JP2012256883A - 光学コンポーネント - Google Patents

Abstract

【課題】単一量子エミッタにより生成された単一光子を光学素子によって効率的に収集できる光学コンポーネントを提供する。
【解決手段】光学コンポーネントはエミッタ及び固体反射体１を具備する。反射体１は凸状の外面を有し、エミッタである量子ドットは反射体１の焦点３に位置し、電気双極子遷移によって放射を出す。双極子は反射体１の頂点における表面法線に対して４５度以下の角度に向けられる双極子軸を有する。エミッタからの放射は、反射体１によって反射され、基板および反射防止コーティング９を経由して抜け出る。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１１年５月２０日に出願された英国特許出願番号１１０８５６５．１に基づいており、この英国特許出願からの優先権の利益を主張する。この英国特許出願の全内容は、参照することによってここに組み込まれる。

ここで概して説明される本発明の実施形態は、光学コンポーネントに関する。

量子暗号、量子イメージング、及び量子計算の分野では、単一量子エミッタから光子を生成する必要がある。単一量子状態は一度に１つの光子だけを放射することができるので、そのような光子は、制御された手法で生成されることができる。光子が放射された後には、状態は、再び放射することができる前に多くの電荷を補充されなければならない。生成される光子の数が少ないことは、各光子がある方向に向けられてレンズ又は光ファイバのような従来の光学素子によって効率的に収集されることに関して光源が高効率であることの必要性を増大させる。

最も有望な固定状態エミッタの多くは、ガリウム砒素（屈折率ｎ〜３．５）内のインジウム砒素量子ドット及びダイヤモンド（ｎ〜２．４）内の色中心のように、高屈折率材料内に基づいている。そのような材料では、光は、法線に対してｓｉｎ（１／ｎ）より小さい角度で、即ち、全内部反射される範囲外の角度で材料と空気の界面に当たる場合にだけ、その材料から空気又は真空へ脱出することができる。ＧａＡｓでは、これは、真下にドットを備える平面から集めることができる光子の数を２％に制限し、開口数０．５を備える典型的なレンズでは、この値は〜０．５％である。

本発明は、以下の好ましい限定されない実施形態を参照して説明される。
図１は、本発明の一実施形態に従うコンポーネントの概略図である。 図２（ａ）は、双極子によって放射される光が放物面で反射される角度を示す概略図であり、図２（ｂ）は、中心軸に対して垂直に向けられた光双極子を概略的に示し、図２（ｃ）は、本発明の一実施形態に従って中心軸に対して平行に向けられた光双極子を概略的に示す。 図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、異なる放物面形状を有する本発明の実施形態に従う３つのコンポーネントを示す。 図４は、反射体の形状に関する変形を示し、図４（ａ）は、扁平底部を備える放物面を示し、図４（ｂ）は、底部及び上部に真っすぐな壁断面を備える放物面断面を有する反射体を示し、図４（ｃ）は、回転対称放物面の断面を示し、図４（ｄ）は、楕円放物面の断面を示す。 図５（ａ）及び（ｂ）は、非ドープ半導体内に量子ドットの異なる構成を備える本発明の実施形態に従うコンポーネントを示す。 図６（ａ）は、電気的励起向けに構成されるplea-I-an構造に形成される量子ドットを示し、この量子ドットは、層の成長方向と垂直な双極子を有し、図６（ｂ）は、ｐ−ｉ−ｎ構造内の量子ドットを示し、この量子ドットは、双極子が成長方向と平行になるようにサブ単原子層を使用して形成される。 図７は、ウエハ接合におけるステージを示し、図７（ａ）は、接合のために用意されるサンプルを示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）のサンプルの接合を示し、図７（ｃ）は、さらなる接合のために図７（ｂ）のサンプルの用意を示し、図７（ｄ）は、図７（ｂ）のサンプルに接合されたさらなるサンプルを示す。 図８は、研磨及びリソグラフィ中にサンプルを取り付けるために使用されるホルダーを示す。 図９は、反射体の放物面をパターニングするリソグラフィのステージを示し、図９（ａ）は、グレースケールレジストの露光を示し、図９（ｂ）は、放物面形状を生成するためのレジストの現像を示し、図９（ｃ）及び（ｄ）は、放物面形状を半導体に転写するためにレジストを介したエッチングを示し、図９（ｅ）は、パターニングされた反射体を示す。

一実施形態では、エミッタ及び固体反射体を具備し、前記反射体は凸状の外面を有し、前記エミッタは前記固体反射体内に位置し、前記エミッタは電気双極子遷移によって放射を出し、前記双極子は前記反射体の頂点における表面法線に対して４５度以下の角度に向けられる双極子軸を有する、光学コンポーネントが提供される。

さらなる実施形態では、双極子軸は、反射体の頂点における表面法線に対して３０度以下の角度に向けられる。

一実施形態では、頂点は、エミッタに最も近い凸状の外面の点である。

一実施形態では、エミッタは、一時的に分離される単一光子又は光子対を放射する量子エミッタである。

一実施形態では、反射体は、放物面の形状をした外面と、放物面の頂点からこの頂点に沿って延びる中心軸と、を有する。

一実施形態では、エミッタは放物面の焦点に設けられる。

一実施形態では、双極子は、放射の少なくとも５０％が反射体の頂点における表面法線と平行な方向に外面によって反射されるように配置される。

一実施形態では、固体反射体の外面は、円柱座標において下記式によって規定される形状を有する。
ｚ＝Ａ（ｘ^２＋ｙ^２）^α
ここで、ｚは回転対称軸に沿う距離であり、ｒ＝（ｘ^２＋ｙ^２）は回転対称軸からの距離であり、αは０．９５から１．０５の数であり、Ａはパラメータである。

一実施形態では、Ａは４０００００ｍ^−１である。さらなる実施形態では、放物面は、真の放物面形状を有し、ここではα＝１である。

さらなる実施形態では、曲面反射体の少なくとも一部は固体反射体内に焦点を有する放物面であり、エミッタはこの焦点に位置する。

反射体内の量子ドットは、光学的に励起されることができ、コンポーネントは、エミッタを光学的に励起するように構成されるレーザを含む。

またさらなる実施形態では、エミッタは電気的に励起され、エミッタを電気的に励起するように構成される電気接触をさらに含む。

一実施形態では、エミッタは量子ドットを含み、固体反射体は半導体系材料を含む。固体反射体はＧａＡｓ又はＧａＡｓ系材料を含むことができる。さらなる実施形態では、固体反射体はダイヤモンドを含み、エミッタはダイヤモンド内の欠陥又は色中心を含む。

反射体は、この反射体より低い屈折率を有する周囲材料内に設けられることができる。一実施形態では、周囲材料は空気である。

さらなる実施形態では、反射体は金属で覆われる。

さらなる実施形態では、光学コンポーネントを形成する方法であって、固体構造内に設けられる且つ双極子軸を有する量子ドットを形成することと、実質的に放物面である形状を有するように前記固体構造をパターニングすることと、を具備し、前記固体構造は、前記放物面の中心を通って前記放物面の頂点から延びる中心軸を有し、前記パターニングは、前記量子ドットの双極子軸が前記反射体の中心軸に対して４５度以下の角度をなすように前記固体構造を位置決めし、前記反射体は、任意の周囲媒体より高い屈折率を有する、方法である。

構造をパターニングすることは、放物面形状を定義するためにグレースケールレジストと用意することを含むことができる。

量子ドットの双極子は、半導体構造の層の平面と平行に配置されることができる。そのような場合、グレースケールレジストは、半導体構造において曲面を定義するためにウエハの端部に設けることができる。

さらなる実施形態では、構造は凸状の外面を定義するために、集束されたイオンビームを使用してパターニングされる。

一実施形態では、量子ドットは自己組織化技術を使用して形成される。さらなる実施形態では、量子ドットは、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓの交互層を使用して形成され、ＧａＡｓ及びＩｎＡｓ層の厚さはそれぞれ少数の単原子層より小さい。そのような技術は、層の成長方向と平行に形成される双極子を備える「サブ単原子層」量子ドットと呼ばれるものを形成する。

図１は、本発明の一実施形態に従うコンポーネント（component）を示す概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に従うコンポーネントの概略図である。このコンポーネントは、この特定の例では放物面の形状に形成されている反射体（reflector）１を含む。図１は、放物面を通る断面を示す。放物面は、対称の中心軸６に沿って位置する焦点３を有する。反射体１は、第１の屈折率ｎ_１を有する材料を含み、その周囲媒体７は、第２の屈折率ｎ_０を有する材料を含む。第１の屈折率は、第２の屈折率より高い。

量子ドットは、焦点３に設けられている。量子ドットは、本実施形態では中心軸６に沿って整列されている双極子軸１７を有する。

図１の例では、放物面反射体１は、基板１５の上に形成されている。反射防止コーティング９が基板１５の上に重なっている。焦点３に位置する量子ドットによって出される放射は、１によって反射され、基板及び反射防止コーティング９を経由して抜け出る。

図２ａは、放物面形状の外面を有する反射体を示す。図２ａでは、形状は放物面である。放物面は、ｚ軸に関する放物線（関係ｚ＝Ａｒ^２αに従う２次元の線）の回転によって得られる３次元の面である。放物面は、下記式で記述される。
ｚ＝Ａｒ^２α＝Ａ（ｘ^２＋ｙ^２）^α
この面は、放物面の焦点５１に位置する（位置ｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝１／（４Ａ）を有する）点光源の放射をｚ方向に反射する特性を持つ。

図１に示される構造では、屈折率ｎ_１を有する高屈折率材料５と屈折率ｎ_０を有する低屈折率材料７との間の界面である放物面の表面で光子が反射される。光学のスネルの法則は、表面の法線に対して角度θ_１で高屈折率側からそのような界面に当たる（strike）光線は角度θ_０で材料７へ抜け出るように屈折され得ることを提示する。ここで、
ｎ_０ｓｉｎθ_０＝ｎ_１ｓｉｎθ_１
である。

これは、θ_ＴＩＲ＝θ_１＜ｓｉｎ^−１（ｎ_０／ｎ_１）の場合である。これより大きい角度（θ_ＴＩＲ＜θ_１）では、内部全反射が起こる。

ＧａＡｓと空気との間の界面においては、θ_ＴＩＲは１６．６度である。図１の配置では、これは、垂直ｚ方向に対して１８０°−２θ_ＴＩＲ＝１４６．８度未満の角度で放射される光に対応する。

曲面からの反射がない上向きの方角に放射される光については、いくらかは、サンプルの上側のレンズ（図示せず）によって直接に集めることができる。しかしながら、そのような双極子によって放射される光は、実際にはこの方角にほとんど放射されず、簡単にするために、それは無視できるフラックス（flux）と仮定される。より正確には、図１の放物面の配置（geometry）は、集めることができる角度に関してより適切な制限を提供する。

図２（ａ）は、θ_Ｐより大きいｚ方向に対する角度で放射される光だけが放物面の表面で反射されることを示す。この正確な角度は、放物面の高さ及びパラメータＡによって設定され、最適化されることができる。

量子ドットによって提供されるような光双極子は、その軸の方向に沿って光を放射することができない。実際に、全体の放射は、ｓｉｎ^３Φに従って変化する。ここで、Φは、光放射の方向と双極子軸との間の角度である。放射は、双極子の軸の周りに対称的に生じて、「ドーナツ型」の放射確率となり、その断面は、図２（ｂ）及び（ｃ）に概略的に示される。

図２（ｂ）の場合には、双極子がｘ方向に沿って整列されていて、放射はｚ−ｙ平面内で起こり得る。それは、図１の放物面によって効率的に反射されず、従ってその後に集められない。この配置は、半導体内の量子ドットで達成するのが最も簡単であり、これは、これらのドットが成長面内でそれらの双極子を備えて自然に生じるからである。従って、処理は、より簡単であるサンプルの平面に対して実行することができる。

図２（ｃ）のコンポーネントでは、双極子は、図１の放物面のｚ軸（対称軸）の方向に沿って整列されている。この場合、放物面の表面から上方に反射される光の割合は、下記式で与えられる。

これは、θ_Ｐが小さな値である最適な反射体において、空気で囲まれたＧａＡｓでは９８．３％である。

図１の放物面によって反射された光は、その後、ｚ方向に沿って上方に進む。それは、その中心でゼロのフラックスを持ち、１／２Ａの半径で極大値を持つ。電場ベクトルは、放射されたビームにおいて放射状に向く。

一実施形態では、最適のパラメータＡ及び放物面の高さが選択される場合には、このモード形は、ｚ方向に沿った遠距離場中で光学素子（optics）によって効率的に集められることができる。

モードの直径がサンプルにおいて小さすぎる（即ち、モードの直径１／Ａが材料中の波長より小さい）場合、ビームの発散は、それが集められることができる前に起こる。一実施形態では、放射の収集を支援するためには、ＧａＡｓ内のドットではＡ＜５×１０^６ｍ^−１であり、ダイヤモンド内のエミッタではＡ＜３．５×１０^６ｍ^−１である。或いは、Ａの低い値及び低い高さでは、角度θ_Ｐは大きくなり、光のより少ない部分を集めることができる。

一実施形態では、放物面の「高さ」は、（１／４Ａである）エミッタと図１の原点との間の距離より大きい。上記実施形態からＡに関する制限を使用すると、これは、ＧａＡｓでは５０ｎｍの高さ及びダイヤモンドでは２９ｎｍの高さに一致する。一実施形態では、反射体は、可能な限り大きな高さを有し、それは、製造の問題のみによって制限されるであろう。両方の材料では、数１０ミクロンという最大の高さが達成可能である。

さらなる実施形態では、放物面は、デバイスの物理的処置に役立つために、或いは、露出されるＧａＡｓの表面の酸化を最小限にするために、不活性な低屈折率周囲材料（図示せず）（例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、又は高分子レジスト）内に入れられる。この場合、全内部反射の角度は増大され得る。

表１は、θ_Ｐが小さいと仮定して、好ましい実施形態に関する理論上の収集効率を有する反射材料及び周囲材料の組み合わせを与える表である。

さらなる実施形態では、反射材料の層が反射体の外面に設けられ、そのような層は、上方への光の反射を増強するために、（高い反射率を持つ）金又は（低い吸収率を持つ）銀であり得る。これはまた、酸化に対して表面を不動態化するように作用するだろう。

一実施形態では、量子ドットは、放物面の表面から少なくとも１００ｎｍにある。この検討は、ＧａＡｓ内のドットではＡ＜５×１０^６ｍ^−１及びダイヤモンド内のエミッタではＡ＜３．５×１０^６ｍ^−１という前に引用された値と合う。

一実施形態では、ＧａＡｓ反射体が使用される。しかしながら、他の材料を反射体に使用することができる。例えば、より長い波長での放射に適しているＩｎＰ基板上にデバイスを形成することが可能である。

上記実施形態は、ロバスト及び単純な設計を使用して収集効率をほぼ１００％に増大させるために、放物面光コリメータを使用する。これは、自動車のヘッドライト、衛星放送受信用アンテナ（satellite dishes）、及び電波望遠鏡用アンテナ（radio-telescope dishes）に見られるのと同じ光学原理に基づいており、即ち、放物面（その軸の周りにおける放物線の回転によって形成される３次元面）は、その軸に沿って入る全ての光をその焦点に向けて反射する。同様にして、この焦点に位置する単一光源は、表面で反射された全ての放射を、平行光線を備えるビームにコリメートしてもらう。

放物面の中心軸に実質的に沿って双極子を向けることによって、双極子によって放射されるほぼ全ての光は、高屈折率と低屈折率の界面からの全内部反射によって平行にされる。双極子の正確な配向によって、システムの配置が全内部反射の発生を回避する方向は、双極子が効率的に放射せずそれにより損失を最小限にする方向と一致するようになされることができる。

一実施形態では、上記コンポーネントは、その双極子軸が対称楕円放物面の軸の方向に沿うよう向けられた単一エミッタを備える、高屈折率材料で作られた且つより低い屈折率材料に囲まれた放物面の焦点に位置する量子エミッタを含む。

さらに、実施形態の有用性は、これらの材料の屈折率が波長に応じてゆっくり変化するように、放射の波長に依存しない。これは、（室温におけるダイヤモンド中の窒素空孔中心（nitrogen vacancy centers）のような）波長の範囲にわたって光を放射する光源又はエンタングルされた光子対を放射する量子ドットに関して有利であり得る。ここで、この対の各光子は、典型的には、数ミリｅＶだけエネルギー的に分離される。この場合、（微細構造分裂励起子固有状態の偏光に平行な）ドットの２つの双極子軸は、それらが両方とも等しいことを保証するために放物面の軸に対して４５度で配置され、効率的に集められる。

反射体は、ダイヤモンドで作成されることもできる。その場合には、放物面は、サブミクロン分解能でダイヤモンド内に３次元形状を機械加工するために使用することができることで知られている「集束イオンビーム」（例えば、３０ｋｅＶのエネルギーに加速されたガリウムイオン）を使用して機械加工されることができる。高エネルギーＧａイオンは、制御された方法でダイヤモンドをばらばらに「粉砕する（mill）」。同じＦＩＢシステムにおいてこの粉砕行為の進行を撮像するために、低エネルギーイオン又は電子顕微鏡法を使用するのが標準的技法である。従って、反射体の成形が進行するとともに、所望される放物面形状の正確な形成を可能にするように調整が行なわれることができる。

ダイヤモンドは、単一原子の自然発生又は制御された注入によって形成される複数の光学活性された欠陥又は色中心をサポートする（support）。これらは、数例を挙げると、窒素空孔中心（これは〜８００ｎｍで放射する）、クロム欠陥（〜７５０ｎｍ）、及びニッケル欠陥（〜８００ｎｍ）に基づいた欠陥を含む。いずれの場合にも、単一欠陥が隔離されるという条件で、室温での単一光子放射を達成することができる。

図３は、図１の放物面に関する３つの変形を示す。図３（ａ）では、パラメータＡの値が５００００ｍ^−１であり、これは、高さが１０ミクロンである放物面が４．１ミクロンの外半径を持ち、双極子が放物面の底から５ミクロンの位置に置かれなければならないことを意味する。この場合、放射パターンは、中心から最も高い強度の半径まで半径１０ミクロンを有する。しかしながら、明からに放物面によって反射されず、従って平行にされない上向きの角度の増大した範囲がある。

図３（ｂ）では、Ａ＝４０００００ｍ^−１であり、図３（ｃ）では、Ａ＝１５０００００ｍ^−１である。図３（ｃ）では、反射される角度の範囲は最大になるが、双極子は構造の底から１６７ｎｍだけのところに位置しなければならず、これは、単一エミッタのデフェージング（dephasing）を引き起こし、放物面から抜け出るときに光の回折も引き起こす。これは、放射が固定の開口数の遠距離場光学素子によって収集されることができる効率を低減する。

上記のコンポーネントは、放物面の形状をした反射体を有する。しかしながら、反射体は、厳密に放物面である必要はない。放物面の形状をした外面を有する任意の反射体は、非パターン層（non-patterned layers）にわたって増強された反射を少なくとも部分的に提供するだろう。

図４（ａ）は、断面における放物面反射体１０１を示す。放物面反射体１０１は、実質的に扁平な底部（base）１０３を有する。側面は厳密には放物面ではないが、図２を参照して説明したものと同様の作用が生じる。

図４（ｂ）は、反射体１１１のタイプのさらなる変形を示す。反射体１１１は、反射体の上部及び開口端に直線側面（straight line sides）１１３、及び反射体の下端に直線側面１１５を有する。中間部分１１７は、放物面の形状（profile）を有する。これは、部分的な放物面形状１１７の焦点に設けられる量子ドットに関して、純粋な放物面に関して説明したようものと同様の方法で機能する。

放物面形状に関する変形は、プロセス中に起こることもある。放物面は、伸長されてもよく、或いは、場合によっては、曲面のうちのいくらかが平らにされてもよい。図４（ｃ）は、図１の放物面の平面図を示す。放物面１２１の平面図は、円形である。しかしながら、プロセス中に、放物面が１以上の方向に伸長され得る可能性があり、そのような場合に、放物面は、図４（ｄ）に示されるような楕円断面１２３を有する。

放物面がそれ以上の楕円断面を有する場合、回転対称の中心軸はないかもしれない。しかしながら、放物面の頂点又は中心から放物面又は放物線の開口端を通る中心軸が常にある。

さらに、プロセス中の変形によって双極子軸が放物面の中心軸と完全にはそろわなくなることもある。４５°以下のずれ（misalignment）は、放物面が量子ドットによって放射される十分な量の光子を反射することをそれでもやはり可能にする。

図５（ａ）は、非ドープＧａＡｓ反射体と反射体の焦点に光学的に励起されるＱＤ４１とを含む一実施形態に係るデバイスを示し、この実施形態では、反射体４０は放物面である。量子ドット４１は、ＩｎＡｓで形成される。一実施形態では、ＩｎＡｓの１．８を超える単原子層（monolayers）が堆積される場合、この量子ドットは、ＧａＡｓウエハの［００１］面に置かれるときにＩｎＡｓの自己組織化によって形成される。自然に、このドットは、平らな形状（典型的には高さが４−５ｎｍであり、幅が１０−３０ｎｍである。）に形成され、ドットの断面がピラミッド型のようにここに示されている。この場合、光双極子は、成長方向４３に対して垂直にあり、ＧａＡｓで覆われている。従って、放物面反射体を作成するために、ウエハは、後述するように、放物面を定義する（define）前に９０度回転されなければならない。

図５（ｂ）は、ＧａＡｓ放物面及び「サブ単原子層（sub-monolayer）」量子ドットを備えるさらなる実施形態に従うデバイスを示す。この量子ドットは、１．８を超える単原子層のＧａＡｓから成るように最初に堆積されるより大きな単一自己組織化ドット４５から形成され、ＧａＡｓ（典型的には１．０から３．０ＭＬのＧａＡｓ及び０．５から１．０ＭＬのＩｎＡｓ）の交互層の繰り返しの堆積を重ねられる。そのような条件下で、ＩｎＡｓ層は、サブ単原子層スタックに自然に自己組織化し、第１の量子ドット４５に対して位置合わせされる。そして、スタックは、最終的にＧａＡｓで覆われる。従って、幅より高さが大きい且つ成長方向４９に平行な光双極子を有する「サブ単原子層量子ドット」を形成する。

図５（ａ）及び５（ｂ）の実施形態では、量子ドットは、高屈折率の非ドープ半導体材料で作られる且つ空気のようなより低い屈折率材料で囲まれる放物面の焦点に位置し、この放物面の軸の方向に沿って光双極子を有するように構成される単一量子ドットを備える。量子ドットは、光双極子を励起するために集束されたレーザによって励起され、放射は、基板中へ生じて反射防止コーティングを経由して半導体から出る。

図６（ａ）は、さらなる実施形態に従うコンポーネントを示す。反射体５０は、放物面の焦点に電気的に励起される単一自己組織化ドットとともに、ｐ−ｉ−ｎダイオードに形成されたドープＧａＡｓを含む。この実施形態では、量子ドットは、電気的に励起される。

図６（ａ）のコンポーネントでは、量子ドットは、非ドープＧａＡｓ領域５５内に位置する。非ドープガリウム砒素領域５５は、放物面反射体５０の中心に位置する。そして、反射体５０の中心を通るスライス（slice）を形成する。非ドープ領域５５の一方の側には、ｐ型ドープ領域５３がある。ｐ型ドープ領域に対して非ドープ領域の反対側には、ｎ型ドープ領域５５がある。ｐ型接触５９はｐ型ドープ領域５３に作られ、ｎ型接触５７はｎ型ドープ領域５５に作られる。これは、量子ドットを含むｎ型ドープ領域６１に場を印加することを可能にする。

図６の構造は、ｐ型材料５３の層を形成し、続いて量子ドット４１を含む非ドープ層５５を形成し、最後にｎ型ドープ層５５を設けることによって形成されることができる。構造は、放物面反射体５０を形成するためのその端部についての特許（patent）である。放物面反射体が形成されると、ｐ型接触５９及びｎ型接触５７が形成される。

図６（ｂ）は、放物面の焦点に電気的に励起される単一「サブ単原子層」ドットとともに、ｐ−ｉ−ｎダイオードに形成されるドープＧａＡｓを含む一実施形態に従うコンポーネントを示す。

図６（ｂ）に示される構造では、量子ドットは、サブ単原子層量子ドットとして提供される。このような量子ドットは、成長方向に整列された双極子を備えて形成される。従って、このタイプの量子ドットでは、層構造は、図６（ａ）を参照して説明されたものに対して９０°だけ回転される。図６（ｂ）では、ｐ型領域５３は、放物面５０の底部に形成される。次に、複数の層は、図５（ｂ）を参照して説明したように、成長方向に沿って整列される双極子を備えて量子ドットを形成することを可能にする量子ドット４７を備えて形成される。放物面５０の上部を形成するｎ型ドープ領域５１が複数の非ドープ層５５に重なって接している。
続いて、この構造５０は放物面５０を形成するようにエッチングされ、次に、ｎ型接触５７がｎ型領域５１に作られ、ｐ型接触５９がｐ型領域５３に作られる。

図６（ａ）及び６（ｂ）の実施形態では、量子ドットは、高屈折率半導体材料で作られる且つ空気のようなより低い屈折率材料によって囲まれる放物面の焦点に位置し、前記放物面の軸の方向に沿って光双極子軸を持つように構成される単一量子ドットを備える。半導体は、各々がダイオードの真性領域へいずれか一方の電荷担体を注入するオーム電気接触を放物面の両側に備えるドープｐ−ｉ−ｎ構造であるだろう。これにより、真性領域に位置する単一量子ドットは、電気的に励起されて、前記放物面反射体によって平行にされる光子を基板の中に放射し、それは反射防止コーティングを経由して半導体から出る。

ここで、双極子は半導体層の面内に形成され、プロセスは半導体ウエハの端部に対して実行されなければならない。

図７（ａ）から７（ｄ）を参照して、本発明の実施形態に従う方法を説明する。パターニングがウエハの端部に必要である製造を助けるために、複数のウエハが接合される（bonded）。

接合手順は、接合層（bonding layer）を使用する高温でのサンプルの圧縮を含む。本発明の実施形態に従う方法において使用される手順は、以下の通りである。
ウエハは、約３ｍｍ×２０ｎｍの寸法のサンプルに裂かれる。
接合手順は、複数のステージからなる。各ステージでは、サンプルは、既に接合されているサンプルのスタック（stack）に接合される。
サンプル表面の洗浄は重要であり、サンプル表面上の各欠陥は、より弱い接合を生じることがある。

図７（ａ）から（ｄ）は、この方法に従ってウエハを接合するステージのうちのいくつかを示す。基板６０１が提供される。この例では、基板６０１はドープされていない。次に、半導体構造６０３が形成される。図６（ａ）に示される構造を形成するために、まず、ｐ型領域が成長され、内部に量子ドットが形成される非ドープ領域が続き、そして、ｎ型領域が非ドープ領域に重なって形成される。一実施形態では、半導体構造６０３は、エピタキシャルに成長される。

続いて、ウエハはより小さなサンプルに分割される。２つのサンプルが図７（ａ）に示されている。チタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）６０５は、半導体構造６０３の表面上に熱的に蒸着される。Ｔｉ付着層（adhesion layer）の厚さは、１０ｎｍであり、Ａｕ接合層（bonding layer）の厚さは２５０ｎｍである。代替の他の金属はウエハ接合に使用することができ、即ち、付着用にＴｉ／Ｃｒ／Ｐｄ及び接合用にＡｇ／Ａｌを使用することができる。蒸着層６０５が滑らかであるほど、接合品質は良い。

金属層が蒸着されたサンプルは、続いて、ジグ（jig）に置かれ、図７（ｂ）に示されるように、金属層が互いに対向する。ジグは、サンプルが内側で互いに圧迫されるように固定される。次に、ジグは、４００℃で少なくとも１時間放置され、後に緩やかな冷却が続く。このステージでは、金属・金属界面６０７が形成され、サンプルが接合される。接合の質を向上させるために、高速熱アニーリングが（４５０℃の最高温度で３から５分間）使用される。

次に、図７（ｃ）に示されるように、積層されたサンプルの表面が金属化される。この実施形態では、金属化は、前に使用されたものと同じ、即ち、Ｔｉ／Ａｕである。

ジグは、図６（ｄ）に示されるように、既に接合されているサンプルのスタック上に次のサンプルを接合するために使用される。

続いて、十分な端部幅（edge width）を持つ積層構造が構築されるまで、サンプルは継続的に接合される。この方法は、ｎ個のサンプルの接合を可能にする。

サンプル端部は研磨され（polished）なければならず、これは図８を参照して説明される。放物面は、積層されたサンプルの端部７０７上に加工され、そのために、サンプルの上質の端部を提供することは極めて重要である。これは、精密なサンプル分裂及び接合のみに依存して達成するのは難しく、従って、接合されたサンプルの端部の機械研磨が推奨される。

サンプルの接合されたスタックは、スタブ（stab）７０１に置かれ、接合されたスタックに影響を及ぼさない溶剤を使用して溶解することができる接着剤７０３によって取り付けられる。

取り付け方法は図８に示される。両側からスタックを支持する機構を備えるスタブ７０１の特定の設計が望まれる。積層されたサンプル７０５は、ウエハ成長方向がスタブの表面に垂直であるように、接着剤７０３を使用してスタブ７０１に取り付けられる。取り付けられたサンプルスタックの端部７０７は研磨される。同じ研磨処置は、積層されたサンプルの反対の端部７０９に適用される。最後に、スタックはスタブから解放されて洗浄される。

図８及び９を参照すると、パターンは、スタック接合サンプル（stack bonded samples）の研磨された端部７０７上で回転される電子線リソグラフィレジストで定められる。スタック接合サンプルの端部の面積が大きいほど、レジストはより均一に回転されることができる。レジストを回転させる前に、スタック接合サンプルは、容易なプロセスのために、スライドガラス（glass slide）に取り付けられる。適用される電子線レジストは、ＰＭＭＡ、ＵＶＮ３０、ＭＡ−Ｎ２４ｘのうちの１つであり得る。

放物面の３次元パターンは、グレースケール電子線リソグラフィを使用してレジストで定義される。良質のグレースケール電子線リソグラフィは、Ｌｅｉｃａ ＶＢ６ ＵＨＲのような超高分解能電子線リソグラフィシステムを使用して達成することができる。パターン定義（pattern definition）中のパラメータは、ビームステップサイズ、書き込み領域（write field）及び電子線量である。小さいステップサイズで適用される正確な電子線量は、現像後のパターンにおいて３次元特徴をもたらす放物面領域の過量／不足（overdosing/underdosing）を含むことになる。

グレースケールリソグラフィの主要原理は図９（ａ）及び９（ｂ）に示される。種々の線量８０５の電子線を基板８０１上で回転されるレジスト８０３に照射することによって、グレースケールパターンは、基板８０７の表面に沿って定義されることができる。これは、図９（ｂ）に示されるように、現像後のレジストの異なる厚さに対応する。

図９（ｃ）及び９（ｄ）を参照すると、放物面の３次元形状は、正確に制御されたドライエッチングによって半導体に転写される。レジストと半導体との間のエッチング速度の固定比率は、速い半導体エッチング速度に関してその軸に沿った放物面の伸長とともに、半導体への形状の忠実な転写をもたらす。ＩＩＩ−Ｖ半導体の場合には、Ｓｉ_３Ｃｌ_４又はＳＦ_６に基づくプロセスが適用されることができる。ここの重要な要素は、エッチングの均一性、化学ではなく物理エッチングモードに基づくエッチングプロセス、及び無視できるポリマー再堆積（polymer re-deposition）である。パターン転写の主要原理は図９（ｅ）に示され、レジスト８０９で定義された３次元パターンが基板８０１に徐々にエッチングされる。

転写された３次元パターンは、悪い（poor）電子線分解能及びエッチングに起因する粗雑な表面を持つと思われる。一実施形態では、表面の質を改善するために、酸素プラズマ中の酸化が適用される。形成された酸化ガリウム／砒素は、後に、５％のＨＣｌ：Ｈ_２Ｏ又は１０％のＣ_６Ｈ_８Ｏ_７：Ｈ_２Ｏ内で選択的に除去される。

図７から９は、双極子がサンプルの成長方向と垂直に形成されていて、従ってそれらの端部でサンプルを処理する必要がある、図５（ａ）及び６（ａ）に示されるタイプの構造の処理について説明する。しかしながら、図５（ｂ）及び６（ｂ）は、双極子が成長方向と平行に形成されている構造を示している。これらのタイプの構造は、放物線又は放物面が構造の端部をエッチングされることを要求せず、その結果、図７及び８を参照して説明したウエハ接合技術を要求しない。しかしながら、それらは、放物面又は放物線の形状を定義するために図９を参照して説明したグレースケールリソグラフィを使用することができる。

さらなる実施形態では、コンポーネントは、ダイヤモンドで作られた且つ空気のようなより低い屈折率材料で包まれた放物面の焦点に位置する単一色中心を含み、この単一色中心は、この放物面の軸の方向に沿う双極子軸を持つように向けられている。

特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実際に、ここで説明される新規な構成要素及び方法は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、ここで説明される構成要素及び方法における種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び精神に含むように、そのような形態又は変形を含むよう意図される。

Claims (20)

1. エミッタ及び固体反射体を具備し、前記反射体は凸状の外面を有し、前記エミッタは前記固体反射体内に位置し、前記エミッタは電気双極子遷移によって放射を出し、前記双極子は前記反射体の頂点における表面法線に対して４５度以下の角度に向けられる双極子軸を有する、光学コンポーネント。
2. 前記頂点は、前記エミッタに最も近い前記凸状の外面の点である請求項１に記載の光学コンポーネント。
3. 前記反射体は、放物面形状の外面と、前記放物面の頂点から、この頂点における表面の法線に沿って延びる中心軸と、を有する請求項１に記載の光学コンポーネント。
4. 前記エミッタは、前記放物面の焦点に設けられる請求項３に記載の光学コンポーネント。
5. 前記双極子は、放射の少なくとも５０パーセントが前記反射体の前記頂点における前記表面法線と平行な方向に前記外面によって反射されるように配置される請求項１に記載の光学コンポーネント。
6. 前記固体反射体の外面は、円柱座標において下記式によって規定される形状を有し、
   ｚ＝Ａｒ^２α
   ここで、ｚは回転対称軸に沿う距離であり、ｒは回転対称軸からの距離であり、αは０．９５から１．０５の数である請求項１に記載の光学コンポーネント。
7. 前記αは１である請求項６に記載の光学コンポーネント。
8. 前記反射体の少なくとも一部は前記固体反射体内に焦点を有し、前記エミッタは前記焦点に位置する請求項１に記載の光学コンポーネント。
9. 前記エミッタを光学的に励起するレーザをさらに具備する請求項１に記載の光学コンポーネント。
10. 前記エミッタを電気的に励起する電気接触をさらに具備する請求項１に記載の光学コンポーネント。
11. 前記エミッタは量子ドットを含み、前記固体反射体は半導体系材料を含む請求項１に記載の光学コンポーネント。
12. 前記固体反射体はダイヤモンドを含み、前記エミッタは前記タイヤモンド内の欠陥又は色中心を含む請求項１に記載の光学コンポーネント。
13. 周囲材料は空気である請求項１に記載の光学コンポーネント。
14. 前記周囲材料は前記固体反射体の屈折率より低い屈折率を有する請求項１に記載の光学コンポーネント。
15. 前記反射体は金属で表面を覆われている請求項１に記載の光学コンポーネント。
16. 光学コンポーネントを形成する方法であって、
    固体構造内に設けられる且つ双極子軸を有する量子ドットを形成することと、
    実質的に放物面である形状を有するように前記固体構造をパターニングすることと、
    を具備し、前記固体構造は、前記放物面の中心を通って前記放物面の頂点から延びる中心軸を有し、前記パターニングは、前記量子ドットの双極子軸が前記反射体の中心軸に対して４５度以下の角度をなすように前記固体構造を位置決めし、前記反射体は、任意の周囲媒体より高い屈折率を有する、方法。
17. 前記構造をパターニングすることは、前記放物面の形状を定義するためにグレースケールレジストを用意することを含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記構造をパターニングすることは、集束されたイオンビームを使用して前記放物面の形状を定義することを含む請求項１６に記載の方法。
19. 複数のウエハ片は量子ドットを備えて生成され、前記ウエハ片はパターニングのために接合されるウエハである請求項１７に記載の方法。
20. 前記量子ドットは自己組織化技術を使用して形成される請求項１６に記載の方法。

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