JP5332886B2 - 光子発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧を印加することで量子ドットなどから単一光子を発生させる半導体装置に関するもので、特に従来装置に比べて高い光子取り出し効率を実現する半導体単一光子発生装置に関する。

光や物質の量子力学的な状態を利用する量子情報技術は、安全性の高い暗号通信や、秘匿性の高い認証など、高度なセキュリティ技術を提供することができると期待されている。例えば量子暗号通信では、偏光や位相といった量子力学的な自由度を用いて表現される情報（以後、量子情報）を光子に乗せて伝送することで、通信路上での盗聴者の存在を確実に検知することができ、安全な秘密鍵の配布が可能になる。
このような量子情報技術にとってキーデバイスとなるのが、光子を１つずつ発生させる単一光子発生装置である。単一光子は、単一の原子や単一のイオンなどから生成することができるが、特に半導体から単一光子を生成するためのデバイスとして、半導体量子ドットによる単一光子源が盛んに研究されている。
量子ドットから単一光子を生成するためには量子ドット中に電子と正孔のペアを生成する必要があるが、その方法としては外部からの励起光を利用する光励起型と、電気的に電子と正孔を注入する電流注入型の２種類の方式が存在する。このうち、開発が先行しているのは光励起型であるが、デバイスの小型化や低コスト化という点では電流注入型の単一光子発生器の方が優れている。

電流注入型の単一光子発生装置に関しては、例えば非特許文献１などで報告されている。この単一光子発生装置では、InAs量子ドット層がn型GaAs層とp型GaAs層の間に挟まれた構造を有しており、n型層とp型層それぞれにオーミック電極が取り付けられている。そして、これらのオーミック電極間に電圧を印加することで、n型層から電子が、p型層から正孔がそれぞれ量子ドットに注入される。
また、電極の片方には、単一量子ドットから発せられた光子を取り出すための微小開口が形成されている。単一光子を生成するには単一量子ドットからの発光を利用する必要があるが、分子線エピタキシー(MBE)で成長した量子ドットの密度は通常1×10¹⁰（ｃｍ^−２）程度と比較的大きいため、対物レンズで集光しただけでは多くの量子ドットからの発光を拾ってしまい、単一光子を得ることはできない。このため非特許文献１では、電極の一部に開口を形成することで、一個の量子ドットからの発光のみが開口を通して取り出せるような構造を作製している。

ここで、この開口のサイズが大きい場合、開口内部に複数個の量子ドットが入ってしまうために単一光子を得ることができず、また、量子ドット以外のからのバックグラウンド光も増えるという２つの問題が生じる。このため、開口のサイズとしては通常直径１μｍからそれ以下のものが用いられる。このように、単一光子発生装置における表面の金属膜は、量子ドットにキャリアを注入するための電極であると同時に、単一の量子ドットを隔離するための遮光膜としての役割も果たしている。
以上が従来報告されている電流注入型単一光子発生装置の基本的な構造である。しかしながら、現状ではまだ改善すべき課題も残っている。その一つが、光子の取り出し効率の問題である。そもそも量子ドット光源は発光波長よりもサイズが小さいため、伝播光への変換効率が悪い。加えて、量子ドットによる単一光子発生は自然放出に基づくものであるため、光子は全ての方位角にランダムに放出される。このため、微小開口部以外の方向（例えば基板面に平行な方向）に放出された光子は、外部に有効に取り出すことができない。また、仮に微小開口部の方向に光子が放出されたとしても、開口サイズは光の波長以下、または波長と同程度であるため、その透過率は非常に小さな値になってしまう。

単一量子ドットからの光子を外部に効率よく取り出すための構造としては、いくつかの方式が試みられている。以下に代表的な例を示す。
非特許文献２には、マイクロピラー共振器中に量子ドットを埋め込んだ構造が示されている。ここでマイクロピラー共振器とは、発光体であるInAs量子ドットが、GaAsとAlAsの多層膜からなるDBRミラーに上下から挟まれ、かつ側部のドライエッチングにより、基板に垂直な柱状に切り出された構造を指している。このような構造では、柱を細く切り出すことで原理的には１個の量子ドットを隔離することができることに加え、上下方向の共振器効果および側壁での全反射により、量子ドットからの発光を上方向に効率よく取り出すことも可能である。しかしながら、細く不安定な柱状構造に電極を取り付けるのは難しく、電流注入方式には適していない。実際、これまでに報告されているマイクロピラー型単一光子発生装置はほとんどが光励起方式によるものである。

非特許文献３には、２次元フォトニック結晶の点欠陥中に量子ドットを埋め込んだ構造が示されている。この構造において、２次元フォトニック結晶部分は量子ドットの発光波長に対して禁制帯となっているため、点欠陥部分にのみ光が閉じ込められる微小共振器となっている。このような構造下では、量子ドットの横方向（基板面方向）への発光はバンドギャップ効果により強く抑制されるため、基板に垂直な方向に光子を効率よく取り出すことができる。しかしながら、フォトニック結晶共振器の場合も電極を取り付けることで共振器の性能が大幅に低下するため、電流注入方式には適していない。

非特許文献４では、DBRミラーと微小開口を組み合わせた構造により電流注入型単一光子発生装置が実現されている。量子ドットの下部にDBRミラーが配置されており、上部の空気−半導体界面との間に共振器が形成される。これにより、量子ドットからの光子を主に上方向に放出することが可能となる。この結果、非特許文献１の装置に比べて取り出し効率が向上するが、それでも最終的には微小開口における透過率が取り出し効率を制限すると考えられる。

上記の３つの文献は半導体共振器を利用した例であるが、最近になって金属微細構造を利用したデバイスも報告されている。非特許文献５では、量子ドットなどの点光源が、直径50〜100nmの銀のナノワイヤ近傍に配置された構造が採用されている。このような微細なナノワイヤにおける空気と銀の界面には高密度の表面プラズモンモードが立つため、点光源からの自然放出光はナノワイヤのプラズモンモードに優先的に結合し、最終的にはエヴァネッセント結合を通して誘電体導波路やファイバーへと取り出すことができる。また非特許文献６には、このようなプラズモン効果を利用した開口を面発光レーザー(VCSEL)に応用した例が報告されている。しかしこの文献で報告された構造は、発光材料として横方向に大きな広がりを持つ量子井戸を用いており、加えて量子井戸と開口の間の距離は波長よりもはるかに大きい。
また非特許文献７では、アルミニウムによる微小アンテナ構造により量子ドットからの光の取り出しが向上することが示されている。しかしながら、いずれの文献においても、量子ドットへの電流注入を行う構造や、他の発光体からの背景光を遮るような構造は示されていない。
以上のように、量子ドットへの電流注入構造と、十分な光子取り出し効率の両方を兼ね備えたデバイスは実現されていない。

Z. Yuan et al., "Electrically Driven Single-Photon Source", Science Vol. 295, pp. 102-105 (2002) M. Pelton et al., "Efficient Source of Single Photons: A Single Quantum Dot in a Micropost Microcavity ", Phys. Rev. Lett. Vol. 89, 233602 (2002) D. G. Gevaux et al., "Enhancement and suppression of spontaneous emission by temperature tuning InAs quantum dots to photonic crystal cavities", Appl. Phys. Lett. 88, 131101 (2006) A. J. Bennett et al., "Microcavity single-photon-emitting diode", Appl. Phys. Lett. 86, 181102 (2005) D. E. Chang et al., "Quantum Optics with Surface Plasmons", Phys. Rev. Lett. 97, 053002 (2006) J. Hashizume et al., "Plasmon-enhancement of optical near-field of metal nanoaperture surface-emitting laser", Appl. Phys. Lett 84, 3226 (2004) J. N. Farahani et al., "Single Quantum Dot Coupled to a Scanning Optical Antenna : A Tunable Superemitter", Phys. Rev. Lett. 95, 017402 (2005)

半導体量子ドットを用いた電流注入型単一光子発生装置は、潜在的にはコンパクトで低コストなデバイスの実現が期待されているが、現状では以下のような課題が残っている。
自己形成型量子ドットにおいて単一量子ドットからの光のみを取り出すために、電極上に直径1μｍからそれ以下の微小開口が作製されているが、量子ドットからの光子はあらゆる方向にランダムに放出されることに加え、微小開口部分の透過率が小さいため、光子の取り出し効率が低い。
また、電流注入型の装置では、電極から注入されたキャリアが半導体中の不純物や欠陥にトラップされて光るため、量子ドット以外からのバックグラウンド光が大きくなる。これは、光子レベルの微弱光による通信では大きな問題となる。また、このような不純物起因のバックグラウンド光の問題は、開口サイズを大きくするほどより深刻になるため、光子の取り出し効率とトレードオフの関係にある。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、電流注入型単一光子発生装置において光子取り出し効率を十分な値に向上させることであり、第２に、バックグラウンド光の影響を十分に低減させることである。

上述の目的を達成するため、本発明によれば、微小発光部を含む発光層と、前記発光層の第１の主面側に形成された第１の半導体層と、前記発光層の第２の主面側に形成された第２の半導体層と、前記第１の半導体層と接合を形成する第１の金属電極と、前記第２の半導体層の前記発光層と反対側の表面に設置された、前記第２の半導体層と接合を形成する、前記微小発光部上に開口を有する第２の金属電極と、を備え、前記開口は、開口の周縁部から開口内部に張り出す少なくとも１つの金属突起が設けられている突起付開口であって、該突起付開口の形状およびサイズは前記微小発光部が発生する光子の取り出し効率を高めるように設定されていることを特徴とする光子発生装置、が提供される。

そして、好ましくは、前記微小発光部のサイズが発光波長よりも小さい。また、好ましくは、前記微小発光部として、量子ドットを用いる。また、好ましくは、前記微小発光部の発光波長をλ、前記第２の半導体層の屈折率をｎとしたとき、前記発光層の前記第２の金属電極の下面からの距離ｄが、ｄ＜λ／２ｎを満たす。そして、一層好ましくは、ｄは、λ／２０ｎ＜ｄ＜λ／５ｎを満たす。
また、好ましくは、前記第２の金属電極の、前記微小発光部側とは反対側の表面には、前記突起付開口を中心として複数の凸部が周期的に形成されている。すなわち、前記第２の金属電極の表面にはグレーティングが形成されている。
また、好ましくは、前記突起付開口において、開口内部に張り出す前記金属突起の先端が尖っている。これにより、金属突起先端に形成されるギャップにおいて、アンテナモードがより励起されやすくなり、光取り出し効率のさらなる増大が可能となる。
また、好ましくは、前記第２の金属電極の前記微小発光部側の表面には、対をなす前記金属突起同士の対向側の先端部に、前記金属突起の先端部に沿って前記第２の半導体層に埋め込まれた埋め込み金属突起が形成されている。
また、好ましくは、前記第１または第２の半導体層の少なくとも一方の層内には、前記微小発光部上または下に開口を有する酸化膜が形成されている。
また、好ましくは、前記第１の半導体層の前記第１の金属電極と接する部分は、ｎ型とｐ型のいずれか一方であり、前記第２の半導体層の前記第２の金属電極側の部分は、ｎ型とｐ型のいずれか他方である。この場合、前記第１、第２の金属電極はそれぞれ前記第１、第２の半導体層にオーミックに接触している。
また、好ましくは、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の内一方はi型で、他方はp型またはｎ型である。この場合、この場合、二つの金属電極の内、一方の金属電極は半導体層とオーミックに接触し、他方はi型の半導体層とショットキー接合を形成している。
また、好ましくは、前記第１または第２の半導体層の少なくとも一方が屈折率の異なる２種類の半導体を交互に積層した構造を有している。

[作用]
本発明の光子発生装置によれば、量子ドット上の金属電極に所定の間隔のギャップを有する突起付開口が形成されている。このような突起付開口では、空間的に限られた範囲で電磁場モードが増強される結果、量子ドットから放出される光子の透過率が増大し、光子を効率よく外部に取り出すことができる。
特に、量子ドット層の、前記第２の金属電極の下面からの深さｄが、λ／２０ｎ＜ｄ＜λ／５ｎを満たすときに、より高い効率で光子を取り出すことができる。
また、本発明の光子発生装置において、前記第２の金属電極には、前記突起付開口を中心として周期的に凸部が形成されている。これによりグレーティングが形成され、光子発生装置から発生する光子を、高い指向性を持って自由空間に放出させることができ、ファイバーなどへの結合効率を向上させることができる。
また、本発明の別の実施形態によれば、前記金属突起の対向側先端部には、前記第２の半導体層に埋め込まれた埋め込み金属突起が形成されている。これにより、量子ドットから発生する光をより強く突起付開口に結合させ、光子の取り出し効率を向上さることができる。
さらに、本発明の別の実施形態によれば、前記第２の半導体層の層内には、前記量子ドット上に開口を有する酸化膜が形成されている。これにより、量子ドットから発生する光をより強く突起付開口に結合させ、光子の取り出し効率を一層向上させることができる。また、注入電流を量子ドット近傍に限定することができ、高効率化を実現することができる。
また、本発明の光子発生装置において、前記第１、第２の半導体層の金属電極側は、一方がｐ型で、他方がｎ型である。従って、前記１対の金属電極間に電圧を印加することで、ｐ型層から正孔を、ｎ型層から電子を量子ドットに注入することができ、電流注入による光子の発生が実現される。
また、本発明の別の実施形態によれば、前記第１、第２の半導体層の内、一方がi型で、他方がp型またはｎ型である。これにより、量子ドット内に正または負の電荷を持つ荷電励起子と呼ばれる状態を光励起し、発光させることできる。これにより、発光レートを向上させることができる。
また、本発明の別の実施形態によれば、前記第１の半導体層内に屈折率の異なる２種類の半導体を交互に積層した構造を有している。これにより、量子ドットの周りに実効的なファブリペロー共振器が形成されるため、量子ドットから発せられる光は突起付開口により強く結合し、光子の取り出し効率をさらに向上させることができる。

第１の効果は、突起付開口におけるアンテナ効果により、量子ドットからの光子の取り出し・収集効率を向上できる点である。また、第２の効果として、突起付開口中心付近の限られた空間から選択的に光を取り出すために、不純物起因のバックグラウンド光を低減できる点が挙げられる。

本発明の第１の実施形態である単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第１の実施形態である単一光子発生装置における増強された電磁場モード分布を示す図。 本発明の第１の実施形態である単一光子発生装置の動作を説明する図。 本発明の第１の実施形態である単一光子発生装置の実施例を示す図。 本発明の第２の実施形態である単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第３の実施形態である単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第４の実施形態である単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第５の実施形態である偏光無依存な単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第６の実施形態である単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第７の実施形態である単一光子発生装置の構造を示す上面図と断面図。 本発明の第７の実施形態である単一光子発生装置の動作を説明する図。 本発明における突起付開口の異なる形態を示す図。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の単一光子発生装置の第１の実施形態を示す上面図と断面図であり、図１（ｃ）、（ｄ）はその部分拡大図である。本実施形態の光子発生装置において、量子ドット層１、i型半導体層２、３を含む活性層６が、ｐ型半導体層４とｎ型半導体層５の間に挟まれて形成されており、p-i-n構造が構成されている。ｐ型半導体層４とｎ型半導体層５には、それぞれオーミック電極１１、１０が取り付けられており、p-i-n構造に電圧を印加することができるようになっている。
ｐ型半導体層４と接触するオーミック電極１１には、量子ドット層１から光子を取り出すための突起付開口９が形成されている。ここで突起付開口９は通常の円形開口と異なり、開口の周縁部から中心部へと金属突起１２、１３が張り出した構造を有している。そして、この金属突起１２、１３間のギャップの直下に量子ドット７が位置している。

ここで、開口径やギャップ幅などのパラメータを適切に設計することで、金属突起１２と１３の間のダイポール結合により、図２に示すようにギャップにおいて、金属突起の突起方向に平行な偏光成分をもつ特定波長の電磁場モード（アンテナモード）が増強される。そして、このアンテナモードを介して、直下にある量子ドットからの光取り出し効率を増大することができる。以後簡単のため、これをアンテナ効果と呼ぶことにする。
突起付開口９においてアンテナ効果が生じる共鳴波長は開口径aとギャップ幅wの関数であるため、aとwという２つの自由度を調整することで、共鳴波長を量子ドットの発光波長に合わせる。ただし、ギャップ幅wが大きすぎる場合、２つのダイポールは結合せず、十分なアンテナ効果を得ることができない。そこで、ギャップ幅wが量子ドットのサイズsよりも大きく、かつ量子ドットの発光波長λよりも十分小さくなるように突起付開口９を設計する。ここでは、s＜w＜λ/5nとする。

また、オーミック電極１１の下面からの量子ドット層１の深さd（すなわち、i型半導体層２とｐ型半導体層４の厚さの和）も重要なパラメータとなる。量子ドット７からの光を突起付開口９の電磁場モードに結合させるためには、深さdは少なくともd＜λ/2nである必要がある。ここでnはｉ型半導体層２とｐ型半導体層４の屈折率を表す。
深さdを小さくするほど結合はより強くなる。ただし、あまりdが小さすぎると、金属への非輻射緩和のために量子ドットが光らなくなることが文献（D. E. Chang et al., Phys. Rev. Lett. 97, 053002）より知られている。従って、光子の取り出し効率を最適化するにはλ/20n＜d＜λ/5nであることが望ましい。
なお、量子ドット層１において量子ドット７が埋め込まれている位置（水平位置）については、図１（ｂ）に示しているように、金属突起１２と１３の間のギャップ内に収まっている場合が光取り出し効率の点から最も好ましい。分子線エピタキシー装置（ＭＢＥ）で成長する自己形成型量子ドットの場合、量子ドットが形成される水平位置は通常ランダムになるが、走査型プローブ顕微鏡などの技術を応用することで量子ドット成長位置の制御が可能となる。例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のカンチレバー型プローブを用いて量子ドット成長の核となる種をパターニングすることで、任意の位置に自己形成型量子ドットを成長させる方法が知られている(S. Ohkouchi, et al., Journal of Crystal Growth 311, 1819 (2009))。この技術を用いれば、最初にプローブで指定した位置に量子ドット７を成長させ、その後、その位置を中心として突起付開口９を形成することにより、アンテナ効果が最大となる位置に量子ドット７を配置することができる。

オーミック電極１１上の突起付開口９の周りには、凹凸構造が同心円状に周期的に並んだグレーティング１４が形成されている。このような凹凸構造はbull's eye構造と呼ばれ、光子が自由空間に放出される際の指向性を高める効果を持っている。
なお、本実施形態において、オーミック電極１１および金属突起１２、１３の材料としては、可視光〜近赤外光領域において光学損失が比較的小さくかつ表面プラズモンを誘起することが可能な金、銀、アルミニウム、銅などを用いる。このように本発明では、従来の面発光レーザーなどの場合と異なり、発光波長よりも小さな微小光源を金属突起間ギャップの直下に配置することで、光源からの光を突起付開口のアンテナモードに直接結合させている。このような「ナノスケール光源から光を効率的に取り出すためのアンテナ」として機能が本発明の特徴である。

次に、図３を用いて本実施形態の単一光子発生装置の動作を説明する。最初に、オーミック電極１０、１１間に電圧を印加することにより、ｐ型半導体層４から正孔を、ｎ型半導体層５から電子をそれぞれ量子ドット７に注入する〔図３（ａ）〕。これにより、量子ドット７中には電子と正孔のペアである励起子が生成される。量子ドット中に生成された励起子はやがて電子と正孔の再結合により光子を１個放出するが、このときアンテナ効果により、放出される光子は突起付開口９の金属突起１２、１３間ギャップに立つ電磁場モードに優先的に結合する〔図３（ｂ）〕。突起付開口９に結合した光子８は、ギャップ間を下から上へと伝播し、最終的には図面上方向の自由空間へと放出される。以上の過程により、同じサイズの通常の円形開口を用いた場合に比べ、突起付開口を用いた本発明では光子の透過率を大きく向上させることができる。

突起付開口９を透過した光子は、グレーティング１４の効果により、図面上方へと高い指向性をもって放出される。これにより、単一光子発生装置から取り出した光子をファイバーなどへ結合する際の効率を高めることができる。
ここまで述べたように、量子ドットからの光子の取り出し・収集効率を向上できる点が本発明の最大の利点であるが、もう一つの利点としてバックグラウンド光低減の効果が挙げられる。これまで報告されている電流注入型単一光子発生装置では、光励起型の装置に比べてバックグラウンド光がより強く観測されていた。これは、ｐ型層やｎ型層から流れるキャリアが半導体中の不純物を通して光るためと考えられる。本発明の単一光子発生装置では、開口中心の真下に位置する発光体からの光のみが突起付開口９を透過するため、従来装置に比べて不純物起因のバックグラウンド光を大きく低減することができる。
次に、第１の実施形態の実施例を、図４を参照して説明する。

図４（ｂ）は、実施例１のデバイス構造を示す上面図であり、図４（ａ）は、その主要部の拡大図、図４（ｃ）は主要部の断面図である。実施例１では、量子ドット７として、分子線エピタキシー（MBE）によりn-GaAs基板上に成長された直径20nmの自己形成型InGaAs/GaAs量子ドット（InGaAs量子ドットがi-GaAsバリア層に埋め込まれた構造）を用いる。また、ｐ型半導体層４としてはZnなどをドープしたp-GaAs、ｎ型半導体層５としてはＳｉなどをドープしたn-GaAsを用いる。ここでは各層の厚さとして、p-GaAs層４を20nm、i-GaAs層２、３をそれぞれ30nmとした。このように成長されたInGaAs/GaAs量子ドットは一般に１μｍ弱の波長で発光することが知られている。

このような量子ドット基板を、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより５０×５０μｍ程度のメサ構造に切り出した後、蒸着、リフトオフ法を用いてオーミック電極を作製する。電子線リソグラフィによってパターニングされたレジスト膜を設けた後、n型層へはAuGe/Ni/Au、p型層へはAuZn/Auを蒸着し、リフトオフ後400℃程度でアニールすることによりオーミック接触を取る。これにより、突起付開口９を持つオーミック電極１１が形成され、図４（ａ）〜（ｃ）に示す素子構造が作製される。ここで突起付開口９のパラメータとして、膜厚100nm、開口径を200nm、金属突起１２、１３の幅を100nm、金属突起１２、１３間のギャップを80nmとした。さらに突起付開口９の外側のグレーティング１４として、420nm周期、深さ100nmの凹凸構造を作製している。
なお、以上説明した電極構造自体は集束イオンビーム法（ＦＩＢ）によっても作製することが可能であるが、突起付開口の直下に量子ドットが存在するため、プロセス時にダメージを与えてしまう。このため、本発明の単一光子発生装置の場合、リフトオフ法による作製が望ましい。

設計した光子発生装置の性能を理論的に予測するために、量子ドットの位置に点光源を置いた場合に突起付き開口９を通して光子が外部に取り出される効率をシミュレーションにより調べた。点光源の発光波長依存性を計算した結果を図４(d)に示す。実線が突起付開口、点線が同じ面積を有する単純円形開口にそれぞれ対応している。設計した突起付開口では、波長980nmを中心に約100nmの波長範囲においてアンテナ効果による透過率増大が見られており、同面積の円形開口と比べて最大185倍まで光子の取り出し効率を向上することができる。また、比較的広い波長範囲で動作する点も本発明の突起付開口の特徴で、発光エネルギーのばらつきの大きい自己形成型量子ドットと組み合わせる上では大変都合がよい。

（第２の実施形態）
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の単一光子発生装置の第２の実施形態を示す上面図と断面図である。図５において、第１の実施形態を示す図１の部分と対応する部位には、同一の参照符号を付し重複する説明は適宜省略する〔これ以降の第３〜第７の実施形態（図６〜図１０）についても同様である〕。本実施形態では、図１に示される第１の実施形態の基本構成において、突起付開口９の金属突起として、先端部分の尖った金属突起１２、１３を採用している。
このように、金属突起１２、１３の先端を尖らせることで、その間のギャップにおいてアンテナモードがより励起されやすくなり、光取り出し効率のさらなる増大が可能となる。

（第３の実施形態）
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の単一光子発生装置の第３の実施形態を示す上面図と断面図である。本実施形態では、図１に示される第１の実施形態の基本構成に加え、突起付開口９の金属突起１２、１３の先端部の直下に、埋め込み金属突起１６、１７が付加されている。
埋め込み金属突起１６、１７の材料としては金属突起１２、１３と同様に可視光〜近赤外光領域において光学損失が比較的小さい金、銀、アルミニウム、銅などを用いる。このような埋め込み金属突起１６、１７が付加された電極構造は、電子線リソグラフィとドライエッチングによりp型半導体層４に窪みを形成し、その上から金属を蒸着することにより作製することができる。
埋め込み金属突起１６、１７は、量子ドット層の埋め込み深さｄに対し、d/2＜h＜d程度の深さhまで埋め込む。すなわち、量子ドット層の深さをd=50nmとした場合、金属突埋め込み金属突起１６、１７の深さはh=30nm程度とする。これにより、量子ドットが感じるアンテナ効果をさらに強めると同時に、量子ドットから発せられる光子が基板面方向（図面横方向）に逃げるのを防ぐことができる。

（第４の実施形態）
図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の単一光子発生装置の第４の実施形態を示す上面図と断面図である。本実施形態では、図１に示される第１の実施形態の基本構成に加え、活性層６とオーミック電極１１との間に、突起付開口９の下に開口を有する酸化膜１８が付加されている。このような酸化膜１８は、活性層６上に、例えばGaAs層、AlGaAs層、 GaAs層を成長させ、メサ構造に切り出した後水蒸気雰囲気下で400℃程度まで加熱し、AlGaAsを側面からAl₂O₃にウェット酸化させることにより作製することができる。
酸化膜１８の下面のオーミック電極１１からの深さDが、量子ドット層の埋め込み深さｄに対し、d/2＜D＜dを満たす程度の深さに酸化膜１８を埋め込む。すなわち、量子ドット層の深さをd=50nmとした場合、酸化膜開口１８の深さはD=30nm程度とする。
このような開口を有する酸化膜１８の効果は２つある。１点目は、光のモードを横方向に閉じ込めることができる点である。これにより、量子ドット７からの光を突起付開口９により強く結合させることができる。２点目は、酸化膜１８が電流阻止膜として働くため、量子ドット７を中心とする開口内にだけ電流を流すことができる点である。これにより、高効率な電流注入型光子発生が可能となる。なお、この酸化膜１８は、活性層の両側もしくは下側に付加することもできる。

（第５の実施形態）
図８に、本発明の第５の実施形態である偏光無依存な突起付開口を用いた単一光子発生装置を示す。図８（ａ）、（ｂ）は、その上面図と断面図である。第１〜第４の実施形態にて用いた一対の金属突起を有する突起付開口では、金属突起の突起方向に平行な偏光（以下、水平偏光と呼ぶ）を持つ光子に関しては取り出し効率を向上することができたが、逆に金属突起の突起方向に垂直（金属突起先端部の辺と平行）な偏光（以下、垂直偏光）の光子に関してはアンテナ効果が働かないため、ほとんど外部に取り出すことができない。すなわち、第１の実施形態などに示したデバイスは常に決まった直線偏光の光のみを取り出す単一光子発生装置となっている。しかし、光子の偏光状態を利用した量子情報処理を行う場合、あらゆる偏光の光子を一様に透過させる偏光無依存な構造が求められる。

図８に示す突起付開口は、そのような偏光無依存構造の一例である。第１の実施形態（図１）で示した左右の金属突起１２、１３に加え、新たに上下の金属突起２２、２３が付け加えられている。このような二対の金属突起を用いた場合、これらの突起に囲まれた開口の中心部において電磁場モードが増強される。
特に、４本の金属突起を全て同じ長さ、同じ幅で設計した場合、開口の中心部では水平偏光と垂直偏光の電磁場モードがそれぞれ全く同様に増強される〔図８（ｃ）〕。全ての偏光は水平偏光と垂直偏光の和と考えられるので、これはあらゆる偏光成分に対してアンテナ効果が機能することを意味する。従って、開口中心の直下に量子ドットをおいた場合、全ての偏光の光子を同様に外部に効率よく取り出す偏光無依存な単一光子発生装置が実現される。

（第６の実施形態）
図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の単一光子発生装置の第６の実施形態を示す上面図と断面図である。基本的な構成は図１に示した第１の実施形態と共通で、量子ドットをp-i-n構造に埋め込み、電子と正孔を量子ドットへ電気的に注入することで単一光子を発生させる。但し、本実施形態では、n型半導体層５の代わりに、n型DBR構造（１５）が用いられている。この構造は、量子ドット７から発せられる波長の光に対してミラーとして働き、このn型DBRミラー１５と、ｐ型半導体層４の上端との間で共振器（ファブリペロー共振器）が形成される。これにより、量子ドット７からの発せられる光子は、より優先的に突起付開口９における電磁場モードに放出されるようになり、さらに突起付開口９と反対方向に発せられた光子も、DBRミラー１５で反射し、突起付開口９での透過光に寄与する。このように、n型DBRミラー１５を用いることで光子の取り出し効率をさらに向上させることができる。
例えば、量子ドット７としてInGaAs/GaAs量子ドットを用いた場合、n型DBRミラー１５としてはGaAsとAlAsを交互に１０〜２０層ほど積み重ねた超格子構造を用いることができる。なお、このDBRミラーは、活性層６の上側もしくは両側に設けることもできる。

（第７の実施形態）
ここまでの実施形態では、電流注入型単一光子発生装置について説明してきたが、本発明の構造は光励起型単一光子発生装置に利用することもできる。図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第７の実施形態であるショットキーダイオード型単一光子発生装置の上面図と断面図である。
本実施形態の光子発生装置では、量子ドット層１は、i型半導体層３/n型半導体層５とi型半導体層２４に挟まれており、ｎ型半導体層５にはオーミック電極１０が、i型半導体層２４にはショットキー電極２１がそれぞれ取り付けられている。すなわち本実施形態は、量子ドット７がn-iショットキーダイオード内部に埋め込まれた構造を有している。また、突起付開口９は、第６の実施形態で示した二対の金属突起を有する構造を用いている。従って、あらゆる偏光の光子を同様に取り出すことができる。

量子ドット７からの光を突起付開口９に結合するために、上部のi型半導体層２４の厚みは50nm程度とする。また、下部のi型半導体層３の厚みは30nm程度とする。また、開口の直下に位置する量子ドット７に電場を効率的に印加するために、i型半導体層２４とショットキー電極２１との間に透明電極層２５が形成されている。透明電極層２５としては例えば厚さ5nmのTiを用いる。また、ITO(Indium tin oxide)などを用いてもよい。
この場合、量子ドット７に正孔を電気的に注入することはできないが、n型半導体層５からの電子の注入は可能である。従って、電圧制御により電子の電気的注入と、光励起による電子・正孔対の生成を組み合わせることで、負に帯電した荷電励起子と呼ばれる状態を量子ドット中に生成し、発光させることができる。

図１１を用いて本実施形態に係るショットキーダイオード型単一光子発生装置の動作を具体的に説明する。最初にオーミック電極１０とショットキー電極２１の間に適切なバイアス電圧を印加することで、n型半導体層５から量子ドット７に電子を１個電気的に注入する〔図１１（ａ）〕。この状態で、光励起によりさらに電子と正孔のペアを量子ドット７内に励起する。これにより、量子ドット７内には電子２個と正孔１個からなる負の荷電励起子状態が生成される〔図１１（ｂ）〕。この荷電励起子が発光する際に、光子が１個放出される〔図１１（ｃ）〕。この光子は、突起付開口９を通して効率よく外部に取り出すことができる。
このような荷電励起子発光を利用した単一光子発生装置の利点は２点挙げられる。１点目は、ピークの分裂のない理想的な単一光子発生装置が実現できる点である。中性励起子では電子スピンと正孔スピンの間の交換相互作用のために、偏光によって微細相互分裂と呼ばれるエネルギー差が生じてしまうのに対し、２つの電子スピンがペアを組む荷電励起子ではこのような分裂が生じない。２点目は、中性励起子と異なり、荷電励起子には暗状態と呼ばれる発光しないスピン状態が存在しないため、最終的な発光レートを上げることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、本発明は、これら実施形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内での各種の変更が可能なものである。例えば、突起付開口の形状については、図１２（ａ）のような円形開口から２本の突起が張り出したものに限られない。開口形状については必ずしも円形である必要はなく、図１２（ｂ）のように正方形開口から２本の突起が張り出した構造を代わりに用いてもよい。また、図１２（ｃ）に示すように、突起が１本だけのものでも、突起先端と開口の端との間で同様のアンテナ効果の発現が可能である。ただし、突起が１本のものに比べると、２本を向かい合わせた方がアンテナモードが誘起されやすくなるため、高効率光取り出しには２本の突起を用いた形状がより好ましい。
また、量子ドットや半導体層の半導体材料はInGaAsやGaAsに限定されない。また、p型半導体層とｎ型半導体層との導電型は入れ替えてもよい。また、光励起型の光子発生装置において注入されるキャリアは、電子、正孔のいずれであってもよい。また、光励起型の光子発生装置において、量子ドットにキャリアを注入する半導体層は、量子ドット層の上層側、下層側のいずれの半導体層であってもよい。また、量子ドットは自己形成型に限定されない。また、実施の形態では、グレーティング１４は、凸形状に形成されていたが、オーミック電極１１やショットキー電極２１にエッチングを行うなどして凹形状に形成してもよい。また、グレーティング１４は電極と同じ材料を用いて形成しなくてもよい。また、以上では光源として主に量子ドットを用いる実施形態について説明してきたが、光子を発生する他の微小発光体に置き換えることもできる。例えば半導体中のドナー（またはアクセプタ）不純物や、ナノ結晶、ダイヤモンド中の窒素空孔などが候補として上げられる。また、開口内部に張り出す金属突起は、必ずしも平面的に形成されている必要はなく、例えば先端に向かってせりあがるような三次元的構造に形成されたものであってもよい。さらに、各実施形態を組み合わせたものも本発明に含まれる。

１ 量子ドット層
２、３ i型半導体層
４ p型半導体層
５ n型半導体層
６ 活性層
７ 量子ドット
８ 光子
９ 突起付開口
１０、１１ オーミック電極
１２、１３、２２、２３ 金属突起
１４ グレーティング
１５ n型ＤＢＲミラー
１６、１７ 埋め込み金属突起
１８ 酸化膜
２１ ショットキー電極
２４ i型半導体層
２５ 透明電極層

Claims (14)

1. 微小発光部を含む発光層と、前記発光層の第１の主面側に形成された第１の半導体層と、前記発光層の第２の主面側に形成された第２の半導体層と、前記第１の半導体層と接合を形成する第１の金属電極と、前記第２の半導体層の前記発光層と反対側の表面に設置された、前記第２の半導体層と接合を形成する、前記微小発光部上に開口を有する第２の金属電極と、を備え、前記開口は、開口の周縁部から開口内部に張り出す少なくとも１つの金属突起が設けられている突起付開口であって、該突起付開口の形状およびサイズは前記微小発光部が発生する光子の取り出し効率を高めるように設定されていることを特徴とする光子発生装置。
2. 前記微小発光部のサイズが発光波長よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光子発生装置。
3. 前記微小発光部として、量子ドットを用いることを特徴とする請求項２に記載の光子発生装置。
4. 前記微小発光部の発光波長をλ、前記第２の半導体層の屈折率をｎとしたとき、前記発光層の前記第２の金属電極の下面からの距離ｄが、ｄ＜λ／２ｎを満たすことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光子発生装置。
5. 前記微小発光部の発光波長をλ、第２の半導体層の屈折率をｎとしたとき、前記発光層の前記第２の金属電極の下面からの距離ｄが、λ／２０ｎ＜ｄ＜λ／５ｎを満たすことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光子発生装置。
6. 前記微小発光部の発光波長をλ、前記微小発光部のサイズをｓ、前記金属突起の先端に形成されるギャップをｗとして、ｓ＜ｗ＜λ／５ｎを満たすことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光子発生装置。
7. 前記第２の金属電極の、前記微小発光部側とは反対側の表面には、前記突起付開口を中心として複数の凸部または凹部が周期的に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の光子発生装置。
8. 前記第２の金属電極は、表面プラズモンを誘起することが可能な材料により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の光子発生装置。
9. 前記微小発光部が、前記突起付開口により電磁場モードが強められる位置またはその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の光子発生装置。
10. 前記突起付開口において、開口内部に張り出す前記金属突起の先端が尖っていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の光子発生装置。
11. 前記開口内部に張り出す前記金属突起は、対をなして形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光子発生装置。
12. 前記第２の金属電極の前記微小発光部側の表面には、前記金属突起の内側先端部に、前記金属突起の先端部に沿って前記第２の半導体層に埋め込まれた埋め込み金属突起が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の光子発生装置。
13. 前記第１または第２の半導体層の少なくとも一方の層内には、前記微小発光部上または下に開口を有する酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載の光子発生装置。
14. 前記第１または第２の半導体層の少なくとも一方が屈折率の異なる２種類の半導体を交互に積層した構造を有していることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の光子発生装置。

Images