JP4133984B2

JP4133984B2 - ナノフォトニックデバイス

Info

Publication number: JP4133984B2
Application number: JP2004265880A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 忠川添
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: JP2006080459A

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ナノフォトニックデバイス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り、例えばＣｕＣｌ、ＧａＮ又はＺｎＯ等の材料系からなる。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。また、近接場光をナノスケールで高効率に集光することができる近接場集光器も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図４は、かかる従来の近接場集光器５の構成を示している。近接場集光器５は、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５１と、基板５１の表面上において形成されている１つの第２の量子ドット６３並びに当該第２の量子ドット６３の周囲において離散的に形成されている１つ以上の第１の量子ドット６２からなる量子ドットグループ５２とを備えている。各量子ドット６２，６３が形成された基板５１の上方には、照射光学系５８が配設され、当該照射光学系５８から基板５１へ光が照射される。

すなわちこの近接場集光器５は、例えば図５に示すように辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット６２、６３を基板５１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット６３の量子準位（２,１,１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット６３の量子準位（１,１,１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット６３の量子準位（１,１,１）における励起子の密度を高めることができ、第２の量子ドット６３に反転分布を生成することかできる。この生成された反転分布に共鳴する光が入射されると励起子が基底準位へ遷移する所謂誘導放出がおき、光が増幅されることになる。

ナノスケールの第２の量子ドット６３から放出される光は、ナノメートルサイズの極めて狭い領域において分布することになる。これにより、励起子を介して第１の量子ドット６２から第２の量子ドット６３へエネルギーを供給することができ、当該エネルギーに基づき放出される光をナノスケールの領域に分布させることにより見かけ上集光させることができる。ちなみに本発明では、用途に応じて各量子ドットのサイズを変えることにより、集光させるサイズを自在に調整することもできる。

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 特開２００４−１５７３２６号公報

しかしながら、上述した従来のデバイスに用いられる量子ドットは、あくまで直接遷移型半導体を用いるものである。直接遷移型半導体では、格子振動の量子化によって生じるエネルギー量子(フォノン(phonon))が関与することなく励起子の再結合が生じることになる。このため、第１の量子ドット６２から第２の量子ドット６３の量子準位（２,１,１）へ多くの励起子を注入しても、かかる励起子は下位準位へ短時間で遷移して再結合してしまう。即ち、２つの量子準位間で反転分布が光励起キャリアの寿命程度で消滅してしまうことから、光を効率よく集光することができないという問題点があった。

また、上述した近接場集光器５以外に、量子ドットを使用したスイッチング素子として応用する場合に、かかる量子ドットを直接遷移型半導体で構成したとき、ＯＮ状態は量子ドット内の光励起キャリアの寿命程度でＯＦＦ状態になってしまうという問題点もあった。

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、その目的とするところは、励起子の再結合発光を防ぐことにより、光励起キャリアの寿命に左右されることなく長時間に亘り量子準位間で反転分布を維持することができるナノフォトニックデバイスを提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、誘電性の結晶により構成される基板上に複数の量子ドットを形成させたナノフォトニックデバイスにおいて、少なくとも１の量子ドットを間接遷移型半導体で構成することにより、励起子の放出に伴う発光によるロスを小さくすることができることを見いだしたナノフォトニックデバイスを発明した。

即ち、本発明を適用したナノフォトニックデバイスは、誘電性の結晶により構成される基板上に複数の量子ドットを形成させたナノフォトニックデバイスにおいて、少なくとも１の量子ドットは、間接遷移型半導体で構成されてなる。

本発明は、誘電性の結晶により構成される基板上に複数の量子ドットを形成させたナノフォトニックデバイスにおいて、供給される搬送波の波長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する第１の量子ドットと、上記第１の量子ドットより大体積であり、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第１の量子ドットから励起子が注入される第２のエネルギー準位を有する第２の量子ドットとが上記基板上に形成され、上記第１の量子ドットと第２の量子ドットの少なくとも一方の量子ドットは、間接遷移型半導体で構成されてなることを特徴とする。

このため、本発明では、励起子の再結合発光を防ぐことにより、光励起キャリアの寿命に左右されることなく長時間に亘り量子準位間で反転分布を維持することができ、集光等の効率化を図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近接場集光器１について説明をする。この近接場集光器１は、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（誘電性の）基板１１と、基板１１の表面上において形成されている第１の量子ドット１２ａ,１２ｂ並びに当該第１の量子ドット１２ａ,１２ｂの近傍において形成されている第２の量子ドット１３とを備えている。

量子ドット１２,１３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。この量子ドット１２,１３間において、励起子の閉じ込め系により、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、状態密度をデルタ関数的に尖鋭化させることができる。

この各量子ドット１２,１３には、近接場光がそれぞれ独立に供給される。第１の量子ドット１２に供給される近接場光を光Ａとし、第２の量子ドット１３に供給される近接場光を光Ｂとする。これら光Ａ,光Ｂは、基板１１に形成された図示しないプラズモン導波路を介してそれぞれ各量子ドット１２,１３に供給されるが、かかる場合に限定されるものではなく、例えば各量子ドット１２,１３に近接された図示しない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、基板１１の上方に設けられた照射光学系から光Ａ、光Ｂを一律に照射するようにしてもよい。

ちなみに、各量子ドット１２,１３は、Ｇｅ、ＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ又はＳｉ等の間接遷移型半導体からなる。各量子ドット１２,１３は、ブリッジマン法や分子エピタキシー（ＭＢＥ）成長法に基づいて基板１１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。また、第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３は、互いに近接場光によりコヒーレントに結合するような位置関係になるように基板１１上に形成されていてもよい。

図２は、各量子ドット１２,１３のエネルギー図を示している。各量子ドット１２,１３における量子閉じ込め準位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）
この式（１）に基づき、各量子ドット１２,１３のＥ（n_x,n_y,n_z）を計算する。ここで第１の量子ドット１２と、第２の量子ドット１３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１２における量子準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット１３における量子準位が（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の量子準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１３における量子準位（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。実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第１の量子ドット１１における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω１の光Ａを供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。

また、上述した共鳴が生じる場合に、第１の量子ドット１２に存在する量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３における量子準位（２,１,１）へ移動し、また第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）に存在する励起子が、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へ移動するが、量子ドット１２,１３間において励起子がコヒーレントに結合して、見かけ上１つの励起モードが形成される。

即ち、本発明を適用した近接場集光器５は、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット１２、１３を基板１１上に設けることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）へ遷移する。これにより、第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）における励起子の密度を、第２の量子ドット１３の基底準位よりも高めることができ、これら２つの量子準位間で反転分布を生成することかできる。この生成された反転分布に応じて励起子が基底準位へ遷移することにより光が放出されることになる。

ナノスケールの第２の量子ドット１３から放出される光は、ナノメートルサイズの極めて狭い領域において分布することになる。これにより、励起子を介して第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へエネルギーを供給することができ、当該エネルギーに基づき放出される光をナノスケールの領域に分布させることにより見かけ上集光させることができる。ちなみに本発明では、用途に応じて各量子ドットのサイズを変えることにより、集光させるサイズを自在に調整することもできる。

また、第２の量子ドット１３の周囲において、多くの第１の量子ドット１２が形成されているほど、第２の量子ドット１３へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては２つの量子準位間に生じさせる反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上げることができ、さらには用途に応じて基板１１上に形成する第１の量子ドット１２の数量を調整することにより、放出される光強度を変化させることもできる。

ちなみに上述した量子ドット１２、１３間の共鳴効果は、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よる近接場相互作用に基づくものであるため、励起子の振動子強度をより高めることができる。また、量子準位を介した励起子の移動を利用することにより、上述のエネルギー移動を実現することができるため、光損失を軽減させて非常に高効率な近接場集光を実現させることができる。例えば従来の近接場光プローブでは、ナノスケールの領域において約１０^−６程度の効率でしか近接場集光させることができないのに対し、本発明を適用した近接場集光器５では、同じナノスケールの領域において１００％近い効率で近接場集光させることができる。

さらに、本発明を適用した近接場集光器１では、量子ドット１２,１３を間接遷移型半導体で構成している。このため、量子ドット１２,１３の量子準位（１,１,１）の励起子の再結合によるエネルギーロスがなくなるため、集光の過程において励起子の放出に伴う発光によるロスを小さくすることができることから、集光の効率化を図ることも可能となる。

なお、この量子ドット１２,１３につき全て間接遷移型半導体で構成する場合に限定されるものではなく、少なくとも１の量子ドット１２,１３につき、間接遷移型半導体で構成するようにしてもよい。

なお、本発明を適用した近接場集光器１では、さらに図３に示すように第１の量子ドット１２の外郭において、さらに外郭量子ドット３１を形成してもよい。この外郭量子ドット３１は、第１の量子ドット１２の周囲に離散的に複数形成されている。外郭量子ドット３１は、より内郭に配置されている量子ドットに対しておよそ√２ずつ辺長を長くして構成することにより、互いに励起子のエネルギー準位が共鳴する関係を作り出している。外郭量子ドット３１には、図示しない照射光学系から基板１１へ光が照射することにより励起された励起子を、順次内郭の量子ドットへ注入していき、最終的に第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）へこれを注入することができる。この第１の量子ドット１３における量子準位（１,１,１）へ順次注入された励起子は、上述の如く第２の量子ドット１３へ注入されることになる。

すなわち、第１の量子ドット１２の周囲に多くの外郭量子ドット３１が形成されているほど、第１の量子ドット１２へ注入される励起子の量は多くなり、ひいては第２の量子ドット１３の反転分布を強くすることができる。これにより放出される光の光強度を上昇させることができる。さらに用途に応じて基板１１上に形成する外郭量子ドット３１の数量を調整することにより、放出される光強度をさらに細かいステップで変化させることも可能となる。

特に、この図３に示す近接場集光器１においても、量子ドット１２,１３,３１の一部又は全てを間接遷移型半導体で構成している。このため、集光の過程において励起子の放出に伴う発光によるロスを小さくすることができることから、集光の効率化を図ることも可能となる。

本発明は、近接場集光器１以外に、量子ドットを使用したスイッチング素子等のデバイスに応用してもよい。かかるスイッチング素子に形成させる量子ドットを間接遷移型半導体で構成することにより、量子ドット内の光励起キャリアの寿命に依存することなく、ＯＮ状態をより長時間に亘り維持することができる。これにより、いわゆるバッファメモリの役割をナノオーダで形成された量子ドットに担わせることが可能となる。

また、本発明は、上述した近接場集光器１やスイッチング素子に限定されるものではなく、誘電性の結晶により構成される基板上に複数の量子ドットを形成させたナノフォトニックデバイスであって、少なくとも１の量子ドットは、間接遷移型半導体で構成されていれば、いかなるものであってもよい。少なくとも１の量子ドットが間接遷移型半導体で構成されていれば、起子の放出に伴う発光によるロスを小さくすることができることから、デバイスとしての効果をより向上させることが可能となるからである。

本発明を適用した量子ドットによる近接場集光器の構成を示す図である。本発明を適用した量子ドットによる近接場集光器のエネルギー準位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近接場集光器の他の構成を示す図である。従来における量子ドットによる近接場集光器の構成を示す図である。従来における量子ドットによる近接場集光器のエネルギー準位につき説明するための図である。

符号の説明

１近接場集光器、１１基板、１２第１の量子ドット、１３第２の量子ドット、３１外郭量子ドット

Claims

誘電性の結晶により構成される基板上に複数の量子ドットを形成させたナノフォトニックデバイスにおいて、
供給される搬送波の波長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する第１の量子ドットと、上記第１の量子ドットより大体積であり、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第１の量子ドットから励起子が注入される第２のエネルギー準位を有する第２の量子ドットとが上記基板上に形成され、
上記第１の量子ドットと第２の量子ドットの少なくとも一方の量子ドットは、間接遷移型半導体で構成されてなること
を特徴とするナノフォトニックデバイス。
上記第１の量子ドットと第２の量子ドットが間接遷移型半導体で構成されてなること
を特徴とする請求項１記載のナノフォトニックデバイス。