JP4378460B2 - 光蓄積器 - Google Patents

Description

本発明は、量子ドットを用いた光蓄積器に関し、特にナノスケールの光通信ネットワーク、光計測等に好適な光蓄積器に関する。

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た近接場相互作用により、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近接場エネルギー移動を利用する単一格子のナノスケール光スイッチ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

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光を蓄積することができるナノスケールの光蓄積器の実現が望まれている。特に、供給される光に基づくエネルギーを、電気信号等に変換することなく高効率に蓄積することができる光蓄積器につき実現化への要請が高まっている。

しかしながら、供給される光に基づくエネルギーを高効率に蓄積できる技術そのものが従来より提案されていないのが実情である。また、ナノスケールの光蓄積器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。更に量子デバイスでこれを実現化しようとした場合には、コヒーレンス性において長期に亘る信頼性を確保することが困難になるという問題点がある。このため、実用的なナノスケールの光蓄積器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供給される光に基づくエネルギー自体を蓄積することができる光蓄積器を提供することにある。

本発明を適用した光蓄積器では、上述した課題を解決するために、誘電性の基板と、供給された近接場光による反平行の双極子−双極子相互作用に基づいて互いに共鳴するエネルギー準位を有し、上記近接場光の波長以下のサイズからなる偶数個の量子ドットとを備え、上記偶数個の量子ドットは、その間隔が上記近接場光の波長以下となるように上記基板上に形成されており、量子ドットそれぞれに上記基板上に形成したプラズモン導波路又は近接場光プローブを介して供給する近接場光を蓄積し、上記量子ドットがＣｕＣｌからなり、共鳴関係を成す各量子ドットの辺長比が１：√２であり、上記量子ドットが隣接している領域を近接場光学顕微鏡により分光観測したときの差分発光スペクトルの立ち上がり時間が１８０ｐｓであり、また当該差分発光スペクトルの緩和時間は、２．９ｎｓとなるように上記量子ドットの間隔が形成されてなることを特徴とする。

即ち、本発明を適用した光蓄積器は、誘電性の基板と、供給された近接場光による反平行の双極子−双極子相互作用に基づいて互いに共鳴するエネルギー準位を有し、上記近接場光の波長以下のサイズからなる偶数個の量子ドットとを備え、上記偶数個の量子ドットは、その間隔が上記近接場光の波長以下となるように上記基板上に形成されており、量子ドットそれぞれに上記基板上に形成したプラズモン導波路又は近接場光プローブを介して供給する近接場光を蓄積することを特徴とする。

本発明を適用した光蓄積器では、誘電性の基板上に互いに共鳴するエネルギー準位を有する偶数個の量子ドットを形成させ、かかる量子ドットのサイズ並びにその間隔を供給される近接場光の波長以下となるように調整する。

これにより、本発明を適用した光蓄積器は、量子ドット間において反平行の双極子相互作用を起こさせて放射寿命を長くすることができるため、当該近接場光の蓄積時間を大幅に延長させることが可能となる。特に本発明を適用した光蓄積器は、近接場光の回折限界に支配されることなく光を蓄積することができるナノスケールのデバイスとして提供されることが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。更に本発明を適用した光蓄積器では、供給される光を光電変換することなく高効率に蓄積することができる。

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。

本発明を適用した光蓄積器１は、例えば図１に示すように、例えばＮａＣｌ、ＫＣｌ又はＣａＦ_２等の誘電性材料により構成される基板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１２並びに当該第１の量子ドット１２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。

各量子ドット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る近接場相互作用が生じる結果、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。

この誘電性の基板上１１に形成された各量子ドット１２,１３には、蓄積すべき近接場光がそれぞれ独立に供給される。ここで、第１の量子ドット１２に供給される近接場光Ａとし、第２の量子ドット１３に供給される近接場光Ｂとする。これら近接場光Ａ, 近接場光Ｂは、基板１１に形成されたプラズモン導波路３１,３２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。

第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３とは、互いに状態密度関数がほぼ等しい量子準位を有する。これら各量子ドット１２,１３は、供給された近接場光Ａ又は近接場光Ｂに応じて双極子相互作用が生じる結果、互いに共鳴することになる。これらに供給される近接場光Ａ,Ｂは、基底準位にある励起子をそれぞれ励起させることにより、各量子ドット１２,１３内へ順次蓄積されることになる。

ちなみに量子ドット１２,１３内に蓄積された近接場光を事後的に取り出す場合には、図示しない近接場プローブを何れかの量子ドット１２,１３に近接させることにより、これを実現することができる。

各量子ドット１２,１３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１２,１３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１２,１３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。各量子ドット１２,１３を構成する材料系として、例えば上記ＣｕＣｌを用いる場合には、それらの辺長はナノメータサイズとなるように、換言すれば近接場光Ａ,Ｂの波長以下となるように基板１１上に形成させる。また量子ドット１２,１３は、その間隔Ｌ_ａについても同様に近接場光Ａ,Ｂの波長以下となるように基板１１上に形成される。

これら各量子ドット１２,１３は以下のブリッジマン法を用いることにより、基板１１上に形成させることができる。各量子ドット１２,１３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１２,１３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１２,１３のサイズを自在に制御することもできる。

図２は、各量子ドット１２,１３を構成する材料系がＣｕＣｌである場合のエネルギバンド図を示している。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の辺長比が、およそ１：√２であるとき、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１２の量子準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）は、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、第１の量子ドット１２における量子準位（１,１,１）に対応する波長をもつ近接場光Ａを、第１の量子ドット１２へ照射する。

かかる共鳴が生じる場合おいて、第１の量子ドット１２の量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第２の量子ドット１３の量子準位（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の量子準位（１,１,１）へ移動するが、前者の方が移動速度が速いため、見かけ上第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ励起子が移動することになる。そして、この第２の量子ドット１３の量子準位（２,１,１）へ移動した励起子は、当該第２の量子ドット１３の量子準位（１,１,１）へ遷移する。

即ち、この光蓄積器１は、辺長比がそれぞれ１：√２である量子ドット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。換言すれば、量子ドット間で励起子を伝送することができる。

上述した共鳴効果を確認するために、量子ドット１２,１３が隣接している領域を近接場光学顕微鏡で分光観測した結果を図３(a)に示す。基板１１上に形成された各量子ドット１２，１３において、構成される材料系がＣｕＣｌであり、また第１の量子ドット１２の辺長が約４．６ｎｍであり、また第２の量子ドット１３の辺長が約６．３ｎｍである場合において、近接場光Ａを当該領域に対して照射すると、辺長が約６．３ｎｍである第２の量子ドット１３において強い発光スペクトルが観測される。

これは、第１の量子ドット１２における量子準位と第２の量子ドット１３における量子準位との間で互いに共鳴する結果、第１の量子ドット１２から第２の量子ドット１３へ励起子が移動することによるいわばエネルギー移動が起こるためであり、第２の量子ドット１３へ蓄積された励起子が下位準位へ放出されて発光するからである。

また第２の量子ドット１３における量子準位に対応する波長をもつ近接場光Ｂを、当該第２の量子ドット１２へ供給した場合において、図３(b)に示すように、第１の量子ドット１２において強い発光スペクトルが観測される。これは、第２の量子ドット１３に供給された近接場光Ｂに基づいて励起子が励起される結果、励起子準位が飽和するため、これに共鳴する第１の量子ドット１２における量子準位からの励起子の移動が制限されるためである。即ち、第１の量子ドット１２における量子準位において移動の制限された励起子が飽和し、かかる量子準位からエネルギーの放出が生じて、第１の量子ドット１２からの発光が生じることになる。

以下に説明する光蓄積器１の動作では、上記図３(b)において示される共鳴効果を利用する場合を例にとり説明する。即ち、第２の量子ドット１３に対して近接場光Ｂを供給することにより、第１の量子ドット１２における量子準位において励起子を飽和させ、かかる近接場光Ｂに基づくエネルギー自体を電気信号等に変換することなく高効率に蓄積する。

図４(a)は、図３(b)に示す差分発光スペクトルの立ち上がり時間を示している。第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３から構成される組を、その間隔Ｌ_ａが狭いほうから順にＰ_１,Ｐ_２,Ｐ_３とするとき、第１の量子ドット１２からの発光が立ち上がるまでの時間は、Ｐ_１が２５ｐｓであり、Ｐ_２が９０ｐｓであり、Ｐ_３は１８０ｐｓとなる。即ち、第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３との間隔Ｌ_ａが狭くなるほど立ち上がり時間が短くなることが示されている。この立ち上がり時間は、量子ドット間における励起子（エネルギー）の移動時間に対応し、これは量子ドット１２,１３間の近接場相互作用に基づくものである。即ち、立ち上がり時間が短いほど、換言すればエネルギー移動時間が短いほど量子ドット１２,１３における近接場相互作用が大きいことが示されている。

また図４(b)は、上記差分発光スペクトルの緩和時間を示している。この緩和時間は、第１の量子ドット１２の放射時間に対応し、Ｐ_１が６．７ｎｓであり、Ｐ_２が４．２ｎｓであり、Ｐ_３が２．９ｎｓであった。また、この量子ドットの各組Ｐ_１,Ｐ_２,Ｐ_３における緩和時間は、近接場光以外の伝搬光を照射した場合と比較して長くなっていた。

通常の伝搬光を第２の量子ドット１３へ照射した場合には、図５(a)に示すように、互いに平行の双極子が各量子ドット１２,１３間に生じることになる。このような双極子が生じた各量子ドット１２,１３において、それぞれの遷移双極子の大きさは単独で存在する量子ドットと比較して√２倍となるため、遷移確率、放射確率は、ともに上昇し、放射寿命は１／２倍程度に短くなる。

これに対して、上述の如く第２の量子ドット１３へ近接場光を照射した場合には、図５(b)に示すように、互いに反平行の双極子が各量子ドット１２,１３間に生じることになる。このような反平行の双極子が生じた各量子ドット１２,１３において、それぞれの遷移双極子の大きさは、単独で存在する量子ドットと比較して小さくなり、放射寿命が長くなる。即ち、偶数個の量子ドットに対して近接場光を照射することにより、これらの間で反平行の双極子−双極子結合が常に生じることになる。

本発明を適用した光蓄積器１では、かかる現象を利用し、第２の量子ドット１３に対して近接場光Ｂを供給することにより、量子ドット１２,１３間において反平行の双極子−双極子相互作用を起こさせる。換言すれば、偶数の量子ドットのうちいずれか一の量子ドットに対して近接場光を照射することにより、このような反平行の双極子−双極子結合状態をあえて作り出す。これにより、供給される近接場光自体を励起子を介して蓄積することが可能となる。またこれらの放射寿命を長くすることができるため、当該近接場光の蓄積時間を大幅に延長させることが可能となる。

特に本発明を適用した光蓄積器１は、近接場光の回折限界に支配されることなく光を蓄積することができるナノスケールのデバイスとして提供されることが可能となり、将来の大容量情報処理への要求に応えることが可能となる。このため、蓄積時間の増大と相俟って特に顕著な効果が得られる。

また、本発明では、図３に示す共鳴効果を利用することにより、必要に応じて第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の間隔Ｌ_ａを狭くすることで近接場光の蓄積時間を更に延長させるようにしてもよい。また、この光蓄積器１が配設されるシステムのスペックより、近接場光の蓄積時間が予め決定されている場合には、当該蓄積時間に合わせて間隔Ｌ_ａを制御することもできる。

本発明を適用した光蓄積器１は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、図６に示すように、４以上の偶数個で構成される量子ドットを基板１１上に形成させるようにしてもよい。即ち、係る偶数個の量子ドットにつき、２個ずつの組に分けて、各組ごとに上述した第１の量子ドット１２と第２の量子ドット１３の役割を担わせることにより、近接場光の蓄積時間を更に延長させることができる。かかる場合においても同様に、両端に形成されている偶数個の量子ドット４１,４２の間隔Ｌ_ｂが、蓄積する近接場光の波長以下となるように調整される。

また、本発明を適用した光蓄積器１は、第２の量子ドット１３に対して近接場光Ｂを供給する場合のみならず、第１の量子ドット１２に対して近接場Ａを供給して励起子を励起させることにより、これを蓄積するようにしてもよい。また、本発明を適用した光蓄積器１は、第１の量子ドット１２並びに第２の量子ドット１３の双方に対して近接場光Ａ,Ｂをそれぞれ供給して、これを蓄積してもよいことは勿論である。

本発明を適用した光蓄積器の構成を示す図である。 本発明を適用した光蓄積器におけるエネルギバンド図である。 量子ドットが隣接している領域を近接場光学顕微鏡で分光観測した結果を示す図である。 差分発光スペクトルの立ち上がり時間並びにその緩和時間を示す図である。 互いに平行又は反平行の双極子が量子ドットに生じる場合につき説明するための図である。 ４以上の偶数個で構成される量子ドットを基板上に形成させる例を示す図である。

符号の説明

１ 光蓄積器、１１ 基板、１２ 第１の量子ドット、１３ 第２の量子ドット、３１,３２ プラズモン導波路

Claims (1)

1. 誘電性の基板と、
   供給された近接場光による反平行の双極子−双極子相互作用に基づいて互いに共鳴するエネルギー準位を有し、上記近接場光の波長以下のサイズからなる偶数個の量子ドットとを備え、
   上記偶数個の量子ドットは、その間隔が上記近接場光の波長以下となるように上記基板上に形成されており、
   量子ドットそれぞれに上記基板上に形成したプラズモン導波路又は近接場光プローブを介して供給する近接場光を蓄積し、
   上記量子ドットがＣｕＣｌからなり、共鳴関係を成す各量子ドットの辺長比が１：√２であり、
   上記量子ドットが隣接している領域を近接場光学顕微鏡により分光観測したときの差分発光スペクトルの立ち上がり時間が１８０ｐｓであり、また当該差分発光スペクトルの緩和時間は、２．９ｎｓとなるように上記量子ドットの間隔が形成されてなること
   を特徴とする光蓄積器。

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