JP3572673B2

JP3572673B2 - Quantum device

Info

Publication number: JP3572673B2
Application number: JP23028494A
Authority: JP
Inventors: 隆一宇賀神
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: JPH0876069A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、量子素子に関し、特に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた量子素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の大規模化に伴い、金属配線を介して信号を送ることにより動作制御を行う従来の方法が近い将来限界を迎えると考えられている。この問題を解決するために、全く新しいデバイス概念の構築が試みられている一方で、光による交差配線が考えられている。配線のみではなく、情報処理の一部を光で実現することは、本質的に重要である。このために、高速で動作する光変調器あるいは光スイッチャーが求められてきた。また、光により光を変調することができれば、種々の応用が考えられるが、これは難しいため、通常は電気的な操作で光の透過率を制御することにより変調しているのが現状である。従って、光により光を変調することができるデバイスが求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、この発明の目的は、高速で光を変調することができる量子素子を提供することにある。
【０００４】
この発明の他の目的は、光により光を変調することができる量子素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、詳細な理論的研究により以下の事実を見いだした。
１．井戸状の閉じ込めポテンシャルによって構成される正方量子ドット（化合物半導体ヘテロ接合がその例である）の中に２個の電子を詰めた系において、その正方量子ドットの面に平行な一方向（ｚ方向とする）に外部電場を印加した場合に初めて現れる強い赤外吸収が存在する。これは外部電場と同じｚ方向に偏光している光の吸収であり、電子間相互作用（電子間クーロン相互作用）がなければ存在しないものである。
【０００６】
２．量子ドット中に１個の電子を詰めた系においても、外部電場を印加した場合に初めて現れる赤外吸収が存在するが、量子ドット中に２個の電子を詰めた系においては、量子ドット中に１個の電子を詰めた系における吸収強度に比べて１０倍以上の吸収強度が得られる。
【０００７】
以下において、本発明者による理論的研究の内容をより詳しく説明する。
今、一例として、Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成された量子ドット中に閉じ込められた電子系を考える。この量子ドットは、有限の深さを有するポテンシャル井戸と仮定し、有効質量近似の範囲で一電子ハミルトニアンとして式（１）に示すものを導入する。
【０００８】
【数１】

【０００９】
この場合、量子ドットの形状は正方形とし、一電子ポテンシャルＶ（ｘ，ｚ）によって表されるものとする。ここでは、Ｖ（ｘ，ｚ）は−Ｌ／２≦ｘ，ｚ≦Ｌ／２で−０．３６ｅＶとし、それ以外では０とした。ただし、Ｌは量子ドットの一辺であり、ここでは３０ｎｍとした。また、量子ドット中の電子の有効質量ｍ（ｘ，ｚ）は空間依存性を有しており、量子ドット内では０．０６７ｍ_０（ただし、ｍ_０は真空中の電子の質量）、外部では０．１０４ｍ_０とした。Ｅ_ｚはｚ方向の印加電場強度であり、量子ドットを含む最小の領域のみに電場が存在するように関数Θ（ｚ）を導入した。なお、ｐは電子の運動量、Ａはベクトルポテンシャル、ｅは電気素量である。
【００１０】
量子ドット中に２個の電子が存在する場合のハミルトニアンは
【数２】

である。ただし、
【数３】

である。比誘電率ε_ｒとしてはＧａＡｓの値１０．９を用いた。
【００１１】
まず、式（１）または（２）でＡ＝０としたハミルトニアンのエネルギー固有状態｜ｎ〉を計算し、吸収強度に比例する振動子強度の二乗
【数４】

を計算する。
【００１２】
量子ドット中に電子が１個しか存在しない場合、最低エネルギーの吸収は、電子が基底状態から第１励起状態へ遷移することによって生じるものである。この吸収に関して、吸収強度に比例する振動子強度の二乗（Γ）対吸収エネルギーは図３の□で示されている。ここで、外部電場強度は０から４×１０^６Ｖ／ｍまで変化させている。外部電場強度が増加するに従って、吸収強度は速やかに減少してゆくが、これは波動関数の対称性が外部電場によって壊されるためである。これは、よく知られた量子構造中のシュタルク効果である。外部電場が０のときには存在しない吸収が図３の●で示されている。この変化も同じ原因によるものであり、波動関数の対称性が外部電場によって壊されたためである。この二種類の吸収の振る舞いは容易に理解することができる。
【００１３】
次に、量子ドット中に２個の電子が存在する系における光の吸収について説明する。この二電子系の吸収に関して、振動子強度の二乗（Γ）対吸収エネルギーを図４に示す。図４からわかるように、一電子系の場合に見られた吸収と類似の振る舞いを示す吸収のほかに、▲で示される外部電場により励起された吸収が見られる。この新しい種類の吸収は外部電場強度の増加に伴って非常に強くなり、外部電場強度が３．６×１０^６Ｖ／ｍ以上では最低エネルギーの吸収を超えるほどにまで増加する。この吸収は相互作用する電子系が外部電場下にある場合にのみ存在するものである。
【００１４】
以上を要約すると、図３および図４の●で示される外部電場によって生じる吸収が存在し、それ以外に図４の▲で示される外部電場と電子間相互作用とが共存する場合にのみ存在する吸収がある。以上の結果は、ｚ方向に偏光した光の成分に関する吸収である。そして、この外部電場と電子間相互作用とが共存する場合にのみ存在する新しい吸収は、単純な予想をはるかに超えて強い吸収となる。この強い吸収は量子状態間の強い混合によって引き起こされ、この混合は外部電場による摂動によってもたらされるものである。
【００１５】
以上の計算においては量子ドットの一辺Ｌを３０ｎｍとしたが、Ｌをより小さくすることにより、吸収される光の波長をより短くすることができる。また、量子ドットをＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ接合と異なる種類の化合物半導体ヘテロ接合により構成することによっても、吸収される光の波長をより短くすることができる。
【００１６】
この発明は、以上のような本発明者の理論的研究に基づいて案出されたものである。
【００１７】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明による量子素子は、
一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱（ＱＤ）を有し、
複数の量子箱（ＱＤ）に上記一面に平行な方向の外部電場を印加することにより、上記一面に平行な方向と一致しない方向から複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域に入射する光に対する光透過率を変調するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
この発明による量子素子の一実施形態においては、複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域の両側に互いに対向して一対の電極（４、５）が設けられ、一対の電極（４、５）の間に電圧を印加することにより外部電場を印加する。
【００１９】
この発明による量子素子の他の実施形態においては、複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域に第１の光（Ｌ１）を照射しておき、第１の光（Ｌ１）よりも振動数が小さい第２の光（Ｌ２）を第１の光（Ｌ１）の進行方向と直交しない方向から複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域に照射し、第２の光（Ｌ２）の光量を変化させることにより複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域の第１の光（Ｌ１）に対する光透過率を変調するようにしている。ここで、特に、第２の光（Ｌ２）の光量の制御によって、第１の光（Ｌ１）のスイッチングを行うこともできる。
【００２０】
この発明による量子素子においては、好適には、量子箱中に２個以上の電子が存在する。このとき、電子間相互作用によって、強い光吸収が生じる。
【００２１】
この発明による量子素子において、量子箱は、好適には、化合物半導体ヘテロ接合により形成される。この化合物半導体ヘテロ接合としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合やＡｌＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合などを用いることができる。
【００２２】
この発明による量子素子において、量子箱は、半導体と絶縁体との接合により形成することもできる。この半導体と絶縁体との接合において、典型的には、半導体は一種または複数種のＩＶ族元素から成り、絶縁体はＩＶ族元素と酸素との化合物から成る。一例を挙げると、半導体はＳｉであり、絶縁体はＳｉＯ_２である。二種類のＩＶ族元素から成る半導体の例としては、ＳｉＣが挙げられる。
【００２３】
【作用】
上述のように構成されたこの発明による量子素子によれば、複数の量子箱に外部電場を印加することにより複数の量子箱が配列された領域の光透過率を変調するようにしているので、高速で光を変調することができる。また、第２の光の光量を変化させることにより複数の量子箱が配列された領域の第１の光に対する光透過率を変調するようにしているので、光により光を変調することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００２５】
図１はこの発明の第１実施例による量子素子を示す。
図１に示すように、この第１実施例による量子素子においては、例えばＧａＡｓ基板のような基板１上にＡｌＧａＡｓ層２が積層されている。このＡｌＧａＡｓ層２中には、複数の箱状のＧａＡｓ層３がｘｚ面内に二次元アレー状に埋め込まれている。そして、ＡｌＧａＡｓ層２によってＧａＡｓ層３が囲まれた構造によって量子ドットＱＤが構成され、この量子ドットＱＤがｘｚ面内に二次元アレー状に配列されて量子ドットアレーが構成されている。また、この量子ドットアレーのｚ方向の両側の部分における基板１上には、この量子ドットアレーから十分に離れた位置に、一対の電極４、５が量子ドットアレーをはさんで互いに対向して設けられている。
【００２６】
ここで、好適には、量子ドットＱＤ中に２個以上の電子が存在するように量子ドットＱＤの設計を行う。
【００２７】
量子ドットアレーに対してｚ方向に均一な外部電場が印加されるようにするために、電極４、５は、好適には、量子ドットアレーの上下にはみだすような十分な厚さを有するようにする。このために、必要に応じて、電極４、５の下部の基板１中に例えばｎ^＋型層を形成し、このｎ^＋型層も電極の一部として用いることにより、電極４、５の厚さを実効的に増大させてもよい。
【００２８】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による量子素子の製造方法について説明する。
まず、基板１上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、図１における基板１とＧａＡｓ層３との間の距離に相当する厚さのＡｌＧａＡｓ層２およびＧａＡｓ層３を順次エピタキシャル成長させる。
【００２９】
次に、量子ドットアレー形成領域におけるＧａＡｓ層３の上に量子ドットＱＤに対応した形状のレジストパターン（図示せず）をリソグラフィーにより形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＧａＡｓ層３を基板表面に対して垂直方向にエッチングする。これによって、ＧａＡｓ層３が量子ドットＱＤの形状にパターニングされる。
【００３０】
次に、レジストパターンを除去した後、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法により、全面に所定の厚さのＡｌＧａＡｓ層２をエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓ層３を覆う。
【００３１】
次に、量子ドットアレー形成領域以外の部分のＡｌＧａＡｓ層２およびＧａＡｓ層３をエッチングにより除去する。
【００３２】
この後、この量子ドットアレーのｚ方向の両側の部分における基板１上に例えばリフトオフ法により電極４、５を形成し、図１に示すように目的とする量子素子を完成させる。
【００３３】
次に、この第１実施例による量子素子の動作について説明する。
図１に示すように、まず、基板１の面に垂直な方向、すなわちｙ方向から、ｚ方向に偏光した光Ｌを量子ドットアレーに照射しておく。この状態で電極４、５間に電圧を印加してｚ方向の外部電場を量子ドットアレーに印加する。すると、すでに述べた原理に基づいて、量子ドットＱＤ中の電子による光Ｌの吸収が起こり、それによって量子ドットアレーの光Ｌに対する光透過率が減少する。すなわち、光Ｌが変調される。
【００３４】
以上のように、この第１実施例によれば、電極４、５間に電圧を印加することによってｚ方向に印加される外部電場により量子ドットアレーの光透過率を変調することができる。従って、この第１実施例による量子素子は、高速で動作する光変調器として使用することができる。
【００３５】
なお、光Ｌが円偏光である場合には、この円偏光の光Ｌのうちのｚ方向の偏光成分だけを吸収により取り除くことができるので、この第１実施例による量子素子は、円偏光を直線偏光に変える偏光子として使用することもできる。
【００３６】
次に、この発明の第２実施例による量子素子について説明する。
図２に示すように、この第２実施例による量子素子においては、例えばＧａＡｓ基板のような基板１上に、ＡｌＧａＡｓ層２により箱状のＧａＡｓ層３が囲まれた構造の量子ドットＱＤがｘｚ面内に二次元アレー状に配列されて量子ドットアレーが形成されている。この場合、第１実施例と異なり、電極４、５は設けられていない。
【００３７】
この第２実施例による量子素子の製造方法は第１実施例による量子素子の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
次に、この第２実施例による量子素子の動作について説明する。
図２に示すように、まず、基板１の面に垂直な方向、すなわちｙ方向から、量子ドットアレーに第１の光Ｌ１を照射しておく。次に、量子ドットアレーに、この第１の光Ｌ１よりも振動数が十分に小さい、すなわち波長が十分に長い第２の光Ｌ２を、第１の光Ｌ１の進行方向と一致せず、かつ第１の光Ｌ１の進行方向と直交しない方向から照射する。すると、この第２の光Ｌ２の電場によって、すでに述べた原理に基づいて、量子ドットアレーの第１の光Ｌ１に対する光透過率が減少する。そして、第２の光Ｌ２の光量によって、量子ドットアレーの第１の光Ｌ１に対する光透過率を制御することができる。すなわち、第２の光Ｌ２により第１の光Ｌ１を変調することができる。
【００３９】
以上のように、この第２実施例によれば、光を光により変調することができる光変調器を実現することができる。
【００４０】
以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００４１】
例えば、上述の第１実施例および第２実施例においては、一段の量子ドットアレーを用いているが、必要に応じて、二段以上積層した量子ドットアレーを用いてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による量子素子によれば、複数の量子箱に外部電場を印加することにより複数の量子箱が配列された領域の光透過率を変調するようにしているので、高速で光を変調することができる。また、外部電場として光の電場を用いることにより、光により光を変調することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例による量子素子を示す斜視図である。
【図２】この発明の第２実施例による量子素子を示す斜視図である。
【図３】外部電場下の量子ドット中に１個の電子が閉じ込められている場合の振動子強度の二乗と吸収エネルギーとの間の関係を示すグラフである。
【図４】外部電場下の量子ドット中に２個の電子が閉じ込められている場合の振動子強度の二乗と吸収エネルギーとの間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１基板
２ＡｌＧａＡｓ層
３ＧａＡｓ層
４、５電極
ＱＤ量子ドット
Ｌ光
Ｌ１第１の光
Ｌ２第２の光[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a quantum device, and more particularly to a quantum device using a quantum box (also called a quantum dot).
[0002]
[Prior art]
With the increase in the scale of semiconductor integrated circuits, it is considered that a conventional method of controlling operation by sending a signal through a metal wiring will reach its limit in the near future. To solve this problem, while construction of a completely new device concept is being attempted, cross wiring by light has been considered. It is essentially important to realize a part of information processing with light, not just wiring. Therefore, an optical modulator or an optical switcher that operates at a high speed has been required. In addition, if light can be modulated by light, various applications can be considered. However, since it is difficult, modulation is usually performed by controlling light transmittance by electric operation. . Therefore, there is a need for a device that can modulate light with light.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a quantum device that can modulate light at high speed.
[0004]
Another object of the present invention is to provide a quantum device capable of modulating light with light.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found the following facts through detailed theoretical studies.
1. In a system in which two electrons are packed in a square quantum dot (a compound semiconductor heterojunction is an example) constituted by a well-shaped confinement potential, one direction parallel to the plane of the square quantum dot (z direction) )), There is strong infrared absorption that first appears when an external electric field is applied. This is absorption of light polarized in the same z-direction as the external electric field, and does not exist without electron-electron interaction (electron-Coulomb interaction).
[0006]
2. In a system in which one electron is packed in a quantum dot, there is infrared absorption that appears for the first time when an external electric field is applied, but in a system in which two electrons are packed in a quantum dot, 10 times or more as compared with the absorption intensity of a system packed with one electron.
[0007]
Hereinafter, the content of the theoretical research by the present inventors will be described in more detail.
Now, as an example, consider an electron system confined in a quantum dot composed of an Al _0.45 Ga _0.55 As / GaAs heterojunction. This quantum dot is assumed to be a potential well having a finite depth, and a one-electron Hamiltonian shown in Expression (1) is introduced within the range of the effective mass approximation.
[0008]
(Equation 1)

[0009]
In this case, it is assumed that the shape of the quantum dot is a square and is represented by one electron potential V (x, z). Here, V (x, z) is -0.36 eV when -L / 2≤x, z≤L / 2, and is 0 otherwise. Here, L is one side of the quantum dot, which is 30 nm here. Further, the effective mass m (x, z) of the electrons in the quantum dot has a spatial dependency, and 0.067m ₀ (where m ₀ is the mass of the electron in a vacuum) inside the quantum dot, and outside the quantum dot. It was 0.104m _0. E _z is the applied electric field strength in the z direction, and the function Θ (z) was introduced so that the electric field exists only in the minimum region including the quantum dot. Here, p is the momentum of the electron, A is the vector potential, and e is the elementary charge.
[0010]
The Hamiltonian for two electrons in a quantum dot is

It is. However,
(Equation 3)

It is. As the relative dielectric constant ε _r , a value of GaAs of 10.9 was used.
[0011]
First, the energy eigenstate | n> of the Hamiltonian where A = 0 is calculated by the equation (1) or (2), and the square of the oscillator strength proportional to the absorption intensity is calculated as follows.

Is calculated.
[0012]
When there is only one electron in the quantum dot, the absorption of the lowest energy is caused by the transition of the electron from the ground state to the first excited state. Regarding this absorption, the square (Γ) of the oscillator strength, which is proportional to the absorption strength, versus the absorbed energy is indicated by the square in FIG. Here, the intensity of the external electric field is changed from 0 to 4 × 10 ⁶ V / m. As the external electric field intensity increases, the absorption intensity decreases rapidly, because the symmetry of the wave function is broken by the external electric field. This is the Stark effect in well-known quantum structures. Absorption that does not exist when the external electric field is zero is indicated by a circle in FIG. This change is due to the same cause, since the symmetry of the wave function has been broken by the external electric field. The behavior of these two types of absorption can be easily understood.
[0013]
Next, light absorption in a system in which two electrons are present in a quantum dot will be described. Regarding the absorption of this two-electron system, the square of the oscillator strength (Γ) versus the absorbed energy is shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, in addition to the absorption exhibiting a behavior similar to the absorption observed in the case of the one-electron system, absorption excited by the external electric field indicated by ▲ is observed. This new type of absorption becomes very strong with increasing external electric field strength, increasing above the minimum energy absorption above 3.6 × 10 ⁶ V / m. This absorption exists only when the interacting electronic system is under an external electric field.
[0014]
In summary, the absorption caused by the external electric field indicated by ● in FIGS. 3 and 4 exists, and only when the external electric field indicated by ▲ in FIG. 4 and the electron-electron interaction coexist. There is absorption. The above result is the absorption of the component of the light polarized in the z direction. Then, the new absorption that exists only when the external electric field and the electron-electron interaction coexist becomes a strong absorption far beyond a simple expectation. This strong absorption is caused by strong mixing between quantum states, which is caused by perturbations by an external electric field.
[0015]
In the above calculation, one side L of the quantum dot is set to 30 nm. However, by making L smaller, the wavelength of light to be absorbed can be made shorter. Also, by forming a different type of compound semiconductor heterojunction quantum dots and _Al 0.45 _Ga 0.55 As / GaAs heterojunction, it is possible to shorten the wavelength of the absorbed light.
[0016]
The present invention has been devised based on the above-mentioned theoretical study of the present inventors.
[0017]
That is, in order to achieve the above object, a quantum device according to the present invention
A plurality of quantum boxes (QDs) arranged adjacent to each other on one surface,
By applying an external electric field to the plurality of quantum boxes (QDs) in a direction parallel to the one surface, light incident on a region where the plurality of quantum boxes (QDs) are arranged from a direction not coinciding with the direction parallel to the one surface. Is characterized by modulating the light transmittance with respect to.
[0018]
In one embodiment of the quantum device according to the present invention, a pair of electrodes (4, 5) are provided on both sides of a region where a plurality of quantum boxes (QDs) are arranged, facing each other. An external electric field is applied by applying a voltage during ()).
[0019]
In another embodiment of the quantum device according to the present invention, a region where a plurality of quantum boxes (QDs) are arranged is irradiated with the first light (L1), and the frequency is higher than that of the first light (L1). Is irradiated from a direction not orthogonal to the traveling direction of the first light (L1) to a region where a plurality of quantum boxes (QD) are arranged, and the light amount of the second light (L2) Is changed, the light transmittance of the region where the plurality of quantum boxes (QD) are arranged with respect to the first light (L1) is modulated. Here, the switching of the first light (L1) can be performed by controlling the light amount of the second light (L2).
[0020]
In the quantum device according to the present invention, preferably, two or more electrons exist in the quantum box. At this time, strong light absorption occurs due to the interaction between electrons.
[0021]
In the quantum device according to the present invention, the quantum box is preferably formed by a compound semiconductor heterojunction. As this compound semiconductor hetero junction, for example, an AlGaAs / GaAs hetero junction, an AlAs / GaAs hetero junction, or the like can be used.
[0022]
In the quantum device according to the present invention, the quantum box may be formed by joining a semiconductor and an insulator. In the bonding between the semiconductor and the insulator, typically, the semiconductor is made of one or more group IV elements, and the insulator is made of a compound of a group IV element and oxygen. As an example, the semiconductor is Si and the insulator is SiO ₂ . An example of a semiconductor composed of two kinds of Group IV elements is SiC.
[0023]
[Action]
According to the quantum device of the present invention configured as described above, the light transmittance of the region where the plurality of quantum boxes are arranged is modulated by applying an external electric field to the plurality of quantum boxes. Light can be modulated at high speed. Further, since the light transmittance of the region where the plurality of quantum boxes are arranged with respect to the first light is modulated by changing the amount of the second light, the light can be modulated by the light.
[0024]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
[0025]
FIG. 1 shows a quantum device according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, in the quantum device according to the first embodiment, an AlGaAs layer 2 is laminated on a substrate 1 such as a GaAs substrate. In the AlGaAs layer 2, a plurality of box-shaped GaAs layers 3 are embedded in a two-dimensional array in the xz plane. The structure in which the GaAs layer 3 is surrounded by the AlGaAs layer 2 forms quantum dots QD, and the quantum dots QD are arranged in a two-dimensional array in the xz plane to form a quantum dot array. On the substrate 1 at both sides of the quantum dot array in the z direction, a pair of electrodes 4 and 5 are opposed to each other across the quantum dot array at a position sufficiently distant from the quantum dot array. Is provided.
[0026]
Here, preferably, the quantum dot QD is designed so that two or more electrons exist in the quantum dot QD.
[0027]
In order to ensure that a uniform external electric field is applied to the quantum dot array in the z-direction, the electrodes 4, 5 are preferably of sufficient thickness to extend above and below the quantum dot array. I do. For this purpose, if necessary, for example, an n ⁺ -type layer is formed in the substrate 1 below the electrodes 4, 5, and this n ⁺ -type layer is also used as a part of the electrode, thereby increasing the thickness of the electrodes 4, 5. May be effectively increased.
[0028]
Next, a method of manufacturing the quantum device according to the first embodiment configured as described above will be described.
First, an AlGaAs layer 2 having a thickness corresponding to the distance between the substrate 1 and the GaAs layer 3 in FIG. 1 is formed on the substrate 1 by molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). And a GaAs layer 3 are sequentially epitaxially grown.
[0029]
Next, a resist pattern (not shown) having a shape corresponding to the quantum dot QD is formed on the GaAs layer 3 in the quantum dot array formation region by lithography, and the resist pattern is used as a mask, for example, by reactive ion etching (RIE). The GaAs layer 3 is etched in a direction perpendicular to the substrate surface by the method (1). Thereby, the GaAs layer 3 is patterned into the shape of the quantum dot QD.
[0030]
Next, after removing the resist pattern, an AlGaAs layer 2 having a predetermined thickness is epitaxially grown on the entire surface by MBE or MOCVD to cover the GaAs layer 3.
[0031]
Next, portions of the AlGaAs layer 2 and the GaAs layer 3 other than the quantum dot array formation region are removed by etching.
[0032]
Thereafter, electrodes 4 and 5 are formed on the substrate 1 at both sides in the z direction of the quantum dot array by, for example, a lift-off method, thereby completing a target quantum element as shown in FIG.
[0033]
Next, the operation of the quantum device according to the first embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, first, a quantum dot array is irradiated with light L polarized in the z direction from a direction perpendicular to the surface of the substrate 1, that is, from the y direction. In this state, a voltage is applied between the electrodes 4 and 5 to apply an external electric field in the z direction to the quantum dot array. Then, based on the principle described above, the light L is absorbed by the electrons in the quantum dots QD, thereby reducing the light transmittance of the quantum dot array with respect to the light L. That is, the light L is modulated.
[0034]
As described above, according to the first embodiment, by applying a voltage between the electrodes 4 and 5, the light transmittance of the quantum dot array can be modulated by the external electric field applied in the z direction. Therefore, the quantum device according to the first embodiment can be used as an optical modulator that operates at high speed.
[0035]
When the light L is circularly polarized light, only the polarization component in the z direction of the circularly polarized light L can be removed by absorption. Therefore, the quantum device according to the first embodiment converts the circularly polarized light L into circularly polarized light. It can also be used as a polarizer for changing to linearly polarized light.
[0036]
Next, a quantum device according to a second embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, in the quantum device according to the second embodiment, a quantum dot QD having a structure in which a box-shaped GaAs layer 3 is surrounded by an AlGaAs layer 2 is formed on a substrate 1 such as a GaAs substrate. Quantum dot arrays are formed in a two-dimensional array in a plane. In this case, unlike the first embodiment, the electrodes 4 and 5 are not provided.
[0037]
The method of manufacturing the quantum device according to the second embodiment is the same as the method of manufacturing the quantum device according to the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0038]
Next, the operation of the quantum device according to the second embodiment will be described.
As shown in FIG. 2, first, the quantum dot array is irradiated with the first light L1 in a direction perpendicular to the surface of the substrate 1, that is, in the y direction. Next, in the quantum dot array, the second light L2 whose frequency is sufficiently smaller than that of the first light L1, that is, the second light L2 whose wavelength is sufficiently long does not coincide with the traveling direction of the first light L1, and Irradiation is performed from a direction that is not orthogonal to the traveling direction of the first light L1. Then, due to the electric field of the second light L2, the light transmittance of the quantum dot array with respect to the first light L1 is reduced based on the principle described above. Then, the light transmittance of the quantum dot array with respect to the first light L1 can be controlled by the amount of the second light L2. That is, the first light L1 can be modulated by the second light L2.
[0039]
As described above, according to the second embodiment, an optical modulator that can modulate light with light can be realized.
[0040]
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible.
[0041]
For example, in the above-described first and second embodiments, a single-stage quantum dot array is used, but a quantum dot array in which two or more stages are stacked may be used as necessary.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the quantum device of the present invention, by applying an external electric field to a plurality of quantum boxes, the light transmittance of a region in which the plurality of quantum boxes are arranged is modulated, so that high speed is achieved. Can modulate light. Further, by using a light electric field as an external electric field, light can be modulated by light.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a quantum device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a quantum device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the square of the oscillator strength and the absorbed energy when one electron is confined in a quantum dot under an external electric field.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the square of the oscillator strength and the absorbed energy when two electrons are confined in a quantum dot under an external electric field.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 substrate 2 AlGaAs layer 3 GaAs layer 4, 5 electrode QD quantum dot L light L1 first light L2 second light

Claims

Having a plurality of quantum boxes arranged adjacent to each other in one plane,
By applying a plurality of external electric field in the direction parallel to the one surface quantum boxes, the light transmittance with respect to light incident on said plurality of quantum boxes from a direction that does not coincide with the direction parallel to the one side are arrayed regions Quantum element characterized by modulating.

A pair of electrodes are provided facing each other on both sides of the region where the plurality of quantum boxes are arranged, and the external electric field is applied by applying a voltage between the pair of electrodes. The quantum device according to claim 1, wherein

The quantum device according to claim 1, wherein the light is incident on a region where the plurality of quantum boxes are arranged from a direction perpendicular to the one surface.

2. The quantum device according to claim 1, wherein the external electric field is another light electric field.

The quantum device according to claim 4, wherein the switching of the light is performed by controlling the amount of the other light.

2. The quantum device according to claim 1, wherein two or more electrons exist in the quantum box.

2. The quantum device according to claim 1, wherein said quantum box is formed by a compound semiconductor heterojunction.

2. The quantum device according to claim 1, wherein said quantum box is formed by joining a semiconductor and an insulator.