(57)【要約】【課題】量子情報処理や量子情報通信に用いるのに好適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、第１導電型の半導体基板１１と、半導体基板１１の一方の主面上に設けられた第１導電型の第１半導体層１２と、第１半導体層１２上に設けられた第２導電型の第２半導体層１４と、第２半導体層１４上に設けられた超伝導の第１電極１５と、半導体基板１１の他方の主面上に設けられた第２電極１６と、第１半導体層１２と第２半導体層１４との間に設けられた半導体量子ドット領域１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面上に設けられた第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伝導の第１電極と、
前記半導体基板の他方の主面上に設けられた第２電極と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた半導体量子ドット領域と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体発光素子として発光ダイオードやレーザダイオードが挙げられる。これらの半導体発光素子では、互いに接合されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層を挟んで一対の電極が設けられており、この一対の電極の間に順バイアス電圧が印加されると、ｐ型半導体層とｎ型半導体層とのｐｎ接合部の近傍に活性領域が形成され、この活性領域において電子と正孔との対消滅（再結合）によって光が生成される。
【０００３】
また、従来より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，量子もつれ合い（互いに区別することのできない）光子対を生成する技術が開発されてきている（非特許文献１を参照）。
【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 ofpolarization-entangled photon pairs," Physical Review Letters, Vol.75,No.24 (1995) pp.4337-4341.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、レーザ光をパラメトリック下方変換する方法では、(a) 光子対を発生するタイミングを制御することができない、(b) 一度にただ一つの光子対だけを生成することができず必ずある確率で複数の光子対が生成されてしまう、(c) 光子対を生成する速度が遅い、という課題があった。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、量子情報処理や量子情報通信に用いるのに好適な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】
【０００５】
本発明に係る半導体発光素子は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の一方の主面上に設けられた第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伝導の第１電極と、半導体基板の他方の主面上に設けられた第２電極と、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられた半導体量子ドット領域と、を備えることを特徴とする。ここで、第１導電型および第２導電型のうち、一方はｐ型であり、他方はｎ型である。また、半導体基板，第１半導体層，第２半導体層および半導体量子ドット領域それぞれは、化合物半導体からなるのが好適である。
【０００６】
この半導体発光素子では、第１導電型の半導体基板の一方の主面上に、順に、第１導電型の第１半導体層、第２導電型の第２半導体層および超伝導の第１電極が設けられている。また、第１導電型の半導体基板の他方の主面上に第２電極が設けられている。また、第１半導体層と第２半導体層との間に半導体量子ドット領域設けられている。このような構成を有する半導体発光素子において、第１電極と第２電極との間に順バイアス電圧が印加されると、第１半導体層と第２半導体層とのｐｎ接合部には、超伝導の第１電極から電子クーパー対が注入されるとともに、第１半導体層から正孔が注入され、これら電子クーパー対と正孔とが同時に再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。或いは、第１半導体層と第２半導体層とのｐｎ接合部には、超伝導の第１電極から正孔クーパー対が注入されるとともに、第１半導体層から電子が注入され、これら正孔クーパー対と電子とが同時に再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る半導体発光素子は、量子もつれ合い（互いに区別することのできない）光子対を生成することができ、量子情報処理や量子情報通信において好適に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る半導体発光素子１の断面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る半導体発光素子１は、第１導電型の半導体基板１１と、半導体基板１１の一方の主面上に設けられた第１導電型の第１半導体層１２と、第１半導体層１２上に設けられた第２導電型の第２半導体層１４と、第２半導体層１４上に設けられた超伝導の第１電極１５と、半導体基板１１の他方の主面上に設けられた第２電極１６と、を備える。さらに、この半導体発光素子１は、第１半導体層１２と第２半導体層１４との間に設けられた半導体量子ドット領域１３を備える。ここで、第１導電型および第２導電型のうち、一方はｐ型であり、他方はｎ型である。また、半導体基板１１，第１半導体層１２，第２半導体層１４および半導体量子ドット領域１３それぞれは、化合物半導体からなるのが好適である。
【００１０】
例えば、半導体基板１１はｐ型ＧａＡｓからなり、第１半導体層１２はｐ型ＡｌＧａＡｓからなり、半導体量子ドット領域１３はＧａＳｂからなり、第２半導体層１４はｎ型ＧａＡｓからなる。このような構成を有する半導体発光素子１を製造する方法として、例えばＭＯＣＶＤ，ＭＢＥ，ＭＯＭＢＥ等の広範な技術が適宜に採用される。
【００１１】
このような半導体発光素子１において、超伝導の第１電極１５と第２電極１６との間に順バイアス電圧が印加されると、正孔がｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１２からＧａＳｂ半導体量子ドット領域１３に注入されるとともに、電子クーパー対が超伝導の電極１５からｎ型ＧａＡｓ半導体層１４を経てＧａＳｂ半導体量子ドット領域１３に注入されて、これら電子クーパー対と２個の正孔とが同時に再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。
【００１２】
半導体量子ドット領域１３における一つの量子準位に注入される正孔の数は、フェルミ粒子に対するパウリの排他律により、２個までに制限される。一方、ボーズ粒子であるクーパー対には、そのような個数についての制限はない。したがって、発生する光子の数は、半導体量子ドット領域１３の量子準位に注入された正孔の数で決まり、２個となる。半導体量子ドット領域１３の量子準位に注入された２つの正孔は、互いに等しいエネルギを有し、区別不可能な状態にある。電子クーパー対は、２つの電子が結合した状態であり、互いに区別できない状態であることから、２つの正孔と同時に再結合する。この再結合により、２つの互いに区別できない光子が同時に発生する。
【００１３】
半導体量子ドット領域１３の量子準位は複数存在するが、再結合時間より短い幅を持つパルス電流を電極１５，１６の間に注入すれば、上の準位の正孔から消滅していき、最後に再結合する基底準位の正孔対を用いれば、一度にただ一つの光子対を生成することができる。発生した光子は、電極１５および電極１６それぞれに設けられた開口から外に取り出される。光子対の生成速度は、パルス電流の繰り返し時間で決まり、再結合時間程度の短時間で繰り返すことができる。
【００１４】
この場合、ｎ型ＧａＡｓ半導体層１４の厚さは、ＧａＳｂ半導体量子ドット領域１３にクーパー対を注入するための輸送効率で決定され、実測結果から１００ｎｍ程度である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１２のＡｌ組成は、電子クーパー対がこの層に進入するのを防ぐことから決定され、１５％程度が必要である。電極１５および電極１６それぞれに設けられる開口は、単一の量子ドットからの発光を取り出す条件から決定され、量子ドットの表面密度が１μｍ平方に１個程度の場合には直径１μｍ程度が必要である。また、再結合時間は通常１ｎｓ程度であり、パルス電流の繰り返しとそれに伴う光子対生成速度とは１ＧＨｚ程度まで可能である。
【００１５】
或いは、半導体基板１１はｐ型ＧａＡｓからなり、第１半導体層１２はｐ型ＡｌＧａＡｓからなり、半導体量子ドット領域１３はＺｎＴｅからなり、第２半導体層１４はｎ型ＺｎＳｅからなるものであってもよい。この場合には、超伝導の第１電極１５と第２電極１６との間に順バイアス電圧が印加されると、正孔がｐ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１２からＺｎＴｅ半導体量子ドット領域１３に注入されるとともに、電子クーパー対が超伝導の電極１５からｎ型ＺｎＳｅ半導体層１４を経てＺｎＴｅ半導体量子ドット領域１３に注入されて、これら電子クーパー対と２個の正孔とが同時に再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。
【００１６】
これまでに説明した実施形態では半導体基板１１はｐ型半導体からなるものとしたが、半導体基板１１はｎ型半導体からなるものであってもよい。後者の場合、例えば、半導体基板１１はｎ型ＧａＡｓからなり、第１半導体層１２はｎ型ＡｌＧａＡｓからなり、半導体量子ドット領域１３はＩｎＰからなり、第２半導体層１４はｐ型ＧａＡｓからなる。この場合には、超伝導の第１電極１５と第２電極１６との間に順バイアス電圧が印加されると、正孔クーパー対が超伝導の電極１５からｐ型ＧａＡｓ半導体層１４を経てＩｎＰ半導体量子ドット領域１３に注入されるとともに、電子がｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層１２からＩｎＰ半導体量子ドット領域１３に注入されて、これら正孔クーパー対と２個の電子とが同時に再結合して、２つの互いに区別できない光子が同時に生成される。
【００１７】
その他、半導体基板１１，第１半導体層１２，半導体量子ドット領域１３および第２半導体層１４それぞれの組成については多種の態様があり得る。
【００１８】
以上のように、本実施形態に係る半導体発光素子は、半導体ｐ-ｎ接合をベースとしつつ、一方の電極に超伝導体を用い、その超伝導体の電極からクーパー対を半導体に注入するとともに、人造原子とも言われる半導体量子ドットの量子準位を使って、伝導帯または価電子帯の各量子準位に２つの電子または２つの正孔を分布させて、一度にただ一対だけの量子もつれ合い光子対を生成することができる。したがって、この半導体発光素子は、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おいて好適に用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る半導体発光素子１の断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１…半導体発光素子、１１…第１導電型の半導体基板、１２…第１導電型の第１半導体層、１３…半導体量子ドット領域、１４…第２導電型の第２半導体層、１５…超伝導の第１電極、１６…第２電極。
【図１】
2008004672.tif 000003