n диодах, ранее считавшийся возможным лишь в гетероструктурах. Этот эффект дает возможность инжектировать в i-область алмазного p-i-n диода концентрацию электронов более чем на три порядка превосходящую концентрацию электронов в n-области, что позволяет увеличить яркость однофотонного источника с электрической накачкой на основе центров окраски в алмазе до более 3 х Ю6 фотонов в секунду.

Научная и практическая ценность. Предложенный теоретический подход для нахождения автокорреляционной функции второго порядка электрически накачиваемых центров окраски в широкозонных полупроводниках может быть использован для изучения практически любых центров окраски в любых широкозонных полупроводниках. Впервые показано, что автокорреляционная функция второго порядка для центров окраски в алмазе несет информацию о локальной концентрации дырок вблизи с центром окраски. Впервые продемонстрировано, что на основе центров окраски в алмазе можно создать яркие однофотонные источники с электрической накачкой. Предсказан эффект суперинжекции в полупроводниковых гомоструктурах, который может быть использован для улучшения характеристик различных оптоэлектронных устройств на основе широкозонных, и не только, полупроводников. Приведены ошибки, допущенные в дизайне однофотонных источников с электрической накачкой на основе центров окраски в алмазе, и предложены советы по их исправлению.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих профильных российских и международных конференциях:

1. 59-я Научная конференция МФТИ, Долгопрудный, Россия, 21-26 ноября 2016 (устный доклад);

2. 24-th Central European Workshop on Quantum Optics (CEWQO 2017), Копенгаген, Дания, 26-30 Июня 2017 (стендовый доклад);

3. 28-th International Conference on Diamond and Related Materials, Гетеборг, Швеция, 3-7 Сентября 2017 (стендовый доклад);

4. 60-я Научная конференция МФТИ, Долгопрудный, Россия, 20-25 ноября 2017 (устный доклад);

5. 23-rd Hasselt Diamond Workshop, Хасселт, Бельгия, 7-9 Марта 2018 (стендовый доклад);

6. 34th International Conference on the Physics of Semiconductors, Монпелье, Франция, 29 Июля - 03 Августа 2018 (два стендовых доклада);

7. 61-я Всероссийская научная конференция МФТИ, Долгопрудный, Россия, 19-25 ноября 2018 (два устных доклада);

8. Quantum2019, Турин, Италия, 26 Мая - 01 Июня 2019 (устный доклад);

9. 30th International Conference on Diamond and Carbon Materials, Севилья, Испания, 8-12 Сентября 2019 (устный доклад);

10. Single-Photon Workshop 2019, Милан, Италия, 21 - 25 Октября 2019 (стендовый доклад);

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в зарубежных

журналах, входящих в базы цитирования Scopus и Web of Science:

1. I.A. Khramtsov, M. Agio, D.Yu. Fedyanin, Dynamics of single-photon emission from electrically pumped color centers // Phys. Rev. Applied - 2017. - Vol. 8, no. 2. - P. 024031.

2. I.A. Khramtsov, M. Agio, D.Yu. Fedyanin, Kinetics of single-photon emission from electrically pumped NV centers in diamond // AIP Conf. Proc. - 2017. - Vol. 1874. - P. 040014.

3. I.A. Khramtsov, A.A. Vyshnevyy, D.Yu. Fedyanin, Enhancing the brightness of electrically driven single-photon sources using color centers in silicon carbide // npj Quantum Inf. - 2018. -Vol. 4, no. 1. - P. 15.

4. I.A. Khramtsov, D.Yu. Fedyanin, Superinjection in single-photon emitting diamond diodes // Proceedings of the International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices - 2018. - Vol. 2018-November, no. 8570242. - P. 123-124.

5. I.A. Khramtsov, D.Yu. Fedyanin, Superinjection in diamond p-i-n diodes: bright single-photon electroluminescence of color centers beyond the doping limit // Phys. Rev. Applied - 2019. -Vol. 12, no. 2. - P. 024013.

6. I.A. Khramtsov, D.Yu. Fedyanin, Superinjection of holes in homojunction diodes based on wide-bandgap semiconductors // Materials - 2019. - Vol. 12, no 12. - P. 1972.

7. I.A. Khramtsov, D.Yu. Fedyanin, Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes // Semicond. Sci. Technol. - 2019. - Vol. 34, no. 3. - P. 03LT03.

8. K. Bray, D. Yu. Fedyanin, I. A. Khramtsov, M. Bilokur, B. Regan, M. Toth, I. Aharonovich, Electrical excitation and charge-state conversion of silicon vacancy color centres in single crystal diamond membranes // Appl. Phys. Lett. - 2020. - Vol. 116, no. 10. - P. 101103.

Личный вклад соискателя. Все изложенные в диссертации оригинальные результаты

получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Она изложена на 95 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка и 8 таблиц. Список литературы насчитывает 148 наименований.

Глава 1

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Однофотонное излучение

1.1.1 Применения в квантовых технологиях

Недавние исследования в области квантово-оптических технологий позволяют надеяться на реализацию целого ряда новых практических устройств для точных измерений в пределах дробового шума [1]; квантовых вычислений при помощи линейных оптических квантовых компьютеров [2]; а также для безопасной передачи информации при помощи квантовозащищенных оптических линий связи на основе квантовой криптографии [3]. Последние позволят защитить канал связи от универсального квантового компьютера, который, как только появится, сможет взламывать используемый в настоящий момент криптографический алгоритм RSA, названный в честь Р. Ривеста (R. Rivest), А. Шамира (A. Shamir) и Л. Адлемана (L. Adleman). Принцип работы этих устройств так или иначе базируется на манипулировании одиночными фотонами. Следовательно, одним из важнейших элементов в соответствующих квантовых устройствах является источник одиночных фотонов, который фундаментальным образом отличается от широко используемых источников оптического излучения, таких как лазеры или тепловые источники. Однофотонный источник должен по требованию испускать серию оптических импульсов в каждом из которых находится один и только один фотон.

Однофотонное излучение, в частности, требуется в квантовозащищенных оптических линиях связи, которые основаны на реализации алгоритма квантового распределения ключа (quantum key distribution) и принципиально состоят из двух каналов связи: классического и квантового. По классическому каналу передается необходимая информация, которая классическими средствами шифруется неким ключом. Этот ключ, в свою очередь, передается по второму, квантовому, каналу связи, чтобы злоумышленник не смог получить доступ к ключу шифрования. Принимающая сторона принимает квантовый ключ, убеждается в том, что он надежный и расшифровывает информацию, полученную по классическому каналу. При передаче информации по квантовому каналу информация кодируется в состоянии одиночных фотонов (рисунок 1.1). Согласно квантовой теореме о запрете клонирования любой злоумышленник, который захочет скопировать квантовое состояние фотона, обязательно разрушит его, а значит, на принимающей стороне это можно будет обнаружить [15]. Таким образом, фундаментальные

законы физики гарантируют уровень защищенности, не зависящий от вычислительных возможностей потенциального злоумышленника. Чем больше размер сообщения, передаваемого по классическому сигналу, тем больший размер ключа требуется. Поэтому чем выше будет скорость передачи ключа по квантовому каналу, которая определяется скоростью испускания фотонов однофотонным источником, тем сообщение большего размера можно будет безопасно зашифровать и, более того, тем чаще можно будет менять квантовые ключи, увеличивая защищенность линий связи. Однако получение яркого, стабильного и эффективного истинного однофотонного источника, подходящего для квантовой криптографии и других практических применений, все еще является проблемой для квантовой оптоэлектроники.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема квантового канала связи, используемая при квантовом распределении ключа. Информация кодируется в поляризации одиночного фотона.

В отсутствии истинного однофотонного источника появляются попытки заменить его чем-то очень похожим. Для квантовой генерации ключа используют ослабленные лазеры. В таких устройствах вероятность создания однофотонного состояния сильно выше, чем таковая для многофотонного [16]. Однако в отличие от истинно однофотонных источников, где многофотонные состояния никогда не создаются, в излучении ослабленного лазера присутствуют пусть и с малой вероятностью многофотонные состояния, которые потенциальный злоумышленник может использовать для незаметного копирования информации. Для того, чтобы справиться с уязвимостями такого рода, были придуманы другие протоколы передачи зашифрованной информации как, например, квантовое распределение ключа с использованием импульсов-ловушек (decoy state quantum key distribution) [4,5]. Однако они существенно увеличивают нагрузку на линию связи, поэтому использование истинно однофотонного источника позволило бы сильно ее улучшить.

Передающая

сторона

Принимающая сторона

1.1.2 Физические системы для наблюдения однофотонного излучения

Впервые однофотонное излучение наблюдали в 1977 году [7]. Лазерный пучок возбуждал пролетающее разреженное облако атомов натрия. При оптическом переходе из возбужденного состояния в основное атом испускает ровно один фотон. Более того, существует ненулевая временная задержка перед последующим возбуждением атома, а поэтому, полученное излучение является истино однофотонным. Впоследствии однофотонное излучение было получено в большом числе различных физических систем (рисунок 1.2): единичные молекулы [17,18] и ионы [19,20], углеродные нанотрубки [21,22], квантовые точки [23-26], точечные дефекты в кристаллической решетке широкозонных полупроводников, так называемые центры окраски [11-14,27-45]. Все эти квантовые излучатели различаются по своим свойствам, что влияет на выбор в случае конкретной квантовой технологии. Так, например, для квантовых коммуникаций необходимо, чтобы излучатель обладал высокой квантовой эффективностью, малым временем жизни возбужденного уровня и пренебрежимо малой спектральной диффузией [46]. При этом напрямую не требуется, чтобы спектр был узким. Ширина спектра играет роль при создании запутанных состояний, что необходимо, например, для разработки квантовых вентилей для квантовых вычислений [47]. С другой стороны, для квантового зондирования и квантовых вычислений излучатель должен иметь спиновое состояние, которое может быть инициализировано, обработано и считано, а время когерентности должно быть на несколько порядков больше, чем время, необходимое для выполнения фундаментальной операции изменения состояния [46]. Однако для всех приложений однофотонное излучение должно быть ярким, то есть одиночные фотоны должны генерироваться с как можно большей скоростью [6,8].

Рисунок 1.2- Основные физические системы, на основе которых могут быть реализованы

однофотонные источники.

Если излучательные свойства определяют квантовые технологии, в которых тот или иной излучатель может быть использован, все полученные однофотонные источники должны быть продуманы с практической точки зрения. Одним из важных требований практического использования является наличие электрической накачки для возбуждения квантовых излучателей. В отличие от оптической накачки, такой тип накачки позволит разместить однофотонные источники на чипе и избавит от громоздких лазеров, что приведет к существенному улучшению энергоэффективности и масштабируемости [6,25,48]. Следующим требованием к однофотонным источникам является возможность генерации излучения при комнатной температуре. Это позволит избежать использование дополнительных охлаждающих систем, что в конечном итоге уменьшит энергопотребление, цену и размеры изготавливаемых устройств. Выполнение обоих требований удалось достичь только для квантовых точек [9,10] и центров окраски в алмазе [11,12] и в карбиде кремния [13]. Однако для квантовых точек все же типично использование низких температур: среди большого числа работ по их электрической накачке [9,10,23,24,49,50], существует лишь две, в которых генерация осуществлялась при комнатной температуре [9,10]. При этом яркость квантовых точек в этих работах не превышала 8 ООО фотонов/с. С другой стороны, для центров окраски большинство результатов получено при комнатной температуре и для оптической, и для электрической накачки [11-14,27-45,51,52]. Поэтому именно центры окраски в широкозонных полупроводниках выглядят наиболее перспективными кандидатами на роль однофотонных источников для практического использования.

1.1.3 Экспериментальное подтверждение однофотонности

Для того чтобы в эксперименте показать, что излучение, собираемое объективом, является однофотонным, экспериментально измеряется автокорреляционная функция второго порядка g(X)(т), которая определяется следующим образом [53]:

{> 0 )>

где /(0 - интенсивность излучения в момент времени t, : : - означает нормальное упорядочение операторов, при котором операторы рождения расположены слева от операторов уничтожения, а 0 - усреднение по времени.

Автокорреляционную функцию второго порядка экспериментально измеряют при помощи схемы Хэнбери Брауна - Твисса с двумя детекторами (рисунок 1.3). Когда какой-либо из детекторов фиксирует сигнал, замеряется время, через которое сигнал появится на другом детекторе. Далее строится гистограмма этих времен, которая после нормирования превращается в экспериментально измеренную автокорреляционную функцию:

g (2ЧГ) = , Ц.2)

(с^а )> (ад )>

где Сё1(0, С<п^+т) - показания фотодетекторов 1 и 2 в момент времени t и t+т, соответственно. Можно показать, что g(2)(т), измеренная по формуле (1.2), совпадает с g(2)(т), рассчитанная согласно выражению (1.1) [54].

Стоит отметить, что неидеальность оптических линий по которым передается исследуемое излучение не будет влиять на итоговую g(2)-функцию, если затухание в двух плечах схемы Хэнбери Брауна - Твисса одинаково: в выражении (1.2) коэффициент затухания сократится. Однако необходимо иметь в виду, что если затухание сильное, то показания фотодетекторов С,ц(0, С<п^+т) будут иметь большую погрешность, потому что их значения будет меньше.

Рисунок 1.3 - Схема Хэнбери Брауна - Твисса для измерения автокорреляционной функции второго порядка и ее типичный вид при исследовании электро- и фотолюминесценции центров

окраски.

Для излучения, характеризующегося квантовомеханическим п-фотонным состоянием, 8<(2)(0) = (п-1)/п. Если изучаемое излучение соответствует квантовомеханическому состоянию с одним фотоном, то 8(2)(0) = 0.0, с двумя фотонами - 8(2)(0) = 0.5, а при увеличении числа фотонов до бесконечности #(2)(0) стремится к 1 [53]. С другой стороны, при больших т интенсивности /(т) и /^+т) являются независимыми, откуда следует, что <:/(/+т)/(/):> = </(/+т)>2, а значит, 8(2)(т:') = 1. Получается, что неравенство £(2)(0) > 8(2)(т) верное для классического излучения нарушается, в частности, для однофотонного излучения, а поэтому оно называется неклассическим. В таком случае говорят, что наблюдается антигруппировка фотонов, потому что фотоны расположены реже, чем в когерентном излучении, для которого 8(2)(т) = 1. Если же фотоны расположены чаще, чем в когерентном излучении, то есть £(2)(0) > 1, то говорят, что наблюдается группировка фотонов. Иногда данный термин используется если 8(2)(т) > 1 при некотором т.

Если экспериментально измеренная 8(2)(т) < 0.5, то можно сказать, что в изучаемом излучении присутствует однофотонное излучение, однако на практике необходимо, чтобы £(2)(0) было как можно ближе к 0. Зачастую проводят дополнительную обработку экспериментальных результатов для того, чтобы избавиться от фонового излучения, которое может быть причиной высокого £(2)(0) [55]:

£по(2)(г) = ¡8(2)(г) - (1 -и2)]/и2, (1.3)

где р = 5У(5+В), £ и В - уровни интенсивности сигнала и шума, соответственно. Однако такой способ позволяет только убедиться, что в исследуемое излучение входило однофотонное, но никак не позволит сделать исследуемое излучение более однофотонным.

1.2 Центры окраски в широкозонных полупроводниках

Чистый беспримесный полупроводник прозрачен для оптического излучения с энергией фотона меньшей, чем ширина запрещенной зоны полупроводника Е%. Однако ряд точечных дефектов в его кристаллической решетке, такие как, например, отсутствующий или примесный атом (рисунок 1.4), создают энергетические уровни внутри запрещенной зоны, что приводит к поглощению фотонов с энергией меньшей Е%. Такие дефекты называются центрами окраски, потому что они придают ранее прозрачным полупроводникам, например, алмазу, окраску.

Рисунок 1.4- Схематичное изображение SiV-центра в алмазе (а) и Sic дефекта в карбиде

кремния (б).

Для экспериментального наблюдения однофотонного излучения от центра окраски необходимо его возбудить оптически или электрически и при помощи оптических объективов собрать излучение от одного дефекта. Продемонстрировать такое удалось не только для точечных дефектов в алмазе [11,12,27-29], но и для точечных дефектов в карбиде кремния [13,30-33], оксиде цинка [14,34,35], нитриде галия [36], а также в таких двумерных материалах, как нитрид бора [37-39], диселенид вольфрама [40-42] и дисульфид вольфрама [43,44].

Однофотонное излучение центров окраски в основном получено при помощи оптической накачки. К началу 2010-х годов этот процесс был уже хорошо изучен [56,57], в то время как возможность электрической накачки центров окраски была неясна. Однако за последние 10 лет научному сообществу удалось существенно продвинуться в понимании процесса однофотонной электролюминесценции центров окраски в алмазе и других материалах.

В основном для реализации электрической накачки центры окраски создают в ьобласти p-i-n диода, который состоит из p-области, легированной акцепторами, нелегированной ьобласти и n-области, легированной донорами. Точечный дефект в кристаллической решетке алмазного образца может быть создан естественным образом; при помощи ионной имплантации и

14

последующего отжига; при помощи добавления определенного материала в камеру в процессе химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) (chemical vapor deposition, CVD), используемого для роста полупроводникового диода [46]; при помощи облучения электронами или протонам и последующего отжига [58]; при помощи метода прямой лазерной записи (direct laser writing) [59-61]. При этом точность позиционирования дефектов при ионной имплантации может быть лучше 20 - 50 нм [57,62,63].

Первые работы, в которых была получена электролюминесценция одиночного центра окраски, были опубликованы в 2011-2012 годах [11,12] (рисунок 1.5). В этих работах в алмазных p-i-n диодах были исследованы азотно-вакансионные комплексы (NV-центры), которые представляют собой атом азота, встроенный в кристаллическую решетку алмаза рядом с вакансией, то есть, с отсутствующим атомом углерода (рисунок 1.5е). NV-центры обладают стабильной фото- и электролюминесценцией при комнатной температуре. В зависимости от зарядового состояния, бесфононная линия находится либо на 637 нм для NV", либо на 575 нм для NV0 (рисунок 1.5г,к-м). При этом в эксперименте при электрической накачке наблюдалось излучение только из нейтрального зарядового состояния [11,12] (рисунок 1.5г,м). Время жизни возбужденного состояния NV0 центра около 13 нс [12]. Однако только около 5% излучения осуществляется без участия фононов при комнатной температуре, а значит, спектр NV-центра всегда очень широкий: около 150 нм [64]. Измеренная скорость однофотонной электролюминесценции (ОЭЛ) NV-центра была порядка 4*104 фотонов в секунду, что сильно меньше яркости NV-центра при оптической накачке, которая может превышать 106 фотонов/с [8]. Необходимо понимать, что это значение было измерено фотодетектором, и оно сильно меньше реальной скорости генерации фотонов центром окраски, поскольку испущенный фотон необходимо сначала собрать в объектив, а потом детектировать. Обычно вводят две характеристики: эффективность сбора щы (чаще всего равна нескольким процентам) и эффективность детектирования щdet (типичным значением является 50 - 70%). Получаем, что количество фотонов на детекторе равно ^co^det, где R - скорость генерации фотонов центром окраски, а поэтому фиксируемое число фотонов на детекторе обычно не превышает 0.01R.

Рисунок 1.5 - Рисунки из работ [11] (а-д) и [12] (е-м), посвященных однофотонной электролюминесценции NV-центров в алмазе. (а) Схематичное изображение p-i-n алмазного

диода, используемого в работе [11]. Бор (Boron) используется в качестве акцептора для создания области p-типа, а фосфор (Phosphorous) - донора для создания области n-типа. (б) Карта электролюминесценции (ЭЛ) при токе 100 мкА. (в) Профиль интенсивности ЭЛ вдоль пунктирной прямой в (б). (г) Спектр отдельного яркого пятна с (б), демонстрирующий эмиссию NV0-центра. Вставка показывает ЭЛ на границе имплантированной области. (д) Автокорреляционная функция второго порядка g(2)(r) (левая ось у) и соответствующее количество последовательных срабатываний фотодетекторов в схеме Хэнбери Брауна — Твисса

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Храмцов Игорь Александрович, 2021 год

Список литературы

1. V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, Advances in quantum metrology // Nat. Photonics - 2011. -Vol. 5. - P. 222-229.

2. P. Kok, W. J. Munro, K. Nemoto, T. C. Ralph, J. P. Dowling, G. J. Milburn, Linear optical quantum computing with photonic qubits // Rev. Mod. Phys. - 2007. - Vol. 79. - P. 135-174.

3. Kollmitzer, C. Applied Quantum Cryptography / C. Kollmitzer, M. Pivk. - Berlin: Springer, 2010.

- 230 p.

4. H.-L. Yin, Y. Fu, Y. Mao, Z.-B. Chen, Security of quantum key distribution with multiphoton components // Sci. Rep. - 2016. - Vol. 6. - P. 29482.

5. Y. Zhao, B. Qi, X. Ma, H.-K. Lo, L. Qian, Experimental quantum key distribution with decoy states // Phys. Rev. Lett. - 2006. - Vol. 96. - P. 070502.

6. A. Boretti, L. Rosa, A. Mackie, S. Castelletto, Electrically Driven Quantum Light Sources // Adv. Opt. Mater. - 2015. - Vol. 3. - P. 1012-1033.

7. H. J. Kimble, M. Dagenais, L. Mandel, Photon Antibunching in Resonance Fluorescence // Phys. Rev. Lett. - 1977. - Vol. 39. - P. 691.

8. I. Aharonovich, D. Englund, M. Toth, Solid-state single-photon emitters // Nat. Photonics - 2016.

- Vol. 10. - P. 631-641.

9. S. Deshpande, T. Frost, A. Hazari, P. Bhattacharya, Electrically pumped single-photon emission at room temperature from a single InGaN/GaN quantum dot // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 105. -P. 141109.

10. X. Lin, X. Dai, C. Pu, Y. Deng, Y. Niu, L. Tong, W. Fang, Y. Jin, X. Peng, Electrically-driven single-photon sources based on colloidal quantum dots with near-optimal antibunching at room temperature // Nat. Commun. - 2017. - Vol. 8. - P. 1132.

11. A. Lohrmann, S. Pezzagna, I. Dobrinets, P. Spinicelli, V. Jacques, J.-F. Roch, J. Meijer, A. M. Zaitsev, Diamond based light-emitting diode for visible single-photon emission at room temperature // Appl. Phys. Lett. - 2011. - Vol. 99. - P. 251106.

12. N. Mizuochi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, M. Nothaft, P. Neumann, A. Gali, F. Jelezko, J. Wrachtrup, S. Yamasaki, Electrically driven single-photon source at room temperature in diamond // Nat. Photonics - 2012. - Vol. 6. - P. 299-303.

13. A. Lohrmann, N. Iwamoto, Z. Bodrog, S. Castelletto, T. Ohshima, T. J. Karle, A. Gali, S. Prawer, J. C. McCallum, B. C. Johnson, Single-photon emitting diode in silicon carbide // Nat. Commun. -2015. - Vol. 6. - P. 7783.

14. S. Choi, A. M. Berhane, A. Gentle, C. Ton-That, M. R. Phillips, I. Aharonovich, Electroluminescence from localized defects in zinc oxide: toward electrically driven single photon

sources at room temperature // ACS Appl. Mater. Interfaces - 2015. - Vol. 7. - P. 5619-5623.

15. W. K. Wootters, W. H. Zurek, A single quantum cannot be cloned // Nature - 1982. - Vol. 299. -P. 802-803.

16. J. Jin, J. A. Slater, E. Saglamyurek, N. Sinclair, M. George, R. Ricken, D. Oblak, W. Sohler, W. Tittel, Two-photon interference of weak coherent laser pulses recalled from separate solid-state quantum memories // Nat. Commun. - 2013. - Vol. 4. - P. 2386.

17. S. G. Lukishova, R. P. Knox, P. Freivald, A. McNamara, R. W. Boyd, C. R. Stroud Jr., A. W. Schmid, K. L. Marshall, Single-Photon Source for Quantum Information Based on Single Dye Molecule Fluorescence in Liquid Crystal Host // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2006. - Vol. 454. - P. 1/[403]-14/[416].

18. W. E. Moerner, Single-photon sources based on single molecules in solids // New J. Phys. - 2004.

- Vol. 6. - P. 88-88.

19. H. Takahashi, A. Wilson, A. Riley-Watson, F. Orucevic, N. Seymour-Smith, M. Keller, W. Lange, An integrated fiber trap for single-ion photonics // New J. Phys. - 2013. - Vol. 15. - P. 053011.

20. H. G. Barros, A. Stute, T. E. Northup, C. Russo, P. O. Schmidt, R. Blatt, Deterministic single-photon source from a single ion // New J. Phys. - 2009. - Vol. 11. - P. 103004.

21. A. Högele, C. Galland, M. Winger, A. Imamoglu, Photon antibunching in the photoluminescence spectra of a single carbon nanotube // Phys. Rev. Lett. - 2008. - Vol. 100. - P. 217401.

22. S. Khasminskaya, F. Pyatkov, K. Slowik, S. Ferrari, O. Kahl, V. Kovalyuk, P. Rath, A. Vetter, F. Hennrich, M. M. Kappes, G. Gol'tsman, A. Korneev, C. Rockstuhl, R. Krupke, W. H. P. Pernice, Fully integrated quantum photonic circuit with an electrically driven light source // Nat. Photonics

- 2016. - Vol. 10. - P. 727-732.

23. L. Zhang, C.-H. Teng, P.-C. Ku, H. Deng, Site-controlled InGaN/GaN single-photon-emitting diode // Appl. Phys. Lett. - 2016. - Vol. 108. - P. 153102.

24. T. Heindel, C. Schneider, M. Lermer, S. H. Kwon, T. Braun, S. Reitzenstein, S. Höfling, M. Kamp, A. Forchel, Electrically driven quantum dot-micropillar single photon source with 34% overall efficiency // Appl. Phys. Lett. - 2010. - Vol. 96. - P. 011107.

25. X. Xu, D. A. Williams, J. R. A. Cleaver, Electrically pumped single-photon sources in lateral p-i-n junctions // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85. - P. 3238-3240.

26. M. Pelton, J. Vuckovic, G. Solomon, C. Santori, B. Zhang, J. Plant, Y. Yamamoto, An efficient source of single photons: a single quantum dot in a micropost microcavity // Physica E - 2003. -Vol. 17. - P. 564-567.

27. R. N. Patel, T. Schröder, N. Wan, L. Li, S. L. Mouradian, E. H. Chen, D. R. Englund, Efficient photon coupling from a diamond nitrogen vacancy center by integration with silica fiber // Light Sci. Appl. - 2016. - Vol. 5. - P. e16032.

28.

29.

30.

31.

32.

33.

34.

35.

36.

37.

38

39

40

41

42

T. M. Babinec, B. J. M. Hausmann, M. Khan, Y. Zhang, J. R. Maze, P. R. Hemmer, M. Loncar, A diamond nanowire single-photon source // Nat. Nanotechnol. - 2010. - Vol. 5. - P. 195-199. D. Gatto Monticone, F. Quercioli, R. Mercatelli, S. Soria, S. Borini, T. Poli, M. Vannoni, E. Vittone, P. Olivero, Systematic study of defect-related quenching of NV luminescence in diamond with time-correlated single-photon counting spectroscopy // Phys. Rev. B - 2013. - Vol. 88. - P. 155201.

A. Lohrmann, S. Castelletto, J. R. Klein, T. Ohshima, M. Bosi, M. Negri, D. W. M. Lau, B. C. Gibson, S. Prawer, J. C. McCallum, B. C. Johnson, Activation and control of visible single defects in 4H-, 6H-, and 3C-SiC by oxidation // Appl. Phys. Lett. - 2016. - Vol. 108. - P. 021107.

F. Fuchs, V. A. Soltamov, S. Väth, P. G. Baranov, E. N. Mokhov, G. V. Astakhov, V. Dyakonov, Silicon carbide light-emitting diode as a prospective room temperature source for single photons // Sci. Rep. - 2013. - Vol. 3. - P. 1637.

S. Castelletto, B. C. Johnson, V. Ivady, N. Stavrias, T. Umeda, A. Gali, T. Ohshima, A silicon carbide room-temperature single-photon source // Nat. Mater. - 2014. - Vol. 13. - P. 151-156.

B. C. Johnson, S. Castelletto, T. Ohshima, T. Umeda, Fabrication of single photon centres in silicon carbide // COMMAD 2012, Melbourne, Australia, 2012. - P. 217-218.

S. Choi, M. R. Phillips, I. Aharonovich, S. Pornsuwan, B. C. C. Cowie, C. Ton-That, Photophysics of Point Defects in ZnO Nanoparticles // Adv. Opt. Mater. - 2015. - Vol. 3. - P. 821-827. S. Choi, B. C. Johnson, S. Castelletto, C. Ton-That, M. R. Phillips, I. Aharonovich, Single photon emission from ZnO nanoparticles // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 104. - P. 261101. A. M. Berhane, K.-Y. Jeong, Z. Bodrog, S. Fiedler, T. Schröder, N. V. Trivino, T. Palacios, A. Gali, M. Toth, D. Englund, I. Aharonovich, Bright Room-Temperature Single-Photon Emission from Defects in Gallium Nitride // Adv. Mater. - 2017. - Vol. 29. - P. 1605092.

M. Kianinia, B. Regan, S. A. Tawfik, T. T. Tran, M. J. Ford, I. Aharonovich, M. Toth, Robust SolidState Quantum System Operating at 800 K // ACS Photonics - 2017. - Vol. 4. - P. 768-773. A. W. Schell, H. Takashima, T. T. Tran, I. Aharonovich, S. Takeuchi, Coupling Quantum Emitters in 2D Materials with Tapered Fibers // ACS Photonics - 2017. - Vol. 4. - P. 761-767. T. T. Tran, K. Bray, M. J. Ford, M. Toth, I. Aharonovich, Quantum emission from hexagonal boron nitride monolayers // Nat. Nanotechnol. - 2016. - Vol. 11. - P. 37-41.

C. Palacios-Berraquero, M. Barbone, D. M. Kara, X. Chen, I. Goykhman, D. Yoon, A. K. Ott, J. Beitner, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. C. Ferrari, M. Atatüre, Atomically thin quantum light-emitting diodes // Nat. Commun. - 2016. - Vol. 7. - P. 12978.

C. Chakraborty, L. Kinnischtzke, K. M. Goodfellow, R. Beams, A. N. Vamivakas, Voltage-controlled quantum light from an atomically thin semiconductor // Nat. Nanotechnol. - 2015. - Vol. 10. - P. 507-511.

Y.-M. He, G. Clark, J. R. Schaibley, Y. He, M.-C. Chen, Y.-J. Wei, X. Ding, Q. Zhang, W. Yao, X.

Xu, C.-Y. Lu, J.-W. Pan, Single quantum emitters in monolayer semiconductors // Nat. Nanotechnol. - 2015. - Vol. 10. - P. 497-502.

43. C. Palacios-Berraquero, D. M. Kara, A. R.-P. Montblanch, M. Barbone, P. Latawiec, D. Yoon, A. K. Ott, M. Loncar, A. C. Ferrari, M. Atatüre, Large-scale quantum-emitter arrays in atomically thin semiconductors // Nat. Commun. - 2017. - Vol. 8. - P. 15093.

44. T. T. Tran, S. Choi, J. A. Scott, Z.-Q. Xu, C. Zheng, G. Seniutinas, A. Bendavid, M. S. Fuhrer, M. Toth, I. Aharonovich, Room-Temperature Single-Photon Emission from Oxidized Tungsten Disulfide Multilayers // Adv. Opt. Mater. - 2017. - Vol. 5. - P. 1600939.

45. M. Widmann, M. Niethammer, T. Makino, T. Rendler, S. Lasse, T. Ohshima, J. Ul Hassan, N. Tien Son, S.-Y. Lee, J. Wrachtrup, Bright single photon sources in lateral silicon carbide light emitting diodes // Appl. Phys. Lett. - 2018. - Vol. 112. - P. 231103.

46. C. Bradac, W. Gao, J. Forneris, M. E. Trusheim, I. Aharonovich, Quantum nanophotonics with group IV defects in diamond // Nat. Commun. - 2019. - Vol. 10. - P. 5625.

47. R. Vasconcelos, S. Reisenbauer, C. Salter, G. Wachter, D. Wirtitsch, J. Schmiedmayer, P. Walther, M. Trupke, Scalable spin-photon entanglement by time-to-polarization conversion // npj Quantum Inf. - 2020. - Vol. 6. - P. 9.

48. Z. Yuan, B. E. Kardynal, R. M. Stevenson, A. J. Shields, C. J. Lobo, K. Cooper, N. S. Beattie, D. A. Ritchie, M. Pepper, Electrically driven single-photon source // Science - 2002. - Vol. 295. - P. 102-105.

49. A. Schlehahn, A. Thoma, P. Munnelly, M. Kamp, S. Höfling, T. Heindel, C. Schneider, S. Reitzenstein, An electrically driven cavity-enhanced source of indistinguishable photons with 61% overall efficiency // APL Photonics - 2016. - Vol. 1. - P. 011301.

50. S. Deshpande, J. Heo, A. Das, P. Bhattacharya, Electrically driven polarized single-photon emission from an InGaN quantum dot in a GaN nanowire // Nat. Commun. - 2013. - Vol. 4. - P. 1675.

51. M. A. Lobaev, D. B. Radishev, S. A. Bogdanov, A. L. Vikharev, A. M. Gorbachev, V. A. Isaev, S. A. Kraev, A. I. Okhapkin, E. A. Arhipova, M. N. Drozdov, V. I. Shashkin, Diamond p-i-n Diode with Nitrogen Containing Intrinsic Region for the Study of Nitrogen-Vacancy Center Electroluminescence // Phys. Status Solidi (RRL) - 2020. - Vol. 14. - P. 2000347.

52. A. M. Zaitsev, A. A. Bergman, A. A. Gorokhovsky, M. Huang, Diamond light emitting diode activated with Xe optical centers // Phys. Status Solidi (a) - 2006. - Vol. 203. - P. 638-642.

53. Scully, M.O. Quantum Optics / M.O. Scully, M.S. Zubairy. - Cambridge: Cambridge University Press, 1997. - 630 p.

54. F. T. Arecchi, M. Corti, V. Degiorgio, S. Donati, Measurements of light intensity correlations in the subnanosecond region by photomultipliers // Opt. Commun. - 1971. - Vol. 3. - P. 284-288.

55. R. Brouri, A. Beveratos, J. P. Poizat, P. Grangier, Photon antibunching in the fluorescence of

individual color centers in diamond // Opt. Lett. - 2000. - Vol. 25. - P. 1294-1296.

56. I. Aharonovich, S. Castelletto, D. A. Simpson, C.-H. Su, A. D. Greentree, S. Prawer, Diamond-based single-photon emitters // Rep. Prog. Phys. - 2011. - Vol. 74. - P. 076501.

57. S. Pezzagna, D. Rogalla, D. Wildanger, J. Meijer, A. Zaitsev, Creation and nature of optical centres in diamond for single-photon emission—overview and critical remarks // New J. Phys. - 2011. -Vol. 13. - P. 035024.

58. M. Widmann, S.-Y. Lee, T. Rendler, N. T. Son, H. Fedder, S. Paik, L.-P. Yang, N. Zhao, S. Yang, I. Booker, A. Denisenko, M. Jamali, S. Ali Momenzadeh, I. Gerhardt, T. Ohshima, A. Gali, E. Janzen, J. Wrachtrup, Coherent control of single spins in silicon carbide at room temperature // Nat. Mater. - 2015. - Vol. 14. - P. 164-168.

59. J. E. Froch, A. Bahm, M. Kianinia, Z. Mu, V. Bhatia, S. Kim, J. M. Cairney, W. Gao, C. Bradac, I. Aharonovich, M. Toth, Versatile direct-writing of dopants in a solid state host through recoil implantation // Nat. Commun. - 2020. - Vol. 11. - P. 5039.

60. Y.-C. Chen, P. S. Salter, S. Knauer, L. Weng, A. C. Frangeskou, C. J. Stephen, S. N. Ishmael, P. R. Dolan, S. Johnson, B. L. Green, G. W. Morley, M. E. Newton, J. G. Rarity, M. J. Booth, J. M. Smith, Laser writing of coherent colour centres in diamond // Nat. Photonics - 2017. - Vol. 11. - P. 7780.

61. J. M. Smith, S. A. Meynell, A. C. Bleszynski Jayich, J. Meijer, Colour centre generation in diamond for quantum technologies // Nanophotonics - 2019. - Vol. 8. - P. 1889-1906.

62. S. Tamura, G. Koike, A. Komatsubara, T. Teraji, S. Onoda, L. P. McGuinness, L. Rogers, B. Naydenov, E. Wu, L. Yan, F. Jelezko, T. Ohshima, J. Isoya, T. Shinada, T. Tanii, Array of bright silicon-vacancy centers in diamond fabricated by low-energy focused ion beam implantation // Appl. Phys. Exp. - 2014. - Vol. 7. - P. 115201.

63. A. Sipahigil, R. E. Evans, D. D. Sukachev, M. J. Burek, J. Borregaard, M. K. Bhaskar, C. T. Nguyen, J. L. Pacheco, H. A. Atikian, C. Meuwly, R. M. Camacho, F. Jelezko, E. Bielejec, H. Park, M. Loncar, M. D. Lukin, An integrated diamond nanophotonics platform for quantum-optical networks // Science - 2016. - Vol. 354. - P. 847-850.

64. Prawer, S. Quantum Information Processing with Diamond: Principles and Applications / S. Prawer, I. Aharonovich. - Amsterdam: Elsevier, 2014. - 345 p.

65. H. Kato, M. Wolfer, C. Schreyvogel, M. Kunzer, W. Muller-Sebert, H. Obloh, S. Yamasaki, C. Nebel, Tunable light emission from nitrogen-vacancy centers in single crystal diamond PIN diodes // Appl. Phys. Lett. - 2013. - Vol. 102. - P. 151101.

66. J. Forneris, P. Traina, D. G. Monticone, G. Amato, L. Boarino, G. Brida, I. P. Degiovanni, E. Enrico, E. Moreva, V. Grilj, N. Skukan, M. Jaksic, M. Genovese, P. Olivero, Electrical stimulation of non-classical photon emission from diamond color centers by means of sub-superficial graphitic

electrodes // Sci. Rep. - 2015. - Vol. 5. - P. 15901.

67. A. M. Berhane, S. Choi, H. Kato, T. Makino, N. Mizuochi, S. Yamasaki, I. Aharonovich, Electrical excitation of silicon-vacancy centers in single crystal diamond // Appl. Phys. Lett. - 2015. - Vol. 106. - P. 171102.

68. B. Tegetmeyer, C. Schreyvogel, N. Lang, W. Muller-Sebert, D. Brink, C. E. Nebel, Electroluminescence from silicon vacancy centers in diamond p-i-n diodes // Diam. Relat. Mater. - 2016. - Vol. 65. - P. 42-46.

69. K. Bray, H. Kato, R. Previdi, R. Sandstrom, K. Ganesan, M. Ogura, T. Makino, S. Yamasaki, A. P. Magyar, M. Toth, I. Aharonovich, Single crystal diamond membranes for nanoelectronics // Nanoscale - 2018. - Vol. 10. - P. 4028-4035.

70. B. L. Green, M. W. Doherty, E. Nako, N. B. Manson, U. F. S. D'Haenens-Johansson, S. D. Williams, D. J. Twitchen, M. E. Newton, Electronic structure of the neutral silicon-vacancy center in diamond // Phys. Rev. B - 2019. - Vol. 99. - P. 161112.

71. D. Chen, N. Zheludev, W. Gao, Building Blocks for Quantum Network Based on Group-IV Split-Vacancy Centers in Diamond // Adv. Quant. Technol. - 2020. - Vol. 3. - P. 1900069.

72. R. Nagy, M. Widmann, M. Niethammer, D. B. R. Dasari, I. Gerhardt, O. O. Soykal, M. Radulaski, T. Ohshima, J. Vuckovic, N. T. Son, I. G. Ivanov, S. E. Economou, C. Bonato, S.-Y. Lee, J. Wrachtrup, Quantum Properties of Dichroic Silicon Vacancies in Silicon Carbide // Phys. Rev. Applied - 2018. - Vol. 9. - P. 034022.

73. H. B. Banks, O. O. Soykal, R. L. Myers-Ward, D. Kurt Gaskill, T. L. Reinecke, S. G. Carter, Resonant Optical Spin Initialization and Readout of Single Silicon Vacancies in 4H - SiC // Phys. Rev. Applied - 2019. - Vol. 11. - P. 024013.

74. A. Lohrmann, B. C. Johnson, J. C. McCallum, S. Castelletto, A review on single photon sources in silicon carbide // Rep. Prog. Phys. - 2017. - Vol. 80. - P. 034502.

75. T. A. G. Eberlein, R. Jones, S. Oberg, P. R. Briddon, Density functional theory calculation of the DI optical center in SiC // Phys. Rev. B - 2006. - Vol. 74. - P. 144106.

76. N. Aslam, G. Waldherr, P. Neumann, F. Jelezko, J. Wrachtrup, Photo-induced ionization dynamics of the nitrogen vacancy defect in diamond investigated by single-shot charge state detection // New J. Phys. - 2013. - Vol. 15. - P. 013064.

77. S. Dhomkar, J. Henshaw, H. Jayakumar, C. A. Meriles, Long-term data storage in diamond // Sci. Adv. - 2016. - Vol. 2. - P. e1600911.

78. D. Y. Fedyanin, M. Agio, Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures // New J. Phys. - 2016. - Vol. 18. - P. 073012.

79. A. Gali, M. Fyta, E. Kaxiras, Ab initiosupercell calculations on nitrogen-vacancy center in diamond: Electronic structure and hyperfine tensors // Phys. Rev. B - 2008. - Vol. 77. - P. 155206.

80.

81.

82.

83.

84.

85.

86.

87.

88

89.

90.

91.

92.

93.

C. E. Nebel, Electronic properties of CVD diamond // Semicond. Sci. Technol. - 2003. - Vol. 18. -P. S1-S11.

V. N. Abakumov, I. N. Iassievich, Cross section for the recombination of an electron on a positively charged center in a semiconductor // JETP Lett. - 1976. - Vol. 71. - P. 657-664. Smirnov, B. M. Fundamentals of Ionized Gases / B. M. Smirnov. - Hoboken, New Jersey: Wiley, 2011. - 474 p.

M. Berthel, O. Mollet, G. Dantelle, T. Gacoin, S. Huant, A. Drezet, Photophysics of single nitrogen-vacancy centers in diamond nanocrystals // Phys. Rev. B - 2015. - Vol. 91. - P. 035308. Абакумов, В. H. Безызлучательная рекомбинация в полупроводниках / В. Н. Абакумов, В. И. Перель, И. Н. Яссиевич. - Санкт-Петербург: Издательство Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова РАН, 1997. - 366 с.

Yang, N. Novel Aspects of Diamond: From Growth to Applications / N. Yang. - Berlin: Springer, 2019. - 325 p.

H. Haug, S. Koch, On the Theory of Laser Action in Dense Exeiton Systems // Phys. Status Solidi (b) - 1977. - Vol. 82. - P. 531-543.

G. Schramm, Determination of the Free Exciton Capture Gross Sections of Boron and Phosphorus in Silicon by Photolummineseence // Phys. Status Solidi (a) - 1991. - Vol. 125. - P. K113-K116. J. Barjon, P. Valvin, C. Brimont, P. Lefebvre, O. Brinza, A. Tallaire, J. Achard, F. Jomard, M. A. Pinault-Thaury, Picosecond dynamics of free and bound excitons in doped diamond // Phys. Rev. B - 2016. - Vol. 93. - P. 115202.

I. A. Khramtsov, A. A. Vyshnevyy, D. Y. Fedyanin, Enhancing the brightness of electrically driven single-photon sources using color centers in silicon carbide // npj Quantum Inf. - 2018. - Vol. 4. -P. 15.

I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin, Toward Ultrafast Tuning and Triggering Single-Photon Electroluminescence of Color Centers in Silicon Carbide // ACS Appl. Electron. Mater. - 2019. -Vol. 1. - P. 1859-1865.

I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin, Gate-Tunable Single-Photon Emitting Diode with an Extremely Low Tuning Time // Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest. - 2020. -paper JTh2A.21.

K. Bray, D. Y. Fedyanin, I. A. Khramtsov, M. O. Bilokur, B. Regan, M. Toth, I. Aharonovich, Electrical excitation and charge-state conversion of silicon vacancy color centers in single-crystal diamond membranes // Appl. Phys. Lett. - 2020. - Vol. 116. - P. 101103.

S. Castelletto, I. Aharonovich, C. H. Su, Impurities in diamond: a new revival for quantum optics // Proc. SPIE 7815, Quantum Communications and Quantum Imaging VIII, 78150C (30 August 2010). - 2010.

94. Wang, C. A Solid-State Single Photon Source Based on Color Centers in Diamond. PhD Thesis / Chunlang Wang. - Munich, 2007. - 127 p.

95. C. Kurtsiefer, S. Mayer, P. Zarda, H. Weinfurter, Stable solid-state source of single photons // Phys. Rev. Lett. - 2000. - Vol. 85. - P. 290-293.

96. J. Pernot, P. N. Volpe, F. Omnes, P. Muret, V. Mortet, K. Haenen, T. Teraji, Hall hole mobility in boron-doped homoepitaxial diamond // Phys. Rev. B - 2010. - Vol. 81. - P. 205203.

97. S. C. Kitson, P. Jonsson, J. G. Rarity, P. R. Tapster, Intensity fluctuation spectroscopy of small numbers of dye molecules in a microcavity // Phys. Rev. A - 1998. - Vol. 58. - P. 620-627.

98. D. T. Pegg, R. Loudon, P. L. Knight, Correlations in light emitted by three-level atoms // Phys. Rev. A - 1986. - Vol. 33. - P. 4085-4091.

99. A. V. Rzhanov, Recombination statistics for carrier trapping by excited states of recombination centers // Sov. Phys. Solid St. - 1961. - Vol. 3. - P. 3691-3697.

100. E. Neu, M. Agio, C. Becher, Photophysics of single silicon vacancy centers in diamond: implications for single photon emission // Opt. Express - 2012. - Vol. 20. - P. 19956-19971.

101. M. Gabrysch, S. Majdi, A. Hallen, M. Linnarsson, A. Schöner, D. Twitchen, J. Isberg, Compensation in boron-doped CVD diamond // Phys. Status Solidi (a) - 2008. - Vol. 205. - P. 2190-2194.

102. H. Kato, S. Yamasaki, H. Okushi, Carrier compensation in (001) n-type diamond by phosphorus doping // Diam. Relat. Mater. - 2007. - Vol. 16. - P. 796-799.

103. H. Kato, J. Barjon, N. Habka, T. Matsumoto, D. Takeuchi, H. Okushi, S. Yamasaki, Energy level of compensator states in (001) phosphorus-doped diamond // Diam. Relat. Mater. - 2011. - Vol. 20. - P. 1016-1019.

104. H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, H. Okushi, n-type diamond growth by phosphorus doping on (0 0 1)-oriented surface // J. Phys. D - 2007. - Vol. 40. - P. 6189-6200.

105. Snowden, C. Introduction to Semiconductor Device Modelling / C. Snowden. - Singapore: World Scientific, 1998. - 238 p.

106. Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices / S. M. Sze, K. K. Ng. - Hoboken, New Jersey: Wiley, 2006. - 815 p.

107. Sussmann, R. S. CVD Diamond for Electronic Devices and Sensors / R. S. Sussmann. - Hoboken, New Jersey: Wiley, 2009. - 596 p.

108. N. Naka, K. Fukai, Y. Handa, I. Akimoto, Direct measurement via cyclotron resonance of the carrier effective masses in pristine diamond // Phys. Rev. B - 2013. - Vol. 88. - P. 035205.

109. A. Beveratos, S. Kühn, R. Brouri, T. Gacoin, J.-P. Poizat, P. Grangier, Room temperature stable single-photon source // Eur. Phys. J. D. - 2002. - Vol. 18. - P. 191-196.

110. I. A. Khramtsov, M. Agio, D. Y. Fedyanin, Dynamics of Single-Photon Emission from Electrically

Pumped Color Centers // Phys. Rev. Applied - 2017. - Vol. 8. - P. 024031.

111. I. A. Khramtsov, M. Agio, D. Yu. Fedyanin, Kinetics of single-photon emission from electrically pumped NV centers in diamond // AIP Conf. Proc. - 2017. - Vol. 1874. - P. 040014.

112. Pierret, R. F. Advanced Semiconductor Fundamentals / R. F. Pierret. - London: Pearson, 2003. -240 p.

113. I. Stenger, M.-A. Pinault-Thaury, T. Kociniewski, A. Lusson, E. Chikoidze, F. Jomard, Y. Dumont, J. Chevallier, J. Barjon, Impurity-to-band activation energy in phosphorus doped diamond // J. Appl. Phys. - 2013. - Vol. 114. - P. 073711.

114. M. Katagiri, J. Isoya, S. Koizumi, H. Kanda, Lightly phosphorus-doped homoepitaxial diamond films grown by chemical vapor deposition // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85. - P. 6365-6367.

115. R. Sauer, N. Teofilov, K. Thonke, S. Koizumi, Donor-related cathodoluminescence in phosphorus-doped CVD diamond // Diam. Relat. Mater. - 2004. - Vol. 13. - P. 727-731.

116. J. Chevallier, C. Saguy, M. Barbé, F. Jomard, D. Ballutaud, T. Kociniewski, B. Philosoph, B. Fizgeer, S. Koizumi, Improvement of the electrical properties of compensated phosphorus-doped diamond by high temperature annealing // Phys. Status Solidi (a) - 2005. - Vol. 202. - P. 21412147.

117. I. Stenger, M. -A. Pinault-Thaury, A. Lusson, T. Kociniewski, F. Jomard, J. Chevallier, J. Barjon, Quantitative analysis of electronic absorption of phosphorus donors in diamond // Diam. Relat. Mater. - 2017. - Vol. 74. - P. 24-30.

118. H. Kato, S. Yamasaki, H. Okushi, n-type doping of (001)-oriented single-crystalline diamond by phosphorus // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 86. - P. 222111.

119. T. Nakai, O. Maida, T. Ito, Characterization of phosphorus-doped homoepitaxial (100) diamond films grown using high-power-density MWPCVD method with a conventional quartz-tube chamber // Appl. Surf. Sci. - 2008. - Vol. 254. - P. 6281-6284.

120. H. Kato, D. Takeuchi, N. Tokuda, H. Umezawa, S. Yamasaki, H. Okushi, Electrical activity of doped phosphorus atoms in (001) n-type diamond // Phys. Status Solidi (a) - 2008. - Vol. 205. - P. 2195-2199.

121. S. Kono, T. Nohara, S. Abe, H. Kodama, K. Suzuki, S. Koizumi, T. Abukawa, A. Sawabe, Electron Spectroscopic Determination of Electronic Structures of Phosphorus-Doped n-Type Heteroepitaxial Diamond (001) Surface and Junction // Jpn. J. Appl. Phys. - 2012. - Vol. 51. - P. 090109.

122. M.-A. Pinault-Thaury, I. Stenger, F. Jomard, J. Chevallier, J. Barjon, A. Traore, D. Eon, J. Pernot, Electrical activity of (100) n-type diamond with full donor site incorporation of phosphorus // Phys. Status Solidi (a) - 2015. - Vol. 212. - P. 2454-2459.

123. Y. Balasubramaniam, P. Pobedinskas, S. D. Janssens, G. Sakr, F. Jomard, S. Turner, Y. -G. Lu, W. Dexters, A. Soltani, J. Verbeeck, J. Barjon, M. Nesládek, K. Haenen, Thick homoepitaxial (110)-

124.

125.

126.

127.

128.

129.

130.

131.

132.

133.

134.

135

136

137.

138

oriented phosphorus-doped n-type diamond // Appl. Phys. Lett. - 2016. - Vol. 109. - P. 062105. K. Haenen, A. Lazea, J. Barjon, J. D'Haen, N. Habka, T. Teraji, S. Koizumi, V. Mortet, P-doped diamond grown on (110)-textured microcrystalline diamond: growth, characterization and devices // J. Phys. Condens. Matter - 2009. - Vol. 21. - P. 364204.

Бонч-Бруевич, В. Л. Физика полупроводников / В. Л. Бонч-Бруевич, С. Г. Калашников. - М: Наука, 1990. - 688 с.

Z. I. Alferov, V. B. Khalfin, R. F. Kazarinov, A characteristic feature of injection into heterojunctions // Sov. Phys. Solid St. - 1967. - Vol. 8. - P. 2480.

Z. I. Alferov, Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology // Rev. Mod. Phys. - 2001. - Vol. 73. - P. 767. M. O. Watanabe, H. Maeda, Electron Activation Energy in Si-Doped AlGaAs Grown by MBE // Jpn. J. Appl. Phys. - 1984. - Vol. 23. - P. L734-L736.

R. Heilman, G. Oelgart, Ionization energy of the carbon acceptor in AlxGa1-xAs // Semicond. Sci. Technol. - 1990. - Vol. 5. - P. 1040-1045.

S. S. Saini, S. H. Cho, M. Dagenais, Thermal considerations in high power semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers // Proc. SPIE 6478, Photonics Packaging, Integration, and Interconnects VII, 647805 (9 February 2007). - 2007.

A. E. Rugar, H. Lu, C. Dory, S. Sun, P. J. McQuade, Z.-X. Shen, N. A. Melosh, J. Vuckovic, Generation of Tin-Vacancy Centers in Diamond via Shallow Ion Implantation and Subsequent Diamond Overgrowth // Nano Lett. - 2020. - Vol. 20. - P. 1614-1619.

J. N. Becker, C. Becher, Coherence Properties and Quantum Control of Silicon Vacancy Color Centers in Diamond // Phys. Status Solidi (a) - 2017. - Vol. 214. - P. 1770170. Rhoderick, E. H. Metal-Semiconductor Contacts / E. H. Rhoderick, R. H. Williams. - Oxford, UK: Clarendon Press, 1988. - 252 p.

T. Teraji, S. Koizumi, H. Kanda, Ohmic Contacts for Phosphorus-Doped n-Type Diamond // Phys. Status Solidi (a) - 2000. - Vol. 181. - P. 129-139.

Schroeder, D. Modelling of Interface Carrier Transport for Device Simulation / D. Schroeder. -Berlin: Springer, 1994. - 225 p.

H. Kato, D. Takeuchi, N. Tokuda, H. Umezawa, H. Okushi, S. Yamasaki, Characterization of specific contact resistance on heavily phosphorus-doped diamond films // Diam. Relat. Mater. -2009. - Vol. 18. - P. 782-785.

T. Matsumoto, H. Kato, N. Tokuda, T. Makino, M. Ogura, D. Takeuchi, H. Okushi, S. Yamasaki, Reduction of n-type diamond contact resistance by graphite electrode // Phys. Status Solidi (RRL) - 2014. - Vol. 8. - P. 137-140.

E. H. Rhoderick, Metal-semiconductor contacts // IEE Proceedings I - Solid-State and Electron

Devices - 1982. - Vol. 129. - P. 1.

139. M. Ieong, P. M. Solomon, S. E. Laux, H.-S. Wong, D. Chidambarrao, Comparison of raised and Schottky source/drain MOSFETs using a novel tunneling contact model // International Electron Devices Meeting 1998. Technical Digest - 1998. - Cat. No. 98CH3621. - P. 733-736.

140. K. Matsuzawa, K. Uchida, A. Nishiyama, A unified simulation of Schottky and ohmic contacts // IEEE Trans. Electron Devices - 2000. - Vol. 47. - P. 103-108.

141. I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin, Superinjection in Diamond p-i-n Diodes: Bright Single-Photon Electroluminescence of Color Centers Beyond the Doping Limit // Phys. Rev. Applied - 2019. -Vol. 12. - P. 024013.

142. I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin, Superinjection in diamond homojunction P-I-N diodes // Semicond. Sci. Technol. - 2019. - Vol. 34. - P. 03LT03.

143. I. A. Khramtsov, D. Yu. Fedyanin, Superinjection in single-photon emitting diamond diodes // 2018 International Conference on Numerical Simulation of Optoelectronic Devices (NUSOD), Hong Kong - 2018. - p. 123-124.

144. I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin, Superinjection of Holes in Homojunction Diodes Based on Wide-Bandgap Semiconductors // Materials - 2019. - Vol. 12. - P. 1972.

145. Casey, H. C. Jr. Heterostructure Lasers // H. C. Jr. Casey. - Amsterdam: Elsevier, 2012. - 286 p.

146. Schubert, E. F. Light-Emitting Diodes (3rd Edition) // E. F. Schubert. - Cambridge: Cambridge University Press, 2018. - 672 p.

147. R. F. Kazarinov, R. A. Suris, Superinjection of carriers in variable-gap pn structures // Sov. Phys. Semicond. - 1975. - Vol. 9. - P. 6-10.

148. A. M. Flatae, S. Lagomarsino, F. Sledz, N. Soltani, S. S. Nicley, K. Haenen, R. Rechenberg, M. F. Becker, S. Sciortino, N. Gelli, L. Giuntini, F. Taccetti, M. Agio, Silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond // Diam. Relat. Mater. - 2020. - Vol. 105. - P. 107797.