WO2012127573A1 - 光論理素子 - Google Patents

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    • G02F3/02—Optical bistable devices
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    • G02F2202/10—Materials and properties semiconductor
    • G02F2202/101—Ga×As and alloy

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of optical logic elements that perform optical logic operations using, for example, near-field light or propagating light.
  • an element including a first quantum point, a second quantum point, and a third quantum point in order of increasing size is proposed.
  • the adjustment signal energy is input to the third quantum point.
  • the energy forbidden to move to the third quantum point is output from the second quantum point as signal energy (see Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of the above problems, for example, and an object thereof is to provide an optical logic element capable of performing a stable logic operation.
  • an optical logic element of the present invention includes a substrate, and first and second quantum dots that are arranged on the substrate and can transfer energy by near-field interaction,
  • the distance between the first quantum dot and the second quantum dot is 13 nm (nanometer) to 26 nm.
  • the first quantum dots and the second quantum dots including, for example, indium arsenic (InAs) are disposed on the substrate including, for example, gallium arsenide (GaAs).
  • the first quantum dots and the second quantum dots may be arranged on a plane parallel to the substrate surface, or along a direction perpendicular to the substrate surface (that is, a height direction), They may be arranged (laminated) at different distances from the substrate surface.
  • the optical logic element is not limited to the first quantum dot and the second quantum dot, and may include three or more quantum dots. That is, in the present invention, among the plurality of quantum dots, one quantum dot is referred to as a “first quantum dot”, and another quantum dot disposed in proximity to the one quantum dot is referred to as a “second quantum dot”. For convenience.
  • the first quantum dots and the second quantum dots are arranged so that the distance between the first quantum dots and the second quantum dots is within a range of 13 nm to 26 nm.
  • the “distance between the first quantum dot and the second quantum dot” is the shortest distance between the outer edge (ie, the surface) of the first quantum dot and the outer edge (ie, the surface) of the second quantum dot. Means distance.
  • the following matters have been found. That is, if the distance between the first quantum dot and the second quantum dot is relatively long, the near-field interaction does not work between the first quantum dot and the second quantum dot, and no logic operation is performed in the optical logic element. There is a fear. On the other hand, if the distance between the first quantum dots and the second quantum dots is relatively short, there is a possibility that light (that is, energy) is not appropriately emitted from the quantum dots.
  • the present inventor uses a plurality of samples in which the distance between the first quantum dot and the second quantum dot is different from each other, and an appropriate range of the distance between the first quantum dot and the second quantum dot is 13 nm to It was experimentally found to be 26 nm.
  • the range is not affected or hardly affected by the size of the quantum dots.
  • the distance between the first quantum dots and the second quantum dots is set to 13 nm to 26 nm. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an optical logic element that enables stable logic operation.
  • the logical operation is performed by irradiating the optical logic element with light having a predetermined wavelength. Since various known modes can be applied to the logical operation, a detailed description thereof is omitted.
  • the distance between the first quantum dots and the second quantum dots is 17 nm to 24 nm.
  • the first quantum dot and the second quantum dot include a material different from a material constituting the first quantum dot and a material constituting the second quantum dot. Are stacked on the substrate so as to face each other with an intermediate layer formed therebetween.
  • the first quantum dots and the second quantum dots are stacked so as to face each other with the intermediate layer interposed therebetween. That is, in this aspect, (i) an intermediate layer is stacked on the first quantum dot, and a second quantum dot is stacked on the intermediate layer, or (ii) on the second quantum dot An intermediate layer is stacked, and the first quantum dots are stacked on the intermediate layer. With this configuration, the installation area of the optical logic element can be reduced, which is very advantageous in practice.
  • opposite means that one of the first quantum dots and the second quantum dots is arranged on one surface of the intermediate layer, and the other surface opposite to the one surface of the intermediate layer, It is only necessary that the other of the first quantum dots and the second quantum dots is arranged, and the present invention is not limited to the case where the first quantum dots and the second quantum dots are overlapped when viewed in plan on the substrate.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a distance d and a wavelength difference between the first level and the second level. It is an example of the quantum dot observed by HAADF-STEM. It is a conceptual diagram which shows an example of arrangement
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of the optical logic element of this embodiment.
  • the optical logic device 1 includes a GaAs substrate 11, a GaAs buffer layer 12 stacked on the (001) plane of the GaAs substrate 11, and a stack on the GaAs buffer layer 12.
  • the optical logic element 1 may be configured to include three or more quantum dot layers. Moreover, the material which comprises the optical logic element 1 is not restricted to the material mentioned above.
  • the optical logic element 1 when the optical logic element 1 is irradiated with light having a predetermined wavelength from below the GaAs substrate 11 of the optical logic element 1, a near-field interaction works between the InAs quantum dots 21 and the InAs quantum dots 22 (specifically Specifically, for example, energy is exchanged via near-field light) and a predetermined logical operation is performed.
  • the optical logic device 1 is configured such that the distance d (see FIG. 1) between the InAs quantum dots 21 and the InAs quantum dots 22 is 13 nm to 26 nm, preferably 17 nm to 24 nm. As shown in FIG. 1, the distance d means the distance between the outer edge of the InAs quantum dot 21 and the outer edge of the InAs quantum dot 22.
  • FIG. 2 is an example of the relationship between the distance d and a PL (Photoluminescence) emission peak
  • FIG. 3 is another example of the relationship between the distance d and the PL emission peak
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the distance d and the wavelength difference between the first level and the second level.
  • the first level PL emission peak (peaks appearing at wavelengths 1230 nm to 1300 nm) becomes longer, so that the first level is increased. -It can be seen that the wavelength difference between the second levels increases.
  • FIGS. 2 and 3 there is a PL emission peak in the vicinity of a wavelength of 1060 nm. This is a case where the laser beam irradiated for the measurement of the PL emission characteristic is detected as noise.
  • FIG. 4 shows the relationship between the wavelength difference between the first level and the second level of the PL emission peak described above and the distance d.
  • the distance d is 13 nm to 17 nm
  • the wavelength difference between the first level and the second level gradually increases (that is, the wavelength of the PL emission peak mainly at the second level becomes longer).
  • the distance d is 17 nm to 26 nm
  • the wavelength difference between the first level and the second level rapidly increases.
  • the distance d is 26 nm or more, there is no significant change in the wavelength difference between the first level and the second level.
  • the near-field interaction As a result, it has been found that the wavelength of the PL emission peak at the second level mainly increases. For this reason, if the distance d between the InAs quantum dots 21 and the InAs quantum dots 22 is set so as to be within a section where the wavelength difference between the first level and the second level changes, the near-field interaction is stabilized. Will work. That is, the optical logic element 1 can be made to perform a stable logic operation.
  • the optical logic element 1 can perform more stable logic operation. Is possible.
  • HAADF-SREM High-Angle Angular Dark-Field Scanning Transmission Electron Microscopy: High Angle Scattering Dark Field Scanning Transmission Electron Microscopy.
  • the InAs quantum dots included in the second quantum dot layer (upper layer) are formed immediately above the InAs quantum dots included in the first quantum dot layer (lower layer). I understand. This is because distortion caused by the InAs quantum dots 21 occurs on the surface (upper surface) of the intermediate layer 13 (see FIG. 1).
  • the “InAs quantum dots 21” and “InAs quantum dots 22” according to the present embodiment are examples of the “first quantum dots” and the “second quantum dots” according to the present invention, respectively.
  • the present invention is also applicable to an optical logic element including only one quantum dot layer, for example.
  • the distance d between the InAs quantum dots 21 and InAs quantum dots 22 formed in the upper layer of the GaAs substrate 11 is within the above-mentioned range of 13 nm to 26 nm. Desirably, it may be set within a range of 17 nm to 24 nm.
  • Optical logic element 11 ... GaAs substrate, 12 ... GaAs buffer layer, 13 ... intermediate layer, 14 ... cap layer, 21, 22 ... InAs quantum dots

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Abstract

　光論理素子（１）は、基板（１１）と、該基板上に配置され、近接場相互作用によりエネルギーを授受可能な第１量子ドット（２１）及び第２量子ドット（２２）と、を備える。ここで特に、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離は、１３ｎｍ～２６ｎｍである。このように構成すれば、安定して論理動作が行われる光論理素子を提供することができる。

Description

光論理素子
　本発明は、例えば近接場光或いは伝播光を用いて光論理動作を行う光論理素子の技術分野に関する。
　この種の素子として、例えば、夫々大きさが異なる、小さい順に、第１の量子点、第２の量子点及び第３の量子点を備える素子が提案されている。ここでは特に、第１の量子点から第２の量子点へ、該第２の量子点から第３の量子点へ、エネルギー移動が生じる際に、第３の量子点に調整信号エネルギーが入力されると、第３の量子点への移動が禁制されたエネルギーが、信号エネルギーとして第２の量子点から出力されることが開示されている（特許文献１参照）。
特開２００３－１０７５３８号公報
　特許文献１に記載されているような素子を用いて、例えば光論理素子を構成した場合、素子に含まれる量子ドットの配置によっては、適切に論理動作が行われない可能性があるという技術的問題点がある。
　本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、安定して論理動作が行われる光論理素子を提供することを課題とする。
　本発明の光論理素子は、上記課題を解決するために、基板と、前記基板上に配置され、近接場相互作用によりエネルギーを授受可能な第１量子ドット及び第２量子ドットと、を備え、前記第１量子ドット及び前記第２量子ドット間の距離が、１３ｎｍ（ナノメートル）～２６ｎｍである。
　本発明の光論理素子によれば、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等を含んでなる基板上に、例えばインジウムヒ素（ＩｎＡｓ）等を含んでなる第１量子ドット及び第２量子ドットが配置されている。ここで、第１量子ドット及び第２量子ドットは、基板面に平行な平面上に配置されていてもよいし、該基板面に対して垂直な方向（即ち、高さ方向）に沿って、基板面から互いに異なる距離に配置（積層）されていてもよい。
　また、当該光論理素子は、第１量子ドット及び第２量子ドットに限らず、３つ以上の量子ドットを備えていてよい。つまり、本発明では、複数の量子ドットのうち、一の量子ドットを「第１量子ドット」と、該一の量子ドットに近接して配置されている他の量子ドットを「第２量子ドット」と、便宜上称している。
　本発明では特に、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離が、１３ｎｍ～２６ｎｍの範囲内になるように、該第１量子ドット及び第２量子ドットが配置されている。ここで、「第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離」とは、第１量子ドットの外縁（即ち、表面）と、第２量子ドットの外縁（即ち、表面）と、の間の最短距離を意味する。
　本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離が、比較的長いと、第１量子ドット及び第２量子ドット間において近接場相互作用が働かず、光論理素子において論理動作が行われないおそれがある。他方、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離が、比較的短いと、量子ドットから適切に光（即ち、エネルギー）が発せられないおそれがある。
　そこで、本願発明者は、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離が相互に異なる複数のサンプルを用いて、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離の適切な範囲が、１３ｎｍ～２６ｎｍであることを実験的に見出した。ここで、該範囲は、量子ドットの大きさの影響を受けない又はほとんど受けないことが本願発明者の研究により判明している。
　本発明の光論理素子は、上述の如く、第１量子ドット及び第２量子ドット間の距離が、１３ｎｍ～２６ｎｍに設定されている。従って、本発明によれば、安定した論理動作を可能とする光論理素子を提供することができる。尚、論理動作は、当該光論理素子に対して、所定の波長を有する光が照射されることにより行われる。論理動作には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は省略する。
　本発明の光論理素子の一態様では、前記第１量子ドット及び前記第２量子ドット間の距離が、１７ｎｍ～２４ｎｍである。
　この態様によれば、より安定した論理動作を可能とする光論理素子を提供することができ、実用上非常に有利である。
　本発明の光論理素子の他の態様では、前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットは、前記第１量子ドットを構成する材料及び前記第２量子ドットを構成する材料とは異なる材料を含んでなる中間層を挟んで相対向するように、前記基板上に積層されている。
　この態様によれば、第１量子ドット及び第２量子ドットは、中間層を挟んで相対向するように積層されている。つまり、この態様では、（ｉ）第１量子ドットの上に中間層が積層され、該中間層の上に第２量子ドットが積層されている、或いは、（ｉｉ）第２量子ドットの上に中間層が積層され、該中間層の上に第１量子ドットが積層されている。このように構成すれば、当該光論理素子の設置面積を抑制することができ、実用上非常に有利である。
　尚、「相対向する」とは、中間層の一の面に、第１量子ドット及び第２量子ドットの一方が配置され、中間層の該一の面とは反対側の他の面に、第１量子ドット及び第２量子ドットの他方が配置されていればよく、基板上で平面的に見て、第１量子ドット及び第２量子ドットが重なっている場合に限られない。
　本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
本発明の実施形態の光論理素子の構成を示す概念図である。 距離ｄと、ＰＬ発光ピークとの関係の一例である。 距離ｄと、ＰＬ発光ピークとの関係の他の例である。 距離ｄと、第１準位－第２準位間波長差との関係を示す特性図である。 ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭにより観察された量子ドットの一例である。 本発明の実施形態の変形例に係る光論理素子における量子ドットの配置の一例を示す概念図である。
　以下、本発明に係る光論理素子の実施形態を、図面に基づいて説明する。尚、以下の図では、各層・各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層・各部材毎に縮尺を異ならしめてある。
　本実施形態に係る光論理素子の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の光論理素子の構成を示す概念図である。
　図１に示すように、光論理素子１は、ＧａＡｓ基板１１と、該ＧａＡｓ基板１１の（００１）面上に積層されたＧａＡｓバッファ層１２と、該ＧａＡｓバッファ層１２上に積層され、ＩｎＡｓ量子ドット２１を含んでなる第１量子ドット層と、該第１量子ドット層上に積層され、ＧａＡｓを含んでなる中間層１３と、該中間層１３上に積層され、ＩｎＡｓ量子ドット２２を含んでなる第２量子ドット層と、該第２量子ドット層上に積層され、ＧａＡｓを含んでなるキャップ層１４と、を備えて構成されている。
　尚、光論理素子１は、量子ドット層を３層以上備えて構成されていてもよい。また、光論理素子１を構成する材料は、上述した材料に限られない。
　光論理素子１は、例えば該光論理素子１のＧａＡｓ基板１１の下方から所定の波長を有する光が照射されると、ＩｎＡｓ量子ドット２１及びＩｎＡｓ量子ドット２２間において近接場相互作用が働き（具体的には例えば、近接場光を介したエネルギーの授受）、所定の論理動作が行われるように構成されている。
　本実施形態では特に、ＩｎＡｓ量子ドット２１及びＩｎＡｓ量子ドット２２間の距離ｄ（図１参照）が、１３ｎｍ～２６ｎｍ、望ましくは１７ｎｍ～２４ｎｍになるように、光論理素子１が構成されている。尚、図１に示すように、距離ｄは、ＩｎＡｓ量子ドット２１の外縁と、ＩｎＡｓ量子ドット２２の外縁との間の距離を意味する。
　ここで、距離ｄの範囲の根拠について、図２乃至図４を参照して具体的に説明する。図２は、距離ｄと、ＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）発光ピークとの関係の一例であり、図３は、距離ｄと、ＰＬ発光ピークとの関係の他の例である。図４は、距離ｄと、第１準位－第２準位間波長差との関係を示す特性図である。
　図２及び図３に示すように、距離ｄが大きくなるに従って、主に第２準位のＰＬ発光ピーク（波長１２３０ｎｍ～１３００ｎｍに現れるピーク）の波長が長波長化することにより、第１準位－第２準位間波長差が大きくなることがわかる。
　尚、図２及び図３において、波長１０６０ｎｍ近傍にＰＬ発光のピークが存在しているが、これは、ＰＬ発光特性の測定のために照射されたレーザ光がノイズとして検出されたものである。
　図４に、上述したＰＬ発光ピークの第１準位－第２準位間波長差と、距離ｄとの関係を示す。距離ｄが１３ｎｍ～１７ｎｍでは、第１準位－第２準位間波長差が緩やかに上昇している（即ち、主に第２準位のＰＬ発光ピークの波長が長波長化する）。距離ｄが１７ｎｍ～２６ｎｍでは、第１準位－第２準位間波長差が急激に上昇している。そして、距離ｄが２６ｎｍ以上では、第１準位－第２準位間波長差に大きな変化は見られない。
　本願発明者の研究によれば、第１準位－第２準位間波長差が変化する区間（即ち、距離ｄが１３ｎｍ～２６ｎｍ；図４中の網掛け部分参照）では、近接場相互作用の影響により、主に第２準位のＰＬ発光ピークの波長が長波長化することが、判明している。このため、ＩｎＡｓ量子ドット２１及びＩｎＡｓ量子ドット２２間の距離ｄを、第１準位－第２準位間波長差が変化する区間内になるように設定すれば、近接場相互作用が安定して働くこととなる。即ち、光論理素子１に、安定した論理動作をさせることが可能となる。
　特に距離ｄが１７ｎｍ～２４ｎｍでは、近接場相互作用が比較的強く働くと考えられるので（図４に示すように、変化が大きいため）、光論理素子１に、より安定した論理動作をさせることが可能となる。
　尚、本実施形態に係る光論理素子１（距離ｄ＝２３．６ｎｍ）をＨＡＡＤＦ－ＳＲＥＭ（Ｈｉｇｈ－Ａｎｇｌｅ　Ａｎｎｕｌａｒ　Ｄａｒｋ－Ｆｉｅｌｄ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：高角度散乱暗視野走査透過電子顕微鏡法）により観察すると、例えば図５（ａ）に示すように、第１量子ドット層（下層）に含まれるＩｎＡｓ量子ドットの直上に、第２量子ドット層（上層）に含まれるＩｎＡｓ量子ドットが形成されていることがわかる。これは、中間層１３（図１参照）の表面（上面）に、ＩｎＡｓ量子ドット２１に起因する歪みが生じるためである。
　他方、比較例に係る光論理素子（距離ｄ＝３４．４ｎｍ）をＨＡＡＤＦ－ＳＲＥＭにより観察すると、例えば図５（ｂ）に示すように、上層に形成されたＩｎＡｓ量子ドットは、下層に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの影響をほとんど、又は全く受けないことがわかる。これは、中間層膜厚が比較的厚くなるため、下層に形成されたＩｎＡｓ量子ドットに起因する歪みが、中間層の表面に現れにくくなる又は現れないためである。
　本実施形態に係る「ＩｎＡｓ量子ドット２１」及び「ＩｎＡｓ量子ドット２２」は、夫々、本発明に係る「第１量子ドット」及び「第２量子ドット」の一例である。
　＜変形例＞
　上述した実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドットが積層されている態様について説明したが、本発明は、例えば量子ドット層を１層のみ備える光論理素子にも適用可能である。この場合は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ基板１１の上層に形成されたＩｎＡｓ量子ドット２１及びＩｎＡｓ量子ドット２２間の距離ｄを、上述した１３ｎｍ～２６ｎｍの範囲内、望ましくは１７ｎｍ～２４ｎｍの範囲内に設定すればよい。
　本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光論理素子もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
　１…光論理素子、１１…ＧａＡｓ基板、１２…ＧａＡｓバッファ層、１３…中間層、１４…キャップ層、２１、２２…ＩｎＡｓ量子ドット

Claims (3)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に配置され、近接場相互作用によりエネルギーを授受可能な第１量子ドット及び第２量子ドットと、
    　を備え、
    　前記第１量子ドット及び前記第２量子ドット間の距離が、１３ｎｍ～２６ｎｍである
    　ことを特徴とする光論理素子。
  2. 　前記第１量子ドット及び前記第２量子ドット間の距離が、１７ｎｍ～２４ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の光論理素子。
  3. 　前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットは、前記第１量子ドットを構成する材料及び前記第２量子ドットを構成する材料とは異なる材料を含んでなる中間層を挟んで相対向するように、前記基板上に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光論理素子。
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JPH07307454A (ja) * 1993-09-16 1995-11-21 Toshiba Corp 量子効果装置、回転方式論理装置および半導体装置の製造方法

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Title
KOICHI AKABANE ET AL.: "Tajusekiso InAs Ryoshi Dot ni Okeru Reiki Ido", DAI 57 KAI THE JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS KANKEI RENGO KOENKAI, vol. 57, no. 3, 3 March 2010 (2010-03-03), pages 03-216 *

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