JP4688868B2 - 量子デバイス、その制御方法及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、量子ドットを備えた量子デバイス、その制御方法及びその製造方法に関する。
量子ドットを備えた量子コンピュータにおいては、量子ドットに取り込まれている電子のスピンの状態を読み出す必要がある。これまで、単一電子トランジスタを用いて読み出す方法（非特許文献１及び２）及び量子ドットに光を照射して偏光発光強度から読み出す方法（非特許文献３）等が提案されている。
しかしながら、単一電子トランジスタを用いる方法では、コヒーレンス寿命が短いだけでなく、複雑な構造が必要とされるという問題点がある。更に、単一電子トランジスタ自体のサイズも大きなものとなる。
また、量子ドットに光を照射する方法では、量子ドットに直接光を照射するため、量子ドット内で励起子と電子との相互作用が生じてしまう。このため、電子のスピンの状態が変化して正確な情報を読み出せない虞がある。
本発明の目的は、簡易な構造で量子ドットからの情報の読み出しを正確に行うことができる量子デバイス、その制御方法及びその製造方法を提供することにある。
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
本発明に係る量子デバイスには、単一の電子を含む第１の量子構造体と、発光が可能な第２の量子構造体と、前記第１及び第２の量子構造体の間に形成されたバリア層と、が設けられている。そして、前記第１の量子構造体は量子リングであり、前記第２の量子構造体は量子ドットである。前記第２の量子構造体内の電子の基底レベルは、前記第１の量子構造体内の電子の基底レベルよりも高い。また、前記バリア層のバンドギャップは、前記第１及び第２の量子構造体のバンドギャップよりも大きい。
本発明に係る量子デバイスの制御方法は、単一の電子を含む第１の量子構造体と、発光が可能な第２の量子構造体と、前記第１及び第２の量子構造体の間に形成されたバリア層と、を有する量子デバイスの制御方法を対象とする。但し、前記第２の量子構造体内の電子の基底レベルが前記第１の量子構造体内の電子の基底レベルよりも高い。また、前記バリア層のバンドギャップが前記第１及び第２の量子構造体のバンドギャップよりも大きい。そして、本制御方法では、前記量子デバイスに磁場及びマイクロ波を印加し、前記第２の量子構造体にレーザを照射する。そして、前記第２の量子構造体からの偏光発光の共鳴ピークを検出する。
本発明に係る量子デバイスの製造方法では、第１の量子構造体を形成した後、前記第１の量子構造体の上又は上方に、バリア層を形成する。次に、前記バリア層上に第２の量子構造体を形成する。前記第１の量子構造体は量子リングであり、前記第２の量子構造体は量子ドットである。前記第２の量子構造体内の電子の基底レベルは、前記第１の量子構造体内の電子の基底レベルよりも高いものとする。また、前記バリア層のバンドギャップは、前記第１及び第２の量子構造体のバンドギャップよりも大きいものとする。
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。但し、ここでは、便宜上、量子デバイスの断面構造については、その製造方法と共に説明する。図１Ａ乃至図１Ｅは、本発明の第１の実施形態に係る量子デバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。但し、ここでは、便宜上、量子デバイスの断面構造については、その製造方法と共に説明する。図１Ａ乃至図１Ｅは、本発明の第１の実施形態に係る量子デバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。
第１の実施形態では、図１Ａに示すように、先ず、ＧａＡｓ基板２０上に、ＩｎＡｓ層をＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）成長モードで成長させることにより、自己形成量子ドット２２を形成する。量子ドット２２の高さは、例えば１〜２ｎｍ程度とする。なお、量子ドット２２の形成方法はこれに限定されず、例えば特許文献４に記載されている方法を採用してもよい。即ち、ＧａＡｓ基板２０にドット状の酸化膜を形成した後に、この酸化膜を除去することにより、窪みを形成する。次いで、この窪み内に半導体層を成長させる。この形成方法によれば、位置の制御が容易である。
次に、図１Ｂに示すように、量子ドット２２の周囲にキャップ層２６を形成する。キャップ層２６としては、例えばＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層を形成する。キャップ層２６の厚さは、量子ドット２２の高さとほぼ同程度とする。但し、全くの同一である必要はなく、量子ドット２２がキャップ層２６から露出してもよく、量子ドット２２がキャップ層２６により覆われてもよい。
次いで、図１Ｃに示すように、全面にバリア層２８を形成する。バリア層２８としては、例えばＡｌＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層を形成する。バリア層２８の組成は、量子ドット２２のエネルギが低レベルとなっていれば、キャップ層２６の組成と同一としてもよい。バリア層２８の厚さは、例えば１〜２ｎｍ程度とする。
その後、図１Ｄに示すように、バリア層２８上に、ＩｎＡｌＡｓ層をＳ−Ｋ成長モードで成長させることにより、検出用の量子ドット３０を形成する。量子ドット３０は、量子ドット２２の上方に形成する。また、量子ドット３０の高さは、量子ドット２２の電子スピン磁場が量子ドット３０に十分に影響するように、低めにすることが好ましい。例えばこれらの間の実効距離（effective distance）は５ｎｍ以下とすることが好ましい。
また、量子ドット３０の材料は特定のものに限定されないが、そのエネルギ準位が量子ドット２２のものとは大きく相違していると共に、その励起子寿命が長いことが必要である。励起子寿命は、例えば１０ｎｓ以上であることが好ましい。長い励起子寿命は、例えば高いＡｌ含有量に伴う間接型のバンドギャップを起因として得ることができる。
続いて、図１Ｅに示すように、量子ドット３０を覆うキャップ層３４を形成する。キャップ層３４としては、例えばＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層を形成する。
このように構成された量子デバイスにおけるバンド図は図２に示すようなものとなる。なお、量子ドット２２と検出用の量子ドット３０との間のエネルギ差は１００ｍｅＶ以上であることが好ましい。
次に、第１の実施形態に係る量子デバイスの動作について説明する。図３は、第１の実施形態に係る量子デバイスの動作を示す図である。
量子ドット２２の電子スピンの操作は、電子スピン磁気共鳴（ＥＳＲ：Electron Spin Resonance）により行う。即ち、量子デバイスに磁場を印加した状態でマイクロ波を照射することにより、量子ドット２２の電子スピンの操作を行うことができる。
量子ドット２２の電子スピンの状態を読み出すに当たっては、図３に示すように、先ず、量子デバイスに磁場を印加すると共に、検出用量子ドット３０に対して円偏光レーザを照射する。
磁場の大きさは、検出用の量子ドット３０内の電子のｇ因子及び後に印加するマイクロ波の周波数にも依存するが、例えば０．１テスラ程度〜数テスラ程度とする。量子ドット２２内では、磁場の印加により、図４に示すように、スピンの分裂が生じる。この結果生じるエネルギ差は数１０μｅＶ程度である。
円偏光レーザについては、検出用の量子ドット３０を形成する際に、バリア層２８の全面上に初期層として成長したウェッティング層３０ａと共鳴するか、又は量子ドット３０のより低エネルギの電子スピンレベルと共鳴するように、エネルギを調整することが好ましい。但し、ウェッティング層と共鳴する場合には、図４に示すように、励起子（電子−正孔対）が検出用の量子ドット３０の低エネルギの電子スピンレベル及びホールレベルへ遷移する緩和が生じる。そして、励起子が、低エネルギの電子スピンレベル及びホールレベルを占めることとなる。
なお、円偏光レーザとしては、量子ドット２２を励起させないものを用い、更に、量子デバイス内の他の部分も励起させないものを用いることが好ましい。また、円偏光レーザの照射の際のナノレベルでの精細な位置制御は、例えば近接場光学顕微鏡を用いて行うことができる。
そして、磁場を印加した状態のまま、円偏光レーザの照射の直後に、電子スピンレベルとホールレベルとの再結合が生じる前に、パルス状のマイクロ波を量子デバイスに印加する。この印加時間は、例えばスピンフリップ（スピンの反転）と同程度（１０ｎｓのオーダー）とする。マイクロ波の周波数は検出用の量子ドット３０内の電子スピンの分裂と共鳴するものとする。例えば、Ｘバンド〜１０ＧＨｚ程度とし、より好ましくはＷバンド〜９５ＧＨｚとする。マイクロ波のパワー及びパルス幅を適切に調節することにより、電子スピン磁気共鳴（ＥＳＲ）と同様に、図４に示すように、低エネルギレベルにある電子スピンをスピンフリップに伴って高エネルギレベルに遷移させることができる。
この結果、図４に示すように、低電子スピンレベルに対応する偏光発光が生じる。但し、磁気共鳴が生じると、ホールのスピンフリップが生じないため、偏光発光強度は弱くなる。
図５Ａ乃至図５Ｃは、検出用の量子ドット３０におけるスピン状態と偏光発光の強度との関係を示すグラフである。図５Ａは、スピン分裂が生じていない場合に、外部から印加する外部磁場Ｂの大きさを変化させたときの発光強度の変化を示している。また、図５Ｂは、ｕｐスピンが存在する場合に外部磁場Ｂの大きさを変化させたときの発光強度の変化を示しており、図５Ｃは、ｄｏｗｎスピンが存在する場合に外部磁場Ｂの大きさを変化させたときの発光強度の変化を示している。但し、マイクロ波の周波数は一定値に固定している。
図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、ｕｐスピンが存在する場合とｄｏｗｎスピンが存在する場合とで、磁気共鳴による発光強度のピークが生じる外部磁場Ｂの大きさが相違している。従って、円偏光レーザを照射し、また、マイクロ波の周波数を一定値に固定した状態で、外部から印加する磁場の大きさを変化させれば、ピークが生じる磁場の大きさに応じてスピン状態を読み出すことができる。
そして、スピン状態の読み出しを行った後には、次の読み出しのために一旦外部磁場の印加を停止する。
図６は、本実施形態で採用する光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）の原理を示す図である。量子ドット２２内のスピンにより生じる双極子モーメントをｍとすると、このスピンから距離ｒだけ離れた位置における磁場Ｂｓ（ベクトル）は、数１及び数２で表わされる。但し、μ０は真空の透磁率であり、ｇはスピンのｇ因子であり、μＢはボーア磁子である。
このように、スピンから距離ｒだけ離れた位置における磁場Ｂｓの向きはスピンの状態により変化する。そして、本実施形態では、このような位置に検出用の量子ドット３０を配置している。なお、距離ｒが１ｎｍ程度の場合、磁場Ｂｓの大きさは２ｍＴ程度となり、距離ｒが１０ｎｍ程度の場合、磁場Ｂｓの大きさは０．００２ｍＴ程度となる。この磁場Ｂｓの大きさは、図５Ｂ及び図５Ｃ中のピークの遷移量と等しい。従って、距離ｒが小さいほど、ピークの遷移量が大きくなり、読み出し解像度が高くなるので好ましい。
このような第１の実施形態によれば、簡単な構造で量子ドット２２中のスピンの状態を読み出すことができる。また、円偏光レーザの照射対象は検出用の量子ドット３０であって、量子ドット２２に円偏光レーザを照射する必要はないため、照射に伴ってスピン状態が変化することもない。従って、正確なスピン状態を読み出すことができる。
なお、上述の実施形態の説明では、スピン状態の読み出しを行う際にマイクロ波の周波数を固定した状態で外部磁場の大きさを変化させているが、外部磁場の大きさを固定した状態でマイクロ波の周波数を変化させてもよい。また、発光強度のピークがどのような状態で得られたのか識別することができれば、必ずしもこれらの一方をスキャンする必要はない。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る量子デバイスの構造を示す断面図であり、図７Ｂは、第２の実施形態に係る量子デバイスの構造を示す平面図である。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７Ａは、本発明の第２の実施形態に係る量子デバイスの構造を示す断面図であり、図７Ｂは、第２の実施形態に係る量子デバイスの構造を示す平面図である。
第２の実施形態では、ＧａＡｓ基板２０上に量子リング２２ａが形成されている。量子リング２２ａは、例えばＩｎＡｓから構成されている。量子リング２２ａ内には単一の電子が存在している。また、量子リング２２ａ及びＧａＡｓ基板２０を覆うバリア層２８が形成されている。更に、バリア層２８上には、量子リング２２ａの中心の上方の位置に検出用の量子ドット３０が形成されている。そして、量子ドット３０等を覆うキャップ層３４が形成されている。
このような第２の実施形態では、スピン状態の読み出し対象である量子リング２２ａと検出用の量子ドット３０との実効距離を第１の実施形態よりも短くすることができる。このため、より高い解像度で読み出しを行うことができる。
なお、量子リング２２ａの形成方法は特に限定されない。例えば、次のような２種類の方法を採用することができる。第１の方法では、ＧａＡｓ基板２０上に量子ドットを形成した後、薄いキャップ層を形成する。そして、アニールを行うことにより、量子ドットをリング状に変形させる。第２の方法では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の先端（チップ）をＧａＡｓ基板２０に接触させながらＧａＡｓ基板２０の表面をリング状に酸化させて酸化膜を形成した後、この酸化膜を除去することにより、リング状の溝を形成する。次に、リング状の溝内に半導体層（例えば、ＩｎＡｓ層）を成長させる。
なお、量子デバイスを構成する各部の材料は第１の実施形態及び第２の実施形態に記載されたものに限定されない。例えば、検出用の量子ドットとこれを覆うキャップ層（母相）との間にタイプII型のバンドオフセットが存在するようなヘテロ接合構造を採用してもよい。この例（量子ドット／母相）としては、Ｇａ（Ｉｎ）ＡｌＡｓ／ＡｌＡｓ、Ｉｎ（Ｇａ、Ａｌ）Ａｓ／Ｇａ（Ｉｎ、Ａｌ）Ｓｂ（Ａｓ）、Ｉｎ（Ｇａ）Ｐ／Ａｌ（Ｉｎ）Ａｓ等が挙げられる。検出用の量子ドットについては、ＯＤＭＲ読み出しが可能であればよい。また、量子ドット等中には、不純物のドーピング、光学的な注入又は電気的な注入等により電子を存在させることができる。
また、第２の実施形態では、量子リングと検出用の量子ドットとの組み合わせを採用しているが、スピン状態の読み出し対象を量子ドットとし、検出用の量子リングを用いるようにしてもよい。
以上詳述したように、本発明によれば、簡易な構造で量子ドット等内のスピン状態を読み出すことができる。また、この読み出しの際にスピン状態を変化させる虞がないため、正確な状態を検出することができる。
Claims (7)
- 単一の電子を含む第１の量子構造体と、
発光が可能な第２の量子構造体と、
前記第１及び第２の量子構造体の間に形成されたバリア層と、
を有し、
前記第１の量子構造体は量子リングであり、
前記第２の量子構造体は量子ドットであり、
前記第２の量子構造体内の電子の基底レベルは、前記第１の量子構造体内の電子の基底レベルよりも高く、
前記バリア層のバンドギャップは、前記第１及び第２の量子構造体のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする量子デバイス。 - 前記第１及び第２の量子構造体の間の実効距離は５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の量子デバイス。
- 単一の電子を含む第１の量子構造体と、発光が可能な第２の量子構造体と、前記第１及び第２の量子構造体の間に形成されたバリア層と、を有し、前記第２の量子構造体内の電子の基底レベルが前記第１の量子構造体内の電子の基底レベルよりも高く、前記バリア層のバンドギャップが前記第１及び第２の量子構造体のバンドギャップよりも大きい量子デバイスの制御方法であって、
前記量子デバイスに磁場及びマイクロ波を印加する工程と、
前記第２の量子構造体にレーザを照射する工程と、
前記第２の量子構造体からの偏光発光の共鳴ピークを検出する工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの制御方法。 - 前記レーザを照射する工程の後に、前記磁場の大きさを走査する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の量子デバイスの制御方法。
- 前記レーザを照射する工程の後に、前記マイクロ波の周波数を走査する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の量子デバイスの制御方法。
- 前記レーザを照射する工程において、前記第１の量子構造体を励起させずに安定な状態に保つことを特徴とする請求項３に記載の量子デバイスの制御方法。
- 第１の量子構造体を形成する工程と、
前記第１の量子構造体の上又は上方に、バリア層を形成する工程と、
前記バリア層上に第２の量子構造体を形成する工程と、
を有し、
前記第１の量子構造体は量子リングであり、
前記第２の量子構造体は量子ドットであり、
前記第２の量子構造体内の電子の基底レベルは、前記第１の量子構造体内の電子の基底レベルよりも高く、
前記バリア層のバンドギャップは、前記第１及び第２の量子構造体のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする量子デバイスの製造方法。
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