(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱を有し、
上記複数の量子箱に上記一面に平行な方向の外部電場を印加することにより、上記一面に平行な方向と一致しない方向から上記複数の量子箱が配列された領域に入射する光に対する光透過率を変調するようにしたことを特徴とする量子素子。
【請求項２】
上記複数の量子箱が配列された領域の両側に互いに対向して一対の電極が設けられ、上記一対の電極の間に電圧を印加することにより上記外部電場を印加するようにしたことを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項３】
上記一面に垂直な方向から上記複数の量子箱が配列された領域に上記光が入射することを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項４】
上記外部電場が他の光の電場であることを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項５】
上記光のスイッチングを上記他の光の光量の制御によって行うようにしたことを特徴とする請求項４記載の量子素子。
【請求項６】
上記量子箱中に２個以上の電子が存在することを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項７】
上記量子箱が化合物半導体ヘテロ接合により形成されていることを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【請求項８】
上記量子箱が半導体と絶縁体との接合により形成されていることを特徴とする請求項１記載の量子素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、量子素子に関し、特に、量子箱（量子ドットとも呼ばれる）を用いた量子素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の大規模化に伴い、金属配線を介して信号を送ることにより動作制御を行う従来の方法が近い将来限界を迎えると考えられている。この問題を解決するために、全く新しいデバイス概念の構築が試みられている一方で、光による交差配線が考えられている。配線のみではなく、情報処理の一部を光で実現することは、本質的に重要である。このために、高速で動作する光変調器あるいは光スイッチャーが求められてきた。また、光により光を変調することができれば、種々の応用が考えられるが、これは難しいため、通常は電気的な操作で光の透過率を制御することにより変調しているのが現状である。従って、光により光を変調することができるデバイスが求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、この発明の目的は、高速で光を変調することができる量子素子を提供することにある。
【０００４】
この発明の他の目的は、光により光を変調することができる量子素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、詳細な理論的研究により以下の事実を見いだした。
１．井戸状の閉じ込めポテンシャルによって構成される正方量子ドット（化合物半導体ヘテロ接合がその例である）の中に２個の電子を詰めた系において、その正方量子ドットの面に平行な一方向（ｚ方向とする）に外部電場を印加した場合に初めて現れる強い赤外吸収が存在する。これは外部電場と同じｚ方向に偏光している光の吸収であり、電子間相互作用（電子間クーロン相互作用）がなければ存在しないものである。
【０００６】
２．量子ドット中に１個の電子を詰めた系においても、外部電場を印加した場合に初めて現れる赤外吸収が存在するが、量子ドット中に２個の電子を詰めた系においては、量子ドット中に１個の電子を詰めた系における吸収強度に比べて１０倍以上の吸収強度が得られる。
【０００７】
以下において、本発明者による理論的研究の内容をより詳しく説明する。
今、一例として、Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成された量子ドット中に閉じ込められた電子系を考える。この量子ドットは、有限の深さを有するポテンシャル井戸と仮定し、有効質量近似の範囲で一電子ハミルトニアンとして式（１）に示すものを導入する。
【０００８】
【数１】
0003572673.tif 000002
【０００９】
この場合、量子ドットの形状は正方形とし、一電子ポテンシャルＶ（ｘ，ｚ）によって表されるものとする。ここでは、Ｖ（ｘ，ｚ）は−Ｌ／２≦ｘ，ｚ≦Ｌ／２で−０．３６ｅＶとし、それ以外では０とした。ただし、Ｌは量子ドットの一辺であり、ここでは３０ｎｍとした。また、量子ドット中の電子の有効質量ｍ（ｘ，ｚ）は空間依存性を有しており、量子ドット内では０．０６７ｍ０  （ただし、ｍ０  は真空中の電子の質量）、外部では０．１０４ｍ０  とした。Ｅｚ  はｚ方向の印加電場強度であり、量子ドットを含む最小の領域のみに電場が存在するように関数Θ（ｚ）を導入した。なお、ｐは電子の運動量、Ａはベクトルポテンシャル、ｅは電気素量である。
【００１０】
量子ドット中に２個の電子が存在する場合のハミルトニアンは
【数２】
0003572673.tif 000003
である。ただし、
【数３】
0003572673.tif 000004
である。比誘電率εｒ  としてはＧａＡｓの値１０．９を用いた。
【００１１】
まず、式（１）または（２）でＡ＝０としたハミルトニアンのエネルギー固有状態｜ｎ〉を計算し、吸収強度に比例する振動子強度の二乗
【数４】
0003572673.tif 000005
を計算する。
【００１２】
量子ドット中に電子が１個しか存在しない場合、最低エネルギーの吸収は、電子が基底状態から第１励起状態へ遷移することによって生じるものである。この吸収に関して、吸収強度に比例する振動子強度の二乗（Γ）対吸収エネルギーは図３の□で示されている。ここで、外部電場強度は０から４×１０６  Ｖ／ｍまで変化させている。外部電場強度が増加するに従って、吸収強度は速やかに減少してゆくが、これは波動関数の対称性が外部電場によって壊されるためである。これは、よく知られた量子構造中のシュタルク効果である。外部電場が０のときには存在しない吸収が図３の●で示されている。この変化も同じ原因によるものであり、波動関数の対称性が外部電場によって壊されたためである。この二種類の吸収の振る舞いは容易に理解することができる。
【００１３】
次に、量子ドット中に２個の電子が存在する系における光の吸収について説明する。この二電子系の吸収に関して、振動子強度の二乗（Γ）対吸収エネルギーを図４に示す。図４からわかるように、一電子系の場合に見られた吸収と類似の振る舞いを示す吸収のほかに、▲で示される外部電場により励起された吸収が見られる。この新しい種類の吸収は外部電場強度の増加に伴って非常に強くなり、外部電場強度が３．６×１０６  Ｖ／ｍ以上では最低エネルギーの吸収を超えるほどにまで増加する。この吸収は相互作用する電子系が外部電場下にある場合にのみ存在するものである。
【００１４】
以上を要約すると、図３および図４の●で示される外部電場によって生じる吸収が存在し、それ以外に図４の▲で示される外部電場と電子間相互作用とが共存する場合にのみ存在する吸収がある。以上の結果は、ｚ方向に偏光した光の成分に関する吸収である。そして、この外部電場と電子間相互作用とが共存する場合にのみ存在する新しい吸収は、単純な予想をはるかに超えて強い吸収となる。この強い吸収は量子状態間の強い混合によって引き起こされ、この混合は外部電場による摂動によってもたらされるものである。
【００１５】
以上の計算においては量子ドットの一辺Ｌを３０ｎｍとしたが、Ｌをより小さくすることにより、吸収される光の波長をより短くすることができる。また、量子ドットをＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ／ＧａＡｓヘテロ接合と異なる種類の化合物半導体ヘテロ接合により構成することによっても、吸収される光の波長をより短くすることができる。
【００１６】
この発明は、以上のような本発明者の理論的研究に基づいて案出されたものである。
【００１７】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明による量子素子は、
一面内に互いに隣接して配列された複数の量子箱（ＱＤ）を有し、
複数の量子箱（ＱＤ）に上記一面に平行な方向の外部電場を印加することにより、上記一面に平行な方向と一致しない方向から複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域に入射する光に対する光透過率を変調するようにしたことを特徴とする。
【００１８】
この発明による量子素子の一実施形態においては、複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域の両側に互いに対向して一対の電極（４、５）が設けられ、一対の電極（４、５）の間に電圧を印加することにより外部電場を印加する。
【００１９】
この発明による量子素子の他の実施形態においては、複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域に第１の光（Ｌ１）を照射しておき、第１の光（Ｌ１）よりも振動数が小さい第２の光（Ｌ２）を第１の光（Ｌ１）の進行方向と直交しない方向から複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域に照射し、第２の光（Ｌ２）の光量を変化させることにより複数の量子箱（ＱＤ）が配列された領域の第１の光（Ｌ１）に対する光透過率を変調するようにしている。ここで、特に、第２の光（Ｌ２）の光量の制御によって、第１の光（Ｌ１）のスイッチングを行うこともできる。
【００２０】
この発明による量子素子においては、好適には、量子箱中に２個以上の電子が存在する。このとき、電子間相互作用によって、強い光吸収が生じる。
【００２１】
この発明による量子素子において、量子箱は、好適には、化合物半導体ヘテロ接合により形成される。この化合物半導体ヘテロ接合としては、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合やＡｌＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合などを用いることができる。
【００２２】
この発明による量子素子において、量子箱は、半導体と絶縁体との接合により形成することもできる。この半導体と絶縁体との接合において、典型的には、半導体は一種または複数種のＩＶ族元素から成り、絶縁体はＩＶ族元素と酸素との化合物から成る。一例を挙げると、半導体はＳｉであり、絶縁体はＳｉＯ２  である。二種類のＩＶ族元素から成る半導体の例としては、ＳｉＣが挙げられる。
【００２３】
【作用】
上述のように構成されたこの発明による量子素子によれば、複数の量子箱に外部電場を印加することにより複数の量子箱が配列された領域の光透過率を変調するようにしているので、高速で光を変調することができる。また、第２の光の光量を変化させることにより複数の量子箱が配列された領域の第１の光に対する光透過率を変調するようにしているので、光により光を変調することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、この発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００２５】
図１はこの発明の第１実施例による量子素子を示す。
図１に示すように、この第１実施例による量子素子においては、例えばＧａＡｓ基板のような基板１上にＡｌＧａＡｓ層２が積層されている。このＡｌＧａＡｓ層２中には、複数の箱状のＧａＡｓ層３がｘｚ面内に二次元アレー状に埋め込まれている。そして、ＡｌＧａＡｓ層２によってＧａＡｓ層３が囲まれた構造によって量子ドットＱＤが構成され、この量子ドットＱＤがｘｚ面内に二次元アレー状に配列されて量子ドットアレーが構成されている。また、この量子ドットアレーのｚ方向の両側の部分における基板１上には、この量子ドットアレーから十分に離れた位置に、一対の電極４、５が量子ドットアレーをはさんで互いに対向して設けられている。
【００２６】
ここで、好適には、量子ドットＱＤ中に２個以上の電子が存在するように量子ドットＱＤの設計を行う。
【００２７】
量子ドットアレーに対してｚ方向に均一な外部電場が印加されるようにするために、電極４、５は、好適には、量子ドットアレーの上下にはみだすような十分な厚さを有するようにする。このために、必要に応じて、電極４、５の下部の基板１中に例えばｎ＋  型層を形成し、このｎ＋  型層も電極の一部として用いることにより、電極４、５の厚さを実効的に増大させてもよい。
【００２８】
次に、上述のように構成されたこの第１実施例による量子素子の製造方法について説明する。
まず、基板１上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、図１における基板１とＧａＡｓ層３との間の距離に相当する厚さのＡｌＧａＡｓ層２およびＧａＡｓ層３を順次エピタキシャル成長させる。
【００２９】
次に、量子ドットアレー形成領域におけるＧａＡｓ層３の上に量子ドットＱＤに対応した形状のレジストパターン（図示せず）をリソグラフィーにより形成した後、このレジストパターンをマスクとして例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＧａＡｓ層３を基板表面に対して垂直方向にエッチングする。これによって、ＧａＡｓ層３が量子ドットＱＤの形状にパターニングされる。
【００３０】
次に、レジストパターンを除去した後、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法により、全面に所定の厚さのＡｌＧａＡｓ層２をエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓ層３を覆う。
【００３１】
次に、量子ドットアレー形成領域以外の部分のＡｌＧａＡｓ層２およびＧａＡｓ層３をエッチングにより除去する。
【００３２】
この後、この量子ドットアレーのｚ方向の両側の部分における基板１上に例えばリフトオフ法により電極４、５を形成し、図１に示すように目的とする量子素子を完成させる。
【００３３】
次に、この第１実施例による量子素子の動作について説明する。
図１に示すように、まず、基板１の面に垂直な方向、すなわちｙ方向から、ｚ方向に偏光した光Ｌを量子ドットアレーに照射しておく。この状態で電極４、５間に電圧を印加してｚ方向の外部電場を量子ドットアレーに印加する。すると、すでに述べた原理に基づいて、量子ドットＱＤ中の電子による光Ｌの吸収が起こり、それによって量子ドットアレーの光Ｌに対する光透過率が減少する。すなわち、光Ｌが変調される。
【００３４】
以上のように、この第１実施例によれば、電極４、５間に電圧を印加することによってｚ方向に印加される外部電場により量子ドットアレーの光透過率を変調することができる。従って、この第１実施例による量子素子は、高速で動作する光変調器として使用することができる。
【００３５】
なお、光Ｌが円偏光である場合には、この円偏光の光Ｌのうちのｚ方向の偏光成分だけを吸収により取り除くことができるので、この第１実施例による量子素子は、円偏光を直線偏光に変える偏光子として使用することもできる。
【００３６】
次に、この発明の第２実施例による量子素子について説明する。
図２に示すように、この第２実施例による量子素子においては、例えばＧａＡｓ基板のような基板１上に、ＡｌＧａＡｓ層２により箱状のＧａＡｓ層３が囲まれた構造の量子ドットＱＤがｘｚ面内に二次元アレー状に配列されて量子ドットアレーが形成されている。この場合、第１実施例と異なり、電極４、５は設けられていない。
【００３７】
この第２実施例による量子素子の製造方法は第１実施例による量子素子の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
次に、この第２実施例による量子素子の動作について説明する。
図２に示すように、まず、基板１の面に垂直な方向、すなわちｙ方向から、量子ドットアレーに第１の光Ｌ１を照射しておく。次に、量子ドットアレーに、この第１の光Ｌ１よりも振動数が十分に小さい、すなわち波長が十分に長い第２の光Ｌ２を、第１の光Ｌ１の進行方向と一致せず、かつ第１の光Ｌ１の進行方向と直交しない方向から照射する。すると、この第２の光Ｌ２の電場によって、すでに述べた原理に基づいて、量子ドットアレーの第１の光Ｌ１に対する光透過率が減少する。そして、第２の光Ｌ２の光量によって、量子ドットアレーの第１の光Ｌ１に対する光透過率を制御することができる。すなわち、第２の光Ｌ２により第１の光Ｌ１を変調することができる。
【００３９】
以上のように、この第２実施例によれば、光を光により変調することができる光変調器を実現することができる。
【００４０】
以上、この発明の実施例について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００４１】
例えば、上述の第１実施例および第２実施例においては、一段の量子ドットアレーを用いているが、必要に応じて、二段以上積層した量子ドットアレーを用いてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による量子素子によれば、複数の量子箱に外部電場を印加することにより複数の量子箱が配列された領域の光透過率を変調するようにしているので、高速で光を変調することができる。また、外部電場として光の電場を用いることにより、光により光を変調することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例による量子素子を示す斜視図である。
【図２】この発明の第２実施例による量子素子を示す斜視図である。
【図３】外部電場下の量子ドット中に１個の電子が閉じ込められている場合の振動子強度の二乗と吸収エネルギーとの間の関係を示すグラフである。
【図４】外部電場下の量子ドット中に２個の電子が閉じ込められている場合の振動子強度の二乗と吸収エネルギーとの間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  基板
２  ＡｌＧａＡｓ層
３  ＧａＡｓ層
４、５  電極
ＱＤ  量子ドット
Ｌ  光
Ｌ１  第１の光
Ｌ２  第２の光
【図１】
0003572673.tif 000006
【図２】
0003572673.tif 000007
【図３】
0003572673.tif 000008
【図４】
0003572673.tif 000009