JP6524165B2 - 光学デバイスおよび光学デバイスを製造する方法 - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１４年１０月２２日に出願された英国特許出願第１４１８８０５.６号からの優先権の利益に基づいたものであり、この優先権の利益を主張し、その内容全体は参照によってここに組み込まれる。
［技術分野］
ここに説明される実施形態は、一般に、例えば光子源などの光学デバイスおよびその製造方法の分野に関する。
光子源などの光学デバイスは、量子通信、量子計算および量子センシングなどの様々な分野に適用される。量子ドットに基づいた光子源は、単一光子または量子もつれ光子対を出力するように動作することができる。これらのデバイスの性能を高める継続的必要性がある。
以下、添付の図面を参照しながら非限定的な実施形態に係るデバイスおよび方法を説明する。
図１は、ストランスキー・クラスタノフ成長技術の概略図である。 図２は、液滴成長モード技術の概略図である。 図３は、実施形態に係る光学デバイスを製造する方法において使用されることができる液滴成長モード方法を示すフローチャートである。 図４（ａ）は、実施形態に係る電気的に励起されるキャビティを含む光学デバイスの概略図である。 図４（ｂ）は、実施形態に係る電気的に励起されるキャビティを含む光学デバイスを製造する方法を示すフローチャートである。 図５（ａ）は、実施形態に係る光学的に励起されるキャビティを含む光学デバイスの概略図である。 図５（ｂ）は、実施形態に係る光学的に励起されるキャビティを含む光学デバイスを製造する方法を示すフローチャートである。 図６は、表面のＡＦＭ画像とともに、成長温度（℃）に対するＱＤ密度（個/μｍ２）のグラフである。 図７は、結晶化前後のＩｎ液滴の画像を示す。 図８は、Ｉｎ量の変化に伴うＱＤの変化を示す。 図９は、波長（Å）に対するＩｎ液滴ＱＤから放射される光の強度のグラフである。 図１０は、波長（Å）に対するマルチＩｎ液滴ＱＤから放射される光の強度のグラフである。 図１１は、００１ＧａＡｓ基板上に成長されたＩｎＡｓ液滴エピタキシー量子ドットの微細構造分裂（μｅＶ）を示す。 図１２は、実施形態に係る簡略化した光学デバイスの概略図およびキャビティ内の異なる構造の４つの概略図を示す。 図１３は、簡略化した光学デバイスの概略図およびキャビティ内の異なる構造の５つの概略図を示す。 図１４は、光子源である実施形態に係る光学デバイスの概略図を示す。 図１５は、実施形態に係るフォトニック結晶を含む光学デバイスの概略図である。
一実施形態によれば、基板と、１つの半導体層または複数の半導体層と接触する量子エミッタ（quantum emitter）を含み、基板上にあるキャビティ構造と、を備え、量子エミッタと接触する１つの半導体層または複数の半導体層のすべては量子エミッタの高さより大きい厚さを有する、光学デバイスが提供される。
一実施形態では、量子エミッタは量子ドットである。一実施形態では、量子エミッタは量子リングである。一実施形態では、複数の量子エミッタがある。
一実施形態では、キャビティは、基板の原子的に平らな表面上にある。一実施形態では、キャビティ構造は、基板の（００１）配向表面上にある。基板は、立方晶系結晶構造を有していてもよい。基板は、閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
一実施形態では、基板はＧａＡｓおよびＩｎＰのうちの一方であり、キャビティ構造は基板の００１配向表面上に形成される。ＧａＡｓおよびＩｎＰは両方ともに閃亜鉛鉱の結晶構造を有する。閃亜鉛鉱型構造は面心立方構造を有する。このタイプの結晶に関するエピタキシャル成長は（００１）結晶面上で起こることができる。（００１）面は原子的に平らな表面を有する。（００１）配向表面上に平面的な層構造を成長させることは、（００１）配向表面の原子配位によって助長される。（００１）配向表面という語は、ヨーロッパで通常に使用され、（１００）配向表面という語は、物理的に同じ表面を指すためにアメリカ合衆国で通常に使用される。（００１）配向表面という語は、立方晶系結晶の立方体表面のうちの１つと適応する任意の表面を指すために使用されることができる。一実施形態では、基板は立方晶系結晶構造を有し、キャビティ構造は立方体表面のうちの１つと適応する基板の表面上にある。
一実施形態では、量子エミッタの高さは３ｎｍより大きい。一実施形態では、量子エミッタの高さは、３ｎｍより大きく１２ｎｍより小さい。
一実施形態では、層の面内における量子エミッタの最大寸法は３ｎｍより大きい。一実施形態では、層の面内における量子エミッタの最大寸法は、３ｎｍより大きく７０ｎｍより小さい。
デバイスは、単一光子または光子対の源（source）であってもよい。デバイスは、量子もつれ光子対（entangled photon pairs）の源であってもよい。
一実施形態では、量子エミッタは、いずれの量子ドットの高さよりも小さい厚さを有する半導体層と接触していない。一実施形態では、量子エミッタは、いずれの量子ドットの高さよりも小さい厚さを有する半導体層によって横方向に接続されていない。一実施形態では、量子ドットは、いずれの量子ドットの高さよりも大きい厚さを有する半導体膜によって横方向に接続されている。
一実施形態では、量子エミッタの双極子軸の方向は実質的にランダムである。言い換えると、デバイス内のすべての量子エミッタに関する双極子軸の方向の分布はランダムである。一実施形態では、量子エミッタの双極子軸の方向の角度の過半がある４５度の範囲はない。すべての４５度範囲は、少なくとも１つの量子エミッタを含む。
一実施形態では、光学デバイスは、双極子軸の方向にランダム分布を有する複数の量子エミッタを有する量子エミッタ層を含み、光子源は、所定数の量子エミッタから放射を分離するように構成される。
一実施形態では、量子エミッタの少なくとも１つの微細構造分裂は１０μｅｖ未満である。一実施形態では、量子エミッタの少なくとも１つの微細構造分裂は５μｅＶ未満である。一実施形態では、光学デバイスは、微細構造分裂にランダム分布を有する複数の量子エミッタを有する量子エミッタ層を含む。
一実施形態では、量子エミッタの密度は１０個／μｍ２未満である。一実施形態では、量子エミッタの密度は３個／μｍ２未満である。一実施形態では、量子エミッタの密度は、量子エミッタが互いから光学的に分離されるのに十分に低い。すなわち、個々の量子エミッタに由来する励起子線は、隣接する量子エミッタに由来する励起子線と相互作用しない。
一実施形態では、デバイスは、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓから選択される少なくとも１つの化合物を含む。一実施形態では、デバイスは、ＡｓまたはＰと結合したＧａ、ＩｎまたはＡｌを含む。一実施形態では、デバイスは、ＡｓまたはＰを含む。
一実施形態では、量子エミッタはＩｎＡｓ量子ドットであり、基板はＧａＡｓである。一実施形態では、量子エミッタはＩｎＡｓ量子ドットであり、基板はＩｎＰである。一実施形態では、量子エミッタはＩｎＰであり、基板はＧａＡｓである。一実施形態では、基板はＧａＡｓまたはＩｎＰである。一実施形態では、基板はＧａＮではない。
一実施形態では、量子エミッタと接触するウェッティング層はない。一実施形態では、量子ドットは、量子エミッタとは異なる格子定数を有する材料上にあり、この材料と接触している。一実施形態では、格子定数の違いは７％より大きい。
一実施形態では、量子エミッタは光学的に励起され、光学デバイスは量子エミッタを光学的に励起するように構成されたレーザーを含む。
一実施形態では、量子エミッタは電気的に励起され、光学デバイスは量子エミッタを電気的に励起するように構成された電気コンタクトをさらに含む。光学デバイスは第１のドープ層および第２のドープ層を含んでいてもよい。第１の電気コンタクトが第１のドープ層に接触され、第２の電気コンタクトが第２のドープ層に接触され、それによりp-i-n接合が形成される。ｎ型電極窓があってもよい。
一実施形態では、第１のドープ層、キャビティ構造および第２のドープ層は、基板上のメサ構造である。
一実施形態では、キャビティ構造は、第１の分布ブラッグ反射器および第２の分布ブラッグ反射器をさらに含む。一実施形態では、第１の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）はキャビティ媒体の下にあり、第２のＤＢＲはキャビティ媒体の上にある。一実施形態では、第２のＤＢＲは、第１のＤＢＲより短いＤＢＲであり、それにより不平衡のマイクロキャビティを形成する。
一実施形態では、キャビティ構造はフォトニック結晶を含む。一実施形態では、キャビティ構造は分布帰還型回折格子を含む。
キャビティ構造は、２つの反射構造間にキャビティ媒体を含む。反射構造は、例えば、分布ブラッグ反射器、分布帰還型回折格子、またはフォトニック結晶の領域であってもよい。
一実施形態では、キャビティ媒体領域の高さはｍλ／２ｎであり、ここで、λは放射される光子の波長と同様であり、ｎはキャビティ材料の屈折率であり、ｍは整数である。一実施形態では、λは、空気と比べて高い屈折率によりＧａＡｓ中で低減される〜９０５ｎｍの量子ドット放射の波長に対応する。
キャビティ構造が穴部の格子を有するフォトニック結晶を含む場合、キャビティ媒体は格子のラインに沿って複数の省略された隣接する穴部の領域を含む。キャビティ媒体領域の右側の穴部のラインは、第１の反射構造である。キャビティ媒体領域の左側の穴部のラインは、第２の反射構造であり、それは、第１の反射構造と反対側のキャビティ媒体領域にある。さらに、キャビティ媒体領域の長手側（elongate sides）の両方にある穴部の領域は、キャビティ媒体領域の両側にある反射構造である。
キャビティ媒体は、量子エミッタに接触する１以上の半導体層を含む。
一実施形態では、量子エミッタは、キャビティの残りとは異なる材料の層上にあり、この層と接触している。量子エミッタは、量子エミッタ上にあって量子エミッタと接触しているキャビティ媒体と、量子エミッタ下にあって量子エミッタと接触している異なる材料の層と、に接触している。キャビティ媒体層および異なる材料の層は両方ともに量子エミッタの高さより大きい厚さを有する。
一実施形態では、量子エミッタはＤＷＥＬＬ構造内にある。量子エミッタは、キャビティ媒体の残りとは異なる材料を有する層だけと接触している。この層は量子エミッタの高さより大きい厚さを有する。
一実施形態では、量子エミッタは、キャビティ媒体の残りとは異なる材料の層で覆われる。量子エミッタは、キャビティ媒体層上にあってキャビティ媒体層に接触しており、異なる材料の層は、量子エミッタ上にあって量子エミッタに接触している。キャビティ媒体層および異なる材料の層は両方ともに量子エミッタの高さより大きい厚さを有する。
実施形態では、層の厚さは、成長方向における層の組成プロファイルの半値全幅である。実施形態では、厚さは、量子エミッタによって穿孔されない層の部分について決定される平均厚みである。実施形態では、量子エミッタの高さおよび層の厚さは同じ方法を使用して測定される。
一実施形態によれば、光学デバイスを形成する方法であって、
基板上に第１の反射構造を形成するステップと、
第１の金属材料の分離した複数の液滴を堆積させるステップと、
第２のＶ族材料を供給するステップであって、第２の材料が第１の材料の液滴と反応して複数の量子エミッタを形成するステップと、
第２の反射構造を形成するステップと、
を備え、第１の反射構造および第２の反射構造がキャビティ構造を定める、方法が提供される。
一実施形態では、方法は、
基板と第１の反射構造との間に第１のドープ層を形成するステップと、
第２の反射構造上にあって第２の反射構造と接触する第２のドープ層を形成するステップと、
p-i-n接合を形成するために、第１の電極を第１のドープ層に、第２の電極を第２のドープ層に接触させるステップと、
をさらに備える。ｎ型電極窓は、リソグラフィおよびエッチングを使用して形成されてもよい。
一実施形態では、方法は、第１の反射構造上にあって第１の反射構造と接触する第１の層であって、その上に複数の量子エミッタが形成される第１の層を形成するステップと、
第１の層および複数の量子エミッタ上にあって第１の層および複数の量子エミッタと接触する第２の層であって、その上に第２の反射構造が形成される第２の層を形成するステップと、
をさらに備える。
一実施形態では、第１の層は、基板の００１配向表面上にあって００１配向表面に接触して形成される。
デバイスは分子線エピタキシーによって成長されることができる。バッファ層は、第１の層がバッファ層上にあってバッファ層に接触するようにして、基板の００１表面上に形成されてもよい。
一実施形態では、量子エミッタは液滴成長モード技術を使用して形成される。
一実施形態では、第１の反射構造および第２の反射構造は分布ブラッグミラーである。第１の反射構造および第２の反射構造は分布帰還型回折格子であってもよい。
第１の反射構造および第２の反射構造はフォトニック結晶の領域であってもよい。フォトニック結晶内に第１の反射構造および第２の反射構造を形成するステップは、基板上にあって基板と接触する第１の層であって、その上に複数の量子エミッタが形成される第１の層を形成することと、第１の層および複数の量子エミッタ上にあって第１の層および複数の量子エミッタと接触する第２の層を形成することと、キャビティ媒体領域を形成する光子中のラインに沿う省略された隣接する穴部の領域を含む、第１および第２の層の両方を通じて穴部の実質的に規則的な格子を形成するために、リソグラフィおよびエッチングを使用することによって第１および第２の反射構造を形成することと、を含む。
一実施形態では、第１の層および第２の層はＧａＡｓを含む。一実施形態では、第１の材料はＩｎであり、第２の材料はＡｓである。一実施形態では、第１の材料は、Ｇａ、ＩｎおよびＡｌのうちの１つであり、第２の材料は、ＡｓおよびＰのうちの１つである。
構造の温度は、第１の材料が堆積される前に降下され、第２の材料が供給されると上昇されてもよい。
一実施形態では、量子エミッタは量子ドットである。
一実施形態では、量子エミッタは量子リングである。第２の材料を供給するステップの後に、第２の層と同じ材料の部分キャッピング層は、ＱＤの上部が露出されるようにして堆積される。その後に、温度は、量子ドットの中央部を脱離するために上昇される。そして、第２の層が前述したように形成される。
一実施形態では、複数の量子エミッタがある。
一実施形態では、量子エミッタはウェッティング層なしで形成される。量子エミッタは液滴として形成される。
一実施形態では、メサ構造はリソグラフィおよびエッチングを使用して形成される。
一実施形態では、方法は、
第１の反射構造上にあって第１の反射構造と接触する第１の層を形成するステップと、
第１の層上にあって第１の層と接触する第３の層であって、その上に複数の量子エミッタが形成される第３の層を形成するステップと、
第３の層および複数の量子エミッタ上にあって第３の層および複数の量子エミッタと接触する第２の層であって、その上に第２の反射構造が形成される第２の層を形成するステップと、
をさらに含む。
一実施形態では、方法は、
第１の反射構造上にあって第１の反射構造と接触する第１の層を形成するステップと、
第１の層上にあって第１の層と接触する第３の層であって、その上に複数の量子エミッタが形成される第３の層を形成するステップと、
第３の層および複数の量子エミッタ上にあって第３の層および複数の量子エミッタと接触する第３の材料の第４の層を形成するステップと、
第４の層上にあって第４の層と接触する第２の層であって、その上に第２の反射構造が形成される第２の層を形成するステップと、
をさらに含む。
一実施形態では、方法は、
第１の反射構造上にあって第１の反射構造と接触する第１の層であって、その上に複数の量子エミッタが形成される第１の層を形成するステップと、
第１の層および複数の量子エミッタ上にあって第１の層および複数の量子エミッタと接触する第３の層を形成するステップと、
第３の層上にあって第３の層と接触する第２の層であって、その上に第２の反射構造が形成される第２の層を形成するステップと、
をさらに含む。
第３の材料は、第１の層および第２の層とは異なる材料である。
キャビティ構造という語は、媒体の両側の少なくとも２つの反射構造によって形成された構造を指す。構造は光キャビティを形成し、定常波がキャビティ媒体の内部で生ずることを可能にする。キャビティは、面外方向または面内方向における光閉じ込めを提供してもよい。
反射構造は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であってもよい。分布ブラッグ反射器は面内周期的屈折率変調を含む。一実施形態では、反射構造はフォトニック結晶の領域である。一実施形態では、反射構造は分布帰還型回折格子である。
量子エミッタの高さという語は、面外方向における量子エミッタの最大寸法を指すために使用される。
面外方向は、層の面に垂直な方向である。面外方向は成長方向である。
層の厚さは、面外方向における層のサイズを指すために使用される。
図１（ａ）は、量子ドットの形成に関するストランスキー・クラスタノフ（Stranski-Krastanov）成長モード技術の概略図である。ストランスキー・クラスタノフＱＤにおいては、ＩｎおよびＡｓフラックスは両方同時に供給され、それにより、厚さが増大するとＱＤに発達する歪みウェッティング層が形成される。
（i）において、ＩｎおよびＡｓがＧａＡｓ表面上に堆積される。ＩｎおよびＡｓは単一ステップで同時に堆積される。
（ii）には、ウェッティング層と称されるＩｎＡｓの薄い層がＧａＡｓ表面上に位置して且つＧａＡｓ表面と接触して形成されることが示されている。ＩｎＡｓウェッティング層とＧａＡｓ表面との間の格子不整合によって、歪み形成がウェッティング層に生じる。
ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）は、ＩｎＡｓウェッティング層１０３に歪み緩和によって形成される。（iii）に示されるように、ＱＤはウェッティング層に「島」として生じる。ＱＤは角錐形の断面または角錐台形の断面を有する。
ストランスキー・クラスタノフ技術はＧａＡｓ基板の（００１）表面上にウェッティング層を形成するために使用されることができる。ＱＤはウェッティング層に島として生じる。ウェッティング層は、ウェッティング層上にありウェッティング層と接触する材料とは異なる格子定数を有する。ウェッティング層は、ＱＤが外へと形成された層である。ウェッティング層の厚さは、いずれのＱＤの高さよりも小さい。
ＱＤは、ウェッティング層放射を伴う高強度放射を提供する。ウェッティング層は、再励起のための貯蔵（reservoir）として働くことができ、コヒーレンス時間に影響を及ぼすことができ、パルス動作で多光子放射を引き起こすことができる。これは、例えば、ウェッティング層のエネルギーより低いエネルギーのレーザーで共鳴的に励起することによって回避することができる。ウェッティング層は、電荷のためのシンク（sink）として働く。ウェッティング層は、フォトルミネセンス測定において信号を生成する。同様の信号は、ドットの第２層または他の２Ｄ特徴によって引き起こされることもある。キャビティ、波長依存吸収、ドーピング、または他の対策の設計は、光学ウェッティング層信号を消すために使用されることができる。
ストランスキー・クラスタノフＱＤは、ＧａＡｓ（００１）配向基板上の構造中に形成されることができる。このような構造はウェッティング層を含む。ストランスキー・クラスタノフ技術によって形成されたＱＤにおいては、ＱＤは、ある波長、例えば、〜８８５ｎｍで放射するＱＤを除いて、大きい微細構造分裂、すなわち、５μｅＶより大きい微細構造分裂を有する。ストランスキー・クラスタノフＱＤは、９０度離れた１１０および１-１０結晶軸に配列する傾向がある。
図２は、量子ドットの形成に関する液滴成長モード技術の概略図である。液滴成長モード技術は、ＧａＡｓ表面上に形成されたＩｎＡｓＱＤに関してここに示される。しかしながら、液滴成長モード技術はこれらの材料に制限されない。液滴成長モード技術は、例えばＧａＡｓまたはＩｎＰなどの基板材料上に、例えばＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰまたはＧａＡｓの量子ドットを形成するために使用されることもできる。
（i）では、Ｉｎ液滴は、ＧａＡｓ表面上に形成される。液体Ｉｎは、ＧａＡｓ表面上に堆積される。液体Ｉｎは、ＧａＡｓ表面上に歪みのない液滴を形成する。液滴は、面内および面外の両方において円形断面を有する。
（ii）では、Ａｓが堆積される。Ｉｎ液滴は、Ａｓと反応してＩｎＡｓナノ結晶を生成する。ＩｎＡｓＱＤは、Ｉｎ液滴とのＡｓの反応によって生じる。
（iii）では、Ｉｎ液滴とのＡｓの反応によって形成されたＩｎＡｓＱＤがＧａＡｓと接触していることが理解されることができる。ＱＤとＧａＡｓとの間に中間のウェッティング層はない。量子ドットは面外方向に円形断面を有する。
液滴成長モード技術は、ＧａＡｓ（１１１Ｂ）配向基板上にＱＤを形成するために使用されることができる。これらのＱＤは、ストランスキー・クラスタノフＱＤより小さいＦＳＳ分裂を有する。
図３は、実施形態に係る光学デバイスを製造する方法において使用されることができる液滴成長モード方法を示すフローチャートである。説明される方法は、ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＡｓＱＤを作るためのものである。しかしながら、方法はこれらの材料に制限されない。方法は、例えば、ＩｎＰまたはＧａＡｓの量子ドットを形成するために使用されることもできる。ＩｎＰドットにおいては、ＧａＩｎＰは、ＧａＡｓ基板と格子整合するバッファとして使用されてもよい。ＧａＡｓ量子ドットにおいては、ＡｌＡｓは、ＧａＡｓ基板と格子整合するバッファとして使用されてもよい。ＧａＩｎＰはバッファおよびマトリクスの両方である。
図３に示される方法は、ウェッティング層を含まないＱＤを形成する。ＩｎおよびＡｓフラックスは別々に供給される。まず、液体インジウムはＧａＡｓの表面上に歪みのない液滴を形成する。次に、ヒ素フラックスは、金属液滴を結晶化させるために供給される。これはＱＤの形成に帰着する。ＩｎＡｓドットにおいては、Ａｓ２よりはむしろＡｓ４が使用され、表面は、Ｉｎ液滴が堆積される前にＧａで終端される。
未処理の基板は酸化物によって保護されてもよい。酸化物は、層状デバイスが基板上で成長される前に真空チャンバ内において高温で除去される。酸化物の除去後の基板の表面はまだらで不完全であり得る。バッファ層は、重要な原子層の全部を基板／バッファ界面から距離をあけて配置する適度に厚い層を構築するために成長されることができる。界面は、ＱＤと相互作用する電荷をトラップすることができ、または、デバイスを複雑にすることがある。
ステップＳ３０１は、このようにして「ＧａＡｓ（００１）基板上にＧａＡｓバッファ層を堆積させる」である。ＧａＡｓの層は、ＧａＡｓ基板の（００１）表面上で成長される。一実施形態では、ＧａＡｓ成長温度は５８０℃であり、バッファ層の厚さは２００ｎｍである。
ステップＳ３０２は「ヒ素の供給を止める」である。バッファ層を成長させるために使用されるＡｓ供給がオフにされる。
ステップＳ３０３は「Ｇａ終端層を堆積させる」である。Ｇａ終端層は、ＧａＡｓ基板およびバッファ層のために堆積される。例えばＩｎＰまたはＡｌＩｎＡｓ基板が使用される場合、終端層は、液滴を形成する前に必ずしも堆積されるわけではない。
ステップＳ３０４は「冷却する」である。基板が冷却される。一実施形態では、基板は８０℃から３６０℃までの間に冷却される。温度は、ＱＤの密度に影響を及ぼす。一般に、液滴形成温度および液滴結晶化温度は、特定の量子ドット材料、サイズおよび密度に関して最適化されてもよく、したがって、互いに並びにデバイスの他の部分の成長温度に対して、より高いこともあり、等しいこともあり、より低いこともある。したがって、いくつかの材料、サイズおよび密度においては、このステップは省略されてもよい。
インジウムセルはプロセス全体を通じて高温に維持される。Ｉｎはインジウムセルから供給される。基板だけがこのステップで冷却される。
ステップＳ３０５は「Ｉｎ液滴を堆積させる」である。液体Ｉｎは、Ｇａ終端層上に堆積される。液滴は金属塊を形成する。
ステップＳ３０６は「ヒ素を供給する」である。ヒ素は、Ｉｎ液滴およびＧａ終端層上に堆積される。ＱＤのパラメータは、Ａｓフラックスまたは到着速度に応じて異なっていてもよい。Ａｓは、このタイプの成長ではＡｓ４の形態で供給される。
ステップＳ３０７は「温度を上昇させる」である。温度が上昇されると、ＡｓはＩｎ液滴と反応する。液滴は、結晶化し、ＱＤを形成する。一実施形態では、システムは約５００℃に加熱される。一般に、液滴形成温度および液滴結晶温度は、特定の量子ドット材料、サイズおよび密度に関して最適化されてもよく、したがって、互いに並びにデバイスの他の部分の成長温度に対して、より高いこともあり、等しいこともあり、より低いこともある。したがって、いくつかの材料、サイズおよび密度においては、このステップは省略されてもよい。この例においては、温度が上がった後にＱＤは結晶化する。Ａｓが供給されると、「クラスト（crust）」は、液滴上に外殻として生じる。温度上昇によって、液滴は、液滴の内部に向かって内側へ「クラスティング（crusting）」を開始する。一実施形態では、温度は液滴が完全に結晶化されるよう十分に上昇されるが、表面からの脱離はない。
一実施形態では、方法は、ステップＳ３０６とステップＳ３０７との間に数分間待機するステップを含む。
ステップＳ３０８は「ＧａＡｓで覆う」である。ＧａＡｓの層は、Ｇａ終端層およびＱＤ上にあってＧａ終端層およびＱＤと接触するように堆積される。
ＩｎＰＱＤにおいては、液滴形成に関するステップは、Ｐを止め、冷却し、Ｉｎ液滴を堆積させ、Ｐ供給を開始し、温度を上昇させることである。ＩｎＰＱＤにおいては、Ａｓ４またはＡｓ２を使用することが可能であり、Ｉｎ液滴が堆積される前にＧａで表面を終端させるステップは省略されてもよい。
図４（ａ）は、実施形態に係る光学デバイスの概略図である。デバイスは、複数の量子ドットを含む電気的に励起されるキャビティを含む。光学デバイスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を使用して製造される。
デバイスは基板４０１上に形成される。この例では、基板はＧａＡｓであるが、他の基板が使用されてもよい。デバイスは基板の（００１）表面上に形成される。（００１）表面上に平面的な層構造を成長させることは、（００１）表面の原子配位によって促進される。００１表面は、平坦なまたは一様に平らな面である。表面は原子スケールで平らである。ＤＢＲなどの層構造の成長は、薄い材料層の多重反復を成長させることを含む。これは平坦な表面上に層を成長させることによって促進される。（００１）配向面上では、上質で無欠陥の単分子層原子成長が達成されることができ、すなわち、ガリウム原子およびヒ素原子を順次に一層ずつ達成することができる。異なるＧａＡｓおよびＡｌＡｓλ／４層間の界面が原子的に平らであるので、これはミラーの作製を促進する。平らな界面を有する明確な厚さの上質のミラーを成長させることは可能であり、上質のミラーパフォーマンスをもたらす。（００１）配向表面上でのＭＢＥ成長は、良質のエピ層を生成する。（００１）上でのＭＢＥ成長は、逆位相、双晶形成、および欠陥のファセッティング（faceting defects）を抑制する。
バッファ層４０３は、基板４０１上にあり、基板４０１と接触している。ドープ層４０５は、バッファ層４０３上にあり、バッファ層４０３に接触している。この特定の例では、ドープ層４０５はｎ型にドープされたＧａＡｓである。下部分布ブラッグ反射器４０７は、ドープ層４０５の一部分の上にあり、この部分と接触している。下部分布ブラッグ反射器４０７は反射構造の一例である。一実施形態では、それは、各々がλ／４の光学的厚さを有する高屈折率半導体および低屈折率半導体の複数対によって形成される。ここで、λは量子ドットからの放射の波長である。一実施形態では、下部分布ブラッグ反射器は、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＡｓとＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓとを交互に１８回繰り返したものを含む。
ＧａＡｓ層４０９は、下部分布ブラッグ反射器４０７上にあり、下部分布ブラッグ反射器４０７と接触している。
複数のＱＤ４１１は、ＧａＡｓ層４０９上にあり、ＧａＡｓ層４０９と接触している。ＧａＡｓ層４０９は、キャビティ内の媒体の下側部分である。ＧａＡｓ層４１３は、複数のＱＤ４１１およびＧａＡｓ層４０９上にあり、複数のＱＤ４１１およびＧａＡｓ層４０９と接触している。ＧａＡｓ層４１３は、キャビティ構造内の媒体の上側部分である。この例ではデバイスはＩｎＡｓのＱＤを有するＧａＡｓ層に基づいているが、他の材料、例えば、ＩｎＰまたはＧａＡｓのＱＤが使用されてもよい。ＩｎＡｓは、比較的低いバンドギャップを有し、テレコムデバイス製造に使用されることができる。ＧａＡｓ基板上で成長される場合、ＩｎＡｓのＱＤは著しく歪み、発光波長が短くなる。ＩｎＰ基板上で成長される場合、歪みは非常に小さく、より長い波長の放射が可能になる。ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓのＱＤを有して形成されたデバイスは、電気通信波長域で光子を放射することができる。
上部分布ブラッグ反射器４１５は、ＧａＡｓ層４１３上にあり、ＧａＡｓ層４１３と接触している。一実施形態では、ＧａＡｓ中のＩｎＡｓドットでは、ＤＢＲはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓスタックである。一実施形態では、下部ＤＢＲは１６の下部対を含み、上部ＤＢＲは６つの対を含む。厚さは、ＡｌＧａＡｓの屈折率を決めるＡｌ濃度に依存する。
高濃度ドープ層４１７は、上部分布ブラッグ反射器４１５上にあり、上部分布ブラッグ反射器４１５と接触している。この例では、ドープ層は、ｐ＋にドープされたＧａＡｓである。層４１７は、ミラー構造４１５の高い反射率を維持するために最適化された厚さを有する。例えば、それは、非常に薄くてもよく、すなわち、５ｎｍであってもよく、あるいは、λ／２ｎの整数であってもよい。ドープ層４０５、下部分布ブラッグ反射器４０７、ＧａＡｓ層４０９、複数のＱＤ４１１、ＧａＡｓ層４１３、上部分布ブラッグ反射器４１５および高濃度ドープ層４１７は一緒になって、基板４０１およびバッファ層４０３上にメサ構造を形成する。メサを作るために、層構造は、フォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィなどの技術を使用して構造をパターニングし、続いてフォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィマスクを介してドライエッチング技術およびウェットエッチング技術のいずれかを用いて所望の形をエッチングすることによって、エッチングされる。エッチングはバッファ層４０３まで下に行われる。その後に、フォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィマスクが除去される。
ｎ型電極４１９はドープ層４０５と接触する。接触は任意のｎ型層になされることができるが、下部ＤＢＲを貫いてエッチングすることによって、デバイス性能は最大化される。ｐ型電極４２１はドープ層４１７と接触する。ｎ型電極４１９およびｐ型電極４２１は、層の面に垂直な方向に、すなわち、層の積層方向にp-i-n接合を形成する。
一実施形態では、p-i-n接合は逆にすることができ、それによりｎ型電極が層の上部に接触を形成する。逆にされたp-n接合においては、代わりに、ｎ型ドープＧａＡｓ層４０５はｐ型にドープされ、ｐ型ドープＧａＡｓ層４１７はｎ型にドープされる。これはn-i-p接合を形成する。
ＱＤ４１１は、ＧａＡｓ層４０９およびＧａＡｓ層４１３だけと接触している。ＧａＡｓ層４０９の厚さおよびＧａＡｓ層４１３の厚さは、ＱＤ４１１の高さよりも大きい。
半導体層の成長またはアニーリング中に混合が生じる。この結果、異なる組成の層間の急激な境界がぼやけてくるようになる。例えば、ＧａＡｓの層とＩｎＡｓの層との間の界面は、混合し、成長方向に沿った位置とともにＩｎ含有量が増大するように、ＧａＡｓからＩｎＧａＡｓへ、さらにＩｎＡｓへと遷移するぼやけた界面になる。さらに、周囲の材料との薄い層の混合は、堆積されるのよりも小さいピーク濃度をもたらすことがある。例えば、ＧａＡｓ内のＩｎＡｓの薄い層は、ＧａＡｓ、より低いインジウム含有量のＩｎＧａＡｓ、より高いインジウム含有量ＩｎＧａＡｓ、より低いインジウム含有量ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓへと含有量が滑らかに移り変わるように、混合する。これらの効果は、層の厚さの測定において混合を考慮すべきであることを意味する。
層の厚さを測定する方法の一例では、層の厚さは、まず、標準ＳＴＭまたはＴＥＭ顕微鏡検査技術を使用して、成長軸または成長方向に沿った距離の関数として層の組成を測定または推定することによって決定されることができる。続いて、厚さは、この組成プロファイルの半値全幅として測定されることができる。
薄い半導体層の原子的性質は、層材料の偶発的原子が混合および拡散により大いに置き換えられる可能性があることを意味する。したがって、面内平均は、組成プロファイルに関する平均値を含む厚さに関する平均値を決定するために層の異なる領域にわたって適用されてもよい。量子ドットによって穴をあけられた層などの非連続層においては、平均またはプロファイリングは、層の適切な部分に関してのみ生じるべきである。
量子ドットの厚さまたは最大高さをそれらが接触している層と比較する場合、混合は、量子ドットおよび接触する層に同様に影響を及ぼすだろう。
キャリアポピュレーションに依存して、量子ドット領域へのキャリアの注入は、励起子、または多励起子複合体、例えば、双励起子の生成をもたらす。
伝導帯中の少数の電子と価電子帯中のホールとの間に束縛状態があり、１つのホールと１つの電子が再結合して光子の放出が起こる放射崩壊が生じる場合に、励起子が形成される。量子ドットの原子のような性質によって、励起子の放射再結合は、単一で識別不可能な光子の放出を引き起こす。
量子もつれ光子対の放出は、放射双励起子カスケードを通じて生じることができる。ＱＤを備えた活性領域のへの２個の電子および２つのホールの注入は、双励起子（２つの電子ホール対）の形成をもたらす。ある状況下では、双励起子は再結合して１対の量子もつれ光子を放射的に放出する。双励起子は、単に、励起パワーを増大させることによって、すなわち、電圧を増大させることによって、生成されることができる。双励起子状態は、「（電荷中性の）励起子」状態中に１つの電子および１つのホールを残すようにして、「双励起子光子」を放出することができる。この電子およびホールは、次に、「励起子」光子を放射し、ドットが空になる。励起子状態の特性の制御を通じて、これらの２つの光子は量子もつれされることができる。
ＱＤから放射された光は、上部分布ブラッグ反射器４１３および下部分布ブラッグ反射器４０５によって垂直方向に制限される。デバイスは、面外方向に光放出を強めるように設計されている。代替の実施形態では、光学デバイスは面内最適化されたデバイスである。上部分布ブラッグ反射器４１３および下部分布ブラッグ反射器は、キャビティ構造を形成する反射構造である。そのようなキャビティ構造は、ＧａＡｓ基板の（００１）表面上に容易に成長されることができる。良質のキャビティは（００１）基板上に成長されることができる。
分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、面内周期的屈折率変調を含む。屈折率の変調を備えた適切な構造を選択することによって、デバイス中の光学モードを制御することは可能である。これは、例えば、デバイス効率を増大させるのに、あるいは、光子放射時間を低減するのに、有利である。さらに、準周期的な、すなわち、正確な周期性からわずかにずれている屈折率の変調が使用されてもよい。
構造は、ウェッティング層のない良質のキャビティ中に微細構造分裂を有するＱＤを含んでもよい。
ウェッティング層がないことは、薄層（lamella）を砕いて、成長方向に沿って、すなわち、面外方向において、インジウムの量を計る断面ＴＥＭまたはＳＴＥＭ測定を実行することによって検出することができる。ウェッティング層がない場合には、ＴＥＭまたはＳＴＥＭ解析がＱＤを含む領域上で実行されれば、Ｉｎの存在は単に検出されるだろう。ウェッティング層が存在しない場合、成長方向に沿った任意のポイントでＩｎが検出されない領域、すなわち、ＱＤ間の領域があるだろう。ウェッティング層を備えるデバイスにおいては、デバイス全体で、Ｉｎは成長方向に沿ってあるポイントで検出されるだろう。障壁材料がＩｎＧａＡｓであったとしても、ウェッティング層を示すＩｎ組成の増大を検出することによって、同様にしてウェッティング層を識別することが可能である。
デバイス中のＱＤ密度は、単一ドットを光学的に分離するためのメサ上の不透明マスクが要求されないように十分に低いことができる。言い換えると、ＱＤの密度は、ＱＤが互いと光学的に分離されるのに十分に低い。光学的に分離されたＱＤにおいては、個々のドットから来る励起子線は、バックグラウンド比に対して高い信号を有するスペクトルを有する。一実施形態では、バックグラウンド比に対する信号は１０を超える。個々のＱＤから来る励起子線は、近接のＱＤから来る励起子線と相互作用しない。光学スペクトルはクリーンである。
図４（ｂ）は、実施形態に係る光学デバイスを製造する方法を示すフローチャートである。方法は図４（ａ）に示されるデバイスを製造するために使用されることができる。
ステップＳ４０１は「バッファ層を堆積させる」である。バッファ層は基板の（００１）表面に堆積される。
ステップＳ４０２は「下部ドープ層を成長させる」である。ドープ層は、バッファ層上に位置しバッファ層と接触するようにして成長される。
ステップＳ４０３は「下部ＤＢＲを成長させる」である。分布ブラッグ反射器は、下部ドープ層上に位置しドープ層と接触するようにして成長される。
ステップＳ４０４は「キャビティ媒体の下側部分を成長させる」である。キャビティ構造内の２つの反射構造間に位置する媒体の下側部分が成長される。
ステップＳ４０５は「冷却する」である。システムの温度は、ステップＳ４０６で堆積される金属材料が表面上で液滴になるのに十分低い値まで低下される。一般に、液滴形成温度および液滴結晶温度は、特定の量子ドット材料、サイズおよび密度に関して最適化されてもよく、したがって、互いに並びにデバイスの他の部品の成長温度に対してより高いこともあり、等しいこともあり、より低いこともある。したがって、いくつかの材料、サイズおよび密度においては、このステップが省略されてもよい。
ステップＳ４０６は「金属液滴を堆積させる」である。ＱＤが生じる金属材料は、キャビティの下側部分に堆積される。材料は、液滴または金属「塊」を形成する。
ステップＳ４０７は「Ｖ族材料を供給する」である。ＱＤを形成するために金属材料を結晶化させるＶ族材料が供給される。
ステップＳ４０８は「温度を上昇させる」である。温度は、液滴が結晶化するように上昇される。一般に、液滴形成温度および液滴結晶温度は、特定の量子ドット材料、サイズおよび密度に関して最適化されてもよく、したがって、互いに並びにデバイスの他の部品の成長温度に対して、より高いこともあり、等しいこともあり、より低いこともある。したがって、いくつかの材料、サイズおよび密度においては、このステップは省略されてもよい。
ステップＳ４０９は「キャビティ媒体の上側部分を成長させる」である。２つの反射構造間に位置する媒体の上側部分は、下側部分および下側部分の表面上のＱＤ上に位置し下側部分および下側部分の表面上のＱＤと接触するようにして成長される。
ステップＳ４１０は「上部ＤＢＲを成長させる」である。上のＤＢＲは、キャビティの上側部分上に位置しキャビティの上側部分に接触するようにして成長される。
ステップＳ４１１は「上部ドープ層を成長させる」である。上部ドープ層は、上部ＤＢＲ上に位置し上部ＤＢＲに接触するようにして成長される。上部ドープ層は、下部ドープ層と逆の極性である。
ステップＳ４１２は「レジストでウエハをスピン処理する（spin）」である。ポジティブなフォトレジストが使用されてもよい。レジストは上部ドープ層上にスピンされる（spun）。
ステップＳ４１３は「メサを露出する」である。フォトレジストにおいては、ＵＶ照射が使用される。ポジティブなフォトレジストにおいては、メサを形成する上部ドープ層の表面の領域は露出されない。
ステップＳ４１４は「現像する」である。現像剤が適用される。ポジティブなフォトレジストにおいては、現像中に、レジストの露出領域、すなわち、メサ領域の周囲が除去される。
ステップＳ４１５は「下部ドープ層を露出するためにエッチングする」である。その後に、メサ領域の周囲はウェットまたはドライエッチングを使用してエッチングされる。例えばＧａＡｓベースのメサのウェットエッチングにおいては、Ｈ２ＳＯ４-Ｈ２Ｏ２-Ｈ２Ｏ（硫酸-過酸化水素-水）の混合が使用されることができる。ドライエッチングにおいては、四塩化ケイ素または塩素ガスに基づいたプラズマが使用されることができる。デバイスは、下部ドープ層を露出するために下へエッチングされる。
ステップＳ４１６は「レジストでウエハをスピン処理する」である。レジストは層構造の上にスピンされる。
ステップＳ４１７は「下部コンタクトを露出する」である。ＡｕＧｅＮｉコンタクトが堆積されることになる下部ドープ層上の領域が露出される。
ステップＳ４１８は「現像する」である。レジストは、これらの領域中のレジストを除去するために現像される。
ステップＳ４１９は「下部コンタクト金属を堆積させる」である。ｎ型ドープＧａＡｓ層においては、ＡｕＧｅＮｉは下部コンタクト金属として堆積される。ＡｕＧｅＮｉの層は構造全体にわたって堆積される。
ステップ４２０は「リフトオフ（Lift-off）」である。露出されなかったレジストの領域が除去される。これは、同時にこれらの領域の上のＡｕＧｅＮｉを除去し、所望のコンタクト領域のみにＡｕＧｅＮｉが残る。
ステップＳ４２１は「アニールする」である。適度な温度での熱処理は、コンタクト金属と下部ドープ層との間に良いオーム接触を達成するために使用されることができる。一実施形態では、デバイスは４２０℃でアニールされる。
ステップ４２２は「レジストでウエハをスピン処理する」である。新しいレジストは構造全体の上にスピンされる。
ステップ４２３は「上部コンタクトを露出する」である。上部金属コンタクトが堆積されることになる上部ドープ層の領域が露出される。
ステップＳ４２４は「現像する」である。レジストは、この領域のレジストを除去するために現像される。
ステップＳ４２５は「上部金属コンタクトを堆積させる」である。続いて、上部コンタクト金属は構造全体にわたって蒸着される。ＧａＡｓ構造においては、Ａｌは上部コンタクト金属として使用されることができる。しかしながら、Ａｌは、劣化しすぐに酸化し、いわゆる準オーム接触を形成する。ＴｉＡｕは上部コンタクト金属として使用することができるが、それもまた準オーム接触を形成する。実際には、準オーム接触は、適切なオーム接触の場合における２０オームと比較して数百オームの抵抗を有する。準オーム接触においては、特性は線形にならない。
ステップＳ４１７またはＳ４２１において露出されなかったレジストの領域が続いて除去される（それは領域上の金属も除去する）。これは、所望領域のみに上部および下部金属コンタクトを残す。
ステップＳ４２４は「アニールする」である。適度な温度での熱処理は、上部コンタクト金属と上部ドープ層との間によいオーム接触を達成するために使用されることができる。
ステップＳ４２５は「劈開し、パッケージ化する」。この段階での十分なウエハ処理においては、ウエハはチップに劈開され、個々のチップが各々パッケージ化される。劈開はダイヤモンドスクライバーを使用して行われことができ、または、ウエハは機械的にダイスカットされることができる。パッケージ化は、ヘッダー上に単一チップを接着することと、デバイス電極へのより大きくよりロバストなアクセスを提供するためにコンタクトを接合することと、を含む。
一実施形態では、量子エミッタは量子リングである。量子リングは量子ドットの一種として扱うことができ、それらは多くの本質的特性を共有する。量子リングを作るために、上述したような量子ドットの成長および結晶化の後に、キャビティ媒体材料の部分キャッピング層は、ＱＤの上部が露出したままになるように、堆積される。その後に、温度は量子ドットの中央部を脱離させるために上昇される。キャッピング層によって覆われた領域が残り、一方で、ＱＤの露出した上部は、その下の材料のいくらかとともにリングを形成するために再分配される。その後に、構造は前述のように完成する。
図５は、実施形態に係る光学デバイスの概略図である。デバイスは、複数の量子ドットを含む光学的に励起されるキャビティを含む。光学デバイスは、分子線エピタキシーを使用して製造される。
デバイスは基板５０１上に形成される。この例では、基板はＧａＡｓであるが、他の基板を使用することもできる。デバイスは基板の（００１）表面上に形成される。バッファ層５０３は、基板５０１上にあり、基板５０１と接触している。下部分布ブラッグ反射器５０７は、バッファ層５０３の一部分上にあり、この部分と接触している。下部分布ブラッグ反射器５０７は反射構造の一例である。ＧａＡｓ層５０９は、下部分布ブラッグ反射器５０７上にあり、下部分布ブラッグ反射器５０７と接触している。ＧａＡｓ層５０９はキャビティ媒体の下側部分である。
複数のＱＤ５１１は、ＧａＡｓ層５０９上にあり、ＧａＡｓ層５０９と接触している。ＧａＡｓ層５１３は、複数のＱＤ５１１およびＧａＡｓ層５０９上にあり、複数のＱＤ５１１およびＧａＡｓ層５０９と接触している。ＧａＡｓ層５０９はキャビティ構造内の媒体の下側部分である。ＧａＡｓ層５１３はキャビティ構造内の媒体の上側部分である。この例では、デバイスはＩｎＡｓのＱＤを有するＧａＡｓ層に基づいているが、他の材料、例えば、ＩｎＰまたはＧａＡｓのＱＤを使用することもできる。ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓのＱＤを有した状態で製造されたデバイスは、電気通信波長域の光子を放射することができる。上部分布ブラッグ反射器５１５は、ＧａＡｓ層５１３上にあり、ＧａＡｓ層５１３と接触している。
ＱＤ５１１は、ＧａＡｓ層５０９およびＧａＡｓ層５１３だけと接触している。ＧａＡｓ層５０９の厚さおよびＧａＡｓ層５１３の厚さは、ＱＤ５１１の高さよりも大きい。
デバイスは、この例では平面的なものであるが、その代りに、図４に示されるデバイスに関するメサ構造をエッチングするために使用されるものと同様の技術を使用して、柱状に加工されることができる。
このデバイス内の量子ドットは、光子を生成するために光学的に励起される。キャリアは光学的励起によって量子ドットに注入される。
ＱＤから放射された光は、上部分布ブラッグ反射器４１３および下部分布ブラッグ反射器４０５によって垂直方向に制限される。上部分布ブラッグ反射器４１３および下部分布ブラッグ反射器は、キャビティ構造を形成する反射構造である。そのようなキャビティ構造は、ＧａＡｓ基板の（００１）表面上に容易に成長されることができる。キャビティは良質であるだろう。
構造は、ウェッティング層が存在することなく、良質のキャビティ内に小さい微細構造分裂を有するＱＤを含む。
デバイス内のＱＤ密度は、単一ドットを光学的に分離するためのメサの上に不透明マスクが必要にならないほど十分に低いことができる。言い換えると、ＱＤの密度は、ＱＤが互いと光学的に分離されるのに十分に低い。
図５（ｂ）は、実施形態に係る光学デバイスを製造する方法を示すフローチャートである。方法は、図５（ａ）に示されるデバイスを製造するために使用されることができる。
ステップＳ５０１は「バッファ層を堆積させる」である。バッファ層は基板の（００１）表面上に堆積される。
ステップＳ５０２は「下部ＤＢＲを成長させる」である。分布ブラッグ反射器は、下部ドープ層上にあって下部ドープ層と接触するようにして成長される。
ステップＳ５０３は「キャビティ媒体の下側部分を成長させる」である。キャビティ構造内の２つの反射構造間に位置する媒体の下側部分は成長される。
ステップＳ５０４は「冷却する」である。システムの温度は、ステップＳ４０６において堆積された金属材料が表面上で液滴になるのに十分に低い値に下降される。一般に、液滴形成温度および液滴結晶温度は、特定の量子ドット材料、サイズおよび密度に関して最適化されてもよく、したがって、互いに並びにデバイスの他の部分の成長温度に対して、より高いこともあり、等しいこともあり、より低いこともある。したがって、いくつかの材料、サイズおよび密度においては、このステップは省略されることができる。
ステップＳ５０５は「金属液滴を堆積させる」である。ＱＤが生じる金属材料はキャビティの下側部分に堆積される。材料は、液滴または金属の「塊」を形成する。
ステップＳ５０６は「Ｖ族材料を供給する」である。ＱＤを形成するために金属材料を結晶化させるＶ族材料が供給される。
ステップＳ５０７は「温度を上昇させる」である。温度は、液滴が結晶化するように上昇される。一般に、液滴形成温度および液滴結晶温度は、特定の量子ドット材料、サイズおよび密度に関して最適化されることができ、したがって、互いに並びにデバイスの他の部分の成長温度に対して、より高いこともあり、等しいこともあり、より低いこともある。したがって、いくつかの材料、サイズおよび密度においては、このステップは省略されることがある。
ステップＳ５０８は「キャビティ媒体の上部を成長させる」である。２つの反射構造間に位置する媒体の上側部分は、下側部分および下側部分の表面上のＱＤ上にあって下側部分および下側部分の表面上のＱＤと接触するようにして成長される。
ステップＳ５０９は「上部ＤＢＲを成長させる」である。上部ＤＢＲは、キャビティの上部上にあってキャビティの上部と接触している。
さらなるステップは、構造を柱状に加工するために行われてもよい。
一実施形態では、量子エミッタは量子リングである。量子リングは量子ドットの一種として扱うことができ、それらは多くの本質的特性を共有する。量子リングを作るために、上述したような量子ドットの成長および結晶化の後に、キャビティ媒体材料の部分キャッピング層は、ＱＤの上部が露出したままになるように、堆積される。その後に、温度は量子ドットの中央部を脱着させるに上昇される。その後に、構造は前述のように完成する。
図６から図１１は、図３に関して説明した方法を使用してＧａＡｓ（００１）配位基板上に形成されたＩｎＡｓのＱＤに関する実験結果を示す。
図６は、液滴堆積温度に対する液滴（結晶化してないドット）密度の依存性を示す。２ＭＬのインジウムが各温度で堆積される。図６は、成長温度（℃）に対するＱＤの密度（個／μｍ２）のグラフである。成長温度は、Ｉｎ堆積温度、すなわち、基板がステップＳ３０４で冷却される温度である。表面上に堆積されるＩｎの合計量は２単分子層（２ＭＬ）だった。成長温度が高くなるにつれて、密度は低下する。１００℃以上では、堆積された２ＭＬのＩｎにおいては、ＱＤの密度は２０個／μｍ２未満である。２００℃以上では、ＱＤの密度は、堆積された２ＭＬのインジウムにおいて１０個／μｍ２未満である。
図６は、ウエハ表面の４つのＡＦＭ画像をさらに示す。各ＡＦＭ画像は表面の２×２μｍ２の部分を拡大したものである。第１の画像は７０℃のものであり、第２の画像は７９℃のものであり、第３の画像は１３３℃のものであり、第４の画像は２４０℃のものである。温度が増大するにつれて液滴密度が低下するのがわかる。
図７は、結晶化前の（すなわちステップＳ３０５における）液滴成長技術によって形成されたＩｎ液滴の画像、および結晶化後の（すなわちステップＳ３０７における）Ｉｎ液滴の画像を示す。結晶化前の画像は左側の画像であり、結晶化後の画像は右側の画像である。表面上に堆積されたＩｎの合計量は２単分子層（２ＭＬ）だった。画像は、平面図、すなわち、表面を見下ろした図を示す。
結晶化前に得られた左側の画像では、液滴密度は２個／μｍ２である。液滴の直径は６０〜１００μｍの間である。液滴は円形を有する。液滴は、面外方向に沿って見た場合に、円形を有する。面外方向における液滴の断面形状はドーム型である。
結晶化後に得られた右側の画像では、全体的なドット密度は８.５個／μｍ２である。結晶化中に、Ｉｎ液滴はヒ素に浸る。結晶化後の密度の増大に関する１つの考えられる原因は、ＱＤが「臨界体積」（それは約４００００ｎｍ３であり得る）を有するかもしれないことである。これは、結晶化したＱＤが達することができる最大の体積である。体積がこの値を超える場合、それは複数のより小さなドットへと破裂する（explode）。より少ないインジウムを堆積させ、それから結晶化することによって、この結果を低下させることが可能である。より少ない１．６ＭＬのインジウムにおいては、ＱＤは（Ａｓの超過圧力に依存して）破裂しない。
結晶化後のＱＤは、結晶化前よりもサイズに大きな変化がある。ＡＦＭ画像は、ある種類の二峰性分布を示す。他のものよりも明らかに大きいＱＤがある。大きいドットの密度は２.５個／μｍ２である。小さいドットの密度は６個／μｍ２である。液滴の寸法は６０×１００μｍと７×４０μｍとの間である。液滴は、結晶化前のものによりも丸みがなくより鋭角的な形をしている。これは、液滴が結晶化する際における、円形の歪みを引き起こす固有の結晶非対称性のためである。
液滴成長モード技術によって形成されたＱＤは、約２個/μｍ２という極めて低いドット密度を有することができる。
図８は、Ｉｎ量の変化によるＱＤの変化を示す。
第１のグラフは、堆積されたＩｎの量（ＭＬ；単分子層）に対するドット密度（個／μｍ２）を示す。１.６ＭＬでの液滴密度は２個／μｍ２未満である。液滴密度は、Ｉｎの量が増大するにつれて増大する。２ＭＬでの液滴密度は、８個／μｍ２以上である。
第２のグラフは、堆積されたＩｎの量（ＭＬ）に対するＱＤの液滴サイズ（ｎｍ２）および体積の解析を示す。
左側の一連の３つの画像は、表面を見下ろした場合における液滴の平面図を示す。第１の画像は、堆積された１.６ＭＬのＩｎに関するものであり、第２の画像は、堆積された１.８ＭＬのＩｎに関するものであり、第３の画像は、堆積された２ＭＬのＩｎに関するものである。ドットの密度は、Ｉｎの量が増大するにつれて増大する。
図９および図１０は、インジウム液滴ＱＤの光学性能を示す。
図９は、波長（Å）に対するＩｎ液滴ＱＤから放射された光の強度のグラフである。約９０８０.２Åおよび約９１１６.１Åでスペクトルに２つのピークがある。低波長側のピークは双励起子放射に対応する。高波長側のピークは励起子放射に対応する。ウェッティング層放射はスペクトルにおいて観察されない。
図１０は、波長（Å）に対するマルチＩｎ液滴ＱＤから放射された光の強度のグラフである。この構造に組み入れられた光キャビティは、キャビティの共振周波数である９０５ｎｍの近辺でドットの光収集を向上させる。ＱＤには統計的に小さいＦＳＳを有する。図１０は、キャビティモードにより向上した液滴ＱＤからフォトルミネセンス放射の例である。図１０は、放射波長の広い範囲を示す。放射波長の広い範囲において、ほんの少数のピークだけが両側のものに比べてより大きな強度を有することがわかる。これはキャビティ効果である。
図１１は、双極子放射角の関数として、００１ＧａＡｓ基板上に成長されたＩｎＡｓ液滴エピタキシー量子ドットの微細構造分裂（ＦＳＳ）を示す。
サンプルの平面における微細構造分裂（ＦＳＳ）の大きさおよび各量子ドットの直線偏光固有状態の方向は、次のように測定された。
フォトルミネセンスは、顕微鏡対物レンズを通じたレーザーによる非共振励起を使用して励起された。続いて、レーザーによって励起された量子ドットからの放射は、同じレンズによって集められ、半波長板を通される。半波長板は、固定角で配置された直線偏光子を通過する前に対して集められた光の直線偏光を回転させる。スペクトルは、半波長板角度の関数として各量子ドットの励起子のエネルギーおよび双励起子線を決定するために、電荷結合素子カメラおよびスペクトロメータを使用して測定された。その後に、測定は、各量子ドットに関する記録された最低励起子エネルギーに対応する角度から、エネルギー変化の振幅に関連するＦＳＳの大きさおよび双極子（または固有状態）方向を決定するためにフィッティングされる（fitted）。
双励起子エネルギーと励起子エネルギーとの間の違いに対する正弦曲線フィッティングは、図１１の測定に関する場合のように、精度を改善するために使用されることができる。図１１の測定は多くの量子ドットに関して繰り返された。
伸長や歪みなどの量子ドットの構造特性は、面内非対称を引き起こし、それによりＱＤのエネルギー準位の微細構造分裂がもたらされる。
上から見た場合のＱＤの対称性の量は、量子もつれ光子を放射するように設計されたデバイスにとって重要である。そのようなデバイスにおいては、量子ドット中の双励起子状態は、励起子状態を介して基底状態へ放射性崩壊し、光子の対を放射する。
中間の励起子状態が縮退する場合においては、放射された光子対は、２つの異なる偏光結果の重ね合せ状態で存在する。この２光子状態は、偏光量子もつれ状態として知られている。光子のうちの一方の偏光の測定は、ランダムな結果を与えるだろうが、他方の光子の偏光を設定するだろう。そのような遠隔作用は、量子情報および量子イメージングを含む多くの用途を有する。
伸長および歪みなどのＱＤの構造特性が電子正孔交換相互作用において面内非対称を引き起こす場合、これは、偏光依存エネルギー分裂Ｓに帰着する中間の励起子状態の縮退を引き起こすことに帰着する。この場合においては、放射された光子は、直線水平偏光と直線垂直偏光とのいずれかを有し、さらにそれらの放射エネルギーによって識別されることができる。したがって、放射された光子対は、時間にわたって平均された場合において偏光量子もつれされておらず、ただ古典的に偏光相関されているだけである。量子もつれは双励起子および励起子光子放射間の遅れを報告することによって回復されることができるが、実施形態では、量子もつれは、時間平均化測定において検出される。これは、量子もつれ光子対源を実現するために、量子ドット放射の固有線幅に匹敵するような、すなわち、〜１μｅＶの固有線幅を有する量子ドットに関して５μｅＶ未満の小さい微細構造分裂によって助長される。
図１１は、００１ＧａＡｓ基板上に成長されたＩｎＡｓ液滴エピタキシー量子ドットの微細構造分裂（μｅＶ）を示す。プロットの中心からの四角形点の距離は微細構造分裂を示す。スケールは図の左側に示される。スケールは０〜６０μｅＶである。量子ドットは、ほとんど全スケールに広がるように、微細構造分裂値の範囲を有する。値は、極めて均等に分布されている。１０μｅＶ未満の値を有する６つのＱＤがある。５μｅＶ未満の値を有する２つのＱＤがある。液滴エピタキシーＱＤを有して形成されたデバイスにおいては、したがって、少なくとも１つのＱＤが小さいＦＳＳ、すなわち、５μｅＶ未満のＦＳＳを有する可能性がある。
グラフは、ＱＤの配列方向をさらに示す。配列方向は、正方形マーカーが位置するプロットのまわりの角度によって示される。角度は層の面内にある。配列方向は、ＱＤの双極子軸の方向である。グラフは、量子ドットの好ましい配列方向がないことを示す。これは、ＱＤの形が基板または結晶対称性によって強く影響を受けないことを示唆する。ＱＤ配列方向の半分以上がある４５度範囲はない。すべての４５度の象限は、少なくとも１つの量子ドットを含む。ＱＤの双極子軸の角度の分布はランダムである。
図１２は、例えば図２、図３、図４または図５に関して説明した液滴成長モード技術によって形成された量子ドットの層を有する、実施形態に係る単純化された光学デバイスの概略図を示す。光子源はＤＢＲ１２を有する。ＤＢＲ１２上にあってＤＢＲ１２と接触して設けられているのは、例えばＧａＡｓであり得るキャビティ媒体５である。量子ドット７はキャビティ媒体５内に設けられている。ＱＤ７は、例えば、ＩｎＡｓであってもよい。ＤＢＲ１１は、キャビティ媒体５上にあってキャビティ媒体５と接触して設けられている。
図１２は、キャビティ内の異なる構造の５つの概略図をさらに示す。構造は、同様に、図２、図３、図４または図５に関して説明した液滴成長モード技術によって形成された量子ドットを含む。図は、ＱＤ７を含むデバイスのキャビティ媒体５の一部を示す。
（i）に示されるデバイスでは、ＱＤ７は、キャビティ媒体の材料、例えば、ＧａＡｓに囲まれている。このようなデバイスの例は、図４および図５に関連して詳細に説明されている。
（ii）では、デバイスは、ＱＤの下に異なる障壁を有するように修正される。ＱＤは、キャビティ媒体の残りと異なる材料の層１２０２上にあり、層１２０２と接触している。このようなデバイスは、例えばステップＳ５０３になされた修正を含む図５（ｂ）に関連して説明したものと同じ方法で形成されてもよい。１つの材料（例えばＧａＡｓ）から１ステップでキャビティ媒体の下側部分を成長させる代わりに、キャビティの下側部分は２ステップで成長される。キャビティの下側部分の第１の部分は第１の材料であり、それは下部ＤＢＲ上にあって下部ＤＢＲと接触して形成される。キャビティの下側部分の第２の部分は、キャビティの下側部分の第１の部分上にあって第１の部分と接触して形成される。第２の部分は第１の材料と異なる材料である。第２の部分は層１２０１である。層１２０１の材料は、例えば上記の成長された量子ドットの歪みを緩和するように設けられたＩｎＧａＡｓであってもよい。ＱＤは、ステップＳ５０４からＳ５０９が前述したように実行されて、層１２０１の表面上に形成される。キャビティの上部は、層１２０１の表面およびＱＤ７上に重なって層１２０１の表面およびＱＤ７と接触して形成される。キャビティの上部は第１の材料である。第１の材料は、例えば、ＧａＡｓであってもよい。
ＱＤは、層１２０１およびキャビティ媒体５の上部だけと接触している。層１２０１の厚さは、いずれのＱＤ７の高さよりも大きい。キャビティ媒体の上部の厚さは、いずれのＱＤ７の高さよりも大きい。
（iii）では、デバイスは、ＱＤがＤＷＥＬＬ（dots-in-quantum-well）構造内にあるように修正される。ＱＤ７は層１２０３だけと接触している。層１２０３の厚さは、いずれのＱＤ７の高さよりも大きい。層１２０３は、ＧａＡｓマトリクス内のＩｎＡｓ量子ドットにより強い歪み緩和を提供するために、ＩｎＧａＡｓで形成されてよい。代替として、それは、より高い閉じ込めを提供するように設計されたＡｌＡｓマトリクス内のＧａＡｓであってもよい。このようなデバイスは、例えば、Ｓ５０３およびＳ５０４間の第１の段階とＳ５０７およびＳ５０８間の第２の段階との２つの段階で層１２０３が堆積されるという変形がなされる図５（ｂ）に関連して説明したものと同じ方法で形成されてもよい。材料は、従来のＭＢＥ層として、すなわち、ＩｎＧａＡｓのエピタキシャル成長によって、成長される。
言い換えると、１つの材料（例えばＧａＡｓ）から１ステップ（ステップＳ５０３）でキャビティ媒体の下側部分を成長させる代わりに、キャビティの下側部分は２ステップで成長される。キャビティの下側部分の第１の部分は第１の材料であり、それは下部ＤＢＲ上にあって下部ＤＢＲと接触して形成される。キャビティの下側部分の第２の部分は、キャビティの下側部分の第１の部分上にあって第１の部分と接触して形成される。第２の部分は第１の材料と異なる材料である。ＱＤは、ステップＳ５０４からＳ５０７において第２の部分の表面上に形成される。キャビティの上側部分は、第２の部分の表面およびＱＤ７上にあって第２の部分の表面およびＱＤ７と接触して形成される。ステップＳ５０８では、１つの材料（例えばＧａＡｓ）から１ステップでキャビティの上側部分を成長させる代わりに、キャビティの上側部分も２ステップで成長される。キャビティの上側部分の第１の部分は第２の材料であり、それはキャビティ媒体の下側部分およびＱＤ上にあってキャビティ媒体の下側部分およびＱＤと接触して形成される。キャビティの上側部分の第２の部分は、第１の部分上にあって第１の部分と接触して形成される。第２の部分は第１の材料である。第１の材料は第２の材料と異なる材料である。キャビティの下側部分の第２の部分およびキャビティの上側部分の第１の部分は層１２０３を形成し、それは例えばＩｎＧａＡｓであってもよい。第１の材料はＧａＡｓであってもよい。
（iv）では、デバイスは、ＱＤが異なる材料の層１２０５で覆われるように修正される。このようなデバイスは、例えば、ステップＳ５０８に修正がなされた図５（ｂ）に関連して説明したものと同じ方法で形成されてもよい。ステップＳ５０８では、１つの材料（例えばＧａＡｓ）から１ステップでキャビティの上側部分を成長させる代わりに、キャビティの上側部分は２ステップで成長される。キャビティの上側部分の第１の部分は第２の材料であり、それはキャビティ媒体の下側部分およびＱＤ上に重なってキャビティ媒体の下側部分およびＱＤと接触して形成される。この部分は層１２０５であり、それは例えばＩｎＧａＡｓであってもよい。キャビティの上側部分の第２の部分は層１２０５上に重なって層１２０５と接触して形成される。第２の部分は第２の材料と異なる材料である。第２の部分は例えばＧａＡｓであってもよい。
ＱＤは、層１２０５およびキャビティ媒体５の下側部分だけと接触している。層１２０５の厚さは、いずれのＱＤ７の高さよりも大きい。キャビティ媒体の下側部分の厚さは、いずれのＱＤ７の高さよりも大きい。
図１３は、図１に関連して説明したストランスキー・クラスタノフ成長によって形成された量子ドットの層を有する単純化された光子源の概略図を示す。光子源はＤＢＲ１３１２を有する。ＤＢＲ１３１２上にあってＤＢＲ１３１２と接触して設けられているのはキャビティ媒体１３０５であり、それは例えばＧａＡｓであってもよい。量子ドット１３０７はキャビティ媒体１３０５内に設けられている。ＱＤは、ウェッティング層１３０１上にあってウェッティング層１３０１と接触している。ＱＤ１３０７は例えばＩｎＡｓであってもよい。ＤＢＲ１３１１は、キャビティ媒体１３０５上にあってキャビティ媒体１３０５と接触して設けられている。
図１３は、図１に関連して説明したストランスキー・クラスタノフ成長によって形成された量子ドットを含む異なる構造の４つの概略図をさらに示す。図は、ＱＤを含むデバイスのキャビティ媒体５の一部を示す。
ＱＤは、４つの構造すべてにおいてウェッティング層１３０７と接触している。ウェッティング層１３０１の厚さは、いずれのＱＤ１３０７の高さよりも小さい。
（i）に示されるデバイスでは、ウェッティング層１３０１は障壁と混合される。言い換えると、ウェッティング層はＧａＡｓとＩｎＡｓとの混合である。障壁は、キャビティ媒体１３０５、例えば、ＱＤ１３０７およびウェッティング層１３０３を囲むＧａＡｓである。ＱＤ１３０７は、ウェッティング層１３０１上にあり、ウェッティング層１３０１と接触している。
（ii）では、ウェッティング層１３０３はＱＤと同じ材料である。（iii）では、ＱＤおよびウェッティング層は両方とも障壁と混合されている。（iv）では、ＱＤおよびウェッティング層は両方とも障壁と混合され、デバイスは歪み緩和層をさらに含む。（v）では、ＱＤはＤＷＥＬＬ構造内にある。
図１４は、実施形態に係る光子源の詳細な層構造の概略図である。デバイスは、ＭＢＥによって成長され、次の層構造を有する。ｉ-ＧａＡｓバッファ１４０３は、ｉ-ＧａＡｓ基板１４０１上にあってｉ-ＧａＡｓ基板１４０１と接触して成長される。ｉ-ＧａＡｓは非ドープＧａＡｓを指すために使用される。一実施形態では、バッファ１４０３は５００ｎｍである。この例では、基板およびバッファはＧａＡｓであるが、他の材料が使用されてもよい。下部ＤＢＲ１４０５は、５００ｎｍのｉ-ＧａＡｓバッファ１４０３上にあってｉ-ＧａＡｓバッファ１４０３と接触して成長される。一実施形態では、下部ＤＢＲ１４０５は、Ａｌ０.９８Ｇａ０.０２Ａｓ１４０９が後続するＧａＡｓ１４０７のλ／４層の１８の繰り返しを含む。ＧａＡｓ１４１１とＡｌ０.９８Ｇａ０.０２Ａｓ１４１３との上部２つの繰り返しは、１.７５×１０１８の密度までＳｉでｎ型にドープされる。
一実施形態では、キャビティ媒体領域１４１５は、次のように、２λという合計の光学的厚さを有する。この例においては、λは〜９０５ｎｍの量子ドット放射の波長に対応し、それは空気と比べて高い屈折率のためにＧａＡｓ中で低減される。一実施形態では、キャビティ媒体を形成するために、初めに１.７５×１０１８の密度までＳｉでドープされた５０ｎｍの厚いｎ型ＧａＡｓ層１４１７が下部ＤＢＲ上に下部ＤＢＲと接触して形成され、ｎ型ＧａＡｓ層１４１７上にあってｎ型ＧａＡｓ層１４１７と接触する下側障壁１４１９を形成する（１λ−５０ｎｍ）のｉ-ＧａＡｓがそれに後続する。
液滴エピタキシーＩｎＡｓ量子ドット１４２０の層は、例えば、下側障壁１４１９上にあって下側障壁１４１９と接触して、図２、図３、図４（ｂ）または図５（ｂ）に関連して説明したように作られる。
一実施形態では、（λ−５０ｎｍ）のｉ-ＧａＡｓを含む層１４２１は、真性領域および上側障壁を完成し、下側障壁１４１９およびＱＤ上に下側障壁１４１９およびＱＤと接触して形成される。１０１８までＣでドープされた５０ｎｍのｐ型ＧａＡｓを含む層１４２３は、キャビティ領域１４１５を完成する層１４２１上に層１４２１と接触して形成される。
最後に、上部ミラー１４２５が形成される。一実施形態では、上部ミラー１４２５は、ｐ型ＧａＡｓ１４２９が後続するｐ型Ａｌ０.９８Ｇａ０.０２Ａｓ１４２７のλ／４層の６の繰り返しの成長によって形成される。５.６×１０１９までＣでｐ＋型にドープされる最後の３nmを除いて、ｐドーピングが１０１８の密度でＣによって提供された。上部ミラー１４２５は、層１４２３上にあり、層１４２３と接触している。
その後に、デバイスは、少数の量子ドットからの放射を分離する手段を提供するために、且つ、キャリアを量子ドットに電気的に注入する手段を提供するために加工される。
ｎ型電極窓１４３１は、フォトリソグラフィと、硫酸と過酸化水素と水との１：８：８０の混合物を用いた酸エッチングと、を使用して形成されることができる。一実施形態では、窓のエッチング深さは、それがｎ型ドープ領域の１０〜１５ｎｍ上で終わるようになっている。ｎ型コンタクト１４３３は、フォトリソグラフィを使用してｎ型電極窓に８０ｎｍの金・ゲルマニウム・ニッケルを堆積させることによって形成されてもよい。コンタクトはアニールされ、それにより、オーム接続は、そのコンタクトからｎ型ドープ領域まで下方に延びる。最後に、８０ｎｍの金１４３５が後続する２０ｎｍのチタンは、接合面を形成するためにｎ型コンタクト１４３３上に蒸着される。
実施形態では、ｐ型コンタクト１４３７は、フォトリソグラフィを使用して、８０ｎｍの金が後続する２０ｎｍのチタンの蒸着によって形成される。
アイソレーションエッチング１４３９は、ｐ型領域およびドット層を通って下側のｉ-ＧａＡｓ障壁において終わるまで下方にエッチングすることによって、２２０×１１０μｍのメサを定義してもよい。これは、上述したようなフォトリソグラフィおよび酸エッチングによって実行されることができる。
最後に、デバイスは、外部電気コンタクトおよびパッケージコンタクトをチップコンタクトに接続する金ボンドワイヤを提供するためにパッケージ化される。
図１４の構造では、ＩｎＡｓ量子ドット層は、上方向に放射強度を増大させるために、不平衡マイクロキャビティを形成する下側の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）および上側のより短いＤＢＲを有する２λキャビティの中心にある。単一量子ドット（ＱＤ）からの放射は光学収集システムによって分離される。ｐ-ｉ-ｎ接合を形成するために、上部ＤＢＲがキャビティの上側部分とともにｐドープされ、下部ＤＢＲの上部がキャビティの下側部分とともにｎドープされる。電気コンタクトは、バイアスＶがＱＤを組み込む非ドープ真性領域に適用されることを可能にする。
デバイスによって放射された光子の収集効率を改善するために、ＬＥＤデバイスの活性領域は光学マイクロキャビティ内に組み込まれる。
図１４を参照して説明した構造は、幅ｍλ／２ｎのキャビティ領域によって形成された平面マイクロキャビティである光学マイクロキャビティを有し、ここで、λは放射された光子の波長と同様であり、ｎはキャビティ材料の屈折率であり、ｍは整数である。キャビティ領域は、厚さがλ／４ｎである高屈折率材料および低屈折率材料の層を交互に重ねたものの複数の繰り返しによって形成された２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）間に囲まれる。
図１５は、フォトニック結晶を含む実施形態に係る光学デバイスの概略図である。キャビティは、フォトニック結晶構造によって形成される。反射構造は、キャビティ領域の両側にあるフォトニック結晶の領域である。光学デバイスは、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を使用して作られる。
デバイスは基板１５０１上に形成される。この例では、基板はＧａＡｓであるが、他の基板が使用されてもよい。デバイスは基板の（００１）表面上に形成される。バッファ層１５０３は、基板１５０１上にあり、基板１５０１と接触している。ドープ層１５０５は、バッファ層１５０３上にあり、バッファ層１５０３と接触している。この特定の例では、ドープ層１５０５はｎ型ドープＧａＡｓである。ＧａＡｓ層１５０９は、ドープ層１５０５上にあり、ドープ層１５０５と接触している。
複数のＱＤ１５１１は、ＧａＡｓ層１５０９上にあり、ＧａＡｓ層１５０９と接触している。ＧａＡｓ層１５０９は、キャビティ中の媒体の下側部分である。ＧａＡｓ層１５１３は、複数のＱＤ１５１１およびＧａＡｓ層１５０９上にあり、複数のＱＤ１５１１およびＧａＡｓ層１５０９と接触している。ＧａＡｓ層１５１３は、キャビティ構造中の媒体の上側部分である。この例では、デバイスはＩｎＡｓのＱＤを有するＧａＡｓ層に基づいているが、他の材料、例えば、ＩｎＰまたはＧａＡｓのＱＤが使用されてもよい。
ＱＤ１５１１は、ＧａＡｓ層１５０９およびＧａＡｓ層１５１３だけと接触している。ＧａＡｓ層１５０９の厚さおよびＧａＡｓ層１５１３の厚さは、ＱＤ１５１１の高さよりも大きい。
ドープ層１５１７は、ＧａＡｓ層１５１３上にあり、ＧａＡｓ層１５１３と接触している。この例では、ドープ層は、ｐ型ドープＧａＡｓである。
複数の穴部（holes）は、複数の場所においてｎ型ドープＧａＡｓ層１５０５、ＧａＡｓ層１５０９、ＧａＡｓ層１５０９およびドープ層１５１７を通じて延び、それにより、これらの層全体を貫通して延びる複数の穴部がある。一実施形態では、穴部は円筒状である。円筒状の穴部の高さは、ｎ型ドープＧａＡｓ層１５０５、ＧａＡｓ層１５０９、ＧａＡｓ層１５０９およびドープ層１５１７の全厚さに及ぶ。
円筒状の穴部は、実質的に規則的な格子として配置される。円筒状の穴部の規則的な配列を有するｎ型ドープＧａＡｓ層１５０５、ＧａＡｓ層１５０９、ＧａＡｓ層１５０９およびドープ層１５１７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部分上だけにある。一実施形態では、円筒状の穴部は六方格子状に配置される。ラインに沿う３つの隣接する穴部は省略され、キャビティ領域である格子の欠陥を形成する。
穴部の周期的構造は、光の伝搬に影響を及ぼし、光バンドギャップを形成する。スラブ内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収まる。具体的には、穴部（これは空気で満たされている）は、ＧａＡｓと異なる屈折率を有する。異なる屈折率を有する材料の周期的変動は、光バンドギャップ内の波長を有する光が単にキャビティ領域に沿って横方向にだけ伝播することができることを意味する。したがって、格子構造は、量子ドットから放射された光のキャビティ領域で横方向の閉じ込め（すなわち層の面内の閉じ込め）をもたらす。
上から見たフォトニック結晶構造の図が下に示されている。キャビティ媒体領域は、ラインに沿う３つの省略された隣接穴部の領域である。キャビティ領域は、２以下または４以上の省略された穴部を含んでもよい。キャビティ媒体領域の右側の穴部のラインは、第１の反射構造である。キャビティ媒体領域の左側の穴部のラインは、第２の反射構造であり、それは、第１の反射構造に対してキャビティ媒体領域の反対側にある。キャビティ媒体領域の長手側の両方にある穴部の領域は、キャビティ媒体領域の両側にある反射構造である。
前述のように、電極１５１９はドープ層１５０５に接触され、電極１５２１はドープ層１５１７に接触される。
キャビティは面外放射のために構成される。代替の実施形態では、キャビティは面内放射のために構成される。
光学デバイスは、図４（ｂ）に関連して説明した方法に次の修正を施したものに従って製造されてもよい。
ステップＳ４０３およびＳ４１０は省略される。
ステップＳ４１５とＳステップ４１６との間で、下記のステップが実行されてもよい。
レジストが構造全体の上にスピン処理される。デザインマスクはリソグラフィを使用してレジストに転写される。その後に、デザインマスクは、露出されたレジスト（穴部）の領域を除去するために適切な化学物質を使用することにより現像される。一実施形態では、デザインマスクは、キャビティ領域である格子の欠陥部分を形成するために省略されたラインに沿う隣接穴部を含む円形孔の規則的な格子を有する。
エッチングは、リソグラフィマスクを介してデバイスにデザインをエッチングするために使用される。エッチング深さは、バッファ層１５０３に達するために、ｎ型ドープＧａＡｓ層１５０５、ＧａＡｓ層１５０９、ＧａＡｓ層１５０９およびドープ層１５１７の厚さをちょうど超え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。その後に、レジストは除去される。
上述したような光学デバイスは、量子もつれデバイスおよび量子リレーデバイスに適用される。
特定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。実際、ここに説明される新規な方法および装置は、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、ここに説明される方法および装置の形態において種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。添付された特許請求の範囲とその均等は、発明の範囲および意図に含まれる変形を含むように意図される。

Claims (24)

  1. 基板と、
    第１の反射構造、第２の反射構造、および前記第１の反射構造と前記第２の反射構造との間のキャビティ媒体を含み、前記基板上にあるキャビティ構造と、
    を備え、前記キャビティ媒体は、第１の半導体層、第２の半導体層、および第３の半導体層を含む複数の半導体層と、量子エミッタと、を含み、前記量子エミッタは、前記複数の半導体層のうち、前記第２の半導体層を含む複数の半導体層と接触し、前記量子エミッタと接触する前記複数の半導体層のすべては、前記量子エミッタの高さより大きい厚さを有し、前記第１の半導体層および前記第３の半導体層は、第１の材料で形成されており、前記第２の半導体層は、前記第１の材料とは異なる第２の材料で形成されており、前記第１の半導体層は、前記第１の反射構造と前記第２の半導体層との間に設けられ、前記第３の半導体層は、前記第２の半導体層と前記第２の反射構造との間に設けられ、前記第１の反射構造は、前記基板と前記第２の反射構造との間に設けられ、前記キャビティ構造は、前記基板の００１配向表面上にある、光学デバイス。
  2. 前記量子エミッタと接触する前記複数の半導体層は、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層のみを含む、請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 前記量子エミッタと接触する前記複数の半導体層は、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層のみを含む、請求項１に記載の光学デバイス。
  4. 複数の量子エミッタがある、請求項１に記載の光学デバイス。
  5. 前記量子エミッタの高さは３ｎｍより大きい、請求項１に記載の光学デバイス。
  6. 前記層の面内における前記量子エミッタの最大寸法は３ｎｍより大きい、請求項１に記載の光学デバイス。
  7. 双極子軸の方向にランダム分布を有する複数の量子エミッタを有する量子エミッタ層を備える請求項１に記載の光学デバイス。
  8. 微細構造分裂にランダム分布を有する複数の量子エミッタを有する量子エミッタ層を備える請求項１に記載の光学デバイス。
  9. 前記量子エミッタの少なくとも１つの微細構造分裂は１０μｅＶ未満である、請求項４に記載の光学デバイス。
  10. 前記量子エミッタの密度は１０個／μｍ２未満である、請求項４に記載の光学デバイス。
  11. 前記光学デバイスは、ＡｓまたはＰと結合したＧａ、ＩｎまたはＡｌを含む少なくとも１つの化合物を備える、請求項１に記載の光学デバイス。
  12. 前記量子エミッタと接触するウェッティング層がない、請求項１に記載の光学デバイス。
  13. 前記量子エミッタは光学的に励起され、前記光学デバイスは前記量子エミッタを光学的に励起するように構成されたレーザーをさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
  14. 前記量子エミッタは電気的に励起され、前記光学デバイスは前記量子エミッタを電気的に励起するように構成された電気コンタクトをさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
  15. 前記第１の反射構造および前記第２の反射構造は、分布ブラッグ反射器である、請求項１に記載の光学デバイス。
  16. 前記光学デバイスは量子もつれ光子源である、請求項１に記載の光学デバイス。
  17. 光学デバイスを形成する方法であって、
    基板上に第１の反射構造を形成するステップと、
    前記第１の反射構造上にキャビティ媒体を形成するステップと、
    前記キャビティ媒体上に第２の反射構造を形成するステップと、
    を備え、
    前記キャビティ媒体を形成するステップは、
    第１の金属材料の分離した複数の液滴を堆積させるステップと、
    第２のＶ族材料を供給するステップであって、前記第２のＶ族材料が前記第１の金属材料の前記液滴と反応して複数の量子エミッタを形成するステップと、
    を備え、
    前記第１の反射構造および前記第２の反射構造がキャビティ構造を定め、前記キャビティ媒体は、第１の半導体層、第２の半導体層、および第３の半導体層を含む複数の半導体層と、前記量子エミッタと、を含み、前記量子エミッタは、前記複数の半導体層のうち、前記第２の半導体層を含む複数の半導体層と接触し、前記量子エミッタと接触する前記複数の半導体層のすべては、前記量子エミッタの高さより大きい厚さを有し、前記第１の半導体層および前記第３の半導体層は、第１の半導体材料で形成され、前記第２の半導体層は、前記第１の半導体材料とは異なる第２の半導体材料で形成され、前記第１の半導体層は、前記第１の反射構造と前記第２の半導体層との間に設けられ、前記第３の半導体層は、前記第２の半導体層と前記第２の反射構造との間に設けられ、前記キャビティ構造は、前記基板の００１配向表面上にある、方法。
  18. 前記キャビティ媒体を形成するステップは、
    前記第１の半導体材料で、前記第１の半導体層を形成するステップと、
    前記第２の半導体材料で、前記第１の半導体層上に前記第１の半導体層と接触する前記第２の半導体層を形成するステップと、
    をさらに備え、前記量子エミッタは、前記第２の半導体層上に形成され、
    前記キャビティ媒体を形成するステップは、
    前記第１の半導体材料で、前記第２の半導体層および前記量子エミッタ上に前記第２の半導体層および前記量子エミッタと接触する前記第３の半導体層を形成するステップ
    をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記キャビティ媒体を形成するステップは、
    前記第１の半導体材料で、前記第１の半導体層を形成するステップ
    をさらに備え、前記量子エミッタは、前記第１の半導体層上に形成され、
    前記キャビティ媒体を形成するステップは、
    前記第２の半導体材料で、前記第１の半導体層および前記量子エミッタ上に前記第１の半導体層および前記量子エミッタと接触する前記第２の半導体層を形成するステップと、
    前記第１の半導体材料で、前記第２の半導体層上に前記第２の半導体層と接触する前記第３の半導体層を形成するステップと、
    をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記基板と前記第１の反射構造との間に第１のドープ層を形成するステップと、
    前記第２の反射構造上にあり前記第２の反射構造と接触する第２のドープ層を形成するステップと、
    p-i-n接合を形成するために、第１の電極を前記第１のドープ層に、第２の電極を前記第２のドープ層に接触させるステップと、
    をさらに備える請求項１７に記載の方法。
  21. 前記第１の反射構造および前記第２の反射構造は分布ブラッグ反射器である、請求項１７に記載の方法。
  22. 前記光学デバイスは、ＡｓまたはＰと結合したＧａ、ＩｎまたはＡｌを含む少なくとも１つの化合物を含む、請求項１７に記載の方法。
  23. 前記第１の金属材料はＩｎであり、前記第２のＶ族材料はＡｓである、請求項１７に記載の方法。
  24. 前記量子エミッタの密度は２０個／μｍ２未満である、請求項１７に記載の方法。
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