(57)【要約】      （修正有）【課題】量子ドットに基づく光子源と光子源を製造する方法の提供。【解決手段】半導体構造を備える光子源であって、前記半導体構造は、第１の発光ダイオード領域と、量子ドットを備える第２の領域とを備え、前記光子源は、自然放出による光放射をもたらすために、前記第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成された第１の電圧源と、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために、前記第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された第２の電圧源とをさらに備え、前記半導体構造は、前記第１の発光ダイオード領域から放射された光が、前記第２の領域に吸収され、前記量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように、構成されており、前記光子源は、前記第２の領域から放射された光が前記光子源を出るように構成されている、光子源。【選択図】図１
2018064087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造を備える光子源であって、
前記半導体構造は、
第１の発光ダイオード領域と、
量子ドットを備える第２の領域と
を備え、
前記光子源は、
自然放出による光放射をもたらすために、前記第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成された第１の電圧源と、
前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために、前記第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された第２の電圧源と
をさらに備え、
前記半導体構造は、前記第１の発光ダイオード領域から放射された光が、前記第２の領域に吸収され、前記量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように、構成されており、
前記光子源は、前記第２の領域から放射された光が前記光子源を出るように構成されている、光子源。
【請求項２】
前記半導体構造は基板を備え、前記第１の発光ダイオード領域および前記第２の領域は前記基板とモノリシックに集積されている、請求項１に記載の光子源。
【請求項３】
前記第１の発光ダイオード領域から放射された前記光のエネルギーは、前記第２の領域から放射された前記光のエネルギーよりも大きい、請求項１または２に記載の光子源。
【請求項４】
前記第２の領域の波長の関数としての吸収スペクトルの特性は、前記第１の領域の放射スペクトルの特性と実質的に一致する、請求項３に記載の光子源。
【請求項５】
前記半導体構造は、
各々が量子ドットを備える１つまたは複数のさらなる領域
をさらに備え、
前記光子源は、
前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために、各さらなる領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された電圧源
をさらに備え、
前記半導体構造は、前記第１の発光ダイオード領域から放射された光が、前記さらなる領域に衝突し、前記量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように、構成されており、
前記光子源は、前記さらなる領域から放射された光が前記光子源を出るように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項６】
前記第２の領域は、前記第１の発光ダイオード領域のまわりに少なくとも部分的に配置されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項７】
前記第２の領域は、複数の量子ドットをさらに備え、前記第１の発光ダイオード領域から放射された光は、前記複数の量子ドットをポピュレートするキャリアを生成する、請求項１から６のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項８】
前記第１の発光ダイオード領域は、前記第２の領域の上に重なって配置されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項９】
前記第２の領域は導波路領域と一体化されている、請求項８に記載の光子源。
【請求項１０】
前記第２の電圧源はＤＣ電圧源である、請求項１から９のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１１】
前記第１の電圧源は、前記第１の発光ダイオード領域に時間変化電場を印加するように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１２】
前記光子源は、前記電場が１００ＫＶｃｍ−１を上限とする動作範囲にわたって調整可能であるように構成されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１３】
前記量子ドットからのキャリアのトンネリング時間は、前記動作範囲にわたって、前記量子ドットにおける励起子の放射崩壊時間よりも長い、請求項１２に記載の光子源。
【請求項１４】
前記量子ドットは、中性励起子、双励起子、または高次励起子を備え、前記第２の領域にわたって印加される電場は、微細構造分裂を最小化するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１５】
前記第１の発光ダイオード領域から放射された光を前記第２の領域へ導くように構成された導波路領域をさらに備える、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１６】
前記第１の領域および前記第２の領域は、第１のタイプの電気コンタクト領域を共有し、第２のタイプの個別の電気コンタクト領域をそれぞれ有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１７】
光共振器領域をさらに備え、前記量子ドットは、前記光共振器領域に配置されており、前記光共振器領域とスペクトル的に共振する、請求項１から１６のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１８】
前記第１の発光ダイオード領域から放射された光は、誘導放出によって増幅されていない自然光子からなる、請求項１から１７のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項１９】
前記第２の領域は少なくとも１つの障壁層をさらに備える、請求項１から１８のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項２０】
光子源を製造する方法であって、
ｉ）第１の発光ダイオード領域と、量子ドットを備える第２の領域とを備える半導体構造を半導体基板上に形成するステップであって、前記半導体構造が、前記第１の発光ダイオード領域から放射された光が前記第２の領域に衝突し、前記量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように構成されており、前記光子源が、前記第２の領域から放射された光が前記光子源を出るように構成されている、ステップと、
ｉｉ）第１の電圧源を前記第１の発光ダイオード領域に電気的に結合するステップであって、前記第１の電圧源が、自然放出による光放射をもたらすために前記第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成されている、ステップと、
ｉｉｉ）第２の電圧源を前記第２の領域に電気的に接触させるステップであって、前記第２の電圧源が、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために、前記第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成されている、ステップと
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で説明される実施形態は、一般に光子源と光子源を製造する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
光子源には、たとえば、歪センサ、圧力センサ、温度センサなどの検出もしくは計測装置、分光装置、または距離測定装置に広範な用途がある。短い光パルスの源はまた、たとえば４位相偏移変調などの変調技術を用いる位相偏移符号化を使用する用途といった光通信用途または量子通信システムにおいて使用される。
【０００３】
光子源は、たとえば、要求に応じて単一の光子または対の光子を出力するように動作され得る。量子暗号の分野では、単一の光子を確実に生成する必要がある。量子ドットに基づく光子源は、単一の光子を生成することができる。量子暗号、量子イメージング、および量子計算の分野では、対の光子を生成する必要がある。そのような光子は、最初は２つの電子および２つの正孔で満たされた（「双励起子状態」の）単一量子ドットにおけるカスケード放射プロセスから生成され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
以下、次の図を参照して実施形態を説明する。
【図１】図１は、一実施形態による光子源の概略図である。
【図２】図２は、光子源の電子帯構造の概略図である。
【図３】図３は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略図である。
【図４（ａ）】図４（ａ）は、第１の領域および第２の領域に対する印加電圧（上のグラフ）および第２の領域における光子生成の確率の例を示す。
【図４（ｂ）】図４（ｂ）は、第１の領域および第２の領域に対する印加電圧（上のグラフ）および第２の領域における光子生成の確率の例を示す。
【図５】図５は、一実施形態による光子源からの発光スペクトルの調整を示す図を示す。
【図６（ａ）】図６（ａ）は、量子ドットからのトンネリングを低減する第２の領域の構造の一例を示す。
【図６（ｂ）】図６（ｂ）は、量子ドットからのトンネリングを低減する第２の領域の構造の一例を示す。
【図６（ｃ）】図６（ｃ）は、量子ドットからのトンネリングを低減する第２の領域の構造の一例を示す。
【図６（ｄ）】図６（ｄ）は、量子ドットからのトンネリングを低減する第２の領域の構造の一例を示す。
【図６（ｅ）】図６（ｅ）は、量子ドットからのトンネリングを低減する第２の領域の構造の一例を示す。
【図６（ｆ）】図６（ｆ）は、量子ドットからのトンネリングを低減する第２の領域の構造の一例を示す。
【図７】図７は、一実施形態による光子源にわたって調整電圧を印加することの効果を示す。
【図８】図８は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略図であって、層構造の詳細を示す。
【図９】図９は、一実施形態による光子源の半導体構造の成長および製造の方法のフローチャートである。
【図１０】図１０は、図９の各ステップの後のサンプルの構造を示す。
【図１１】図１１は、一実施形態による半導体構造の成長および製造の方法のフローチャートを示す。
【図１２】図１２は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略図を示す。
【図１３】図１３は、一実施形態による光子源の半導体構造の成長および製造の方法のフローチャートを示す。
【図１４】図１４は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略図を示す。
【図１５】図１５は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略図を示す。
【図１６】図１６は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略図を示す。
【図１７】図１７は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の成長および製造の方法のフローチャートを示す。
【図１８】図１８は、図１７の各ステップの後のサンプルの構造を示す。
【図１９】図１９は、一実施形態による光子源の一部分であって、第１の領域および第２の領域が垂直接合および垂直結合である半導体構造の概略図を示す。
【図２０（ａ）】図２０（ａ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略平面図である。
【図２０（ｂ）】図２０（ｂ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略平面図である。
【図２０（ｃ）】図２０（ｃ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略平面図である。
【図２０（ｄ）】図２０（ｄ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略平面図である。
【図２０（ｅ）】図２０（ｅ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体構造の概略平面図である。
【図２１】図２１は、一実施形態による個別の源からの光子の干渉によってエンタングルメントを生成するためのシステムの概略図である。
【図２２】図２２は、一実施形態による量子中継動作を実施する量子通信システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
一実施形態によれば、半導体構造を備える光子源が提供され、
半導体構造は、
第１の発光ダイオード領域と、
量子ドットを備える第２の領域と
を備え、
光子源は、
自然放出による光放射をもたらすために、第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成された第１の電圧源と、
量子ドットの放射エネルギーを制御するために、第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された第２の電圧源と
をさらに備え、
半導体構造は、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、第２の領域に吸収され、量子ドットをポピュレートする（populate）するキャリアを生成するように構成されており、
光子源は、第２の領域から放射された光が光子源を出るように構成されている。
【０００６】
一実施形態では、第１の電圧源は、自然放出のみによる光放射をもたらすために、第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成されている。
【０００７】
一実施形態では、半導体構造は基板を備え、第１の発光ダイオード領域および第２の領域は、基板とモノリシックに集積されている。言い換えれば、第１の発光ダイオード領域および第２の領域は、基板とモノリシックに成長する。
【０００８】
第１の発光ダイオード領域から放射された光のエネルギーは、第２の領域から放射された光のエネルギーよりも大きい。一実施形態では、第１の発光ダイオード領域から放射された光の波長の関数としての発光スペクトルは、第１の波長にピークを有し、第２の領域から放射された光の波長の関数としての発光スペクトルは、第２の波長にピークを有し、第１の波長と第２の波長は異なるものである。一実施形態では、第１の領域は、量子ドット放射が生じるエネルギーよりも大きいエネルギーで第２の領域を励起する。
【０００９】
第１の領域の発光スペクトルは、第２の領域の吸収スペクトルと実質的に一致する。一実施形態では、第２の領域の吸収スペクトルの特性は、半導体バンドギャップ、湿潤層および量子ドットに由来するものである。吸収スペクトルの特性は、第１の領域の発光スペクトルの特性と実質的に一致する。
【００１０】
一実施形態では、第１の領域からの励起光は非コヒーレントである。光は、たとえば主としてバルクバンドギャップおよび量子ドットのまわりの２Ｄ湿潤層からの放射、すなわち第１の領域におけるすべての材料からの放射を備え得る。一実施形態では、第１の領域からの放射はスペクトル的に広範であり、第２の領域からの放射とは異なる波長にピークを有する。
【００１１】
一実施形態では、半導体構造は、各々が量子ドットを備える１つまたは複数のさらなる領域をさらに備え、
光子源は、
量子ドットの放射エネルギーを制御するために、さらなる領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された、各さらなる領域に対応する電圧源をさらに備え、
半導体構造は、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、１つまたは複数のさらなる領域に衝突し、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように構成されており、
光子源は、１つまたは複数のさらなる領域から放射された光が光子源を出るように構成されている。
【００１２】
一実施形態では、３つのさらなる領域がある。
【００１３】
一実施形態では、第２の領域は、第１の発光ダイオード領域のまわりに少なくとも部分的に配置されている。一実施形態では、第１の領域は実質的に円形であり、第２の領域はリング形であって、第１の領域のまわりに同心円状に配置されている。あるいは、第２の領域はＵ字形でもよい。
【００１４】
一実施形態では、第２の領域は複数の量子ドットを備える。一実施形態では、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成する。代替の実施形態では、１つの量子ドットからの放射のみが利用される。このことは、１つの量子ドットにのみキャリアを供給することにより、または多くの量子ドットにキャリアを供給するが、１つの量子ドット以外のすべてからの放射を阻止することにより、達成され得る。したがって、源は、単一の量子ドットへのキャリア注入を可能にするように構成された開口が備わっている電気的絶縁層をさらに備えてよい。また、源は、１つの量子ドットからの放射を分離するように構成された不透明な層をさらに備えてもよい。
【００１５】
一実施形態では、光子源は、単一の量子ドットからの放射が光子源を出るように構成されている。
【００１６】
一実施形態では、第２の領域は、基板の、第１の領域と同一の表面に設けられ、基板の表面に対して平行な面において第１の領域の隣にあり、すなわち、第１の領域と第２の領域は、基板上で横に配置されている。一実施形態では、第１の領域と第２の領域は、半導体層の同一の配置（arrangement）を備える。
【００１７】
一実施形態では、第１の電圧源および第２の電圧源は、共有の電極によって半導体構造に接続されている。
【００１８】
一実施形態では、光子源は、第１の領域から放射された光を、第２の領域に向けて面内方向へ導くように構成されている。さらなる実施形態では、光子源は、第２の領域から放射された光を、面内方向へ導くように構成されている。あるいは、光子源は、第２の領域から放射された光を面外方向へ導くように構成されている。
【００１９】
一実施形態では、第１の領域と第２の領域の間に導波路領域が設けられる。導波路領域は、第１の領域および第２の領域に対して、半導体層の別々の配置を備えてよい。あるいは、第１の領域と、第２の領域と、導波路領域とが、半導体層の同一の配置を備え、導波路領域は、導波路領域の両側において半導体構造を部分的に通ってエッチングされたギャップによって規定される。
【００２０】
一実施形態では、第１の発光ダイオード領域は、第２の領域の下に、すなわち第２の領域と基板との間に配置されている。光子源は、第１の領域から放射された光を、第２の領域に向けて面外方向へ導くように構成されている。光子源は、第２の領域から放射された光を面外方向へ導くように構成されている。あるいは、光子源は、第２の領域から放射された光を面内方向へ導くように構成されている。
【００２１】
一実施形態では、第１の発光ダイオード領域が第２の領域の上に重なって配置されている。光子源は、第１の領域から放射された光を、基板に向けて面外方向へ導くように構成されている。光子源は、第２の領域から放射された光を面内方向へ導くように構成されている。第２の領域は導波路領域と一体化され得る。第２の領域から放射された光を導波路領域へ導くために、回折格子が設けられてもよい。
【００２２】
一実施形態では、第２の領域は導波路領域と一体化される。
【００２３】
一実施形態では、第１の電圧源は第１の発光ダイオード領域に時間変化電場（time varying electric field）を印加するように構成されており、第２の電圧源はＤＣ電圧源である。あるいは、第２の電圧源は第２の領域に時間変化電場を印加するように構成されており、第１の電圧源はＤＣ電圧源である。
【００２４】
一実施形態では、光子源は、電場が１００ＫＶｃｍ−１を上限とする動作範囲にわたって調整可能であるように構成される。
【００２５】
一実施形態では、第２の領域は１つまたは２つの障壁層を備える。障壁層は、第２の領域の他の半導体層よりも大きいバンドギャップを有する半導体層でもよい。
【００２６】
一実施形態では、同一の材料で厚さが等しい２つの障壁層がある。あるいは、障壁層は、異なる材料および／または不均等な厚さでもよい。これらの障壁領域は、電位の点では異なる高さでよい。これらの障壁領域の幅は、印加される電場の方向に測定されたとき異なるものでもよい。一実施形態では、量子井戸層よりも大きい電位を有する障壁が、量子井戸の一方の側にのみ設けられる。この障壁が電子のトンネリングを抑制する。
【００２７】
一実施形態では、光子源はｐ−ｉ−ｎ構造を有し、ここで、量子ドットは真性領域に配置されており、「ｉ」領域の一方の側にｐ型コンタクトが、他方の側にはｎ型コンタクトが設けられている。一実施形態では、第２の領域は、ｎ型ドープ半導体層と、量子ドットおよびｐ型ドープ半導体層を備える非ドープ半導体層とを備える。非ドープ半導体層とｎ型ドープ半導体層との間に障壁層が設けられてもよい。非ドープ半導体層とｐ型ドープ半導体層との間に障壁層が設けられてもよい。
【００２８】
一実施形態では、第２の領域は量子井戸構造を備える。一実施形態では、第２の領域は、障壁層によって規定された量子井戸構造を備え、量子ドットは量子井戸に配置されている。障壁層は、量子ドットがなくても量子井戸が形成されるように構成されている。次いで、この井戸に量子ドットが与えられる。量子井戸は、正方形の閉じ込め電位または三角形もしくは放物形の電位などの段階的な閉じ込め電位を有し得る。
【００２９】
光子源の量子井戸は、障壁層よりも小さいバンドギャップを有する材料を備え、より小さいバンドギャップの材料は２つの障壁層の間に設けられる。
【００３０】
一実施形態では、障壁層は、少なくともその厚さの一部分について、量子ドットにおける最低の電子エネルギーレベルよりも、少なくともより高い電位を有する。量子井戸を与えられると、少なくとも、電子のトンネリングが生じるはずの量子ドット側の障壁は、量子井戸の最低の電子エネルギーレベルよりも高い電位を有し得る。
【００３１】
一実施形態では、動作範囲にわたって電場が印加されたときに量子ドットからのキャリアのトンネリングを抑制するように、量子ドットは、たとえば５０％を上回るＡｌ含有量を有するＡｌＧａＡｓといった、より大きいバンドギャップエネルギーの材料の層を伴って量子井戸クラッドに組み込まれる。
【００３２】
一実施形態では、量子ドットがＩｎＡｓを備え、量子井戸がＧａＡｓを備え、少なくとも１つの障壁領域がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを備える。量子井戸はＡｌＧａＡｓを備えてもよく、障壁はＡｌＧａＡｓを備えるが、この状況では、障壁は、量子井戸に対する障壁をもたらすように、Ａｌの含有量がより大きいＡｌＧａＡｓを備える。一実施形態では、障壁層のＡｌ含有量は５０％よりも大きい。量子井戸が段階的になっている場合、ＧａＡｓは、量子ドットが配置されている量子井戸の中心に与えられてよい。
【００３３】
複数の量子ドットが、非ドープ領域に設けられてもよい。たとえばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓＰといった、より大きいバンドギャップの層など、障壁層などのさらなる層が設けられてよい。半導体基板は、たとえばＧａＡｓでもよく、またはＩｎＰでもよい。量子ドットは、ＩｎＡｓまたは何らかの他の合金でもよい。これらの層がｐ−ｉ−ｎ型構造を形成する。量子ドットは、デバイスにおいて、自己組織化、液滴エピタキシによって形成されてよく、あらかじめ配置されてよく、リソグラフィで規定されてもよい。
【００３４】
第１の層は、１つまたは２つの障壁層と、量子井戸構造とを備え得る。
【００３５】
一実施形態では、量子ドットからのキャリアのトンネリング時間は、動作範囲にわたって、量子ドットにおける励起子の放射崩壊時間よりも長い。
【００３６】
一実施形態では、量子ドットは中性励起子、双励起子、または高次励起子を備え、第２の領域にわたって印加される電場は、微細構造分裂を最小化するように構成される。
【００３７】
一実施形態では、光子源は、第１の発光ダイオード領域から放射された光を第２の領域へ導くように構成された導波路領域をさらに備える。
【００３８】
一実施形態では、第１の発光領域と第２発光領域との間の距離は１ｍｍ未満である。
【００３９】
一実施形態では、第２の領域は光共振器領域を備え、光共振器領域内に量子ドットが配置されている。量子ドットの放射エネルギーは、共振器の共振に合わせられ得る。
【００４０】
一実施形態では、第１の発光ダイオード領域から放射された光は、誘導放出によって増幅されていない自然光子から成るものである。
【００４１】
一実施形態では、第１の発光ダイオード領域から放射された光は第２の領域から放射された光よりも高い強度を有する。
【００４２】
一実施形態では、エンタングルメント（entanglement）を生成するためのシステムが提供され、システムは、各々が半導体構造を備える第１の光子源および第２の光子源を備え、半導体構造は、第１の発光ダイオード領域と、量子ドットを備える第２の領域とを備え、光子源は、光放射をもたらすために、第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成された第１の電圧源と、量子ドットの放射エネルギーを制御するために、第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された第２の電圧源とをさらに備え、半導体構造は、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、第２の領域に吸収され、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように構成されており、光子源は、第２の領域から放射された光が光子源を出るように構成されており、第１の光子源および第２の光子源は、同一の光子を放射するように調整されており、システムは、２つの源から出力された同一の光子間にエンタングルメントをもたらすように構成された干渉要素をさらに備える。
【００４３】
一実施形態では、第１の光子源と、第２の光子源と、第１の源によって出力された１対の光子からの第１の光子と第２の源からの光子とを干渉させるように構成された干渉要素とを備える量子中継器が提供され、第１の光子源および第２の光子源の各々が半導体構造を備え、半導体構造が、第１の発光ダイオード領域と、量子ドットを備える第２の領域とを備え、光子源が、光放射をもたらすために、第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成された第１の電圧源と、量子ドットの放射エネルギーを制御するために、第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成された第２の電圧源とをさらに備え、半導体ヘテロ構造が、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、第２の領域に吸収され、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように構成されており、光子源が、第２の領域から放射された光が光子源を出るように構成されており、第１の光子源が、量子もつれ光子対（entangled pair of photons）を出力するように構成されており、干渉要素による干渉中に、第２の光子源によって放射された光子の状態が、光子対のうちの別の光子にマッピングされるように、光子のうちの１つは第２の光子源によって出力された光子と同一である。
【００４４】
別の実施形態によれば、半導体構造を備える光子源を使用する方法が提供され、半導体構造が、第１の発光ダイオード領域と、量子ドットを備える第２の領域とを備え、光子源が、第１の電圧源と第２の電圧源とをさらに備え、この方法は、
自然放出による光放射をもたらすために、第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加することと、ここで、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、第２の領域に吸収され、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成する、
量子ドットの放射エネルギーを制御するために、第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加することと、ここで、第２の領域から放射された光が光子源を出る、を備える。
【００４５】
別の実施形態によれば、光子源を製造する方法が提供され、
この方法は、
ｉ）第１の発光ダイオード領域と、量子ドットを備える第２の領域とを備える半導体構造を半導体基板上に形成するステップであって、半導体構造は、第１の発光ダイオード領域から放射された光が、第２の領域に衝突し、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成するように構成されており、光子源は、第２の領域から放射された光が光子源を出るように構成されている、ステップと、
ｉｉ）第１の電圧源を第１の発光ダイオード領域に電気的に結合するステップであって、第１の電圧源が、自然放出による光放射をもたらすために、第１の発光ダイオード領域にわたって電場を印加するように構成されている、ステップと、
ｉｉｉ）第２の電圧源を第２の領域に電気的に接触させるステップであって、第２の電圧原画、量子ドットの放射エネルギーを制御するために、第２の領域にわたって、調整可能な電場を印加するように構成されている、ステップと
を備える。
【００４６】
一実施形態では、半導体構造を形成することは、同一の基板上に第１の発光ダイオード領域と第２の領域とを成長させることを備える。
【００４７】
図１は、一実施形態による光子源１の概略図である。
【００４８】
光子源は、第１の発光ダイオード領域５と第２の領域７とを備える半導体ヘテロ構造３を備える。第１の領域５と第２の領域７とは半導体基板上に集積されている。第１の領域５と第２の領域７とは、基板上にモノリシックに集積されていてもよく、すなわち、基板上にモノリシックに成長されてもよい。
【００４９】
第２の領域７は量子ドット（図示せず）を備える。第２の領域は複数の量子ドットを備えてもよい。
【００５０】
第１の領域５は、活性化されたときに光を放射するダイオード構造を備える。たとえば、第１の領域５は、ｐ−ｉ−ｎダイオードを備えてもよい。第１の電圧源Ｖ１は、光放射をもたらすために前記第１の発光ダイオード領域５にわたって電場を印加するように構成されている。第１の領域５に接触しているリードに適切な電圧が印加されると、電子が第１の領域５の内部の正孔と再結合することができ、光子の形態でエネルギーを解放する。第１の領域５は、自然放出による光を放射する。
【００５１】
第１の領域５から放射された光は、第２の領域７と衝突し、量子ドットをポピュレートするキャリアを生成する。したがって、光学的励起によってキャリアが量子ドットに注入され、量子ドットからの光子放射をもたらす。
【００５２】
第１の領域５から放射された光は、第２の領域７に吸収される。第１の領域５から放射された１つまたは複数の光子は、領域７において量子ドットの光学的励起をもたらす。
【００５３】
第２の電圧源Ｖ２は、量子ドットの放射エネルギーを制御するために、調整可能な電場を第２の領域７にわたって印加するように構成されている。電圧源Ｖ２によって印加される電圧を設定することにより、量子ドットの放射波長を制御することができる。量子ドットの微細構造分裂を制御することもできる。
【００５４】
光子源１は、第２の領域７から放射された光が光子源１を出るように構成されている。
【００５５】
第２の領域７と同一のヘテロ構造の中に、光学的励起機構すなわち第１の発光ダイオード領域５を含んでいるということは、製造および組立ての低複雑性、ならびにコンパクトな光子源がもたらされ得ることを意味する。
【００５６】
２つの領域間の光学的結合は、製造中にリソグラフィで規定され、これは、後の光学的整列プロシージャが不要であることを意味する。
【００５７】
したがって、このデバイスは、小型化されることができ、標準的なフォトリソグラフィ技術によって大量に生産されることができ、放射された光子がさらなる構成要素に対して適合するように一定のエネルギーに調整されることができる。
【００５８】
図２は、光子源１の半導体構造の電子帯構造の概略図である。
【００５９】
このバンド図は、領域５が、ＧａＡｓ基板上に集積されたｐ−ｉ−ｎダイオードを備える場合に関するものである。第１の電圧源Ｖ１によって与えられる電気的励起によってキャリアが注入される。たとえば、バルクＧａＡｓ、量子ドット（ＱＤ）のまわりの量子井戸、ＩｎＡｓ湿潤層およびＱＤ自体など、デバイス内部の多くの領域において、電子と正孔が再結合し、光子の放射をもたらす。
【００６０】
このバンド図は、両方の領域に関して伝導帯Ｃと価電子帯Ｖとを示す。第１の領域５の量子井戸は、伝導帯Ｃにおける電子９と、価電子帯Ｖにおける正孔１１とを含む。量子ドットのまわりに示されたこの量子井戸は、Ｓ−Ｋ成長された量子ドットを伴う自然なＩｎＡｓ湿潤層、または量子ドットを取り囲むエピタキシャル成長されたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸から形成され得る。
【００６１】
伝導帯Ｃの電子９と価電子帯Ｖの正孔１１とが結合すると、第１の領域５のヘテロ構造が光子を放射することになる。この光子は、次いで、たとえば導波路構造によって第２の領域７へ導かれることができ、第２の領域７へ進む。この光子は、たとえばＧａＡｓバンドギャップ、ＩｎＡｓ湿潤層およびＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸のエネルギーレベルなど、第２の領域７における一連の状態を励起する。次いで、これらの光誘起された電子および正孔が、量子ドットの基底状態まで緩和し、次いで結合して光子を放射する。
【００６２】
第２の領域７に関して、図２は、キャリアポピュレーション（carrier population）の経時的変遷を示す。第２の領域７の第１のバンド図は、第１の領域５から放射された光子が第２の領域７に吸収されて状態を励起する吸収段階を示す。第１の領域５の量子井戸は、伝導帯Ｃにおける電子９と、価電子帯Ｖにおける正孔１１とを含む。量子ドットのまわりに示されたこの量子井戸は、Ｓ−Ｋ成長された量子ドットを伴う自然なＩｎＡｓ湿潤層、または量子ドットを取り囲むエピタキシャル成長されたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸から形成され得る。第２のバンド図は、ＱＤの基底状態への緩和を示す。最後のバンド図は再結合を示す。
【００６３】
伝導帯Ｃの電子１３と価電子帯Ｖの正孔１５とが結合して光子を放射すると、量子ドットが発光することになる。伝導帯における単一の電子１３および価電子帯における単一の正孔１５の存在が、単一励起子Ｘと称される束縛状態を形成する。
【００６４】
図２は、第１の領域５および第２の領域７において中性励起子が１つしかない簡素化された機構を示す。しかしながら、伝導帯の２つの電子と価電子帯の２つの正孔とを備える双励起子、または非同数の電子と正孔がある荷電励起子の形成も可能である。
【００６５】
量子ドットにおいて、伝導帯における少数の電子と価電子帯における正孔との間に束縛状態があるとき、励起子が形成される。１つの正孔と１つの電子が再結合すると放射崩壊が生じ、光子を放射する。この発生プロセスにより、光子が放射される時間が慎重に制御されることができ、そのようなプロセスは、パウリの排他原理により、２つの光子を同時に放射することはできない。放射される光子の波長は、初期の電子状態と最後の電子状態の間のエネルギーの差に依存する。
【００６６】
電子１３または正孔１５のいずれかが量子ドットの外へトンネルすると、光子の放射が抑制される。
【００６７】
再結合の前にキャリアが量子ドットの外へトンネルするのを抑制するために、障壁層が設けられてもよい。
【００６８】
量子ドットに対して垂直の電場が印加されると、トンネリングの確率が増加してデバイスの放射効率が低下する。障壁の高さを増加することにより、すなわち閉じ込め電位を増加することによって、トンネリングをさらに抑制することが可能である。
【００６９】
使用において、第１の領域５は、エレクトロルミネセンスによって光子を放射するように順方向バイアスで動作される。光子が放射されるように、第１の電圧源Ｖ１によって第１のｐ型コンタクトとｎ型コンタクトとの間に電場が印加される。たとえば、第１の領域５が量子ドットを備える場合、第１の発光ダイオード領域の閾値電圧よりも高い第１のレベルの電圧が印加されることにより、電子および正孔が量子ドットをポピュレートすることができ、それらが再度結合するとき光が放射される。
【００７０】
第１の領域５から放射された光子が第２の領域７に衝突し、第２の領域７に吸収されてキャリアを生成し、それらが１つまたは複数の量子ドットをポピュレートする。次いでキャリアが緩和して、第２の領域７から光子を放射する。
【００７１】
第２の電圧源Ｖ２によって第２のｐ型コンタクトとｎ型コンタクトとにわたって印加される電圧は、第２の領域７における１つまたは複数の量子ドットの放射エネルギーを調整するために、したがって第２の領域７から放射される光子の波長を調整するために、使用され得る。
【００７２】
第２の領域７に印加される電圧は、層の面に対して垂直に印加される。この電圧は、第２の領域の閾値電圧未満の第２のレベルで印加される。この電圧は、量子ドットの放射を、シュタルク効果によってデバイスの所望の出力エネルギーに等しいエネルギーへシフトするものである。
【００７３】
電場における量子閉じ込め状態のエネルギー（Ｅ）が、シュタルク効果により、次式に従ってシフトされる。
Ｅ＝Ｅ０−ｐＦ＋βＦ２
ここで、Ｅ０はゼロ電場におけるエネルギーであり、ｐは「永久双極子」モーメントであり、βは「分極率」（負の値）である。ｐは、電子と正孔との間の垂直分離の測定値を与え、ｐ＝ｅＤであり、Ｄは負電荷から正電荷へ向く。Ｆは、正の試験電荷に対する正味の力として定義される、印加される電場である。
【００７４】
したがって、第２の領域７における１つまたは複数の量子ドットの放射エネルギーは、印加される電場に依存するものである。１つまたは複数の量子ドットの放射エネルギーは第２の電圧源Ｖ２によって印加される電圧の値を選択することによって選択され得る。このように、量子ドットの放射の波長が調整される。
【００７５】
上記で説明されたように、より大きい電場が印加されるとトンネリングの確率が増加することを意味する。したがって、光ルミネセンス（ＰＬ）放射が生じることをなお可能にしたまま量子ドットにわたって垂直に印加され得る電場の最大値がある。たとえば障壁の高さを増加することにより、この最大値を増加することができる。この最大値が大きければ大きいほど、波長の調整範囲が大きくなる。障壁層を含んでいると、放射効率を損なうことなく４００ｋＶ／ｃｍよりも大きい電場が印加され得るので、１４ｎｍを超える波長範囲にわたる調整をもたらし得る。一実施形態では、電場は、１００ＫＶｃｍ−１を上限とする動作範囲にわたって調整可能である。
【００７６】
このように、量子ドットにわたって電場を印加することにより、放射波長が調整され得る。量子ドットにわたって電場を印加すると、光子放射が生じ得る前に、印加された電場が量子ドットからのキャリアのトンネリングを促進するので、光子源の効率が低下する。電場が印加される一方で、量子ドットからの電子と正孔の両方のトンネリングを最小化することにより、光子源の、より大きい調整範囲が達成され得る。障壁層を設けることにより、トンネリングが最小化され得る。
【００７７】
一実施形態では、第２の領域７における電子と正孔の両方のトンネリング時間は、量子ドットの内部に形成された励起子の放射寿命よりも長い。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓの量子ドットについては、ＸおよびＸ−状態は１ナノ秒の寿命を有する。これは、大多数のキャリアが発光するように再結合することを保証し、５０％を上回る効率を維持することになる。トンネリングは、一般に量子ドットからコンタクトに向かって生じることになる。したがって、電子はｎ型コンタクトの方へトンネルし、正孔はｐ型コンタクトの方へトンネルすることになる。
【００７８】
動作範囲にわたって量子ドットからのトンネリングを低減させることは、複数のやり方で達成され得る。量子ドットと第１のコンタクトおよび／または第２のコンタクトとの間に半導体層を設けると、トンネリングに対する障壁をもたらし、障壁は、少なくともその厚さの一部分については、前記量子ドットにおける最低の電子エネルギーレベルよりも、少なくともより高い電位を有する。量子井戸を与えられると、少なくとも、電子のトンネリングが生じるはずの量子ドット側の障壁は、前記量子井戸の最低の電子エネルギーレベルよりも高い電位を有し得る。量子ドットからのトンネリングを低減する、第２の領域７における構造の例が、図６に示されている。
【００７９】
したがって、量子ドットのエネルギーレベルは、外部バイアスＶ２を印加することにより、所望のエネルギーへシュタルクシフトされ得る。デバイス中に障壁材料を含むと、印加されるバイアスが高くてもトンネリング率が低くなることを意味する。これは、広範囲の印加されるバイアスにわたって、効率がよい放射を可能にする。たとえば、一実施形態では、数十ｎｍにわたってデバイスを調整することができる。
【００８０】
図３は、一実施形態による光子源１の一部分である半導体ヘテロ構造３の概略図である。
【００８１】
ヘテロ構造は、半導体基板３１上に集積された第１の領域５および第２の領域７を備える。
【００８２】
第１の領域５は発光ダイオード領域である。第１の領域５は、基板３１上のｎ型ドープ半導体層を備える。ｎ型ドープ層が、基板３１の上に重なって接触し得る。あるいは、たとえばｎ型ドープ層と基板３１の間に緩衝層および／または他のエピタキシャル層が設けられてよい。
【００８３】
非ドープ層が、ｎ型ドープ層の上に重なって接触する。複数の量子ドットが、非ドープ領域に設けられてもよい。ｐ型ドープ層が、非ドープ層の上に重なり、接触して設けられる。たとえばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓＰといった、より大きいバンドギャップの層など、障壁層などのさらなる層が設けられてもよい。半導体層は、たとえばＧａＡｓでよく、またはＩｎＰでもよい。量子ドットは、ＩｎＡｓまたは何らかの他の合金でもよい。量子ドットは、デバイスにおいて、自己組織化、液滴エピタキシによって形成されてよく、あらかじめ配置されてもよく、リソグラフィで規定されてもよい。これらの層がｐ−ｉ−ｎ構造を形成する。示されたデバイスはｎ型基板を備えるが、あるいは、このデバイスがｐ型基板を備えて、ｐ−ｉ−ｎ接合が順番を逆にされてもよい。
【００８４】
第１の領域５によって放射される光は、第１の領域中のすべての材料、すなわち、量子ドットおよびバルク材料からの放射を備え得る。この放射は、たとえば湿潤層からの放射および／またはバルクＧａＡｓ材料もしくはバルクＩｎＰ材料からの放射を含み得る。
【００８５】
第２の領域７はまた、基板３１上のｎ型ドープ層３３を備える。ｎ型ドープ層３３が、基板３１の上に重なって接触し得る。あるいは、たとえばｎ型ドープ層３３と基板３１の間に緩衝層が設けられてもよい。
【００８６】
第２の領域７において、下部の障壁層２７が、ｎ型ドープ層３３の上に重なって接触する。非ドープ層２１が、下部の障壁層２７の上に重なって接触する。量子ドット１７を含む１つまたは複数の量子ドットが非ドープ領域に設けられ、非ドープ領域は下層２１と上層２３とを備える。上部の障壁層２５およびｐ型ドープ層３５が、非ドープ層２３の上に重なり、接触して設けられている。ｐ型ドープ層３５の上にさらなる層が設けられ得る。半導体層は、たとえばＧａＡｓでよく、またはＩｎＰでもよい。量子ドットはＩｎＡｓでよい。これらの層がｐ−ｉ−ｎ構造を形成する。
【００８７】
基板３１の反対面にｎ型コンタクトが設けられている。第１の領域５におけるｐ型ドープ層の上に第１のｐ型コンタクトが設けられている。ｎ型金属コンタクト材料は、ＡｕＧｅＮｉまたはＰｄＧｅを含み得るが、これらに限定されない。ｐ型コンタクト金属は、ＡｕＢｅ、ＰｄＺｎＡｕまたはＡｕＣｒＡｕＺｎＡｕを含み得るが、これらに限定されない。第１のｐ型コンタクトとｎ型コンタクトとにわたって第１の電圧源Ｖ１が接続される。
【００８８】
第２の領域７におけるｐ型ドープ層３５の上に第２のｐ型コンタクトが設けられている。第２のｐ型コンタクトとｎ型コンタクトとにわたって第２の電圧源Ｖ２が接続される。
【００８９】
したがって、第２の領域７において、下層２１と上層２３との間の境界１９に量子ドット１７が形成される。量子ドット１７は、たとえばＩｎＡｓ量子ドットであってもよい。下層２１および上層２３は、たとえばガリウムひ素であってもよく、またはＩｎＰでもあってもよい。上層２３が上部の障壁層２５に接触しており、下層２１が下部の障壁層２７に接触している。上部の障壁層２５および下部の障壁層２７は、より大きいバンドギャップの層であり、たとえばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＰまたはＩｎＡｌＡｓＰであり得る。
【００９０】
上部の障壁層２５と下部の障壁層２７との間に挟まれた上層２３および下層２１を備える構成は、量子井戸２９の形成をもたらす。量子井戸２９は、図２のバンド図に示されている。
【００９１】
障壁層が存在しない場合よりも電気的閉じ込めをさらに強化するように、量子ドット１７が形成されている境界１９に十分に接近して障壁層が設けられる。上層２３および下層２１が量子井戸２９を形成する。
【００９２】
ここでは、上層２３および下層２１によって形成される量子井戸２９内に量子ドット１７が配置されている。量子ドット１７からのトンネリングを抑制するのに役立つ上部の障壁層２５と下部の障壁層２７との間に量子井戸２９が形成されている。
【００９３】
第２の領域７の構造はｐ−ｉ−ｎ構造であり、デバイスの一面がｐ型で反対面がｎ型であって、量子ドット１７が非ドープ領域内に配置されている。しかしながら、第２の領域７は、代わりに、たとえばｎ−ｉ−ｐ構造または抵抗−ｉ−ショットキー構造を有していてもよい。
【００９４】
その上、示されたデバイスには２つの等しい障壁があるが、代わりに不均等な障壁を有していてもよく、障壁がなくてもよく、障壁が１つでもよい。電子と正孔とは異なる有効質量を有し、したがって量子ドット１７の両側の障壁の不均等な高さに対して等しいトンネリング率を有し、これは、不均等な障壁または１つの障壁がトンネリングを十分に抑制し得ることを意味する。
【００９５】
一実施形態では、障壁間の間隔は、量子井戸２９内での電子状態の量子化をもたらすほど十分に小さいものである。これは、キャリアが、粒子のドブロイ波長に匹敵する領域への十分に強いポテンシャルに閉じ込められているときに生じる。
【００９６】
一実施形態では、障壁の一方または両方の高さ、位置、または厚さは、キャリアがトンネルすることもあり得る障壁の端で閉じ込め状態にならないように、量子ドット１７から障壁までの距離が十分に小さくなるように、選択されている。
【００９７】
第２の領域７は、基板の、第１の領域５と同一の表面に設けられ、基板の表面に対して平行な面において第１の領域５の隣にあり、すなわち、第１の領域５および第２の領域７は基板上で横に配置されている。
【００９８】
第１の領域５と第２の領域７との間にギャップがあってよい。あるいは、たとえば第１の領域５が第２の領域７に接触していてもよく、または、たとえば第１の領域５と第２の領域７との間に導波路領域が設けられていてもよい。
【００９９】
第１の領域５と第２の領域７とに対する印加電圧の例が図４（ａ）および図４（ｂ）に示されている。これらの図の各々において、第１の領域５および第２の領域７のうち一方が振動電場にさらされ、光子源１からのパルスの光学的放射をもたらす。
【０１００】
図４（ａ）の上の方のグラフは、第１の領域５に印加される電圧Ｖ１と、第２の領域７に印加される電圧Ｖ２とを示す。この場合、第１の領域５に印加される電圧Ｖ１が一連のパルスを形成し、第２の領域７に印加される電圧Ｖ２は連続的であり、すなわちＤＣ電圧である。第１の領域５に印加される各電圧パルスが、第１の領域５の閾値電圧レベルを超えて、電圧Ｖ１を増加させる。したがって、第１の領域５は、各電圧パルスに対応して光のパルスを放射する。
【０１０１】
第２の領域７における量子ドットの放射エネルギーは、第２の領域７にわたって印加される電圧Ｖ２の大きさに依存する。第１の領域５から入力される光がパルス化されているので、第２の領域７から放射される光は強度変調される。言い換えれば、第１の領域５はパルス光を放射する。各パルスは、第２の領域７によって吸収され、キャリアで第２の領域７をポピュレートし、次いでキャリアが緩和してＱＤにおいて再結合し、単一の光子を放射する。次いで、第１の領域５が別のパルスを放射するまで、第２の領域７が別の光子を放射することはない。
【０１０２】
図４（ａ）の下の方のグラフは、第２の領域７における光子生成の確率を示す。光子生成の確率は、第１の領域５に電圧パルスが印加されるたびに増加する。
【０１０３】
図４（ｂ）の上の方のグラフは、代替の動作モードにおいて第１の領域５に印加される電圧Ｖ１と、第２の領域７に印加される電圧Ｖ２とを示す。第１の領域に印加される電圧Ｖ１は連続的であり、すなわちＤＣ電圧である。第２の領域７に印加される電圧Ｖ２は一連のパルスを備える。第１の領域５に印加される電圧Ｖ１は閾値電圧レベルよりも大きく、したがって第１の領域５から光が連続的に放射される。
【０１０４】
第２の領域７から放射される光のエネルギーは、印加される電圧パルスＶ２の大きさに依存する。したがって、電圧パルスＶ２の大きさを変調することは、第２の領域７から放射される光の波長を変調する。下の方のグラフは、第２の領域７から放射される光子の波長を示す。第２の領域７に印加される電圧が大きければ大きいほど、放射される光子の波長が大きくなる。図４（ｂ）の下の方のグラフは、これも第２の領域７における光子生成の確率を示す。光子生成の確率は、第２の領域７に電圧パルスが印加されるたびに増加する。
【０１０５】
どちらの場合も、第１の領域５は、第２の領域７の量子ドットにキャリアを供給するための光源として使用される。
【０１０６】
一実施形態では、半導体のヘテロ構造は、単一量子ドットの層を備え、これら単一量子ドットは、位置依存の電場にさらされる。この構造は、エレクトロルミネセンスが観測される第１の領域５と、量子ドットのエネルギーが電場に応じて変化され得る第２の領域７とを備える。第１の領域５は、第２の領域７を光学的に励起する。第１の領域に印加される電場は、第２の領域７に印加される電場とは異なるものであってもよい。
【０１０７】
図５は、一実施形態による光子源１からの発光スペクトルの調整を示す。この例では、デバイスは図３と同様に生成され、７５％のＡｌＧａＡｓを有する１０ｎｍのＧａＡｓ量子井戸クラッドの中にＩｎＡｓドットの単一の層を含んでいた。第１の領域５に対するバイアスは、閾値電圧よりも大きい一定の値に設定された。第２の領域７に対するバイアスが変化され、ｙ軸にプロットされている。結果的に、ｘ軸にプロットされた放射のエネルギーは、量子ドットにおける推移のために変化する。この例では、第２の領域７における量子ドットの密度が高いことは、プロット上の明るさによって表された輝度が電場に応じて変化する多くの可視の推移があることを意味する。いくつかの推移は、１０ｎｍよりも大きくシフトすることが示されている。
【０１０８】
一実施形態では、第２の領域７の各障壁層は不均等である。たとえば、図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、ｎ型ドープ領域に接続された下層２１は上層２３よりも大きいバンドギャップを有し得る。量子ドットにおける正孔の有効質量が電子の有効質量よりもはるかに大きいので、最初に電子がトンネルする可能性が高い。したがって、電子のトンネリングを阻止して、量子ドットへの放射が生じるほど電子および正孔を長く保つために、量子ドットのｎ型の側に、より大きいバンドギャップ材料が与えられる。たとえば上層２３はＧａＡｓであってもよく、量子ドットはＩｎＡｓであってもよく、下層２１はＡｌＧａＡｓである。この構成において、障壁の側には、垂直の電位のステップと伝導帯の傾斜の間に形成された「Ｖ」字形の量子井戸がある。図６（ｂ）は対応するバンド図を示す。
【０１０９】
あるいは、図６（ｃ）および図６（ｄ）に示されるように、上部の障壁層２５が設けられていて、下部の障壁層が設けられなくてもよい。たとえば、量子ドットがＧａＡｓ領域に形成されていてもよく、ＡｌＧａＡｓから形成された上部の障壁層２５が設けられてよい。図６（ｄ）は対応するバンド図を示す。
【０１１０】
図６（ｅ）および図６（ｆ）に示された代替の実施形態では、電位障壁間の間隔が低減され、極小値になる。この場合、大きいバンドギャップの材料は、キャリアの閉じ込めをさらに強化する。２つの障壁材２５と２７の間の境界に複数の量子ドットが形成されている。下部の障壁層２７はｎ型材料３３に接続されており、上部の障壁層２５はｐ型材料３５に接続されている。たとえばＡｌＧａＡｓ層といった２つの障壁層の間に、たとえばＩｎＡｓ量子ドットが挟まれる。ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは２．２ｅＶであり、ＧａＡｓに見られる１．５ｅＶのバンドギャップよりもかなり大きい。たとえばｎ型材料３３はｎ型にドープされたＧａＡｓでよく、ｐ型材料はｐ型にドープされたＧａＡｓでよい。
【０１１１】
ＡｌＧａＡｓの中に量子ドットを形成することにより、この量子ドットにキャリアが捕らえられた状態で大きい電場が印加され得る。このことは、放射効率を損なうことなく４００ｋＶ／ｃｍよりも大きい電場が印加され得るので、２０ｎｍを超える波長範囲にわたる調整をもたらし得る。一実施形態では、ＩｎＡｓドットは第２の領域７における７５％のＡｌＧａＡｓの中に封入され、光子源１は数十ナノメートルよりも大きい調整範囲を有する。
【０１１２】
量子ドットの中に状態を閉じ込めるために、異なるタイプの量子井戸配置が使用され得る。図２を参照しながら正方形の量子井戸が説明される。三角形のプロファイルを有する可変構成の量子井戸が形成されてよく、キャリアは量子ドットの近くの最低の電位に蓄積する傾向がある。エネルギー断面を、放物線状、直線状、または何らかの他の変化する断面にするように構成を変化させることも可能である。量子井戸の閉じ込め状態は、量子ドットの閉じ込め状態との特定の関係を有するように設計され得る。たとえば、量子井戸の閉じ込め状態が１つのフォノンエネルギーによって分離される場合、量子ドットへの捕捉が増強され得る。
【０１１３】
一実施形態では、ヘテロ構造は、ドットが、１００ｋＶ／ｃｍ未満の電場範囲にわたって両方の符号のキャリアを閉じ込めることを可能にするように構成される。
【０１１４】
障壁層を含むことによってもたらされる増強された閉じ込めは、デバイスがより高い温度で動作されることも可能にし得る。
【０１１５】
シュタルク効果による量子ドット放射のエネルギーのシフトばかりでなく、印加される電場の大きさも、放射のタイプを制御するのに使用され得る。
【０１１６】
たとえば、放射のタイプの１つには単一の中性励起子Ｘによる放射があり、伝導帯の単一の電子と価電子帯の単一の正孔とが結合してドットを完全に空にし、光子を放射する。別のタイプの放射には中性の双励起子崩壊ＸＸによる放射があり、伝導帯における２つの電子と価電子帯における２つの正孔とがあって、伝導帯の１つの電子が価電子帯の単一の正孔と結合して光子を放射し、伝導帯の単一の電子と価電子帯の単一の正孔とを後に残す。別のタイプの放射には、伝導帯における２つの電子と価電子帯における単一の正孔とが存在する量子ドットからの崩壊による放射がある。伝導帯における１つの電子が価電子帯における単一の正孔と結合して、伝導帯に単一の電子を残す。この崩壊は負の励起子崩壊Ｘ−として知られている。別のタイプの放射には、起動状態が伝導帯における単一の電子と価電子帯における２つの正孔であるときの、正の励起子崩壊Ｘ＋がある。たとえば励起子ＸＸ＋が伝導帯における３つの電子と価電子帯における２つの正孔とを備える、高次励起子の帯電崩壊を得ることも可能である。
【０１１７】
異なるタイプの放射が、第２の領域７に印加される異なる電圧を支配する。したがって、第２の電圧源Ｖ２によって第２の領域７に印加される電圧を変化させることにより、特定のタイプの放射を制御することまたは促進することが可能である。
【０１１８】
別の実施形態では、第２の領域７にわたって印加される電場が、放射された光子における微細構造分裂（ＦＳＳ）を最小化するように構成される。これによって、量子もつれ光子対の源が生成され得る。
【０１１９】
光子の対は、当初は２つの電子および２つの正孔で満たされた（双励起子状態ＸＸとして知られている）単一の量子ドットにおけるカスケード放射プロセスから生成され得る。この状態は、双励起子光子を放射することができ、１つの電子および１つの正孔を荷電中性の励起子状態に残す。次いで、この電子と正孔とが再結合して励起子光子を放射し、空のドットを残す。励起子状態の特性を制御することにより、これら２つの光子が量子もつれされる（entangled）ことができる。量子もつれ光子の源を生成するために、量子ドットからの光ルミネセンスに微細構造分裂がない量子ドットを有するのが望ましい。
【０１２０】
第２の領域にわたって印加される電圧を制御すると、量子もつれした状態を決定する微細構造分裂を最小化することができる。これは、励起および光子放射と同一のチップで起こる。微細構造分裂が最小化される電場において源を動作させることが可能である。
【０１２１】
ＦＳＳは、中性励起子状態の放射および双励起子状態の放射においてのみ可視である。これらの状態は、ＦＳＳが最小化されたとき、より高強度の放射を得る。
【０１２２】
一実施形態では、第２の領域に印加される電場が、第２の領域における量子ドットの微細構造分裂を最小化する。
【０１２３】
図７は、一実施形態による光子源にわたって調整電圧を印加することの効果を示す。この図は、印加されるバイアスを用いる、量子ドットの微細構造分裂（ＦＳＳ）の電気的調整を示すものである。
【０１２４】
電圧を変化させることにより、ＦＳＳが変化する。これは、量子状態の放射寿命と同程度またはそれよりも速い時間尺度での変化を可能にする。
【０１２５】
第２の領域７に印加される電圧は、微細構造分裂を最小化するために使用され得る。一実施形態では、ＦＳＳは印加電圧に応じて直線的に変化する。
【０１２６】
ＧａＡｓ／ＩｎＡｓ／ＧａＡｓにおける量子ドットは、ドットからドットへの広範囲にわたるガウス分布を伴ってランダムに変化するＦＳＳを有する。１．４ｅＶの放射エネルギーにおいて、平均ＦＳＳはゼロであり、「散乱」は５０μｅＶに近い。この散乱も、第２の領域に電圧を印加することによって低減され得る。一実施形態では、第２の領域７に電場が印加されるとき、ＦＳＳは１ＫＶｃｍ−１につき０．２８μｅＶの割合で変化する。１．３２ｅＶの放射エネルギーにおいて、ＦＳＳの平均値は約１００μｅＶであり、１００μｅＶの散乱を伴う。１５０μｅＶの調整範囲は、実質的にすべての量子ドットが最小のＦＳＳに調整され得ることを意味することになる。これは５３０ＫＶｃｍ−１の電場に対応する。
【０１２７】
ＧａＡｓまたはＩｎＰの代わりにＡｌＡｓにおける量子ドットの成長は、ＱＤの形状非対称性を増加させ、より大きい微細構造分裂をもたらす。ＡｌＧａＡｓにおいて成長される量子ドットは、アルミニウム成分が増加するとともに空間非対称性がより大きくなることも知られている。したがって、第２の領域７にわたって電圧を印加することにより微細構造分裂を最小化することは、これらの材料に対して特に有効である。その上、印加される電場に対する微細構造分裂の変化率は、ＡｌＧａＡｓの内部で成長されたドットに関してより高いものになる。これらの材料において、量子ドットの大部分が、微細構造分裂を最小化するように調整され得る。
【０１２８】
一実施形態では、光子源１は共振器３０５を備える。共振器は量子ドットのまわりに設けられ、第２の領域７におけるさらなる量子ドットのまわりに設けられ得る。共振器は、１つの方向の放射を増強して効率を向上するように、および／または量子ドットの放射特性を変更するように構成されてもよい。構造の有効屈折率は、第２の領域７における１つまたは複数の量子ドットのまわりに光共振器が生成されるように変更される。
【０１２９】
共振器は、たとえば、屈折率が交番する４分の１波長層のブラッグミラー、または光結晶から形成され得る。光共振器は、各々が厚さλ／４の交番する高屈折率の層と低屈折率の層とを含むことによって形成され得る。８０％を超えるアルミニウム含有量を有する半導体層のエッチングまたは選択的部分酸化によって層の輪郭を描くことも、共振器を形成するために使用され得る。
【０１３０】
図８は、一実施形態による光子源１の半導体ヘテロ構造を示すものであり、層構造の詳細を示している。
【０１３１】
この半導体ヘテロ構造は、基板５０１の第１の表面上に集積された第１の領域５および第２の領域７を備える。基板５０１は緩衝層を備え得る。基板は、たとえばＧａＡｓまたはＩｎＰであってもよい。基板はドープされていてもよい。この場合、ｎ型コンタクトが基板に対して作製されているが、あるいはデバイスが逆にされて、基板に対してｐ型コンタクトが作製されてもよい。
【０１３２】
下部のコンタクト領域５０２が、基板５０１の上に重なって接触する。下部のコンタクト領域は、たとえばｎ型にドープされたＧａＡｓまたはＩｎＰであってもよい。下部の障壁領域５０３は、下部のコンタクト領域５０２の上に重なって接触する。下部の障壁領域は、たとえばＡｌＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓであってもよい。下層５０７は、下部の障壁領域５０３の上に重なって接触する。下層は、たとえば非ドープのＧａＡｓまたはＩｎＰであってもよい。
【０１３３】
量子ドット５０９を含む複数の量子ドットを備える量子ドット層が下層５０７と上層５１１との間の境界にある。上層は、たとえばＧａＡｓまたはＩｎＰであってもよい。量子ドット１７は、たとえばＩｎＡｓ量子ドットであってもよい。
【０１３４】
たとえばＡｌＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓを備え得る上部の障壁層５０４は、上層５１１の上に重なって接触する。ｐ型コンタクト層５１３は、上部の障壁層５０４の上に重なって接触する。一実施形態では、ｐ型コンタクト層５１３は、ＧａＡｓまたはＩｎＰの高濃度のｐ型ドープ層である。
【０１３５】
第１の領域５と第２の領域７との間にギャップがあり、これは、構造の製造中に、層を通って基板までエッチングされるものである。
【０１３６】
ｎ型コンタクト５２１は、下部のドープされたコンタクト領域５０２に接触している。基板５０１もｎ型にドープされている実施形態では、ｎ型コンタクト５２１は、代わりに、基板５０１の第１の表面に対する反対面に配置され得る。第１の領域５の上方で、ｐ型コンタクト層に第１のｐ型コンタクト５１９が接触される。第２の領域７の上方で、ｐ型コンタクト層に第２のｐ型コンタクト５１７が接触される。
【０１３７】
ブラッグミラー層がデバイスに含まれてもよい。ブラッグミラー層は、各々が４分の１波長の厚さの、交番する高屈折率の層と低屈折率の層とを使用して形成される。層数が多ければ多いほど、より高い反射率が達成される。また、屈折率の差が大きければ大きいほど、より高い反射率が達成される。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層などの、エピタキシャル成長半導体材料の交番する層が使用され得る。あるいは、ＳｉＯ２／ＴｉＯ２またはＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４層などの誘電体が使用され得る。そのような誘電性ブラッグミラーは、次のものに限らないが、スパッタリング、蒸着、またはプラズマ助長の化学気相成長法などの技術によって堆積され得る。
【０１３８】
第１の領域５および第２の領域７は基板５０１上で横方向に結合されている。第１の領域５から放射された光は、たとえば導波路層により、または第１の領域５の最上部の連続した金属コンタクトと、半導体−空気の境界とにより、もしくは基板の下のさらなる金属層によって、層の面内に、すなわち層の積層方向に対して垂直な方向に、導かれ得る。第２の領域７から放射された光も、導波路層により、または第１の領域５の最上部の連続した金属コンタクトと、半導体−空気の境界とにより、もしくは基板の下のさらなる金属層によって、面内方向に導かれ得る。しかしながら、それに代えて、光が基板５０１から離れて面外方向に放射され得るように、ｐ型コンタクト層５１３と第２のｐ型コンタクト５１７とにギャップを形成することにより、光が面外方向に放射されてもよい。最上部の金属コンタクト５１９が連続していなければ、垂直に放射された光をすべてデバイスへ反射して戻すとは限らず、その故にいくらかの光が垂直に放射される。
【０１３９】
第１の領域５および第２の領域７は、基板５０１の第１の表面に対して実質的に平行な第１の面に互いに関連して配置されている。光は、第１の領域５および第２の領域７から放射され、第１の面において導かれる。第１の領域から放射された光が、第２の領域に衝突して第２の領域７に吸収される。
【０１４０】
図８に示される光子源は、たとえば分子線エピタキシまたは有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）によって成長され得る。デバイスは、モノリシックに集積される手法を使用して成長され得、あるいは、第１の領域５と第２の領域７とが分離して製造され、次に、共有のプラットフォーム上で、フリップチップボンディングなど何らかの製造後の組立てプロセスによって接合され得る。
【０１４１】
前述のように、デバイスは、たとえばＧａＡｓまたはＩｎＰに基づくものであってもよい。ＩｎＰ基板は、その結晶構造が通信帯域からのエネルギーにおける放射を可能にするので、通信波長で動作するデバイス用に使用され得る。
【０１４２】
一実施形態では、個々の構成要素が１つのタイプの基板上で成長され、次いで、次のものに限らないが、フリップチップボンディングなどの技術を使用して、異なるタイプの基板に接合される。
【０１４３】
一実施形態では、ｎ型コンタクト金属としてＡｕＧｅＮｉが使用されてもよく、ｐ型コンタクト金属はＰｄＺｎＡｕ、ＡｕＣｒＡｕＺｎＡｕまたはＡｕＢｅのうちいずれか１つであってもよい。ｎ型コンタクト５２１を備えるｎ型電極が形成され、第１のｐ型コンタクト５１９を備える第１のｐ型電極が形成され、第２のｐ型コンタクト５１７を備える第２のｐ型電極が形成される。第１のｐ型コンタクト５１９とｎ型コンタクト５２１とにわたって第１の電圧源Ｖ１が接続される。第２のｐ型コンタクト５１７とｎ型コンタクト５２１とにわたって第２の電圧源Ｖ２が接続される。
【０１４４】
第１の領域５と第２の領域７との間のギャップは、湿式エッチングまたは乾式エッチングによって達成され得る。ＧａＡｓベースのデバイスおよびＩｎＰベースのデバイスに関して、これは、ＩｎＰの場合は高温で、塩素ベースの化学的物質を使用して達成され得る。ＩｎＰも、メタンベースのプロセスを使用して乾式エッチングされ得る。あるいは、ギャップは、標準的な湿式の化学的エッチングを使用して生成され得る。
【０１４５】
第１の領域５および第２の領域７の、たとえば長方形または正方形の断面といった様々な水平方向の形状が、エッチングによって形成され得る。
【０１４６】
したがって、第１の領域５および／または第２の領域７は共振器を備え得る。光共振器は、各々が厚さλ／４の交番する高屈折率の層と低屈折率の層とを含むことによって形成され得、面外方向における閉じ込めをもたらす。面内方向における閉じ込めは、格子、光結晶構造、層のエッチングまたは部分酸化によってもたらされ得る。
【０１４７】
あるいは、第１の領域５と第２の領域７との間のギャップは、トレンチがエッチングされた後に、類似した屈折率を有する非ドープ材料を用いて満たされてもよい。
【０１４８】
図９は、一実施形態による光子源１の半導体ヘテロ構造の成長および製造の方法のフローチャートである。この方法は、たとえば図８に示されたヘテロ構造を製造するのに使用され得る。
【０１４９】
この方法によって製造されたデバイスでは、第１の領域５と第２の領域７の両方が基板上にモノリシックに集積される。一実施形態では、基板は、ｎ型のＧａＡｓまたはＩｎＰの基板である。
【０１５０】
ステップＳ１０１において、基板５０１上に緩衝層が成長され、下部のエピタキシャルブラッグミラー５０５が続く。このミラーは、部分的にまたは全体に、ｎ型にドープされてよい。下部のブラッグミラー５０５の上に重なって接触するのは、ｎ型層５０２、下部の障壁層５０３、下部の非ドープ層５０７、量子ドット層５０９、上層５１１、上部の障壁層５０４、ｐ型層５１３および上部のブラッグミラー５０６である。量子ドット層５０９を形成するために、たとえば下層５０７上に、ＩｎＡｓ源の１．７超の単分子層が堆積されてよい。次いで、これは量子ドットへと「自己組織化する」。
【０１５１】
ステップＳ１０２において、最初にデバイスが成長マシンから取り出される。次いで、誘電体層上にフォトレジストがスピンされ（spun）、フォトリソグラフィにより、フォトレジストにおいて、所望の形状を有し、その間にギャップを伴う第１の領域５と第２の領域７とが規定される。現像の後、レジストにおいて規定されたストリップは、より深くなければ少なくとも下部のｎ型ドープ領域５０２まで浸漬して酸：過酸化物：水溶液での湿式エッチングにより、半導体構造に転写される。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ構造については、溶液はＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ溶液であり得る。デバイスは脱イオン化された水の中ですすがれ、フォトレジストが、たとえばアセトン、専用のレジスト除去剤溶液などの溶剤の中で、またはＯ２プラズマ灰化によって除去される。
【０１５２】
あるいは、選択性の向上が必要とされる場合、同一のフォトレジストマスクまたは誘電体マスクのいずれかを用いる乾式エッチングプロセスを使用して、上記のエッチングステップが達成され得る。
【０１５３】
ステップＳ１０３は、フォトリソグラフィを用いるコンタクト領域の規定と、ｎ型金属コンタクトおよびｐ型金属コンタクトの堆積と、アニーリングとを含む。ｐ型コンタクト層５１３上にｐ型金属コンタクトが堆積される。下部のブラッグミラー５０５および基板５０１がｎ型にドープされている場合、基板５０１の第１の表面に対する反対面上にｎ型金属コンタクトが堆積されてよい。そうでなければ、金属コンタクトは、ステップＳ１０２のエッチングプロセス中に露光されるｎ型表面に作製される。
【０１５４】
図１０は、図９のステップの各々の後のサンプルの構造を示す図である。
【０１５５】
ステップＳ１０１の後、サンプルは、緩衝層を有する基板５０１と、緩衝層の上に重なって接触する下部のブラッグミラー５０５と、下部のブラッグミラー５０５の上に重なって接触するｎ型層５０２と、下部のｎ型層の上に重なって接触する下部の障壁層５０３と、下部の障壁５０３の上に重なって接触する下部のｉ層５０７と、下部のｉ層５０７の上に重なって接触する量子ドット層５０９と、量子ドット層５０９の上に重なって接触する上部のｉ層５１１と、上部のｉ層５１１の上に重なって接触する上部の障壁５０４と、上部の障壁５０４の上に重なって接触する上部のｐ型層５１３と、上部のｐ型層５１３の上に重なって接触する、ｐ型にドープされた上部のブラッグミラー５０６とを備える。
【０１５６】
ステップＳ１０２ａの後、第１のフォトレジストマスク、上部のブラッグミラー５０６、ｐ型層５１３、上部の障壁５０４、上部のｉ層５１１、量子ドット層５０９、下部のｉ層５０７および下部の障壁５０３が、第１の領域５と第２の領域７とを規定する２つの隆起部を形成する。
【０１５７】
ステップＳ１０３の後、第１のｐ型コンタクト５１９および第２のｐ型コンタクト５１７は、ｐ型にドープされた上部のブラッグミラー５０６の上に重なって接触する。ｎ型コンタクト金属５２１はｎ型層５０２に接触している。
【０１５８】
代替の実施形態では、領域５および領域７が、２つの要素の間で光子をより効率的に転送するために、導波路領域によって連結される。この導波路領域は、製造プロセスの間に、たとえばＩＩＩ〜Ｖ族の材料の再成長により、またはたとえば誘電体の蒸発／スパッタリングなどによって形成される。
【０１５９】
図１１は、一実施形態による半導体ヘテロ構造の成長および製造の方法のフローチャートを示す。この方法は、図１２に示されるものなど、第１の領域５と第２の領域７との間に導波路領域を備えるヘテロ構造を製造するために使用され得る。
【０１６０】
図１２に示されるものなどの構造は、たとえばＭＯＶＰＥによって成長され得る。ＭＯＶＰＥは、プロセスにおける複数のオーバーグロースステップのため、適している。
【０１６１】
ステップＳ２０１において、基板５０１上に緩衝層が成長され、上記で説明されたタイプの下部のエピタキシャルブラッグミラー５０５が続く。このミラーは、部分的にまたは全体に、ｎ型にドープされてもよい。下部のブラッグミラーに対して、ｎ型層５０２、下部の障壁層５０３、下部の非ドープ層５０７、量子ドット層５０９、上層５１１、上部の障壁層５０４、ｐ型層５１３および上部のｐ型ＤＢＲ５０６が上に重なって接触する。
【０１６２】
次いで、ステップＳ２０２において、サンプルが成長マシンから取り出される。このステップは、たとえばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２の層であり得る誘電体硬質マスクの堆積を備える。この誘電体層の厚さは、成長された活性領域の厚さと乾式エッチングの選択性とに依存し得る。次にフォトレジストがスピンされ、フォトリソグラフィによってストリップが規定される。現像の後、レジストの中に規定されたストリップパターンが、たとえばフッ素ベースの化学的物質を使用して乾式エッチングによって誘電体層に転写される。次に、表面上の残りのレジストが、レジスト除去剤溶液の中で、またはＯ２プラズマ灰化によって除去される。次に半導体の乾式エッチングが実行される。Ｃｌ２ベースの化学物質は、優れた品質の垂直側壁を設けるために使用され得る。この段階において、エッチングによって層を選択的に除去することにより、トレンチが形成される。エッチングは、デバイスの設計に依存して、基板５０１または下部のブラッグミラー５０５まで行われる。後者の場合が図１２に示されている。
【０１６３】
そのとき、サンプルは、ステップＳ２０３ａに向けて準備ができている。誘電体の硬質マスクが残されている。これは、第１の領域５および第２の領域７の最上部における局所的オーバーグロースを防止することになる。このステップにおいて、第１の導波路領域５２３および第２の導波路領域５２５が成長され、平坦化が続いて行われる。ステップＳ２０２において形成された所定のトレンチの中に導波路領域が成長される。
【０１６４】
導波路領域を成長させることは、第１の層５１２の上に重なって接触する基板５０１を成長させることを備え得る。第１の層は、たとえば非ドープのＩｎＰまたはＧａＡｓであってもよい。次に、第１の層５１２の上に重なって接触する第１のクラッド層５１４が成長される。第１のクラッド層５１４は、たとえばＩｎＡｌＡｓであってもよい。第１のクラッド層５１４の上に重なって接触するコア層５１６が成長される。コア層５１６は、たとえばＩｎＧａＡｓであってもよい。コア層５１６の上に重なって接触する第２のクラッド層５１８が成長される。第２のクラッド層はＩｎＡｌＡｓであってもよい。第２のクラッド層５１８の上に重なって接触する第２の層５２０が形成される。第２の層５２０は、たとえばＩｎＰまたはＧａＡｓであってもよい。第１のクラッド層５１４、コア領域５１６および第２のクラッド層５１８が、導波路を形成する。使用において、光は、クラッド層によって面外方向に閉じ込められる。光は、たとえば導波路領域のエッチングされた縁端部または層の側方の酸化により、面内方向に閉じ込められる。
【０１６５】
ステップＳ２０４ａにおいて、誘電体の硬質マスクが除去される。これは、サンプルをＨＦに浸漬することまたは乾式エッチングを含む。次に実行される組立ては、フォトレジストをスピンすることと、ｎ型コンタクトを規定することとを含む。レジストの現像の後、ｎ型金属が堆積され、リフトオフされてアニール化される。ｐ型コンタクトを規定するために類似のプロシージャが適用される。
【０１６６】
ステップＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３ｂおよびＳ２０４ｂに示される代替の実施形態では、導波路領域の成長の前に、接触が堆積されてアニール化され得る。これらのステップの順番を選択するとき、導波路およびコンタクトの材料の入念な選択のために利用可能な熱量が考慮されてもよい。
【０１６７】
図１２は、一実施形態による光子デバイスの半導体ヘテロ構造の概略図を示す。この図は、デバイスの長手方向すなわち光が放射される方向に沿った側面図および上面図を示す。
【０１６８】
第１の導波路領域５２３は、エレクトロルミネセンスを第１の領域５から第２の領域７へ導くために使用される。第２の導波路領域５２５は、第２の領域７から放射された光を導くために使用される。
【０１６９】
第１の領域５と第２の領域７との間に第１の導波路領域５２３がある。第２の領域７の、第１の導波路領域５２３に対する反対側に、第２の導波路領域５２５が配置されている。光は、第１の導波路領域５２３を通って第１の領域５と第２の領域７との間を進む。
【０１７０】
導波路領域は、緩衝層の上に重なって接触する第１の層５１２と、第１の層５１２の上に重なって接触する導波路と、導波路の上に重なって接触する第２の層５２０とを備える。光は、導波路において垂直方向および水平方向に閉じ込められる。第１の層５１２および第２の層５２０は、たとえばＩｎＰまたはＧａＡｓであってもよい。導波路は、ＩｎＡｌＡｓクラッド領域を上下に有するＩｎＧａＡｓコア層５１６を備え得る。
【０１７１】
第１の領域５から放射された光は導波路領域５２３に入り、導波路領域を通って第２の領域７へ進む。第２の領域７から放射された光は導波路領域５２５に入る。
【０１７２】
第１の領域５および第２の領域７は活性領域である。第１の導波路領域５２３および第２の導波路領域５２５は受動領域である。第１の導波路領域５２３、第２の導波路領域５２５、第１の領域５および第２の領域７は、互いに電気的に絶縁されている。第１の領域５および第２の領域７は、別個にバイアスをかけられ得るように、個別の電気的ｐ型コンタクト領域５１７を有する。第１の領域５および第２の領域７は、単一のｎ型コンタクト領域５２１を共有してもよく、または個別のｎ型コンタクトがあってもよい。
【０１７３】
代替の実施形態では、構造を通して基板までエッチングする代わりに、トレンチが、上部の障壁層５０４または上部のｉ層５１１まで部分的にエッチングされてよい。これは、第１の領域５および第２の領域７、ならびに導波路領域５２３、５２５が、元のエピタキシャル層から、完全にモノリシックに形成されることを可能にする。
【０１７４】
図１３は、一実施形態による光子源の半導体ヘテロ構造の成長および製造の方法のフローチャートを示す。この方法は、図１４に示されるものなど、第１の領域５と第２の領域７との間にモノリシックに集積された導波路領域を備えるヘテロ構造を製造するために使用され得、第２の領域７から放射された光子は、成長方向に対して垂直な面内において離れるように導かれる。図１５が示す代替の実施形態では、第２の領域７から放射された光子が、成長方向に対して平行な方向において離れるように導かれる。
【０１７５】
ステップＳ３０１において、基板５０１上に緩衝層が成長され、上記で説明されたタイプの下部のエピタキシャルブラッグミラー５０５が続く。このミラーは、部分的に、または完全に、ｎ型にドープされてよい。下部のブラッグミラー５０５に対して、ｎ型層５０２、下部の障壁層５０３、下部の非ドープ層５０７、量子ドット層５０９、上層５１１、上部の障壁層５０４、ｐ型層５１３および上部のｐ型ＤＢＲ５０６が上に重なって接触する。
【０１７６】
ステップＳ３０２において、サンプルが成長マシンから取り出される。デバイス本体を規定するために、マスキング材料が堆積されてパターニングされる。この例では、フォトレジストだけがマスキング材料として使用されているが、前述のように、誘電体硬質マスクも同様に採用され得る。フォトレジストの露光および現像の後、主デバイスのレイアウトが、湿式エッチングまたは乾式エッチングによって半導体に転写される。エッチングは、基板５０１、ｎ型ブラッグミラー５０５またはｎ型ドープ層５０２まで行われてよい。このステップは、基板に沿って隆起部またはメサ構造を形成する。
【０１７７】
レジストが除去されて、サンプル上にフォトレジストの第２の層がコーティングされる。繰り返しになるが、この段階において、代わりに誘電体硬質マスクが採用され得る。第１の領域５と、結合導波路領域５２３と、第２の領域７と、存在する場合には放射導波路領域５２５との間のトレンチを規定するために、フォトレジストが露光され、現像される。パターンは湿式エッチングまたは乾式エッチングによって転写される。エッチングは、たとえば上部の障壁層５０４まで、または単に上部のｉ層５１１まで行われる。
【０１７８】
次いで、マスク材料が除去される。
【０１７９】
ステップＳ３０３において、ｎ型金属コンタクト５２１を規定するために、フォトレジストがスピンされ、露光され、現像される。金属が蒸発され、リフトオフが行われる。コンタクトがアニール化される。ｐ型金属コンタクト５１９および５１７を生成するために、類似のプロシージャが行われる。
【０１８０】
図１４は、図１３において詳述された組立てステップによって製造され得る、一実施形態による光子デバイスの半導体ヘテロ構造の概略図を示す。この図は、デバイスの長手方向すなわち光が放射される方向に沿った側面図および上面図を示す。
【０１８１】
ここで、デバイスは、第２の領域７から放射された光子が、デバイスから、成長方向に対して垂直に、すなわち層の面内において、導波路５２５を通って結合されるように構成されている。このデバイスは、モノリシックに集積された導波路を備える。
【０１８２】
第１の導波路領域５２３は、エレクトロルミネセンスを第１の領域５から第２の領域７へ導くために使用される。第２の導波路領域５２５は、第２の領域７から放射された光を導くために使用される。
【０１８３】
第１の領域５と第２の領域７との間に第１の導波路領域５２３がある。第２の領域７の、第１の導波路領域５２３に対する反対側に、第２の導波路領域５２５が配置されている。光は、第１の導波路領域５２３を通って第１の領域５と第２の領域７との間を進む。
【０１８４】
導波路領域５２３および５２５は、第１の領域５および第２の領域７と同一の層を備える。コンタクト５２４は第１の導波路領域５２３の上に重なって接触し、コンタクト５２６は第２の導波路領域５２５の上に重なって接触する。導波路領域５２３および５２５は、領域間でエッチングされたギャップによって規定される。ギャップは、たとえば上部の障壁層５０４まで、または単に上部のｉ層５１１までエッチングされる。光は、導波路において垂直方向および水平方向に閉じ込められる。第１の領域５から放射された光は導波路領域５２３に入り、導波路領域を通って第２の領域７へ進む。第２の領域７から放射された光は導波路領域５２５に入る。
【０１８５】
第１の領域５を電気的にポンピングするために、第１の領域５に順方向バイアスが印加される。放射を抑制するために、強い逆方向バイアス結合と発光領域とが含まれ得る。導波路領域におけるあらゆるＱＤからのスプリアス放射を防止するために、コンタクト５２４および／またはコンタクト５２６へのバイアスの印加が用いられ得る。キャリアが導波路領域５２３または５２５に吸収されると、それらの領域のＱＤにおいて再結合して存在することができる。ここで非常に強い負バイアスを印加することにより、あらゆるキャリアが、再結合する前にＱＤから一掃されることになり、これはＱＤ放射が起こるのを防止する。
【０１８６】
あるいは、デバイスは、第２の領域７からの放射が成長方向に対して平行な方向に導かれてデバイスから出るように構成されてもよい。そのようなデバイスの一例が図１５に示されている。
【０１８７】
図１５は、図１３において詳述された製造ステップに従う別の実施形態による光子デバイスの半導体ヘテロ構造の概略図を示す。この図は、デバイスの長手方向すなわち光が放射される方向に沿った側面図および上面図を示す。
【０１８８】
ここで、光子源は、第２の領域７から放射された光子が結合され、成長方向に対して平行な方向に出るように、構成されている。このデバイスは、モノリシックに集積された導波路を備える。
【０１８９】
第１の導波路領域５２３は、エレクトロルミネセンスを第１の領域５から第２の領域７まで面内方向に導くように使用される。第１の導波路領域５２３は、第１の領域５と第２の領域７との間にある。光は、第１の導波路領域５２３を通って第１の領域５と第２の領域７の間を面内方向に進む。
【０１９０】
第１の導波路領域５２３は、第１の領域５および第２の領域７と同一の層を備え、これらの領域の間にエッチングされたギャップによって規定されている。コンタクト５２４は、第１の導波路領域５２３の上に重なって接触する。ギャップは、たとえば上部の障壁層５０４まで、または単に上部のｉ層５１１までエッチングされる。光は、第１の導波路領域５２３において垂直方向および水平方向に閉じ込められる。第１の領域５から放射された光は導波路領域５２３に入り、導波路領域を通って第２の領域７へ進む。
【０１９１】
第２の領域７から放射された光は、面外方向に放射される。第２の領域７の上に重なるｐ型コンタクト５１７にギャップが形成されている。光は、第２の領域７からこのギャップを通って放射される。
【０１９２】
第１の領域５を電気的にポンピングするために、第１の領域５に順方向バイアスが印加される。上記のように、放射を抑制するための強い逆方向バイアス結合と発光領域とが含まれ得る。
【０１９３】
代替の実施形態では、第１の領域５は、第２の領域７の上または下に配置される。第１の領域５が第２の領域７に接触してもよく、または第１の領域５と第２の領域７との間に導波路領域が設けられてもよい。図１６は、一実施形態による光子源１の一部分である半導体ヘテロ構造の概略図を示す。光は、第１の領域５および第２の領域７から、層の面外方向、すなわち層の積層方向に対して平行な方向に放射される。
【０１９４】
第１の領域５に印加された電圧が、光子を放射するように第１の領域５を駆動し、放射された光子が、第２の領域７を光学的にポンピングする。第１の領域５および第２の領域７は、垂直に、すなわち層の成長方向すなわち面外方向に整列されている。
【０１９５】
第１の領域５と第２の領域７とは基板５０１の第１の表面上に集積されている。第１の領域５および第２の領域７は、基板５０１の第１の表面に対して実質的に垂直な第２の面に互いに関連して配置されている。光は、第２の面における第１の領域５および第２の領域７から放射される。第１の領域５および第２の領域７は、第１の領域５から放射された光が第２の領域７と衝突して第２の領域７に吸収されるように構成されている。第２の領域７は第１の領域５の最上部に積み重ねられており、言い換えれば第１の領域５は第２の領域７と基板５０１との間にある。
【０１９６】
図１６に示されるものなどの構造は、たとえばＭＢＥまたはＭＯＶＰＥによって成長され得る。
【０１９７】
一実施形態では、基板はＩｎＰまたはＧａＡｓである。
【０１９８】
第１の領域５と第２の領域７とに対して１つまたは複数の電気コンタクトが形成されてよい。たとえば、ｎ型コンタクト金属としてＡｕＧｅＮｉまたはＰｄＧｅが使用されてもよく、ｐ型コンタクト金属はＰｄＺｎＡｕ、ＡｕＣｒＡｕＺｎＡｕまたはＡｕＢｅのうちいずれか１つであってもよい。
【０１９９】
ＧａＡｓおよびＩｎＰの乾式エッチングは、ＩｎＰの場合は高温で、塩素ベースの化学的物質を使用して達成され得る。ＩｎＰはまた、メタンベースのプロセスを使用して乾式エッチングされ得る。標準的な湿式化学エッチングが使用されてもよい。Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２を使用して形成された誘電体の硬質マスクが使用されてもよい。デバイス製造のＭＥ法のさらなる詳細が以下で説明される。
【０２００】
様々な水平方向の形状が形成され得る。第１の領域５および第２の領域７の断面はたとえば円形であってもよい。
【０２０１】
第１の領域５および／または第２の領域７は光共振器を備え得る。各々が厚さλ／４の交番する高屈折率の層と低屈折率の層とが、面外方向における閉じ込めをもたらし得る。面内方向における閉じ込めは、格子、光結晶構造、層のエッチングまたは部分酸化によってもたらされ得る。
【０２０２】
このデバイスは、第１の領域５および／または第２の領域７において電流経路および光学モードを閉じ込めるために、酸化物開口をさらに備えてもよい。
【０２０３】
この構造は、基板５０１と、基板５０１の上に重なって接触するブラッグミラー層４１と、ブラッグミラー層４１の上に重なって接触する第１のｐ型層４９と、第１のｐ型層４９の上に重なって接触する第１の非ドープ層５１と、非ドープ層５１の上に重なって接触するｎ型層５３と、ｎ型層５３の上に重なって接触する第１の障壁層５４と、少なくとも１つの量子ドットを備え、第１の障壁層５４の上に重なって接触する第２の非ドープ層５５と、第２の非ドープ層５５の上に重なって接触する第２の障壁層５６と、第２の障壁層５６の上に重なって接触する第２のｐ型層５７とを備える。
【０２０４】
第１のｐ型層５７に接触するｐ型金属コンタクト４７がある。ｎ型金属コンタクト４５は、隆起部の端でｎ型層５３の表面に接触している。この構造は、基板５０１、ブラッグミラー４１および第１のｐ型層４９が第１の「段」を形成し、第１の非ドープ層５１およびｎ型層５３が第２の「段」を形成し、第１の障壁層５４、第２の非ドープ層５５、第２の障壁層５６および第２のｐ型層５７が第３の「段」を形成する、「階段」形状を有する。ｐ型金属コンタクト４３は、段の端で第１のｐ型層４９の表面に接触している。
【０２０５】
第１の領域５において光を生成するために、最下部のｐ型コンタクト４３とｎ型コンタクト４５の間に電流が印加される。第１の領域５において生成された光は、層の積層方向に、ｎ型層５３を通って放射される。光は第２の領域７に入る。
【０２０６】
図１７は、一実施形態による光子源１の一部分である半導体ヘテロ構造の成長および製造の方法のフローチャートを示す。
【０２０７】
デバイスは、ステップＳ５０１においてモノリシックに成長される。ステップＳ５０２におけるいかなる製造も始まらないうちに、ステップＳ５０１の成長段階が完了される。
【０２０８】
一実施形態では、基板５０１はＩｎＰまたはＧａＡｓである。基板５０１は緩衝層を含めてオーバーグローされてもよい。次いで、分布反射型共振器（ＤＢＲ）であるブラッグミラー層４１が成長される。ブラッグミラー層４１は、様々な屈折率を有して交番する材料の複数の層を備える。材料は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓであってもよく、後の３つは、すべてが、たとえばＩｎＰに対して格子整合される。ブラッグミラー層４１は、デバイスの「最下部」に、すなわち基板５０１に最も接近して配置されているので、一実施形態では９５％を超える反射率を有するように構成され、光が基板５０１を離れて第１の領域５から第２の領域７の方へ反射されることを意味する。次いで第１のｐ型層４９が成長され、第１の非ドープ層が続く。次いで、ｎ型層５３が成長され、第１の障壁層５４、少なくとも１つの量子ドットを備える第２の非ドープ層５５、第２の障壁層５６および第２のｐ型層５７が続く。第１のｐ型層４９、第１の非ドープ層５１、ｎ型層５３、第２の非ドープ層５５および第２のｐ型層５７は、たとえばＧａＡｓまたはＩｎＰであってもよい。第１の障壁層５４および第２の障壁層５６は、より大きいバンドギャップの材料であり、たとえばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＰＩｎＡｌＡｓＰであり得る。第２の非ドープ層５５は、たとえばＩｎＡｓ量子ドット層を備え得る。
【０２０９】
製造ステップＳ５０２は、最上部のｐ型コンタクト４７を光学的に規定するために、ウェーハの最上部上にレジストがスピンされることで始まる。レジスト現像の後、ｐ型金属が堆積されてリフトオフされる。第２のｐ型層５７上に最上部のｐ型コンタクト４７が堆積される。
【０２１０】
次いで、たとえばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２の層であり得る誘電体層が堆積される。この層はエッチングのための硬質マスクとして働く。次に、デバイスの最上部の形状／サイズを規定するためにフォトレジストがスピンされる。現像の後に、たとえばＣＨＦ３またはＣＦ４の化学物質に基づいて硬質マスクがエッチングされる。次いで、残りのレジストが、たとえばレジスト除去剤溶液の中で除去される。次いで、半導体ウェーハが、ｎ型層５３までエッチングされる。エッチングはＣｌ２の化学物質に基づくものであってもよい。次いで、誘電体マスクが、たとえばＨＦによって除去される。
【０２１１】
次いで、フォトレジストがスピンされ、ｎ型コンタクト領域が規定され現像される。次にｎ型金属が堆積される。ｎ型層５３のエッチングされた表面上にｎ型コンタクト４５が堆積される。
【０２１２】
次に、たとえばＳｉ３Ｎ４またはＳｉＯ２の層であり得る別の誘電体層が堆積される。この誘電体層はエッチングのための硬質マスクとして働く。フォトレジストがスピンされ、最低レベルの形状が規定される。現像の後、誘電体マスクが乾式エッチングされ、第１のｐ型層４９までの半導体エッチングが続く。次いで、誘電体の硬質マスクが除去される。このエッチングは、第１のｐ型層４９に対するｐ型コンタクトを作製するための平坦な表面を生成するために行われるものである。
【０２１３】
次いで、最下部のｐ型コンタクト４３を光学的に規定するために、ウェーハの最上部に別のレジストがスピンされる。レジスト現像の後、ｐ型金属が堆積されてリフトオフされる。第１のｐ型層４９上に最下部のｐ型コンタクト４３がある。
【０２１４】
図１８は、図１７のステップの各々の後のサンプルの構造を示す。
【０２１５】
図１９は、一実施形態による光子源１の一部分であって、第１の領域５および第２の領域７が垂直接合および垂直結合である、半導体ヘテロ構造の概略図を示す。この図は、各層を通る断面を示すものである。
【０２１６】
導波路領域を備える層６１に、第２の領域７の少なくとも１つの量子ドットが組み込まれている。第１の領域５は、第２の領域７上に集積されており、すなわち第２の領域７は第１の領域５と基板５０１との間にある。しかしながら、第１の領域５は、あるいは、第２の領域７と基板５０１との間にあるように、第２の領域７の下に集積されてもよい。この構造は、水平方向の一端において層６１にエッチングされた格子を備えてもよく、これは、第２の領域７からの導波路領域に沿った光を一方向に反射して面内方向に出すためのＤＢＲを形成する。
【０２１７】
このデバイスは、基板５０１と、基板５０１の上に重なって接触するブラッグミラー層４１と、ブラッグミラー層４１の上に重なって接触する第１のｐ型層４９と、第１のｐ型層４９の上に重なって接触する第１の障壁層５４と、第１の障壁層５４の上に重なって接触する層６１と、層６１の上に重なって接触する第２の障壁層５６と、第２の障壁層５６の上に重なって接触するｎ型層５３と、ｎ型層５３の上に重なって接触する非ドープ層５５と、非ドープ層５５の上に重なって接触する第２のｐ型層５７とを備える。基板は、上記で説明されたようにＩｎＰまたはＧａＡｓであってもよい。
【０２１８】
ｐ型層５７の上に重なって接触するｐ型金属コンタクト４７がある。この構造は、基板５０１、ブラッグミラー層４１、第１のｐ型層４９、下部の障壁層５４および層６１が第１の「段」を形成し、上部の障壁層５６およびｎ型層５３が第２の「段」を形成し、非ドープ層５５および第２のｐ型層５７が第３の「段」を形成する、「階段」形状を有する。第２のｐ型層５７の表面および第１のｐ型層４９に対して、たとえば導波路層６１を通してエッチングされたギャップの中にｐ型コンタクトが形成される。ｎ型金属コンタクト４５は、段の端でｎ型層５３の表面に接触している。第１の領域５の下に配置されている層６１の一部分に、１つまたは複数の量子ドットが組み込まれている。層６１は導波路領域を備える。量子ドットから放射された光は、面内方向において導波路領域に沿って導かれる。
【０２１９】
第１の領域５において光を生成するために、最上部のｐ型コンタクト４７とｎ型コンタクト４５との間に電流が印加される。第１の領域５において生成された光は、層の積層方向に、ｎ型層５３を通って基板に向けて放射される。光は第２の領域７に入る。第２の領域７の量子ドットから放射された光は、層６１における導波路領域に沿って層の面において放射される。
【０２２０】
基板がＧａＡｓである場合、層６１はたとえばＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを備え得る。基板がＩｎＰである場合、層６１はたとえばＩｎＰであってもよい。導波路領域は、単一材料の単純な隆起部であってもよく、またはたとえば集積された低屈折率のクラッド層を有する多層導波路でもよい。
【０２２１】
したがって、層６１は、量子ドットの上と下に成長された、たとえばＧａＡｓまたはＩｎＰといった半導体材料を備え得る。半導体材料は、第１の領域５に対して整列された第２の領域７の光放射部分と、光放射部分と一体化された導波路領域とを形成するように、エッチングされる。層６１の上にある層および下にある層が、垂直方向における閉じ込めをもたらし得る。導波路領域は、量子ドットの発光波長において単一の光モードに対応するような寸法を有する。あるいは、導波路領域は、図１２に関連して上記で説明されたものと類似のやり方で、製造プロセス中に、材料システムに応じて適切に堆積された、または再成長された個別の構造であり得る。これは、次のものに限定されないが、たとえばＳｉＯ２、ＳｉＯＸＮＹ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｖ２Ｏ５といった誘電体材料の組合せ、および／またはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰなどの追加の半導体材料を含む様々な材料を使用して達成され得る。
【０２２２】
図２０（ａ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体ヘテロ構造の概略平面図である。この構造は、基板上で横方向に配置された第１の領域５および複数の第２の領域７ａ〜７ｄを備える。第１の領域５は、十字形のポイントに配置された４つの第２の領域７ａ〜７ｄの中心に配置されている。しかしながら、設けられる第２の領域７は、より多数またはより少数であってもよい。その上、同一のチップ上に複数の第１の領域５が設けられてもよい。
【０２２３】
第１の領域５から光が放射されて第２の領域７ａ〜７ｄの各々に衝突し、第１の領域５は、このようにすべての面内方向に光を放射する。
【０２２４】
この構造は、第１の領域５および第２の領域７ａ〜７ｄのまわりにギャップをエッチングすることによって形成される。代替の実施形態では、導波路領域は領域５と領域７との間に配置されてもよい。
【０２２５】
この場合、上から見たときに、第１の領域５および第２の領域７ａ〜７ｄは四角形であるが、他の形状も可能である。第２の領域７ａ〜７ｄのうちの１つが、第１の領域５のいずれかの側に配置されている。
【０２２６】
図２０（ｂ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体ヘテロ構造の概略平面図である。この構造は、水平方向において第２の領域７を取り囲む第１の領域５を備える。第２の領域７は、上から見たときに円形の領域である。第１の領域５は、第２の領域７を同心円状に取り囲むリング形の領域である。第１の領域５と第２の領域７との間にギャップがある。この構造は、第１の領域５および第２の領域７のまわりをエッチングすることによって形成される。この構成では、外向きに照射された光子を反射して領域７へ戻すために、領域５の外縁が層で覆われていてもよい。
【０２２７】
図２０（ｃ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体ヘテロ構造の概略平面図である。この構造は図２０（ｂ）に示されたものに類似であるが、第１の領域５はＵ字型の領域である。第１の領域５は、第２の領域７を部分的に取り囲む。
【０２２８】
図２０（ｄ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体ヘテロ構造の概略平面図である。この構造は、基板上で横方向に配置された第１の領域５および複数の第２の領域７を備える。第１の領域５は、まわりの４つの第２領域７の間であって、その中心に配置されている。しかしながら、設けられる第２の領域７は、より多数またはより少数であってもよい。第２の領域７は、十字形に配置された４つのポイントに配置されている。第１の領域５は、それぞれの第２の領域７を部分的に取り囲むＵ字形の領域を備える。４つのＵ字形の領域は、４つの第２の領域７の中心の領域において結合されている。
【０２２９】
図２０（ｅ）は、一実施形態による光子源の一部分である半導体ヘテロ構造の概略平面図である。この構造は、図２０（ｃ）に示されたものに類似であるが、第２の領域７から放射された光を第１の領域５の位置と反対の方向へ導くように構成された導波路領域が、第２の領域７に結合されている。一般に、第１の発光ダイオード領域５のまわりに第２の領域７が少なくとも部分的に配置されてよく、または第２の領域７のまわりに第１の発光ダイオード領域５が少なくとも部分的に配置されてもよい。
【０２３０】
第１の領域５および第２の領域７の他の形状および配置が可能である。
【０２３１】
図２０（ａ）から図２０（ｅ）に示された構成は、簡単なＰＩＮ共振器構造を備える。第２の領域７は、たとえば第１の領域５から離れる面内方向または面外方向に光を放射し得る。面外方向における放射を増強するためにＤＢＲ層が含まれていてもよい。第１の領域５は面内方向に光を放射する。第１の領域５からの放射が面内方向のみになるように、第１の領域５は、垂直の放射を阻止するための不透明な金属の最上層を備え得る。第１の領域５および第２の領域７は、自由空間によって光学的に結合されてよい。
【０２３２】
図２０（ａ）および図２０（ｅ）に示された構成は、この例では領域７ａ〜７ｄである、独立して調整可能な複数の量子光源を有し、これらは単一の基板上に集積され、第１の領域５を備える単一のオンチップ光ポンプを使用することにより、すべてが同期されるものである。これらのデバイスは、「親」の第１の領域によって多数の「子」の第２の領域をポンピングする。
【０２３３】
図２０（ｂ）、図２０（ｃ）および図２０（ｅ）に示される囲まれた構成は、第１の領域５によって放射された光子を第２の領域７の方へより多く導くように構成され得る。この幾何学的配置は、特定の駆動電流に対して、第２の領域７に入射する光子の数を増すように使用される。構成２０（ｃ）の部分的囲いの幾何学的配置は、それ自体が、たとえば図３〜図１９に関連して上記で説明された構成を含む複数の他の構成に適用され得る。図２０（ｄ）に示された構成は、図２０（ｃ）に示された構成の部分的囲いを、図２０（ａ）に示された構成の複数の第２の領域７の構成と組み合わせるものである。図２０（ｅ）に示された構成は、図２０（ｃ）に示された構成の部分的囲いの概念を、光子を面内の離れる方向へ導くように第２の領域７に結合された導波路領域と組み合わせるものである。
【０２３４】
一実施形態では、第１の領域５および第２の領域７は、同一の基板上にフリップチップ接合されていてもよい。第１の領域５は、たとえば第１の基板上に形成されていてもよい。第２の領域７は、個別の基板上に別々に製造されていてもよい。次いで、第１の領域５および第２の領域７はさいの目に切られ、外部プラットフォーム上にフリップチップ取り付けされて整列される。外部プラットフォームはＳｉ基板であってもよい。これらの領域は正確に整列され、次いで、プラットフォームに対して、熱的に、または圧力で接合される。接着は、金属対金属の接合を使用して、たとえば金属層によってもたらされてもよい。
【０２３５】
第２の領域７における量子ドットの発光エネルギーが制御されるので、エンタングルメントを可能にするために十分に類似するように、２つの独立した光子源の出力特性を調整することができる。これは、量子中継器および量子計算に関する用途がある、異なる源から放射された光子のエンタングルメントを可能にする。たとえば、量子計算では、別々の源からの光子をエンタングルさせる能力は、固体量子ビットのエンタングルメントを可能にする。
【０２３６】
図２１は、一実施形態による個別の源からの光子の干渉によってエンタングルメントを生成するためのシステムの概略図である。このシステムは、図１〜図１６に関連して上記で説明されたものなどの第１の光子源１ａと、図１〜図１６に関連して上記で説明されたものなどの第２の光子源１ｂとを備え、第１の光子源１ａおよび第２の光子源１ｂは、同一の光子を放射するように調整されている。
【０２３７】
干渉要素、たとえばビームスプリッタ３７は、２つの光子源１ａおよび１ｂから出力された同一の光子の間のエンタングルメントをもたらすように構成されている。
【０２３８】
第１の光子源１ａおよび第２の光子源１ｂは、同一の発光エネルギーを有するように構成されている。第１の光子源１ａおよび第２の光子源１ｂは、双励起子崩壊または荷電励起子崩壊によって光子を放射するようにも構成されている。第１の光子源１ａおよび第２の光子源１ｂは、単一光子を放射し、各々がそのドットの中に電子正孔対または単一電荷のいずれかを残す。
【０２３９】
この崩壊によって生成された各光子は、キャリアまたは量子ドットにおける残りのキャリアのスピンによって形成された固体量子ビットとエンタングルされる。２つの別々の光子源からの崩壊による同一の光子が同時にビームスプリッタ３７に入射し、検出器Ｄ１およびＤ２によって適切な測定が行われると、光子はエンタングルされたようになるはずである。これは、源１ａおよび１ｂにおける固体量子ビットを互いにエンタングルさせる働きをする。
【０２４０】
図２２は、一実施形態による、量子中継動作を実施する量子通信システムの概略図である。単一光子上に符号化された情報を長距離にわたって送信するために、量子情報が送信器アリス３９から受信器ボブ４１へと送信され得る距離の増加を可能にする量子中継器を使用することが望ましい。
【０２４１】
このシステムは、２光子ゲート４３と、図１〜図１６に関連して上記で説明されたものなどの第１の光子源１ａと、古典的チャネル４５とを備える。２光子ゲート４３は、たとえば干渉計またはビームスプリッタであり得る干渉要素を備える。
【０２４２】
アリス３９における送信器デバイスは、図１〜図１６に関連して上記で説明されたものなどの第２の単一光子源１ｂを備える。第１の光子源１ａは量子もつれ光子源であって、量子もつれ光子対を生成する。量子もつれ光子対のうちの一方が２光子ゲート４３へ送信され、他方が受信器ボブ４１へ送信される。量子もつれ光子源１ａから２光子ゲート４３へ送信される光子は、アリス３９によって放射される光子と同一である。２光子ゲート４３は、アリス３９からの光子と量子もつれ光子源１ａからの光子とを比較する測定を行う。この測定の結果に基づいて、古典的情報がチャネル４５を介してボブ４１に送信される。
【０２４３】
ボブ４１は、量子もつれ光子源１ａからボブ４１に送信された光子に対して変換（Ａ（φ））を行うためにこの情報を使用する。これは、その量子状態を、アリス３９によって生成された初期の光子と同一のものに変換する。このように、ボブ４１に到達した光子は、アリス３９によって送信された量子情報を含んでおり、この情報は、アリス３９がそれ自体の光子を直接送信した場合に可能な距離よりも長い距離にわたって送信されている。
【０２４４】
このシステムは、図１から図１６に関連して上記で説明されたものなどの第１の光子源１ａと、図１〜図１６に関連して上記で説明されたものなどの第２の光子源１ｂと、第１の源１ａによって出力された１対の光子からの第１の光子と第２の源１ｂからの光子を干渉させるように構成された干渉要素とを備える量子中継器であり、第１の光子源１ａは、量子もつれ光子対を出力するように構成されており、前記要素による干渉中に、第２の光子源１ｂによって放射された光子の状態が、前記光子対からの第２の光子にマッピングされるように、量子もつれ光子対のうちの１つは第２の光子源１ｂによって出力された光子と同一である。
【０２４５】
一実施形態では、図１から図１８に関連して上記で説明された光子源１は単一光子源である。単なる単一量子ドットからの放射が光子源を出る。たとえば、光子源は、第２の領域７において単なる単一量子ドットを備えてよい。あるいは、デバイスは、第２の領域７における単一量子ドットと整列したギャップを有する不透明な層を備えてよく、単一量子ドットからの放射のみが光子源を出ることを可能にする。
【０２４６】
この光子源は、量子ネットワーキングまたは量子計算において使用され得る。あるいは、この光子源は、量子計測または量子中継器において使用される量子もつれ光子源であり得る。
【０２４７】
電気的キャリア注入および調整の能力が単一のヘテロ構造に組み込まれる。量子もつれ光子源に関しては、微細構造分裂の最小化が、励起と同一のチップ上に起こる。
【０２４８】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として単に提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。実際、本明細書で説明された新規な方法および装置は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、本明細書で説明された方法および装置の形態において様々な省略、置き換え、および変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物は、本発明の範囲および要旨を含むように、そのような修正形態を含むように意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図６（ｃ）】
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【図６（ｄ）】
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【図６（ｅ）】
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【図６（ｆ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０（ａ）】
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【図２０（ｂ）】
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【図２０（ｃ）】
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【図２０（ｄ）】
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【図２０（ｅ）】
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【図２１】
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【図２２】
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【外国語明細書】
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