Quantenpunkte weisen Einzelphotonen nach

OPTISCHE M ESSTECHNIK / OPTICAL M EASURING
Quantenpunkte weisen
Einzelphotonen nach
Quantum Dots Detect Single
Photons
Abstract
A. J. Shields, M. Pepper, Toshiba Research Europe Limited (TREL)
00
Zusammenfassung
Die Detektion von Einzelphotonen wird in
weiten Bereichen von Wissenschaft und
Technik angewandt. Konventionell werden
Einzelphotonen mit Vakuum-Photomultipliern (photomultiplier tubes, PMTs) oder
Halbleiter-Avalanche-Photodioden (APDs)
nachgewiesen, indem das Signals eines einzelnen photo-angeregten Elektrons mit Lawinenprozessen vervielfacht wird. Im folgenden Bericht beschreiben wir eine neuartige Nachweismethode für Einzelphotonen
mittels eines Feldeffekt-Transistors (FET) mit
Quantenpunkten und erörtern die potentielle Bedeutung eines solchen Detektors.
Einzelphotonen
Die Vorstellung, dass Licht aus unteilbaren
Quanten besteht, wurde erstmals vor fast
genau 100 Jahren von Planck formuliert. Er
erkannte, dass sich die Form der Emissionsspektren glühend heißer Objekte exakt beschreiben lässt, wenn man annimmt, dass
das Licht in Vielfachen eines gewissen
Quantums emittiert wird. Zu jener Zeit gab
es jedoch keine plausible theoretische Erklärung für diese mathematische Feststellung, und selbst Planck war skeptisch
gegenüber seiner Annahme. 1905 gab Einstein der Lichtquantisierung weiteren Rückhalt indem er zeigte, dass damit auch der
photoelektrische Effekt erklärt werden
kann. Seitdem hat sich die Quantentheorie
bei der Erklärung vieler Phänomene als erfolgreich erwiesen und wird jetzt fest als eine Grundlage der modernen Physik akzeptiert.
Ein solches Quantum, ein Photon, entspricht einem außerordentlich ’schwachen’
optischen Signal. Dies kann anhand der Tatsache abgeschätzt werden, dass eine gewöhnliche 100 W-Glühlampe pro Sekunde
etwa 10.000.000.000.000.000.000 Photonen emittiert (1019 oder 10 Milliarden Milliarden). Für sehr schwache optische Signale
ist das Zählen von Einzelphotonen eine hervorragend geeignete Messmethode, da jeg2
Photonik
liches Verstärkerrauschen eliminiert wird, so
dass nur noch die statistischen Schwankungen der Quellenintensität bleiben.
Anwendungen
Die Technik des Einzelphotonen-Nachweises wird bereits in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, zum Beispiel in unterschiedlichen bildgebenden
Röntgen- und Radioisotopen-Verfahren in
der medizinischen Bilderfassung, und seit
kurzem auch bei der Laser-optischen Bilderfassung im Infraroten. Lebensdauer-Fluoreszenzmessungen können auch bei der Diagnose bestimmter medizinischer Zustände
verwendet werden, indem sie von der Einzelphotonenzählung (single photon counting, SPC) Gebrauch machen. In der analytischen Chemie dient sie zur Bestimmung
der chemischen Rezeptur von Proben. Weitere Anwendungen sind die Laser-Ortung,
die Bildaufbereitung, industrielle Scan-Vorgänge und Prozesskontroll-Verfahren. Einzelphotonennachweise werden auch häufig
in der wissenschaftlichen Forschung im Bereich der Partikelphysik, Astrophysik und
Materialwissenschaft eingesetzt.
Eine andere inzwischen aufkommende Anwendung für die Einzelphotonen-Technologie ist das faszinierende neue Feld der
Quanten-Informationstechnologie. Es besteht derzeit viel Interesse daran, mittels
Quantenkryptographie Geschäftsvorgänge
in offenen optischen Netzwerken zu sichern. Beispielsweise erlaubt es die Quanten-Schlüsselübertragung zwei Kommunikationspartnern, einen gemeinsamen kryptographischen Schlüssel zu vereinbaren mit
der Garantie, dass er nicht von einem Hacker abgefangen wird. Die Methode basiert
auf der Kodierung der gesendeten Bits mit
einzelnen Photonen. Somit beruht die Sicherheit des Schlüssels auf fundamentalen
Gesetzen der Quantenmechanik: Da Einzelphotonen nicht geteilt werden können,
kann ein Lauscher keine unbemerkte Messung des Quantenbitsignals machen. Er
müsste es abfangen und neu aussenden.
Single photon detection is employed in a
wide range of applications in science and
technology. Conventionally single photons have been detected, in either the vacuum photomultiplier tube (PMT) or the
semiconductor avalanche photodiode
(APD), by multiplying the signal due to a
single photo-excited electron with an
avalanche process. We describe here a
novel method for detecting single photons using a field effect transistor (FET)
containing quantum dots and discuss the
potential merits of the device.
Single Photons
The idea of light being comprised of indivisible quanta was first introduced by
Planck almost exactly 100 years ago.
Planck found he could accurately describe
the form of the emission spectra of a
glowing hot object, if he assumed the
light was emitted in multiples of a certain
quantum. However, at the time, there was
no apparent explanation for this mathematical fix, and even Planck himself was
sceptical of the idea. In 1905 Einstein gave
further credibility to the quantisation of
light, by showing it could also explain the
photoelectric effect. Since then, quantum
theory has proven successful in explaining
a wide range of phenomena and is now
firmly accepted as a foundation of modern Physics.
One such quantum, a photon, corresponds to an extraordinarily ‘dim’ optical
signal. This can be gauged from the fact
that an ordinary 100 W light bulb will emit
approximately 10,000,000,000,000,000,000
(1019 or 10 billion billion) photons every
second. Counting individual photons provides the optimal method of measuring
very weak optical signals, as it allows amplifier noise to be eliminated, leaving just
the random statistical variations in the
source intensity.
Applications
The technique of single photon detection
is already widely used today in a diverse
range of applications, for instance, in various forms of x-ray and radioisotope imaging in medical imaging and, more recently, in laser optical imaging at infra-red
wavelengths. Lifetime fluorescence measurements using single photon counting
(SPC) can also be used in the diagnosis of
some medical conditions. It is employed in
analytical chemistry for determining the
chemical recipe of samples. Another application is in laser ranging, tracking and
imaging and for industrial scanning and
process control. Single photon detection
is also widely used in scientific research in
the fields of particle physics, astrophysics
and materials science.
Another emerging application for single
photon technology is in the exciting new
field of quantum information technology.
There is currently much interest in using
quantum cryptography to secure transactions over open optical networks. For example, quantum key distribution allows
two users to form a shared cryptographic
key with a guarantee that it has not been
intercepted by a hacker. The technique is
based upon encoding the transmitted bits
upon single photons. The key’s security is
then founded upon fundamental laws of
quantum mechanics: Since single photons
don’t split, an eavesdropper can not make
any unseen measurement of the quantum
bit signal. It would have to be intercepted
and then retransmitted, allowing the legitimate receipient to detect that the photons’ state has been altered, since the
„no-cloning“ theorem in quantum mechanics prevents the hacker measuring
and copying all the information in a quantum bit. Several research groups have
demonstrated the viability of key distribution over several tens of kilometres of optical fibre. However, since fibre length and
bit rate of state-of-the-art systems are limited by the high dark count noise in the
APD, there is currently much interest in
developing less noisy single photon detectors.
Detecting single photons
Optical detectors convert light into an
electrical signal. For example, photoemissive materials can emit an electron in response to a single photon. However, the
electrical signal due to a single photon-induced electron would be too small to
measure directly. Therefore in conventional types of single photon detectors,
such as PMT or APD, the photo-excited
electron is multiplied using an avalanche
process to produce a detectable current.
PMTs, which are based on vacuum tube
technology, are good detectors for the
very low light levels present in many applications and they can achieve high temporal resolutions of 10 – 100 ps using microchannel plate (MCP) type designs.
However, they are also relatively bulky and
fragile, they are easily damaged by excess
Der legitime Empfänger könnte dann
feststellen, dass der
Zustand der Photonen geändert wurde, da das „No-Cloning“ Theorem in
der Quantenmechanik das Messen und
Kopieren des gesamten
Informationsgehalts eines
Quantenbits verbietet. Verschiedene
Forschungsgruppen
haben die Machbarkeit einer solchen
Schlüsselübertragung über Lichtwel- Abbildung 1: In einem Atomkraftmikroskop (AFM) aufgenommelenleiter von mehre- nes Bild der Inseln, die nach dem Aufbringen einer dünnen Schicht
ren zehn Kilometern von InAs auf GaAs durch Molekülstrahl-Epitaxie entstehen. Diese
Länge demonstriert. Nanometer-großen Inseln bilden die Quantenpunkte.
Da jedoch Faserlänge und Übertra- Figure 1: Image recorded in an Atomic Force Microscope (AFM) of
gungsrate
der the islands formed after depositing a thin layer of InAs upon GaAs
gegenwärtig besten by molecular beam epitaxy. These nanometer sized islands form the
Systeme von der ho- quantum dots.
hen APD-Dunkelzählrate begegrenzt werden, besteht dernoch mehr als PMTs zum Rauschen neigen.
zeit viel Interesse an der Entwicklung
Außerdem benötigen sie nach wie vor horauscharmer Einzelphotonen-Detektoren.
he Spannungen und sind sehr empfindlich
gegenüber Temperatur und Überspannungen. Besonders problematisch für APDs, die
Nachweis einzelner Photonen
im SPC-Modus betrieben werden, ist das
Phänomen des Nachpulsens. Es ist ein
Optische Detektoren wandeln Licht in elekNebenprodukt des Lawinenprozesses und
trische Signale um. So können beispielsverursacht nach der Detektion eines
weise photoemissive Materialien als AntPhotons manchmal (in bis zu ~20 % der Fälwort auf ein einzelnes Photon ein Elektron
le) einen Pseudo-Puls. Das Nachpulsen ist
emittieren. Das elektrische Signal, das durch
besonders dominant bei hohen Wiederholein einzelnes photo-induziertes Elektron
raten, was unglücklicherweise für manche
verursacht wird, ist jedoch zu klein um es diAnwendungen gerade die erwünschte Siturekt zu messen. Deshalb wird das Photoation ist.
elektron bei konventionellen EinzelphotoVor kurzem haben wir bei TREL einen neunen-Detektoren wie PMT oder APD mit Hilartigen Einzelphotonen-Detektor entwife eines Lawinenprozesses multipliziert, um
ckelt, der nach einem ganz anderen Prinzip
einen detektierbaren Strom zu erzeugen.
arbeitet, als konventionelle Detektoren, und
PMTs, die auf Vakuumröhren-Technologie
deshalb einige ihrer Probleme überwinden
basieren, sind in vielen Anwendungen gute
kann. Da das Prinzp des neuen Detektors
Detektoren für sehr geringe Lichtleistunnicht auf einem Lawinenprozess beruht, ist
gen, und sie können mit Hilfe des Mikrokaer nicht vom Nachpuls-Problem betroffen,
nal-Designs (microchannel plate, MCP) howährend er dennoch schnell, empfindlich,
he zeitliche Auflösungen von 10 – 100 ps errobust und billig herstellbar ist. Im Herzstück
reichen. Sie sind aber auch relativ sperrig
des neuen Detektors befinden sich winzige
und zerbrechlich, sie werden leicht durch
Halbleiterregionen, die Quantenpunkte geübermäßige Lichtintensität oder durch Übernannt werden.
spannungen beschädigt, sie haben einen
beschränkten dynamischen Bereich, eine relativ niedrige Quanteneffizienz und benötiQuantenpunkte
gen eine hohe Versorgungsspannung.
Für manche Anwendungen ist daher das
Ein Quantenpunkt ist eine Halbleiterbereich
Photonenzählen mit APDs zweckmäßiger.
mit Nanometer-Dimension, eingebettet in
Sie sind quasi das Halbleiter-Analogon der
ein anderes Material mit größerer BandlüPMTs, insofern als sie ebenfalls Lawinencke. Elektronen in einem großflächigen
prozesse verwenden, um das Signal einzelHalbleiterbereich können eine breite Enerner photo-angeregter Ladungsträger zu
gieverteilung einnehmen, je nachdem wie
vervielfachen. APDs sind kompakte, robusschnell sie sich bewegen. Innerhalb eines
te, monolithische Detektoren, obwohl sie
Quantenpunktes wird die Bewegung von
Photonik
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Abbildung 2: (a) Transmissionselektronenmikroskopische Aufsicht von InAs-Quantenpunkten innerhalb einer GaAs-Probe. Die Punkte sind wegen der von ihnen erzeugten Gitterspannung sichtbar. (b) Quantenpunkt-Querschnit in einer sehr dünnen Materialscheibe.
Figure 2: (a) Plan view image of InAs quantum dots within a GaAs sample recording by
Transmission Electron Microscopy (TEM). The dots are visible because of the strain they produce in the lattice. (b) Cross-sectional view of the quantum dot in a very thin slice of the
material.
Elektronen jedoch durch begrenzende Barrieren behindert. Folglich zeigen Elektronen
dort viele seltsame Eigenschaften, die sie in
großen Halbleiterbereichen nicht besitzen.
Zum Beispiel haben die Elektronen keine kinetische Energie, wenn sie in einem Quantenpunkt eingesperrt sind, und besetzen
deshalb wie in Atomen spektral scharfe
Energieniveaus.
Weil Quantenpunkte eine niedrigere Leitungsband-Energie als das umliegende Material besitzen, neigen sie dazu, Elektronen
einzufangen. Jeder Quantenpunkt hat eine
begrenzte Kapazität für Elektronen, die von
seiner Größe abhängt und von der Tatsache,
dass sich die Elektronen wegen ihrer negativen Ladung gegenseitig abstoßen. Eingefangen innerhalb der festen Begrenzung
des Punkts, erfahren die Elektronen eine
verstärkte Wechselwirkung nicht nur innerhalb des Punkts, sondern auch mit der unmittelbaren Umgebung. Im QuantenpunktEinzelphotonen-Detektor führt dies dazu,
dass die negative Ladung innerhalb der
Punkte das Fließen eines Stromes in einer
nahegelegenen Sensorschicht hemmt, und
zwar mittels der abstoßenden Wechselwirkung zwischen den Elektronen in der leitenden Schicht und jenen im Quantenpunkt. Folglich erzeugt die photonen-induzierte Freigabe eines Elektrons aus einem
Quantenpunkt eine nachweisbare Änderung des Stroms in der benachbarten sensitiven Schicht.
Herstellung von Quantenpunkten
Viele der neuartigen Eigenschaften von
Quantenpunkten sind attraktiv für Detektor-Anwendungen. Während diese Vorteile
schon seit einiger Zeit geschätzt wurden,
war es weniger bekannt, wie praktikabel
Quantenpunkte hergestellt werden können. Anfangs beruhten die Techniken auf
dem Strukturieren und Ätzen zweidimen4
Photonik
sionaler Quantenmulden (quantum wells)
mit Hilfe der Photo- oder ElektronenstrahlLithographie. Der Ätzprozess tendiert jedoch dazu, Schadstellen zu verursachen.
Außerdem erwies es sich selbst mit modernsten lithographischen Strukturierungsverfahren als schwierig, Quantenpunkte
herzustellen, die hinreichend klein für quantenmechanisches Verhalten bei Raumtemperatur sind. Wenn die Energieniveaus
des Quantenpunkts durch weniger als die
thermische Energie der Gitterphononen
25 meV bei Raumtemperatur) getrennt
sind, können Ladungsträger zwischen mehreren Energieniveaus in den Quantenpunkten springen, und die neuartigen nulldimensionalen Eigenschaften sind verloren.
Während der 1990er Jahre entwickelten
mehrere Forschungsgruppen einen alternativen Ansatz zur Herstellung von Quantenpunkten, basierend auf einem natürlichen
Wachstumsvorgang für Halbleiter auf Substraten mit abweichender Gitterkonstante.
Das am intensivsten untersuchte System ist
InAs auf GaAs, wenngleich ähnliche Methoden für ein breites Spektrum anderer
verspannter Halbleitersysteme demonstriert
worden sind. InAs wächst zunächst auf
GaAs als sehr dünne, hochgradig verspannte Schicht auf, die sogenannte Benetzungsschicht. Jenseits einer kritischen Dicke von
einigen Monolagen beginnen jedoch winzige Inseln, sich auf der Benetzungsschicht
selbst zu formieren um die Oberflächenspannung zu reduzieren. Abbildung 1
zeigt ein mittels Atomkraftmikroskopie aufgenommenes Bild einer GaAs-Schicht,
nachdem eine dünne Schicht von InAs deponiert worden ist und zufällig verteilte Inseln auf der Wachstumsoberfläche erzeugt
hat. Durch Aufwachsen einer weiteren
GaAs-Schicht über diesen Inseln werden die
Quantenpunkte in das GaAs-Gitter eingebettet, wie in der TEM-Aufnahme in Abbildung 2 zu erkennen ist. In dem InAs/GaAs-
light or voltage, they have a limited dynamic range, a relatively low quantum efficiency and require a high voltage supply.
Some applications are therefore better
suited to the photon counting APD, which
is the semiconductor analogue of the
PMT, in as much that it also uses an
avalanche process to multiply the signal
due to a single photo-excited carrier. APDs
provide a compact, robust, monolithic detector, although they tend to be more
prone to noise than PMTs, while still requiring high voltages and being very sensitive to temperature and excess bias. Particularly problematic for APDs used in SPC
mode is the phenomenon of after-pulsing
which is a by-product of the avalanche
process and sometimes (at worst in
~20 % of the cases) causes another spurious pulse to be produced after a photon
has been detected. After-pulsing is especially prevalent at high repetition rates,
which unfortunately is the desired situation for some applications.
Recently we, at Toshiba Research Europe
Limited, have developed a new type of
single photon detector, which works on
an entirely different principle to conventional detectors and may therefore overcome some of their problems. Since the
new device does not reply upon an
avalanche process, it is not affected by the
after-pulsing problem, while also being
fast, sensitive, robust and cheap to manufacture. At the heart of the new device
are tiny regions of semiconductor called
quantum dots.
Quantum Dots
A quantum dot is a nanometer sized semiconductor region within another material
of larger bandgap. The electrons in a bulk
semiconductor can have a wide spread of
energies depending on how fast they are
moving. In a quantum dot, however, the
motion of the electrons is prevented by
the confining barriers. As a result, electrons in quantum dots show many peculiar properties not seen in bulk semiconductors. For instance, since the electrons
in a quantum dot are confined, they have
no kinetic energy and therefore occupy
spectrally-sharp energy levels, like those
found in atoms.
Quantum dots tend to trap electrons due
to the fact that they have a lower conduction band energy than their surrounding material. Each quantum dot has a finite capacity for electrons, which depends
on the size of the dot and secondly, the
fact that the electrons have a mutual
repulsion due to their negative charge.
Trapped within the tight confines of the
dot, the electrons experience an enhanced interaction, not only within the
dot, but also with the immediate surrounds. In the quantum dot single photon
detector, the negative charge trapped
within the dots limits the current flowing
in a nearby thin sensing layer via the repulsion of the electrons in the conducting
layer from those in the dot. Thus a photon-induced release of one electron from
a dot produces a detectable change in the
current through the adjacent sensing layer.
Fabrication of Quantum Dots
Many of the novel properties displayed by
quantum dots are attractive for device applications. While these advantages have
been appreciated for some time, it has
been less obvious how useful quantum
dots could be fabricated. Initial techniques relied upon the patterning and
etching of two dimensional quantum
wells using photo- or electron beam lithography. However, the etching process
tends to introduce damage, and, furthermore, even with state-of-the-art lithographic patterning, it is difficult to produce quantum dots which are sufficiently
small for quantum-like behaviour at room
temperature. If the energy levels of the
quantum dot are separated by less than
the thermal energy of the lattice phonons
(25 meV at room temperature), carriers
are able to jump between several of the
dot energy levels and the novel zero dimensional properties are lost.
During the 1990’s several research groups
developed an alternative approach to
forming dots based upon a natural
growth mode for semiconductors on a
substrate with different lattice constant.
The most intensively studied system is
InAs on GaAs, although similar techniques have been demonstrated for a
wide range of other strained semiconductor systems. InAs grows initially on
GaAs as a very thin, highly-strained sheet,
called the wetting layer. However, beyond
a critical thickness of a few monolayers,
tiny islands begin to form on top of the
wetting layer in order to minimise the
strain. Figure 1 shows an image taken in
an atomic force microscope of a GaAs layer after a thin layer of InAs has been deposited, producing randomly distributed
islands on the growth surface. By growing
another layer of GaAs on top of these islands, quantum dots are encapsulated in
the GaAs lattice, as shown in the transmission electron micrographs in Figure 2.
For the InAs/GaAs system the quantum
dots typically have a height of 8 nm and a
lateral dimension of 30 nm: small enough
to produce zero dimensional behaviour at
room temperature. An important attribute of this fabrication method is that
Abbildung 3: Schema des Quantenpunkt-Einzelphotonen-Detektors. Er besteht aus einem
GaAs/AlGaAs Feldeffekt-Transistor (FET) mit einer eingefügten Schicht von InAs-Quantenpunkten nahe dem leitenden Kanal. Die Punkte füllen sich mit Elektronen, deren negative
Ladung den Stromfluss im Kanal begrenzt.
Figure 3: Schematic of the quantum dot single photon detector. It consists of a GaAs/AlGaAs field effect transistor (FET), where a layer of InAs quantum dots have been inserted
close to the conducting channel. The dots fill with electrons and their negative charge limits the current flowing along the channel.
System haben die Quantenpunkte typischerweise eine Höhe von 8 nm und eine
seitliche Ausdehnung von 30 nm: klein genug um nulldimensionales Verhalten bei
Raumtemperatur hervorzurufen. Ein wichtiges Attribut dieser Herstellungsmethode ist,
dass sie eine hohe Punktedichte erzeugen
kann, was für die meisten Anwendungen
bedeutsam ist. Da sie keine Weiterverarbeitung erfordert, ist es auch eine relativ kostengünstige und praktische Methode. Größe und Dichte der Punkte können durch Ändern der Wachstumsparameter maßgeschneidert werden.
Quantenpunkt-Transistor
Mit Hilfe von selbstorganisiertem Wachstum hergestellte Quantenpunkte haben
den Vorteil, dass sie ohne komplizierte Verarbeitungsschritte leicht in Strukturen integriert werden können. Bei TREL haben wir
eine Quantenpunkt-Schicht in einen FET integriert um einen Einzelphotonen-Detektor
zu erzeugen. Dieser Aufbau basiert auf einer Transistorstruktur mit einer Quantenpunkt-Schicht nahe benachbart zur Leitungskanal-Schicht. Wenn der Abstand zwischen den Quantenpunkten und dem Kanal
nur wenige Nanometer beträgt, wird der
Widerstand des Transistorkanals empfindlich für eine Besetzungs-Änderung eines
einzelnen Quantenpunkts um ein einziges
Elektron. Diese Eigenschaft erlaubt es der
Struktur, als Einzelphotonen-Detektor zu
fungieren, da die Absorption eines Photons
im Halbleiter ein Elektronen-Loch-Paar erzeugt. Das Einfangen des positiv geladenen
Lochs durch einen der negativ geladenen
Punkte bewirkt eine nachweisbare Änderung des Kanalwiderstandes.
Abbildung 3 zeigt ein Schema der Detektorstruktur. Er besteht aus einem mit
GaAs/Al0.33Ga0.67As modulationsdotierten
FET, der eine Schicht von InAs-Quantenpunkten enthält, die vom leitenden GaAsKanal durch eine dünne Al0.33Ga0.67As-Barriere getrennt ist. Da es in den Quantenpunkten Niveaus gibt, die bei niedrigeren
Energien als die Leitungsbandkante des
GaAs-Kanals liegen, fängt jeder Punkt mehrere Überschusselektronen ein. Diese negative Ladung induziert ein abstoßendes Potential, welches Elektronen aus dem direkt
benachbarten Bereich des Kanals verdrängt,
so dass dieser eine relativ niedrige Elektronenbeweglichkeit besitzt. Bei einer Elektronendichte, für die der Kanal eine niedrige
aber finite Leitfähigkeit hat, ist der Kanalstrom äußerst empfindlich für die in den
Punkten eingefangene Ladung. Von einfallendem Licht photo-induzierte Ladungsträger werden von den Punkten eingefangen
und ändern dadurch die Leitfähigkeit des
Kanals. Wenn also die aktive Fläche des Detektors eine hinreichend kleine Anzahl von
Quantenpunkten enthält, dann ist es möglich, eine Änderung in der Kanal-Leitfähigkeit nachzuweisen, die durch das Einfangen
eines einzelnen photo-angeregten Ladungsträgers in einem einzigen Quantenpunkt hervorgerufen wird.
Abbildung 4 veranschaulicht den Nachweis von Einzelphotonen durch den Detektor. Die Kurve zeigt die Änderung der KanalLeitfähigkeit als Funktion der Zeit unter sehr
Photonik
5
OPTISCHE M ESSTECHNIK / OPTICAL M EASURING
dass eine Quanteneffizienz vergleichbar mit
oder größer als bei APDs möglich wird.
Zusammenfassung
Abbildung 4: Leitfähigkeit des Einzelphotonen-Detektors, gemessen bei sehr schwacher Beleuchtung. Jede schrittweise Leitfähigkeitszunahme ist durch Absorption eines einzelnen Photons verursacht. Durch
Differenzieren können diese photo-induzierten Ereignisse eindeutig vom Hintergrund unterschieden werden.
Figure 4: Conductance of the single photon detector measured under very weak illumination. Each step-like increase in the
conductance is due to absorption of a single
photon. When differentiated, these photon-induced events can be clearly distinguished from the background noise.
schwacher Beleuchtung durch eine LED, bei
einem Strom von 2 µA. Vor der Beleuchtung
wird zuerst ein Spannungspuls angelegt,
um die Punkte unter der Gate-Region mit
Elektronen aufzuladen, was zu einer anfangs niedrigen Source-Drain-Leitfähigkeit
führt. Es fällt auf, dass unter Beleuchtung
die Leitfähigkeit in einer Serie von abrupten
Schritten zunimmt, von denen jeder durch
das Entladen eines Quantenpunkts im Bereich der Gate-Elektrode durch ein einzelnes
Photon verursacht wurde. Diese Daten wurden aufgezeichnet mit einem durch flüssiges Helium auf 4 K gekühlten Detektor, obgleich ähnliches Benehmen bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff von 77 K zu
beobachten ist. Prinzipiell könnte der Detektor auch mit lediglich thermoelektrischer
Kühlung bei Temperaturen oberhalb 200 K
betrieben werden.
Die Nachweiseffizienz dieser Struktur wurde mit etwa 1 % abgeschätzt, vergleichbar
mit dem Wert für PMTs, aber weniger als bei
den besten Einzelphotonen-APDs. Allerdings wird die Effizienz dieses frühen Detektor-Prototyps noch von der Tatsache begrenzt, dass 75 % des einfallenden Lichts
durch das metallische Gate an der Oberfläche reflektiert werden. Weiterhin wird von
dem durchgelassenen Anteil des Lichts nur
ein kleiner Bruchteil (etwa 5 %) in der Kanal- und Quantenpunkt-Schicht absorbiert.
Durch Verwenden einer transmittierenden
Gate-Elektrode und Umgestaltung der
Schichtstruktur, so dass mehr Licht in der aktive Region absorbiert wird, ist zu erwarten,
6
Photonik
Obwohl noch mehrere Herausforderungen
zu lösen bleiben, sind wir überzeugt, dass
sich Quantenpunktstrukturen als attraktiv
für den Nachweis von Einzelphotonen erweisen werden. Ein Detektor mit kurzem
Transistor-Gate sollte im sub-Nanosekunden-Bereich ansprechen. Es sollte auch
möglich sein, die Quanteneffizienz durch
Einsatz transparenter Kontakte und einer
optimierten Schichtstruktur auf Werte deutlich über 10 % zu steigern.
Der Quantenpunkt-Detektor bietet mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Einzelphotonen-Detektortypen, die auf Lawinenprozessen basieren. Er wird robuster
sein und eine höhere Quanteneffizienz besitzen als PMTs, zugleich aber auch rauschärmer sein als APDs. Tatsächlich deuten erste Messungen der Dunkelzählrate darauf
hin, dass das Rauschen um Größenordnungen geringer ist, als normalerweise bei APDs.
Da der Quantenpunktdetektor mittels Standard-Photolithographie produziert werden
kann, sollte er sich auch als relativ preiswert
herstellbar erweisen, so dass er vielleicht
neue Anwendungen für den Einzelphotonennachweis erschließen kann.
Danksagung
Die Autoren möchten David Ritchie, Ian Farrer, Martin O’Sullivan, Beata Kardynal, Neil
Beattie und Neil Curson für ihre Hilfe danken,
sowie Jun Yuan für die TEM Abbildungen.
Übersetzung: J. Kuppe
Ansprechpartner / author contact:
Dr. Andrew J. Shields / Prof. Michael Pepper
Toshiba Research Europe Limited
Cambridge Research Laboratory
260 Cambridge Science Park, Milton Road
Cambridge CB4 0WE, United Kingdom
Tel. +44 / (0)1223 / 436-900
Fax +44 / (0)1223 / 436-909
eMail: [email protected]
Literatur / further reading:
A. J. Shields et al., “Detection of single
photons using a field effect transistor gated
by a layer of self-organised quantum dots”,
Appl. Phys. Lett. 76, 3673 (2000)
D. Bimberg, M. Grundmann and N. N. Ledentsov, “Quantum dot heterostructures”,
John Wiley and Sons Chichester, 1998
Hoi-Kwong Lo, Sandu Popescu, Tim Spiller,
“Introduction to Quantum Computation
and Information”, World Scientific Publishing
it can produce a high density of dots,
which is important for most applications.
Since it does not involve processing, it is
also relatively cheap and convenient. The
size and density of the dots can be tailored
by altering the growth parameters.
Quantum Dot Transistor
Quantum dots prepared using self-organised growth modes have the advantage
that they can be easily incorporated into
device structures without complicated
processing. At TREL we have integrated a
layer of quantum dots inside an FET in order to make a device for detecting single
photons. The structure is based upon a
transistor in which the conducting channel is closely spaced from a layer of quantum dots. If the separation of the quantum dots and the channel is just several
nanometers, the resistance of the transistor channel is sensitive to a change in the
occupancy of a single quantum dot by just
a single electron. This attribute allows the
device to act as a detector of single photons, since absorption of a photon creates
an electron-hole pair in the semiconductor. The capture of the positively charged
hole by one of the negatively charged dots
produces a detectable change in the
channel resistance.
In Figure 3, a schematic of the device
structure is shown. The device consists of
a GaAs/Al0.33Ga0.67As modulation doped
FET, containing a layer of InAs quantum
dots separated from the conducting GaAs
channel by a thin Al0.33Ga0.67As barrier.
Since there are levels in the quantum dots
lying at lower energies than the conduction band edge of the GaAs channel, each
dot traps several excess electrons. This
negative charge induces a repulsive potential, depleting the channel of electrons
in regions adjacent to each quantum dot,
which consequently has relatively low
electron mobility. At the electron densities
for which the channel has a low but finite
conductivity, the channel current is extremely sensitive to the charge trapped in
the dots. Carriers photo-excited by incident light are captured by the dots, thereby altering the conductivity of the channel. Thus if the active area of the device
contains a sufficiently small number of
quantum dots, it is possible to detect a
change in the channel conductance due
to capture of a single photo-excited carrier by a dot.
Figure 4 demonstrates detection of single photons by the device. The curve plots
the change in channel conductance with
time under very weak illumination by a
LED at a current of 2 mA. Prior to illumination, a voltage pulse is applied so as to
charge the dots under the gate region
with electrons, resulting in a low sourcedrain conductance initially. Notice that under illumination the conductance rises in
a series of sharp steps, each of which is
due to the discharging of a quantum dot
under the gate area by a single photon.
This data was recorded with the device
cooled by liquid Helium at 4 K, although
similar behaviour is observed at liquid nitrogen temperature of 77 K. In principle
the device could operate at temperatures
above 200 K, for which thermoelectric
coolers can be used.
The detection efficiency of this structure
was estimated to be about 1 %, comparable to the value for PMTs, but less than
that of the best photon counting APDs.
However, in this early prototype of the device, the efficiency is limited by the fact
that 75 % of the incident light is reflected
by the metal gate on the surface. Furthermore, of the light that does penetrate
the gate, only a small fraction (about 5 %)
is absorbed in the channel and quantum
dot layers. By using a transmitting gate
contact and redesigning the layer structure to allow more of the light to be absorbed in the active region, we anticipate
the quantum efficiency can be comparable to, or greater than, that of APDs.
Summary
Although several challenges remain, we
believe quantum dot structures will prove
attractive for detecting single photons.
The device, which is based on a short-gate
transistor, should show a sub-nanosecond
instrument response. It should also be
possible to enhance the quantum efficiency to values well in excess of 10 % by
using transparent contacts and an optimised layer structure.
The quantum dot detector will offer several advantages over conventional types of
single photon detectors based on
avalanche processes. It will be more robust
and have higher quantum efficiency than
PMTs, while also being less noisy than
APDs. Indeed preliminary measurements
of the dark count noise, suggest rates
which are orders of magnitude lower than
that typically displayed by APDs. Furthermore, since the quantum dot detector can
be produced by standard photolithography, it should prove relatively cheap to
manufacture, perhaps opening new applications for single photon detection.
ANZEIGE(N)
oder
NProdukte
Acknowledgements
The authors wish to acknowledge the
help of David Ritchie, Ian Farrer, Martin
O’Sullivan, Beata Kardynal, Neil Beattie,
Neil Curson and thank Jun Yuan for the
TEM images.
Photonik
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