JP6272818B2 - 光デバイスおよび光デバイス製造方法 - Google Patents

Description

ここに記述された実施形態は光デバイスに関連し、例えば量子光回路のための量子光源および導波路のような量子工学の分野におけるデバイス、およびこれらのデバイスの製造方法に関する。

本出願は、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１５年２月１２日に出願された英国特許出願番号１５０２３４０．１号に基づいて優先権の利益を主張する。

量子光学アプリケーションは、量子暗号、量子コンピューティングおよび他のフォトニック系技術を含む。量子光デバイスは、光子生成が起こる第１セクションと、光子操作が起こる第２セクションと、光子検出が起こる第３セクションを含むだろう。集積光学回路は、セクション間で光子を輸送（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）するための手段を有する単一の光学チップでの複数のセクションを具備する。より低いコストで、簡略化された集積光学回路を生産することが継続して必要である。

制限されない実施形態に従うデバイスおよび方法は、添付図を参照してここに記述される。
図１は、実施形態に従う光デバイスの概略図である。 図２は、実施形態に従う光デバイスを製造する方法のフローチャートである。 図３（ａ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｂ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｃ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｄ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｅ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｆ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｇ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｈ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｉ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｊ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｋ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図３（ｌ）は、実施形態に従うデバイスの製作における作成段階の概略図である。 図４は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成する単一方向性Ｗ１フォトニック結晶スラブの概略図である。 図５（ａ）は、図４に示されるフォトニック結晶スラブと同じ概略図であり、図５（ｂ）から図５（ｅ）および図６（ａ）から図６（ｃ）に示されるスラブの断面に沿ったラインを示す。 図５（ｂ）は、図５（ａ）のラインＢ：Ｂを通るフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図５（ｃ）は、図５（ａ）のラインＣ：Ｃを通るフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図５（ｄ）は、図５（ａ）のラインＤ：Ｄを通るフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図５（ｅ）は、図５（ａ）のラインＥ：Ｅを通るフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図６（ａ）は、図５（ａ）のラインＣ：Ｃを通る、図１に示されるデバイスのＩＴＯ層および流動可能酸化物（ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ）の一部およびフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図６（ｂ）は、図５（ａ）のラインＤ：Ｄを通る、図１に示されるデバイスのＩＴＯ層および流動可能酸化物の一部およびフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図６（ｃ）は、図５（ａ）のラインＥ：Ｅを通る、図１に示されるデバイスのＩＴＯ層および流動可能酸化物の一部およびフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。 図６（ｄ）は、ＩＴＯの局所領域を有する流動可能酸化物を通り、ｘｙ平面を通る図１に示されるデバイスの断面図の概略図である。 図７は、格子定数およびホール半径が示される六方格子配置を備えるフォトニック結晶構造の一部の概略図である。 図８は、デバイスの層の平面に沿って単一光子をガイドするＷ１フォトニック結晶導波路の概略図である。 図９は、ＧａＡｓを含み、屈折率ｎ＝１．５を備える周囲材料（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）を有するフォトニック結晶導波路スラブのフォトニックバンド構造を示す。 図１０は、実施形態に従う光デバイスの概略図であり、デバイスは、ｐ型ＧａＡｓの層がＧａＡｓスラブの表面に重なって接する。 図１１は、犠牲層が除去された空間およびスラブにおける円筒状領域を空気が満たす実施形態に従う光デバイスの概略図である。 図１２は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成する、平方格子配置を備える単一方向Ｗ１フォトニック結晶導波路スラブの概略図である。 図１３は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成する、キャビティ領域および導波路領域を分離する２つのホールを有するＬ３導波路フォトニック結晶構造の概略図である。 図１４は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成する、マッハツェンダー干渉計構造を有するフォトニック結晶スラブの概略図である。 図１５は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成する、平面外光照射に関するフォトニック結晶Ｌ３キャビティを含むフォトニック結晶スラブの概略図である。

一実施形態によれば、フォトニック結晶構造と、電極とを具備する光デバイスであって、前記フォトニック結晶構造は、第１材料の層と、前記第１材料の前記層における第２材料の複数の領域とを具備し、前記層は、量子エミッタを含み、前記領域は、欠陥が形成されるように正則格子から欠落する少なくとも一領域を有する当該正則格子に配置され、前記量子エミッタは、フォトニック結晶構造の欠陥部分に位置し、前記第２材料は、前記第１材料と異なる屈折率を有し、前記電極は、前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分にのみ電気的に接続される光デバイスが提供される。

１以上の量子エミッタであってもよい。量子エミッタは、量子ドットでもよい。一実施形態では、第１材料の層は、低密度量子ドットの層を含む。

フォトニック結晶構造は、第１材料の層内の第２材料の領域の正則格子である。第２材料の少なくとも一領域が欠落している格子中の欠陥が存在する。

フォトニック結晶構造の欠陥部分におけるキャリア注入は、量子エミッタを電気的励起させ、光子の放出に至る。デバイスは単一光子を放射するように構成されてもよい。デバイスはエンタングルした光子対を放射するように構成されてもよい。

一実施形態では、フォトニックバンドギャップが量子エミッタから放射された光の波長をカバーするように、フォトニック結晶構造が構成される。

一実施形態では、前記フォトニック結晶構造の上に重なって接する電気絶縁材料の層がある。前記電気絶縁材料の前記層における第３材料の領域は、前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分にのみ上に重なって接する。前記第３材料は導電性を有し、前記電極は前記第３材料を介して前記欠陥部分に電気的に接触される。電気絶縁層は、前記第３材料に接する前記フォトニック結晶構造の部分を除いて、電極から前記フォトニック結晶構造を絶縁する。

一実施形態では、第３材料の領域は、量子エミッタの位置に重なる。

一実施形態では、近赤外領域で動作するデバイスに関して、第３材料の下に重なって接するフォトニック結晶構造の幅は、５００ｎｍ未満である。一実施形態では、第３材料の下に重なってフォトニック結晶構造の幅は、１μｍ未満である。一実施形態では、近赤外領域で動作するデバイスに関して、第３材料の下に重なって接するフォトニック結晶構造の表面積は、５００ｎｍ^２未満である。一実施形態では、第３材料の下に重なって接するフォトニック結晶構造の表面積は、１μｍ^２未満である。

一実施形態では、第３材料と同じである材料を含む層は、電気絶縁材料および前記第３材料の領域の上に重なって接する。一実施形態では、電極はこの層に接する。

一実施形態では、 前記電気絶縁材料は、前記第２材料と同じである。一実施形態では、前記第２材料は、１．６未満の屈折率を有する。一実施形態では、前記第２材料は、電気ビームレジストとして用いるのに適する。一実施形態では、前記第２材料は、第１材料よりも低い屈折率を有する。

一実施形態では、前記第２材料は、水素シルセスキオキサンである。

一実施形態では、前記フォトニック結晶構造は、前記第１材料よりも低い屈折率を有する材料の上に重なって接する。一実施形態では、フォトニック結晶構造は、第２材料と同じである材料を含む層の上に重なって接する。

一実施形態では、フォトニック結晶構造の下に重なって接し、フォトニック結晶構造の上に重なって接し、および前記複数の複数の領域の上および下の層に前記フォトニック結晶構造中に広がる第２材料と同じである材料を含む層がある。

別の実施形態では、第２材料は空気である。フォトニック結晶構造より下の領域も空気で満たされてもよい。

一実施形態では、第２材料の複数の領域が円筒状であり、円筒の高さは層の積層方向である。

一実施形態では、格子は六方格子である。一実施形態では、格子は平方格子である。

一実施形態では、前記電極は、ｐ型電極であり、前記光デバイスは、前記ｐ型電極に対して前記フォトニック結晶構造の反対面に電気的に接続され、前記層の平面に実質的に垂直な方向にｐｎ接合を形成するｎ型電極を有する。前記フォトニック結晶構造の反対面は、ｎドープされた層を含んでもよい。ｐ型電極に接触する前記フォトニック結晶構造の反対面は、ｐドープされた層を含んでもよい。

一実施形態では、フォトニック結晶構造へのｐコンタクトは、層の積層方向にある欠陥部分の上、およびｎ型コンタクトの上である。

一実施形態では、最初の材料は半導体材料である。第１材料はＧａＡｓでもよく、ＧａＡｓの層は、低密度ＩｎＡｓ量子ドットの層を含んでもよい。代替的に、第１材料はＩｎＧａＰでもよい。ＩｎＧａＰの層は、低密度ＩｎＰ量子ドットの層を含んでもよい。

一実施形態では、第３材料は金属である。一実施形態では、第３材料は、第１材料よりも低い屈折率を有する。一実施形態では、第３材料は、１．６未満の屈折率を有する。一実施形態では、第３材料は、インジウム錫酸化物である。

一実施形態では、フォトニック結晶構造は、基板上のメサの一部である。基板はＧａＡｓでもよい。

一実施形態では、欠陥部分は、層の平面と実質的に平行な方向に沿った導波路領域である。導波路領域は、線形欠陥部分を形成する、格子から欠落しているラインに沿った複数の隣接領域によって形成される。
導波路は、フォトニック結晶ミラーを形成するために構成される第２材料の複数の領域によって第１端が終端されてもよい。量子エミッタは、導波路の第１端部分に位置してもよい。あるいは、量子エミッタは、導波路領域に沿ったいかなる場所に位置してもよい。導波路は、フォトニック結晶構造のエッジによって第２端が終端されてもよい。導波路は、光学コンポーネントによって第２端が終端されてもよい。

一実施形態では、フォトニック結晶構造は、欠けている領域の１ラインを有する、Ｗ１フォトニック結晶導波路構造である。フォトニック結晶構造は、多数の（ｈｉｇｈｅｒ ｎｕｍｂｅｒ）欠落しているラインを有するフォトニック結晶導波路構造、Ｗ３フォトニック結晶導波路構造またはＷ５フォトニック結晶導波路構造であってもよい。

一実施形態では、欠陥部分は、キャビティ領域である。一実施形態では、欠陥はフォトニック結晶Ｌ３キャビティである。形成されうるフォトニック結晶キャビティの他の例は、Ｈ１キャビティ、Ｌ５キャビティおよびＬ７キャビティである。

一実施形態では、欠陥部分は、キャビティ領域であり、光学デバイスは、光が平面方向の外に放射されるように構成される。一実施形態では、前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分にのみ上に重なって接する電気絶縁材料の層に第３材料の領域があり、前記第３材料は、導電性を有し、前記電極は、前記第３材料を通じて前記欠陥部分に電気的に接触する。前記第３材料は、前記量子エミッタから放射された光子に透過的であってもよい。

一実施形態では、デバイスは、キャビティ、および格子から欠落する第２材料の複数の領域によって形成される格子の第２欠陥部分である導波路領域を含み、導波路領域は、キャビティ領域に光学的に結合される。 導波路は、第２材料の１つ以上の領域によってキャビティから分離されてもよい。

一実施形態では、デバイスは、格子から欠落する第２材料の複数の領域によって形成される格子の複数の欠陥部分である干渉計を含む。干渉計は、前記量子エミッタが位置する前記欠陥部分に光学的に結合される。

光デバイスは、いくつかの統合された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）量子光源を含むより洗練されたアーキテクチャを実現するための平面内単一光子放射に関する、いくつかの局所注入領域、方向性結合器、キャビティ、およびフォトニック結晶導波路を組み込むために拡張されうる。

一実施形態によれば、基板に犠牲層を形成し、前記犠牲層の上に重なって接する第１電気コンタクト層を形成し、前記第１電気コンタクト層の上に重なって接する第１材料の層を形成し、前記第１材料の前記層は量子エミッタを含み、前記第１材料の前記層の複数の領域を除去し、正則格子に配置される前記領域は、欠陥を形成するように前記格子から欠落する少なくとも一領域を有し、前記量子エミッタは、前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分に位置し、前記犠牲層の一部を除去し、前記フォトニック結晶構造の上に重なって接する層を形成するように第２材料を適用し、前記第２材料は電気的に絶縁し、前記第２材料の前記層の領域を除去し、前記領域は、前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分の上に重なり、前記領域における第３材料の層を適用し、前記第３材料は伝導性を有し、電極を前記第３材料に電気的に接続するステップを含む光デバイスを製造する方法が提供される。

一実施形態では、デバイスにおける層は、分子線エピタキシーで成長する。

一実施形態では、基板はＧａＡｓである。

一実施形態では、犠牲層はウェットケミカルエッチングによって選択的にエッチングされうる、任意の材料である。一実施形態では、犠牲層はＡｌＧａＡｓである。

一実施形態では、第１電気コンタクト層はｎドープ層である。一実施形態では、第１電気コンタクト層は、ｎドープＧａＡｓである。

一実施形態では、第１材料は、低密度ＩｎＡｓ量子ドットの層を有する非ドープのＧａＡｓである。量子ドット層は、ストランスキー・クラスタノフ成長モード技術を用いて形成されてもよい。ｐドープ層は、非ドープのＧａＡｓ層の上に重なって接するように形成されてもよい。

一実施形態では、第１電気コンタクト層および第１材料の層は、犠牲層上のメサに形成される。メサは、フォトリソグラフィおよびウェットまたはドライエッチングを用いて形成されうる。

一実施形態では、第１材料の前記層の複数の領域を除去するステップは、第１材料の前記層上にレジストを形成し、リソグラフィを用いて設計マスクを前記レジストに転写し、前記設計マスクを介して前記犠牲層までエッチングするステップを含む。

犠牲層の一部を除去するステップは、ウェットケミカルエッチングを用いて、フォトニック結晶構造の下の犠牲層の一部を選択的にエッチングすることを含んでもよい。

前記第２材料の層に適用する前記ステップは、流動状態にある前記第２材料で前記フォトニック結晶構造をスピンコーティングし、前記フォトニック結晶構造の上に重なって接する層を形成するように、前記複数の領域および前記犠牲層の一部を除去することにより形成される空間を満たし、前記第２材料を硬化するように前記デバイスを熱処理することを含んでもよい。

一実施形態では、前記第２材料の前記層の領域を除去する前記ステップは、リソグラフィを用いて設計マスクを前記第２材料に転写し、前記第２材料はレジストの役割を果たし、前記設計マスクを現像することを含む。前記現像ステップは、前記第２材料の前記層の領域を除去し、前記フォトニック結晶構造の前記欠陥部分の前記表面の一部を露出する。

一実施形態では、第３材料の層は、第２材料の層上で形成される。

第１電極は、第３材料の層に接触し、第２電極は、第１電気コンタクト層に接触し、層の積層方向に実質的に垂直な方向にｐｎ接合を形成する。

一実施形態では、第１材料は半導体材料であり、第２材料は水素シルセスキオキサンであり、第３材料はインジウム錫酸化物である。

図１は、実施形態に従う光デバイスの概略図である。図は、デバイスの層を通る断面である。ｘおよびｚと名付けられた軸は、図の中で示される。ｚ方向は層の積層方向である。ｘ方向は層の面内である。

デバイスはフォトニック結晶スラブを含む。フォトニック結晶スラブは、スラブの残りの材料に対して異なる屈折率を有する材料の領域の周期的格子を有する。導波路領域は、格子の欠陥によって形成され、例えば、異なる屈折率を備える材料の隣接領域が、ラインに沿って省略され、または欠落する。異なる屈折率を有する材料の領域の周期的構造は、スラブにおける光の伝搬に影響し、フォトニックバンドギャップを形成する。欠陥領域は、バンドギャップ内の伝搬モデルを作成する。伝搬モデルの１つと一致する波長を有する光は、導波路領域に沿って伝搬してもよい。

スラブは、さらに量子ドットの層を含む。デバイスは、層の平面に垂直な方向、すなわち層の積層方向にｐｎ接合を有する。ｐｎ接合は、フォトニック結晶スラブの欠陥部分、この場合、導波路領域に局在する電気コンタクトを有する。局在する電気コンタクトは、導波路領域のみにキャリアの注入を可能にする。デバイスはこのように、小さい電流損失を有するのみであり、効率的である。低い注入電流は、所望領域のみへのキャリアの注ぎ込み（ｆｕｎｎｅｌｌｉｎｇ）のために用いられてもよい。
キャリア集合（ｃａｒｒｉｅｒ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）に依存して、量子ドット領域へのキャリアの注入は、励起子または多重励起子複合体（ｍｕｌｔｉ−ｅｘｃｉｔｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ）例えば、双励起子の作成をもたらす。量子ドットの原子的性質のために、励起子の放射再結合は、単一のおよび判別不能な光子の放出を引き起こす。エンタングルした光子対の放出が、放射性双励起子カスケードを介して起こりうる。ＱＤを備える活性領域の中への２つの電子および２つのホールの注入が、双励起子（２つの電子ホール対）の形成を引き起こす。ある環境下では、双励起子は、エンタングルした光子の対を放射的に放出することを再結合する。双励起子は、励起出力を増加させることにより、すなわち電圧を上げることにより簡単に生成されうる。デバイスは、フォトニック結晶構造に基づいた適切なアーキテクチャを用いることにより、エンタングルした光子対の平面内送信および発電に用いられてもよい。光子は、極性化、パスまたは時間領域においてエンタングルしてもよい。

フォトニックバンドギャップが量子ドットから放射された光の波長をカバーするように、フォトニック結晶スラブが形成される。これは、光子エネルギーが導波路の伝搬モードのエネルギー範囲内にあるとき、量子ドットから放射された光子が導波路領域のみに沿って水平に伝搬できることを意味する。面外の光子損失があるかもしれない。格子構造は、量子ドットから放射された光の導波路領域において横方向の制限（ｌａｔｅｒａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）（すなわち、層の平面における制限）を生じさせる。

図１に示されるデバイスの構成がここに記述される。デバイスは基板１０１を含む。基板１０１は任意のダイレクトバンドギャップ半導体材料でありうる。基板材料の選択は、光の所望の放射波長に依存してもよい。材料の電子的バンドギャップは、材料中の光子の放出および吸収に関与する。例えば、基板材料はＩＩＩ−Ｖの半導体材料のいずれかであってもよい。基板材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓあるいはＡｌＧａＡｓのようなヒ素系ＩＩＩ−Ｖ材料であってもよい。ＧａＡｓの電子バンドギャップは、近赤外領域でデバイスに適するように作られる。

一実施形態では、基板１０１はＧａＡｓである。一実施形態では、基板１０１は、上面でｎドープされるＧａＡｓの数百ナノメートルを有する何百ミクロンのオーダーである、非ドープのＧａＡｓ基板を含む。

ＧａＡｓ基板１０１の第１部分の上に重なって接するＡｌＧａＡｓ層１０３がある。図１に示される図では、第１部分は基板１０１の左側部分である。一実施形態では、ＡｌＧａＡｓ層の厚さはおよそ９００ｎｍである。一実施形態では、ＡｌＧａＡｓ層の厚さが７００ｎｍと１０００ｎｍとの間である。一実施形態では、ＡｌＧａＡｓ層の厚さは５００ｎｍよりも厚い。一実施形態では、ＡｌＧａＡｓ層は、６０％よりも高いアルミニウム濃度を有する。一実施形態では、ＡｌＧａＡｓ層は、７０％よりも高いアルミニウム濃度を有する。６０％よりも高いアルミニウム濃度を有するＡｌＧａＡｓは、スラブを形成し、ＧａＡｓに基づく構造の残りをそのまま残す（leaving）フッ化水素酸（ＨＦ）を用いてエッチングされうる。層１０３は、スラブの形成をもたらすウェットケミカルエッチングによって選択的にエッチングされうる任意の材料で形成されうる。

ＧａＡｓ基板１０１の第２部分の上に重なって接する硬化した流動可能酸化物１０５の層がある。硬化した流動可能酸化物１０５の層は隣に、ＡｌＧａＡｓ層１０３が隣接する。硬化した流動可能酸化物（ｃｕｒｅｄ ｆｌｏｗａｂｌｅ ｏｘｉｄｅ）は、電子ビームレジストとして用いられうる低い屈折率を備える、すなわちその化学結合が高エネルギー電子の吸収によって変えられうる、絶縁材料である。フォトニック結晶導波路を形成するために適切な配置がパターン化されるとき、屈折率は、スラブ材料を備えるフォトニックバンドギャップおよび対応する伝搬モデルの形成を保証するために十分に低くされるべきである。一実施形態では、硬化した流動可能酸化物は、水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）である。ＨＳＱモノマーの化学式はＨ_８Ｓｉ_８Ｏ_１２である_。

ＧａＡｓ層１０３および硬化した流動可能酸化物層１０５の上に重なって接するｎドープされたＧａＡｓ層１０７がある。言いかえれば、ｎドープされたＧａＡｓ層１０７は、ＡｌＧａＡｓ層１０３および硬化した流動可能酸化物層１０５の両方の表面を横切って広がる。ｎドープされたＧａＡｓ層１０７の厚さは、ＡｌＧａＡｓ層１０３の厚さよりも薄い。一実施形態では、ｎドープされたＧａＡｓ層は、数十ナノメータのオーダーの厚みを有する。

ｎドープされたＧａＡｓ層１０７の一部の上に重なって接する非ドープのＧａＡｓ層１０９がある。非ドープのＧａＡｓ層１０９は、硬化した流動可能酸化物層１０５上のｎドープされたＧａＡｓ層１０７の一部の上、および、ＡｌＧａＡｓ層１０３上のｎドープされたＧａＡｓ層１０７の一部の部分の上に広がる。非ドープのＧａＡｓ層１０９は、ＡｌＧａＡｓおよび硬化した流動可能酸化物で形成されるメサ構造である。非ドープのＧａＡｓ１０９の層は、中間に低密度ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）の層を有する。言いかえれば、低密度ＩｎＡｓ ＱＤｓの層は、非ドープのＧａＡｓ層１０９の間に挟まれる。
代替となる実施形態では、デバイスは、非ドープのＧａＡｓ層１０９の代わりに、低密度ＩｎＰ量子ドットの層を含むＩｎＧａＰの層を含む。

硬化した流動可能酸化物層１０５は、硬化した流動可能酸化物層１０５上の非ドープのＧａＡｓ層１０９およびｎドープされたＧａＡｓ層１０７の一部に、厚み全体を貫いて広がる硬化した流動可能酸化物の複数の領域を有するように、複数の位置において非ドープのＧａＡｓ層１０９およびｎドープされたＧａＡｓ層１０７を通って広がる。実施形態では、領域は円筒状である。硬化した流動可能酸化物の円筒状領域の高さは、ｎドープされたＧａＡｓ層１０７および非ドープのＧａＡｓ層１０９の厚み全体を貫いて広がる。

円筒状領域は、実質的に規則的アレイとして配列される。異なる屈折率を備える材料（この場合、硬化した流動可能酸化物）の円筒状領域の規則的アレイを有する非ドープのＧａＡｓ層１０９およびｎドープされたＧａＡｓ層１０７は、フォトニック結晶スラブを形成する。フォトニック結晶構造はメサの一部上のみにある。フォトニック結晶導波路スラブはさらに、図４に関して以下に記述される。フォトニック結晶スラブは図中「スラブ」と名付けられ、時々「スラブ」と呼ばれる。一実施形態では、硬化した流動可能酸化物の円筒状領域は、六方格子に配列される。あるいは、円筒状領域は平方格子上に配列されてもよい。円筒状領域が平方格子に配列されるフォトニック結晶導波路スタブは、図１２に関して以下に記述される。ラインに沿った隣接する円筒状領域は、省略され、または欠落し、導波路領域である格子の欠陥を形成する。

スラブにおける硬化した流動可能酸化物の領域の周期的構造は、光の伝搬に影響し、フォトニックバンドギャップを形成する。スラブ中の量子ドットから放射された光は、このバンドギャップ内に存在する。具体的には、硬化した流動可能酸化物は、スラブ材料、ＧａＡｓに対して異なる屈折率を有する。異なる屈折率を備える材料の周期的変化は、フォトニックバンドギャップ内の波長を有する光が単に導波路領域に沿って横方向に伝搬できることを意味する。したがって、格子構造は、スラブ中の量子ドットから放射される光の導波路領域において、横方向の制限（つまり層の平面における制限）を引き起こす。硬化した流動可能酸化物の屈折率および（この場合ＧａＡｓである）スラブの残りの差分は、フォトニック結晶構造の操作を可能にする。言いかえれば、格子構造は、光を、導波路領域を形成するスラブの領域内で横方向に制限する。

少なくとも１つのＱＤは、スラブの活性領域に位置する。用語「活性領域」は、導波路領域に、フォトニック結晶構造の格子の欠陥部分を一般に指す。電子とホールとは、たいていｐコンタクト下の局在領域に注入される。しかし、これらのキャリアのいくつかのばらつきがあってもよい。したがって、ＱＤが位置してもよい領域は、ｐコンタクト直下にあることに制限されないだろう。

スラブの厚みの選択は、量子光の所望の放射波長に依存する。光の平面内ガイドおよび効率的で垂直な制限に関して、所望の放出波長に関する考慮は、スラブ厚みの選択を考慮しうる。 一実施形態では、量子光源は近赤外線領域で放射し、スラブの厚さはおよそ２００ｎｍである。

硬化した流動可能酸化物層１０５は、非ドープのＧａＡｓ層１０９の上に重なって接するように、スラブ上に広がる。硬化した流動可能酸化物は、図中の注入領域１１１と呼ばれる領域を除いて非ドープのＧａＡｓ層１０９の表面全体にわたって広がる。注入領域は、キャリアがスラブに注入される領域である。硬化した流動可能酸化物層は、小さな注入領域１１１を除いて、ｐ型電極１１３からスラブを絶縁する。

ｐ型コンタクトを形成する材料の層は、ＧａＡｓ層１０９上に広がる硬化した流動可能酸化物層１０５の一部の上に重なって接する。一実施形態では、材料はインジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）１１７である。一実施形態では、ＩＴＯ層１１７は、数百ナノメータ厚のオーダーである。注入領域１１１はまた、ＩＴＯである。言いかえれば、ＩＴＯは、注入領域１１１と名付けられる、小領域（ｓｍａｌｌ ｒｅｇｉｏｎ）におけるＧａＡｓ層１０９に硬化した流動可能酸化物を介して下に広がる。一実施形態では、材料は金属である。

ｐ型電極は、ＩＴＯ層の１１７の表面に接する。Ｔｉ／Ａｕの層は、ｐ型電極１１３を形成して、ＩＴＯの層１１７の一部の上に重なって接し、ワイヤは、ｐ型電極を形成するＴｉ／Ａｕに接合される。硬化した流動可能酸化物は電気的に絶縁し、ＩＴＯがスラブに接する小領域でのみキャリア注入が生じることを意味する。

代替となる実施形態では、ｐ型コンタクトを形成する材料は、薄い金属層である。一実施形態では、ｐ型コンタクトは数十ナノメータ厚のオーダーである。

スラブのボトムでのｎドープされたＧａＡｓ層１０７は、ｎ型コンタクトを提供する。Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉの層はｎドープされたＧａＡｓ層１０７の一部の上に重なって接する。ｎドープされたＧａＡｓ層１０７の一部は、ＡｌＧａＡｓ層１０３の上にあり、かつ非ドープのＧａＡｓ層１０９が重なっていない一部である。ワイヤはｎ型電極１１５を形成するＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ層に接合される。

ｐ型電極とｎ型電極とは、層の積層または成長方向に平行なｐｎ接合を形成する。言いかえれば、ｐｎ接合は層の平面に垂直である。一実施形態では、ｎ型電極が層の上に局所コンタクト（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｃｏｎｔａｃｔ）を形成するように、ｐｎ接合は逆にすることができる。逆にしたｐｎ接合については、スラブの各端でオーム接触（Ｏｈｍｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）の形成に関して適切なワーキング機能を備えるコンタクトの選択が用いられてもよい。更に、ｎドープされたＧａＡｓ層１０７は、代わりにｐドープされる。

光子がデバイスから出る導波路領域の出口は、デバイスの右手側にある。図１に示される断面は、導波路領域を通ってではなく導波路領域でないフォトニック結晶構造の一部を切断する。

図１中の概略図は、実施形態に従う光デバイスの構造を示す。ヒ素系ＩＩＩ−Ｖ材料は、例として用いられる。中間に低密度量子ドット（ＱＤと名付けられた層）を含むＧａＡｓフォトニック結晶スラブ導波路１０９は、硬化した流動可能酸化物１０５に囲まれる。小領域は、キャリア注入のための導波路の表面上に定義される。小領域は、注入領域１１１と名付けられる。トップ（ｐ型）コンタクトおよびボトム（ｎ型）コンタクトは、ＩＴＯおよびｎドープされたＧａＡｓによってそれぞれ形成される。

デバイスは、１つ以上の量子ドットを有してもよい。いずれの場合も、単一の量子ドットは、デバイスから各単一光子を放射する。活性領域に多くのＱＤがある場合、多重光子パルスが可能である。デバイスは、１つの量子ドットだけが活性領域に位置する「位置制御された（ｓｉｔｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）」量子ドットを含んでもよい。位置制御されたＱＤは、ウェーハ上に予め定義された位置で成長することが強制される。アライメント技術は、活性領域における単一のＱＤだけを含むフォトニック結晶構造を製造するために用いられることができる。そのようなデバイスでは、量子ドットは、量子ドット位置決め／核生成に対する制御を提供する成長および製造方法を用いることにより、導波路領域に意図的に位置決めされる。

半導体量子ドットは量子光源の例である。光デバイスは、キャリアが量子ドット層に注入される場合、光子を放射することができる半導体量子ドットの層を含む。光デバイスは、導波路領域への局在形成電気コンタクトを含む。局在形成電気コンタクトは、それがデバイスの導波路領域へ局在化されるように形成される電気コンタクトである。フォトニック結晶スラブへのｐ型コンタクトは、層の積層方向における導波路領域の上、およびｎ型コンタクトの上にある。光デバイスは、局在電気コンタクトと共に、層の積層方向と平行な方向にｐｎ接合を有する、平面への光放射に関するフォトニック結晶構造を含む。局在電気コンタクトは、導波路領域の外部というよりは導波路領域内のキャリアの注入を可能にする。

スラブと接触する大きなｐ型およびｎ型領域を有するデバイスでは、キャリアは、フォトニック結晶構造の領域外でより効率的に注入される。言いかえれば、局在化されていない電気コンタクトを備えるフォトニック結晶を含むメサ構造を有するデバイスでは、ほとんどのキャリアはフォトニック結晶の領域外で注入される。これは、エッチングされたホールがキャリア注入を禁じることができるからである。図１に示されるデバイスは、有用でない領域へのキャリア注入を防ぐために欠陥部分（この場合、導波路領域）に外部のデバイスのエリアをカバーする絶縁体（硬化した流動可能酸化物層）を含む。導波路上に小さいコンタクト領域を形成することは、関心領域、つまり導波路領域におけるキャリアの注入を可能にする。

図２は、実施形態に従う光デバイスを製造方法のフローチャートである。この方法では、層構造は、基板１０１上に形成され、その後光デバイスを形成するために処理される。非プロセス構造は、適切な基板１０１上のエピタキシャル方法よって成長する。層は、分子線エピタキシーを用いて成長する。図２に記述される製造方法は、多くの量子ドットを備える層を有するデバイスを製造する。

ステップＳ２０１は、「ＡｌＧａＡｓ層をＧａＡｓ基板上に形成する」である。ＡｌＧａＡｓ層３０１は、ＧａＡｓ１０１基板上で成長する。ＡｌＧａＡｓ層３０１は、基板１０１の表面全体にわたって広がるＧａＡｓ基板１０１上で成長する。

ステップＳ２０２は「ｎドープされたＧａＡｓ層をＡｌＧａＡｓ層上に形成する」である。ｎドープされたＧａＡｓ層３０３は、ＡｌＧａＡｓ層３０１上で成長する。

ステップＳ２０３は、「ＱＤ層を有する非ドープのＧａＡｓ層をｎドープされたＧａＡｓ層上に形成する」である。非ドープのＧａＡｓ３０５の層は、非ドープのＧａＡｓ層３０５の中間で成長した、低密度ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）の層とともにｎドープされたＧａＡｓ層３０３上で成長する。
一実施形態では、ストランスキー・クラスタノフ成長モード技術がＱＤを形成するために用いられる。ｎドープされたＧａＡｓ層３０３が成長した後、非ドープのＧａＡｓ３０５の成長が開始する。非ドープのＧａＡｓ層３０５の成長の中点では、成長が止まり、ＩｎＡｓの薄層が堆積する。言いかえれば、一旦非ドープのＧａＡｓ層３０５が所望の厚さの半分まで成長したならば、非ドープのＧａＡｓの成長が止まり、ＩｎＡｓの薄層が堆積する。その後、残っている非ドープのＧａＡｓが堆積する。ＩｎＡｓ層におけるＱＤのひずみ誘起による形成がある。ＱＤを形成する他の方法が用いられうる。

ステップＳ２０１からステップＳ２０３の後に得られる結果の層構造の概略図は、図３（ａ）に示される。この構造は、非プロセス構造である。

ステップＳ２０４は、「メサを形成する」である。このステップで、ｎドープされたＧａＡｓ薄層３０３までのリソグラフィおよびウェットエッチングは、フォトニック結晶デバイスを含むであろう１つ以上のメサを定義するために用いられる。一実施形態では、例えば５０ｘ５０μｍの面積を有する数マイクロメーターの面積を備える１つ以上のメサが、標準フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて定義される。メサは、垂直ｐ−ｉ−ｎダイオードが作成され、フォトニック結晶構造をホストする領域を定義する。メサを形成するステップは、いくつかの段階を包含する。第１に、ポジ型フォトレジスト、例えばＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ（登録商標）Ｓ１８１３（登録商標）は、ウェーハの上部（ｔｏｐ）でスピンされる。一実施形態では、レジストの厚さは約数百ナノメータである。次のステップは、例えばＳ１８１３レジストに関するＭＦ３１９（登録商標）デベロッパーを用いる、紫外線照射および現像である。現像中に、レジストの露光された領域、すなわち、メサ領域の周囲は除去される。これらの領域はその後、ウェットまたはドライエッジングを用いてエッチングされる。ＧａＡｓ系メサのウェットエッチングに関しては、Ｈ_２ＳＯ_４−Ｈ_２Ｏ_２−Ｈ_２Ｏ（硫酸−過酸化水素−水）の混合物が用いられうる。ドライエッジングに関しては、四塩化ケイ素または塩素ガスに基づくプラズマが用いられうる。エッチングデプスは、スラブの厚み、すなわち非ドープのＧａＡｓ層３０５の上部からｎドープされたＧａＡｓ層３０３の上部までの距離によって定義される。ｎドープされたＧａＡｓ層３０３に到達するとき、エッチングが停止される。

ステップＳ２０４の後に得られる構造の概略図が図３（ｂ）に示される。

ステップＳ２０５は「レジストを形成する」である。上部に形成される電子ビームレジスト３０７を備える層構造の概略図が、図３（ｃ）に示される。電子ビームレジスト３０７の薄層は、構造の上部に堆積する。電子ビームレジストは、化学結合が高エネルギー電子の吸収によって変わる材料である。

ステップＳ２０６は、「設計マスクをレジストに転写するためにリソグラフィを用いて現像する」である。設計マスク３０９は電子ビームリソグラフィによって電子ビームレジスト３０７の薄層に転写される。その後、設計マスク３０９は、電子ビームに露光されたレジストの領域（ホール）を除去するために、適切な化学薬品を用いることで現像される。非ドープのＧａＡｓ層３０５の表面上に設計マスク３０９を有する層構造の概略図が、図３（ｄ）に示される。一実施形態では、設計マスク３０９には、円形ホール（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｈｏｌｅｓ）の正則格子がある。一実施形態では、線に沿った隣接するホールは、省略されるか、または欠落し、導波路領域である格子の欠陥部分を形成する。代替としては、１つ以上のホールは、省略されるか、または欠落し、キャビティ領域である格子の欠陥部分を形成する。格子の欠陥部分のいくつかの配置の例は、図４および図１３から図１５に関して下に記述される。

代替として、フォトレジストを用いるフォトリソグラフィのような他の技術は、マスクを転写するために用いることができるだろう。一実施形態では、フォトリソグラフィは、大きな構造、すなわち１マイクロメーターよりも大きいオーダーの構造が製造される必要である場合に、マスクを転写するために用いられてもよい。

ステップＳ２０７は、「ＡｌＧａＡｓ層に至るまでドライエッチングし、その後マスクを除去する」である。このステップで、ドライエッチングは、リソグラフィマスクを介してデバイスに設計をエッチングするために用いられる。一実施形態では、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）が用いられうる。一実施形態では、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）が用いられうる。両方の場合、適切なガスの混合物からのイオンは、高電圧により加速され、高エネルギーを有する試料を衝突させ、レジストによってカバーされない、すなわち保護されない領域をエッチングする。機械的および化学的エッチングの両方が生じる。ガスの種類は、エッチングされるべき材料および用いられる装置に依存する。四塩化ケイ素系化学物質、または塩素系化学物質を有するガスが、ＧａＡｓをエッチングするために用いられうる。

ドライエッチングデプスは、ＡｌＧａＡｓ層３０１に達するために、非ドープのＧａＡｓ層１０９およびｎドープされたＧａＡｓ層１０７の厚みを少し上回るように設定される。エッチングはフォトニック結晶導波路スラブを形成する。フォトニック結晶導波路スラブは、図４に関して以下にさらに記述される。スラブが形成される層（この場合、ＡｌＧａＡｓ層３０１）は、犠牲層と呼ばれる。ドライエッチングが行なわれた後の層構造の概略図は、図３（ｅ）に示される。設計マスク３０９が円形ホールの正則格子を有するところで、ドライエッチングプロセスは、非ドープのＧａＡｓ層１０９およびｎドープされたＧａＡｓ層１０７に円筒ホールの正則格子をエッチングする。一実施形態では、格子における線に沿った隣接領域は省略されるか、または欠落し、導波路構造を形成する。その後、マスクは、レジストストリッパーによって化学的に除去される。

代替として、ウェットエッチング技術は、マスクを介して設計をエッチングするために用いられうる。ウェットエッチングに関しては、Ｈ_２ＳＯ_４−Ｈ_２Ｏ_２−Ｈ_２Ｏ（硫酸−過酸化水素−水）の混合物が用いられうる。

ステップＳ２０８は、「ＡｌＧａＡｓ層の一部を除去するために酸を用いる」である。スラブの真下の犠牲層の一部は、酸エッチングを用いて除去される。犠牲層がＡｌＧａＡｓである場合、フッ化水素酸の低濃度溶液は犠牲層の除去に用いられる。アルミニウム含有量が６０％よりも多いＡｌＧａＡｓは、フッ化水素酸（ＨＦ）を用いてエッチングすることができ、ＧａＡｓ系構造の残りをそのまま残す。
低濃度フッ化水素酸は、ＧａＡｓをそのまま残す一方、ＡｌＧａＡｓを除去またはエッチングする。ＨＦ溶液は、ＧａＡｓに影響しない。エッチングを行なうために、デバイスはＨＦ溶液に浸される。フォトニック結晶構造の真下のＡｌＧａＡｓ層の一部だけが削除され、ＡｌＧａＡｓ層全体が削除されないような十分な時間、デバイスがＨＦ溶液に置かれる（放置される）。例えば、図の右手側のＡｌＧａＡｓ層の一部だけが、図３（ｅ）において除去される。ＨＦは、エッチングされたホールから入り、したがって、最初にホールの下に重なるＡｌＧａＡｓ層を除去する。

犠牲層は、代替的に、スラブの形成に至るウェットケミカルエッチングによって選択的にエッチングすることができる、任意の材料でもよい。他の適切な酸溶液は、異なる材料除去に用いられうる。

犠牲層の一部が削除された後の層構造の概略図は、図３（ｆ）に示される。低い屈折率を備える材料がフォトニック結晶スラブの（層の積層方向における）両側上に形成されるように、犠牲層が削除される。最終的なデバイスでは、例えば、ＨＳＱは、１つの方向にスラブが隣接してもよく、ＩＴＯは他方に隣接する。両方は、低い屈折率（ＨＳＱ≒１．４、９００ｎｍでＩＴＯ〜１．７５）を有する。考慮される屈折率は、この場合近赤外領域に関する。

ステップＳ２０９は「流動可能酸化物でスピンコートする」である。局在キャリア注入を達成するために、フォトニック結晶構造は、流動可能酸化物３１１の薄層、例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）の溶液でスピンコートされる。この層には２つの機能があり、第１に、それは、上部ｐ型電極１１３とスラブとの間に絶縁を提供すること、 第２に、それは電子ビームレジストとして役立つことである。流動可能酸化物１０５を備えるスピンコーティングの後の層構造の概略図が、図３（ｇ）に示される。流動可能酸化物はスラブの表面で層を形成する。流動可能酸化物１０５はまた、犠牲層がステップＳ２０８中で除去された空間を満たし、および、ステップＳ２０７中でドライエッチングされた円筒状領域を満たす。

この実施形態では、（ｐ型コンタクトのための小領域の定義および部分的絶縁を提供するために）流動可能酸化物がスラブの上部に提供される場合、フォトニック結晶スラブにおけるホールもまた、流動可能酸化物で満たされる。流動可能酸化物でのホールの充填は、スラブの上部での絶縁を提供するために用いられるプロセスの結果として生じる。しかし、流動可能酸化物材料の屈折率が小さいので、流動可能酸化物でのフォトニック結晶スラブ中の円筒領域の充填は、フォトニック結晶デバイスの動作（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を妨げない。

ステップＳ２１０は「設計マスクを流動可能酸化物層に転写するためにリソグラフィを用いる」である。流動可能酸化物層１０５は電子ビームレジストとして役立つ。設計マスク３１３は電子ビームリソグラフィによって流動可能酸化物層１０５に転写される。設計マスクが転写された後の層構造の概略図は、図３（ｈ）に示される。図３（ｈ）中の流動可能酸化物の暗い領域は、電子ビームによって書かれた流動可能酸化物の領域を示す。フォトニック結晶スラブの欠陥部分に接する小領域は、電子ビームによって書かれていない。ｎドープされたＧａＡｓ層１０７の上に重なって接する流動可能酸化物の領域は、電子ビームによって書かれていない。
ステップＳ２１１は「現像」である。（局所注入領域に対応しかつｎドープされたＧａＡｓ層１０７の上に重なって接する領域である）電子ビームによって書かれていないＨＳＱ領域は、現像プロセスの間に除去される。書かれていないＨＳＱ領域は、現像の間に押し流される。言いかえれば、注入領域を含む図３（ｈ）中の流動可能酸化物の明るい領域は、現像で除去される。これは、スラブの欠陥部分でスラブの表面まで流動可能酸化物を介して局所的な「ギャップ」を作成する。言いかえれば、メサの上部全体は、小注入領域を除いて電子ビームによって書かれている。ステップＳ２０９およびＳ２１０は、ＨＳＱスピンコーティング、焼成、電子ビーム露光および現像を含んでもよい。現像プロセスは、スラブの表面の一部を露出し、流動可能酸化物１０５の領域を除去する。

ＧａＡｓスラブの下でかつエッチングされた円筒内の領域は、電子ビームリソグラフィによって書かれなくともよい。しかし、現像プロセス中に、それらは、上面の上にある流動可能酸化物の書き込まれた領域によって保護される。

このステップは、素晴らしい精度でキャリア注入が提供される領域を定義することができる。平面内量子光源に関しては、フォトニック結晶導波路の導波路領域におけるキャリア注入は、量子ドットを電気的に励起させる。電子ビームリソグラフィおよび続くレジスト現像を用いることは、絶縁する硬化した流動可能酸化物層１０５が除去される領域が定義されることを可能にする。ｐ型電極は、これらの領域におけるフォトニック結晶スラブの上部表面に直接電気コンタクトを有する。これは所望の位置にキャリアの効率的な注入をもたらす。一実施形態では、これらの領域のサイズは、数百ナノメータのオーダーである。

現像の後の層構造の概略図は、図３（ｉ）に示される。

ステップＳ２１２は「酸化物層を硬化するための熱処理」である。流動可能酸化物層が硬化し、固体で流動性を有さなくなるように、デバイスは熱処理される。熱処理の後、それは硬化した流動可能酸化物層１０５と呼ばれる。硬化することは、ＨＳＱの誘電特性を改善する。
ステップＳ２１３は「硬化した流動可能酸化物層上にＩＴＯを形成する」である。上部のｐ型コンタクトは、スラブ材料に接するときにオーミック接触を形成することができかつ堆積できる任意の材料であればよい。例えば、インジウム錫オキサイド（ＩＴＯ）１１７の層が硬化した流動可能酸化物１０５層の上に堆積され、注入領域を通ってスラブまで延び、スラブへのｐ型コンタクトを形成する。ＩＴＯは、電子ビームリソグラフィ（ステップＳ２１０）によって定義され、現像（ステップＳ２１１）で除去されるエリアにおけるＧａＡｓ上に直接成長する。ＩＴＯ層１１７は、上部のｐ型電極の役割を果たす。ＩＴＯの成長の後の層構造の概略図は、図３（ｊ）に示される。

ステップＳ２１４は、「ＩＴＯとＧａＡｓ層との間のオーム接触を実現する熱処理」である。適度な温度での熱処理は、ＩＴＯとＧａＡｓとの間のよいオーム接触を実現するために用いられうる。一実施形態では、デバイスは、スラブとＩＴＯとの間のオーム接触を形成するために、３０秒から６０秒ごろの間で摂氏約４００〜５００度で処理される。

ステップＳ２１５は、「ｎ型電極を形成するためにｎ型ＧａＡｓ上にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ混合物を形成する」である。Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ混合物は、これらの材料の混合物または合金である。Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ混合物の層は、リソグラフィおよびリフトオフプロセスを用いて、ｎ型ＧａＡｓ層１０７に堆積する。その後、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ混合物は、ｎ型ボトムコンタクトの形成および接合に用いられる。その後、ワイヤはＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ混合物層に接合される。一実施形態では、コンタクトは、数十秒間摂氏約４２０度でアニールした後に形成される。これはｎ型電極１１５を形成する。ｎ型電極１１５の追加の後のデバイスの概略図は、図３（ｋ）に示される。
ステップＳ２１６は「ｐ型電極を形成するためにＩＴＯ上にＴｉ／Ａｕを形成する」である。Ｔｉ／Ａｕ合金の層は、リソグラフィおよびリフトオフプロセスによって、ＩＴＯ表面の一部に堆積する。このプロセスでは、レジストは、構造全体にわたってスピンされる。その後、Ｔｉ／Ａｕ合金が堆積する予定である領域が露出される。その後、これらの領域のレジストを除去するために、レジストが現像される。その後、Ｔｉ／Ａｕは構造全体にわたって蒸発し、露出されなかったレジストの領域が除去される（領域の上部にある金属も除去する）。これは所望の領域にのみＴｉ／Ａｕを残す。

その後、ワイヤはＴｉ／Ａｕ層に接合される。これはｐ型電極１１３を形成する。熱処理の後、ｐ型電極の追加を備えるデバイスの概略図が、図３（ｌ）に示される。

ｎ型コンタクト（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ）は、最初に堆積し、その後熱処理され、またはアニールされる。その後、ｐ型コンタクト（ｔｉ／Ａｕ）は、どんな熱処理もなしに形成される。Ｔｉ／Ａｕは、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉに必要とされる高温アニーリングに耐えられない。

スラブの底面でのｐ型ＧａＡｓ層、およびスラブの上面でのｎ型層で逆にした接合構造のために、ｐ型コンタクトが形成される前に、ｎ型コンタクト（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ）が形成され熱処理されるべきである。

図４は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成する一方向Ｗ１フォトニック結晶導波路スラブの概略図を示す。Ｗ１フォトニック結晶構造は、欠落したホールの単一線路を有する。導波路構造の他の種類は、Ｗ３およびＷ５を含み、それらはより多くの欠線（ｍｉｓｓｉｎｇ ｌｉｎｅ）を有する。これらの構造は、大きな導波路領域を有する。

図４中のスラブは上から見られる、すなわち、層の積層方向を見下ろす。ｙおよびｘと名付けされた軸が、図に示される。ｘおよびｙ方向は互いに直角であり、両方とも層の平面にある。スラブは２次元フォトニック結晶導波路である。フォトニック結晶導波路スラブは、例えば図２に関して記述されるように、ナノ製造技術を用いて製造されうる。

フォトニック結晶スラブは、双方向または一方向でありうる。図４に示されるスラブは一方向である。一方向スラブは、所望の方向への増加した放射効率を可能にする。

スラブは、実質的な円筒ホールの実質的な規則的アレイを含む。図４に示されるスラブでは、ホールは六方格子状に配置される。ホールは、代替的な格子（例えば、平方格子）上に配列されるかもしれない。導波路構造は格子中で特定の方向に沿ってホールの１つ以上のラインを省略することによって実現される。言いかえれば、導波路は省略され、または欠落するラインに沿った隣接するホールによって形成される。導波路は、一端がスラブの端で、他端がホールのラインで終端される。さらに、ホールは導波路を形成するためにそれらの格子位置からシフトしてもよい。導波路領域は点線の境界およびラベル「導波路領域」で示される。いくつかの導波路は、単一のスラブを含んでもよい。

スラブのホールの周期的構造は、光の伝搬に影響する。ホールはスラブ材料に対して異なる屈折率を有する。異なる屈折率（ホールおよびスラブ材料）を備える材料の周期的変化は、光がある方向に伝搬できない、フォトニックバンドギャップとして知られるエネルギースペクトル上で領域を生成する。フォトニックバンドギャップは波長の帯域である。この帯域内の波長を有する光は、格子においてある方向に伝搬できない。導波路は、フォトニックバンドギャップ内の伝搬モードをもたらす。伝搬モードのうちの１つと一致する、ある偏光および波長を備える光は、導波路に沿って効率的に伝搬できる。フォトニックバンドギャップによってカバーされるエネルギースペクトルに影響するパラメータは、フォトニック結晶格子定数ａ（すなわち、２つの隣接するホールの中心間の間隔）およびホール半径ｒである。これらのパラメータを決定するために、電磁気理論に基づく計算が行なわれる。これは商用ソフトウェアによって行なうことができる。

格子構造は、導波路領域における光の横方向制限（すなわち、層の平面における制限）をもたらす。

図５（ａ）は、図４に示されるフォトニック結晶スラブの同じ概略図である。ラインはスラブに加えられ、スラブの断面が図５（ｂ）から５（ｅ）および図６（ａ）から６（ｃ）に示されるラインを示す。ラインＢ：Ｂは、導波路領域でない領域におけるｘ方向に沿う。ラインＣ：Ｃは、導波路領域のｘ方向に沿う。ラインＤ：ＤおよびラインＥ：Ｅの両方ともｙ方向に沿い、導波路領域を横切る。ｎドープされたＧａＡｓ層１０７は、スラブの断面に示されない。ＱＤの層を有する非ドープのＧａＡｓ層だけが示される。

図５（ｂ）は、ラインＢ：Ｂに沿ったフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。ホールは、スラブの厚み全体に延び円筒形である。ＱＤ層はＧａＡｓスラブの中間に挟まれる。ｚおよびｘと名付けされた軸も、図に示される。ｚ方向は層の積層方向である。ｘ方向は層の面内にある。ｘ方向はｚ方向に直角である。円筒ホールは、ｚ方向（すなわち、円筒の長さがｚ方向であるように）に沿って伸びる。

図５（ｃ）は、ラインＣ：Ｃに沿ったフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。ホールはスラブの厚み全体に延び円筒形である。ＱＤ層は、ＧａＡｓスラブの中間に挟まれる。ｚおよびｘと名付けされた軸も、図に示される。

導波路領域はホールのないスラブの固体領域である。導波路はｘ方向に沿って走り、したがって導波路の全体の長さＬは、図で理解される。導波路領域の量子ドット層から放射される光は、正則格子構造によって提供される横方向制限のために、ｘ方向に導波路領域に沿って伝搬する。

図５（ｄ）は、ラインＤ：Ｄに沿ったフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。この場合も、ホールはスラブの厚み全体に延び円筒形である。ＱＤ層は、ＧａＡｓスラブの中間に挟まれる。ｚおよびｙと名付けされた軸も、図に示される。ｚ方向は層の積層方向である。ｙ方向は層の面内である。ｚ方向およびｙ方向は互いに直角である。円筒ホールは、ｚ方向（すなわち、円筒の長さがｚ方向であるように）に沿って伸びる。この断面がｙ方向に沿い、導波路領域を横切る。導波路領域の幅Ｗは、図で理解される。

図５（ｅ）は、ラインＥ：Ｅに沿ったフォトニック結晶スラブの断面の概略図である。この場合も、ホールはスラブの厚み全体に延び円筒形である。ｚおよびｙと名付けされた軸も、図に示される。この断面がｙ方向に沿うので、導波路領域を横切る。導波路領域の幅Ｗは、図で理解される。

図６（ａ）は、図５（ｃ）に示されるのと同じ断面であり、光デバイスのＩＴＯ領域１１１および硬化した流動可能酸化物層１０５が示される。硬化した流動可能酸化物層は、スラブの表面の上に重なり、円筒ホールを通じてスラブ内およびスラブより下に広がる。ＩＴＯの領域はスラブの導波路領域の表面の上に重なって接する。実施形態では、ＩＴＯは、導波路領域の長さＬの一部とだけ接する。ＩＴＯは、局所的な「注入領域」にあるＧａＡｓのみに接する。しかし、ＩＴＯはＨＳＱの上の構造全体に広がる。ＩＴＯの領域は注入領域１１１である。注入領域１１１は、スラブの導波路部分とだけ接する局所ｐ型コンタクトである。順方向バイアスがｐｎ接合を横切って適用されるとき、キャリアはスラブの導波路領域に注入される。導波路領域の量子ドット層の中の電子およびホールの注入は、量子ドット中の励起子の作成をもたらす。励起子の放射性再結合（rａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）は、導波路領域の中への光子の放出に至る。光子は導波路領域のみに沿って伝搬する。ｐコンタクトは導波路領域に局在化されるので、キャリアは、導波路領域に、より効率的に注入される。したがって、光子は、スラブの導波路領域に放射される。

導波路中の光の縦方向制限は、スラブ材料に対して異なる屈折率を有する導波路の上のおよび導波路より下の材料によってもたらされる。硬化した流動可能酸化物およびＩＴＯの屈折率はスラブ材料の屈折率よりも低い。伝搬する光モードは、導波路の上のおよび導波路より下の材料と導波路材料との間の屈折率の差によって縦方向に制限される。

図６（ｂ）は、図５（ｄ）に示される同じ断面であり、光デバイスのＩＴＯ領域１１１および硬化した流動可能酸化物層１０５が示される。硬化した流動可能酸化物層は、スラブの表面の上に重なり、円筒ホールを通じてスラブ内およびスラブより下に広がる。ＩＴＯの領域は、スラブの導波路領域の表面の上に重なって接する。

図６（ｃ）は、図５（ｅ）に示される同じ断面であり、光デバイスのＩＴＯ領域１１１および硬化した流動可能酸化物層１０５が示される。硬化した流動可能酸化物層は、スラブの表面に存在し、円筒ホールを通じてスラブ内およびスラブより下に広がる。ＩＴＯの領域は、スラブの導波路領域の表面の上に重なって接する。ＩＴＯは、導波路領域の幅全体Ｗを横切って広がる。

図６（ｄ）は、ｘｙ平面によるデバイスの断面図の概略図であり、ＩＴＯ１１１の局所領域を示す。ＩＴＯは硬化した流動可能酸化物の上の表面全体を横切って広がるが、局所領域のみにおいてスラブと接触するために、流動可能酸化物を通って下へ広がる。

図７は、六方格子配置を持つフォトニック結晶構造の例を示す。格子定数ａおよびホール半径ｒが示される。これらのパラメータの選択は、バンドギャップのチューニングおよび導波路に関する最終的な伝搬モードのチューニングを、所望の値にすることを可能にする。周期的配列、例えば導波路領域における欠点の含有は、はっきりした偏光を備えるバンドギャップ内のある伝搬モードを生成する。そのようなデバイスは、デバイスの層の平面に沿った単一光子を効率的に送信することが示される。デバイスは単一モード導波路を提供する。バンドギャップに多くの分離したモードがあるが、それらはオーバラップしない。

図８は、デバイスの層の平面に沿って単一光子をガイドするＷ１フォトニック結晶導波路の概略図を示す。導波路の一方におけるフォトニック結晶ミラーの含有（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）は、所望の方向への光の効率的送信を保証する。導波路は、エッチングされたホールの領域（図中の左側）によって方側で終端される。これはフォトニック結晶ミラーであり、所望の方向（図中の右側）へ光を反射する。

図９は、ＧａＡｓを含み、屈折率ｎ＝１．５を備える周囲材料を有するフォトニック結晶導波路スラブのフォトニックバンド構造を示す。横軸は、１が軸上に２π／ａの波数ベクトルに相当するように正規化された、波数ベクトルｋである。波数ベクトルは、伝搬方向にリンクされる。軸は約０．２５から０．５までの値をとる。縦軸は、縦軸の値がａ／λに相当するような正規化された周波数である。ここで、λは波長である。軸は、０．２から０．３までの値をとる。

フォトニックバンドギャップは、グラフの影でない領域（ｕｎｓｈａｄｅｄ ｒｅｇｉｏｎ）全体である。フォトニックバンドギャップ内では、２つのｙ偏光した伝搬モードが現れ、実線で示される。導波路は、いくつかの伝搬モードを含んでもよい。モードがエネルギーグラフにおいて互いに「交差しない」とき、単一モード導波路と呼ばれる（またはフォトニックバンド構造）。この場合、導波路は、バンドギャップにおいて同じ偏光を備える２つのモードを有する。しかし、それらはエネルギーにおいて十分に分離される（すなわち、それらはグラフ中で互いに交差しない）。

光円錐は、あるエネルギーを備える光および波数ベクトルがデバイスから平面の外へ逃げる領域を定義する。言いかえれば、この光は、垂直方向にデバイスから漏れる。スラブモードは、あるエネルギーを備える光および波数ベクトルがフォトニック結晶平面に沿って伝搬できる利用可能な状態の連続スペクトルを参照する。この光は、導波路内に制限されない。

フォトニック結晶構造中のフォトニックバンドギャップの出現は、低屈折率材料および高屈折率材料との間で高い屈折率コントラストを要求する。言いかえれば、円筒ホールにおける材料とスラブ材料との間の屈折率の差は大きくなるべきである。一実施形態では、ホールの材料とスラブの材料との間の屈折率の差は、１以上である。一実施形態では、ホールの材料とスラブ中の材料の間の屈折率の差は、２よりも大きい。ＧａＡｓ２次元スラブ構造に関して、高い屈折率コントラストは、所望のアレイパターン配置を備える空気ホールのエッチングにより達成されうる。空気の屈折率はｎ＝１であり、ＧａＡｓの屈折率は約ｎ＝３．５である。

図１に示される光デバイスでは、導波路構造は、省略され、または格子から欠落したホールの列を備える六方配置における、ホールのエッチングされたアレイを含む。流動可能酸化物のスピンは、ホールおよびエッチングされた領域下を満たす。水素シルセスキオキサンの溶液に関する屈折率値は、約ｎ＝１．４である。

図９に示されるフォトニックバンド構造は、ＧａＡｓ周囲領域に関してｎ＝３．５、ホールに関してｎ＝１．５の屈折率（すなわち、水素シルセスキオキサンよりも高い）を備えた材料を用いるＷ１フォトニック結晶導波路に関するシミュレーションを用いることで得られる。減少した屈折率コントラストの場合でさえ（すなわち、１ではなくｎ＝１．５）、フォトニックバンドギャップは形成される。２つのｙ偏光された伝搬モードがバンドギャップ内に現れ、デバイスの層の平面に沿って量子光の転写に用いられる。格子定数およびホールの半径の値は、埋め込まれた量子ドットの放射エネルギーが対象伝搬モードによってカバーされるスペクトル内にあるように、自由に調整されうる。言いかえれば、ａとｒとの値を選ぶことによって、それが量子ドットの放射エネルギーをカバーするように、伝搬モードによってカバーされたスペクトルが調整されうる。例えば、最も低く横たわる伝搬モードに関して、例えば格子定数ａ＝２５０ｎｍ、カバーされる波長範囲は約１７ｎｍである。
図１０は、実施形態に従う光デバイスの概略図である。デバイスは図１に示されるデバイスと同様である。しかし、デバイスはまた、ＧａＡｓスラブの表面の上に重なって接するｐ型ＧａＡｓ９０１の層を含む。デバイスを製造する場合、ｐ型ＧａＡｓ９０１の層は非ドープのＧａＡｓ層１０９の上部に成長する追加ステップが、ステップＳ２０３とＳ２０４との間に含まれる。その後、メサが形成され、続いてレジストが構造の上部に形成される。設計マスクは転写され、フォトニック結晶構造を形成するために、ドライエッチングが、ｐドープされたＧａＡｓ層９０１、非ドープのＧａＡｓ層１０９およびｎドープされたＧａＡｓ層１０７を通じて行なわれる。ｐ型ＧａＡｓ９０１の層はｎドープされたＧａＡｓ１０７の層と、厚さが同じオーダーである。両方の層は非ドープのＧａＡｓ層１０９よりも薄い。スラブの上表面で成長したｐ型ＧａＡｓ９０１の層は、上部ｐ型コンタクト（ＩＴＯの層）とスラブ材料との間でよいオーム接触を可能にする。

一実施形態では、ｎ型電極がフォトニック結晶スラブの上の局所コンタクトを形成するように、ｐｎ接合は逆にすることができる。逆にしたｐｎ接合については、スラブの各端でのオーム接触の形成に関して適切な作業機能（ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を備えるコンタクトの選択は用いられてもよい。ｐドープされたＧａＡｓ層９０１は代わりに、ｎドープされ、ｎドープされたＧａＡｓ層１０７は代わりに、ｐドープされる。

図１１は、実施形態に従う光デバイスの概略図である。デバイスは図１に示されるデバイスに似ている。しかしながら、流動可能酸化物は、犠牲層が削除され、スラブ中の円筒領域を満たさない空間を満たさない。このデバイスでは、空気はこれらの領域を代わりに満たす。例えば、ホールがとても小さいので（例えば、ホールは直径２００ｎｍまでかもしれない）、スピンコーティングステップＳ２０９の間に、流動可能酸化物は円筒ホールを満たさないかもしれない。それゆえ、スラブの真下のホールおよび領域は、空気で満たされる。また、流動可能酸化物はスラブの表面で層を形成する。空気はｎ＝１の低屈折率を有するので、これはデバイスの動作を妨げない。

この実施形態では、円筒状領域はｎ＝１の屈折率を有する空気である。空気がＨＳＱの代わりに円筒状領域を満たすために用いられる場合、導波路伝搬モードは、エネルギー中わずかに変化するだろう。

図１２は、平方格子配置を備える一方向Ｗ１フォトニック結晶導波路スラブの概略図である。それは、実施形態に従って光デバイスの一部を形成する。

図１２中のスラブは上から見られる、すなわち、層の積層方向を見下ろす。スラブは２次元フォトニック結晶導波路であり、例えば図２に関して記述されるように、ナノ製造技術を用いて製造されうる。

スラブは、実質的に円筒ホールの実質的に規則的アレイを含む。ホールは平方格子上に配列される。導波路構造は格子中で特定の方向に沿ってホールの１つ以上のラインを省略することによって達成される。言いかえれば、導波路は省略され、または欠落するラインに沿った隣接するホールによって形成される。導波路は、一端がスラブの端で、他端がホールのラインで終端される。

図１２に描かれるような平方格子を備えたフォトニック結晶導波路は、導波路領域で生じる局所キャリア注入とともに、六方格子を備えるフォトニック結晶導波路と同じ動作原理を有する。

図１３は、実施形態に従って光デバイスの一部を形成する、２つの欠陥領域を分離する２つのホールを持ったＬ３導波路フォトニック結晶構造の概略図である。キャリア注入は、図１に図示される機構を用いて、すなわち、キャビティ領域１３０５への局所コンタクトを介して、Ｌ３キャビティ領域１３０５で生じる。図１３中のデバイスは、フォトニック結晶導波路１３０３に接続された、Ｌ３キャビティ１３０５からなるデバイスである。図１３に示されるデバイス構造は、例えばパーセル効果によって光放射の効率を改善するためにキャビティ効果の利点を得ることができる。

図１３中のフォトニック結晶スラブは上から見られる、すなわち、層の積層方向を見下ろす。ｙおよびｘと名付けられた軸が、図に示される。ｘおよびｙ方向は互いに直角であり、両方とも層の平面にある。スラブは２次元フォトニック結晶L３導波路であり、キャビティ構造である。フォトニック結晶スラブは、例えば図２に関して記述されるように、ナノ製造技術を用いて製造されうる。

スラブは、実質的な円筒ホールの実質的な規則的アレイを含む。図１３に示されるスラブでは、ホールは六方格子状に配置される。ホールは、代替的な格子、例えば、平方格子上に配列されてもよい。ホールが格子の代替的な種類に配置される場合、キャビティはもはやL３キャビティではないが、異なる種類のキャビティであるだろう。導波路１３０３は、格子から、省略されまたは欠落するラインに沿った隣接するホールによって形成される。キャビティ１３０５は、導波路として同じ線に位置する。実施形態では、キャビティ１３０５は、導波路１３０３のように同じラインに沿って３つの隣接する欠落ホールによって形成される。図では、導波路１３０３は、ラインに沿って１０個の隣接する欠落ホールによって形成される。欠落ホールの他の数は、導波路を形成するため用いられうる。欠落する１０個のホールは、スラブの端でのホール、およびラインに沿った９つの連続するホールを含む。これらの１０個の欠落ホールは、導波路１３０３を形成する。ラインに沿った次の２つのホールは欠落しない。これらのホールは、導波路１３０３とキャビティ１３０５とを分離する。さらに、ラインに沿った次の３つのホールはまた欠落する。これらの３つの欠落ホールはキャビティ１３０５を形成する。キャビティ１３０５は導波路１３０３の一端に位置する。したがって、導波路１３０３は、キャビティ１３０５に位置する後部に、スラブの端によって一端を、２つのホールによって他端が終端される。

したがってこの場合、（例えば、図２に関して記述されるプロセスによる）デバイスの製作は、Ｌ３キャビティ１３０５の中心の上のキャリア注入領域を定義するために変更される。基本キャビティモードで共振中の放射エネルギーを備えるキャビティ１３０５の中心に位置する量子ドットは、パーセル効果により自然放射率の増大を経験する。

効率的な量子ドットキャビティモード結合のために、量子ドットの位置は最大電界と一致する。基本Ｌ３モードについては、その最大電界はキャビティ１３０５の中心である。さらに、量子ドットとの空間マッチングおよび適切なスペクトルを備えた高次キャビティモードの使用もまた可能である。

キャビティ１３０５における量子ドットによって生成された光子は、フォトニック結晶導波路１３０３に注入されうる。キャビティ１３０５と導波路１３０３との結合は、導波路伝搬モードおよびキャビティ１３０５からの放射された光子のよいスペクトルマッチングによって可能になる。導波路伝搬モードのパリティがキャビティモードのパリティと一致する場合、効率的な結合が生じる。これは、Ｌ３キャビティで容易に達成しうる。

実施形態では、１つ、２つのあるいは３つのホールは導波路１３０３とキャビティ１３０５とを分離するために用いられうる。３つを超えるホールは、キャビティ１３０５から導波路１３０３までの光子送信の効率を減少させるかもしれない。

局所キャリア注入を有する（および例えば図２に関して記述されたプロセスを用いて形成される）フォトニック結晶デバイスもまた、フォトニック量子回路において量子エミッタ、すなわち、量子ドットを統合するために、フォトニック結晶導波路から形成される干渉構造に用いることができる。

図１４は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成するフォトニック結晶スラブの概略図である。フォトニック結晶スラブ構造はマッハツェンダー干渉計を形成する。

図１４中のフォトニック結晶スラブは上から見られる、すなわち、層の積層方向を見下ろす。ｙおよびｘと名付けられた軸が、図に示される。ｘおよびｙ方向は互いに直角であり、両方とも層の平面にある。スラブは２次元フォトニック結晶干渉構造である。フォトニック結晶導波路スラブは、例えば図２に関して記述されるように、ナノ製造技術を用いて製造されうる。

スラブは、実質的な円筒ホールの実質的な規則的アレイを含む。図１４に示されるスラブでは、ホールは六方格子状に配置される。ホールは、代替的な格子（例えば、正方格子）上に配列されてもよい。

導波路１４０３は、省略されまたは欠落するラインに沿った隣接ホールによって形成される。導波路は、ホールのラインによって第１端で終端する。注入領域１４０１では、導波路１４０３にキャリアが供給されることができるように、局所電気接触が導波路１４０３になされる。注入領域１４０１は第１端の近くに位置する。導波路の他端は、ビームスプリッタ１４０５によって終端される。１つのホールは、導波路１４０３の一方にホールの５つのラインのそれぞれから欠落し、１つのホールは、対角線に、導波路１４０３の他方にホールの５つのラインのそれぞれから欠落する。これは、ビームスプリッタを形成する、導波路１４０３から対角線上に分かれる２つの導波路となる。ビームスプリッタ１４０５の各枝の端に、隣接するホールのラインが、干渉計１４０７の第１アームおよび干渉計１４０９の第２アームを形成する。第１アーム１４０７および第２アーム１４０９は、ビームスプリッタ１４０５の枝に結合される２つの導波路である。示されるデバイスでは、アームは等しい長さであるが、１つのアームがほかのアームよりも多くのホールが欠落することによって、非対称マッハツェンダー干渉計を形成してもよい。

局所コンタクトも、第２のアーム１４０９になされる。これは、第２アーム１４０９を介して移動する光子の熱的または電気的制御を可能にする。

アームの端部は、結合器１４１３で結合する。結合器１４１３は２つの対角する枝を含み、一方は第１アーム１４０７の端部に接続され、一方は第２アーム１４０９の端部に接続される。両方の枝は、欠落したホールの隣接する線によって形成される導波路１４１５の一端に結合される。導波路１４１５の他端は、第２ビームスプリッタ１４１７に接続される。ビームスプリッタ１４１７の２つの対角の枝は、それぞれ導波路に接続される。各導波路は、欠落するホールの隣接する線によって形成され、それぞれスラブの端で終端する。一方の導波路は、上方出口１４１９を形成し、他方の導波路は、下方出口１４２１を形成する。

（例えば、図２に関して記述されるプロセスによる）デバイスの製作は、導波路１４０３の上のキャリア注入領域を定義し、かつ適切なホールの省略によって干渉計構造を形成するために変更される。局所注入領域は、図で示されるようなフォトニック結晶構造の左手側に配置される。活性領域における量子ドットは、キャリアの注入によって電気的に励起され、層の平面に沿って単一光子を放射することができる。

最も簡潔な形式では、干渉計は単一量子ビットゲートとして用いられうる。活性領域から放射される光子が上方出口１４１９かそれとも下方出口１４２１で検出されるかどうかは、干渉計の第１アーム１４０７および第２アーム１４０９間の相対的な位相差分によって決定される。この例では、干渉計の第２アーム１４０９を介して移動する光子の位相は、温度的または電気的制御１４１１に関する局所コンタクトを用いて変更されうる。用いられる制御の方法は、スラブ材料の選択に依存する。

図１３に図示されるものと同様のキャビティ導波路構造も、効率的な光放射に関する干渉計構造と共に含まれうる。

局所コンタクトを有するフォトニック結晶構造の基本設計は、いくつかの統合された量子光源を含むより洗練されたアーキテクチャを実現するための平面内単一光子放射に関する、いくつかの局所注入領域、方向性結合器、キャビティ、およびフォトニック結晶導波路を組み込むために拡張されうる。

フォトニック結晶構造におけるキャリアの局所電気的注入もまた、平面外の量子光を放射するデバイスに用いることができる。

図１５は、実施形態に従う光デバイスの一部を形成するフォトニック結晶スラブの概略図である。スラブはフォトニック結晶Ｌ３キャビティを含む。形成されうるフォトニック結晶キャビティの他の例は、Ｈ１キャビティ、Ｌ５キャビティおよびＬ７キャビティである。キャビティは、六方格子配置における３つの隣接する欠落するホールから形成される。図１、図２および図３に関して記述されるウェーハ構造および同様の製造ステップを用いて、ＩＴＯの領域は、キャビティの中心における小領域と接する。構造の残りは、電気的絶縁を提供するＨＳＱによってカバーされる。ＩＴＯは、キャビティの中心での領域と電極との間の電気コンタクトを提供する。ＨＳＱは、電極がキャビティの中心とのみ接触するように、電極から構造の残りを絶縁する。

ＩＴＯの透過性は、効率的な平面外光励起を可能とする。キャビティにおける活性領域にある単一のＱＤは、キャリアの注入によって電気的に励起され、単一光子を放射する。さらに、エンタングルした光子の放出は、双励起子放射性カスケード放射（ｂｉｅｘｃｉｔｏｎ ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｃａｓｃａｄｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を通じて可能である。そのようなデバイスにおける平面外放出は、ＱＤを囲むフォトニック結晶領域によって向上する。ＱＤから放射された光は、禁制（ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ）フォトニックバンドギャップにより平面に沿って伝搬することができず、平面外の方向に出る。

さらに、もしＬ３キャビティモードと一致するよいスペクトルが存在する場合、ＱＤの自然放射率はパーセル効果を介して向上されうる。キャビティモードの電界の最大値を備えるＱＤの空間マッチングは、パーセル効果を介する自然放射率の強化をもたらす。キャビティの中心の上にあるので、注入領域は、いくつかのキャビティモード（基本モードを含む）の最大電界に空間的に一致するＱＤの電気的励起を可能にする。

量子光の源について、キャリア注入は、光学的励起によって行なわれてもよい。量子ドットは、光学的励起の下で動作するデバイスにおける単一光子の平面内送信において、およびオンチップ生成に関するフォトニック結晶導波路において実装されてもよい。代替的に、横方向のｐ−ｉ−ｎ構造を用いるフォトニック結晶構造におけるキャリアの電気的注入を採用しうる。

フォトニック結晶領域がメサの小領域のみカバーし、上部電極がメサの全表面に接触するｐ−ｉ−ｎメサ構造において、電圧が上部電極と下部電極との間で適用されるとき、ほとんどのキャリアにとってフォトニック結晶の領域外に垂直に移動することがより簡単となる。フォトニック結晶領域におけるホールは、フォトニック結晶領域において電流フローが自由となることを防ぐ。フォトニック結晶スラブおよびホールの壁の表面状態におけるホールの存在は、ほとんどのキャリア注入が所望の（導波路の）領域の外で生じることを意味する。

実施形態では、光デバイスにおけるキャリア注入は、垂直ｐ−ｉ−ｎ接合を利用して行なわれる。デバイス設計は、所望の位置におけるキャリアの局所注入を可能にする。キャリアの局所注入は、デバイスを生産するためのナノ製造技術を用いて、高精度に達成することができる。デバイスは、量子ドット中のキャリアの効率的な注入を可能にする。

光デバイスは、単一光子の平面内転写およびオンチップ発電のために構成されてもよい。フォトニック量子回路の量子光の源の実装は、単一光子のオンデマンド放射および電子的制御を含む。そのような光デバイス構造は、低コストであり、簡単なナノ製造処理を用い、単一光子の生成に採用しうる。光学デバイスは、オンチップフォトニック量子回路に、単一の集積された平面内源、区別不可能および／またはエンタングルした光子として用いることができる。量子光源は、実際にオンチップ集積デバイスに用いられうる。

光デバイスは、平面内量子光源に電気的に励起（Ｐｕｍｐ）されてもよい。デバイスは、量子光の生成および半導体チップに沿ったその送信に関して、フォトニック結晶構造中のキャリアの電気的注入を利用する。光はフォトニック結晶スラブによって半導体チップに沿って送信される。半導体量子ドットの層は、スラブの中心にある。量子ドットは単一光子のエミッタとして用いられる。電気的注入は、ナノ製造方法を用いて、後の段階で堆積されうるｐ型材料およびスラブの底でｎドープされた半導体層と共に、垂直ｐ−ｉ−ｎ構造を介して生じる。スラブとｐ型材料との間の流動可能酸化物の層は、絶縁を提供する。ｐ型材料の堆積前の熱処理された流動可能酸化物上のリソグラフィ的に定義されたホールは、局所電気的注入を可能にする。

光デバイスは、平面内生成および量子光の送信に関して、フォトニック結晶導波路における正確なキャリア電子的注入が存在するように構成されてもよい。（ＩＴＯ領域によって形成される）透過性上部コンタクト（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｔｏｐ ｃｏｎｔａｃｔ）は、キャリアが注入されるべき位置の高精度な定義を可能とする。透過性上部コンタクトを有するデバイスは、光が平面外の（デバイスから垂直な）方向、すなわち層の積層方向に、放射されるデバイスに用いられうる。そのようなデバイスは、フォトニック結晶キャビティを含み、透過性電極は、キャビティ品質および特性の影響なしに、キャビティ領域にキャリアを注入するために用いられるだろう。

絶縁する流動可能酸化物層は、キャリア注入が所望の位置にのみ制限されることを意味する。さらに、流動可能酸化物およびＩＴＯの使用は、導波路の動作に影響しない、すなわち、スラブ中の屈折率コントラストはまだ、十分に高い。

フォトニック結晶キャビティは、量子エミッタ、例えば量子ドットに結合されるとき、単一の、区別不可能および／またはエンタングルした光子の形式で、量子光の放射に対する制御を可能にする。フォトニック結晶導波路は、チップの平面に沿った量子光を効率的に送信することができる。光デバイスは、フォトニック結晶構造中のキャリアの電子的注入を可能とする。フォトニック結晶構造は、集積された量子光源である。フォトニック結晶構造中の酸化物を絶縁する低屈折率の使用は、フォトニック結晶性能における減少なしに、所望の領域における局所キャリア注入を可能にする。電気的注入方法は、キャビティおよび導波路構造の両方で用いることができ、チップの平面に沿った量子光の転写および発電を可能にする。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (18)

1. フォトニック結晶構造と、電極とを具備する光デバイスであって、
   前記フォトニック結晶構造は、
   第１材料の層と、
   前記第１材料の前記層に形成されたホール内に存在する第２材料の複数の領域とを具備し、
   前記層は、量子エミッタを含み、前記領域は、導波路領域が形成されるように正則格子から欠落する少なくとも一領域を有する当該正則格子に配置され、前記量子エミッタは、フォトニック結晶構造の前記ホールが存在しない領域に位置し、前記第２材料は、前記第１材料と異なる屈折率を有し、
   前記光デバイスは、
   前記フォトニック結晶構造の上に重なって接する電気絶縁材料の層と、
   前記フォトニック結晶構造の前記ホールが存在しない領域の一部の上に重なって接する、前記電気絶縁材料の前記層に形成されたキャビティ領域に存在する第３材料の領域と、
   前記電気絶縁材料の層と前記第３材料の領域との上に亘り重なって接する前記第３材料の層と、をさらに具備し、
   前記第３材料は導電性を有し、
   前記電極は、前記第３材料の層及び前記第３材料の領域を介して前記ホールが存在しない領域に電気的に接続される光デバイス。
2. 前記電気絶縁材料と前記第２材料とは、同じ材料である請求項１記載の光デバイス。
3. 前記第２材料は、１．６未満の屈折率を有し、電子ビームレジストとして用いるのに適する請求項１または請求項２に記載の光デバイス。
4. 前記第２材料は、水素シルセスキオキサンである請求項１記載の光デバイス。
5. 前記フォトニック結晶構造は、前記第１材料よりも低い屈折率を有する材料の上に重なって接する請求項１記載の光デバイス。
6. 前記フォトニック結晶構造は、前記第２材料と同じ材料を具備する層の上に重なって接する請求項１記載の光デバイス。
7. 前記電極は、ｐ型電極であり、
   前記光デバイスはさらに、
   前記ｐ型電極に対して前記フォトニック結晶構造の反対面に電気的に接続され、前記層の平面に実質的に垂直な方向にｐｎ接合を形成するｎ型電極を具備する請求項１記載の光デバイス。
8. 前記第１材料は、半導体材料である請求項１記載の光デバイス。
9. 前記第１材料は、ＧａＡｓであり、前記第１材料の前記層のうちの前記ホールが存在しない領域は、低密度ＩｎＡｓ量子ドットの層を具備する請求項１記載の光デバイス。
10. 前記第３材料は、インジウム錫酸化物である請求項１記載の光デバイス。
11. 前記ホールが存在しない領域は、前記層の平面に実質的に平行な方向に沿った導波路領域である請求項１記載の光デバイス。
12. 前記導波路領域は、前記正則格子から欠落する前記第１材料の領域によって形成され、
    前記導波路領域は、前記キャビティ領域に光学的に結合される請求項１記載の光デバイス。
13. 前記正則格子から欠落する前記第１材料の複数の領域によって形成される干渉計をさらに具備し、
    前記干渉計は、前記量子エミッタが位置する前記キャビティ領域と光学的に結合される請求項１記載の光デバイス。
14. 基板に犠牲層を形成し、
    前記犠牲層の上に重なって接する第１電気コンタクト層を形成し、
    前記第１電気コンタクト層の上に重なって接する第１材料の層を形成し、前記第１材料の前記層は量子エミッタを具備し、
    前記第１材料の前記層の複数の領域を除去し、正則格子に配置される前記領域は、導波路領域が形成されるように前記正則格子から欠落する少なくとも一領域を有し、前記量子エミッタは、フォトニック結晶構造のホールが存在しない領域に位置し、
    前記犠牲層の一部を除去し、
    前記フォトニック結晶構造の上に重なって接する層を形成するように第２材料を適用し、前記第２材料は電気絶縁材料であり、
    前記第２材料の前記層において、前記フォトニック結晶構造の前記ホールが存在しない領域の一部の上に重なって接する領域を除去してキャビティ領域を生成し、
    前記第２材料と前記キャビティ領域との上に重なって接する層を形成するように第３材料を適用し、前記第３材料は伝導性を有し、
    電極を前記第３材料に電気的に接続するステップを具備する光デバイスを製造する方法。
15. 前記第１材料の前記層の複数の領域を除去する前記ステップは、
    第１材料の前記層上にレジストを形成し、
    リソグラフィを用いて設計マスクを前記レジストに転写し、
    前記設計マスクを介して前記犠牲層までエッチングするステップを具備する請求項１４記載の方法。
16. 前記第２材料を適用する前記ステップは、
    前記複数の領域および前記犠牲層の一部を除去することにより形成される空間を満たし、前記フォトニック結晶構造の上に重なって接する層を形成するように、流動状態にある前記第２材料で前記フォトニック結晶構造をスピンコーティングし、
    前記第２材料を硬化するように前記光デバイスを熱処理することを具備する請求項１４記載の方法。
17. 前記キャビティ領域を生成する前記ステップは、
    リソグラフィを用いて設計マスクを前記第２材料の前記層に転写し、前記第２材料の前記層はレジストの役割を果たし、
    前記設計マスクを現像することを具備する請求項１４記載の方法。
18. 前記第１材料は半導体材料であり、前記第２材料は水素シルセスキオキサンであり、前記第３材料はインジウム錫酸化物である請求項１４記載の方法。

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