JP2010073852A

JP2010073852A - ノッチゲート素子

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Publication number: JP2010073852A
Application number: JP2008238975A
Authority: JP
Inventors: Genichi Otsu; 元一大津; Tadashi Kawazoe; 忠川添
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-18
Also published as: JP5142908B2

Abstract

【課題】ナノオーダの領域において出力信号に転流ノッチを発生させる。
【解決手段】供給される入力光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位２１を有し、当該第１のエネルギー準位２１から放出されたエネルギーに応じて出力光を生成する第１の量子ドット１１と、信号光による励起子の励起状態に応じて第１のエネルギー準位２１と共鳴するようにシフトする第２のエネルギー準位２２を有する第２の量子ドット１２とが誘電性の基板１０上に形成され、第１の量子ドット１１は、上記シフトされた第２のエネルギー準位２２に対して、第１のエネルギー準位２１から励起子を注入することにより、放出されるエネルギーを減少させて出力光に転流ノッチを発生させ、第２の量子ドット１２は、注入された励起子をゲート用エネルギー準位２３へと遷移させて一時的に蓄積させ、信号光による励起子の励起に代替させて第２のエネルギー準位２２をシフトさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等の分野に適用される量子ドットを用いたノッチゲート素子に関するものである。

近年の半導体微細加工技術の発展により、量子力学的効果が顕著に現れるサイズまでに微細な構造をもつ半導体素子が実現されている（例えば、非特許文献１参照。）。この量子力学的効果を利用した半導体素子として、例えばＨＢＴ(Hetero-junction Bipolar Transistor)や量子井戸レーザ等が実用化されている。また量子力学的効果を利用し、単一電子を制御することにより電子の粒子性を極限まで利用するナノスケールの量子ドットが注目されている。

量子ドットは、上述した半導体微細加工技術を用いることにより、励起子に三次元的な量子閉じ込めを与えるほど微細なポテンシャルの箱を形成したものである。この励起子の閉じ込め系を利用し、量子ドット内のキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度がデルタ関数的に尖鋭化する。この量子ドットにおける尖鋭化した状態間における光の吸収を利用する単一電子メモリや、量子ドットを出入りする単一電子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる単一電子トランジスタが既に研究されており、単一電子のナノスケール操作が実現化されつつある。
M.Ohtsu,K.Kobayashi,T.Kawazoe,S.Sangu,T.Yatsui,IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.,to be published Vol8.No4 2002July-Aug,P839-P862 M.J.O’Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter, A.Tzanakaki, IEEE Commn.Mag.39,128(2001)

ところで、将来の大容量情報処理への要求に応えるべく、光の回折限界に支配されることなく演算処理、情報処理、遅延処理等を行うことができるナノスケールの演算回路、遅延回路等の実現が望まれている。特に、これら論理演算系を完全なものとするためには、デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号に転流ノッチを発生させるノッチゲート素子が必須となる。

しかしながら、かかるナノスケールの回路を電子デバイスで実現化しようとした場合、量子的なゆらぎが生じてしまうという問題点があり、また光デバイスで実現しようとした場合には、やはり光の回折限界により微小化が制限されてしまうという問題点がある。このため、実用的なナノスケールのノッチゲート素子が未だ案出されていないのが現状である。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ナノメートル領域に配置した量子ドット間に特有な光物理現象を見出し、光の回折限界に支配されることなくナノオーダの領域において出力信号に転流ノッチを発生させることが可能なノッチゲート素子を提供することにある。

本発明に係る量子ドットを用いたノッチゲート素子は、上述した課題を解決するために、デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号に転流ノッチを発生させるノッチゲート素子において、供給される入力光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準
位を有し、当該第１のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する第１の量子ドットと、上記ゲート信号に対応する信号光による励起子の励起状態に応じて上記第１のエネルギー準位と共鳴するようにシフトする第２のエネルギー準位を有し、上記第１の量子ドットより大体積で構成される第２の量子ドットと、が誘電性の基板上に形成されてなり、上記第１の量子ドットは、上記シフトされた第２のエネルギー準位に対して、上記第１のエネルギー準位から上記励起子を注入することにより、上記放出されるエネルギーを減少させて上記出力信号に転流ノッチを発生させ、上記第２の量子ドットは、上記第２のエネルギー準位へ注入された上記励起子をこれよりも下位準位へと遷移させ、当該下位準位に一時的に蓄積させた上記励起子に基づいて、上記信号光による励起子の励起に代替させて上記第２のエネルギー準位を上記第１のエネルギーと共鳴するようにシフトさせることを特徴とする。

即ち、本発明を適用したノッチゲート素子は、信号光Ｃの供給により先ず第２のエネルギー準位をシフトさせて第１の量子ドットと共鳴準位を作ることにより、エネルギー移動確率φを上昇させる。そして、このエネルギー移動確率φが高くなると、ゲート用エネルギー準位に一時的に蓄積される励起子の量を増やすことが可能となり、信号光Ｃの供給が無くても第２のエネルギー準位を下位へシフトさせ続けることが可能となる。かかる現象が定常的に起こすことにより、第１の量子ドットから第２の量子ドットへのエネルギー移動が定常的に生じ、第１の量子ドットから放出される出力光Ｂは、信号強度が低下した状態で保持されることになる。

このため、本発明を適用したノッチゲート素子は、デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号に転流ノッチを発生させるノッチゲートとしての動作を発揮させることが可能となる。しかも、本発明では、ナノスケールの量子ドットで一つの演算回路を実現することが可能となり、光の回折限界により微小化が制限されることも無くなり、電子デバイスの小型化の要求にも応えることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明を適用した量子ドットによるノッチゲート素子１について説明をする。ノッチゲート素子１は、デジタル化されたゲート信号の入力に対する出力信号を生成する演算回路であって、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の導電性材料により構成される基板１０と、基板１０の表面上において形成されている第１の量子ドット１１と、第１の量子ドット１１近傍に形成されてなり、第１の量子ドット１１より大体積で構成される第２の量子ドット１２とを備えている。

第１の量子ドット１１,第２の量子ドット１２は、励起子を三次元的に閉じ込めることにより形成される離散的なエネルギー準位に基づき、単一電子（励起子）を制御する。これら量子ドット１１,１２では、励起子の閉じ込め系によりキャリアのエネルギー準位が離散的になり、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。

第１の量子ドット１１は、外部から供給される入力光Ａに応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位２１を有し、当該第１のエネルギー準位２１から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光Ｂを生成する。入力光Ａは、図示しないプラズモン導波路を介して第１の量子ドット１１へ供給されるようにしてもよいし、近接場光プローブを介して供給されるようにしてもよい。さらに、この入力光Ａはファーフィールドの伝搬光として供給されるようにしてもよい。この入力光Ａは、ノッチゲート素子１として
動作させる際において常に外部から供給されている状態となる。このノッチゲート素子１では、入力光Ａが供給されることにより動作可能となることから、この入力光Ａは、いわゆる電源光としての役割を果たす。

第２の量子ドット１２は、ゲート信号としての波長からなる信号光Ｃに応じて励起子が励起されるゲート用エネルギー準位２３と、このゲート用エネルギー準位２３における励起子の供給状態に応じて上下方向にシフトする第２のエネルギー準位２２を有する。

各量子ドット１１,１２は、ＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。ちなみに、各量子ドット１１,１２を構成する材料系がＣｕＣｌである場合に、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、また各量子ドット１１,１２を構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。

これら各量子ドット１１,１２は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１０上に形成させることができる。各量子ドット１１,１２を構成する材料系として上記ＣｕＣｌを用いる場合において、先ずＣｕＣｌの粉末と、ＮａＣｌの粉末を混合して約８００℃の温度で融解する。次に、上下方向に温度勾配が施された炉内へ上記融解した混合粉末をつり下げ、数ｍｍ/ｈの速度で炉内を上下移動させることにより、混合粉末内部に温度勾配を作り出して序々に結晶化させてゆく。そして約２００℃程度の温度で数分から数１０分間熱処理をすると、ＣｕＣｌの量子ドット１１,１２を包含したＮａＣｌ結晶を作製することができる。ちなみに、このブリッジマン法では、熱処理温度や熱処理時間を変えることにより、生成する量子ドット１１,１２のサイズを自在に制御することもでき、これらを１００ｎｍ以下の領域に並べて形成させることも可能となる。

なお、これら各量子ドット１１,１２は、更に分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１０上に作製してもよいし、また近接場光ＣＶＤを利用して量子ドットの形成位置を精度よく制御してもよい。

各量子ドット１１,１２におけるエネルギー準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）

なお、本発明では、量子ドットの形状や材質に応じて、この式（１）で定義されるエネルギー準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）の式以外に、他の一般的なエネルギー準位の式が適用される場合もある。

この式（１）に基づき、各量子ドット１１,１２のＥ（n_x,n_y,n_z）を計算する。ここで第１の量子ドット１１と、第２の量子ドット１２との辺長比が、およそ１：√２であるとき、図２に示すように、第１の量子ドット１１における第１のエネルギー準位２１が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１２におけるエネルギー準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、第１の量子ドット１１における第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）と、第２の量子ドット１２における第２のエネルギー準位２２の（２,１,１）は、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。

即ち、基板１０上において辺長比が互いに異なる各量子ドット１１,１２を形成させることにより、（１）式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい量子ドット１１から体積の大きい量子ドット１２へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができ、ひいては共鳴エネル
ギー移動を実現することができる。

本発明を適用したノッチゲート素子１では、かかる励起子の伝送原理を応用し、以下に示すような伝送メカニズムに基づき、デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号に転流ノッチを発生させるノッチゲート動作を行う。

先ず、第１の量子ドット１１と、第２の量子ドット１２を辺長比５：６となるように構成する。以下の説明では、第１の量子ドット１１の辺長を５ｎｍとし、第２の量子ドット１２の辺長を６ｎｍとした場合を例にとり説明をする。

このような辺長比を上記（１）式に当てはめると、図３に示すように第１のエネルギー準位２１が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２のエネルギー準位２２が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが互いに異なることになる。かかる辺長比に制御した状態において、第１の量子ドット１１に入力光Ａを供給すると、当該入力光Ａに応じて第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）に励起子が励起されるが、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）と、第２のエネルギー準位２２の（２,１,１）とは互いに異なることから共鳴が生じることはないため、上述の如く共鳴エネルギー移動が生じることもなくなる。その結果、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）に励起された励起子が蓄積する結果、下位準位に対してそのエネルギーが放出されることになる。

第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）から下位準位へエネルギーが放出されると、これに応じた発光が生じる。この発光成分を出力光Ｂとして取り出すことにより、これを上記出力信号とすることができる。

図４は、入力光Ａと出力光Ｂの関係を示している。期間ｔ１では、入力光Ａのみを第１の量子ドット１１へ供給することにより、上述したメカニズムにより当該第１の量子ドット１１から出力光Ｂが放出されるが、第２の量子ドット１２への共鳴エネルギー移動が生じないため、この放出される出力光Ｂのエネルギーが大きくなる。

これに対して、期間ｔ１の終了後、期間ｔ２への移行時において、第２の量子ドット１２にゲート信号に対応する信号光Ｃを供給すると、これに伴って第２の量子ドット１２におけるゲート用エネルギー準位２３へ励起子が励起される。ゲート用エネルギー準位２３へ励起子が励起されると、これに応じてかかる第２のエネルギー準位２２の（２,１,１）は、図５に示すように下位へシフトする。その結果、第１のエネルギー準位２１が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１２における第２のエネルギー準位２２が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが略同一準位で構成されることになる。このため、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）と、第２のエネルギー準位２２の（２,１,１）との間で共鳴が生じ、体積の小さい第１の量子ドット１１から体積の大きい第２の量子ドット１２へ励起子が注入されることになる。ちなみに、第２の量子ドット１２へ注入された励起子は、そのまま第２の量子ドット１２におけるゲート用エネルギー準位２３へ遷移した上で、放出光Ｄとして放出されることになる。

かかる状態において、第１の量子ドット１１に対して入力光を供給すると、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）へ励起された励起子は、共鳴エネルギー移動に伴って第２の量子ドット１２へ多くが移動することになることから、ゲート用エネルギー準位２３に対して放出されるエネルギーが減少することになる。その結果、出力光Ｂは、かかるエネルギー移動に応じて発光強度が低下する。これは、出力光Ｂとしての信号強度そのものを低下させることにもなる。

ここで、第１の量子ドット１１から第２の量子ドット１２へのエネルギー移動確率φが
、ゲート用エネルギー準位２３から放出される放出光Ｄの放出確率εとの間で以下の式（２）を満たすとき、このゲート用エネルギー準位２３において励起子が一時的に蓄積することになる。

エネルギー移動確率φ＞放出光Ｄの放出確率ε・・・・・・・・・・（２）
ここでいうエネルギー移動確率φは、詳細には、文献（K. Kobayashi, S. Sangu, T. Kawazoe, M. Ohtsu、Erratum to: ‘‘Exciton dynamics and logic operations in a near-field optically coupled quantum-dot system’’ Journal of Luminescence 114 (2005) 315-316）等に開示されている。

このゲート用エネルギー準位２３における励起子の一時的な蓄積は、これは第１の量子ドット１１から第２の量子ドット１２へ移動してくる励起子の量が、この第２の量子ドット１２から放出される励起子の量を上回ることにより起きる現象ともいえる。

ゲート用エネルギー準位２３において励起子が一時的に蓄積することにより、第２の量子ドット１２に信号光Ｃを供給することによりゲート用エネルギー準位２３へ励起子を励起させるのと同等の作用が起きることになる。即ち、ゲート用エネルギー準位２３において励起子が一時的に蓄積させることに伴い、これに応じてかかる第２のエネルギー準位２２は、図５に示すように下位へシフトする。その結果、第１のエネルギー準位２１が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１２における第２のエネルギー準位２２が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが略同一準位で構成されることになる。このため、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）と、第２のエネルギー準位２２の（２,１,１）との間で共鳴が生じ、体積の小さい第１の量子ドット１１から体積の大きい第２の量子ドット１２へ励起子が注入されることになる。

かかる状態にある期間ｔ２において、第１の量子ドット１１に対して入力光Ａを供給し続けるとすると、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）へ励起された励起子は、共鳴エネルギー移動に伴って第２の量子ドット１２へ多くが移動することになることから、ゲート用エネルギー準位２３に対して放出されるエネルギーが減少することになる。その結果、出力光Ｂは、図４に示すようにかかるエネルギーの放出に応じて発光強度が低下する。これは、出力光Ｂとしての信号強度そのものを低下させることにもなる。

また、第１のエネルギー準位２１の（１,１,１）へ励起された励起子が、共鳴エネルギー移動に伴って第２の量子ドット１２へ多くが移動し続けることにより、エネルギー移動確率φを高くすることが可能となり、上述した（２）式が常時成り立つことになる。その結果、特段信号光Ｃの供給する必要も無くなることから、信号光Ｃの供給時間は、図４に示すようにｔ２の開始点において非常に短い時間とされていても、上述した動作を発揮し続けることが可能となる。

即ち、本発明では、信号光Ｃの供給により先ず第２のエネルギー準位２２をシフトさせて第１の量子ドット１１と共鳴準位を作ることにより、エネルギー移動確率φを上昇させる。そして、このエネルギー移動確率φが高くなると、ゲート用エネルギー準位２３に一時的に蓄積される励起子の量を増やすことが可能となり、信号光Ｃの供給が無くても第２のエネルギー準位２２を下位へシフトさせ続けることが可能となる。かかる現象が定常的に起きることにより、第１の量子ドット１１から第２の量子ドット１２へのエネルギー移動が定常的に生じ、第１の量子ドット１１から放出される出力光Ｂは、信号強度が低下した状態で保持されることになる。

この期間ｔ２を終了させたい場合には、図４に示すように、入力光Ａを一度停止することにより、第２の量子ドット１２へエネルギー移動を無くすことで上記（２）式を成り立
たなくさせ、その上で再度入力光Ａの供給を開始すると、出力光Ｂは元に戻ることになる。

即ち、本発明を適用したノッチゲート素子１は、第２の量子ドット１２に対して、信号光Ｃにつき１か０の何れかの値をとるデジタル信号ａ_０に当てはめ、ａ_０＝１であるときに第２の量子ドット１２へ信号光Ｃを供給し（ゲート信号をＯＮにし）、ａ_０＝０であるときに信号光の供給Ｃを停止する（ゲート信号をＯＦＦにする）。この間、第１の量子ドット１１に対しては常時入力光Ａを供給し続ける。信号光Ｃの供給を開始させることにより、上述の如く第２のエネルギー準位２２が下位にシフトする結果、共鳴エネルギー移動が生じることから、第１の量子ドット１１において下位準位へ放出されるエネルギーが減少し、出力光Ｂは低くなる。しかもその後に信号光Ｃの供給を停止しても、この出力光Ｂは低い状態で維持されることになる。また、ａ_０＝０であるときには、共鳴エネルギー移動が生じることは無いため、第１の量子ドット１１において下位準位へ放出されるエネルギーは増大する。

即ち、本発明を適用したノッチゲート素子１は、デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号に転流ノッチを発生させるノッチゲートとしての動作を発揮させることが可能となる。しかも、本発明では、ナノスケールの量子ドットで一つの演算回路を実現することが可能となり、光の回折限界により微小化が制限されることも無くなり、電子デバイスの小型化の要求にも応えることが可能となる。

本発明においては、上記式（２）を成立させるために好適な構成として、例えば第１の量子ドット１１と第２の量子ドット１２との距離を５０ｎｍ以下まで近づけるようにしてもよい。これにより、第１の量子ドット１１から第２の量子ドット１２へ高い確率をもって励起子を移動させることが可能となり、エネルギー移動確率φを向上させることが可能となる。

更に本発明では、上記式（２）を成立させるために好適な構成として、例えば第１の量子ドット１１と第２の量子ドット１２の寸法誤差を±10％以内まで調整することが望ましい。その理由として誤差10%以内であれば、説明に使っていない他のエネルギー準位、例えば（２,２,１）や（３,１,１）などとの複雑なエネルギー移動を考慮する必要がなくなり、ノッチゲート動作が容易になるからであるである。

本発明を適用した量子ドットによるノッチゲート素子の構成を示す図である。本発明を適用したノッチゲート素子における量子ドットのエネルギー準位につき説明するための図である。信号光を入射させることによるエネルギー準位のシフトにつき説明するための図である。本発明を適用した量子ドットによるノッチゲート素子の動作について説明するための図である。ゲート用エネルギー準位において励起子を一時的に蓄積させることにより第２のエネルギー準位を下位へシフトさせる例を示す図である。

符号の説明

１ノッチゲート素子
１０基板
１１第１の量子ドット
１２第２の量子ドット
２１第１のエネルギー準位
２２第２のエネルギー準位
２３ゲート用エネルギー準位

Claims

デジタル化されたゲート信号の入力に応じて出力信号に転流ノッチを発生させるノッチゲート素子において、
供給される入力光に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有し、当該第１のエネルギー準位から放出されたエネルギーに応じて上記出力信号としての出力光を生成する第１の量子ドットと、
上記ゲート信号に対応する信号光による励起子の励起状態に応じて上記第１のエネルギー準位と共鳴するようにシフトする第２のエネルギー準位を有し、上記第１の量子ドットより大体積で構成される第２の量子ドットと、が誘電性の基板上に形成されてなり、
上記第１の量子ドットは、上記シフトされた第２のエネルギー準位に対して、上記第１のエネルギー準位から上記励起子を注入することにより、上記放出されるエネルギーを減少させて上記出力信号に転流ノッチを発生させ、
上記第２の量子ドットは、上記第２のエネルギー準位へ注入された上記励起子をこれよりも下位準位へと遷移させ、当該下位準位に一時的に蓄積させた上記励起子に基づいて、上記信号光による励起子の励起に代替させて上記第２のエネルギー準位を上記第１のエネルギーと共鳴するようにシフトさせること
を特徴とする量子ドットを用いたノッチゲート素子。
上記第１の量子ドットから上記第２の量子ドットへ移動する励起子のエネルギー移動確率φが、第２の量子ドットにおける下位準位から放出される励起子に基づく放出光の放出確率εよりも高くなるように上記第１の量子ドットと上記第２の量子ドットとの間隔、寸法が予め調整されていること
を特徴とする請求項１記載のノッチゲート素子。