JP4866108B2 - 単一光子発生デバイス、単一光子検出デバイス及び光量子ゲート - Google Patents

単一光子発生デバイス、単一光子検出デバイス及び光量子ゲート Download PDF

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Description

本発明は、量子情報処理技術、特に量子暗号通信のためのキーデバイスとなる単一光子発生デバイス、単一光子検出デバイス（受光素子）及び光量子ゲートに関する。
量子暗号通信で現在主流であるＢＢ８４プロトコルでは、量子情報を１つの光子にのせて送信することで盗聴不可能な暗号通信を実現している。
このため、信号源（光源）として、一つのパルス内に確実に１つずつ光子を発生する単一光子発生デバイスが必要になる。しかしながら、このような単一光子発生デバイスを実現するのは難しい。
このため、これまでのところ、平均光子数が１パルスあたり０．１個程度になるようにレーザ光を弱めることによって、擬似的に単一光子発生デバイスを実現している。
しかしながら、レーザ光はコヒーレント光であるため、このように光を弱めても２個以上の光子が発生してしまう場合がある。このため、盗聴者へ情報が漏れる可能性があり、この確率は無視できるものではない。また、長距離通信を安全に行おうとすると、通信速度が著しく低下してしまうという問題もある。したがって、高速な量子暗号通信を実現するためには、単一光子発生デバイスを実現することが不可欠である。
このような単一光子発生デバイスを実現するための方法としては、いろいろなものが提案されている。
このうち、通信波長帯で高い信頼性を実現しうるものとして、固体基板中の局在準位、特に量子ドットに代表される低次元半導体中のエキシトン準位からの発光を用いる単一光子発生デバイスが有望であると考えられる。
しかしながら、半導体の誘電率は３以上と大きいため、基板内部に位置する量子ドットから発生した光は基板表面でほとんど反射されてしまい、基板表面から空気中に出射される割合は数％であり、そのうち、例えば対物レンズ等により光ファイバに結合するものは１％以下といった状態である。このため、取出効率を高めることが重要な課題である。
そこで、半導体基板中の量子ドットからの発光を用いる単一光子発生デバイスにおいて、取出効率を高めるべく、以下の構造を持つものが提案されている。
つまり、ＩｎＡｓからなる自己組織化量子ドット層と、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓからなるＤＢＲ（Distributed-Bragg reflector）ミラーによって構成されるＤＢＲ微小共振器（キャビティ；microcavity）とを含む単一光子発生デバイスを、エピタキシャル成長させた後、微小柱状（micropost）にエッチングすることによって形成し、微小柱状のキャビティ内のほとんど全ての光を上方（表面）側から出射させるようにすることが提案されている（例えば非特許文献１参照）。
この構造では、パーセル効果によってキャビティの特定の閉じ込めモードとの結合を強くすることができ、意図しない方向への光の放出を抑え、特定の方向だけに光を取り出すことができるようになり、取出効率を高めることができる。また、パーセル効果による発光寿命の短縮によって、光子発生レートを増大させ、デコヒーレンスの影響を緩和する等の効果も得られる。
また、量子ドットを含む半導体層に電極を設ければ、電流注入による発光が可能になったり、電界により発光波長を変化させることが可能になったりするなど、単一光子発生デバイスに更なる機能を与えることができるようになる。このようなＥＬ型単一光子発生デバイスや電界制御可変波長ＰＬ型単一光子発生デバイスでは、例えばＩｎＡｓからなる量子トッド層の上下に例えばＧａＡｓからなる導電性半導体層を設け、これらの層にコンタクト電極を設けるようにしている（例えば非特許文献２参照）。
Matthew Pelton et al. "Efficient Source of Single Photons: A Single Quantum Dot in a Micropost Microcavity" PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOLUME 89, NUMBER 23, 2 DECEMBER 2002 Zhiliang Yuan et al. "Electrically Driven Single-Photon Source" SCIENCE, VOL 295, 4 JANUARY 2002
しかしながら、上述の非特許文献１に提案されているような構造では、キャビティ内から外部空間へ光子が飛び出す際に、その空間分布はかなり広がってしまうため、例えば対物レンズ等により光ファイバに結合する際の効率はかなり低下してしまうという問題がある。
また、量子ドット層の上下にＤＢＲミラーのためのヘテロエピタキシャル成長層をかなり厚く成長させる必要があるため、量子ドットの品質に影響を及ぼす可能性がある。
さらに、ＤＢＲミラーを含む非常に高い長柱形状を正確に作製する必要があるため、高度なエッチング技術が必要となる。
特に、通信波長帯（例えば１．５μｍ帯）の光を発光する量子ドット（例えばＩｎＰからなるもの）は、内部に高い歪みストレスを持っているため、ドライエッチングを行なうと、量子ドットの品質低下を招く可能性が高い。
また、ＥＬ型単一光子発生デバイスや電界制御可変波長ＰＬ型単一光子発生デバイスでは、量子ドット層に効率的に電流注入や電界印加を行なえるようにすべく、少なくとも一方の電極は量子ドット層の近くに設けるのが望ましい。
そこで非特許文献２のデバイスでは、１つの量子ドットから発生した光（単一光子）のみが外部へ出射されるように、メサ構造の上部に設けられるコンタクト電極（金属電極）に穴を開け、この穴から（即ち、メサ構造の表面側から）光を取り出すようにしている。
しかしながら、このような構造では取出効率を高めるのは困難である。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、品質低下を招くことなく、比較的簡易なプロセスで、効率（取出効率，検出効率，結合効率）を向上させることができるようにした、単一光子発生デバイス、単一光子検出デバイス及び光量子ゲートを提供することを目的とする。
このため、本発明の単一光子発生デバイスは、ベース部と、ベース部の表面側に形成され、先端近傍に局在準位が存在するピラー部とを有する固体基板を備え、ピラー部は、局在準位から発生した光が、表面で反射し、内部を伝搬して、ベース部の裏面側から出射するように、ベース部側の断面積が先端側よりも大きく形成されており、さらに、ピラー部は、６５度〜８５度の範囲内の底角と、固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍以上の高さを有することを特徴としている。
また、本発明の単一光子検出デバイスは、ベース部と、ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する固体基板を備え、ピラー部が、ベース部の裏面側から入射し、ピラー部内を伝搬し、ピラー部の表面で反射した光を、先端近傍に存在する局在準位で吸収しうるように、ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されており、さらに、ピラー部は、６５度〜８５度の範囲内の底角と、固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍以上の高さを有することを特徴としている。
さらに、本発明の光量子ゲートは、ベース部と、ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する固体基板を備え、ピラー部が、ベース部の裏面側から入射し、ピラー部内を伝搬し、ピラー部の表面で反射した光を、先端近傍に存在する局在準位で吸収しうるように、ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されており、さらに、ピラー部は、６５度〜８５度の範囲内の底角と、固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍以上の高さを有することを特徴としている。
したがって、本発明の単一光子発生デバイスによれば、単一光子の取出効率を高めることができるという利点がある。
特に、本単一光子発生デバイスのデバイス構造によれば、通信波長帯で発光する量子ドットを用いる単一光子発生デバイスにおいて、品質低下を招くことなく、比較的簡単なプロセスで、単一光子の取出効率、さらには、光ファイバへの結合効率を高めることができるという利点がある。
また、本発明の単一光子検出デバイスによれば、単一光子の検出効率を高めることができるという利点がある。
さらに、本発明の光量子ゲートによれば、単一光子の検出効率を高めることができるという利点がある。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる単一光子発生デバイス、単一光子検出デバイス及び光量子ゲートについて説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスについて、図１〜図７を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる単一光子発生デバイスは、半導体基板中の量子ドットからの発光を用いる光励起型（ＰＬ型）の単一光子発生デバイスである。
本実施形態では、図１に示すように、例えばＩｎＰ系の半導体材料からなるエピタキシャル成長層を含む半導体基板（固体基板）１を用いている。この半導体基板１は、例えば図１に示すように、ｉ−ＩｎＰ基板（ｉ−ＩｎＰ層も含む）２上に、量子ドット層としてのＩｎＡｓ層３、及び、ｉ−ＩｎＰ層４を積層させたものとして構成される。
また、本実施形態では、半導体基板１は、図１に示すように、ベース部１Ａと、ベース部１Ａの表面側から突出するように形成されたピラー部１Ｂとを有し、ピラー部１Ｂの先端近傍に量子ドット層３を備えるものとして構成している。
このように、量子ドット層３がピラー部１Ｂの先端近傍に設けられているため、量子ドット３Ａのエキシトン準位（低次元半導体中のエキシトン準位；局在準位）から発生した光は、ピラー部１Ｂの表面（上面及び側面）からはほとんど出射されずに反射し、大部分がピラー部１Ｂ内を伝搬していき、ベース部１Ａの裏面側から出射するようになる（例えば図７参照）。このため、本デバイスを裏面出射型単一光子発生デバイスという。
なお、量子ドット３Ａから発生した光は、ピラー部１Ｂを構成する半導体材料の吸収端よりもエネルギーが低いため、ピラー部１Ｂ内を伝搬中に吸収されることはない。
また、量子ドット３Ａから発生した光は、ベース部１Ａの裏面側へ向けて、所定距離以上、狭い立体角内を伝搬していくことになるため、平面波又は平面波に近い波面を持つようになり（例えば図７参照）、ベース部１Ａの裏面から垂直に近い状態で出射することになる。このため、ベース部１Ａの裏面での反射は比較的少ない。
逆に言うと、このようにベース部１Ａの裏面での反射を少なくするためには、ピラー部１Ｂに備えられる量子ドット層３とベース部１Ａの裏面との間の距離が所定距離以上になるように構成する必要がある。具体的には、ピラー部１Ｂの高さが、ベース部１Ａ及びピラー部１Ｂからなる半導体基板１内を伝搬する光の波長の１０倍程度又はそれ以上になるように構成するのが好ましい。
ここで、ピラー部１Ｂは、図１に示すように、ベース部１Ａ側の断面積が先端側よりも大きく形成されている。つまり、ピラー部１Ｂは、ベース部１Ａ側から先端側へ向けてその断面積が徐々に小さくなるように形成されている。この場合、ピラー部１Ｂの側面はピラー部１Ｂの内側に傾斜した傾斜面となる。
ここでは、ピラー部１Ｂの先端側を細くし（即ち、ピラー部１Ｂの先端側の断面積を所定値以下に小さくし）、このように細くなっているピラー部１Ｂの先端近傍に量子ドット層３を設けている。これは、量子ドット層３に含まれる量子ドット３Ａの数をできるだけ少なくし、量子ドット３Ａから発生した光の伝搬モード数ができるだけ少なくなるようにして、単一光子発生デバイスとして機能しうるようにするためである。
一方、ピラー部１Ｂのベース部１Ａ側は太くしている（即ち、ピラー部１Ｂのベース部１Ａ側の断面積を所定値以上に大きくしている）。
特に、ピラー部１Ｂの底面（即ち、ピラー部１Ｂとベース部１Ａとの界面）の大きさ（ピラー部１Ｂが円錐形状の場合は直径）が、ピラー部１Ｂ内を伝搬してくる光の波長の数倍程度又はそれよりも大きくなるようにしている。これは、ピラー部１Ｂの底面の大きさがピラー部１Ｂ内を伝搬してくる光の波長と同程度又はそれよりも小さい場合は、回折により光が広がってしまい、光ファイバへの結合効率の低下を招くことになるからである。
具体的には、ピラー部１Ｂの側面を構成する傾斜面の角度（即ち、ピラー部１Ｂとベース部１Ａとのなす角；底角）が所定角度範囲内（具体的には６５度程度から８５度程度の範囲内）になるように、ピラー部１Ｂの先端側を細くし、ピラー部１Ｂのベース部１Ａ側を太くするのが好ましい。
本発明において、ピラー部１Ｂを上述のように構成しているのは、以下の理由による。
半導体材料と空気とは屈折率差が大きく、量子ドット３Ａから発生し、半導体層（エピタキシャル成長層）４を伝搬してきた光は、ピラー部１Ｂの表面（上面及び側面）、即ち、空気との界面に垂直又は垂直に近い状態で入射した場合を除き、大部分が反射されてしまうことになる。例えば半導体材料の屈折率を３とすると、入射角度が１９．５度以上の場合には全反射されることになる。これが、取出効率を高めるのを難しくしている原因の一つである。
そこで、本発明者らは、発想を転換し、ピラー部１Ｂの表面で大部分の光が反射されてしまうのを、逆に利用して、ピラー部１Ｂの表面側から光を取り出すのではなく、ベース部１Ａの裏面側から光を取り出すことを思いつき、単一光子発生デバイスにおいて効率（取出効率，結合効率）を高めることが可能な構成として、上述のような構成を採用しているのである。
ところで、より効率（取出効率，結合効率）を高めるためには、以下のように構成するのが好ましい。
まず、ピラー部１Ｂは、回転対称体形状又は回転対称体に近い形状になるように形成するのが好ましい。
この場合、少なくともピラー部１Ｂの量子ドット層３を覆う部分［量子ドット層３よりも上側の部分；ここではｉ−ＩｎＰ層（半導体層）４］の形状が、量子ドット層３に含まれる一の量子ドット３Ａを焦点とし、ベース部１Ａに垂直な回転軸を持つ回転対称体形状になるように形成すれば良い。つまり、ピラー部１Ｂの全体が回転対称体形状又はその一部からなる形状になるように形成しても良いし、ピラー部１Ｂの量子ドット層３よりも上側の部分のみが回転対称体形状になるように形成しても良い。
このように構成すれば、パラボラアンテナの原理により、量子ドット３Ａから発生した光の大部分をベース部１Ａの裏面側へ向けて平行に進むコリメート光として伝搬させることができるようになる。
ここで、回転対称体形状又は回転対称体に近い形状には、回転対称体形状、回転対称体の一部からなる形状、回転対称体の一部を含む形状、回転対称体の組み合わせからなる形状などが含まれる。
具体的には、回転対称体形状又は回転対称体に近い形状には、図２（ａ）に示すような回転放物体形状（回転放物面に囲まれる立体形状）、図２（ｂ）に示すような回転双極体形状（回転双極面に囲まれる立体形状）、図２（ｃ）に示すような回転楕円体の一部からなる形状、図２（ｄ）に示すような円錐台形状、図２（ｅ）に示すような回転放物体の上部を切り取った形状、図２（ｆ）に示すような回転双極体の上部を切り取った形状、図２（ｇ）に示すような回転楕円体の一部の上部を切り取った形状、図２（ｈ）に示すような富士山型形状（即ち、円錐台の斜面の傾きが下方に向けて緩やかになっていく形状）、図２（ｉ）に示すような回転放物体と円錐台の組み合わせからなる形状、図２（ｊ）に示すような回転楕円体の一部と円錐台の組み合わせからなる形状、図２（ｋ）に示すような複数の円錐台の組み合わせからなる形状、図２（ｌ）に示すような円柱と円錐台の組み合わせからなる形状（円錐台の部分の上部近傍に発光源である量子ドットが位置するようにした形状）、図２（ｍ）に示すような円柱と円錐台の組み合わせからなる形状（円柱の部分に発光源である量子ドットが位置するようにした形状）などが含まれる。
なお、円錐台形状の場合は、ピラー部１Ｂ内での伝搬モード間の干渉によってやや複雑な電磁界分布となるが、ピラー部１Ｂの形状［量子ドット３Ａの位置、ピラー部１Ｂの高さ、ピラー部１Ｂの直径、ピラー部１Ｂの側面（斜面）の角度］を適切に設計することで、ベース部１Ａの裏面側へ向けて狭い立体角内に大部分の光を集光させうることが数値計算によって確認できている。
また、ここでは、回転対称体形状又はこれに近い形状にしているが、これに限られるものではなく、例えば、回転対称体でない角錐台のような形状であっても、同様にベース部１Ａの裏面側方向への集光効果が期待できる。
また、ベース部１Ａの裏面側には、図１に示すように、ベース部１Ａの裏面における反射を低減し、取出効率を高めるべく、反射防止膜（ＡＲ膜；anti-reflective coating）５を形成するのが好ましい。上述のように、ピラー部１Ｂ内を伝搬してくる光はベース部１Ａの裏面側では平面波又は平面波に近い波面を持つようになっているため（例えば図７参照）、反射防止膜５として、例えば図３（ａ）に示すように、誘電体膜５Ａ［具体的には１／４波長の単層誘電体膜（例えばＳｉＮ膜）］を形成すれば、容易に反射防止効果を得ることができる。
なお、ここでは、反射防止膜５として、ベース部１Ａの裏面側に誘電体膜５Ａを設けているが、ベース部１Ａの裏面側での集光特性を向上させ、さらに取出効率を高めるためには、以下のように、ベース部１Ａの裏面側に例えば凸レンズやフレネルレンズなどの集光レンズ（集光構造）を設けるのが好ましい。
例えば、図３（ｂ）に示すように、ベース部１Ａの裏面側に誘電体膜（反射防止膜）によって凸レンズ５Ｂを形成しても良い。この場合、ベース部１Ａの裏面側に誘電体膜を形成し、これを凸レンズ形状に加工すれば良い。
また、図３（ｃ）に示すように、ベース部１Ａ（半導体基板２）の裏面側をエッチングして凸レンズ５Ｃを形成しても良い。つまり、ベース部１Ａの裏面側を凸レンズ形状に加工しても良い。
また、図３（ｄ）に示すように、ベース部１Ａの裏面側をエッチングして凸レンズ５Ｃを形成するとともに（即ち、ベース部１Ａの裏面側を凸レンズ形状に加工するとともに）、ベース部１Ａの裏面側を覆うように誘電体膜（反射防止膜）５Ａを形成しても良い。
また、図３（ｅ）に示すように、ベース部１Ａの裏面側に誘電体膜（反射防止膜）によってフレネルレンズ５Ｄを形成しても良い。この場合、ベース部１Ａの裏面側に誘電体膜を形成し、これをフレネルレンズ形状に加工すれば良い。
また、図３（ｆ）に示すように、ベース部１Ａの裏面側をエッチングしてフレネルレンズ５Ｅを形成しても良い。この場合、ベース部１Ａの裏面側をフレネルレンズ形状に加工しても良い。
また、図３（ｇ）に示すように、ベース部１Ａの裏面側の全面を覆うように誘電体膜（反射防止膜）５Ａを形成するとともに、この誘電体膜５Ａの表面を加工してフレネルレンズ５Ｄを形成しても良い（即ち、誘電体膜の表面をフレネルレンズ形状に加工しても良い）。
また、図３（ｈ）に示すように、ベース部１Ａの裏面側をエッチングしてフレネルレンズ５Ｅを形成した後（即ち、ベース部１Ａの裏面側をフレネルレンズ形状に加工した後）、その表面を覆うように誘電体膜（反射防止膜）５Ａを形成しても良い。
このように、ベース部１Ａの裏面側に凸レンズ又はフレネルレンズを形成することにより、ベース部１Ａの裏面側での集光特性を向上させることができ、より取出効率を高めることができるようになる。
このほか、図４（ａ）〜（ｋ）に示すように、量子ドット３Ａから発生した光を反射しうるように（即ち、ピラー部１Ｂの表面から光が出ないように）、ピラー部１Ｂの表面の全部又は一部を覆うように反射膜６（６Ａ〜６Ｄ）を形成するのも好ましい。
特に、反射膜６は、ピラー部１Ｂの先端部（頭頂部）の表面（即ち、ピラー部１Ｂの上面）に形成するのが好ましい。
これにより、ピラー部１Ｂの上面に垂直に近い状態で入射する光の反射率を高めることができるとともに、鏡像効果によりピラー部１Ｂの側面方向へ向かう光を抑えることができる。
ここで、反射膜６は、金属膜（例えばＰｔ）６Ａ、誘電体膜６Ｂ及び金属膜６Ａ、誘電体多層膜６Ｃ、誘電体多層膜６Ｃ及び金属膜６Ａ、半導体多層膜６Ｄのいずれかにより構成すれば良い。
例えば、図４（ａ）に示すように、ピラー部１Ｂ及びベース部１Ａの表面側の全面に金属膜６Ａを形成しても良い。同様に、図４（ｇ）に示すように、ピラー部１Ｂ及びベース部１Ａの表面側の全面に誘電体膜６Ｂ及び金属膜６Ａを形成しても良い。また、同様に、図４（ｊ）に示すように、ピラー部１Ｂ及びベース部１Ａの表面側の全面に誘電体多層膜６Ｃを形成しても良い。
また、例えば、図４（ｂ）に示すように、ピラー部１Ｂの先端近傍（即ち、ピラー部１Ｂの上面及びピラー部１Ｂの上面近傍の側面）を覆うように金属膜６Ａを形成しても良い。
また、例えば、図４（ｃ）に示すように、ピラー部１Ｂの上面を覆うように金属膜６Ａを形成しても良い。同様に、図４（ｈ）に示すように、ピラー部１Ｂの上面を覆うように誘電体膜６Ｂ及び金属膜６Ａを形成しても良い。また、同様に、図４（ｋ）に示すように、ピラー部１Ｂの上面を覆うように誘電体多層膜６Ｃを形成しても良い。
さらに、例えば、図４（ｄ），図４（ｅ）に示すように、ピラー部１Ｂの上面の一部を覆うように金属膜６Ａを形成しても良い。この場合、図４（ｄ）に示すように、発光源である量子ドット３Ａの上方の領域のみに金属膜６Ａを形成しても良いし、図４（ｅ）に示すように、発光源である量子ドット３Ａの上方以外の領域のみに金属膜６Ａを形成しても良い。
また、例えば、図４（ｆ）に示すように、ピラー部１Ｂの上面を覆うように、オーバーハングを有する金属膜６Ａを形成しても良い。また、例えば、図４（ｉ）に示すように、ピラー部１Ｂ及びベース部１Ａの上方であって、ピラー部１Ｂの上面に接近した位置に、他の部材（図示せず）によって支持された金属膜６Ａを設けるようにして良い。つまり、反射膜としての金属膜６Ａは、ピラー部１Ｂの表面上に設けられている必要はなく、このように、ピラー部１Ｂの表面から離れた位置に例えば空気層を介して設けるようにしても良い。
また、例えば、図５（ａ）に示すように、円錐台形状のピラー部１Ｂを、その先端近傍に反射膜６として機能しうる半導体多層膜（半導体多層膜ミラー；例えばＤＢＲミラー）６Ｄを備えるものとして構成しても良い。つまり、ピラー部１Ｂを形成する際に、ピラー部１Ｂの量子ドット３Ａよりも先端側に屈折率の異なる半導体膜を交互に積層させて半導体多層膜６Ｄを形成し、ピラー部１Ｂが、全体として円錐台形状になるように構成しても良い。
また、例えば、図５（ｂ）に示すように、円錐台形状のピラー部１Ｂの上面上に円柱状の半導体多層膜（半導体多層膜ミラー）６Ｄを備えるものとして構成しても良い。つまり、ピラー部１Ｂの上側に円柱状に屈折率の異なる半導体膜を交互に積層させて半導体多層膜６Ｄを形成し、ピラー部１Ｂの形状が、円錐台形状と円柱形状との組み合わせからなる形状になるように構成しても良い。ここでは、ピラー部１Ｂの円錐台形状部分に量子ドット３Ａを備えるものとして構成している。
このように形成される反射膜６は、ピラー部１Ｂの表面を保護しうる表面保護膜としても機能する。なお、反射膜６とは別にピラー部１Ｂの表面を覆うように表面保護膜を設けるようにしても良い。また、ピラー部１Ｂの形状等を工夫することで、光を確実に基板裏面から出射させることができるのであれば、必ずしも反射膜６を設ける必要はない。この場合、反射膜６の代わりに表面保護膜を設けるのが好ましい。また、ピラー部１Ｂの表面を覆うように表面保護膜を設けても良い。
ところで、図５（ｃ），（ｄ）に示すように、ピラー部１Ｂを、量子ドット３Ａが形成されている部分（量子ドット層３）の上側及び下側に形成された半導体多層膜６Ｄからなる共振器構造７を備えるものとして構成するのも好ましい。これにより、パーセル効果による発光寿命の短縮によって、光子発生レートを増大させることができ、デコヒーレンスの影響を緩和することができるようになるとともに、発光する光のモードが１つになるので、取出効率を上げるのも容易になる。
例えば、図５（ｃ）に示すように、円錐台形状のピラー部１Ｂを、その先端近傍に、量子ドット３Ａを半導体多層膜（半導体多層膜ミラー）６Ｄで挟み込んだ構造を備えるものとして構成すれば良い。つまり、ピラー部１Ｂを形成する際に、ピラー部１Ｂの先端近傍に、例えばヘテロエピタキシャル成長技術等を用いて、下側半導体多層膜６Ｄ、量子ドット３Ａを含む量子ドット層３、上側半導体多層膜６Ｄを順に積層させ、ピラー部１Ｂが、全体として円錐台形状になるように構成すれば良い。
また、例えば、図５（ｄ）に示すように、円錐台上に、量子ドット３Ａを含む量子ドット層３を半導体多層膜（半導体多層膜ミラー）６Ｄで挟み込んだ円柱状積層体を備えるものとして構成しても良い。つまり、円錐台上に、下側半導体多層膜６Ｄ、量子ドット３Ａを含む量子ドット層３、上側半導体多層膜６Ｄを順に円柱状に積層させたものとして形成すれば良い。これは、ピラー部１Ｂを、円錐台形状と円柱形状とを組み合わせたものとして構成し、円柱形状部分に量子ドット３Ａ及び半導体多層膜６Ｄを備えるものとして構成していると見ることもできる。
以下、本実施形態にかかる単一光子発生デバイス［光励起型（ＰＬ型）の単一光子発生デバイス］の製造方法について、図６（ａ）〜（ｉ）の模式的断面図を参照しながら説明する。
なお、本実施形態では、図６（ａ）〜（ｉ）に示すように、表面近傍に量子ドット層３を有し、ＩｎＰ系エピタキシャル成長層を含む半導体基板１を用い、ピラー形成用マスク８にはＳｉＯ2マスクを用い、ＡＲ膜５としてＳｉＮ膜を形成する場合を例に説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、表面近傍に量子ドット層３を有する半導体基板１上に、ピラー形成用マスク材料としてのＳｉＯ2を、例えばモノシランと酸素を反応ガスとするＬＰ−ＣＶＤ装置を用いて、例えば基板温度約３００℃、圧力約０．１５Ｔｏｒｒの条件下で、例えば約１０００ｎｍの厚さになるように成長させ、ＳｉＯ2膜８′を形成する。
次いで、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜８′上に、フォトレジストを例えば約２０００ｎｍの厚さになるように塗布し、コンタクト露光装置を用いて、例えば直径約６０００ｎｍの円錐台形状パターンを有するレジストマスク９を形成する。
このレジストマスク９を用いて、例えば緩衝フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行なって、マスクパターンをＳｉＯ2膜８′に転写して、図６（ｃ）に示すように、例えば直径約４０００ｎｍのＳｉＯ2マスク（ピラー形成用マスク）８を形成する。その後、剥離液を用いてレジストマスクを除去する。
次に、このようにして形成されたＳｉＯ2マスク８を用いて、例えば四塩化珪素、アルゴンを反応ガスとするＩＣＰドライエッチング装置によって、例えば基板温度約２００℃、圧力０．５ｍｍＴｏｒｒの条件下で、図６（ｄ）に示すように、例えば約１００００ｎｍの高さを有し、先端近傍に量子ドット３Ａを含む量子ドット層３が存在するピラー部１Ｂを形成する。なお、エッチング後にピラー部１Ｂの下側に残された部分がベース部１Ａとなる。つまり、ベース部１Ａの表面側にピラー部１Ｂが形成されることになる。
このように、基板表面側の加工工程として、表面近傍に量子ドット３Ａが存在する半導体基板１に対して、ドライエッチングを施すことで、図６（ｄ）に示すように、量子ドット層３に含まれる量子ドット３Ａから発生した光が、ピラー部１Ｂの表面（上面及び側面）で反射し、ピラー部１Ｂの内部を伝搬して、ベース部１Ａの裏面側から出射するように、ピラー部１Ｂを、ベース部１Ａ側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成する。
なお、ここでは、ピラー部１Ｂを形成するのに、所定の条件のドライエッチングのみを施すようにしているが、ピラー部１Ｂの形成方法は、これに限られるものではなく、例えば所定の条件のウェットエッチングのみを施すようにしても良い。
次いで、ピラー部１Ｂの全体を覆うように、例えば約１００００ｎｍの厚さになるようにフォトレジストを塗布して、ピラー部１Ｂを保護した後、図６（ｅ）に示すように、基板裏面（ベース部１Ａの裏面）を例えば約１５００００ｎｍだけ研磨し、鏡面処理を施す。
次に、ピラー部１Ｂを保護するために用いたフォトレジストを剥離液により除去した後、図６（ｆ）に示すように、ＡＲ膜５を形成するための材料となるＳｉＮを、プラズマＣＶＤ装置によって、例えばモノシラン，アンモニア，窒素を反応ガスとして、例えば基板温度約２５０℃、圧力約１Ｔｏｒｒの条件下で、例えば約２００ｎｍの厚さになるように成長させ、ＡＲ膜５としてのＳｉＮ膜を形成する。
次いで、図６（ｇ）に示すように、基板裏面に形成されたＡＲ膜５の表面にフォトレジスト９を塗布して保護した後、図６（ｈ）に示すように、ピラー部１Ｂの先端（ピラートップ部）を保護していたＳｉＯ2マスク８を、例えば緩衝フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行なって除去する。
次に、図６（ｉ）に示すように、ＡＲ膜５を保護していたフォトレジスト９を、剥離液を用いて除去する。
このようにして、光励起単一光子発生デバイスが形成される。
したがって、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスによれば、上述のようにピラー部１Ｂの形状を工夫し、基板裏面側から出射させるようにしているため、単一光子の取出効率を高めることができるという利点がある。
特に、図７の計算結果に示すように、ピラー部１Ｂの形状を上述の条件を満たす円錐形状とすることで、ベース部１Ａの裏面側へ向けて狭い立体角内に大部分の光を集光させうるとともに、ベース部１Ａの裏面側では平面波又は平面波に近い波面を持つようにしてベース部１Ａの裏面から垂直に近い状態で出射させうることを確認している。
また、本単一光子発生デバイスのデバイス構造によれば、通信波長帯で発光する量子ドット３Ａを用いる単一光子発生デバイスにおいて、品質低下を招くことなく、比較的簡単なプロセスで、単一光子の取出効率、さらには、光ファイバへの結合効率を高めることができるという利点がある。つまり、本単一光子発生デバイスによれば、光励起型、ＥＬ型（電流注入型）のどちらの場合であっても、従来の構造では実現が不可能であった数十パーセントの発光効率を得ることが可能となる。また、取り出した光は、直進性が比較的良く、レンズで光ファイバに集光させやすいという特徴も持っている。
なお、本デバイスを、例えば電界制御可変波長ＰＬデバイス等として構成する場合、ピラー部１Ｂの上面（表面側）に電圧印加用電極（例えば電極として機能しうる導電体膜；金属膜）を設けることになるが、本デバイスでは、裏面側から光を取り出すようにしているため、従来のように電極に穴を開ける必要がなく、また、ピラー部１Ｂの表面側に設けられた金属電極（導電体膜）を、量子ドット３Ａから発生した光を反射しうる反射膜として利用することができるため、このような表面側に電極を持つデバイスであっても、取出効率を向上させることが可能となる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる単一光子発生デバイスについて、図８を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる単一光子発生デバイスは、上述の第１実施形態のものに対し、単一光子発生デバイスの製造方法が異なる。つまり、本実施形態では、表面側の加工工程において、異方性の異なるドライエッチングとウェットエッチングとを組み合わせて用いることで、ピラー部１Ｂの形状、特に側面（斜面）の角度調節を可能とするとともに、エッチングダメージの低減を図っている。
本実施形態では、ピラー部１Ｂを形成する工程において、エッチング条件の異なる２以上のウェットエッチングと、エッチング条件の異なる２以上のドライエッチングとを組み合わせて用いるようにしている。
以下、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスの製造方法について、図８，図９を参照しながら、具体的に説明する。
まず、上述の第１実施形態と同様に、表面近傍に量子ドット層３を有する半導体基板１上にＳｉＯ2膜８′を形成する［図６（ａ）参照］。次いで、レジストマスク９を形成し［図６（ｂ）参照］、これをＳｉＯ2膜８′に転写して、ＳｉＯ2マスク８を形成する［図６（ｃ）参照］。
次に、このようにして形成されたＳｉＯ2マスク８を用いて、例えば四塩化珪素、アルゴンを反応ガスとするＩＣＰドライエッチング装置によって、例えば基板温度約２００℃、圧力０．５ｍｍＴｏｒｒの条件下で、図８（ａ）に示すように、例えば約１００００ｎｍの高さを有し、先端近傍に量子ドット層３が存在するピラー部１Ｂを形成する。なお、エッチング後にピラー部１Ｂの下側に残された部分がベース部１Ａとなる。つまり、ベース部１Ａの表面側にピラー部１Ｂが形成されることになる。なお、図８（ａ）〜（ｄ）では、上述の第１実施形態（図６参照）と同一のものには同一の符号を付している。
次いで、ＳｉＯ2マスク８を用いて、例えば数パーセントの臭化水素及び過酸化水素の混合液を用いたウェットエッチングを行なって、ピラー部１Ｂの形状が図８（ａ）に示すような円錐台形状から図８（ｂ）に示すような円錐台と円柱とを組み合わせてなる形状になるように、ピラー部１Ｂの斜面角度を調整するとともに、ドライエッチングの際に生じたダメージ層を除去する。
このウェットエッチングによって、量子ドット層３に含まれる量子ドット３Ａの数をできるだけ少なくし、量子ドット３Ａから発生した光の伝搬モード数ができるだけ少なくなるようにして、単一光子発生デバイスとして機能しうるようにしている。
次に、図８（ｃ），（ｄ）に示すように、上述のウェットエッチングの際に生じたピラー部１Ｂの先端（ピラートップ部）側の斜面角度の調整（傾斜調整）を行なう。
ここでは、図８（ｃ）に示すように、例えばＣＦ4ガスを反応ガスとするドライエッチング、及び、例えば緩衝フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行なって、ピラー部１Ｂの上面に形成されているＳｉＯ2マスク８を小さくした後（シュリンクさせた後）、図８（ｄ）に示すように、例えば数パーセントの臭化水素及び過酸化水素の混合液を用いたウェットエッチングを行なってピラー部１Ｂの先端側の斜面角度の調整を行なう。
このように、ドライエッチングとウェットエッチングとを組み合わせることで、量子ドット層３に含まれる量子ドット３Ａから発生した光が、ピラー部１Ｂの表面（上面及び側面）で反射し、ピラー部１Ｂの内部を伝搬して、ベース部１Ａの裏面側から出射するように、ピラー部１Ｂを、ベース部１Ａ側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成する。
その後、上述の第１実施形態と同様に、基板裏面（ベース部１Ａの裏面）を研磨して鏡面処理を施した後、ＡＲ膜５としてのＳｉＮ膜を形成し、このＡＲ膜５を保護しながらＳｉＯ2マスク８を除去して、光励起単一光子発生デバイスを形成する。
なお、以下のようにして、ピラー部１Ｂの上面から量子ドット層３までの距離を調整するようにしても良い。
つまり、例えば図９（ａ）に示すように、ＡＲ膜５の表面にフォトレジスト９を塗布して保護した後、図９（ｂ）に示すように、ピラー部１Ｂの先端（ピラートップ部）を保護していたＳｉＯ2マスク８を、例えば緩衝フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行なって除去する。
その後、図９（ｃ）に示すように、例えば数パーセントの臭化水素及び過酸化水素の混合液を用いたウェットエッチングを行なって、ピラー部１Ｂの上面から量子ドット層３までの距離を調整する。
そして、図９（ｄ）に示すように、ＡＲ膜５を保護していたフォトレジスト９を、剥離液を用いて除去して、光励起単一光子発生デバイスを形成する。
なお、その他の構成については、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスによれば、上述の第１実施形態のものと同様に、上述のようにピラー部１Ｂの形状を工夫し、基板裏面側から出射させるようにしているため、単一光子の取出効率を高めることができるという利点がある。
特に、本単一光子発生デバイスのデバイス構造によれば、通信波長帯で発光する量子ドット３Ａを用いる単一光子発生デバイスにおいて、品質低下を招くことなく、比較的簡単なプロセスで、単一光子の取出効率、さらには、光ファイバへの結合効率を高めることができるという利点がある。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる単一光子発生デバイスについて、図１０，図１１を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる単一光子発生デバイスは、上述の第１実施形態のものに対し、電流注入型の単一光子発生デバイス（例えば電流注入型ＥＬデバイス）である点が異なる。つまり、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスは、半導体基板中の量子ドット（単一光子を発生しうる量子ドット）からの発光を用いる電流注入型の単一光子発生デバイスである。
本実施形態では、図１０に示すように、例えばＧａＡｓ系の半導体材料からなるエピタキシャル成長層を含む半導体基板（固体基板）１０を用いている。この半導体基板１０は、例えば図１０に示すように、ｐ−ｉ−ｎ構造を有し、ｎ−ＩｎＰ基板（ｎ−ＩｎＰ層も含む）２０上に、量子ドット層としてのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層３０、及び、ｐ−ＩｎＰ層４０を積層させたものとして構成される。なお、図１０では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
また、上述の第１実施形態と同様に、半導体基板１０は、図１０に示すように、ベース部１Ａと、ベース部１Ａの表面側から突出するように形成されたピラー部１Ｂと、ベース部１Ａの表面から突出するｎ側引き出しコンタクト部（コンタクト領域）１Ｃとを有し、ピラー部１Ｂの先端近傍に量子ドット層３を備えるものとして構成している。
また、上述の第１実施形態と同様に、ピラー部１Ｂは、ベース部１Ａ側の断面積が先端側よりも大きく形成されている。つまり、ピラー部１Ｂは、ベース部１Ａ側から先端側へ向けてその断面積が徐々に小さくなるように形成されている。この場合、ピラー部１Ｂの側面はピラー部１Ｂの内側に傾斜した傾斜面となる。
ところで、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスは、電流注入型の単一光子発生デバイスであるため、ピラー部１Ｂの上面（表面）に電流注入用電極（例えば電極として機能しうる導電体膜；金属膜）を構成するｐ側引き出し電極６０Ａが設けられているとともに、ｎ側引き出しコンタクト部１Ｃの上面（表面）に電流注入用電極（例えば電極として機能しうる導電体膜；金属膜）を構成するｎ側引き出し電極６０Ｂが設けられている。なお、図１０中、符号５０はピラー部１Ｂを保護するための絶縁性樹脂層（埋込層）を示している。
本デバイスでは、裏面側から光を取り出すようにしているため、従来のように電極に穴を開ける必要がなく、また、ピラー部１Ｂの表面側に設けられた金属電極（導電膜）を反射膜として利用することができるため、このような表面側に電極を持つデバイスであっても、取出効率を向上させることが可能となる。
なお、本デバイスを、例えば電圧印加型ＥＬデバイス等として構成する場合、ピラー部１Ｂの表面側に電圧印加用電極（例えば電極として機能しうる導電体膜；金属膜）を設ければ良い。この場合も、従来のように電極に穴を開ける必要がなく、また、ピラー部１Ｂの表面側に設けられた金属電極（導電体膜）を反射膜として利用することができるため、このような表面側に電極を持つデバイスであっても、取出効率を向上させることが可能となる。
なお、その他の構成は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
以下、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスの製造方法について、図１１（ａ）〜（ｏ）の模式的断面図を参照しながら説明する。ここでは、電流注入型単一光子発生デバイス（例えば電流注入型ＥＬデバイス）を例に説明する。
なお、本実施形態では、表面近傍に量子ドット層３０を有し、ＧａＡｓ系エピタキシャル成長層を含む半導体基板１０を用い、ピラー形成用マスク８０にはＳｉＯ2マスクを用い、反射膜としても機能しうるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極（導電体膜；金属膜）６０Ａ，６０Ｂを設け、ＡＲ膜５としてＳｉＮ膜を形成する場合を例に説明する。
まず、図１１（ａ）に示すような半導体基板１０上に、図１１（ｂ）に示すように、フォトレジストを例えば約２０００ｎｍの厚さになるように塗布し、コンタクト露光装置を用いて、ｎ側引き出しコンタクト領域形成用パターンをパターニングして、ｎ側引き出しコンタクト領域形成用マスク（レジストマスク）９０Ａを形成する。
次に、図１１（ｃ）に示すように、例えば臭化水素溶液を用いたウェットエッチングによってｐ−ＩｎＰ層４０を除去するとともに、例えば硫酸及び数パーセントの過酸化水素の混合液を用いたウェットエッチングによってｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層（量子ドット層）３０を除去し、ｎ側引き出しコンタクト部となる領域を確保する。
次いで、図１１（ｄ）に示すように、表面近傍に量子ドット層３０を有する半導体基板１０上に、ピラー形成用マスク材料としてのＳｉＯ2を、例えばモノシランと酸素を反応ガスとするＬＰ−ＣＶＤ装置を用いて、例えば基板温度約３００℃、圧力約０．１５Ｔｏｒｒの条件下で、例えば約１０００ｎｍの厚さになるように成長させ、ＳｉＯ2膜８０′を形成する。
次いで、図１１（ｅ）に示すように、ＳｉＯ2膜８０′上に、フォトレジストを例えば約２０００ｎｍの厚さになるように塗布し、例えば直径約６０００ｎｍの円錐台形状パターン及びｎ側引き出しコンタクト領域形成用パターンを有するレジストマスク９０Ｂを、コンタクト露光装置を用いて形成する。
次に、このレジストマスク９０Ｂを用いて、例えば緩衝フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行なって、マスクパターンをＳｉＯ2膜８０′に転写して、図１１（ｆ）に示すように、例えば直径約４０００ｎｍのピラー形成用マスク及びｎ側引き出しコンタクト領域形成用マスクとして機能するＳｉＯ2マスク８０を形成する。その後、剥離液を用いて、ＳｉＯ2マスク８０上に残っているレジストマスク９０Ｂを除去する。
次に、このようにして形成されたＳｉＯ2マスク８０を用いて、例えば四塩化珪素、アルゴンを反応ガスとするＩＣＰドライエッチング装置によって、例えば基板温度約２００℃、圧力０．５ｍｍＴｏｒｒの条件下で、図１１（ｇ）に示すように、例えば約１００００ｎｍの高さを有し、先端近傍に量子ドット層３０が存在するピラー部１Ｂ、及び、ｎ側引き出しコンタクト部１Ｃを形成する。なお、エッチング後にピラー部１Ｂ及びｎ側引き出しコンタクト部１Ｃの下側に残された部分がベース部１Ａとなる。つまり、ベース部１Ａの表面側にピラー部１Ｂ及びｎ側引き出しコンタクト部１Ｃが形成されることになる。
このように、基板表面側の加工工程として、表面近傍に量子ドット層３０が存在する半導体基板１０に対して、ドライエッチングを施すことで、図１１（ｇ）に示すように、量子ドット層３０に含まれる量子ドットから発生した光が、ピラー部１Ｂの表面（上面及び側面）で反射し、ピラー部１Ｂの内部を伝搬して、ベース部１Ａの裏面側から出射するように、ピラー部１Ｂを、ベース部１Ａ側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成する。
なお、ここでは、ピラー部１Ｂを形成するのに、１つの条件のドライエッチングのみを施すようにしているが、ピラー部１Ｂの形成方法は、これに限られるものではなく、例えばウェットエッチングのみを施すようにしても良い。また、ピラー部の側面（斜面）の角度調節を可能とし、エッチングダメージの低減を図るために、上述の第２実施形態のように、例えばウェットエッチングとドライエッチングとを組み合わせて用いるようにしても良い。
次いで、図１１（ｈ）に示すように、例えば緩衝フッ酸溶液を用いたウェットエッチングを行なって、ピラー部１Ｂ上及びｎ側引き出しコンタクト領域１Ｃ上に形成されているＳｉＯ2マスク８０を除去する。
次に、図１１（ｉ）に示すように、表面を平坦化し、ピラー部を保護するために、ピラー部１Ｂ及びｎ側引き出しコンタクト部１Ｃが形成されている半導体基板１０上に、ピラー部１Ｂが埋め込まれるように絶縁性材料（絶縁性樹脂材料）５０′を塗布する。
次いで、この絶縁性材料５０′を、例えばキュア温度２００℃の条件下で固化した後［この結果、絶縁層（絶縁性樹脂層）５０が形成される］、図１１（ｊ）に示すように、例えばＣＦ4ガスと酸素を反応ガスとするＲＩＥドライエッチング装置によって、例えば圧力約２０ｍｍＴｏｒｒの条件下で、ピラー部１Ｂ及びｎ側引き出しコンタクト部１Ｃの頭だしを行なう。つまり、ピラー部１Ｂの先端（ピラートップ部）を構成するｐ−ＩｎＰ層４０、及び、ｎ側引き出しコンタクト部１Ｃを構成するｎ−ＩｎＰ層２０が表面に露出するようにドライエッチングを行なう。
次に、この上にフォトレジスト９０Ｃを例えば約２０００ｎｍの厚さになるように塗布し、図１１（ｋ）に示すように、ｎ側引き出し電極６０Ｂ及びｐ側引き出し電極６０Ａを形成するためのパターンを、コンタクト露光装置を用いてパターニングする。
次に、図１１（ｌ）に示すように、ＥＢ蒸着装置を用いて、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（５０／５０／２００ｎｍ）からなる金属膜（導電体膜）６０を蒸着し、有機溶剤によってボイル処理してリフトオフすることによって、図１１（ｍ）に示すように、ｐ側引き出し電極６０Ａ及びｎ側引き出し電極６０Ｂを同時に形成する。
その後、図１１（ｎ）に示すように、基板裏面（ベース部１Ａの裏面）を例えば約１５００００ｎｍだけ研磨し、鏡面処理を施す。
次に、図１１（ｏ）に示すように、ＡＲ膜５を形成するための材料となるＳｉＮを、プラズマＣＶＤ装置によって、例えばモノシラン，アンモニア，窒素を反応ガスとして、例えば基板温度約２５０℃、圧力約１Ｔｏｒｒの条件下で、例えば約２００ｎｍの厚さになるように成長させ、ＡＲ膜５としてのＳｉＮ膜を形成する。
このようにして、電流注入型単一光子発生デバイスが形成される。
したがって、本実施形態にかかる単一光子発生デバイスによれば、上述の第１実施形態と同様に、上述のようにピラー部１Ｂの形状を工夫し、基板裏面側から出射させるようにしているため、単一光子の取出効率を高めることができるという利点がある。
特に、本単一光子発生デバイスのデバイス構造によれば、通信波長帯で発光する量子ドットを用いる単一光子発生デバイスにおいて、品質低下を招くことなく、比較的簡単なプロセスで、単一光子の取出効率、さらには、光ファイバへの結合効率を高めることができるという利点がある。
［その他］
なお、上述の各実施形態のものは、通信波長帯で発光する量子ドットを用いた単一光子発生デバイスの高効率化に非常に有効なものであるが、本発明は、このような量子ドットを用いた単一光子発生デバイスへの適用に限られるものではなく、例えば、固体中の欠陥や色中心を用いた単一光子発生デバイス等、固体基板の表面近傍に存在する局在準位からの発光を用いた単一光子発生デバイスに広く適用することができるものである。このような固体基板の表面近傍に存在する局在準位から発生する光を、裏面側から取り出すためには、局在準位の存在する固体基板の表面側を加工して、上述の各実施形態で説明したようなピラー部を形成すれば良い。
また、上述の各実施形態では、本発明を単一光子発生デバイスに適用したものについて説明しているが、本発明は、単一光子検出デバイス（受光素子）や光量子ゲートに適用することもできる。つまり、光の吸収過程と光の放射過程とは全く逆の過程であるため、本発明の構造（特にピラー部の形状）を単一光子検出デバイスや光量子ゲートに適用すれば、基板裏面から入射する光を効率良く量子ドットに吸収させることも可能である。
この場合、単一光子検出デバイス又は光量子ゲートは、ベース部と、ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する半導体基板（固体基板）を備えるものとして構成される。そして、ピラー部は、ベース部の裏面側から入射し、ピラー部内を伝搬し、ピラー部の表面で反射した光を、先端近傍に存在する量子ドット（局在準位；例えばエキシトン準位）で吸収しうるように、ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されることになる。なお、ピラー部の形状等のより具体的な構成については上述の各実施形態のものと同様に構成すれば良い。
このように構成される本発明の単一光子検出デバイス又は光量子ゲートによれば、単一光子の検出効率を高めることができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
ベース部と、前記ベース部の表面側に形成され、先端近傍に局在準位が存在するピラー部とを有する固体基板を備え、
前記ピラー部は、前記局在準位から発生した光が、表面で反射し、内部を伝搬して、前記ベース部の裏面側から出射するように、前記ベース部側の断面積が先端側よりも大きく形成されていることを特徴とする、単一光子発生デバイス。
（付記２）
前記ピラー部が、表面近傍に局在準位が存在する固体基板に対してドライエッチング及びウェットエッチングを施すことによって形成されることを特徴とする、付記１記載の単一光子発生デバイス。
（付記３）
前記ピラー部が、回転対称体形状又は回転対称体に近い形状になるように形成されていることを特徴とする、付記１又は２記載の単一光子発生デバイス。
（付記４）
前記ピラー部が、６５度〜８５度の範囲内の底角を有することを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記５）
前記ピラー部が、前記固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍又はそれ以上の高さを有することを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記６）
前記ベース部の裏面側に反射防止膜を備えることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記７）
前記ベース部の裏面側に凸レンズ又はフレネルレンズを備えることを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記８）
前記ピラー部の表面の全部又は一部を覆うように形成され、前記局在準位から発生した光を反射しうる反射膜を備えることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記９）
前記反射膜が、金属膜、誘電体膜及び金属膜、誘電体多層膜、誘電体多層膜及び金属膜、半導体多層膜のいずれかにより構成されることを特徴とする、付記８記載の単一光子発生デバイス。
（付記１０）
前記ピラー部の表面を保護しうる表面保護膜を備えることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記１１）
前記ピラー部は、前記局在準位が存在する部分の上側及び下側に形成された半導体多層膜からなる共振器構造を備えることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記１２）
前記ピラー部の表面側に電流注入用電極又は電圧印加用電極を備えることを特徴とする、付記１〜１１のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記１３）
前記導電体膜が、前記局在準位から発生した光を反射しうる反射膜としても機能しうることを特徴とする、付記１２記載の単一光子発生デバイス。
（付記１４）
前記局在準位が、エキシトン準位であることを特徴とする、付記１〜１３のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
（付記１５）
ベース部と、前記ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する固体基板を備え、
前記ピラー部が、前記ベース部の裏面側から入射し、内部を伝搬し、表面で反射した光を、先端近傍に存在する局在準位で吸収しうるように、前記ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする、単一光子検出デバイス。
（付記１６）
前記局在準位が、エキシトン準位であることを特徴とする、付記１５記載の単一光子検出デバイス。
（付記１７）
ベース部と、前記ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する固体基板を備え、
前記ピラー部が、前記ベース部の裏面側から入射し、前記ピラー部内を伝搬し、前記ピラー部の表面で反射した光を、先端近傍に存在する局在準位で吸収しうるように、前記ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする、光量子ゲート。
（付記１８）
前記局在準位が、エキシトン準位であることを特徴とする、付記１７記載の光量子ゲート。
本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスの全体構成を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｍ）は、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスのピラー部の形状を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスに設けられる反射防止構造を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｋ）は、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスのピラー部に設けられる反射膜を説明するための模式的断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスのピラー部に設けられる反射膜を説明するための模式的断面図であり、（ｃ），（ｄ）は、ピラー部に設けられる共振器構造を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｉ）は、本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスの製造方法を説明するための模式的断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる単一光子発生デバイスの効果を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施形態にかかる単一光子発生デバイスの製造方法を説明するための模式的断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２実施形態にかかる単一光子発生デバイスの製造方法における量子ドット層の位置調整方法を説明するための模式的断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる単一光子発生デバイスの構成を示す模式図である。 （ａ）〜（ｏ）は、本発明の第３実施形態にかかる単一光子発生デバイスの製造方法を説明するための模式的断面図である。
符号の説明
１，１０ 半導体基板
１Ａ ベース部
１Ｂ ピラー部
１Ｃ ｎ側引き出しコンタクト部
２ ｉ−ＩｎＰ基板
３ 量子ドット層（ＩｎＡｓ層）
３Ａ 量子ドット
４ ｉ−ＩｎＰ層
５ 反射防止膜
５Ａ 誘電体膜
５Ｂ 凸レンズ（反射防止膜）
５Ｃ 凸レンズ
５Ｄ，５Ｅ フレネルレンズ
６ 反射膜
６Ａ 金属膜
６Ｂ 誘電体膜
６Ｃ 誘電体多層膜
６Ｄ 半導体多層膜
７ 共振器構造
８，８０ ＳｉＯ2マスク
８′，８０′ ＳｉＯ2膜
９，９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ レジストマスク
２０ ｎ−ＩｎＰ基板
３０ 量子ドット層（ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層）
４０ ｐ−ＩｎＰ層
５０ 絶縁層（絶縁性樹脂層）
５０′絶縁性材料（絶縁性樹脂材料）
６０ 金属膜
６０Ａ ｐ側引き出し電極
６０Ｂ ｎ側引き出し電極

Claims (10)

  1. ベース部と、前記ベース部の表面側に形成され、先端近傍に局在準位が存在するピラー部とを有する固体基板を備え、
    前記ピラー部は、前記局在準位から発生した光が、表面で反射し、内部を伝搬して、前記ベース部の裏面側から出射するように、前記ベース部側の断面積が先端側よりも大きく形成されており、さらに、
    前記ピラー部は、６５度〜８５度の範囲内の底角と、前記固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍以上の高さを有することを特徴とする、単一光子発生デバイス。
  2. 前記ピラー部が、表面近傍に局在準位が存在する固体基板に対してドライエッチング及びウェットエッチングを施すことによって形成されることを特徴とする、請求項１記載の単一光子発生デバイス。
  3. 前記ピラー部が、回転対称体形状又は回転対称体に近い形状になるように形成されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の単一光子発生デバイス。
  4. 前記ベース部の裏面側に反射防止膜を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
  5. 前記ベース部の裏面側に凸レンズ又はフレネルレンズを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
  6. 前記ピラー部の表面の全部又は一部を覆うように形成され、前記局在準位から発生した光を反射しうる反射膜を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
  7. 前記ピラー部は、前記局在準位が存在する部分の上側及び下側に形成された半導体多層膜からなる共振器構造を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
  8. 前記ピラー部の表面側に電流注入用電極又は電圧印加用電極を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の単一光子発生デバイス。
  9. ベース部と、前記ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する固体基板を備え、
    前記ピラー部が、前記ベース部の裏面側から入射し、前記ピラー部内を伝搬し、前記ピラー部の表面で反射した光を、先端近傍に存在する局在準位で吸収しうるように、前記ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されており、さらに、
    前記ピラー部は、６５度〜８５度の範囲内の底角と、前記固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍以上の高さを有することを特徴とする、単一光子検出デバイス。
  10. ベース部と、前記ベース部の表面側に形成されたピラー部とを有する固体基板を備え、
    前記ピラー部が、前記ベース部の裏面側から入射し、前記ピラー部内を伝搬し、前記ピラー部の表面で反射した光を、先端近傍に存在する局在準位で吸収しうるように、前記ベース部側の断面積が先端側よりも大きくなるように形成されており、さらに、
    前記ピラー部は、６５度〜８５度の範囲内の底角と、前記固体基板内を伝搬する光の波長の１０倍以上の高さを有することを特徴とする、光量子ゲート。
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