JP6713682B2 - Photon-emitting device, quantum device, and method for manufacturing photon-emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、光子放出素子、量子デバイス及び光子放出素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a photon emitting device, a quantum device, and a method for manufacturing a photon emitting device.
次世代の高セキュリティ情報伝送・高速情報処理を実現するために量子情報技術の研究が進められている。量子情報処理を固体素子によって実現するための技術として量子ドット（ＱＤ）を用いた研究が進められている。 Quantum information technology is being researched in order to realize next-generation high-security information transmission and high-speed information processing. Research using quantum dots (QDs) is under way as a technique for realizing quantum information processing by solid-state elements.
例えば、非特許文献１には、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）型自己形成量子ドットを用いた単一光子発生器が記載されている。 For example, Non-Patent Document 1 describes a single photon generator using SK (Transki-Krastanow) type self-assembled quantum dots.
量子ドットは化学合成によって作製することもできる。例えば、非特許文献２には、化学合成によって作製された化学合成量子ドットの球対称性を高める合成方法について記載されている。
非特許文献３には、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）によるリソグラフィーを用いて量子ドットを設置するための凹部を作製し、量子ドットの位置を制御できることが記載されている。
Quantum dots can also be produced by chemical synthesis. For example, Non-Patent Document 2 describes a synthesis method for enhancing the spherical symmetry of a chemically synthesized quantum dot produced by chemical synthesis.
Non-Patent Document 3 describes that the position of a quantum dot can be controlled by forming a recess for installing a quantum dot by using lithography with a scanning probe microscope (SPM).
しかしながら、コンパクトで、十分な高効率、高指向性を備える光子放出素子を実現することができなかった。
例えば非特許文献１に記載されたＳＫ型自己形成量子ドットは、基板上に形成されるため、扁平な形状となる。そのため、基板に垂直な方向への対称性が著しく低い。また結晶成長速度差によって面内対称性が損なわれることも多い。
However, it has not been possible to realize a compact photon emitting device having sufficiently high efficiency and high directivity.
For example, the SK type self-forming quantum dots described in Non-Patent Document 1 are formed on a substrate and thus have a flat shape. Therefore, the symmetry in the direction perpendicular to the substrate is extremely low. In-plane symmetry is often impaired due to the difference in crystal growth rate.
形状が非対称性な量子ドットは、量子もつれ合い状態の光子対を発生させることができない。量子もつれ合い状態の光子対とは、偏光の重ねあわせ状態にある光子対である。扁平な形状のＳＫ型自己形成量子ドットからは、特定の偏光を有する光しか得ることができない。量子情報技術は、量子もつれ合い状態の光を礎に成り立っており、量子もつれ合い状態の光を得ることができないことは、実用化の妨げになる。 Quantum dots with an asymmetric shape cannot generate photon pairs in a quantum entangled state. A quantum entangled photon pair is a photon pair in the state of superposition of polarized light. Only light having a specific polarization can be obtained from the flat SK type self-assembled quantum dots. Quantum information technology is based on quantum entangled light, and the inability to obtain quantum entangled light impedes its practical application.
これに対し、例えば非特許文献２に記載された化学合成量子ドットは、基板に拘束されない結晶成長をする。そのため、化学合成量子ドットは３次元的な対称性が高い。化学合成量子ドットは、主に、バイオ研究用の蛍光マーカ（標識）等に利用されている。
しかしながら、化学合成量子ドットは発光明滅（ブリンキング）現象が生じることが知られている。ブリンキング現象が生じるということは、量子ドットに励起光を加えた際に、量子ドットが発光するか発光しないか不確定であるということである。量子ドットの発光が不確定であるということは、励起光を入射するという入力に対する出力が不確定ということである。この不確定さは、量子コンピュータ等において出力結果の信用度を下げるため、量子情報処理技術の実用化を阻害する。
On the other hand, for example, the chemically-synthesized quantum dot described in Non-Patent Document 2 causes crystal growth not restricted by the substrate. Therefore, the chemically synthesized quantum dots have high three-dimensional symmetry. The chemically synthesized quantum dots are mainly used as fluorescent markers (labels) for bioresearch.
However, it is known that chemically synthesized quantum dots cause a blinking (blinking) phenomenon of light emission. The occurrence of the blinking phenomenon means that it is uncertain whether the quantum dot emits light or does not emit light when excitation light is applied to the quantum dot. The uncertain emission of the quantum dots means that the output with respect to the input of pumping light is uncertain. This uncertainty lowers the reliability of the output result in a quantum computer or the like, and hinders practical application of quantum information processing technology.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高効率、高指向性を備えるコンパクトな光子放出素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a compact photon emitting device having high efficiency and high directivity.
本発明者は、鋭意検討の結果、量子ドットをメタマテリアルに対して所定の位置に配設することによって、発光の高速化、発光効率の増大、ブリンキング現象の抑制、放射光の指向性等を高めることができることを見出した。
また発明者らの独自技術であるＳＰＭリソグラフィーを用いた量子ドットの位置制御技術を利用することで、メタマテリアルと量子ドットの位置関係をナノオーダーの精度で制御し、上述の光子放出素子を実現できることを見出した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
As a result of earnest studies, the present inventor has arranged quantum dots at predetermined positions with respect to a metamaterial to accelerate light emission, increase light emission efficiency, suppress a blinking phenomenon, directivity of emitted light, etc. I found that you can increase.
In addition, the quantum dot position control technology using SPM lithography, which is our own technology, is used to control the positional relationship between the metamaterial and the quantum dots with nano-order accuracy, and realize the above-mentioned photon emitting device. I found that I could do it.
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
本発明の一態様に係る光子放出素子は、半導体からなる基板と、前記基板の一面または内部に設けられた量子ドットと、平面視で前記量子ドットを囲み、延在方向に端部を有するメタマテリアルと、を備える。 A photon-emitting device according to one aspect of the present invention is a substrate including a semiconductor, quantum dots provided on one surface or inside of the substrate, surrounding the quantum dots in a plan view, and having a meta part having an end portion in an extending direction. And a material.
本発明の一態様に係る光子放出素子において、前記量子ドットが、前記メタマテリアルによって囲まれる領域の中央に配置されていてもよい。 In the photon emitting device according to one aspect of the present invention, the quantum dot may be arranged at the center of a region surrounded by the metamaterial.
本発明の一態様に係る光子放出素子において、断面視で前記量子ドットと前記メタマテリアルとが、同一平面上に作製されていてもよい。 In the photon emitting device according to one aspect of the present invention, the quantum dots and the metamaterial may be produced on the same plane in a cross-sectional view.
本発明の一態様に係る光子放出素子において、前記量子ドットが、化学合成量子ドットであってもよい。 In the photon emitting device according to one aspect of the present invention, the quantum dots may be chemically synthesized quantum dots.
本発明の一態様に係る光子放出素子において、前記基板が、シリコンの単結晶基板であってもよい。 In the photon emitting device according to one aspect of the present invention, the substrate may be a silicon single crystal substrate.
本発明の一態様に係る量子デバイスは、本発明の一態様に係る光子放出素子を備える。 A quantum device according to one aspect of the present invention includes the photon emitting element according to one aspect of the present invention.
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法は、上記の光子放出素子の製造方法であって、量子ドットを設置するための凹部及びメタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する。 A method of manufacturing a photon-emitting device according to an aspect of the present invention is the method of manufacturing a photon-emitting device described above, wherein recesses and metamaterials for installing quantum dots are manufactured using lithography with a scanning probe microscope. ..
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法において、前記量子ドットを設置するための凹部及び前記メタマテリアルを同時に作製してもよい。 In the method for manufacturing a photon emitting device according to one aspect of the present invention, the recess for installing the quantum dot and the metamaterial may be manufactured at the same time.
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法において、下地基板の一面に量子ドットを設置するための凹部を走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、前記凹部に量子ドットを設置する工程と、前記凹部が形成された面に、下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、前記平坦化層の外表面に前記メタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、を有してもよい。 In the method for manufacturing a photon-emitting device according to one aspect of the present invention, a step of forming a recess for installing a quantum dot on one surface of a base substrate using lithography with a scanning probe microscope, and installing the quantum dot in the recess And a step of forming a flattening layer made of the same material as the base substrate on the surface where the recess is formed, and the metamaterial is formed on the outer surface of the flattening layer by lithography using a scanning probe microscope. And a step of manufacturing the same.
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法において、下地基板の一面に前記メタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、前記メタマテリアルが形成された面に、下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、前記平坦化層の外表面に、前記凹部を走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、前記凹部に量子ドットを設置する工程と、を有してもよい。 In the method for manufacturing a photon-emitting device according to one aspect of the present invention, a step of producing the metamaterial on one surface of a base substrate by using a lithography with a scanning probe microscope, and a base substrate on the surface on which the metamaterial is formed. A step of forming a flattening layer made of the same material as above, a step of forming the concave portion on the outer surface of the flattening layer by using lithography with a scanning probe microscope, and a step of installing quantum dots in the concave portion. And may be included.
本発明によれば、高効率、高指向性を備えるコンパクトな光子放出素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a compact photon emitting device having high efficiency and high directivity.
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easy to understand, there are cases where features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components may be different from the actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto and can be appropriately modified and carried out within the scope of the invention.
（光子放出素子、量子デバイス）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光子放出素子の斜視模式図である。また図２は、本発明の第１実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。光子放出素子１０は、基板１と、量子ドット２と、メタマテリアル３とを備える。
(Photon emission device, quantum device)
FIG. 1 is a schematic perspective view of a photon emitting device according to the first embodiment of the present invention. Further, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the photon emitting device according to the first embodiment of the present invention. The photon emitting device 10 includes a substrate 1, quantum dots 2, and a metamaterial 3.
基板１は、量子ドット２及びメタマテリアル３を支持する。基板１を構成する材料は、半導体であれば特に問わない。例えば、シリコン、ガリウムヒ素等を用いることができる。近年高い注目を集めているシリコンフォトニクスデバイスとして光子放出素子１０を用いることを考えると、基板１を構成する材料はシリコンであることが好ましい。 The substrate 1 supports the quantum dots 2 and the metamaterial 3. The material forming the substrate 1 is not particularly limited as long as it is a semiconductor. For example, silicon, gallium arsenide, or the like can be used. Considering the use of the photon emitting device 10 as a silicon photonics device, which has received a lot of attention in recent years, it is preferable that the material forming the substrate 1 is silicon.
第１実施形態に係る光子放出素子１０において基板１は、単結晶基板からなることが望ましい。単結晶からなる基板１は、基板１の一面１Ａの平坦度が高い。そのため、量子ドット３の位置制御性を高めることができる。 In the photon emitting device 10 according to the first embodiment, the substrate 1 is preferably a single crystal substrate. The substrate 1 made of a single crystal has a high flatness on one surface 1A of the substrate 1. Therefore, the position controllability of the quantum dots 3 can be enhanced.
量子ドット２は、基板１の一面１Ａに設けられた凹部１Ｂに設けられている。量子ドット２は、３次元の量子井戸構造を作製する原子から構成された数ｎｍ〜５０ｎｍ程度の粒径を有する発光性ナノ粒子である。 The quantum dots 2 are provided in a concave portion 1B provided on the one surface 1A of the substrate 1. The quantum dots 2 are luminescent nanoparticles having a particle size of about several nm to 50 nm, which are composed of atoms that form a three-dimensional quantum well structure.
量子ドット２として用いられる量子ドットは３次元対称性の高いものであれば、種類、物性及び形態は特に限定されるものではないが、化学合成量子ドットを用いることが好ましい。 The quantum dot used as the quantum dot 2 is not particularly limited in kind, physical property and form as long as it has high three-dimensional symmetry, but it is preferable to use a chemically synthesized quantum dot.
化学合成量子ドットは、化学反応で微結晶を成長させることにより合成される量子ドットである。化学合成量子ドットは、結晶成長する半導体基板への面方位依存性を有するエピタキシャル量子ドットと異なり、球対称性が高い。そのため、量子もつれ合い状態の光子対を発生させることができる。 A chemically synthesized quantum dot is a quantum dot synthesized by growing a crystallite by a chemical reaction. The chemically-synthesized quantum dots have high spherical symmetry, unlike the epitaxial quantum dots, which have a plane orientation dependence on the crystal-growing semiconductor substrate. Therefore, quantum entangled photon pairs can be generated.
量子ドット２として用いる化学合成量子ドットの材質は特に限定されない。例えば、量子ドット２の材質として、ＰｂＳ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳｅ等を用いることができる。光通信波長帯である１．３μｍ〜１．５μｍの波長の光を効率的に発光させるためには、ＰｂＳを用いることが特に好ましい。 The material of the chemically synthesized quantum dot used as the quantum dot 2 is not particularly limited. For example, as the material of the quantum dots 2, PbS, InAs, PbSe, or the like can be used. In order to efficiently emit light having a wavelength of 1.3 μm to 1.5 μm, which is an optical communication wavelength band, it is particularly preferable to use PbS.
メタマテリアル３は、パーセル効果により量子ドット２から放出する光子を増加させる共振器として機能する。パーセル効果とは、原子や分子の発光帯が局在モードの周波数に一致すると発光が促進される現象を意味する。本発明の一態様における光放出素子１０においては、原子や分子の発光帯が量子ドット２の発光周波数に対応し、局在モードの周波数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数に対応する。 The metamaterial 3 functions as a resonator that increases photons emitted from the quantum dots 2 due to the Parcel effect. The Purcell effect means a phenomenon in which light emission is promoted when the emission band of atoms or molecules matches the frequency of the localized mode. In the light emitting device 10 according to one aspect of the present invention, the emission band of atoms and molecules corresponds to the emission frequency of the quantum dots 2, and the frequency of the localized mode corresponds to the resonance frequency of plasmons in the metamaterial 3.
メタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数について説明する。プラズモンとは、金属中の自由電子が集団的に振動して擬似的な粒子としてふるまう状態をいう。本発明の一態様における光放出素子１０では、量子ドット２から発生した電磁波が、メタマテリアル３内の電子を振動させる。この電子の振動がメタマテリアル３内のプラズモンに対応する。メタマテリアル３は、形状に起因した固有振動数を有し、この固有振動数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数になる。 The resonance frequency of the plasmon in the metamaterial 3 will be described. Plasmon is a state in which free electrons in a metal collectively vibrate and behave as pseudo particles. In the light emitting device 10 according to one aspect of the present invention, the electromagnetic waves generated from the quantum dots 2 vibrate the electrons in the metamaterial 3. The vibration of this electron corresponds to the plasmon in the metamaterial 3. The metamaterial 3 has a natural frequency due to the shape, and this natural frequency becomes the resonance frequency of the plasmon in the metamaterial 3.
例えば、メタマテリアル３の形状が図１に示すようなＣ字型の１重スプリットリングの場合、共鳴波長λはλ＝２πｃ０（ＬＣ）１／２で表され、この逆数が共鳴周波数となる。ここでＬはインダクタンス、Ｃは静電容量、ｃ０は光速である。図１に示すようなＣ字型の１重スプリットリング内を電子が移動するということは、開口部３Ａをコンダクタとした模式的なＬＣ回路内を電流が流れたと換言することができ、ＬＣ回路の共振周波数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数になる。 For example, when the shape of the metamaterial 3 is a C-shaped single split ring as shown in FIG. 1, the resonance wavelength λ is represented by λ=2πc 0 (LC) 1/2 , and its reciprocal is the resonance frequency. .. Here, L is the inductance, C is the capacitance, and c 0 is the speed of light. The fact that electrons move in the C-shaped single split ring as shown in FIG. 1 can be rephrased as that a current has flowed in the schematic LC circuit having the opening 3A as a conductor. Becomes the resonance frequency of the plasmon in the metamaterial 3.
メタマテリアル３の形状は、図１に示すＣ字型の１重スプリットリングに限られない。メタマテリアル３が延在方向に端部を有すれば、その両端部の間で波が振動し、固有振動数が決定する。この固有振動数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数に対応する。すなわち、パーセル効果により量子ドット２から放出する光の強度を増加させる共振器として機能するためには、メタマテリアル３は延在方向に端部を有すればよい。 The shape of the metamaterial 3 is not limited to the C-shaped single split ring shown in FIG. If the metamaterial 3 has ends in the extending direction, waves oscillate between the ends, and the natural frequency is determined. This natural frequency corresponds to the resonance frequency of the plasmon in the metamaterial 3. That is, in order to function as a resonator that increases the intensity of light emitted from the quantum dots 2 by the Parcel effect, the metamaterial 3 may have an end portion in the extending direction.
図３は、メタマテリアルの形状の別の具体例を示す図である。
図３（ａ）に示すメタマテリアル１３は、１つの開口部１３Ａを有するＣ字型のスプリットリングが２重に形成された２重スプリットリングである。開口部１３Ａにより内側のリング及び外側のリングのそれぞれが延在方向に端部を有する。この場合、共鳴波長λは、λ＝（π２ｒ３／３ｗ）１／２で表記される。このときｒは最外周のメタマテリアル１３の半径、ｗは２つのリングの間隔である。
FIG. 3 is a diagram showing another specific example of the shape of the metamaterial.
The metamaterial 13 shown in FIG. 3A is a double split ring in which a C-shaped split ring having one opening 13A is double formed. Due to the opening 13A, each of the inner ring and the outer ring has an end portion in the extending direction. In this case, the resonance wavelength λ is represented by λ=(π 2 r 3 /3w) 1/2 . At this time, r is the radius of the outermost metamaterial 13, and w is the distance between the two rings.
図３（ｂ）に示すメタマテリアル２３は、矩形の構造体の４か所を開口部２３Ａで分断した形状を有する。開口部２３Ａによる分断により端部が形成される。この場合、共鳴波長は、λ＝２πｃ０（ＬＣ）１／２／ｎ１／２で表記される。このときＬはインダクタンス、Ｃは静電容量、ｃ０は光速、ｎは分断した数である。 The metamaterial 23 shown in FIG. 3B has a shape in which four portions of a rectangular structure are divided by openings 23A. The end portion is formed by the division by the opening portion 23A. In this case, the resonance wavelength is represented by λ=2πc 0 (LC) 1/2 /n 1/2 . At this time, L is an inductance, C is a capacitance, c 0 is a speed of light, and n is a divided number.
図３（ｃ）に示すメタマテリアル３３は、渦状に形成されたスイスロール形状を有する。この場合、共鳴波長は、λ＝（２επ２ｒ３（Ｎ−１）／ｗ）１／２で表記される。このときεはロールの隙間に存在する物質の誘電率、ｒはメタマテリアル３３に外接する円の半径、Ｎは渦の巻き数、ｗはロールの間隔である。 The metamaterial 33 shown in FIG. 3C has a swiss roll shape formed in a spiral shape. In this case, the resonance wavelength is represented by λ=(2επ 2 r 3 (N-1)/w) 1/2 . At this time, ε is the dielectric constant of the substance existing in the gap between the rolls, r is the radius of the circle circumscribing the metamaterial 33, N is the number of spiral turns, and w is the roll interval.
メタマテリアル３は、平面視で量子ドット２を囲むように配設されている。メタマテリアル３が平面視で量子ドット２を囲むように配設されることで、量子ドット２から放射された電磁波が、メタマテリアル３内のプラズモンを効率よく誘起することができる。 The metamaterial 3 is arranged so as to surround the quantum dots 2 in a plan view. By disposing the metamaterial 3 so as to surround the quantum dots 2 in a plan view, electromagnetic waves emitted from the quantum dots 2 can efficiently induce plasmons in the metamaterial 3.
量子ドット２は、メタマテリアル３によって囲まれる領域の中央に配置されていることが好ましい。メタマテリアル３によって囲まれる領域の中央に量子ドット２が配置することで、メタマテリアル３におけるプラズモンの誘起を周方向均一にすることができる。 The quantum dots 2 are preferably arranged in the center of the region surrounded by the metamaterial 3. By disposing the quantum dots 2 in the center of the region surrounded by the metamaterial 3, the induction of plasmons in the metamaterial 3 can be made uniform in the circumferential direction.
メタマテリアル３の大きさは、量子ドット２の発光周波数とメタマテリアル３の形状から適宜設定することができる。例えば、図１に示す第１実施形態のメタマテリアル３の構造において、光通信波長帯である１．３μｍ〜１．５μｍの波長の光を得るためには、メタマテリアル３の直径を４３４ｎｍとすることが好ましい。図３（ａ）に示すメタマテリアル１３においては、その最外周のメタマテリアル１３の直径を８８８ｎｍとすることが好ましい。図３（ｂ）に示すメタマテリアル２３においては、その矩形の形状の一辺を９８８ｎｍとすることが好ましい。図３（ｃ）に示すメタマテリアル３３においては、そのメタマテリアル３３に外接する円の直径を１８６０ｎｍとすることが好ましい。 The size of the metamaterial 3 can be appropriately set based on the emission frequency of the quantum dots 2 and the shape of the metamaterial 3. For example, in the structure of the metamaterial 3 of the first embodiment shown in FIG. 1, in order to obtain light having a wavelength of 1.3 μm to 1.5 μm, which is an optical communication wavelength band, the diameter of the metamaterial 3 is set to 434 nm. Preferably. In the metamaterial 13 shown in FIG. 3A, the diameter of the outermost metamaterial 13 is preferably 888 nm. In the metamaterial 23 shown in FIG. 3B, one side of the rectangular shape is preferably 988 nm. In the metamaterial 33 shown in FIG. 3C, the diameter of the circle circumscribing the metamaterial 33 is preferably 1860 nm.
メタマテリアル３は、自由電子の移動によりプラズモンを生じるため、少なくとも一部が金属によって形成されていることが好ましい。例えば、図１では、半導体からなる基部３ａ上に金属層３ｂを積層することによりメタマテリアル３を形成している。半導体も一部自由電子を有するが、金属層３ｂを有することで量子ドット２から生じる電磁波により誘起されるプラズモンの共振強度を高めることができる。 Since the plasmon is generated by the movement of free electrons, it is preferable that at least a part of the metamaterial 3 is made of metal. For example, in FIG. 1, the metamaterial 3 is formed by laminating the metal layer 3b on the base 3a made of a semiconductor. Although the semiconductor also has some free electrons, the resonance strength of the plasmon induced by the electromagnetic wave generated from the quantum dots 2 can be increased by having the metal layer 3b.
また図２に示すように、量子ドット２とメタマテリアル３とが同一平面上に存在することが好ましい。量子ドット２から放射される光は面内方向に指向性を有する。メタマテリアル３内を動く電子に伴い、基板と垂直方向に誘導磁気モーメントが生じ、光の放射方向が面内方向に指向されるためである。
量子ドット２とメタマテリアル３とが同一平面上に存在すれば、効率よくパーセル効果が発現し、光放出素子１０から放出される光の強度を高めることができる。
Moreover, as shown in FIG. 2, it is preferable that the quantum dots 2 and the metamaterial 3 be present on the same plane. The light emitted from the quantum dots 2 has directivity in the in-plane direction. This is because an induced magnetic moment is generated in the direction perpendicular to the substrate along with the electrons moving in the metamaterial 3, and the emission direction of light is directed in the in-plane direction.
If the quantum dots 2 and the metamaterial 3 are on the same plane, the parcel effect is efficiently exhibited, and the intensity of light emitted from the light emitting element 10 can be increased.
これに対し、必ずしも量子ドット２とメタマテリアル３は同一平面上に存在しなくてもよい。量子ドット２とメタマテリアル３は、光放出素子１０の放射効率の観点からは同一平面上に存在していることが好ましい。一方で、後述する光放出素子１０を製造する観点から考えると、それぞれ異なる平面上に存在していてもよい。 On the other hand, the quantum dots 2 and the metamaterial 3 do not necessarily have to be on the same plane. The quantum dots 2 and the metamaterial 3 are preferably on the same plane from the viewpoint of the radiation efficiency of the light emitting device 10. On the other hand, from the viewpoint of manufacturing the light emitting device 10 described later, they may exist on different planes.
例えば、図４は、第２実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。第２実施形態に係る光子放出素子４０は、基板４１が下地基板４１ａと平坦化層４１ｂからなり、下地基板４１ａ上に量子ドット２が形成され、平坦化層４１ｂ上にメタマテリアル３が形成されている点が第１実施形態に係る光子放出素子１０と異なる。下地基板４１ａは、例えば単結晶基板であり、平坦化層４１ｂはスパッタ等の成膜手段により形成された層である。この構成によれば、量子ドット２とメタマテリアル３を段階的に製造することができる。 For example, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the photon emitting device according to the second embodiment. In the photon emitting device 40 according to the second embodiment, the substrate 41 includes a base substrate 41a and a planarization layer 41b, the quantum dots 2 are formed on the base substrate 41a, and the metamaterial 3 is formed on the planarization layer 41b. This is different from the photon emitting device 10 according to the first embodiment. The base substrate 41a is, for example, a single crystal substrate, and the flattening layer 41b is a layer formed by a film forming means such as sputtering. According to this structure, the quantum dots 2 and the metamaterial 3 can be manufactured in stages.
この他に、図５は、第３実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。第３実施形態に係る光子放出素子５０は、基板５１が下地基板５１ａと平坦化層５１ｂからなり、下地基板５１ａ上にメタマテリアル３が形成され、平坦化層５１ｂ上に量子ドット２が形成されている点が第１実施形態に係る光子放出素子１０と異なる。下地基板５１ａは、例えば単結晶基板であり、平坦化層５１ｂはスパッタ等の成膜手段により形成された層である。この構成においても、量子ドット２とメタマテリアル３を段階的に製造することができる。 In addition to this, FIG. 5 is a schematic sectional view of a photon emitting device according to the third embodiment. In the photon emitting device 50 according to the third embodiment, a substrate 51 includes a base substrate 51a and a flattening layer 51b, a metamaterial 3 is formed on the base substrate 51a, and quantum dots 2 are formed on the flattening layer 51b. This is different from the photon emitting device 10 according to the first embodiment. The base substrate 51a is, for example, a single crystal substrate, and the flattening layer 51b is a layer formed by a film forming means such as sputtering. Also in this configuration, the quantum dots 2 and the metamaterial 3 can be manufactured stepwise.
ここまで、光子放出素子の構成について説明した。次いで、光子放出素子の動作原理について説明する。第１〜第３実施形態に係る光子放出素子の動作原理はいずれも同一であるため、図１に示す第１実施形態に係る光子放出素子１０を基に説明を行う。 Up to this point, the configuration of the photon emitting device has been described. Next, the operating principle of the photon emitting device will be described. Since the operating principles of the photon emitting devices according to the first to third embodiments are the same, the description will be given based on the photon emitting device 10 according to the first embodiment shown in FIG.
光子放出素子１０に光を照射すると、量子ドット２内の電子が励起され発光する。このとき照射する光源は特に問わない。例えば、量子ドット２をＰｂＳからなる化学合成量子ドットとすることで、発光する光の波長を光通信波長帯である１．３μｍ〜１．５μｍとすることができる。 When the photon emitting device 10 is irradiated with light, the electrons in the quantum dots 2 are excited and emit light. The light source for irradiation at this time is not particularly limited. For example, when the quantum dots 2 are chemically synthesized quantum dots made of PbS, the wavelength of emitted light can be set to 1.3 μm to 1.5 μm, which is the optical communication wavelength band.
発光により生じた光（電磁波）は、メタマテリアル３における自由電子を動かす。自由電子は、メタマテリアル３に沿ってしか動くことができないため、面内方向と垂直な方向に磁場が生じる。量子ドット２から生じる電磁波はこの磁場の影響を受け、光子放出素子１０の面内方向に指向する。 Light (electromagnetic waves) generated by light emission moves free electrons in the metamaterial 3. Since free electrons can move only along the metamaterial 3, a magnetic field is generated in a direction perpendicular to the in-plane direction. Electromagnetic waves generated from the quantum dots 2 are influenced by this magnetic field and are directed in the in-plane direction of the photon emitting device 10.
またメタマテリアル３内にはプラズモンが誘起される。メタマテリアル３内のプラズモンは、メタマテリアル３の構造に起因した共鳴周波数に従って振動する。この共鳴周波数と、量子ドット２から発光する光の発光周波数が一致すると、エキシトンプラズモンカップリングに伴う、パーセル効果が生じる。その結果、量子ドット２からの発光が促進され、面内方向に高い指向性を有する光が、高い発光効率で放射される。
またこのパーセル効果に伴い、量子ドット２の発光状態が一義的に決められ、量子ドット２のブリンキング現象が改善される。
In addition, plasmons are induced in the metamaterial 3. The plasmons in the metamaterial 3 vibrate according to the resonance frequency due to the structure of the metamaterial 3. When this resonance frequency and the emission frequency of the light emitted from the quantum dots 2 match, the Parcel effect occurs due to the exciton plasmon coupling. As a result, light emission from the quantum dots 2 is promoted, and light having high directivity in the in-plane direction is emitted with high light emission efficiency.
Further, the emission state of the quantum dots 2 is uniquely determined according to the Purcell effect, and the blinking phenomenon of the quantum dots 2 is improved.
上述にように、本発明の一態様に係る光放出素子を用いると、パーセル効果により量子ドットからの光子放出を促進することができる。そのため、光放出素子の発光効率を高めることができる。 As described above, when the light-emitting element according to one embodiment of the present invention is used, photon emission from quantum dots can be promoted by the Parcel effect. Therefore, the luminous efficiency of the light emitting device can be improved.
また本発明の一態様に係る光放出素子においては、量子ドットを囲むようにメタマテリアルが配置していることにより、量子ドットの発光を面内方向に指向することができる。発光する光が面内方向に指向しているため、この指向方向に光導波路等を設けることで量子デバイスとしてプレーナー回路等を実現することができる。 Further, in the light emitting device according to one aspect of the present invention, the metamaterial is arranged so as to surround the quantum dots, whereby the light emission of the quantum dots can be directed in the in-plane direction. Since the emitted light is directed in the in-plane direction, a planar circuit or the like can be realized as a quantum device by providing an optical waveguide or the like in this directing direction.
また本発明の一態様に係る光放出素子においては、量子ドットの電子状態を一義的に決定することができ、量子ドットのブリンキング現象を改善ことができる。すなわち、量子ドットを必要に応じて発光させることができ、量子情報処理技術への適用性が高い。 Further, in the light emitting device according to one aspect of the present invention, the electronic state of the quantum dot can be uniquely determined, and the blinking phenomenon of the quantum dot can be improved. That is, the quantum dots can be made to emit light as needed, and are highly applicable to quantum information processing technology.
また本発明の一態様に係る光放出素子は、フォトニック結晶キャビティのような大面積かつ高精度な繰り返し構造を有さないため、コンパクトな光放出素子を得ることができる。 Further, since the light-emitting element according to one embodiment of the present invention does not have a large area and highly accurate repeating structure such as a photonic crystal cavity, a compact light-emitting element can be obtained.
（光放出素子の製造方法）
本発明の一態様に係る光放出素子の製造方法は、量子ドット及びメタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）によるリソグラフィーを用いて作製する工程を有する。
(Method of manufacturing light emitting device)
A method of manufacturing a light emitting device according to one aspect of the present invention includes a step of manufacturing quantum dots and metamaterials using lithography with a scanning probe microscope (SPM).
第１実施形態に係る光子放出素子１０の製造方法について説明する。
まず半導体からなる処理前基板を準備する。処理前基板は、量子ドット及びメタマテリアルを作製する面が清浄かつ平坦な面であることが好ましいため、単結晶であることが好ましい。
A method of manufacturing the photon emitting device 10 according to the first embodiment will be described.
First, an unprocessed substrate made of a semiconductor is prepared. The unprocessed substrate is preferably a single crystal because the surface on which the quantum dots and the metamaterial are produced is preferably a clean and flat surface.
次いで、処理前基板の表面の所定の箇所をＳＰＭによるリソグラフィーを用いて酸化する。図６は、ＳＰＭによる酸化のメカニズムを模式的に示した図である。
図６に示すようにＳＰＭのプローブを処理前基板６１の所定の領域に近づけると、大気中の水分がプローブ６３のチップ先端６３ａに付着し、チップ先端６３ａと処理前基板６１の間に水６４の柱が表面張力により形成される。チップ先端６３ａと処理前基板６１の間に電圧を印加すると、水６４がＨ＋とＯＨ−に電気分解される。電圧の印加を処理前基板６１側の電位が正となるようにすることで、電気分解により生じたＯＨ−を処理前基板６１側に移動させ、処理前基板６１の一部を酸化し、酸化部６２を作製する。
Next, a predetermined portion of the surface of the unprocessed substrate is oxidized by using SPM lithography. FIG. 6 is a diagram schematically showing the mechanism of oxidation by SPM.
As shown in FIG. 6, when the SPM probe is brought close to a predetermined area of the unprocessed substrate 61, moisture in the atmosphere adheres to the tip 63a of the probe 63, and water 64 is left between the chip 63a and the unprocessed substrate 61. Pillars are formed by surface tension. When a voltage is applied between the tip 63a of the tip and the untreated substrate 61, the water 64 is electrolyzed into H + and OH − . By applying a voltage so that the potential on the pre-treatment substrate 61 side becomes positive, OH − generated by electrolysis is moved to the pre-treatment substrate 61 side, and a part of the pre-treatment substrate 61 is oxidized and oxidized. The part 62 is produced.
図７（ａ）〜（ｄ）は、光放出素子の製造方法における製造過程を模式的に示した図である。まず図７（ａ）に示すように、準備した処理前基板６１の一部をＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。酸化は、ＳＰＭのプローブを処理前基板６１の全体をスキャンさせることによって行う。この際、光放出素子のメタマテリアルになる部分は酸化処理を行わない。そのため、光放出素子のメタマテリアルになる部分は、図７（ａ）に示す未処理面６１ａとなる。 7A to 7D are diagrams schematically showing the manufacturing process in the method for manufacturing the light emitting device. First, as shown in FIG. 7A, a part of the prepared unprocessed substrate 61 is oxidized by SPM lithography. The oxidation is performed by scanning the entire unprocessed substrate 61 with the SPM probe. At this time, the portion that becomes the metamaterial of the light emitting element is not oxidized. Therefore, the portion that becomes the metamaterial of the light emitting element is the untreated surface 61a shown in FIG.
またＳＰＭリソグラフィーによる酸化処理を行う際には、処理前基板６１の量子ドットを配置するための凹部に対応する部分を避けるように、ＳＰＭのプローブのチップ先端６３をスキャンさせる。図６に示すように、ＳＰＭリソグラフィーによって形成される酸化部６２は、処理前基板６１のチップ先端６３ａと対向する部分を中心にある程度の広がりを有する。そのため、量子ドットを配置するための凹部に対応する部分を避けるようにＳＰＭのプローブのチップ先端６３をスキャンさせると、処理前基板６１の量子ドットを配置するための凹部に対応する部分には、酸化膜厚の薄い凹部形成用酸化領域６２ａが形成される。 Further, when performing the oxidation process by SPM lithography, the tip end 63 of the probe of the SPM is scanned so as to avoid the part corresponding to the concave part for arranging the quantum dots of the unprocessed substrate 61. As shown in FIG. 6, the oxidized portion 62 formed by SPM lithography has a certain extent of expansion around the portion of the unprocessed substrate 61 facing the tip 63a of the chip. Therefore, when the tip end 63 of the probe of the SPM is scanned so as to avoid the portion corresponding to the concave portion for arranging the quantum dots, the portion of the unprocessed substrate 61 corresponding to the concave portion for arranging the quantum dots is An oxide region 62a for forming a recess having a thin oxide film thickness is formed.
次いで、図７（ｂ）に示すように、表面の一部が酸化された処理前基板６１の酸化部６２が形成された側の面にメッキ処理を施す。メッキ処理は、公知の電気メッキ等を用いることができる。電気メッキにより形成される金属膜は、通電が生じる部分にのみ形成される。そのため、酸化部６２及び凹部形成用酸化領域６２ａには金属膜が形成されず、未処理面６１ａ上にのみ金属膜６５が形成される。 Next, as shown in FIG. 7B, a plating process is performed on the surface of the pre-processed substrate 61 whose surface is partially oxidized, on the side where the oxidized portion 62 is formed. For the plating treatment, known electroplating or the like can be used. The metal film formed by electroplating is formed only on the portion where current is applied. Therefore, the metal film is not formed on the oxidized portion 62 and the recess forming oxide region 62a, and the metal film 65 is formed only on the unprocessed surface 61a.
次いで、図７（ｃ）に示すように、金属膜６５が形成された処理前基板６１の処理面に、ドライエッチング処理を施す。ドライエッチング処理を施すと、酸化部６２及び凹部形成用酸化領域６２ａが、すこしずつエッチングされる。凹部形成用酸化領域６２ａは膜厚が薄いため、酸化部６２より先に下地の処理前基板６１が露出する。酸化されていない処理前基板６１は、酸化された部分よりもエッチング速度が速い。そのため、凹部形成用酸化領域６２ａが形成されていた部分は、ドライエッチング後に凹部１Ｂが形成される。 Next, as shown in FIG. 7C, a dry etching process is performed on the processed surface of the unprocessed substrate 61 on which the metal film 65 is formed. When the dry etching process is performed, the oxidized portion 62 and the recess forming oxidized region 62a are slightly etched. Since the oxide region 62a for forming the recess is thin, the underlying unprocessed substrate 61 is exposed before the oxidized portion 62. The unprocessed substrate 61 that is not oxidized has a higher etching rate than the oxidized portion. Therefore, the recess 1B is formed after the dry etching in the portion where the recess forming oxide region 62a was formed.
最後に、フッ酸等によりエッチングすることにより、酸化部６２のみを選択エッチングする。これにより、図７（ｄ）に示すように、凹部１Ｂ及びメタマテリアル３が形成された基板１を得ることができる。 Finally, by etching with hydrofluoric acid or the like, only the oxidized portion 62 is selectively etched. As a result, as shown in FIG. 7D, it is possible to obtain the substrate 1 in which the recess 1B and the metamaterial 3 are formed.
そして、凹部１Ｂ及びメタマテリアル３が形成された基板１の凹部１Ｂに向けて、量子ドットを含んだ液滴を滴下し、洗い流す。このとき量子ドットが凹部１Ｂに填まり、図２に示す光放射素子１０を得ることができる。 Then, a droplet containing a quantum dot is dropped toward the recess 1B of the substrate 1 on which the recess 1B and the metamaterial 3 are formed, and washed away. At this time, the quantum dots are filled in the concave portion 1B, and the light emitting element 10 shown in FIG. 2 can be obtained.
この方法によれば、後述する第２実施形態に係る光子放出素子４０及び第３実施形態に係る光子放出素子５０の製造過程において必要な平坦化層の形成工程を削除することができる。また平坦性の高い単結晶基板上でＳＰＭリソグラフィーを行うことができるため、位置精度を高めることができる。 According to this method, it is possible to eliminate the step of forming the planarizing layer, which is necessary in the manufacturing process of the photon emitting device 40 according to the second embodiment and the photon emitting device 50 according to the third embodiment, which will be described later. In addition, since SPM lithography can be performed on a single crystal substrate with high flatness, position accuracy can be improved.
次に、第２実施形態に係る光子放出素子４０の製造方法及び第３実施形態に係る光子放出素子５０の製造方法について、図４及び図５を基に説明する。これらの製造方法は、量子ドット２を作製するための凹部４１Ｂ，５１Ｂと、メタマテリル３を同一面上に形成していない点が異なる。 Next, a method for manufacturing the photon emitting device 40 according to the second embodiment and a method for manufacturing the photon emitting device 50 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. These manufacturing methods are different in that the recesses 41B and 51B for manufacturing the quantum dots 2 and the metamateryl 3 are not formed on the same surface.
図４に基づき、第２実施形態に係る光子放出素子４０の製造方法について説明する。まず、下地基板４１ａを準備する。下地基板４１ａは、量子ドットを作製するため、単結晶であることが好ましい。 A method of manufacturing the photon emitting device 40 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. First, the base substrate 41a is prepared. The base substrate 41a is preferably a single crystal in order to produce quantum dots.
準備した下地基板４１ａの凹部４１Ｂを形成したい部分をＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。そして酸化した部分を上述の方法と同様に選択性エッチングにより除去し、凹部４１Ｂを作製する。 The portion of the prepared base substrate 41a where the recess 41B is to be formed is oxidized by SPM lithography. Then, the oxidized portion is removed by selective etching in the same manner as the above-described method to form the recess 41B.
凹部４１Ｂに量子ドットを含んだ液滴を滴下し、洗い流す。このとき量子ドット２が凹部４１Ｂに填まる。これにより所定の位置に量子ドット２が配設された下地基板４１ａが形成される。 A droplet containing a quantum dot is dropped on the recess 41B and washed away. At this time, the quantum dots 2 are fitted into the recess 41B. As a result, the base substrate 41a having the quantum dots 2 arranged at predetermined positions is formed.
次いで、下地基板４１ａの量子ドット２が配設された面に、下地基板４１ａと同一の材料からなる平坦化層４１ｂをスパッタ等により成膜する。平坦化層４１ｂの厚みは、凹部４１Ｂによる凹凸を平坦化できる程度の厚みとする。 Next, a flattening layer 41b made of the same material as the base substrate 41a is formed on the surface of the base substrate 41a on which the quantum dots 2 are arranged by sputtering or the like. The thickness of the flattening layer 41b is set to such a level that the unevenness due to the recess 41B can be flattened.
そして、再度ＳＰＭリソグラフィーにより平坦化層４１ｂを酸化する。酸化はメタマテリアル３となる部分を残して行う。酸化後の平坦化層４１ｂには、金属層３ｂを作製する。最後に平坦化層４１ｂの酸化された部分を選択性エッチングにより除去すれば、図４に示す光放出素子２０を作製することができる。但し、酸化部分を除去しなくても、光子放出素子として機能する。 Then, the flattening layer 41b is oxidized again by SPM lithography. Oxidation is performed while leaving the portion that becomes the metamaterial 3. The metal layer 3b is formed on the flattening layer 41b after oxidation. Finally, the oxidized portion of the planarization layer 41b is removed by selective etching, whereby the light emitting device 20 shown in FIG. 4 can be manufactured. However, even if the oxidized portion is not removed, it functions as a photon emitting device.
この方法によれば、平坦性の高い単結晶基板上に量子ドットを作製することができる。すなわち、量子ドットの位置制御性を高めることができる。また量子ドットを作成するための凹部の段差は数ｎｍ程度と比較的小さいため、平坦化層により比較的簡単に凹部の段差を平坦化することができる。 According to this method, quantum dots can be produced on a single crystal substrate having high flatness. That is, the position controllability of the quantum dots can be improved. Further, since the step of the recess for forming the quantum dot is relatively small, about several nm, the step of the recess can be flattened relatively easily by the flattening layer.
最後に図５に基づき、第３実施形態に係る光子放出素子５０の製造方法について説明する。まず、下地基板５１ａを準備する。下地基板５１ａは、単結晶であることが好ましい。 Finally, a method of manufacturing the photon emitting device 50 according to the third embodiment will be described with reference to FIG. First, the base substrate 51a is prepared. The base substrate 51a is preferably a single crystal.
準備した下地基板５１ａのメタマテリアル３を形成したい部分を残してＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。酸化後の下地基板５１ａの一面には金属層３ｂを形成し、上述の方法と同様に選択性エッチングにより酸化した部分を除去する。こうして、メタマテリアル３が形成された下地基板５１ａを作製する。 The prepared base substrate 51a is oxidized by SPM lithography except for the portion where the metamaterial 3 is to be formed. The metal layer 3b is formed on one surface of the base substrate 51a after the oxidation, and the oxidized portion is removed by the selective etching as in the above method. In this way, the base substrate 51a on which the metamaterial 3 is formed is manufactured.
次いで、下地基板５１ａのメタマテリアル３が配設された面に、下地基板５１ａと同一の材料からなる平坦化層５１ｂをスパッタ等により成膜する。平坦化層５１ｂの厚みは、メタマテリアル３による凹凸を平坦化できる程度の厚みとする。 Then, a flattening layer 51b made of the same material as the base substrate 51a is formed on the surface of the base substrate 51a on which the metamaterial 3 is provided by sputtering or the like. The thickness of the flattening layer 51b is set to a level that can flatten the unevenness due to the metamaterial 3.
そして、得られた平坦化層５１ｂの量子ドット２を形成したい部分を再度ＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。平坦化層５１ｂの酸化された部分を選択性エッチングにより除去することで、凹部５１Ｂが形成される。 Then, the portion of the obtained flattening layer 51b where the quantum dots 2 are to be formed is again oxidized by SPM lithography. The recessed portion 51B is formed by removing the oxidized portion of the flattening layer 51b by selective etching.
最後に凹部５１Ｂに量子ドットを含んだ液滴を滴下し、洗い流す。このとき量子ドット２が凹部５１Ｂに填まり、図５に示す光放出素子５０を作製することができる。 Finally, a droplet containing a quantum dot is dropped on the concave portion 51B and washed away. At this time, the quantum dots 2 are filled in the concave portions 51B, and the light emitting device 50 shown in FIG. 5 can be manufactured.
この方法によれば、量子ドット上にスパッタ等により平坦化層を成膜する必要がない。すなわち、量子ドットがスパッタ等の処理によりダメージを受けることを抑制することができる。 According to this method, it is not necessary to form a flattening layer on the quantum dots by sputtering or the like. That is, it is possible to prevent the quantum dots from being damaged by a process such as sputtering.
本発明の一態様に係る光放出素子の製造方法を用いると、量子ドット及びメタマテリアルの位置制御性を高めることができる。その結果、得られる光放出素子における量子ドットから発光する光の発光周波数と、メタマテリアル内のプラズモンの共鳴周波数との共振性を高めることができる。 When the method for manufacturing a light emitting device according to one embodiment of the present invention is used, the position controllability of quantum dots and metamaterials can be improved. As a result, the resonance property between the emission frequency of the light emitted from the quantum dots in the obtained light emitting device and the resonance frequency of the plasmon in the metamaterial can be enhanced.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified and changed.
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. The present invention is not limited to the following examples.
シリコンの単結晶基板を準備した。準備したシリコンの単結晶基板にＳＰＭリソグラフィーで幅１０ｎｍ深さ５ｎｍの凹部を形成した。ＳＰＭリソグラフィーには、セイコーインスツルメンツ社製の走査型プローブ顕微鏡（Ｎａｎｏｎａｖｉ ＩＩｅ）を用いた。酸化した酸化部のエッチングはフッ酸で行った。そして、得られた凹部に直径５ｎｍのＰｂＳからなる化学合成量子ドットが分散した溶液を滴下した。そして、滴下後数分後に、滴下した溶液を洗い流した。 A silicon single crystal substrate was prepared. A recess having a width of 10 nm and a depth of 5 nm was formed on the prepared silicon single crystal substrate by SPM lithography. For the SPM lithography, a scanning probe microscope (Nanonavi IIe) manufactured by Seiko Instruments Inc. was used. Etching of the oxidized portion was performed with hydrofluoric acid. Then, a solution in which chemically synthesized quantum dots made of PbS having a diameter of 5 nm were dispersed was dropped into the obtained recess. Then, a few minutes after the dropping, the dropped solution was washed away.
図８は、走査型プローブ顕微鏡による断面画像であり、（ａ）は凹部形成後の断面画像であり、（ｂ）はＰｂＳ滴下後の断面画像である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は二つの断面図を記載しているが、凹部を第１の方向に切断した断面と第１の方向に対して直交する第２の方向に切断した断面の二つの断面である。
図８に示すように、化学合成量子ドットが分散した溶液を凹部に滴下することで、凹部が埋まっていることが分かる。凹部は量子ドット１つ分の隙間しか有さないため、凹部に量子ドットが１つ埋め込まれていることがわかる。
8A and 8B are cross-sectional images by a scanning probe microscope, FIG. 8A is a cross-sectional image after forming the concave portion, and FIG. 8B is a cross-sectional image after dropping PbS. Although FIG. 8A and FIG. 8B describe two cross-sectional views, the recess is cut in the first direction and the cross-section is cut in the second direction orthogonal to the first direction. It is two sections of a section.
As shown in FIG. 8, it can be seen that the recess is filled by dropping the solution in which the chemically synthesized quantum dots are dispersed into the recess. It can be seen that one quantum dot is embedded in the recess because the recess has only a gap for one quantum dot.
本発明の光放射素子は、量子情報処理分野の新たな基盤技術として用いることができる。 The light emitting element of the present invention can be used as a new basic technology in the field of quantum information processing.
１，４１，５１…基板、１Ａ…一面、１Ｂ，４１Ｂ，５１Ｂ…凹部、２…量子ドット、３，１３，２３，３３…メタマテリアル、３ａ…基部、３ｂ…金属層、３Ａ，１３Ａ，２３Ａ…開口部、１０，４０，５０…光放出素子、４１ａ，５１ａ…下地基板、４１ｂ，５１ｂ…平坦化層、６１…処理前基板、６２…酸化部、６２ａ…凹部形成用酸化部、６３…プローブ、６３ａ…チップ先端
1, 41, 51... Substrate, 1A... One surface, 1B, 41B, 51B... Recessed portion, 2... Quantum dot, 3, 13, 23, 33... Metamaterial, 3a... Base portion, 3b... Metal layer, 3A, 13A, 23A ...Apertures, 10, 40, 50... Light-emitting devices, 41a, 51a... Underlying substrates, 41b, 51b... Flattening layer, 61... Pretreatment substrate, 62... Oxidized part, 62a... Recessed part forming oxidized part, 63... Probe, 63a... Tip of tip
Claims (8)
前記基板の一面又は内部に形成された凹部内に設けられた量子ドットと、
前記基板上又は前記基板の内部に設けられ、前記基板の一面を平面視して、前記量子ドットを囲み、延在方向に端部を有するメタマテリアルと、を備え、
前記量子ドットは、３次元対称性を有する化学合成量子ドットであり、
前記メタマテリアル内のプラズモンの共鳴周波数は、前記量子ドットから発光する光の発光周波数と一致する、光子放出素子。 A substrate made of a semiconductor,
A quantum dot provided in a recess formed on one surface or inside the substrate ,
Provided inside the substrate or on the substrate, in a plan view one surface of the substrate, surrounding the quantum dots, and a metamaterial having an end in the extending direction,
The quantum dots are chemically synthesized quantum dots having three-dimensional symmetry,
A photon emitting device in which a resonance frequency of plasmons in the metamaterial matches an emission frequency of light emitted from the quantum dots .
前記酸化工程で酸化されていない部分にメッキ処理によりメタマテリアルを形成する工程と、
前記基板の一面をエッチングし、前記基板の一面に凹部を形成する工程と、
前記基板の一面に量子ドットを含む液滴を滴下し、前記凹部に前記量子ドットを収容する工程と、を有し、
前記酸化工程では、酸化膜厚が他の部分より薄い凹部形成用酸化領域を形成し、
前記エッチングのエッチング速度の違いにより、前記凹部形成用酸化領域は前記凹部となる、光子放出素子の製造方法。 The tip end of the probe of the scanning probe microscope is brought close to one surface of the substrate, water attached to the tip end is brought into contact with the substrate, and a voltage is applied between the substrate and the tip end of the surface of the substrate. An oxidation step of oxidizing a part,
A step of forming a metamaterial by a plating treatment on a portion which is not oxidized in the oxidation step,
Etching one surface of the substrate to form a recess on the one surface of the substrate;
A step of dropping a droplet containing a quantum dot on one surface of the substrate, and accommodating the quantum dot in the recess,
In the oxidation step, an oxide region for forming a recess having an oxide film thickness thinner than other portions is formed,
The method for producing a photon emitting device , wherein the oxidized region for forming the recess becomes the recess due to a difference in etching rate of the etching .
前記下地基板の一面をエッチングし、前記下地基板の一面に凹部を形成する工程と、
前記下地基板の一面に量子ドットを含む液滴を滴下し、前記凹部に前記量子ドットを収容する工程と、
前記凹部が形成された面に、前記下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、
前記平坦化層の外表面に前記チップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記平坦化層に接触させ、前記平坦化層と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記平坦化層の表面の一部を酸化する平坦化層酸化工程と、
前記平坦化層酸化工程で酸化されていない部分にメッキ処理によりメタマテリアルを形成する工程と、を有し、
前記下地基板酸化工程では、酸化膜厚が他の部分より薄い凹部形成用酸化領域を形成し、
前記エッチングのエッチング速度の違いにより、前記凹部形成用酸化領域は前記凹部となる、光子放出素子の製造方法。 The tip of the probe of the scanning probe microscope is brought close to one surface of the base substrate, the water attached to the tip is brought into contact with the base substrate, and a voltage is applied between the base substrate and the tip of the base substrate. A base substrate oxidation step of oxidizing the surface of the substrate;
Etching one surface of the base substrate to form a recess on the one surface of the base substrate;
A step of dropping a droplet containing a quantum dot on one surface of the base substrate, and accommodating the quantum dot in the recess;
The surface on which the recesses are formed, a step of forming a planarizing layer comprising the underlying substrate of the same material,
The tip of the tip is brought close to the outer surface of the flattening layer, water attached to the tip of the tip is brought into contact with the flattening layer, and a voltage is applied between the flattening layer and the tip of the tip to flatten the surface. A planarization layer oxidation step of oxidizing a part of the surface of the layer,
Possess and forming a metamaterial by plating the portion that is not oxidized by the planarization layer oxidation step,
In the base substrate oxidizing step, an oxide region for forming a recess having an oxide film thickness thinner than other portions is formed,
The method for manufacturing a photon-emitting device , wherein the recessed portion forming oxidized region becomes the recessed portion due to a difference in etching rate of the etching .
前記下地基板酸化工程で酸化されていない部分にメッキ処理によりメタマテリアルを形成する工程と、
前記メタマテリアルが形成された面に、下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、
前記平坦化層の外表面に前記チップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記平坦化層に接触させ、前記平坦化層と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記平坦化層の表面の一部を酸化する平坦化層酸化工程と、
前記平坦化層の一面をエッチングし、前記平坦化層の一面に凹部を形成する工程と、
前記平坦化層の一面に量子ドットを含む液滴を滴下し、前記凹部に前記量子ドットを収容する工程と、を有し、
前記平坦化層酸化工程では、酸化膜厚が他の部分より薄い凹部形成用酸化領域を形成し、
前記エッチングのエッチング速度の違いにより、前記凹部形成用酸化領域は前記凹部となる、光子放出素子の製造方法。 The tip of the probe of the scanning probe microscope is brought close to one surface of the base substrate, the water attached to the tip is brought into contact with the base substrate, and a voltage is applied between the base substrate and the tip of the base substrate. A base substrate oxidation step of oxidizing a part of the surface of the substrate;
A step of forming a metamaterial by a plating process on a portion which is not oxidized in the base substrate oxidizing step,
A step of forming a planarizing layer made of the same material as the base substrate on the surface on which the metamaterial is formed,
The tip of the tip is brought close to the outer surface of the flattening layer, water attached to the tip of the tip is brought into contact with the flattening layer, and a voltage is applied between the flattening layer and the tip of the tip to flatten the surface. A planarization layer oxidation step of oxidizing a part of the surface of the layer,
Etching one surface of the flattening layer, forming a recess on the one surface of the flattening layer,
A step of dropping a droplet containing a quantum dot on one surface of the flattening layer, and accommodating the quantum dot in the recess,
In the flattening layer oxidation step, an oxide region for forming a recess having an oxide film thickness thinner than other portions is formed,
The method for manufacturing a photon-emitting device , wherein the recessed portion forming oxidized region becomes the recessed portion due to a difference in etching rate of the etching .
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