(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる基板と、
前記基板の一面又は内部に形成された凹部内に設けられた量子ドットと、
前記基板上又は前記基板の内部に設けられ、前記基板の一面を平面視して、前記量子ドットを囲み、延在方向に端部を有するメタマテリアルと、を備え、
前記量子ドットは、３次元対称性を有する化学合成量子ドットであり、
前記メタマテリアル内のプラズモンの共鳴周波数は、前記量子ドットから発光する光の発光周波数と一致する、光子放出素子。
【請求項２】
前記量子ドットが、前記メタマテリアルによって囲まれる領域の中央に配置されている請求項１に記載の光子放出素子。
【請求項３】
前記量子ドットと前記メタマテリアルとが、同一平面上に存在する請求項１または２のいずれかに記載の光子放出素子。
【請求項４】
前記基板が、シリコンの単結晶基板である請求項１〜３のいずれか一項に記載の光子放出素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光子放出素子を備える量子デバイス。
【請求項６】
基板の一面に走査型プローブ顕微鏡のプローブのチップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記基板に接触させ、前記基板と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記基板の表面の一部を酸化する酸化工程と、
前記酸化工程で酸化されていない部分にメッキ処理によりメタマテリアルを形成する工程と、
前記基板の一面をエッチングし、前記基板の一面に凹部を形成する工程と、
前記基板の一面に量子ドットを含む液滴を滴下し、前記凹部に前記量子ドットを収容する工程と、を有し、
前記酸化工程では、酸化膜厚が他の部分より薄い凹部形成用酸化領域を形成し、
前記エッチングのエッチング速度の違いにより、前記凹部形成用酸化領域は前記凹部となる、光子放出素子の製造方法。
【請求項７】
下地基板の一面に走査型プローブ顕微鏡のプローブのチップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記下地基板に接触させ、前記下地基板と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記下地基板の表面を酸化する下地基板酸化工程と、
前記下地基板の一面をエッチングし、前記下地基板の一面に凹部を形成する工程と、
前記下地基板の一面に量子ドットを含む液滴を滴下し、前記凹部に前記量子ドットを収容する工程と、
前記凹部が形成された面に、前記下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、
前記平坦化層の外表面に前記チップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記平坦化層に接触させ、前記平坦化層と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記平坦化層の表面の一部を酸化する平坦化層酸化工程と、
前記平坦化層酸化工程で酸化されていない部分にメッキ処理によりメタマテリアルを形成する工程と、を有し、
前記下地基板酸化工程では、酸化膜厚が他の部分より薄い凹部形成用酸化領域を形成し、
前記エッチングのエッチング速度の違いにより、前記凹部形成用酸化領域は前記凹部となる、光子放出素子の製造方法。
【請求項８】
下地基板の一面に走査型プローブ顕微鏡のプローブのチップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記下地基板に接触させ、前記下地基板と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記下地基板の表面の一部を酸化する下地基板酸化工程と、
前記下地基板酸化工程で酸化されていない部分にメッキ処理によりメタマテリアルを形成する工程と、
前記メタマテリアルが形成された面に、下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、
前記平坦化層の外表面に前記チップ先端を近づけ、前記チップ先端に付着した水を前記平坦化層に接触させ、前記平坦化層と前記チップ先端との間に電圧を印加し、前記平坦化層の表面の一部を酸化する平坦化層酸化工程と、
前記平坦化層の一面をエッチングし、前記平坦化層の一面に凹部を形成する工程と、
前記平坦化層の一面に量子ドットを含む液滴を滴下し、前記凹部に前記量子ドットを収容する工程と、を有し、
前記平坦化層酸化工程では、酸化膜厚が他の部分より薄い凹部形成用酸化領域を形成し、
前記エッチングのエッチング速度の違いにより、前記凹部形成用酸化領域は前記凹部となる、光子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子放出素子、量子デバイス及び光子放出素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の高セキュリティ情報伝送・高速情報処理を実現するために量子情報技術の研究が進められている。量子情報処理を固体素子によって実現するための技術として量子ドット（ＱＤ）を用いた研究が進められている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）型自己形成量子ドットを用いた単一光子発生器が記載されている。
【０００４】
量子ドットは化学合成によって作製することもできる。例えば、非特許文献２には、化学合成によって作製された化学合成量子ドットの球対称性を高める合成方法について記載されている。
非特許文献３には、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）によるリソグラフィーを用いて量子ドットを設置するための凹部を作製し、量子ドットの位置を制御できることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｃ．Ｓａｎｔｏｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．６６，ｐ０４５３０８（２００２）．
【非特許文献２】Ｓ．Ｎａｋａｓｈｉｍａ，Ｋ．Ｍｕｋａｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ，ｖｏｌ．３７８，ｐｐ５３７（２０１３）．
【非特許文献３】Ｋ．Ｍｕｋａｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．５４，０４ＤＪ０２（２０１５）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、コンパクトで、十分な高効率、高指向性を備える光子放出素子を実現することができなかった。
例えば非特許文献１に記載されたＳＫ型自己形成量子ドットは、基板上に形成されるため、扁平な形状となる。そのため、基板に垂直な方向への対称性が著しく低い。また結晶成長速度差によって面内対称性が損なわれることも多い。
【０００７】
形状が非対称性な量子ドットは、量子もつれ合い状態の光子対を発生させることができない。量子もつれ合い状態の光子対とは、偏光の重ねあわせ状態にある光子対である。扁平な形状のＳＫ型自己形成量子ドットからは、特定の偏光を有する光しか得ることができない。量子情報技術は、量子もつれ合い状態の光を礎に成り立っており、量子もつれ合い状態の光を得ることができないことは、実用化の妨げになる。
【０００８】
これに対し、例えば非特許文献２に記載された化学合成量子ドットは、基板に拘束されない結晶成長をする。そのため、化学合成量子ドットは３次元的な対称性が高い。化学合成量子ドットは、主に、バイオ研究用の蛍光マーカ（標識）等に利用されている。
しかしながら、化学合成量子ドットは発光明滅（ブリンキング）現象が生じることが知られている。ブリンキング現象が生じるということは、量子ドットに励起光を加えた際に、量子ドットが発光するか発光しないか不確定であるということである。量子ドットの発光が不確定であるということは、励起光を入射するという入力に対する出力が不確定ということである。この不確定さは、量子コンピュータ等において出力結果の信用度を下げるため、量子情報処理技術の実用化を阻害する。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高効率、高指向性を備えるコンパクトな光子放出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】
【００１０】
本発明者は、鋭意検討の結果、量子ドットをメタマテリアルに対して所定の位置に配設することによって、発光の高速化、発光効率の増大、ブリンキング現象の抑制、放射光の指向性等を高めることができることを見出した。
また発明者らの独自技術であるＳＰＭリソグラフィーを用いた量子ドットの位置制御技術を利用することで、メタマテリアルと量子ドットの位置関係をナノオーダーの精度で制御し、上述の光子放出素子を実現できることを見出した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１１】
本発明の一態様に係る光子放出素子は、半導体からなる基板と、前記基板の一面または内部に設けられた量子ドットと、平面視で前記量子ドットを囲み、延在方向に端部を有するメタマテリアルと、を備える。
【００１２】
本発明の一態様に係る光子放出素子において、前記量子ドットが、前記メタマテリアルによって囲まれる領域の中央に配置されていてもよい。
【００１３】
本発明の一態様に係る光子放出素子において、断面視で前記量子ドットと前記メタマテリアルとが、同一平面上に作製されていてもよい。
【００１４】
本発明の一態様に係る光子放出素子において、前記量子ドットが、化学合成量子ドットであってもよい。
【００１５】
本発明の一態様に係る光子放出素子において、前記基板が、シリコンの単結晶基板であってもよい。
【００１６】
本発明の一態様に係る量子デバイスは、本発明の一態様に係る光子放出素子を備える。
【００１７】
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法は、上記の光子放出素子の製造方法であって、量子ドットを設置するための凹部及びメタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する。
【００１８】
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法において、前記量子ドットを設置するための凹部及び前記メタマテリアルを同時に作製してもよい。
【００１９】
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法において、下地基板の一面に量子ドットを設置するための凹部を走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、前記凹部に量子ドットを設置する工程と、前記凹部が形成された面に、下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、前記平坦化層の外表面に前記メタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、を有してもよい。
【００２０】
本発明の一態様に係る光子放出素子の製造方法において、下地基板の一面に前記メタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、前記メタマテリアルが形成された面に、下地基板と同一材料からなる平坦化層を成膜する工程と、前記平坦化層の外表面に、前記凹部を走査型プローブ顕微鏡によるリソグラフィーを用いて作製する工程と、前記凹部に量子ドットを設置する工程と、を有してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高効率、高指向性を備えるコンパクトな光子放出素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光子放出素子の斜視模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。
【図３】メタマテリアルの形状の別の具体例を示す図である。
【図４】第２実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。
【図５】第３実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。
【図６】ＳＰＭによる酸化のメカニズムを模式的に示した図である。
【図７】光放出素子の製造方法における製造過程を模式的に示した図である。
【図８】走査型プローブ顕微鏡による断面画像であり、（ａ）は凹部形成後の断面画像であり、（ｂ）はＰｂＳを分散した溶液を滴下後の断面画像である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２４】
（光子放出素子、量子デバイス）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光子放出素子の斜視模式図である。また図２は、本発明の第１実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。光子放出素子１０は、基板１と、量子ドット２と、メタマテリアル３とを備える。
【００２５】
基板１は、量子ドット２及びメタマテリアル３を支持する。基板１を構成する材料は、半導体であれば特に問わない。例えば、シリコン、ガリウムヒ素等を用いることができる。近年高い注目を集めているシリコンフォトニクスデバイスとして光子放出素子１０を用いることを考えると、基板１を構成する材料はシリコンであることが好ましい。
【００２６】
第１実施形態に係る光子放出素子１０において基板１は、単結晶基板からなることが望ましい。単結晶からなる基板１は、基板１の一面１Ａの平坦度が高い。そのため、量子ドット３の位置制御性を高めることができる。
【００２７】
量子ドット２は、基板１の一面１Ａに設けられた凹部１Ｂに設けられている。量子ドット２は、３次元の量子井戸構造を作製する原子から構成された数ｎｍ〜５０ｎｍ程度の粒径を有する発光性ナノ粒子である。
【００２８】
量子ドット２として用いられる量子ドットは３次元対称性の高いものであれば、種類、物性及び形態は特に限定されるものではないが、化学合成量子ドットを用いることが好ましい。
【００２９】
化学合成量子ドットは、化学反応で微結晶を成長させることにより合成される量子ドットである。化学合成量子ドットは、結晶成長する半導体基板への面方位依存性を有するエピタキシャル量子ドットと異なり、球対称性が高い。そのため、量子もつれ合い状態の光子対を発生させることができる。
【００３０】
量子ドット２として用いる化学合成量子ドットの材質は特に限定されない。例えば、量子ドット２の材質として、ＰｂＳ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳｅ等を用いることができる。光通信波長帯である１．３μｍ〜１．５μｍの波長の光を効率的に発光させるためには、ＰｂＳを用いることが特に好ましい。
【００３１】
メタマテリアル３は、パーセル効果により量子ドット２から放出する光子を増加させる共振器として機能する。パーセル効果とは、原子や分子の発光帯が局在モードの周波数に一致すると発光が促進される現象を意味する。本発明の一態様における光放出素子１０においては、原子や分子の発光帯が量子ドット２の発光周波数に対応し、局在モードの周波数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数に対応する。
【００３２】
メタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数について説明する。プラズモンとは、金属中の自由電子が集団的に振動して擬似的な粒子としてふるまう状態をいう。本発明の一態様における光放出素子１０では、量子ドット２から発生した電磁波が、メタマテリアル３内の電子を振動させる。この電子の振動がメタマテリアル３内のプラズモンに対応する。メタマテリアル３は、形状に起因した固有振動数を有し、この固有振動数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数になる。
【００３３】
例えば、メタマテリアル３の形状が図１に示すようなＣ字型の１重スプリットリングの場合、共鳴波長λはλ＝２πｃ０（ＬＣ）１／２で表され、この逆数が共鳴周波数となる。ここでＬはインダクタンス、Ｃは静電容量、ｃ０は光速である。図１に示すようなＣ字型の１重スプリットリング内を電子が移動するということは、開口部３Ａをコンダクタとした模式的なＬＣ回路内を電流が流れたと換言することができ、ＬＣ回路の共振周波数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数になる。
【００３４】
メタマテリアル３の形状は、図１に示すＣ字型の１重スプリットリングに限られない。メタマテリアル３が延在方向に端部を有すれば、その両端部の間で波が振動し、固有振動数が決定する。この固有振動数がメタマテリアル３内のプラズモンの共鳴周波数に対応する。すなわち、パーセル効果により量子ドット２から放出する光の強度を増加させる共振器として機能するためには、メタマテリアル３は延在方向に端部を有すればよい。
【００３５】
図３は、メタマテリアルの形状の別の具体例を示す図である。
図３（ａ）に示すメタマテリアル１３は、１つの開口部１３Ａを有するＣ字型のスプリットリングが２重に形成された２重スプリットリングである。開口部１３Ａにより内側のリング及び外側のリングのそれぞれが延在方向に端部を有する。この場合、共鳴波長λは、λ＝（π２ｒ３／３ｗ）１／２で表記される。このときｒは最外周のメタマテリアル１３の半径、ｗは２つのリングの間隔である。
【００３６】
図３（ｂ）に示すメタマテリアル２３は、矩形の構造体の４か所を開口部２３Ａで分断した形状を有する。開口部２３Ａによる分断により端部が形成される。この場合、共鳴波長は、λ＝２πｃ０（ＬＣ）１／２／ｎ１／２で表記される。このときＬはインダクタンス、Ｃは静電容量、ｃ０は光速、ｎは分断した数である。
【００３７】
図３（ｃ）に示すメタマテリアル３３は、渦状に形成されたスイスロール形状を有する。この場合、共鳴波長は、λ＝（２επ２ｒ３（Ｎ−１）／ｗ）１／２で表記される。このときεはロールの隙間に存在する物質の誘電率、ｒはメタマテリアル３３に外接する円の半径、Ｎは渦の巻き数、ｗはロールの間隔である。
【００３８】
メタマテリアル３は、平面視で量子ドット２を囲むように配設されている。メタマテリアル３が平面視で量子ドット２を囲むように配設されることで、量子ドット２から放射された電磁波が、メタマテリアル３内のプラズモンを効率よく誘起することができる。
【００３９】
量子ドット２は、メタマテリアル３によって囲まれる領域の中央に配置されていることが好ましい。メタマテリアル３によって囲まれる領域の中央に量子ドット２が配置することで、メタマテリアル３におけるプラズモンの誘起を周方向均一にすることができる。
【００４０】
メタマテリアル３の大きさは、量子ドット２の発光周波数とメタマテリアル３の形状から適宜設定することができる。例えば、図１に示す第１実施形態のメタマテリアル３の構造において、光通信波長帯である１．３μｍ〜１．５μｍの波長の光を得るためには、メタマテリアル３の直径を４３４ｎｍとすることが好ましい。図３（ａ）に示すメタマテリアル１３においては、その最外周のメタマテリアル１３の直径を８８８ｎｍとすることが好ましい。図３（ｂ）に示すメタマテリアル２３においては、その矩形の形状の一辺を９８８ｎｍとすることが好ましい。図３（ｃ）に示すメタマテリアル３３においては、そのメタマテリアル３３に外接する円の直径を１８６０ｎｍとすることが好ましい。
【００４１】
メタマテリアル３は、自由電子の移動によりプラズモンを生じるため、少なくとも一部が金属によって形成されていることが好ましい。例えば、図１では、半導体からなる基部３ａ上に金属層３ｂを積層することによりメタマテリアル３を形成している。半導体も一部自由電子を有するが、金属層３ｂを有することで量子ドット２から生じる電磁波により誘起されるプラズモンの共振強度を高めることができる。
【００４２】
また図２に示すように、量子ドット２とメタマテリアル３とが同一平面上に存在することが好ましい。量子ドット２から放射される光は面内方向に指向性を有する。メタマテリアル３内を動く電子に伴い、基板と垂直方向に誘導磁気モーメントが生じ、光の放射方向が面内方向に指向されるためである。
量子ドット２とメタマテリアル３とが同一平面上に存在すれば、効率よくパーセル効果が発現し、光放出素子１０から放出される光の強度を高めることができる。
【００４３】
これに対し、必ずしも量子ドット２とメタマテリアル３は同一平面上に存在しなくてもよい。量子ドット２とメタマテリアル３は、光放出素子１０の放射効率の観点からは同一平面上に存在していることが好ましい。一方で、後述する光放出素子１０を製造する観点から考えると、それぞれ異なる平面上に存在していてもよい。
【００４４】
例えば、図４は、第２実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。第２実施形態に係る光子放出素子４０は、基板４１が下地基板４１ａと平坦化層４１ｂからなり、下地基板４１ａ上に量子ドット２が形成され、平坦化層４１ｂ上にメタマテリアル３が形成されている点が第１実施形態に係る光子放出素子１０と異なる。下地基板４１ａは、例えば単結晶基板であり、平坦化層４１ｂはスパッタ等の成膜手段により形成された層である。この構成によれば、量子ドット２とメタマテリアル３を段階的に製造することができる。
【００４５】
この他に、図５は、第３実施形態に係る光子放出素子の断面模式図である。第３実施形態に係る光子放出素子５０は、基板５１が下地基板５１ａと平坦化層５１ｂからなり、下地基板５１ａ上にメタマテリアル３が形成され、平坦化層５１ｂ上に量子ドット２が形成されている点が第１実施形態に係る光子放出素子１０と異なる。下地基板５１ａは、例えば単結晶基板であり、平坦化層５１ｂはスパッタ等の成膜手段により形成された層である。この構成においても、量子ドット２とメタマテリアル３を段階的に製造することができる。
【００４６】
ここまで、光子放出素子の構成について説明した。次いで、光子放出素子の動作原理について説明する。第１〜第３実施形態に係る光子放出素子の動作原理はいずれも同一であるため、図１に示す第１実施形態に係る光子放出素子１０を基に説明を行う。
【００４７】
光子放出素子１０に光を照射すると、量子ドット２内の電子が励起され発光する。このとき照射する光源は特に問わない。例えば、量子ドット２をＰｂＳからなる化学合成量子ドットとすることで、発光する光の波長を光通信波長帯である１．３μｍ〜１．５μｍとすることができる。
【００４８】
発光により生じた光（電磁波）は、メタマテリアル３における自由電子を動かす。自由電子は、メタマテリアル３に沿ってしか動くことができないため、面内方向と垂直な方向に磁場が生じる。量子ドット２から生じる電磁波はこの磁場の影響を受け、光子放出素子１０の面内方向に指向する。
【００４９】
またメタマテリアル３内にはプラズモンが誘起される。メタマテリアル３内のプラズモンは、メタマテリアル３の構造に起因した共鳴周波数に従って振動する。この共鳴周波数と、量子ドット２から発光する光の発光周波数が一致すると、エキシトンプラズモンカップリングに伴う、パーセル効果が生じる。その結果、量子ドット２からの発光が促進され、面内方向に高い指向性を有する光が、高い発光効率で放射される。
またこのパーセル効果に伴い、量子ドット２の発光状態が一義的に決められ、量子ドット２のブリンキング現象が改善される。
【００５０】
上述にように、本発明の一態様に係る光放出素子を用いると、パーセル効果により量子ドットからの光子放出を促進することができる。そのため、光放出素子の発光効率を高めることができる。
【００５１】
また本発明の一態様に係る光放出素子においては、量子ドットを囲むようにメタマテリアルが配置していることにより、量子ドットの発光を面内方向に指向することができる。発光する光が面内方向に指向しているため、この指向方向に光導波路等を設けることで量子デバイスとしてプレーナー回路等を実現することができる。
【００５２】
また本発明の一態様に係る光放出素子においては、量子ドットの電子状態を一義的に決定することができ、量子ドットのブリンキング現象を改善ことができる。すなわち、量子ドットを必要に応じて発光させることができ、量子情報処理技術への適用性が高い。
【００５３】
また本発明の一態様に係る光放出素子は、フォトニック結晶キャビティのような大面積かつ高精度な繰り返し構造を有さないため、コンパクトな光放出素子を得ることができる。
【００５４】
（光放出素子の製造方法）
本発明の一態様に係る光放出素子の製造方法は、量子ドット及びメタマテリアルを走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）によるリソグラフィーを用いて作製する工程を有する。
【００５５】
第１実施形態に係る光子放出素子１０の製造方法について説明する。
まず半導体からなる処理前基板を準備する。処理前基板は、量子ドット及びメタマテリアルを作製する面が清浄かつ平坦な面であることが好ましいため、単結晶であることが好ましい。
【００５６】
次いで、処理前基板の表面の所定の箇所をＳＰＭによるリソグラフィーを用いて酸化する。図６は、ＳＰＭによる酸化のメカニズムを模式的に示した図である。
図６に示すようにＳＰＭのプローブを処理前基板６１の所定の領域に近づけると、大気中の水分がプローブ６３のチップ先端６３ａに付着し、チップ先端６３ａと処理前基板６１の間に水６４の柱が表面張力により形成される。チップ先端６３ａと処理前基板６１の間に電圧を印加すると、水６４がＨ＋とＯＨ−に電気分解される。電圧の印加を処理前基板６１側の電位が正となるようにすることで、電気分解により生じたＯＨ−を処理前基板６１側に移動させ、処理前基板６１の一部を酸化し、酸化部６２を作製する。
【００５７】
図７（ａ）〜（ｄ）は、光放出素子の製造方法における製造過程を模式的に示した図である。まず図７（ａ）に示すように、準備した処理前基板６１の一部をＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。酸化は、ＳＰＭのプローブを処理前基板６１の全体をスキャンさせることによって行う。この際、光放出素子のメタマテリアルになる部分は酸化処理を行わない。そのため、光放出素子のメタマテリアルになる部分は、図７（ａ）に示す未処理面６１ａとなる。
【００５８】
またＳＰＭリソグラフィーによる酸化処理を行う際には、処理前基板６１の量子ドットを配置するための凹部に対応する部分を避けるように、ＳＰＭのプローブのチップ先端６３をスキャンさせる。図６に示すように、ＳＰＭリソグラフィーによって形成される酸化部６２は、処理前基板６１のチップ先端６３ａと対向する部分を中心にある程度の広がりを有する。そのため、量子ドットを配置するための凹部に対応する部分を避けるようにＳＰＭのプローブのチップ先端６３をスキャンさせると、処理前基板６１の量子ドットを配置するための凹部に対応する部分には、酸化膜厚の薄い凹部形成用酸化領域６２ａが形成される。
【００５９】
次いで、図７（ｂ）に示すように、表面の一部が酸化された処理前基板６１の酸化部６２が形成された側の面にメッキ処理を施す。メッキ処理は、公知の電気メッキ等を用いることができる。電気メッキにより形成される金属膜は、通電が生じる部分にのみ形成される。そのため、酸化部６２及び凹部形成用酸化領域６２ａには金属膜が形成されず、未処理面６１ａ上にのみ金属膜６５が形成される。
【００６０】
次いで、図７（ｃ）に示すように、金属膜６５が形成された処理前基板６１の処理面に、ドライエッチング処理を施す。ドライエッチング処理を施すと、酸化部６２及び凹部形成用酸化領域６２ａが、すこしずつエッチングされる。凹部形成用酸化領域６２ａは膜厚が薄いため、酸化部６２より先に下地の処理前基板６１が露出する。酸化されていない処理前基板６１は、酸化された部分よりもエッチング速度が速い。そのため、凹部形成用酸化領域６２ａが形成されていた部分は、ドライエッチング後に凹部１Ｂが形成される。
【００６１】
最後に、フッ酸等によりエッチングすることにより、酸化部６２のみを選択エッチングする。これにより、図７（ｄ）に示すように、凹部１Ｂ及びメタマテリアル３が形成された基板１を得ることができる。
【００６２】
そして、凹部１Ｂ及びメタマテリアル３が形成された基板１の凹部１Ｂに向けて、量子ドットを含んだ液滴を滴下し、洗い流す。このとき量子ドットが凹部１Ｂに填まり、図２に示す光放射素子１０を得ることができる。
【００６３】
この方法によれば、後述する第２実施形態に係る光子放出素子４０及び第３実施形態に係る光子放出素子５０の製造過程において必要な平坦化層の形成工程を削除することができる。また平坦性の高い単結晶基板上でＳＰＭリソグラフィーを行うことができるため、位置精度を高めることができる。
【００６４】
次に、第２実施形態に係る光子放出素子４０の製造方法及び第３実施形態に係る光子放出素子５０の製造方法について、図４及び図５を基に説明する。これらの製造方法は、量子ドット２を作製するための凹部４１Ｂ，５１Ｂと、メタマテリル３を同一面上に形成していない点が異なる。
【００６５】
図４に基づき、第２実施形態に係る光子放出素子４０の製造方法について説明する。まず、下地基板４１ａを準備する。下地基板４１ａは、量子ドットを作製するため、単結晶であることが好ましい。
【００６６】
準備した下地基板４１ａの凹部４１Ｂを形成したい部分をＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。そして酸化した部分を上述の方法と同様に選択性エッチングにより除去し、凹部４１Ｂを作製する。
【００６７】
凹部４１Ｂに量子ドットを含んだ液滴を滴下し、洗い流す。このとき量子ドット２が凹部４１Ｂに填まる。これにより所定の位置に量子ドット２が配設された下地基板４１ａが形成される。
【００６８】
次いで、下地基板４１ａの量子ドット２が配設された面に、下地基板４１ａと同一の材料からなる平坦化層４１ｂをスパッタ等により成膜する。平坦化層４１ｂの厚みは、凹部４１Ｂによる凹凸を平坦化できる程度の厚みとする。
【００６９】
そして、再度ＳＰＭリソグラフィーにより平坦化層４１ｂを酸化する。酸化はメタマテリアル３となる部分を残して行う。酸化後の平坦化層４１ｂには、金属層３ｂを作製する。最後に平坦化層４１ｂの酸化された部分を選択性エッチングにより除去すれば、図４に示す光放出素子２０を作製することができる。但し、酸化部分を除去しなくても、光子放出素子として機能する。
【００７０】
この方法によれば、平坦性の高い単結晶基板上に量子ドットを作製することができる。すなわち、量子ドットの位置制御性を高めることができる。また量子ドットを作成するための凹部の段差は数ｎｍ程度と比較的小さいため、平坦化層により比較的簡単に凹部の段差を平坦化することができる。
【００７１】
最後に図５に基づき、第３実施形態に係る光子放出素子５０の製造方法について説明する。まず、下地基板５１ａを準備する。下地基板５１ａは、単結晶であることが好ましい。
【００７２】
準備した下地基板５１ａのメタマテリアル３を形成したい部分を残してＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。酸化後の下地基板５１ａの一面には金属層３ｂを形成し、上述の方法と同様に選択性エッチングにより酸化した部分を除去する。こうして、メタマテリアル３が形成された下地基板５１ａを作製する。
【００７３】
次いで、下地基板５１ａのメタマテリアル３が配設された面に、下地基板５１ａと同一の材料からなる平坦化層５１ｂをスパッタ等により成膜する。平坦化層５１ｂの厚みは、メタマテリアル３による凹凸を平坦化できる程度の厚みとする。
【００７４】
そして、得られた平坦化層５１ｂの量子ドット２を形成したい部分を再度ＳＰＭリソグラフィーにより酸化する。平坦化層５１ｂの酸化された部分を選択性エッチングにより除去することで、凹部５１Ｂが形成される。
【００７５】
最後に凹部５１Ｂに量子ドットを含んだ液滴を滴下し、洗い流す。このとき量子ドット２が凹部５１Ｂに填まり、図５に示す光放出素子５０を作製することができる。
【００７６】
この方法によれば、量子ドット上にスパッタ等により平坦化層を成膜する必要がない。すなわち、量子ドットがスパッタ等の処理によりダメージを受けることを抑制することができる。
【００７７】
本発明の一態様に係る光放出素子の製造方法を用いると、量子ドット及びメタマテリアルの位置制御性を高めることができる。その結果、得られる光放出素子における量子ドットから発光する光の発光周波数と、メタマテリアル内のプラズモンの共鳴周波数との共振性を高めることができる。
【００７８】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【実施例】
【００７９】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００８０】
シリコンの単結晶基板を準備した。準備したシリコンの単結晶基板にＳＰＭリソグラフィーで幅１０ｎｍ深さ５ｎｍの凹部を形成した。ＳＰＭリソグラフィーには、セイコーインスツルメンツ社製の走査型プローブ顕微鏡（Ｎａｎｏｎａｖｉ  ＩＩｅ）を用いた。酸化した酸化部のエッチングはフッ酸で行った。そして、得られた凹部に直径５ｎｍのＰｂＳからなる化学合成量子ドットが分散した溶液を滴下した。そして、滴下後数分後に、滴下した溶液を洗い流した。
【００８１】
図８は、走査型プローブ顕微鏡による断面画像であり、（ａ）は凹部形成後の断面画像であり、（ｂ）はＰｂＳ滴下後の断面画像である。図８（ａ）及び図８（ｂ）は二つの断面図を記載しているが、凹部を第１の方向に切断した断面と第１の方向に対して直交する第２の方向に切断した断面の二つの断面である。
図８に示すように、化学合成量子ドットが分散した溶液を凹部に滴下することで、凹部が埋まっていることが分かる。凹部は量子ドット１つ分の隙間しか有さないため、凹部に量子ドットが１つ埋め込まれていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の光放射素子は、量子情報処理分野の新たな基盤技術として用いることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１，４１，５１…基板、１Ａ…一面、１Ｂ，４１Ｂ，５１Ｂ…凹部、２…量子ドット、３，１３，２３，３３…メタマテリアル、３ａ…基部、３ｂ…金属層、３Ａ，１３Ａ，２３Ａ…開口部、１０，４０，５０…光放出素子、４１ａ，５１ａ…下地基板、４１ｂ，５１ｂ…平坦化層、６１…処理前基板、６２…酸化部、６２ａ…凹部形成用酸化部、６３…プローブ、６３ａ…チップ先端
【図１】
0006713682.tif 000002
【図２】
0006713682.tif 000003
【図３】
0006713682.tif 000004
【図４】
0006713682.tif 000005
【図５】
0006713682.tif 000006
【図６】
0006713682.tif 000007
【図７】
0006713682.tif 000008
【図８】
0006713682.tif 000009