通訊波段低密度InAs量子點(diǎn)的研究

李占國，尤明慧，劉國軍，李林，李梅，高欣，王曉華

（1.長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗室，長春 130022；2.空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部，長春 130022）

利用量子密碼實(shí)現(xiàn)保密通信是量子信息科學(xué)中包含的一項重要內(nèi)容［1-15］。它是量子學(xué)和密碼學(xué)相結(jié)合的一門新興科學(xué)，量子密碼術(shù)突破了傳統(tǒng)加密方法的瓶頸，以量子狀態(tài)的唯一性作為密鑰，可以說是絕對“安全”的。西方國家的目標(biāo)是在近5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量子密碼實(shí)用化。然而目前遇到的主要困難是如何增加量子密鑰傳輸距離［4］。2004年，Toshiba歐洲研究中心研究人員用光纖量子密碼技術(shù)傳送信息，其傳遞距離長度達(dá)到122公里，這一距離為量子密碼技術(shù)實(shí)用化提供了可能［5，6］。盡管如此，要實(shí)現(xiàn)量子密碼實(shí)用化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。量子密鑰是采用單個光子在光纖中傳輸實(shí)現(xiàn)的，然而光纖損耗阻礙著密鑰傳輸距離的提高?，F(xiàn)今所使用的商用光纖在1.3和1.5μm波長處損耗和色散最小，因此解決這一問題需要突破的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，研制出高質(zhì)量的1.3和1.5μm波段的InAs量子點(diǎn)單光子源，對量子密碼通信具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗與討論

量子點(diǎn)由于強(qiáng)的三維量子限制（3D confinement）作用，具有獨(dú)特的類原子特性，自組織生長的半導(dǎo)體量子點(diǎn)低維結(jié)構(gòu)光電器件將具有更高速、更低功耗、新功能等獨(dú)特優(yōu)越性［11，12］（見圖1），是實(shí)現(xiàn)實(shí)用單光子發(fā)射器件最理想的候選材料之一。

圖1 InAs量子點(diǎn)具有三維限制Fig.1 InAs QDs with 3D confinement

早期采用的半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)光波長也比較短，在光纖中傳輸?shù)膿p耗比較大，效率也比較低，而且在1.3和1.5μm波段范圍工作的半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子發(fā)射源的研究相對較少。

量子點(diǎn)單光子源發(fā)射的單光子在理想情況下是由單個量子點(diǎn)發(fā)光實(shí)現(xiàn)的，因此能夠有效隔離單個量子點(diǎn)就變得相當(dāng)重要［12］。當(dāng)前，用來制作實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)單光子發(fā)射器件的InAs量子點(diǎn)主要是通過自組織生長方法獲得［11-14］，它們在生長表面上隨機(jī)分布并且點(diǎn)密度很高（見圖1），而且分布的隨機(jī)性強(qiáng)，可靠性差。目前，最有效的途徑是在圖形襯底上生長量子點(diǎn)（見圖2）。這方法不但使量子點(diǎn)的密度可控，而且它在生長表面上的位置也可控，這就使得隔離單個量子點(diǎn)變得相當(dāng)簡單。

圖2 在圖形襯底上生長位置可控低密度InAs量子點(diǎn)的示意圖Fig.2 Growth position-controllable low-density InAs QD

制備低密度雙層堆錯InAs量子點(diǎn)需要事先生長一層種子量子點(diǎn)層和使用一層薄的GaAs壘層，這在一定程度上增加了量子點(diǎn)和起始生長界面的物理距離。雙層InAs量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，即襯底/GaAs（15nm）/InAs（2.4ML）/GaAs（15nm）/InAs（2.4ML）/GaAs（50nm）。

在圖形襯底上生長的量子點(diǎn)用作量子點(diǎn)種子層，生長的雙層InAs量子點(diǎn)。由于有效隧穿的作用，雙層InAs量子點(diǎn)發(fā)光主要來自于頂層量子點(diǎn)，因而形成的雙層量子點(diǎn)的頂層量子點(diǎn)就可以被用作高效的發(fā)光點(diǎn)，而提高生長量子點(diǎn)的光學(xué)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

圖3 InAs量子點(diǎn)的AFM圖和TEM圖Fig.3 Image of Atomic force microscopy（AFM）and transmission electron microscopy（TEM）

圖3分別為制備的低密度InAs量子點(diǎn)的AFM圖，在1μm×1μm內(nèi)量子點(diǎn)密度很低，僅有4個量子點(diǎn)，同時由于是雙層量子點(diǎn)，尺寸比普通的量子點(diǎn)尺寸要大些，In含量也高些，理論上可高達(dá)25%。如圖3。而且，由于頂層量子點(diǎn)的尺寸和所含In組分增大，頂層量子點(diǎn)的發(fā)光波長也會向長波長通訊波段移動，圖4為實(shí)驗制備的雙層InAs量子點(diǎn)，波長約為1.4μm。

圖4 雙層InAs量子點(diǎn)的PL圖Fig.4 Photoluminescence（PL）of InAs BQDs

2 結(jié)語

自組織生長的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，它具有結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性穩(wěn)定性好、輻射復(fù)合效率高、能確實(shí)地產(chǎn)生單光子等特點(diǎn)，因此成為實(shí)現(xiàn)實(shí)用單光子發(fā)射器件最理想的候選材料之一。本論文工作中，在圖形襯底上生長的量子點(diǎn)被用作量子點(diǎn)種子層，直接生長位置可控的雙層InAs量子點(diǎn)。因為形成的雙層量子點(diǎn)的頂層量子點(diǎn)的發(fā)光波長也會向長波長移動，實(shí)驗制備的雙層InAs量子點(diǎn)，波長約為1.4μm，利用這種生長機(jī)制備的InAs量子點(diǎn)在通訊用波段具有一定的前景。

［1］Charles H Bennett，Peter W Shor.Quantum Information Theory［J］.IEEE Transactions on Information Theory，1998，44，2724.

［2］Tomita A，Nambu Y，Tajima A.Recent Progress in Quantum Key Transmission ［J］.www.nec.co.jp/techrep/en/r_and_d/a05/a05-no1/a084.pdf.

［3］Bennett C H，Bessette F，Brassard G，et al.Experimental Quantum Cryptography［J］.Journal of Cryptology，1992，5：3.

［4］Hiskett P A，Rosenberg D，Peterson C G，et al.Long-distancequantum key distribution in optical fiber［J］.Cite as:arXiv:quant-ph/0607177v1.

［5］Takesue H，Nam S W，Zhang Q，et al.Quantum key distribution over a 40-dB channel loss using superconducting single-photon detectors［J］.Nature Photonics 1，2007：343.

［6］Mo X F，Zhu Bing，Han Z F，et al.Faraday-Michelson system for quantum cryptography［J］.Optics Let-ters，2008，30：2632.

［7］Grangier P，Sanders B，Vuckovic J.Focus on single photons on demand［J］.New J of Phys，2004，6.

［8］LounisB，OrritM.Single-photonsources［J］.Rep Prog Phys，2005，68：1129.

［9］Niederberger A，Scarani V，Gisin N.Photon-number-splitting versus cloning attacks in practical implementations of the bennett-brassard 1984 protocol for quantum cryptography［J］.Phys Rev A，2005，71（1）.

［10］Brassard G，Lütkenhaus N，Mor T，et al.Limitationson practicalquantum cryptography［J］.Phys Rev Lett，2000，85：1330.

［11］Michler P.Single quantum dots:fuandamentals，applications and new concepts［J］.Topics in Applied Physics，Volume 90，Springer，2003.

［12］Regelman D V，Mizrahi U，Gershoni D，et al.Semiconductor Quantum Dot: A Quantum Light Source of Multicolor Photons with Tunable Statistics［J］.Phys Rev Lett，87，257401 （2001）

［13］Michler P，Kiraz A，Becher C，et al.A Quantum DotSingle-Photon Turnstile Device［J］.Science，2000，290：2282.

［14］Santori C，Pelton M，Salomon G，et al.Triggered Single Photons from a quantum Dot［J］.Physical Review Letters，2001，86：1502.

［15］Sebald K，Michler P，Passow T，et al.Forchel.Single-photon emission ofCdSe quantum dotsat temperatures up to 200 K［J］.Applied Physics Letters，2002，81，2920.