通訊波段低密度InAs量子點的研究

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 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022；2.空軍航空大學 基礎部，長春 130022）

利用量子密碼實現(xiàn)保密通信是量子信息科學中包含的一項重要內容［1-15］。它是量子學和密碼學相結合的一門新興科學，量子密碼術突破了傳統(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。西方國家的目標是在近5年內實現(xiàn)量子密碼實用化。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傳送信息，其傳遞距離長度達到122公里，這一距離為量子密碼技術實用化提供了可能［5，6］。盡管如此，要實現(xiàn)量子密碼實用化還有相當?shù)木嚯x。量子密鑰是采用單個光子在光纖中傳輸實現(xiàn)的，然而光纖損耗阻礙著密鑰傳輸距離的提高。現(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鍵技術之一，研制出高質量的1.3和1.5μm波段的InAs量子點單光子源，對量子密碼通信具有重大的現(xiàn)實意義。

1 實驗與討論

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

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

早期采用的半導體量子點發(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體量子點單光子發(fā)射源的研究相對較少。

量子點單光子源發(fā)射的單光子在理想情況下是由單個量子點發(fā)光實現(xiàn)的，因此能夠有效隔離單個量子點就變得相當重要［12］。當前，用來制作實現(xiàn)量子點單光子發(fā)射器件的InAs量子點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分布并且點密度很高（見圖1），而且分布的隨機性強，可靠性差。目前，最有效的途徑是在圖形襯底上生長量子點（見圖2）。這方法不但使量子點的密度可控，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變得相當簡單。

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

制備低密度雙層堆錯InAs量子點需要事先生長一層種子量子點層和使用一層薄的GaAs壘層，這在一定程度上增加了量子點和起始生長界面的物理距離。雙層InAs量子點結構，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用作量子點種子層，生長的雙層InAs量子點。由于有效隧穿的作用，雙層InAs量子點發(fā)光主要來自于頂層量子點，因而形成的雙層量子點的頂層量子點就可以被用作高效的發(fā)光點，而提高生長量子點的光學和結構質量。

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

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

2 結語

自組織生長的半導體量子點，它具有結構和光學特性穩(wěn)定性好、輻射復合效率高、能確實地產生單光子等特點，因此成為實現(xiàn)實用單光子發(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被用作量子點種子層，直接生長位置可控的雙層InAs量子點。因為形成的雙層量子點的頂層量子點的發(fā)光波長也會向長波長移動，實驗制備的雙層InAs量子點，波長約為1.4μm，利用這種生長機制備的InAs量子點在通訊用波段具有一定的前景。

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