JP2006222394A

JP2006222394A - Single photon generator

Info

Publication number: JP2006222394A
Application number: JP2005036692A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Usuki; 達哉臼杵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP4531583B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact single photon generator for generating single photons with high quality, without making it necessary to install external light sources. <P>SOLUTION: A single-photon generator A, including a single-photon source (quantum dot) 14, and a semiconductor laser B, equipped with an active layer constituted of the same materials as those of the single-photon source 14, are formed so as to be integrated into a chip, in a status where they are isolated from each other on a compound semiconductor substrate 10, and the single-photon source 14 of the single-photon generating part A is irradiated with laser that is oscillated from the active layer of the semiconductor laser B in a self-aligned manner. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は単一光子発生装置に係り、さらに詳しくは、量子情報通信に使用される単一光子パルスを発生させる光源に適用できる単一光子発生装置に関する。 The present invention relates to a single photon generator, and more particularly to a single photon generator applicable to a light source that generates a single photon pulse used in quantum information communication.

近年、インターネット上での電子商取引の普及に伴い、より安全性の高い通信に対する需要が高まっている。その中でも極めて安全性の高い暗号通信として量子暗号通信が注目されている。量子暗号通信の実現には１パルスに含まれる光子を１個に制限できる単一光子発生装置が必要となる。 In recent years, with the spread of electronic commerce on the Internet, the demand for more secure communication is increasing. Among them, quantum cryptography communication is attracting attention as extremely secure cryptography communication. Realization of quantum cryptography communication requires a single photon generator capable of limiting the number of photons contained in one pulse to one.

従来の単一光子を発生させる方法として、第１の方法としては、２層のバリア層の間に量子ドットが閉じ込められた構造のデバイスのバリア層に短波長の光（励起光）を照射して電荷（電子と正孔）を励起し、その電荷を量子ドットに流し込み、電子と正孔を再結合させることによって単一光子を発生させる方法がある。これに類似する方法は、特許文献１及び２に記載されている。 As a conventional method for generating a single photon, a first method is to irradiate a barrier layer of a device having a structure in which quantum dots are confined between two barrier layers with light (excitation light). There is a method of generating single photons by exciting charges (electrons and holes), flowing the charges into quantum dots, and recombining electrons and holes. Similar methods are described in US Pat.

第２の方法としては、半導体のｐ-ｎ接合を利用して量子ドットに電気的に電荷（電子と正孔）を注入し、電子と正孔を再結合させることによって単一光子を発生させる方法がある。
特開２００４−２５３６５７号公報特開２００１−２３０４４５号公報 As a second method, a single photon is generated by injecting charges (electrons and holes) into a quantum dot using a semiconductor pn junction and recombining the electrons and holes. There is a way.
JP 2004-253657 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-230445

上記した第１の方法では、単一光子源である量子ドットに電荷を流し込む途中で電荷が欠陥などにトラップされやすく、不必要な波長の発光が混在するなどの不具合が発生し、高品質の単一光子が得られない場合がある。高品質の単一光子を発生させるための理想的方法は、励起波長を上手く調整し、単一光子源内の励起準位に電荷を直接励起することである。 In the first method described above, the charge is easily trapped by a defect or the like in the course of flowing the charge into the quantum dot that is a single photon source, and there is a problem such as the emission of unnecessary wavelengths. Single photons may not be obtained. The ideal way to generate a high quality single photon is to tune the excitation wavelength and excite the charge directly to the excitation level in the single photon source.

しかしながら、現実には、励起光の波長を量子ドット内の励起準位に正確に調整するためには大掛かりな外部光源システムが必要であり、しかも励起光の吸収効率が悪いため励起光を量子ドットに正確に位置合わせして集中させる必要があり、そのような技術を開発するのは困難を極める。 However, in reality, in order to accurately adjust the wavelength of the excitation light to the excitation level in the quantum dot, a large external light source system is required, and since the absorption efficiency of the excitation light is poor, the excitation light is converted into the quantum dot. It is extremely difficult to develop such a technology.

また、上記した第２の方法では、外部に光源を設ける必要はないものの、量子ドットに電荷を流し込むまでに電荷が欠陥などにトラップされる可能性があるので、第１の方法と同様に、不必要な波長の発光が混在するなどの不具合が発生し、高品質の単一光子を得ることは困難である。 In addition, in the second method described above, although it is not necessary to provide a light source outside, there is a possibility that charges are trapped in a defect or the like before the charge flows into the quantum dots. It is difficult to obtain high-quality single photons due to problems such as emission of unnecessary wavelengths.

以上のように、従来技術では、外部に光源を特別に用意する必要があったり、高品質の単一光子を安定して出力できなかったりする問題がある。 As described above, the conventional techniques have a problem that it is necessary to specially prepare an external light source, and high-quality single photons cannot be stably output.

本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、外部に光源を必要とせずに、高品質の単一光子を発生できるコンパクトな単一光子発生装置を提供することを目的とする。 The present invention has been created in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a compact single photon generator that can generate high-quality single photons without requiring an external light source.

上記課題を解決するため、本発明は、単一光子発生装置に係り、化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板の上に形成され、単一光子源を含む単一光子発生部と、前記化合物半導体基板上に前記単一光子発生部から分離されて形成され、前記単一光子源と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とを有し、前記半導体レーザ部の前記活性層から発振されるレーザが前記単一光子発生部の前記単一光子源に照射されることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention relates to a single photon generator, a compound semiconductor substrate, a single photon generator formed on the compound semiconductor substrate and including a single photon source, and the compound semiconductor. A semiconductor laser unit formed on a substrate and separated from the single photon generation unit and having an active layer of the same material as the single photon source, and oscillated from the active layer of the semiconductor laser unit A laser is irradiated to the single photon source of the single photon generator.

本発明の単一光子発生装置では、化合物半導体基板上に、単一光子源（量子ドット）を含む単一光子発生部と、その単一光子源（量子ドット）と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とが１チップ化されて設けられている。そして、半導体レーザ部から水平方向に発振されるレーザが単一光子発生部の単一光子源に照射されて単一光子を得るための励起光として利用される。 In the single photon generator of the present invention, a single photon generator including a single photon source (quantum dot) and an active layer made of the same material as the single photon source (quantum dot) are provided on a compound semiconductor substrate. The semiconductor laser part is provided as a single chip. A laser oscillated in the horizontal direction from the semiconductor laser unit is applied to the single photon source of the single photon generation unit and used as excitation light for obtaining a single photon.

単一光子発生部の単一光子源と半導体レーザの活性層は、化合物半導体基板上に同一材料でしかも同じプロセスで作り込まれるので、半導体レーザ部から発振されるレーザ（励起光）の波長を単一光子発生部の単一光子源の励起準位に容易に一致させることができる。さらに、単一光子発生部の単一光子源と半導体レーザの活性層は、厚み方向において同一面（化合物半導体基板上の同じ高さ）に形成されるので、半導体レーザ部から発振されるレーザ（励起光）は単一光子発生部の単一光子源に自己整合的に位置合わせされて照射される。 Since the single photon source of the single photon generator and the active layer of the semiconductor laser are made of the same material and in the same process on the compound semiconductor substrate, the wavelength of the laser (excitation light) oscillated from the semiconductor laser unit can be reduced. It can be easily matched with the excitation level of the single photon source of the single photon generator. Furthermore, since the single photon source of the single photon generator and the active layer of the semiconductor laser are formed on the same surface (the same height on the compound semiconductor substrate) in the thickness direction, a laser ( Excitation light) is irradiated in alignment with the single photon source of the single photon generator in a self-aligned manner.

このように、本発明では、半導体レーザ部から発振される励起光を単一光子発生部の単一光子源（量子ドット）に対して位置と波長の２つを同時に自己整合させることができ、これによって高品質の単一光子を発生させることができる。 As described above, in the present invention, the excitation light oscillated from the semiconductor laser unit can be self-aligned simultaneously with the position and wavelength of the single photon source (quantum dot) of the single photon generation unit, This can generate high quality single photons.

従って、光励起型の単一光子発生装置であるにもかかわらず大掛かりな光源システムを構築することなく、コンパクトな装置構成で容易に高品質の単一光子を得ることができる。しかも、励起光の波長を単一光子源（量子ドット）の励起準位に正確に調整する必要もなく、照射位置を微調整する必要もない。さらには、単一光子源に直接励起光を照射して電荷を励起するので、電荷が欠陥などにトラップされるおそれもない。 Therefore, high-quality single photons can be easily obtained with a compact device configuration without constructing a large-scale light source system in spite of being a photoexcited single photon generator. In addition, it is not necessary to accurately adjust the wavelength of the excitation light to the excitation level of the single photon source (quantum dot), and it is not necessary to finely adjust the irradiation position. Furthermore, since the charge is excited by directly irradiating the single photon source with excitation light, there is no possibility that the charge is trapped in a defect or the like.

以上説明したように、本発明では、光励起型にもかかわらず外部光源が不要でコンパクトな単一光子発生装置とすることができ、しかも高品質な単一光子が得られる。 As described above, according to the present invention, a compact single photon generator that does not require an external light source in spite of the photoexcitation type can be obtained, and a high-quality single photon can be obtained.

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

（第１の実施の形態）
図１〜図３は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）、図４は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。 (First embodiment)
1 to 3 are cross-sectional views (partial plan views) showing a method for manufacturing a single photon generator according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows the single photon generator according to the first embodiment of the present invention. It is sectional drawing shown.

第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法は、図１（ａ）に示すように、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０（化合物半導体基板）の上に第１ＧａＡｓバリア層１２（第１化合物半導体層）をエピタキシャル成長によって形成する。その後に、図１（ｂ）に示すように、第１ＧａＡｓバリア層１２の上にＩｎＡｓの薄膜結晶をエピタキシャル成長によって形成する。このとき、成長初期の段階においてＳＫ（Stranski-Krastanov）モードの成長が起こり、第１ＧａＡｓバリア層１２とＩｎＡｓ（薄膜結晶）との格子定数の差によってＩｎＡｓの成長量増加に伴う格子歪による系のエネルギー増大を抑制するように２次元から３次元への成長構造に遷移する。このとき、３次元成長のすぐ後に成長を停止させると、例えば厚さが４ｎｍ程度、直径が２０ｎｍ程度の極めて小さなピラミッド状のＩｎＡｓ結晶粒が自己組織的に複数形成され、このＩｎＡｓ結晶粒が量子ドット１４（単一光子源）として利用される。複数の量子ドット１４は、その面密度が例えば１０¹⁰個／ｃｍ²程度で形成される。 As shown in FIG. 1A, the manufacturing method of the single photon generating device of the first embodiment is as follows. First, a first GaAs barrier layer 12 (first compound semiconductor) is formed on an n-type GaAs substrate 10 (compound semiconductor substrate). Layer) is formed by epitaxial growth. Thereafter, as shown in FIG. 1B, an InAs thin film crystal is formed on the first GaAs barrier layer 12 by epitaxial growth. At this time, SK (Stranski-Krastanov) mode growth occurs at an early stage of growth, and the system due to lattice strain accompanying the increase in InAs growth amount due to the difference in lattice constant between the first GaAs barrier layer 12 and InAs (thin film crystal). A transition is made from a two-dimensional to three-dimensional growth structure to suppress the increase in energy. At this time, if the growth is stopped immediately after the three-dimensional growth, a plurality of extremely small pyramidal InAs crystal grains having a thickness of, for example, about 4 nm and a diameter of about 20 nm are formed in a self-organized manner. Used as dot 14 (single photon source). The plurality of quantum dots 14 are formed with a surface density of, for example, about 10 ¹⁰ pieces / cm ² .

続いて、図１（ｃ）に示すように、複数の量子ドット１４を被覆する第２ＧａＡｓバリア層１６（第２化合物半導体層）をエピタキシャル成長によって形成する。このようにして、複数の量子ドット１４は、第１ＧａＡｓバリア層１２と第２ＧａＡｓバリア層１６との間に閉じ込められる。以後、第１ＧａＡｓバリア層１２、量子ドット１４及び第２ＧａＡｓバリア層１６をまとめて量子ドット含有層５と呼ぶこともある。なお、第１、第２ＧａＡｓバリア層１２，１６の代わりに、ＩｎＰ層を使用してもよい。 Subsequently, as shown in FIG. 1C, a second GaAs barrier layer 16 (second compound semiconductor layer) covering the plurality of quantum dots 14 is formed by epitaxial growth. In this way, the plurality of quantum dots 14 are confined between the first GaAs barrier layer 12 and the second GaAs barrier layer 16. Hereinafter, the first GaAs barrier layer 12, the quantum dots 14, and the second GaAs barrier layer 16 may be collectively referred to as the quantum dot-containing layer 5. An InP layer may be used instead of the first and second GaAs barrier layers 12 and 16.

次いで、図１（ｄ）に示すように、第２ＧａＡｓバリア層１６の上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８（ｐ型化合物半導体層）をエピタキシャル成長によって形成する。上記した一連のエピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、又はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などによって行われる。 Next, as shown in FIG. 1D, a p-type GaAs contact layer 18 (p-type compound semiconductor layer) is formed on the second GaAs barrier layer 16 by epitaxial growth. The series of epitaxial growth described above is performed by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or MBE (Molecular Beam Epitaxy).

さらに、図２（ａ）に示すように、電子ビームリソグラフィにより、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の所要部上に開口部２０ｘが設けられたレジスト膜２０を形成する。続いて、そのレジスト膜２０をマスクにして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８、量子ドット含有層５（第２ＧａＡｓバリア層１６、量子ドット１４及び，第１ＧａＡｓバリア層１２）をＲＩＥにより順次エッチングする。その後に、レジスト膜２０が除去される。 Further, as shown in FIG. 2A, a resist film 20 having an opening 20x provided on a required portion of the p-type GaAs contact layer 18 is formed by electron beam lithography. Subsequently, using the resist film 20 as a mask, the p-type GaAs contact layer 18 and the quantum dot-containing layer 5 (second GaAs barrier layer 16, quantum dot 14, and first GaAs barrier layer 12) are sequentially etched by RIE. Thereafter, the resist film 20 is removed.

これにより、図２（ｂ）の断面図及び平面図に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８及び量子ドット含有層５に開口部５ｘが形成されて、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の中央部に円形の単一光子発生部Ａが設けられると共に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の周縁側にリング状の半導体レーザ部Ｂが単一光子発生部Ａから分離された状態で設けられる。 As a result, an opening 5x is formed in the p-type GaAs contact layer 18 and the quantum dot-containing layer 5 as shown in the sectional view and the plan view of FIG. A circular single photon generator A is provided, and a ring-shaped semiconductor laser part B is provided on the peripheral side of the n-type GaAs substrate 10 in a state separated from the single photon generator A.

次いで、図３（ａ）に示すように、電子ビームリソグラフィ又はフォトリソグラフィにより、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の周縁側の接続部１８ａが露出するように、単一光子発生部Ａから半導体レーザ部Ｂの内側部までの領域にレジスト膜２０ａを形成する。さらに、図３（ｂ）に示すように、レジスト膜２０ａ及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の接続部１８ａの上に金属層２２ａを蒸着によって形成する。その後に、図３（ｂ）の構造体をレジスト剥離液に浸漬させることにより、レジスト膜２０ａを除去する。このとき、レジスト膜２０ａの除去と同時に、レジスト膜２０ａ上に形成された金属層２２ａが選択的にリフトオフされて除去される。 Next, as shown in FIG. 3A, from the single photon generator A to the semiconductor laser part B so that the connection part 18a on the peripheral side of the p-type GaAs contact layer 18 is exposed by electron beam lithography or photolithography. A resist film 20a is formed in the region up to the inner side. Further, as shown in FIG. 3B, a metal layer 22a is formed on the resist film 20a and the connecting portion 18a of the p-type GaAs contact layer 18 by vapor deposition. Thereafter, the resist film 20a is removed by immersing the structure of FIG. 3B in a resist stripping solution. At this time, simultaneously with the removal of the resist film 20a, the metal layer 22a formed on the resist film 20a is selectively lifted off and removed.

これにより、図３（ｃ）に示すように、金属層２２ａがパターニングされてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の接続部１８ａ上にリング状の上部電極２２が形成され、単一光子発生部Ａの上に発光窓２６が構成される。上部電極２２はｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８にオーミックに接続される。以上により、本実施形態の単一光子発生装置１が得られる。 As a result, the metal layer 22a is patterned to form the ring-shaped upper electrode 22 on the connection portion 18a of the p-type GaAs contact layer 18, as shown in FIG. A light emitting window 26 is formed. The upper electrode 22 is ohmically connected to the p-type GaAs contact layer 18. As described above, the single photon generator 1 of the present embodiment is obtained.

図４に示すように、本実施形態の単一光子発生装置１では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の中央部に単一光子発生部Ａが設けられ、その周縁側にリング状の半導体レーザ部Ｂが単一光子発生部Ａから分離された状態で設けられている。単一光子発生部Ａ及び半導体レーザ部Ｂでは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、第１ＧａＡｓバリア層１２と、ＩｎＡｓ微小結晶粒よりなる複数の量子ドット１４と、第２ＧａＡｓバリア層１６と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８とが順にそれぞれ形成されている。半導体レーザ部Ｂは、さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の上にそれにオーミック接合された上部電極２２が形成されて構成される。上部電極２２は単一光子発生部Ａとその周囲が露出するようにパターニングされて発光窓２６が構成されている。 As shown in FIG. 4, in the single photon generator 1 of the present embodiment, a single photon generator A is provided at the center on the n-type GaAs substrate 10, and a ring-shaped semiconductor laser part B is provided on the peripheral side thereof. Are separated from the single photon generator A. In the single photon generation part A and the semiconductor laser part B, on the n-type GaAs substrate 10, a first GaAs barrier layer 12, a plurality of quantum dots 14 made of InAs microcrystal grains, a second GaAs barrier layer 16, and a p A type GaAs contact layer 18 is sequentially formed. The semiconductor laser part B is further configured by forming an upper electrode 22 ohmic-bonded on the p-type GaAs contact layer 18. The upper electrode 22 is patterned so that the single photon generator A and its periphery are exposed to form a light emission window 26.

本実施形態の単一光子発生装置１は以上のようにして基本構成されており、半導体レーザ部Ｂにおける下部電極を兼ねるｎ型ＧａＡｓ基板１０と上部電極２２との間にバイアス電源２４が接続される。 The single photon generator 1 of the present embodiment is basically configured as described above, and a bias power source 24 is connected between the n-type GaAs substrate 10 that also serves as the lower electrode in the semiconductor laser portion B and the upper electrode 22. The

本実施形態の単一光子発生装置１では、単一光子発生部Ａ及び半導体レーザ部Ｂがｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に１チップ化された状態で設けられており、前述した製造方法で説明したように、同一材料及び同一プロセスで形成された量子ドット含有層５をそれぞれ備えている。下部電極を兼ねるｎ型ＧａＡｓ基板１０と上部電極２２との間にバイアス電源２４から所定のバイアス電圧が印加されると、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４が活性層となって量子ドットレーザ３０が水平方向に発振される。 In the single photon generating apparatus 1 of this embodiment, the single photon generating part A and the semiconductor laser part B are provided on the n-type GaAs substrate 10 in a single chip, which will be described in the manufacturing method described above. Thus, the quantum dot content layer 5 formed with the same material and the same process is provided, respectively. When a predetermined bias voltage is applied between the n-type GaAs substrate 10 also serving as the lower electrode and the upper electrode 22 from the bias power source 24, the quantum dots 14 of the semiconductor laser part B become active layers and the quantum dot laser 30 Oscillates horizontally.

また、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４は単一光子発生部Ａの量子ドット１４と量子ドット含有層５の厚み方向の同一面（ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の同じ高さ）に並んで配置されているので、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０（励起光）は、単一光子発生部Ａの量子ドット１４に自己整合的に位置合わせされた状態で集中的に照射される。なお、このとき、単一光子発生部Ａでは、半導体レーザ部Ｂから分離されているのでバイアス電圧は印加されない。 Further, the quantum dots 14 of the semiconductor laser part B are arranged side by side on the same surface (the same height on the n-type GaAs substrate 10) in the thickness direction of the quantum dots 14 of the single photon generation part A and the quantum dot-containing layer 5. Therefore, the quantum dot laser 30 (excitation light) oscillated from the semiconductor laser portion B is intensively irradiated in a state of being aligned in a self-aligned manner with the quantum dots 14 of the single photon generation portion A. At this time, since the single photon generator A is separated from the semiconductor laser B, no bias voltage is applied.

また、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４の量子準位は、単一光子発生部Ａの量子ドット１４の量子準位と同一であるので、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０（励起光）の波長は、単一光子発生部Ａの量子ドットの励起準位に自己整合的に一致させることができる。このとき、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４の面密度を低くするか（１０¹⁰個／ｃｍ²程度）、あるいはレーザ共振器を小さくすることにより、半導体レーザ部Ｂは基底準位ではなくゲインの高い励起準位でレーザ発振するようになる。 Further, since the quantum level of the quantum dot 14 of the semiconductor laser part B is the same as the quantum level of the quantum dot 14 of the single photon generation part A, the quantum dot laser 30 (excitation) oscillated from the semiconductor laser part B The wavelength of the light) can be matched with the excitation level of the quantum dot of the single photon generator A in a self-aligned manner. At this time, by reducing the surface density of the quantum dots 14 of the semiconductor laser part B (approximately 10 ¹⁰ / cm ² ) or by reducing the laser resonator, the semiconductor laser part B has a gain level instead of a ground level. Laser oscillation occurs at a high excitation level.

このようにして、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０による光励起によって単一光子発生部Ａの量子ドット１４に電子−正孔の対が注入される。さらに、量子ドット１４内の電子−正孔の対が再結合することにより、特定波長の単一光子光が量子ドット１４から発光窓２６を通って上側に放出される。 In this way, electron-hole pairs are injected into the quantum dots 14 of the single photon generator A by light excitation by the quantum dot laser 30 oscillated from the semiconductor laser part B. Furthermore, when the electron-hole pair in the quantum dot 14 is recombined, single photon light having a specific wavelength is emitted from the quantum dot 14 to the upper side through the light emission window 26.

以上のように、本実施形態の単一光子発生装置１では、単一光子発生部Ａと半導体レーザ部Ｂが同一プロセスによって１チップ化されて形成されるので、半導体レーザ部Ｂからの励起光を単一光子発生部Ａの量子ドット１４に対して位置と波長の２つを同時に自己整合させることができ、これによって高品質の単一光子光を発生させることができる。 As described above, in the single photon generator 1 of the present embodiment, the single photon generator A and the semiconductor laser part B are formed in one chip by the same process, so that the excitation light from the semiconductor laser part B Can be self-aligned simultaneously with respect to the quantum dot 14 of the single photon generator A, thereby generating high quality single photon light.

このように、本実施形態の単一光子発生装置１は、従来技術と違って、外部に特別に光源を設ける必要がなく、また励起光の波長を単一光子発生部Ａの量子ドット１４内の励起準位に正確に調整する必要もなく、さらには励起光を量子ドット１４に位置合わせして照射する必要もない。従って、本実施形態の単一光子発生装置１では、光励起型にもかかわらず大掛かりな光源システムを構築することなく、コンパクトな装置構成で容易に高品質の単一光子光を得ることができる。また、単一光子発生部Ａの量子ドット１４に直接励起光を照射するので、電荷が途中でトラップされるおそれがなく、所望の高品質の単一光子光が得られる。 Thus, unlike the prior art, the single photon generator 1 of the present embodiment does not require a special light source outside, and the wavelength of the excitation light is changed within the quantum dot 14 of the single photon generator A. Therefore, it is not necessary to accurately adjust the excitation level of the quantum dots 14, and it is not necessary to align and irradiate the excitation light with the quantum dots 14. Therefore, in the single photon generation device 1 of the present embodiment, high-quality single photon light can be easily obtained with a compact device configuration without constructing a large-scale light source system despite the optical excitation type. In addition, since the quantum dots 14 of the single photon generator A are directly irradiated with excitation light, there is no possibility that charges are trapped in the middle, and desired high quality single photon light can be obtained.

（第２の実施の形態）
図５及び図６は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）、図７は発明の第２実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。 (Second Embodiment)
5 and 6 are cross-sectional views (partial plan views) showing a method for manufacturing a single photon generator according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 shows a single photon generator according to the second embodiment of the present invention. It is sectional drawing.

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、単一光子発生部をフォトニック結晶構造にすることにある。第１実施形態と同一要素には同一符号を付してその詳しい説明を省略する。 The second embodiment is different from the first embodiment in that the single photon generator has a photonic crystal structure. The same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法は、図５（ａ）に示すように、まず、第１実施形態と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に量子ドット含有層５（第１ＧａＡｓバリア層１２、量子ドット１４及び第２ＧａＡｓバリア層１６）とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８とを順次形成して、第１実施形態の図１（ｄ）と同一の構造体を得る。 As shown in FIG. 5A, in the method of manufacturing the single photon generator of the second embodiment, first, as in the first embodiment, the quantum dot-containing layer 5 (first GaAs) is formed on the n-type GaAs substrate 10. The barrier layer 12, the quantum dots 14 and the second GaAs barrier layer 16) and the p-type GaAs contact layer 18 are sequentially formed to obtain the same structure as that of FIG. 1D of the first embodiment.

その後に、図５（ｂ）に示すように、電子ビームリソグラフィ又はフォトリソグラフィにより、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の中央部（単一光子発生部が配置される領域）上に開口部２０ｘが設けられたレジスト膜２０ｂを形成する。続いて、レジスト膜２０ｂをマスクにしてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８をＲＩＥでエッチングした後に、レジスト膜２０ｂを除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 5B, an opening 20x is provided on the central portion of the p-type GaAs contact layer 18 (region where the single photon generating portion is disposed) by electron beam lithography or photolithography. A resist film 20b is formed. Subsequently, the p-type GaAs contact layer 18 is etched by RIE using the resist film 20b as a mask, and then the resist film 20b is removed.

これにより、図５（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の中央部に開口部１８ｘが形成され、単一光子発生部Ａになる領域の量子ドット含有層５の上面が露出する。 As a result, as shown in FIG. 5C, an opening 18x is formed at the center of the p-type GaAs contact layer 18, and the upper surface of the quantum dot-containing layer 5 in the region that becomes the single photon generator A is exposed. .

次いで、図６（ａ）に示すように、電子ビームリソグラフィにより、単一光子発生部Ａになる領域の量子ドット含有層５をパターン化するための開口部２０ｘが設けられたレジスト膜２０ｃを量子ドット含有層５及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の上に形成する。続いて、そのレジスト膜２０ｃをマスクにして量子ドット含有層５をエッチングした後に、レジスト膜２０ｃを除去する。 Next, as shown in FIG. 6A, the resist film 20c provided with the opening 20x for patterning the quantum dot-containing layer 5 in the region to be the single photon generating part A is quantum-exposed by electron beam lithography. It is formed on the dot-containing layer 5 and the p-type GaAs contact layer 18. Subsequently, after the quantum dot-containing layer 5 is etched using the resist film 20c as a mask, the resist film 20c is removed.

これにより、図６（ｂ）の断面図及び平面図に示すように、単一光子発生部Ａが半導体レーザ部Ｂになる領域から分離されて形成されると同時に、量子ドット含有層５に所定の複数の開口部５ｘが形成されて量子ドット含有層５がパターン化される。これによって、単一光子発生部Ａの量子ドット含有層５は複数の誘電体（空気）が２次元的に交互に配列されたフォトニック結晶構造となる。 Thereby, as shown in the cross-sectional view and plan view of FIG. 6B, the single photon generator A is formed separately from the region to be the semiconductor laser B, and at the same time, the quantum dot-containing layer 5 is predetermined. The plurality of openings 5x are formed, and the quantum dot-containing layer 5 is patterned. As a result, the quantum dot-containing layer 5 of the single photon generator A has a photonic crystal structure in which a plurality of dielectrics (air) are alternately arranged two-dimensionally.

その後に、図７に示すように、第１実施形態と同様なリフトオフ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の上に上部電極２２が形成され、単一光子発生部Ａ上に発光窓２６が構成される。 After that, as shown in FIG. 7, the upper electrode 22 is formed on the p-type GaAs contact layer 18 by the lift-off method similar to the first embodiment, and the light emission window 26 is formed on the single photon generator A. Is done.

以上により、第２実施形態の単一光子発生装置１ａが得られる。 Thus, the single photon generator 1a of the second embodiment is obtained.

図７に示すように、第２実施形態の単一光子発生装置１ａでは、単一光子発生部Ａにはｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０が形成されておらず、単一光子発生部Ａの量子ドット含有層５に複数の開口部５ｘが形成されることによってフォトニック結晶構造となっている。さらに、半導体レーザ部Ｂにおけるｎ型ＧａＡｓ基板１０（下部電極）と上部電極２２との間にバイアス電源２４が接続される。 As shown in FIG. 7, in the single photon generator 1a of the second embodiment, the p-type GaAs contact layer 10 is not formed in the single photon generator A, and the quantum dots of the single photon generator A By forming a plurality of openings 5x in the containing layer 5, a photonic crystal structure is formed. Further, a bias power supply 24 is connected between the n-type GaAs substrate 10 (lower electrode) and the upper electrode 22 in the semiconductor laser part B.

そして、第１実施形態と同様に、半導体レーザ部Ｂにバイアス電圧が印加されると、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０（励起光）が単一光子発生部Ａの量子ドット１４に自己整合的に照射される。これにより、量子ドット１４の中に電子−正孔の対が光励起によって注入され、電子−正孔の対が再結合することによって特定波長の単一光子光が量子ドット１４から発光窓２６を通って上側に放出される。 As in the first embodiment, when a bias voltage is applied to the semiconductor laser unit B, the quantum dot laser 30 (excitation light) oscillated from the semiconductor laser unit B is converted into the quantum dots 14 of the single photon generation unit A. Is irradiated in a self-aligned manner. Thereby, electron-hole pairs are injected into the quantum dots 14 by photoexcitation, and single-photon light having a specific wavelength passes from the quantum dots 14 through the light emission window 26 by recombination of the electron-hole pairs. Are released upwards.

第２実施形態の単一光子発生装置１ａは、第１実施形態と同様な効果を奏すると共に、単一光子発生部Ａは光共振器として機能するフォトニック結晶構造を有するので、さらに高品質の単一光子光が高効率で得られるようになる。 The single photon generator 1a of the second embodiment has the same effects as the first embodiment, and the single photon generator A has a photonic crystal structure that functions as an optical resonator. Single photon light can be obtained with high efficiency.

（付記１）化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の上に形成され、単一光子源を含む単一光子発生部と、
前記化合物半導体基板上に前記単一光子発生部から分離されて形成され、前記単一光子源と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とを有し、
前記半導体レーザ部の前記活性層から発振されるレーザが前記単一光子発生部の前記単一光子源に照射されることを特徴とする単一光子発生装置。 (Supplementary note 1) Compound semiconductor substrate,
A single photon generator formed on the compound semiconductor substrate and including a single photon source;
A semiconductor laser part formed on the compound semiconductor substrate separately from the single photon generator, and having an active layer of the same material as the single photon source,
A single photon generation apparatus, wherein a laser oscillated from the active layer of the semiconductor laser unit is irradiated to the single photon source of the single photon generation unit.

（付記２）前記単一光子源及び前記活性層は、量子ドットからなることを特徴とする付記１に記載の単一光子発生装置。 (Additional remark 2) The said single photon source and the said active layer consist of quantum dots, The single photon generator of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.

（付記３）前記単一光子源及び前記活性層は、前記化合物半導体基板上の同じ高さに形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の単一光子発生装置。 (Appendix 3) The single photon generator according to appendix 1 or 2, wherein the single photon source and the active layer are formed at the same height on the compound semiconductor substrate.

（付記４）前記単一光子源を含む単一光子発生部は、第１化合物半導体層と、該第１化合物半導体層の上に形成された化合物半導体の微小結晶よりなる前記量子ドットと、前記量子ドットを被覆する第２化合物半導体層とにより構成されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。 (Additional remark 4) The single photon generation | occurrence | production part containing the said single photon source is a said 1st compound semiconductor layer, The said quantum dot consisting of the microcrystal of the compound semiconductor formed on this 1st compound semiconductor layer, The single-photon generator according to any one of appendices 1 to 3, wherein the single-photon generator is configured of a second compound semiconductor layer that covers the quantum dots.

（付記５）前記化合物半導体基板はｎ型の導電型であり、前記半導体レーザ部は、請求項３に記載の前記単一光子発生部と同一の構造体の上にｐ型化合物半導体層と上部電極とが順に形成されて構成され、前記化合物半導体基板と前記上部電極とにバイアス電源が接続されていることを特徴とする付記４に記載の単一光子発生装置。 (Additional remark 5) The said compound semiconductor substrate is a n-type conductivity type, The said semiconductor laser part has a p-type compound semiconductor layer and upper part on the same structure as the said single photon generating part of Claim 3 The single-photon generator according to appendix 4, wherein a bias power source is connected to the compound semiconductor substrate and the upper electrode.

（付記６）前記第１及び第２化合物半導体層はそれぞれＧａＡｓ層又はＩｎＰ層であり、前記量子ドットはＩｎＡｓからなることを特徴とする付記４又は５に記載の単一光子発生装置。 (Additional remark 6) The said 1st and 2nd compound semiconductor layer is a GaAs layer or an InP layer, respectively, The said quantum dot consists of InAs, The single photon generator of Additional remark 4 or 5 characterized by the above-mentioned.

（付記７）前記単一光子発生部は、前記化合物半導体基板の中央部に配置され、前記半導体レーザ部は、前記化合物半導体基板の周縁側にリング状に配置されていることを特徴とする付記１乃至６のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。 (Additional remark 7) The said single photon generation | occurrence | production part is arrange | positioned in the center part of the said compound semiconductor substrate, The said semiconductor laser part is arrange | positioned at the peripheral side of the said compound semiconductor substrate at the ring shape, The additional remark characterized by the above-mentioned The single photon generator as described in any one of 1 thru | or 6.

（付記８）前記単一光子発生部は、複数の開口部が形成されてフォトニック結晶構造となっていることを特徴とする付記１乃至６のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。 (Appendix 8) The single photon generator according to any one of appendices 1 to 6, wherein the single photon generator has a photonic crystal structure in which a plurality of openings are formed. .

図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図及び平面図（その１）である。1A to 1D are a cross-sectional view and a plan view (No. 1) showing a method for manufacturing a single photon generator according to a first embodiment of the present invention. 図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）（その２）である。FIGS. 2A and 2B are sectional views (partial plan view) (part 2) showing the method for producing the single photon generator of the first embodiment of the present invention. 図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（その３）である。3A to 3C are cross-sectional views (No. 3) showing the method for manufacturing the single photon generator of the first embodiment of the present invention. 図４は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing the single photon generator of the first embodiment of the present invention. 図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（その１）である。FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views (part 1) showing the method for manufacturing the single photon generator of the second embodiment of the present invention. 図６（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）（その２）である。6 (a) and 6 (b) are cross-sectional views (partial plan view) (part 2) illustrating the method of manufacturing the single photon generator of the second embodiment of the present invention. 図７は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a single photon generator according to a second embodiment of the present invention.

Explanation of symbols

１，１ａ…単一光子発生装置、５…量子ドット含有層、５ｘ，２０ｘ…開口部、１０…ｎ型ＧａＡｓ基板、１２…第１ＧａＡｓバリア層、１４…量子ドット、１６…第２ＧａＡｓバリア層、１８…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１８ａ…接続部、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…レジスト膜、２２…上部電極、２２ａ…金属層、２４…バイアス電源、２６…発光窓、３０…量子ドットレーザ、Ａ…単一光子発生部、Ｂ…半導体レーザ部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1a ... Single photon generator, 5 ... Quantum dot content layer, 5x, 20x ... Opening, 10 ... N-type GaAs substrate, 12 ... 1st GaAs barrier layer, 14 ... Quantum dot, 16 ... 2nd GaAs barrier layer, 18 ... p-type GaAs contact layer, 18a ... connecting portion, 20, 20a, 20b, 20c ... resist film, 22 ... upper electrode, 22a ... metal layer, 24 ... bias power supply, 26 ... light emitting window, 30 ... quantum dot laser, A: Single photon generator, B: Semiconductor laser unit.

Claims

A compound semiconductor substrate;
A single photon generator formed on the compound semiconductor substrate and including a single photon source;
A semiconductor laser part formed on the compound semiconductor substrate separately from the single photon generator, and having an active layer of the same material as the single photon source,
A single photon generating apparatus, wherein a laser oscillated from the active layer of the semiconductor laser unit is irradiated to the single photon source of the single photon generating unit.

The single photon generator according to claim 1, wherein the single photon source and the active layer are formed of quantum dots.

3. The single photon generator according to claim 1, wherein the single photon source and the active layer are formed at the same height on the compound semiconductor substrate.

The single-photon generation unit including the single-photon source covers a first compound semiconductor layer, the quantum dots made of a compound semiconductor microcrystal formed on the first compound semiconductor layer, and the quantum dots The single-photon generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the single-photon generator is configured by a second compound semiconductor layer.

The compound semiconductor substrate is an n-type conductivity type, and the semiconductor laser part is configured by sequentially forming a p-type compound semiconductor layer and an upper electrode on the same structure as the single photon generator, The single photon generator according to claim 4, wherein a bias power source is connected to the compound semiconductor substrate and the upper electrode.