JP4531583B2

JP4531583B2 - 単一光子発生装置

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Publication number: JP4531583B2
Application number: JP2005036692A
Authority: JP
Inventors: 達哉臼杵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-02-14
Also published as: JP2006222394A

Description

本発明は単一光子発生装置に係り、さらに詳しくは、量子情報通信に使用される単一光子パルスを発生させる光源に適用できる単一光子発生装置に関する。

近年、インターネット上での電子商取引の普及に伴い、より安全性の高い通信に対する需要が高まっている。その中でも極めて安全性の高い暗号通信として量子暗号通信が注目されている。量子暗号通信の実現には１パルスに含まれる光子を１個に制限できる単一光子発生装置が必要となる。

従来の単一光子を発生させる方法として、第１の方法としては、２層のバリア層の間に量子ドットが閉じ込められた構造のデバイスのバリア層に短波長の光（励起光）を照射して電荷（電子と正孔）を励起し、その電荷を量子ドットに流し込み、電子と正孔を再結合させることによって単一光子を発生させる方法がある。これに類似する方法は、特許文献１及び２に記載されている。

第２の方法としては、半導体のｐ-ｎ接合を利用して量子ドットに電気的に電荷（電子と正孔）を注入し、電子と正孔を再結合させることによって単一光子を発生させる方法がある。
特開２００４−２５３６５７号公報特開２００１−２３０４４５号公報

上記した第１の方法では、単一光子源である量子ドットに電荷を流し込む途中で電荷が欠陥などにトラップされやすく、不必要な波長の発光が混在するなどの不具合が発生し、高品質の単一光子が得られない場合がある。高品質の単一光子を発生させるための理想的方法は、励起波長を上手く調整し、単一光子源内の励起準位に電荷を直接励起することである。

しかしながら、現実には、励起光の波長を量子ドット内の励起準位に正確に調整するためには大掛かりな外部光源システムが必要であり、しかも励起光の吸収効率が悪いため励起光を量子ドットに正確に位置合わせして集中させる必要があり、そのような技術を開発するのは困難を極める。

また、上記した第２の方法では、外部に光源を設ける必要はないものの、量子ドットに電荷を流し込むまでに電荷が欠陥などにトラップされる可能性があるので、第１の方法と同様に、不必要な波長の発光が混在するなどの不具合が発生し、高品質の単一光子を得ることは困難である。

以上のように、従来技術では、外部に光源を特別に用意する必要があったり、高品質の単一光子を安定して出力できなかったりする問題がある。

本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、外部に光源を必要とせずに、高品質の単一光子を発生できるコンパクトな単一光子発生装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、単一光子発生装置に係り、化合物半導体基板と、前記化合物半導体基板の上に形成され、単一光子源を含む単一光子発生部と、前記化合物半導体基板上に前記単一光子発生部から分離されて形成され、前記単一光子源と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とを有し、前記半導体レーザ部の前記活性層から発振されるレーザが前記単一光子発生部の前記単一光子源に照射されることを特徴とする。

本発明の単一光子発生装置では、化合物半導体基板上に、単一光子源（量子ドット）を含む単一光子発生部と、その単一光子源（量子ドット）と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とが１チップ化されて設けられている。そして、半導体レーザ部から水平方向に発振されるレーザが単一光子発生部の単一光子源に照射されて単一光子を得るための励起光として利用される。

単一光子発生部の単一光子源と半導体レーザの活性層は、化合物半導体基板上に同一材料でしかも同じプロセスで作り込まれるので、半導体レーザ部から発振されるレーザ（励起光）の波長を単一光子発生部の単一光子源の励起準位に容易に一致させることができる。さらに、単一光子発生部の単一光子源と半導体レーザの活性層は、厚み方向において同一面（化合物半導体基板上の同じ高さ）に形成されるので、半導体レーザ部から発振されるレーザ（励起光）は単一光子発生部の単一光子源に自己整合的に位置合わせされて照射される。

このように、本発明では、半導体レーザ部から発振される励起光を単一光子発生部の単一光子源（量子ドット）に対して位置と波長の２つを同時に自己整合させることができ、これによって高品質の単一光子を発生させることができる。

従って、光励起型の単一光子発生装置であるにもかかわらず大掛かりな光源システムを構築することなく、コンパクトな装置構成で容易に高品質の単一光子を得ることができる。しかも、励起光の波長を単一光子源（量子ドット）の励起準位に正確に調整する必要もなく、照射位置を微調整する必要もない。さらには、単一光子源に直接励起光を照射して電荷を励起するので、電荷が欠陥などにトラップされるおそれもない。

以上説明したように、本発明では、光励起型にもかかわらず外部光源が不要でコンパクトな単一光子発生装置とすることができ、しかも高品質な単一光子が得られる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１〜図３は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）、図４は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。

第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法は、図１（ａ）に示すように、まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０（化合物半導体基板）の上に第１ＧａＡｓバリア層１２（第１化合物半導体層）をエピタキシャル成長によって形成する。その後に、図１（ｂ）に示すように、第１ＧａＡｓバリア層１２の上にＩｎＡｓの薄膜結晶をエピタキシャル成長によって形成する。このとき、成長初期の段階においてＳＫ（Stranski-Krastanov）モードの成長が起こり、第１ＧａＡｓバリア層１２とＩｎＡｓ（薄膜結晶）との格子定数の差によってＩｎＡｓの成長量増加に伴う格子歪による系のエネルギー増大を抑制するように２次元から３次元への成長構造に遷移する。このとき、３次元成長のすぐ後に成長を停止させると、例えば厚さが４ｎｍ程度、直径が２０ｎｍ程度の極めて小さなピラミッド状のＩｎＡｓ結晶粒が自己組織的に複数形成され、このＩｎＡｓ結晶粒が量子ドット１４（単一光子源）として利用される。複数の量子ドット１４は、その面密度が例えば１０¹⁰個／ｃｍ²程度で形成される。

続いて、図１（ｃ）に示すように、複数の量子ドット１４を被覆する第２ＧａＡｓバリア層１６（第２化合物半導体層）をエピタキシャル成長によって形成する。このようにして、複数の量子ドット１４は、第１ＧａＡｓバリア層１２と第２ＧａＡｓバリア層１６との間に閉じ込められる。以後、第１ＧａＡｓバリア層１２、量子ドット１４及び第２ＧａＡｓバリア層１６をまとめて量子ドット含有層５と呼ぶこともある。なお、第１、第２ＧａＡｓバリア層１２，１６の代わりに、ＩｎＰ層を使用してもよい。

次いで、図１（ｄ）に示すように、第２ＧａＡｓバリア層１６の上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８（ｐ型化合物半導体層）をエピタキシャル成長によって形成する。上記した一連のエピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、又はＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）などによって行われる。

さらに、図２（ａ）に示すように、電子ビームリソグラフィにより、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の所要部上に開口部２０ｘが設けられたレジスト膜２０を形成する。続いて、そのレジスト膜２０をマスクにして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８、量子ドット含有層５（第２ＧａＡｓバリア層１６、量子ドット１４及び，第１ＧａＡｓバリア層１２）をＲＩＥにより順次エッチングする。その後に、レジスト膜２０が除去される。

これにより、図２（ｂ）の断面図及び平面図に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８及び量子ドット含有層５に開口部５ｘが形成されて、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の中央部に円形の単一光子発生部Ａが設けられると共に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の周縁側にリング状の半導体レーザ部Ｂが単一光子発生部Ａから分離された状態で設けられる。

次いで、図３（ａ）に示すように、電子ビームリソグラフィ又はフォトリソグラフィにより、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の周縁側の接続部１８ａが露出するように、単一光子発生部Ａから半導体レーザ部Ｂの内側部までの領域にレジスト膜２０ａを形成する。さらに、図３（ｂ）に示すように、レジスト膜２０ａ及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の接続部１８ａの上に金属層２２ａを蒸着によって形成する。その後に、図３（ｂ）の構造体をレジスト剥離液に浸漬させることにより、レジスト膜２０ａを除去する。このとき、レジスト膜２０ａの除去と同時に、レジスト膜２０ａ上に形成された金属層２２ａが選択的にリフトオフされて除去される。

これにより、図３（ｃ）に示すように、金属層２２ａがパターニングされてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の接続部１８ａ上にリング状の上部電極２２が形成され、単一光子発生部Ａの上に発光窓２６が構成される。上部電極２２はｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８にオーミックに接続される。以上により、本実施形態の単一光子発生装置１が得られる。

図４に示すように、本実施形態の単一光子発生装置１では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の中央部に単一光子発生部Ａが設けられ、その周縁側にリング状の半導体レーザ部Ｂが単一光子発生部Ａから分離された状態で設けられている。単一光子発生部Ａ及び半導体レーザ部Ｂでは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に、第１ＧａＡｓバリア層１２と、ＩｎＡｓ微小結晶粒よりなる複数の量子ドット１４と、第２ＧａＡｓバリア層１６と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８とが順にそれぞれ形成されている。半導体レーザ部Ｂは、さらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の上にそれにオーミック接合された上部電極２２が形成されて構成される。上部電極２２は単一光子発生部Ａとその周囲が露出するようにパターニングされて発光窓２６が構成されている。

本実施形態の単一光子発生装置１は以上のようにして基本構成されており、半導体レーザ部Ｂにおける下部電極を兼ねるｎ型ＧａＡｓ基板１０と上部電極２２との間にバイアス電源２４が接続される。

本実施形態の単一光子発生装置１では、単一光子発生部Ａ及び半導体レーザ部Ｂがｎ型ＧａＡｓ基板１０の上に１チップ化された状態で設けられており、前述した製造方法で説明したように、同一材料及び同一プロセスで形成された量子ドット含有層５をそれぞれ備えている。下部電極を兼ねるｎ型ＧａＡｓ基板１０と上部電極２２との間にバイアス電源２４から所定のバイアス電圧が印加されると、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４が活性層となって量子ドットレーザ３０が水平方向に発振される。

また、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４は単一光子発生部Ａの量子ドット１４と量子ドット含有層５の厚み方向の同一面（ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の同じ高さ）に並んで配置されているので、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０（励起光）は、単一光子発生部Ａの量子ドット１４に自己整合的に位置合わせされた状態で集中的に照射される。なお、このとき、単一光子発生部Ａでは、半導体レーザ部Ｂから分離されているのでバイアス電圧は印加されない。

また、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４の量子準位は、単一光子発生部Ａの量子ドット１４の量子準位と同一であるので、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０（励起光）の波長は、単一光子発生部Ａの量子ドットの励起準位に自己整合的に一致させることができる。このとき、半導体レーザ部Ｂの量子ドット１４の面密度を低くするか（１０¹⁰個／ｃｍ²程度）、あるいはレーザ共振器を小さくすることにより、半導体レーザ部Ｂは基底準位ではなくゲインの高い励起準位でレーザ発振するようになる。

このようにして、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０による光励起によって単一光子発生部Ａの量子ドット１４に電子−正孔の対が注入される。さらに、量子ドット１４内の電子−正孔の対が再結合することにより、特定波長の単一光子光が量子ドット１４から発光窓２６を通って上側に放出される。

以上のように、本実施形態の単一光子発生装置１では、単一光子発生部Ａと半導体レーザ部Ｂが同一プロセスによって１チップ化されて形成されるので、半導体レーザ部Ｂからの励起光を単一光子発生部Ａの量子ドット１４に対して位置と波長の２つを同時に自己整合させることができ、これによって高品質の単一光子光を発生させることができる。

このように、本実施形態の単一光子発生装置１は、従来技術と違って、外部に特別に光源を設ける必要がなく、また励起光の波長を単一光子発生部Ａの量子ドット１４内の励起準位に正確に調整する必要もなく、さらには励起光を量子ドット１４に位置合わせして照射する必要もない。従って、本実施形態の単一光子発生装置１では、光励起型にもかかわらず大掛かりな光源システムを構築することなく、コンパクトな装置構成で容易に高品質の単一光子光を得ることができる。また、単一光子発生部Ａの量子ドット１４に直接励起光を照射するので、電荷が途中でトラップされるおそれがなく、所望の高品質の単一光子光が得られる。

（第２の実施の形態）
図５及び図６は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）、図７は発明の第２実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。

第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、単一光子発生部をフォトニック結晶構造にすることにある。第１実施形態と同一要素には同一符号を付してその詳しい説明を省略する。

第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法は、図５（ａ）に示すように、まず、第１実施形態と同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に量子ドット含有層５（第１ＧａＡｓバリア層１２、量子ドット１４及び第２ＧａＡｓバリア層１６）とｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８とを順次形成して、第１実施形態の図１（ｄ）と同一の構造体を得る。

その後に、図５（ｂ）に示すように、電子ビームリソグラフィ又はフォトリソグラフィにより、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の中央部（単一光子発生部が配置される領域）上に開口部２０ｘが設けられたレジスト膜２０ｂを形成する。続いて、レジスト膜２０ｂをマスクにしてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８をＲＩＥでエッチングした後に、レジスト膜２０ｂを除去する。

これにより、図５（ｃ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の中央部に開口部１８ｘが形成され、単一光子発生部Ａになる領域の量子ドット含有層５の上面が露出する。

次いで、図６（ａ）に示すように、電子ビームリソグラフィにより、単一光子発生部Ａになる領域の量子ドット含有層５をパターン化するための開口部２０ｘが設けられたレジスト膜２０ｃを量子ドット含有層５及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の上に形成する。続いて、そのレジスト膜２０ｃをマスクにして量子ドット含有層５をエッチングした後に、レジスト膜２０ｃを除去する。

これにより、図６（ｂ）の断面図及び平面図に示すように、単一光子発生部Ａが半導体レーザ部Ｂになる領域から分離されて形成されると同時に、量子ドット含有層５に所定の複数の開口部５ｘが形成されて量子ドット含有層５がパターン化される。これによって、単一光子発生部Ａの量子ドット含有層５は複数の誘電体（空気）が２次元的に交互に配列されたフォトニック結晶構造となる。

その後に、図７に示すように、第１実施形態と同様なリフトオフ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８の上に上部電極２２が形成され、単一光子発生部Ａ上に発光窓２６が構成される。

以上により、第２実施形態の単一光子発生装置１ａが得られる。

図７に示すように、第２実施形態の単一光子発生装置１ａでは、単一光子発生部Ａにはｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０が形成されておらず、単一光子発生部Ａの量子ドット含有層５に複数の開口部５ｘが形成されることによってフォトニック結晶構造となっている。さらに、半導体レーザ部Ｂにおけるｎ型ＧａＡｓ基板１０（下部電極）と上部電極２２との間にバイアス電源２４が接続される。

そして、第１実施形態と同様に、半導体レーザ部Ｂにバイアス電圧が印加されると、半導体レーザ部Ｂから発振される量子ドットレーザ３０（励起光）が単一光子発生部Ａの量子ドット１４に自己整合的に照射される。これにより、量子ドット１４の中に電子−正孔の対が光励起によって注入され、電子−正孔の対が再結合することによって特定波長の単一光子光が量子ドット１４から発光窓２６を通って上側に放出される。

第２実施形態の単一光子発生装置１ａは、第１実施形態と同様な効果を奏すると共に、単一光子発生部Ａは光共振器として機能するフォトニック結晶構造を有するので、さらに高品質の単一光子光が高効率で得られるようになる。

（付記１）化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の上に形成され、単一光子源を含む単一光子発生部と、
前記化合物半導体基板上に前記単一光子発生部から分離されて形成され、前記単一光子源と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とを有し、
前記半導体レーザ部の前記活性層から発振されるレーザが前記単一光子発生部の前記単一光子源に照射されることを特徴とする単一光子発生装置。

（付記２）前記単一光子源及び前記活性層は、量子ドットからなることを特徴とする付記１に記載の単一光子発生装置。

（付記３）前記単一光子源及び前記活性層は、前記化合物半導体基板上の同じ高さに形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の単一光子発生装置。

（付記４）前記単一光子源を含む単一光子発生部は、第１化合物半導体層と、該第１化合物半導体層の上に形成された化合物半導体の微小結晶よりなる前記量子ドットと、前記量子ドットを被覆する第２化合物半導体層とにより構成されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。

（付記５）前記化合物半導体基板はｎ型の導電型であり、前記半導体レーザ部は、請求項３に記載の前記単一光子発生部と同一の構造体の上にｐ型化合物半導体層と上部電極とが順に形成されて構成され、前記化合物半導体基板と前記上部電極とにバイアス電源が接続されていることを特徴とする付記４に記載の単一光子発生装置。

（付記６）前記第１及び第２化合物半導体層はそれぞれＧａＡｓ層又はＩｎＰ層であり、前記量子ドットはＩｎＡｓからなることを特徴とする付記４又は５に記載の単一光子発生装置。

（付記７）前記単一光子発生部は、前記化合物半導体基板の中央部に配置され、前記半導体レーザ部は、前記化合物半導体基板の周縁側にリング状に配置されていることを特徴とする付記１乃至６のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。

（付記８）前記単一光子発生部は、複数の開口部が形成されてフォトニック結晶構造となっていることを特徴とする付記１乃至６のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。

図１（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図及び平面図（その１）である。図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）（その２）である。図３（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（その３）である。図４は本発明の第１実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（その１）である。図６（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置の製造方法を示す断面図（一部平面図）（その２）である。図７は本発明の第２実施形態の単一光子発生装置を示す断面図である。

符号の説明

１，１ａ…単一光子発生装置、５…量子ドット含有層、５ｘ，２０ｘ…開口部、１０…ｎ型ＧａＡｓ基板、１２…第１ＧａＡｓバリア層、１４…量子ドット、１６…第２ＧａＡｓバリア層、１８…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１８ａ…接続部、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…レジスト膜、２２…上部電極、２２ａ…金属層、２４…バイアス電源、２６…発光窓、３０…量子ドットレーザ、Ａ…単一光子発生部、Ｂ…半導体レーザ部。

Claims

化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板の上に形成され、単一光子源を含む単一光子発生部と、
前記化合物半導体基板上に前記単一光子発生部から分離されて形成され、前記単一光子源と同一材料の活性層を備えた半導体レーザ部とを有し、
前記半導体レーザ部の前記活性層から発振されるレーザが前記単一光子発生部の前記単一光子源に照射されることを特徴とする単一光子発生装置。
前記単一光子源及び前記活性層は、量子ドットからなることを特徴とする請求項１に記載の単一光子発生装置。
前記単一光子源及び前記活性層は、前記化合物半導体基板上の同じ高さに形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の単一光子発生装置。
前記単一光子源を含む単一光子発生部は、第１化合物半導体層と、該第１化合物半導体層の上に形成された化合物半導体の微小結晶よりなる前記量子ドットと、前記量子ドットを被覆する第２化合物半導体層とにより構成されることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか一項に記載の単一光子発生装置。
前記化合物半導体基板はｎ型の導電型であり、前記半導体レーザ部は、前記単一光子発生部と同一の構造体の上にｐ型化合物半導体層と上部電極とが順に形成されて構成され、前記化合物半導体基板と前記上部電極とにバイアス電源が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の単一光子発生装置。