通讯波段低密度InAs量子点的研究

李占国，尤明慧，刘国军，李林，李梅，高欣，王晓华

（1.长春理工大学 高功率半导体激光国家重点实验室，长春 130022；2.空军航空大学 基础部，长春 130022）

利用量子密码实现保密通信是量子信息科学中包含的一项重要内容［1-15］。它是量子学和密码学相结合的一门新兴科学，量子密码术突破了传统加密方法的瓶颈，以量子状态的唯一性作为密钥，可以说是绝对“安全”的。西方国家的目标是在近5年内实现量子密码实用化。然而目前遇到的主要困难是如何增加量子密钥传输距离［4］。2004年，Toshiba欧洲研究中心研究人员用光纤量子密码技术传送信息，其传递距离长度达到122公里，这一距离为量子密码技术实用化提供了可能［5，6］。尽管如此，要实现量子密码实用化还有相当的距离。量子密钥是采用单个光子在光纤中传输实现的，然而光纤损耗阻碍着密钥传输距离的提高。现今所使用的商用光纤在1.3和1.5μm波长处损耗和色散最小，因此解决这一问题需要突破的重要关键技术之一，研制出高质量的1.3和1.5μm波段的InAs量子点单光子源，对量子密码通信具有重大的现实意义。

1 实验与讨论

量子点由于强的三维量子限制（3D confinement）作用，具有独特的类原子特性，自组织生长的半导体量子点低维结构光电器件将具有更高速、更低功耗、新功能等独特优越性［11，12］（见图1），是实现实用单光子发射器件最理想的候选材料之一。

图1 InAs量子点具有三维限制Fig.1 InAs QDs with 3D confinement

早期采用的半导体量子点发光波长也比较短，在光纤中传输的损耗比较大，效率也比较低，而且在1.3和1.5μm波段范围工作的半导体量子点单光子发射源的研究相对较少。

量子点单光子源发射的单光子在理想情况下是由单个量子点发光实现的，因此能够有效隔离单个量子点就变得相当重要［12］。当前，用来制作实现量子点单光子发射器件的InAs量子点主要是通过自组织生长方法获得［11-14］，它们在生长表面上随机分布并且点密度很高（见图1），而且分布的随机性强，可靠性差。目前，最有效的途径是在图形衬底上生长量子点（见图2）。这方法不但使量子点的密度可控，而且它在生长表面上的位置也可控，这就使得隔离单个量子点变得相当简单。

图2 在图形衬底上生长位置可控低密度InAs量子点的示意图Fig.2 Growth position-controllable low-density InAs QD

制备低密度双层堆错InAs量子点需要事先生长一层种子量子点层和使用一层薄的GaAs垒层，这在一定程度上增加了量子点和起始生长界面的物理距离。双层InAs量子点结构，即衬底/GaAs（15nm）/InAs（2.4ML）/GaAs（15nm）/InAs（2.4ML）/GaAs（50nm）。

在图形衬底上生长的量子点用作量子点种子层，生长的双层InAs量子点。由于有效隧穿的作用，双层InAs量子点发光主要来自于顶层量子点，因而形成的双层量子点的顶层量子点就可以被用作高效的发光点，而提高生长量子点的光学和结构质量。

图3 InAs量子点的AFM图和TEM图Fig.3 Image of Atomic force microscopy（AFM）and transmission electron microscopy（TEM）

图3分别为制备的低密度InAs量子点的AFM图，在1μm×1μm内量子点密度很低，仅有4个量子点，同时由于是双层量子点，尺寸比普通的量子点尺寸要大些，In含量也高些，理论上可高达25%。如图3。而且，由于顶层量子点的尺寸和所含In组分增大，顶层量子点的发光波长也会向长波长通讯波段移动，图4为实验制备的双层InAs量子点，波长约为1.4μm。

图4 双层InAs量子点的PL图Fig.4 Photoluminescence（PL）of InAs BQDs

2 结语

自组织生长的半导体量子点，它具有结构和光学特性稳定性好、辐射复合效率高、能确实地产生单光子等特点，因此成为实现实用单光子发射器件最理想的候选材料之一。本论文工作中，在图形衬底上生长的量子点被用作量子点种子层，直接生长位置可控的双层InAs量子点。因为形成的双层量子点的顶层量子点的发光波长也会向长波长移动，实验制备的双层InAs量子点，波长约为1.4μm，利用这种生长机制备的InAs量子点在通讯用波段具有一定的前景。

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