(57)【要約】【課題】  量子もつれあい光子対を発生させ、効率よく取り出すことが可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体発光素子１は、超伝導の第１電極１３と絶縁層１４とに跨って埋め込まれた第１半導体層１７と、第１半導体層１７と接するとともに、絶縁層１４と超伝導の第２電極１５とに跨って埋め込まれた第２半導体層１８と、第１半導体層１７と第２半導体層１８との接合面に設けられた半導体量子ドット領域１９とを備えている。第１電極１１と第２電極１６との間に順バイアス電圧を印加することによって、量子ドット領域１９に、超電導の第１電極１３から電子クーパ対が注入されるとともに超伝導の第２電極１５から正孔クーパ対が注入され、電子クーパ対と正孔クーパ対との再結合により量子もつれあい光子対が発生する。発生した光子対は開口部２０のみから効率よく取り出せる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導の第１電極と、
前記超電導の第１電極に所定電流を注入するための第１電極と、
超電導の第２電極と、
前記超電導の第２電極に所定電流を注入するための第２電極と、
前記超電導の第１電極と前記超電導の第２電極とに挟まれた絶縁層と、
前記超電導の第１電極及び前記絶縁層に跨って埋め込まれた第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層と接合面において接するとともに、前記絶縁層及び前記超電導の第２電極に跨って埋め込まれた第２導電型の第２半導体層と、
を有し、
前記第２電極の前記第２半導体層に対応する位置に開口部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記接合面には、半導体量子ドット領域が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記絶縁層の厚さは、前記絶縁層中の発光波長の半分以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
支持基板と、
前記支持基板の一方の主面上に設けられ、前記支持基板と前記超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、
をさらに有し、
前記第1電極は、前記支持基板の他方の主面上に設けられ、前記支持基板及び前記貼り付け層を介して前記第1の超電導電極に電流を注入することを特徴とする請求項1から請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
支持基板と、
前記支持基板の一方の主面上に設けられ、前記支持基板と前記超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、
をさらに有し、
前記第１電極は、前記超電導の第１電極上に前記絶縁層とともに、互いに離間して設けられることを特徴とする請求項1から請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
超電導の第１電極と、
前記超電導の第１電極に所定電流を注入するための第１電極と、
前記超電導の第１電極上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層上に設けられた第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層上に設けられた超電導の第２電極と、
前記超電導の第２電極に所定電流を注入するための第２電極と、
を有し、
前記超電導の第２電極、または前記超電導の第２電極及び前記第２電極には、前記第２半導体層を露出する開口が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との厚さの合計は、前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層中の発光波長の半分以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
支持基板と、
前記支持基板の一方の主面上に設けられ、前記支持基板と前記超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、
をさらに有し、
前記第1電極は、前記支持基板の他方の主面上に設けられ、前記支持基板及び前記貼り付け層を介して前記第1の超電導電極に電流を注入することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
支持基板と、
前記支持基板の一方の主面上に設けられ、前記支持基板と前記超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、
をさらに有し、
前記第１電極は、前記超電導の第１電極上に前記第１半導体層とともに、互いに離間して設けられることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
暗号通信や、情報処理の分野においては、従来の通信および情報処理よりも格段に処理速度の速い量子情報処理や、安全性の高い量子情報通信に用いるために、レーザ光をパラメトリック下方変換して光子対を生成する方法等、互いに区別することのできない量子もつれあい光子対を生成する技術が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、半導体発光素子において、超伝導電極から近接効果によってクーパ対を半導体量子ドットに注入し、２個の正孔と発光再結合させることで量子もつれあい光子対を生成する技術もある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｐ．Ｇ．Ｋｗｉａｔ、Ｋ．Ｍａｔｔｌｅ、Ｈ．Ｗｅｉｎｆｕｒｔｅｒ、Ａ．Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ、Ａ．Ｖ．Ｓｅｒｇｉｅｎｋｏ、ａｎｄ  Ｙ．Ｓｈｉｈ、“Ｎｅｗ  ｈｉｇｈ−ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｓｏｕｒｃｅ  ｏｆ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｅｎｔａｎｇｌｅｄ  ｐｈｏｔｏｎ  ｐａｉｒｓ、”  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．７５、Ｎｏ．２４（１９９５）ｐｐ．４３３７−４３４１．
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４６７２号公報（第３−４頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１に記載のパラメトリック下方変換による量子もつれあい光子対の生成では、光子対を発生するタイミングを制御することができず、光子対を生成する速度も遅い。特許文献１に記載の半導体発光素子を用いた、超伝導電極を利用した技術による量子もつれあい光子対の生成においては、発生した光子対のほとんどが空気との界面で全反射され、外部に取り出せるのはわずか２%になってしまい、効率が悪いという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、量子もつれあい光子対を意図したタイミングで生成できるとともに、光子対を取り出す効率のよい半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、超電導の第１電極と、超電導の第１電極に所定電流を注入するための第１電極と、超電導の第２電極と、超電導の第２電極に所定電流を注入するための第２電極と、超電導の第１電極と超電導の第２電極とに挟まれた絶縁層と、超電導の第１電極及び絶縁層に跨って埋め込まれた第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層と接合面において接するとともに、絶縁層及び前記超電導の第２電極に跨って埋め込まれた第２導電型の第２半導体層と、を有し、第２電極の前記第２半導体層に対応する位置に開口部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
【０００９】
このような構成によると、超伝導の第１電極及び超電導の第２電極から第１半導体層と第２半導体層との接合面に正孔クーパ対および電子クーパ対が注入されて再結合することにより量子もつれあい光子対を発生し、開口部から取り出される。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、接合面には、半導体量子ドット領域が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
このような構成によると、接合面に設けられた量子ドット領域に正孔クーパ対と電子クーパ対とが注入されることにより、量子ドット領域で正孔クーパ対と電子クーパ対の発光再結合が行われ、量子もつれあい光子対が生成される。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、絶縁層の厚さは、絶縁層中の発光波長の半分以下であることを特徴としている。
【００１３】
このような構成によると、発生した光子対は絶縁層を伝搬することができず、開口部のみから取り出されることになる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の発明において、支持基板と、支持基板の一方の主面上に設けられ、支持基板と超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、をさらに有し、第1電極は、支持基板の他方の主面上に設けられ、支持基板及び貼り付け層を介して第1の超電導電極に電流を注入することを特徴としている。
【００１５】
このような構成によれば、支持基板の一方の主面上に第１電極が形成され、他方の主面上には貼り付け層を介して半導体発光素子の他の層が積層される。超伝導の第１電極には、支持基板及び貼り付け層を介して電流が注入される。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の発明において、支持基板と、支持基板の一方の主面上に設けられ、支持基板と超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、をさらに有し、第１電極は、超電導の第１電極上に絶縁層とともに、互いに離間して設けられることを特徴としている。
【００１７】
このような構成によれば、第１電極から超伝導の第１電極に直接電流を注入することになる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、超電導の第１電極と、超電導の第１電極に所定電流を注入するための第１電極と、超電導の第１電極上に設けられた第１導電型の第１半導体層と、第１半導体層上に設けられた第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層上に設けられた超電導の第２電極と、超電導の第２電極に所定電流を注入するための第２電極と、を有し、超電導の第２電極、または超電導の第２電極及び第２電極には、第２半導体層を露出する開口が設けられていることを特徴とする半導体発光素子である。
【００１９】
このような構成によれば、超伝導の第１電極及び超電導の第２電極から、第１半導体層と第２半導体層との接合面に正孔クーパ対および電子クーパ対が注入されて発光再結合し、量子もつれあい光子対が発生する。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、第１の半導体層と第２の半導体層との厚さの合計は、第１の半導体層及び第２の半導体層中の発光波長の半分以下であることを特徴としている。
【００２１】
このような構成によれば、正孔クーパ対と電子クーパ対との再結合により発生した光子対は、第１の半導体層及び第２の半導体層を横方向に伝搬しないので、開口部のみから取り出される。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の発明において、支持基板と、支持基板の一方の主面上に設けられ、支持基板と超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、をさらに有し、第1電極は、支持基板の他方の主面上に設けられ、支持基板及び貼り付け層を介して第1の超電導電極に電流を注入することを特徴としている。
【００２３】
このような構成によれば、支持基板の一方の主面上に第１電極が形成され、他方の主面上には貼り付け層を介して半導体発光素子の他の層が積層される。超伝導の第１電極には、支持基板及び貼り付け層を介して電流が注入される。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の発明において、支持基板と、支持基板の一方の主面上に設けられ、支持基板と超電導の第1電極とを互いに固定する貼り付け層と、をさらに有し、第１電極は、超電導の第１電極上に第１半導体層とともに、互いに離間して設けられることを特徴としている。
【００２５】
このような構成によれば、第１電極から超電導の第１電極に直接電流を注入することになる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の請求項１に記載の発明によれば、正孔クーパ対と電子クーパ対との発光再結合により互いに区別できない２つの光子を同時に生成することができる。また、生成された量子もつれあい光子対は開口部からのみ取り出すことができるので、効率よく取り出すことができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、量子ドット領域で発光再結合が行われるので、より効率よく光子対を取り出すことができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加え、発生した光子対が絶縁層中を伝搬することができないので、さらに効率よく開口部から光子対を取り出すことができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明によれば、上記効果に加え、支持基板の一方の主面上に第１電極を設け、他方の主面上に貼り付け層を介して他の層を設けることによって半導体発光素子を構成することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１から請求項３に記載の発明による効果に加え、支持基板の主面上に貼り付け層を介して請求項１から請求項３に記載の各層を設けることによって半導体発光素子を構成することができる。また、第１電極から支持基板を介さずに超電導の第１電極に直接電流を供給することができるので、支持基板による抵抗が発生せず、電気的特性として第１半導体層、第２半導体層、および量子ドット領域から構成されるデバイス本来の特性に近いものを得ることが可能である。
【００３１】
請求項６に記載の発明によれば、第１半導体層と第２半導体層との接合面で正孔クーパ対と電子クーパ対との発光再結合が行われ、発生した光子対は開口部から取り出すことができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の発明による効果に加え、発生した光子対が第１の半導体層及び第２の半導体層中を積層方向とは直角な方向に伝搬することはできないので、より効率よく開口部から取り出すことが可能である。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、請求項６または請求項７に記載の発明による効果に加え、支持基板の一方の主面上に第１電極を設け、他方の主面上に貼り付け層を介して他の層を設けることによって半導体発光素子を構成することができる。
【００３４】
請求項９に記載の発明によれば、請求項６または請求項７に記載の発明による効果に加え、支持基板の主面上に貼り付け層を介して請求項６または請求項７に記載の各層を設けることによって半導体発光素子を構成することができる。また、第１電極から支持基板を介さずに超電導の第１電極に直接電流を供給することができるので、支持基板による抵抗が発生せず、電気的特性として第１半導体層、第２半導体層から構成されるデバイス本来の特性に近いものを得ることが可能である。
【００３５】
以上のように、本発明の請求項１から請求項９に記載の発明によれば、量子もつれあい光子対を生成できるとともに、光子対を効率よく取り出すことのできる半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は、上方からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】第１の実施の形態による半導体発光素子の製造方法を説明する図であり、（ａ）は半導体層及び超電導の電極を形成した状態を示す図、（ｂ）は、支持基板を貼り付けた状態を示す図、（ｃ）は、成膜基板を取り除いた状態を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は、上方からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】第２の実施の形態による半導体発光素子の製造方法を説明する図であり、（ａ）は半導体層及び超電導の電極を形成した状態を示す図、（ｂ）は、支持基板を貼り付けた状態を示す図、（ｃ）は、成膜基板を取り除いた状態を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は、上方からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態による半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は、上方からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
（第１の実施の形態）
以下、図面を参照しながら本発明による半導体発光素子について説明する。まず、本発明の第１の実施の形態による半導体発光素子について、図１および図２を参照しながら説明する。
【００３８】
第１の実施の形態による半導体発光素子１の構成について説明する。第１の実施の形態による半導体発光素子１は、支持基板１０を含んで多層構造に形成されている。図１（ａ）に示すように、略長方形の上面の中央部に円形の開口部２０が備えられ、開口部２０の中央部に円形の第２半導体層１８表面が露出し、周縁部には超伝導の第２電極１５の一部がのぞいている。
【００３９】
図１（ａ）のＡ−Ａ断面は、図１（ｂ）で表わされている。図１（ｂ）に示すように、第１の実施の形態による半導体発光素子１は、支持基板１０、支持基板１０の一方の主面上に設けられた第１電極１１、他方の主面上に設けられた貼り付け層１２、貼り付け層１２上の超電導の第１電極１３、超伝導の第１電極１３上の絶縁層１４、絶縁層１４上の超電導の第２電極１５、超伝導の第２電極１５上の第２電極１６を備えている。また、超伝導の第１電極１３と絶縁層１４とに跨って埋め込まれた略円柱形状の第１導電型の第１半導体層１７と、第１半導体層１７と接するとともに、絶縁層１４と超伝導の第２電極１５とに跨って埋め込まれた第１半導体層１７上の略円柱形状の第２導電型の第２半導体層１８と、第１半導体層１７と第２半導体層１８との接合面に設けられた半導体量子ドット領域１９とを備えている。半導体量子ドット領域１９の上部に上記開口部２０が設けられている。ここで、第１半導体層１７と超伝導の第２電極１５、および第２半導体層１８と超伝導の第１電極１３とは互いに接しないように構成されている。よって、第１半導体層と第２半導体層との接合面であるｐｎ接合面は、絶縁層１４の上下の境界面の間に配置されている。
【００４０】
ここで、第１導電型及び第２導電型のうち、一方はｐ型であり、他方はｎ型である。支持基板１０は、導電性の材料からなるのが好ましい。また、支持基板１０、第１半導体層１７、第２半導体層１８および半導体量子ドット領域１９のそれぞれは、化合物半導体からなるのが好ましい。
【００４１】
例えば、支持基板１０は、ｎ型ＧａＡｓ(ガリウムヒ素)からなり、貼り付け層１２は、Ｉｎ(インジウム)からなり、超伝導の第１電極１３と超伝導の第２電極１５はＮｂ(ニオブ)からなり、絶縁層１４はＳｉＯ２(二酸化ケイ素)からなり、第１導電型の第１半導体層１７は、ｎ型ＧａＡｓからなり、第２導電型の第２半導体層１８は、ｐ型ＧａＡｓからなり、半導体量子ドット領域１９は、ＩｎＡｓ(インジウムヒ素)からなる。半導体層の成膜には、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー法）、ＭＯＭＢＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属分子線エピタキシー法）等の広範な技術が適宜利用可能である。
【００４２】
また、絶縁層１４の膜厚は、超伝導キャリアの再結合による発光の絶縁層１４中での半波長以下であり、かつ、超伝導の第１電極１３及び超電導の第２電極１５からの超伝導キャリアのトンネル効果を発生させない膜厚（例えば１０ｎｍ）以上であることが好ましい。第１半導体層１７及び第２半導体層１８は、超伝導キャリアを効率よく量子ドット領域１９において再結合させるために、例えば１００ｎｍ程度の厚さで、柱状形状の径（第１の実施形態においては円柱の直径）は例えば約２００ｎｍであることが好ましい。
【００４３】
以下、第１の実施の形態による半導体発光素子１の動作について説明する。半導体発光素子1において、第１電極１１と第２電極１６との間に順バイアス電圧が印加されると、電子クーパ対が超伝導の第１電極１３からｎ型ＧａＡｓの第１半導体層１７を経て、ＩｎＡｓの半導体量子ドット領域１９に注入されるとともに、正孔クーパ対が超伝導の第２電極１５からｐ型ＧａＡｓの第２半導体層１８を経てＩｎＡｓ半導体量子ドット領域１９に注入される。そして、これら電子クーパ対と正孔クーパ対が発光再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。生成された１対の光子は互いに反対方向に放出されるが、絶縁層１４の膜厚を絶縁層１４中の光波の波長の半波長以下とすることで、絶縁層１４を通じての伝搬はカットオフとなり、周囲の超電導の第１電極１３、超伝導の第２電極１５で反射されて第１半導体層１７及び第２半導体層１８に閉じ込められるため、結局、開口部２０のみから光子が放出される。
【００４４】
また、第１電極１１と第２電極１６との間に、正孔と電子の再結合時間よりも短い、例えば１ｎｓよりも短い幅の順バイアスのパルス信号を印加すれば、パルス励起中に再結合による光子を発生させるのを防止することにより、オンデマンドに量子もつれあい光子対が発生する。
【００４５】
次に、第１の実施の形態による半導体発光素子１の作成方法について説明する。図２（ａ）に示すように、成膜基板２１上に第２半導体層１８、半導体量子ドット領域１９および第１半導体層１７を順次積層し、柱状構造に加工した後、超伝導の第２電極１５、絶縁層１４および超伝導の第１電極１３を順次積層する。ただし、成膜基板２１は次の工程で取り除くため、半絶縁性及び導電性のいずれも使用することができる。次に図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）の超電導の第１電極１３と、支持基板１０を貼り付け層１２を介して貼り付ける。そして図２（ｃ）に示すように、成膜基板２１を剥がすことで第２半導体層１８が表面に現れる。さらに、第１電極１１を基板１０の貼り付け層１２とは異なる主面に形成し、第２電極１６を、半導体層１８を露出させるような開口部２０以外の部分に形成することによって、図１の第１の実施の形態による半導体発光素子１を作成する。
【００４６】
以上詳細に説明したように、本発明の第１の実施の形態による半導体発光素子１によれば、第１電極１１と第２電極１６との間に順バイアス電圧が印加されることによって、量子ドット領域１９に、超電導の第１電極１３から電子クーパ対が注入されるとともに超伝導の第２電極１５から正孔クーパ対が注入され、電子クーパ対と正孔クーパ対との再結合により量子もつれあい光子対が発生する。発生した光子対は開口部２０からのみ取り出せるので、効率よく取り出すことが可能である。また、正孔と電子の再結合時間よりも短い幅のパルス電流を注入することにより、オンデマンドに量子もつれあい光子対を生成することができる。
【００４７】
上記半導体発光素子１においては、第１半導体層１７がｎ型の半導体層、第２半導体層１８がｐ型の半導体層であるが、この導電型は逆に第１半導体層１７がｐ型の半導体層、第２半導体層１８がｎ型の半導体層でもよい。また、支持基板１０は導電型であればｎ型、p型どちらの半導体で形成しても良い。
【００４８】
上記半導体発光素子１において、第１半導体層１７及び第２半導体層１８は円柱状に形成されていたが、例えば四角柱状など他の形状に形成されていてもよい。この場合にも、各半導体層の厚さの条件は半導体発光素子１の場合と同様に例えば１００ｎｍ程度で、四角柱の一辺は２００ｎｍ程度と、超伝導キャリアが量子ドット領域１９で効率よく再結合され得るサイズとすることが好ましい。開口部２０の平面形状も第１の実施の形態においては丸であるが、四角など他の形状でもよい。また、開口部２０において、周縁部に超電導の第２電極１５がのぞいているが、第２電極１６と同一の大きさの開口部としてもよい。
（第２の実施の形態）
【００４９】
本発明の第２の実施の形態による半導体発光素子２について図３および図４を参照しながら説明する。第２の実施の形態による半導体素子２は、支持基板２２を含んで多層構造に形成されている。図３（ａ）に示すように、略長方形の上面の中央部に円形の開口部３０が備えられ、開口部３０の中央部に略円形の第２半導体層２７表面が露出し、周縁部には超伝導の第２電極２８の一部がのぞいている。
【００５０】
図３（ａ）のＡ−Ａ断面は、図３（ｂ）で表わされている。図３（ｂ）に示すように、支持基板２２と、支持基板２２の一方の主面上に設けられた第１電極２３、他方の主面上に設けられた貼り付け層２４、貼り付け層２４上の超電導の第１電極２５、超伝導の第１電極２５上の第１導電型の第１半導体層２６と、第１半導体層２６上の第２導電型の第２半導体層２７と、第２半導体層２７上の超電導の第２電極２８と、超伝導の第２電極２８上の第２電極２９を備えている。また、第２半導体層２７の上部には開口部３０が設けられている。
【００５１】
ここで、第１導電型及び第２導電型のうち、一方はｐ型であり、他方はｎ型である。支持基板２２は、導電性の材料からなるのが好ましい。また、支持基板２２、第１半導体層２６、第２半導体層２７のそれぞれは、化合物半導体からなるのが好ましい。例えば、支持基板２２は、ｎ型ＩｎＰ(インジウムリン)からなり、貼り付け層２４は、Ｉｎからなり、超伝導の第１電極２５と超伝導の第２電極２８はＮｂからなり、第１導電型の第１半導体層２６は、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ(インジウムガリウムヒ素)からなり、第２導電型の第２半導体層２７は、ｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓからなる。半導体層の成膜には、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＭＯＭＢＥ等の広範な技術が適宜利用可能である。
【００５２】
また、第１半導体層２６と第２半導体層２７との膜厚の合計は、再結合により発生する光子対の第１半導体層２６及び第２半導体層２７中の光波の波長の半分よりも薄く形成する。例えば、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの発光波長を１５００ｎｍ、屈折率を３．４とすると、第１半導体層２６と第２半導体層２７との膜厚の合計は２２０ｎｍ以下とすることが好ましい。よって、それぞれ１００ｎｍ程度の厚さに形成することが好ましい。また、開口部３０の直径は、クーパ対の注入条件を考慮して例えば２００ｎｍ程度もしくはそれ以下に形成する。
【００５３】
以下、第２の実施の形態による半導体発光素子の動作について説明する。このような半導体発光素子２において、第１電極２３と第２電極２９との間に順バイアス電圧が印加されると、電子クーパ対が超伝導の第１電極２５からｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの第１半導体層２６に注入されるとともに、正孔クーパ対が超伝導の第２電極２８からｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの第２半導体層２７に注入される。このとき、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの第１半導体層２６とｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの第２半導体層２７との合計膜厚を上記のように光波の波長の半分以下とすることで、開口部３０以外の場所では、発光再結合が妨げられる。一方、これら電子クーパ対と正孔クーパ対は開口部３０の下部に位置するｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの第１半導体層２６とｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓの第２半導体層２７のｐｎ接合部分で優先的に発光再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。生成された１対の光子は互いに反対方向に放出されるが、ｎ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ半導体層２６とｐ型Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ半導体層２７の合計膜厚を光波の波長の半分以下とすることで、積層方向と垂直の方向である横方向の伝搬はカットオフとなり、また、開口部３０の反対方向に放出された光子は超電導の第１電極２５で反射されるため、開口部３０から光子が取り出される。
【００５４】
次に、半導体発光素子２の作成方法について説明する。図４（ａ）に示すように、成膜基板３１上に第２半導体層２７と第１半導体層２６を順次積層し、超伝導の第１電極２５を成膜する。ただし、成膜基板３１は次の工程で取り除くため半絶縁性及び導電性のいずれも使用することができる。次に図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の超電導の第１電極２５と支持基板２２を貼り付け層２４を介して貼り付ける。そして図４（ｃ）に示すように、成膜基板３１を選択的にエッチングすることで取り除く。続いて、半導体層２７上に超電導の第２電極２８と第２電極２９、支持基板２２のもう一方の主面上に第１電極２３を形成することで、図３の第２実施形態の半導体発光素子２を作成することができる。
【００５５】
以上詳細に説明したように、第２の実施の形態による半導体発光素子２によれば、第１電極２３と第２電極２９との間に順バイアス電圧が印加することによって、超伝導の第１電極２５から第１半導体素子２６に電子クーパ対が注入されるとともに、超伝導の第２電極２８から第２半導体素子２７に正孔クーパ対が注入され、開口部３０に対応する部分の第１半導体素子２６と第２半導体素子２７との接合面で優先的に電子クーパ対と正孔クーパ対との再結合により量子もつれあい光子対が発生する。一方、第１半導体素子２６と第２半導体素子２７との接合面のほかの場所では、発光再結合が妨げられるので発光現象が抑制される。よって、発生した光子対は開口部３０からのみ取り出せるので、効率よく取り出すことが可能である。また、正孔と電子の再結合時間よりも短い幅のパルス電流を注入することにより、オンデマンドに量子もつれあい光子対を生成することができる。
【００５６】
上記半導体発光素子２においては、第１半導体層２６がｎ型の半導体層、第２半導体層２７がｐ型の半導体層であるが、この導電型は逆に第１半導体層２６がｐ型の半導体層、第２半導体層２７がｎ型の半導体層でもよい。また、支持基板１０は導電型であればｎ型、p型どちらの半導体で形成しても良い。
【００５７】
上記半導体発光素子２において、開口部３０の平面形状は丸であるが、四角など他の形状でもよい。また、開口部３０において、周縁部に超電導の第２電極２８がのぞいているが、第２電極２８と同一の大きさの開口部としてもよい。第２電極２９は、超伝導の第２電極２８の一部のみに設けられてもよい。このような場合に、開口部３０に対応する部分に第２電極２９が設けられていなければ、開口部３０は第２電極２９のみに設けるようにすればよい。
（第３の実施の形態）
【００５８】
第３の実施の形態による半導体発光素子３は、第１の実施形態による半導体発光素子１の第１電極１１と第２電極１６とを支持基板１０の同一面上に形成したものである。第１の実施の形態による半導体発光素子１と同様の構成については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５９】
図５は、第３の実施の形態による半導体発光素子３の構成を示す図である。半導体発光素子３は、図５（ａ）に示すように、第２電極１６の略長方形の上面の中央部に円形の開口部２０が備えられ、開口部２０の中央部に円形の第２半導体層１８表面が露出し、周縁部には超伝導の第２電極１５の一部がのぞいている。また、上面の図５（ａ）における左側は、第１電極１１となっており、第２電極１６との間には、超伝導の第１電極１３を露出させた溝３５が設けられている。図５（ａ）のＡ−Ａ断面は、図５（ｂ）で表わされている。図５（ｂ）に示すように、第３の実施の形態による半導体発光素子３は、支持基板１０、支持基板１０の主面上に設けられた貼り付け層１２、貼り付け層１２上の超電導の第１電極１３、超伝導の第１電極１３上の一部に設けられた絶縁層１４、絶縁層１４上の超電導の第２電極１５、超伝導の第２電極１５上の第２電極１６を備えている。また、超伝導の第１電極１３および絶縁層１４に跨って埋め込まれた第１導電型の第１半導体層１７と、第１半導体層１７上に、絶縁層１４と超伝導の第２電極１５とに跨って埋め込まれた第２導電型の第２半導体層１８と、第１半導体層１７と第２半導体層１８との間に設けられた半導体量子ドット領域１９とを備えている。超伝導の第１電極上の、絶縁層１４が設けられていない部分には、絶縁層１４と溝３５を挟んで電極１１が設けられている。半導体量子ドット領域１９の上部には開口部２０が設けられている。また、この場合には支持基板１０は半絶縁性の材料からなるのが好ましい。
【００６０】
第３の実施の形態による半導体素子３の動作は、第１電極１１から支持基板１０及び貼り付け層１２を介して超電導の第１電極１３に電流を注入するか否かだけの違いであるので、説明を省略する。
【００６１】
次に、第３の実施の形態による半導体発光素子３の製造方法について説明する。第３の実施の形態による半導体発光素子３は、第１の実施の形態による半導体発光素子１と機能的には同様の構成であるので、同一の部分は説明を省略する。
【００６２】
図２（ａ）から図２（ｃ）の工程は同一であり、その後にレジストで表面の一部を覆い、覆われていない部分の超電導の第２電極１５と絶縁層１４をエッチングすることによって超電導の第１電極１３を表面に出す。続いて、電極１１及び電極１６を形成する。
【００６３】
以上詳細に説明したように、第３の実施の形態による半導体素子３によれば、第１の実施の形態による効果に加え、支持基板１０を介して電流を流さないので、支持基板１０による抵抗が発生せず、電気的特性として第１半導体層１７、第２半導体層１８、および量子ドット領域１９から構成されるデバイス本来の特性に近いものを得ることが可能である。
（第４の実施の形態）
【００６４】
第４の実施の形態による半導体発光素子４について説明する。第４の実施の形態による半導体発光素子４は、第２の実施形態による半導体発光素子２の第１電極２３と第２電極２９とを支持基板２２の同一面上に形成したものである。第２の実施の形態による半導体発光素子２と同様の構成については同一番号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６５】
図６（ａ）に示すように、半導体発光素子４は、第２電極２９の略長方形の上面の中央部に円形の開口部３０が備えられ、開口部３０の中央部に円形の第２半導体層２７表面が露出し、周縁部には超伝導の第２電極２８の一部がのぞいている。また、上面の図６（ａ）における左側は、第１電極２３となっており、第２電極２９との間には、超伝導の第１電極２５を露出させた溝４５が設けられている。図６（ａ）のＡ−Ａ断面は、図６（ｂ）で表わされている。図６（ｂ）に示すように、支持基板２２と、支持基板２２の主面上に設けられた貼り付け層２４、貼り付け層２４上の超電導の第１電極２５、超伝導の第１電極２５上の一部に設けられた第１導電型の第１半導体層２６と、第１半導体層２６上の第２導電型の第２半導体層２７と、第２半導体層２７上の超電導の第２電極２８と、超伝導の第２電極２８上の第２電極２９を備えている。また、第２半導体層２７の上部には開口部３０が設けられている。超伝導の第１電極２５上の第１半導体層２６が設けられていない部分には、第１半導体層２６と溝４５を挟んで第１電極２３が設けられている。また、この場合には支持基板２２は半絶縁性の材料からなるのが好ましい。
【００６６】
第４の実施の形態による半導体素子４の動作は、基板２２及び貼り付け層２４を介して電流を注入するか否かだけの違いであるので、説明を省略する。
【００６７】
次に、第４の実施の形態による半導体発光素子４の製造方法について説明する。第４の実施の形態による半導体発光素子４は、第２の実施の形態による半導体発光素子２と機能的には同様の構成であるので、同一の部分は説明を省略する。
【００６８】
図４（ａ）から図４（ｃ）の工程は同一であり、その後にレジストで表面の一部を覆い、覆われていない部分の第１半導体層２６及び第２半導体層２７をエッチングすることによって超電導の第１電極２５を表面に出す。続いて、超伝導の第２電極２８と電極２３及び電極２９を形成する。
【００６９】
以上詳細に説明したように、第４の実施の形態による半導体素子４によれば、第２の実施の形態による効果に加え、支持基板２２を介して電流を流さないので、支持基板２２による抵抗が発生せず、電気的特性として第１半導体層２６および第２半導体層２７から構成されるデバイス本来の特性に近いものを得ることが可能である。
【００７０】
本発明による半導体発光素子は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の半導体発光素子は、量子情報通信への応用が考えられる。
【符号の説明】
【００７２】
１：半導体発光素子  １０:支持基板  １１：第１の電極  １２:貼り付け層  １３：超電導の第１電極  １４:絶縁層  １５：超電導の第２電極  １６：第２電極  １７：第１半導体層  １８：第２半導体層  １９：量子ドット領域  ２０：開口部  ２１：成膜基板  ２：半導体発光素子２  ２２：支持基板  ２３：第１の電極  ２４：貼り付け層  ２５：超伝導の第１電極  ２６：第１半導体層  ２７：第２半導体層  ２８：超伝導の第２電極  ２９：第２電極  ３０：開口部  ３１：成膜基板  ３：半導体発光素子３  ３５：溝  ４：半導体発光素子４  ４５：溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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