[发明专利]一种1.55μmInN量子点单光子源

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，属于半导体光电子新型材料的外延生长技术领域。

背景技术

量子密码术是量子物理学和密码学相结合的一门新兴科学，它成功地解决了传统密码学中单靠数学无法解决的问题并引起了国际上的高度重视。上世纪下半叶以来，科学家在“海森堡测不准定理”和“单量子不可复制定理”上，逐渐建立了量子密码术的概念。“海森堡测不准原理”是量子力学的基本原理，指在同一时刻以相同精度测定量子的位置与动量是不可能的，只能精确测定两者之一。“单量子不可复制定理”是“海森堡测不准原理”的推论，指在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量，而测量必然改变量子的状态。量子密码术突破了传统加密方法的束缚，以量子状态作为密钥具有不可复制性，可以说是“绝对安全”的。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态。这样截获者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变，知道密钥曾被截取过。

在2004年Toshiba欧洲研究中心研究人员用防盗光纤量子密码技术传送信息，其传递距离长度达到创记录的122公里，这一距离为量子密码技术实用化提供了可能，对提高国防和金融通信系统的安全性大有帮助。2002年，Kurtsisfer等人在自由空间中，将传输距离提高到23公里。在国内，2003年，华东师范大学研究人员在光纤中完成了50公里的量子密码通信演示性实验。2005年，中国科技大学研究人员实现了13公里自由空间纠缠光子分发的最远距离。总的来说，比起国外目前的水平，我国还有较大差距。目前阻碍量子密码术走向实用的主要问题是缺少高效的信息载体——单光子源。现在量子密码研究中所使用的单光子源是将相干光脉冲衰减到平均每个脉冲只有0.1-0.2个光子，这是一种近似的单光子源，其效率低，既影响量子密钥的传输距离，又影响其安全性，因为这种光源有可能在一个脉冲中同时出现两个光子。因此研制真实的单光子源成为量子密码研究的一个关键性问题。现在通常采用重过滤激光作为载体，但是它们大多数时间产生空脉冲，有时产生单个脉冲，并且偶尔产生两个光子脉冲。所以现在国际上正在大力开展半导体单光子源的研究，采用半导体量子点材料制作单光子源。量子点材料的优越性在于利用量子限制效应提高器件性能；这是由于量子限制效应将导致电子态密度能谱分布的浓缩、分立；光和低维结构的相互作用将发生重要变化，多体关联效应和非线性光学效应变得越来越显著。强量子封闭效应导致器件光增益、温度稳定性、阈值电流等性能质的改善；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。现在主要采用InAs量子点和CdSe/ZnS量子点材料等。但是电驱动的单光子源只能工作在5K低温下。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。最近英国剑桥大学及欧洲Toshiba研究中心利用量子点制造出波长落在1.3μm通讯波段的单光子光源，但是该单光子发射器必须在低温30K下工作。瑞士的研究人员研制出工作在1.3μm的单量子点，但是也只能在90K下工作。III族氮化物半导体材料InN是温度特性优越的新型半导体材料。最近，国际上对InN材料禁带宽度的认识取得了新的突破，其禁带宽度是0.6-0.7eV而不是一直认为的1.9eV。由于本征禁带宽度的减小，使得InN的发光波长达到了1.55μm，使得光通信器件制备可选用的材料得到丰富。在国际上，研究InN量子点材料的研究机构主要有法国的O.Briot等人的研究小组和日本千叶大学的A.Yoshikawa研究小组。但是，材料的质量不足以满足量子密码通讯所需的单光子源要求。在国内，中科院半导体研究所和南京大学开展了InN材料的研制工作，但是没有开展InN量子点材料的研究。现在我们实验室已经开展研究InN量子点材料。我们提出InN材料的单光子源器件，将具有更好的高温工作特性，单光子源结构拟采用阳极氧化新工艺实现微区自对准电流限制，将使单光子源器件的制作工艺更加简化。所以，研制出高质量的InN量子点单光子源，对量子密码通信具有重大的现实意义。

发明内容

本专利是一种新的长波长InN量子点单光子源，在蓝宝石衬底生长InN量子点，发射波长可达到1.55μm。利用MBE生长低密度的InN量子点以满足单光子发射的需要。在制作单光子源工艺时，创造性地引入氮化物阳极氧化工艺形成自对准电流隔离区，发展出的一种工艺简单的单光子源，实现高效率的单光子输出。

图1是单光子源器件结构示意图。

具体实施方式