(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットがＩｎＡｓを備え、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で放射を放出するように構成される、
前記量子ドットを支持する支持層と、前記支持層がＩｎＰに格子整合される、を備える光デバイスであって、
前記量子ドットの基部の最長寸法が、前記量子ドットの前記基部の最短寸法から２０％以内にあり、前記量子ドットの前記基部は、前記支持層と平行に規定され、前記量子ドットの密度が１×１０９ｃｍ−２未満である、光デバイス。
【請求項２】
前記量子ドットの微細構造分裂が５０μｅＶ以下である、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
（１００）方位基板を備える、請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記支持層の上に重ねて設けられたぬれ層をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記支持層がＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓＰを備える、請求項４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記ぬれ層がＩｎＡｓＰを備える、請求項５に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記支持層がＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＧａＡｓを備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項８】
上部層が、前記量子ドットの上に重ねて設けられる、請求項１から７のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記量子ドットの一方の側に設けられたｎドープ領域と、前記量子ドットの他方の側のｐドープ領域とを備えるＬＥＤとして構成される、請求項１から８のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１０】
フィルタをさらに備え、前記フィルタが、前記ぬれ層によって放出された放射をフィルタ処理するように構成される、請求項４に記載の光デバイス。
【請求項１１】
キャビティ領域を備え、前記キャビティ領域が、前記量子ドットを収容し、前記量子ドットから放出された放射を前記キャビティ領域内で優先的に反射するように構成される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記キャビティ領域が、前記キャビティ領域の一方の側に設けられた単一の分布ブラッグ反射器を備える非対称キャビティ領域である、請求項１１に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記キャビティ領域が真性領域を備え、ｐドープ領域が前記量子ドットの一方の側に設けられ、前記量子ドットと前記ｐドープ領域との間の層の厚さが、ｐ型ドーパントが前記光デバイスの成長温度で前記真性領域に拡散する距離よりも大きい、請求項１１または１２に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記支持層がパターン化され、前記量子ドットがパターン中の点に位置付けられる、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項１５】
光デバイスを製作する方法であって、前記方法が、
支持層を形成することと、前記支持層がＩｎＰに格子整合される、
Ｉｎの層を形成することと、前記Ｉｎの量が、Ｉｎ液滴の形成を可能にするように制御される、
ＩｎＡｓドットを形成するために、前記Ｉｎ液滴の上にＡｓを成長させ、前記Ｉｎ液滴を結晶化させることとを備え、
前記Ｉｎ液滴の前記形成と、結晶化とは、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で放射を放出するように構成された量子ドットを生成するように制御され、前記量子ドットの基部の最長寸法が、前記量子ドットの前記基部の最短寸法から２０％以内にあり、前記量子ドットの前記基部は、前記支持層と平行に規定され、前記量子ドットの密度が１×１０９ｃｍ−２未満である、光デバイスを製作する方法。
【請求項１６】
前記層がＭＯＶＰＥまたはＭＢＥを使用して形成される、請求項１５に記載の光デバイスを製作する方法。
【請求項１７】
構造体が、ＭＯＶＰＥを使用して形成され、２ＭＬのＩｎが、前記Ｉｎ液滴を形成するために堆積される、請求項１５に記載の光デバイスを製作する方法。
【請求項１８】
前記Ａｓが前記Ｉｎ液滴の上に成長されるとき、成長温度が上げられる、請求項１５に記載の光デバイスを製作する方法。
【請求項１９】
前記Ａｓが成長された直後に、前記Ｉｎ液滴がキャップされる、請求項１５から１８のいずれか１項に記載の光デバイスを製作する方法。
【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、光デバイス、例えば、光子源、およびその製作のための方法の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子源などの光デバイスは、量子通信、量子計算、および量子センシングなどの多くの分野に用途がある。量子ドットに基づく光子源は、単一光子、またはもつれ光子の対を出力するように動作され得る。これらのデバイスの性能を改善することが絶えず求められている。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
次に、非限定の実施形態によるデバイスおよび方法が、添付図を参照しながら説明される。
【図１】図１（ａ）から図１（ｈ）は、ストランスキ−クラスタノフ成長モードおよび液滴エピタキシ成長モードを介して異なる材料系で製作された量子ドットを示す図であり、図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ストランスキ−クラスタノフ成長モードを使用してＧａＡｓ基板に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの断面図および平面図であり、図１（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、液滴エピタキシ成長モードを使用してＧａＡｓ基板に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの断面図および平面図であり、図１（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ、液滴エピタキシ成長モードを使用してＩｎＰ基板に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの断面図および平面図であり、図１（ｇ）および（ｈ）は、それぞれ、ストランスキ−クラスタノフ成長モードを使用してＩｎＰ基板に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの断面図および平面図である。
【図２】図２は、ストランスキ−クラスタノフモード技法の概略図である。
【図３】図３は、液滴成長モード技法の概略図である。
【図４】図４は、一実施形態による、光デバイスを製作する方法で使用され得る液滴成長モード方法を示す流れ図である。
【図５】図５（ａ）および（ｃ）は、それぞれ、結晶化ステップの前のＩｎＰ層上のＩｎ液滴のＳＥＭ顕微鏡写真およびＡＦＭ画像であり、図５（ｂ）および（ｄ）は、それぞれ、Ａｓ堆積および結晶化ステップの後のＩｎＰ層上のＩｎ液滴のＳＥＭ顕微鏡写真およびＡＦＭ画像であり、図５（ｅ）は、２００ｎｍのスケールバーとともに示されたストランスキ−クラスタノフ成長モード量子ドットのＡＦＭ画像であり、図５（ｆ）は、図５（ｅ）のものと同じスケールで示された液滴成長量子ドットのＡＦＭ画像であり、図５（ｇ）は、４００ｎｍのスケールバーとともに示されたストランスキ−クラスタノフ成長モード量子ドットのＡＦＭ画像であり、図５（ｈ）は、図５（ｇ）のものと同じスケールで示された液滴成長量子ドットのＡＦＭ画像である。
【図６】図６（ａ）は、ＧａＡｓキャビティ中のＩｎＡｓ量子ドットの層構造の図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の構造の対応する屈折率のプロットであり、図６（ｃ）は、図６（ａ）の対応する電界のプロットである。
【図７】図７（ａ）は、ＩｎＰキャビティ中のＩｎＡｓ量子ドットの層構造の図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の構造の対応する屈折率のプロットであり、図７（ｃ）は、図７（ａ）の対応する電界のプロットである。
【図８】図８は、一実施形態による光学的に励起されるキャビティを備える光デバイスの概略図である。
【図９ａ】図９（ａ）は、一実施形態による光学的に励起されるキャビティを備える非対称光キャビティをもつＬＥＤとして構成された光デバイスの概略図である。
【図９ｂ】図９（ｂ）は、電源とフィルタとをもつ図９（ａ）の光デバイスの図である。
【図１０】図１０は、一実施形態による光学的に励起されるキャビティを備える対称光キャビティをもつＬＥＤとして構成された光デバイスの概略図である。
【図１１】図１１（ａ）は、図８のデバイスに基づくフォトニックキャビティデバイスの断面図であり、図１１（ｂ）は、対応する平面図である。
【図１２】図１２は、図９のデバイスに基づくフォトニックキャビティデバイスの断面図である。
【図１３】図１３は、ＩｎＰ層の表面に設けられたくぼみに量子ドットが形成されている、本発明の一実施形態によるデバイスの概略図である。
【図１４】図１４（ａ）は、ストランスキ−クラスタノフ成長技法によって形成されたＩｎＡｓ量子ドットに対する量子ドットのポピュレーションおよび量子ドットの微細構造スピッティングを示すヒストグラムであり、図１４（ｂ）は、液滴エピタキシ成長技法によって形成されたＩｎＡｓ量子ドットに対する量子ドットのポピュレーションおよび量子ドットの微細構造スピッティングを示すヒストグラムであり、図１４（ｃ）は、図１４（ａ）および図１４（ｂ）の量子ドットのタイプの両方での波長に対する微細構造分裂エネルギーのプロットである。
【図１５】図１５は、ＩｎＰ（１００）上のＩｎＡｓ  ＤＱＤの光応答を示す図である。
【図１６】図１６は、ＩｎＰ（１００）上のＩｎＡｓ  ＤＱＤのＥＬスペクトルを示す図であり、ここで、図１６（ａ）は、電力依存性を示す図であり、図１６（ｂ）は、バイアス依存性を示す図である。
【図１７】図１７（ａ）は、ＩｎＰ（１００）上のＩｎＡｓ  ＤＱＤの光応答を示す図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示されたような１５５０ｎｍで放出するＩｎＰ（１００）上のＩｎＡｓ  ＤＱＤからのＸＸラインで測定された自己相関関数を示す図である。
【詳細な説明】
【０００４】
一実施形態において、量子ドットと、前記量子ドットがＩｎＡｓを備え、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で放射を放出するように構成される、
前記量子ドットを支持する支持層と、前記支持層がＩｎＰに格子整合される、
を備える光デバイスが提供され、
ここにおいて、支持層と平行に規定された量子ドットの基部の最長寸法が、支持層と平行に規定された基部の最短寸法から２０％以内にある。
【０００５】
上述の光デバイスでは、量子ドットは、５０μｅＶ以下の分裂を有する。そのような低い微細構造分裂により、光デバイスはもつれ光子源として機能することができる。
【０００６】
さらなる実施形態では、量子ドットは、２０μｅＶ以下の微細構造分裂を有し、さらなる実施形態では、量子ドットは、１０μｅＶ以下の微細構造分裂を有する。
【０００７】
上述の量子ドットは、１．３μｍおよび１．５５μｍの電気通信波長帯域で動作する。量子ドットは、さらに、対称であり、それゆえに、低い微細構造分裂を有する。これにより、量子ドットはもつれ光子源の候補となることができ、２つのもつれ光子が双励起子の減衰により生成される。低い微細構造分裂をもつ量子ドットを使用すると、２つの光子が区別不能な減衰経路を通して生成され、それにより、２つの光子はもつれの候補になることができる。
【０００８】
量子ドットは１２００ｎｍから２０００ｎｍの範囲で放出し、これはやはり１６７５ｎｍの電気通信Ｕ帯域を包含する。ある実施形態では、量子ドットは１２００ｎｍから１６８０ｎｍの範囲で放出し、他の実施形態では、量子ドットは１２００ｎｍから１６２５ｎｍの範囲で放出する。
【０００９】
一実施形態では、光デバイスは複数の量子ドットを備え、ここにおいて、ぬれ層上の量子ドットの密度は１×１０9ｃｍ-2未満である。低い密度で量子ドットを形成することによって、キャビティに単一量子ドットだけをもつデバイスを製作することが可能である。
【００１０】
光デバイスは、［１００］方位基板を備えることができる。
【００１１】
実施形態によっては、デバイスは、支持層の上に重ねて設けられたぬれ層をさらに備える。１つの実施形態では、ぬれ層は、ＡｓのＰとの交換により形成され、ここで、支持層はＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓＰを備え、ぬれ層はＩｎＡｓＰを備えることになる。
【００１２】
しかしながら、他の実施形態では、ぬれ層は形成されない。例えば、量子ドットはＩｎＡｓで形成され得、支持層はＡｌＩｎＡｓまたはＡｌＩｎＧａＡｓを備える。
【００１３】
ぬれ層が存在する場合、デバイスはフィルタをさらに備えることができ、前記フィルタは、ぬれ層によって放出される放射をフィルタ処理するように構成される。一般に、ぬれ層は、１０５０ｎｍから１２５０ｎｍの範囲で放出することになる。フィルタは、ぬれ層をフィルタ処理するが、量子ドットからの光子をフィルタ処理しないように選択されることになる。
【００１４】
さらなる実施形態では、光デバイスは、量子ドットおよび存在する場合にはぬれ層の上に重ねて設けられた上部層をさらに備える。
【００１５】
光デバイスは、複数の量子ドットを備えることができ、ここにおいて、量子ドットの密度は１０9ｃｍ-2未満である。量子ドットのこの低い密度のため、１つの量子ドットからの出力を分離することがより容易になる。
【００１６】
光デバイスは、光学的にまたは電気的に作動され得る。１つの実施形態では、電気的に作動される光デバイスは、ＬＥＤとして構成され、ここにおいて、デバイスは、量子ドットの一方の側に設けられたｎドープ領域と、量子ドットの他方の側のｐドープ領域とを備える。
【００１７】
光デバイスはキャビティ領域を備えることができ、前記キャビティ領域は、前記量子ドットを収容し、前記量子ドットから放出された放射を前記キャビティ内で優先的に反射するように構成される。キャビティは、キャビティの一方の側に設けられた単一の分布ブラッグ反射器を備える非対称キャビティとすることができる。
【００１８】
キャビティは真性領域を備え、ｐドープ領域が量子ドットの一方の側に設けられ、量子ドットとｐドープ領域との間の層の厚さは、デバイスの成長中にｐ型ドーパントが真性領域中に拡散する距離よりも大きい。それゆえに、１つの例では、量子ドットとｐドープ領域との間の層の厚さは、ｐ型ドーパントが６３０℃で拡散する距離よりも大きい。
【００１９】
デバイスは、ＭＯＶＰＥまたはＭＢＥを使用して製作され得る。ＭＯＶＰＥを使用する場合、例えば、ピット、くぼみなどをもつ支持層をパターン化することによって量子ドットの位置を前もって決定することが可能であり、量子ドットはパターンのピットに位置付けられる。
【００２０】
本発明の実施形態は、さらに、光デバイスを製作する方法を提供することができ、この方法は、
支持層を形成することと、前記支持層がＩｎＰに格子整合される、
Ｉｎの層を形成することと、前記Ｉｎの量が、Ｉｎ液滴の形成を可能にするように制御される、
ＩｎＡｓドットを形成するために、前記Ｉｎ液滴の上にＡｓを成長させ、前記液滴を結晶化させることと
を備え、
ここにおいて、Ｉｎ液滴の形成と、結晶化とは、１２００ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で放射を放出するように構成された量子ドットを生成するように制御され、およびここにおいて、支持層と平行に規定された量子ドットの基部の最長寸法が、支持層と平行に規定された基部の最短寸法から２０％以内にある。
【００２１】
−  上述の方法は、インジウム液滴の本質的な対称性のために対称なドットの形成を可能にする。インジウム量およびインジウム堆積温度がドット密度を決定することになる。
【００２２】
−  結晶化プロセスは、ドットにＡｓを供給することと、同時に成長温度を上昇させることとに依存する。高温では、吸着原子マイグレーションが、一層確実になり、それゆえに、ドットの伸長の可能性。一実施形態では、ドットの対称な形状は、５００℃に結晶化温度を上昇させ、引き続いてドットを速やかにキャップすることによって維持される。
【００２３】
一実施形態による方法では、層は、ＭＯＶＰＥまたはＭＢＥを使用して形成される。
【００２４】
光デバイスはＭＯＶＰＥを使用して形成され得、２ＭＬのＩｎが、液滴を形成するために堆積される。
【００２５】
図１（ａ）は、ストランスキ−クラスタノフ技法を使用して製作された量子ドットの側面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の量子ドットの平面図である。ドットは、ＩｎＡｓぬれ層（ＷＬ）の歪み調節の効果として、ＩｎＡｓぬれ層（ＷＬ）が厚くなるにつれて形成される。結果として生じるドットは、特権結晶学的方向に沿って伸ばされる。
【００２６】
図１（ａ）において、ＧａＡｓ下部または支持層１がある。この層の上に、ＩｎＡｓぬれ層３がある。次に、ＩｎＧａＡｓを備える量子ドット５が設けられる。上部ＧａＡｓ層７が、量子ドット５の上に重なり接触する。この量子ドット５の製作は、図２（ａ）を参照しながら説明される。
【００２７】
図２は、量子ドットの形成のためのストランスキ−クラスタノフ成長モード技法の概略図である。ストランスキ−クラスタノフＱＤでは、ＩｎフラックスとＡｓフラックスの両方が同時に供給され、歪みぬれ層を形成し、歪みぬれ層は、厚さが増加するにつれてＱＤに発展する。
【００２８】
図２（ａ）において、ＩｎとＡｓとがＧａＡｓ表面１１に堆積される。ＩｎとＡｓとは、同時に単一ステップで堆積される。
【００２９】
図２（ｂ）において、ぬれ層１３と呼ばれるＩｎＡｓの薄層が、ＧａＡｓ表面の上に重なり接触して形を成したことが示されている。歪み形成は、ＩｎＡｓぬれ層とＧａＡｓ表面との間の格子不整合に起因してぬれ層に生じる。
【００３０】
ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）１５は、ＩｎＡｓぬれ層１３の歪み緩和によって形成される。ＱＤは、図２（ｃ）に示されるようにぬれ層に「アイランド」として形を成す。ＱＤは、ピラミッド形状断面または角錐台断面を有する。
【００３１】
ストランスキ−クラスタノフ技法は、ＧａＡｓ基板の（１００）表面にぬれ層を形成するために使用され得る。ＱＤは、ぬれ層にアイランドとして形を成す。ぬれ層は、ぬれ層の下に重なり接触する材料と比べて異なる格子定数を有する。ぬれ層は、ＱＤが形成された層である。ぬれ層の厚さは、ＱＤのいずれの高さよりも小さい。
【００３２】
ストランスキ−クラスタノフＱＤは、ＧａＡｓ（１００）方位基板に構造体で形成され得る。そのような構造体はぬれ層を含むことになる。ストランスキ−クラスタノフ技法によって形成されたＱＤでは、ＱＤは、ある波長、例えば約８８５ｎｍで放出するＱＤを除いて、大きい微細構造分裂、すなわち、５μｅＶを超える微細構造分裂を有することになる。ストランスキ−クラスタノフＱＤは、９０度離れた１１０結晶軸および１−１０結晶軸に整列する傾向がある。
【００３３】
量子ドット５の平面図を示す図１（ｂ）に戻る。量子ドットはストランスキ−クラスタノフ成長技法に起因して非対称であることが分かる。この目に見える非対称は、さらに、上述で論じたような大きい微細構造分裂の徴候である。
【００３４】
図１（ｃ）は、ＧａＡｓ（１００）に形成された、いわゆる液滴量子ドットＤＱＤを示す。ドットは、形状が対称であり、ＩｎＡｓぬれ層上に置かれていない。詳細には、図１（ｃ）において、ＧａＡｓ支持層２１が設けられる。ＩｎＧａＡｓ量子ドット２３は支持層２１上に設けられる。ＧａＡｓ上部層２５が、ＧａＡｓ下部層２１と量子ドット２３とに接触して設けられる。
【００３５】
図１（ｄ）は、図１（ｃ）の量子ドットの平面図である。図１（ｃ）および図１（ｄ）の量子ドットは、図３を参照しながら説明される方法を使用して製作される。
【００３６】
図３は、量子ドットの形成のための液滴成長モード技法の概略図である。液滴成長モード技法が、ここでは、ＧａＡｓ表面に形成されたＩｎＡｓ  ＱＤに対して示される。しかしながら、液滴成長モード技法はこれらの材料に限定されない。液滴成長モード技法は、さらに、例えば、ＩｎＧａＡｓ量子ドット、ＡｌＡｓ量子ドット、ＩｎＰ量子ドット、またはＧａＡｓ量子ドットを、例えば、ＧａＡｓまたはＩｎＰなどの基板材料上に形成するために使用され得る。
【００３７】
図３（ａ）において、Ｉｎ液滴が、ＧａＡｓ表面に形成される。液体ＩｎがＧａＡｓ表面上に堆積される。液体Ｉｎは、歪みなし液滴をＧａＡｓ表面に形成する。液滴は、面内と面外の両方で丸形断面を有する。
【００３８】
図３（ｂ）において、Ａｓが堆積される。Ｉｎ液滴はＡｓと反応して、ＩｎＡｓナノ結晶を生成する。ＩｎＡｓ  ＱＤは、ＡｓのＩｎ液滴との反応により形を成す。
【００３９】
図３（ｃ）において、ＡｓのＩｎ液滴との反応により形成されたＩｎＡｓ  ＱＤがＧａＡｓと接触していることが分かる。ＱＤとＧａＡｓとの間に中間のぬれ層は存在しない。量子ドットは、面外方向に丸形断面を有する。
【００４０】
液滴成長モード技法は、ＧａＡｓ（１１１Ｂ）方位基板にＱＤを形成するために使用され得る。これらのＱＤは、ストランスキ−クラスタノフＱＤよりも低いＦＳＳ分裂を有する。
【００４１】
図１（ｄ）の平面図に戻ると、量子ドット２３は図１（ｂ）の量子ドット１５よりも対称であることが分かる。一方の対の向かい合った頂点間の距離「ａ」は、他方の対の向かい合った頂点間の距離「ｂ」とほぼ同じである。
【００４２】
図１（ｅ）は、図３を参照しながら説明されたようなプロセスを使用して形成されたＩｎＰ（１００）上のインジウム液滴量子ドット（ＤＱＤ）を示す。図１（ｅ）のＤＱＤでは、ドットは、形状が対称であるが、元素Ａｓ−Ｐ交換プロセスのような液滴結晶化プロセス中に形成されたＩｎＡｓＰで製作された疑似ぬれ層を有する。
【００４３】
詳細には、図１（ｅ）において、ＩｎＰ支持層１０１が設けられる。ＩｎＡｓＰぬれ層１０３が、支持層１０１の上に重ねて設けられる。ＩｎＡｓ量子ドット１０５がぬれ層１０３上に設けられ、ＩｎＰ上部層１０７が、ＩｎＡｓ量子ドット１０５とＩｎＡｓＰぬれ層１０３との上に設けられる。図１（ｆ）の平面図で分かるように、量子ドット１０５は対称であり、一方の対の向かい合った頂点間の距離「ａ」は、他方の対の向かい合った頂点間の距離「ｂ」とほぼ同じである。
【００４４】
液滴エピタキシによってＧａＡｓ基板に形成された量子ドットにはぬれ層がないが、液滴エピタキシによってＩｎＰに形成された量子ドットにはぬれ層がある。このぬれ層は、元素Ａｓ−Ｐ交換プロセスのような液滴結晶化プロセス中に形成される。
【００４５】
図１（ｇ）および図１（ｈ）は、ストランスキ−クラスタノフ方法を使用してＩｎＰ支持層に形成されたＩｎＡｓ量子ドットを示す。ドットは、ＩｎＡｓＰぬれ層（ＷＬ）の歪み調節の効果として、ＩｎＡｓＰぬれ層（ＷＬ）が厚くなるにつれて形成される。結果として生じるドットは、特権結晶学的方向に沿って伸ばされ、図１（ａ）および図１（ｂ）を参照しながら説明された量子ドットの場合のように大きい微細分裂構造に関する同じ問題を被る。
【００４６】
図２は量子ドットを製作するためのストランスキ−クラスタノフ（ＳＫ）成長モードを示し、一方、図３は液滴成長モードを示す。ＳＫ成長モードでは、基板はＩＩＩ族フラックスおよびＶ族フラックスにさらされ、ぬれ層の形成が同時にもたらされる。基板とドットとの間の歪みが、格子不整合に起因して起きている。次のステップで、ＳＫ  ＱＤは、ぬれ層の歪み調節の結果として形成される。液滴成長モードでは、基板は最初にＩＩＩ族フラックスにさらされ、それは、表面に金属液滴の形成をもたらす。次のステップで、これらの液滴はＶ族元素により結晶化され、それにより、歪みがなく、それゆえに、対称であるＤＱＤの形成がもたらされる。
【００４７】
図４は、一実施形態による光デバイスを製作する方法で使用され得る液滴成長モード方法を示す流れ図である。説明される方法は、ＩｎＰ基板に形成されたＩｎＡｓ  ＱＤを製作するものである。
【００４８】
図４に示された方法は、ぬれ層なしのＱＤを形成する。ＩｎフラックスとＡｓフラックスとが、別々に供給される。最初に、液体インジウムが、ＩｎＰの表面に歪みなし液滴を形成する。次いで、これらの液滴はＡｓＨ3を使用して結晶化される。これは、ＱＤの形成をもたらす。
【００４９】
未加工の基板は、酸化物で保護されていることがある。酸化物は、層状デバイスが基板に成長される前に真空チャンバ中で高温で除去される。酸化物は、ＭＯＶＰＥリアクタ中でＩｎＰ（１００）基板を脱ガスすることによって除去される。次に、ＩｎＰバッファ層が、ステップＳ２０１において６３０℃で成長される。酸化物の除去の後の基板の表面はまだら状で不完全であることがある。
【００５０】
バッファ層は、重要な原子層のすべてを基板／バッファ界面から離れたところに間隔を置いて配置する適度に厚い層を構築するために成長され得る。界面は電荷をトラップすることがあり、次いで、電荷は、ＱＤと相互作用するか、またはさもなければデバイスを複雑にすることになる。
【００５１】
ウェハは、ＨＰ３環境下で５００℃まで冷却される。ステップＳ２０３において、元素Ｖ供給（Ａｓ供給）が、オフに切り替えられ、基板およびバッファ層がステップＳ２０５において４００℃まで冷却される。
【００５２】
温度は、ＱＤの密度に影響を及ぼす。一般に、液滴形成温度および液滴結晶化温度は、特定の量子ドット材料、サイズ、および密度に対して最適化され得、それゆえに、互いに対しておよびデバイスの他の部分の成長温度に対してより高く、等しく、またはより低くすることができる。それゆえに、いくつかの材料、サイズ、および密度では、このステップは省略され得る。
【００５３】
Ｉｎを供給するインジウムセルは、プロセスの全体にわたって高い温度に保たれる。基板のみがこのステップにおいて冷却されている。
【００５４】
ステップＳ２０７において、２ＭＬのインジウムがＩｎＰバッファの表面に堆積され、インジウム液滴を形成する。液滴は、金属小塊を形成する。
【００５５】
次に、そのプロセスは、ステップＳ２０９において１０秒間止められる。次いで、ＡｓＨ3ガスが、ステップＳ２１１においてオンに切り替えられ、温度が、ステップＳ２１３において、液滴結晶化プロセスと呼ばれるプロセスで、５００℃まで徐々に上げられる。ステップＳ２１５において、５００℃で、液滴は、結晶化され、ＩｎＰの薄層でキャップされる。次いで、温度は、ステップＳ２１７において６３０℃まで上昇されて、ステップＳ２１９において残りのＩｎＰ層が成長される。
【００５６】
図５（ａ）は、インジウム堆積の後であるが結晶化プロセスの前の構造の表面を示すＳＥＭ顕微鏡写真である。図５（ｂ）は、結晶化の後の同じ表面のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。
【００５７】
図５（ｃ）は、図５（ａ）のＳＥＭ顕微鏡写真に対応するＡＦＭ画像であり、図５（ｄ）は、図５（ｂ）に示されたＳＥＭ顕微鏡写真のＡＦＭ画像である。
【００５８】
図５（ｅ）および図５（ｇ）は、図２に関連して論じられた方法を使用して形成されたストランスキ−クラスタノフ成長モード量子ドットを示す。図５（ｆ）および図５（ｈ）は、液滴成長モードを使用して形成された量子ドットを示す。図５（ｅ）および図５（ｆ）では、ＡＦＭ画像は２００ｎｍのスケールを有し、一方、図５（ｇ）および図５（ｈ）では、ＡＦＭ画像は４００ｎｍのスケールを有する。
【００５９】
ストランスキ−クラスタノフ量子ドットは細長いプロファイルを有することが分かる。しかしながら、成長層の面における液滴量子ドットの断面は、概して対称である。
【００６０】
図６（ａ）は、キャビティ構造に設けられたＩｎＡｓ量子ドット３０１の層構造の概略図である。キャビティ構造は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）３０３として設けられたＧａＡｓとＡｌＡｓとの複数の交互層を備える。下部ＧａＡｓ層３０５は量子ドット３０１より下に設けられ、上部ＧａＡｓ層３０７は、量子ドット３０１と下部ＧａＡｓ層との上に重ねて設けられる。
【００６１】
図６（ｃ）は、図６（ａ）の層構造の屈折率ｎを示す。図６（ｃ）は、図６（ａ）の層構造によって作り出される電界の強度の略図である。
【００６２】
図６（ａ）において、電界の波腹に置かれている量子ドットは、図６（ｃ）に示されることが分かる。これは、下部ＧａＡｓ層３０５が上部ＧａＡｓ層３０７と同じ層厚を有するようにＧａＡｓキャビティの中心に配置されている。
【００６３】
図７（ａ）は、キャビティ構造に設けられたＩｎＡｓ量子ドット３５１の層構造の略図である。キャビティ構造は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）３５３として設けられたＩｎＧａＩｎＡｓとＩｎＰとの複数の交互層を備える。下部ＩｎＰ層３５５は量子ドット３５１より下に設けられ、上部ＩｎＰ層３５７は、量子ドット３５１と下部ＧａＡｓ層との上に重ねて設けられる。
【００６４】
図７（ｂ）は、図７（ａ）の層構造の屈折率ｎを示す。図７（ｃ）は、図７（ａ）の層構造によって作り出される電界の強度の略図である。
【００６５】
図７（ａ）において、電界の波腹に置かれている量子ドットは、図７（ｃ）に示されることが分かる。材料構造の差のために、図７（ａ）のＩｎＰキャビティでは、キャビティの波腹は、（ｎ−１／２）*１／２λに配置される。これは、下部ＩｎＰ層３５５が上部ＩｎＰ層３５７の層厚の１／３を有するようにＩｎＰキャビティの中心から離れたところに配置されている。
【００６６】
図８は、一実施形態による光デバイスの概略図である。デバイスは、複数の量子ドットを備えている電気的に励起されるキャビティを備える。光デバイスは、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を使用して製作される。
【００６７】
デバイスは基板４０１に形成される。この例では、基板はＩｎＰ（１００）であるが、他の基板が使用されてもよい。デバイスは基板の（１００）表面に形成される。平面層状構造を（１００）表面に成長させるのは、（１００）表面の原子構成によって促進される。（１００）表面は、平らまたは一様な平坦面である。表面は原子スケールで平坦である。ＤＢＲなどの層状構造の成長は、多数の繰り返しの薄い材料層の成長を含む。これは、平らな表面に層を成長させることによって促進される。（１００）方位表面に、高品質で欠陥のない単層原子成長が達成され得る。これは、異なるＩｎＰおよびＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ  λ／４層の間の界面が原子的に平坦であるのでミラーの生成を容易にする。平坦な界面をもつ十分に画定された厚さの高品質ミラーを成長させることが可能であり、それは、高品質ミラー性能をもたらす。
【００６８】
２００ｎｍＩｎＰバッファ層４０３が、基板４０１の上に重なり接触する。ドープ層４０５が、バッファ層４０３の上に重なり接触する。下部分布ブラッグ反射器４０７が、ドープ層４０５の一部分の上に重なり接触する。下部分布ブラッグ反射器４０７は、反射構造の一例である。１つの実施形態では、それは、各々λ／４の光学的厚さをもつ高屈折率半導体と低屈折率半導体との多数対によって形成され、ここで、λは量子ドットからの放出の波長である。１つの実施形態では、下部分布ブラッグ反射器は、交互のＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰの２０回の繰り返しを備える。
【００６９】
下部ＩｎＰキャビティ層４１３が、下部分布ブラッグ反射器４０５の上に重なり接触する。
【００７０】
複数のＱＤ４１７が、図３を参照しながら説明された方法で成長される。この方法では、疑似ぬれ層４１５が、Ｖ族元素交換の結果として直ちに形成される。ドット（４１７）は、（２ｎ＋１）*１／４ラムダキャビティの残りの厚さを形成するＩｎＰ（４１９）でキャップされ、ここで、ｎは整数である。ＩｎＰ基板に成長されると、量子ドット４１７に歪みがほとんどなく、それにより、電気通信波長帯域の光子の放出が可能になる。
【００７１】
図９（ａ）は、図１（ｅ）および図１（ｆ）を参照しながら説明された液滴量子ドットを使用する非対称ＬＥＤ構造の層構造の概略図である。図８を参照しながら説明された構造に関しては、キャビティ構造は、ＩｎＰ（１００）基板４０１に成長され、続いて２００ｎｍＩｎＰバッファ４０３、および２０×ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ  ＤＢＲスタック４０５が成長される。不必要な反復を避けるために、同様の参照番号が同様のフィーチャを表すために使用される。
【００７２】
次に、キャビティ層の底部が形成され、これらは層４１１および層４１３である。一緒にして、層４１１および層４１３は、一般に、１／４ラムダ厚であり、ＩｎＰで製作される。この例では、層４１１はｎドープされ、５０ｎｍの厚さを有する。
【００７３】
図９（ａ）の例では、層４０３、４０５、および４１１は、ｎ型ＩｎＰ層を確定にするためにＳｉでドープされる。
【００７４】
図８の構造に関しては、ＤＱＤ４１７が、Ｖ族元素交換の結果として直ちに形成される疑似ぬれ層４１５上に成長される。ドット４１７は、（２ｎ＋１）*１／４ラムダキャビティの残りの厚さを形成するＩｎＰ層４１９およびＩｎＰ層４２１でキャップされ、ここで、ｎは整数である。上部キャビティ層４１９は、非ドープであり、一方、層４２１は、ｐ型ＩｎＰを形成する５０ｎｍのＺｎドープＩｎＰ層である。しかしながら、ｐ−ＩｎＰ層４２１の厚さは５０ｎｍとなるように設計されるが、実際の層は厚さが、高温でのＩｎＰへのＺｎ拡散に起因してより大きくなることに留意すべきである。
【００７５】
金属接触部４０７が、ｎドープＤＢＲ４０５に設けられる。接触部は、一般に、ＡｕＧｅＮｉであり、ＡｕＧｅＮｉは、低抵抗オーム性接触部４０９を設けるためにエクスサイチュでアニールされる。一般にＴｉＡｕまたはＣｒＡｕであるｐ−金属接触部４２３が、ｐ型上部層４２１に設けられる。
【００７６】
図９（ｂ）は、接触部４２３と接触部４０７との間に、それゆえに、ｐ−ｉ−ｎ構造と量子ドット４１７とを横切って電位差を印加する電源１００１をもつ図９（ａ）の光デバイスを示す。量子ドット４１７の両端に電位を印加することによって、量子ドットに励起子またはさらに双励起子を励起することが可能である。双励起子が励起される場合、量子ドット４１７は、この双励起子の減衰によって偏光がもつれた光子に出力することができる。これは、量子ドットが実質的に対称であり、それゆえに、低い微細構造分裂を有しているからである。これは、双励起子の２つの減衰経路が実質的に区別不能であり、それにより、もつれ光子対の生成が可能になることを意味する。
【００７７】
しかしながら、単一の励起子だけが励起されるようにデバイスを動作させることも可能である。
【００７８】
図９（ｂ）は、さらに、光子収集装置１００３を示す。これは、例えば、光ファイバケーブル、レンズなどとすることができる。図９（ｂ）において、光デバイスに面している光子収集装置の表面は、フィルタ１００５を備える。
【００７９】
量子ドットは、ぬれ層放出を伴う高強度放出を行う。ぬれ層は、再励起のためのリザーバとして働き、コヒーレンス時間に影響を及ぼし、パルス動作で多光子放出を引き起こすことがある。フィルタは、ぬれ層４１５からの放射をフィルタ処理するように構成される。
【００８０】
フィルタ１００５は、収集光学系の部分（ここに示される）のような光デバイス自体の一部として設けることができ、または光デバイスの収集光学系間にあるかもしくは収集光学系の後にさらに設けられる独立の構成要素とすることができる。
【００８１】
図９（ｂ）を参照しながら説明されたデバイスは、電気的に作動されるデバイスである。デバイスは光学的に励起されることも可能であり、量子ドット中の励起子または双励起子は光刺激を介して励起される。この状況では、ぬれ層からの放出は、例えば、ぬれ層のエネルギーより下のエネルギーをもつレーザで共振的に励起することによって避けられ得る。ぬれ層は、電荷のシンクとして働く。ぬれ層は、フォトルミネッセンス測定の信号を生成することになる。同様の信号は、ドットの第２の層、または他の２Ｄフィーチャ、例えば、ＤＢＲのＡｌＩｎＧａＡＳ部分からの放出によって引き起こされ得る。キャビティ、波長依存吸収、ドーピング、または他の対抗策の設計が、光ぬれ層信号を消滅させるために使用され得る。
【００８２】
図１０は、ＩｎＰ（１００）に基づく対称ＬＥＤ構造の概略図である。不必要な繰り返しを避けるために、同様の参照番号は、図８および図９のものと同様のフィーチャを示すために使用される。図９に関して、キャビティ構造は、ＩｎＰ（１００）基板４０１に成長され、続いて２００ｎｍＩｎＰバッファ層４０３および２０×ＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ  ＤＢＲスタック４０５が成長される。層４０３、４０５、および４１１は、ｎ型ＩｎＰ層を確定にするためにＳｉでドープされる。次いで、キャビティの底部が成長され、４１１および４１３、それは、一般に、（ｎ−１／２）*１／２λ厚であり、ＩｎＰで製作される。層４１１もｎドープされ、その厚さは５０ｎｍである。ＤＱＤ４１７は、Ｖ族元素交換の結果として直ちに形成される疑似ぬれ層４１５上に成長される。ドット４１７は、ｎ*１／２ラムダラムダキャビティの残りの厚さを形成するＩｎＰ４１９および６０３でキャップされ、ここで、ｎは整数である。
【００８３】
上部分布ブラッグ反射器６０３は、上部キャビティ層４の上に重なり接触する。ＤＢＲは、ｐドープされたｍ回の繰り返しのＩｎＰ／ＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰを備える。繰り返し数ｍは、０から１９まで変更することができる。１つの例では、３回の繰り返しが使用される。構造の上の繰り返しの数が大きければ大きいほど、光がキャビティを出ていくことが困難になる。
【００８４】
ｐ−ＩｎＰの厚さは５０ｎｍとなるように設計されるが、実際の層は厚さが、高温でのＩｎＰへのＺｎ拡散に起因して、より大きくなる。金属接触部４０７が、ｎドープＤＢＲ４０５に設けられる。接触部は、一般に、ＡｕＧｅＮｉであり、ＡｕＧｅＮｉは、低抵抗オーム性接触部４０９を設けるためにエクスサイチュでアニールされる。一般にＴｉＡｕまたはＣｒＡｕであるｐ−金属接触部４２３が、ｐ型上部層４２１に設けられる。
【００８５】
１つの実施形態では、ｐ−ｉ−ｎ接合は逆転されてもよく、その結果、ｎ型電極が層の上に接触部を形成する。逆転ｐ−ｎ接合では、ｎドープＤＢＲ４０５が代わりにｐドープされ、ｐドープ上部層４２１がｎドープされることになる。これは、ｎ−ｉ−ｐ接合を形成することになる。
【００８６】
半導体層の成長またはアニーリング中に混合が生じる。これにより、異なる組成の層の間の急峻な境界が傾斜するようになる。例えば、ＧａＡｓの層とＩｎＡｓの層との間の界面が混合して、成長方向に沿った位置とともにＩｎ含有量が増加する状態でＧａＡｓから、ＩｎＧａＡｓに、さらにＩｎＡｓに移行する傾斜型界面になる。さらに、薄層が周囲材料と混合することにより、ピーク濃度が、堆積されたままよりも小さくなることがある。例えば、ＧａＡｓ内のＩｎＡｓの薄層が混合し、その結果、組成が、ＧａＡｓから、低いインジウム含有量のＩｎＧａＡｓ、高いインジウム含有量のＩｎＧａＡｓ、低いインジウム含有量のＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓまでの間で円滑に移行する。これらの効果は、層の厚さのいかなる測定も混合の理由を明らかにすべきであることを意味する。
【００８７】
層の厚さを測定する方法の一例では、層の厚さは、最初に、標準のＳＴＭまたはＴＥＭ顕微鏡技法を使用して、成長軸、すなわち、成長方向に沿った距離の関数として層の組成を測定するかまたは推定することによって決定され得る。次いで、厚さが、この組成物プロファイルの半値全幅として測定され得る。
【００８８】
薄い半導体層の原子の性質は、層材料のところどころの原子が混合および拡散により大きく移され得ることを意味する。それゆえに、面内平均化が、組成プロファイルの平均値を含めて厚さの平均値を決定するために層の様々な領域にわたって適用され得る。量子ドットによって貫かれているものなどの不連続層では、平均化またはプロファイリングは、層の関連部分にわたってのみ行われるべきである。
【００８９】
量子ドットの厚さまたは最大高さを量子ドットが接触している層と対照すると、混合が、量子ドットと接触している層とに同じように影響を与えることになる。
【００９０】
キャリアポピュレーションに応じて、量子ドット領域へのキャリアの注入は、励起子または多励起子複合体、例えば、双励起子の生成をもたらす。
【００９１】
伝導帯の少数の電子と価電子帯の正孔との間に束縛状態がある場合、励起子が形成され、１つの正孔と１つの電子が結合するときに生じる放射性減衰が、光子の放出をもたらす。量子ドットの原子様性質のために、励起子の放射性再結合は単一で区別不能な光子の放出をもたらす。
【００９２】
もつれ光子対の放出が、放射性双励起子カスケードを介して生じ得る。ＱＤをもつ活性領域に２つの電子および２つの正孔を注入すると、双励起子（２つの電子−正孔対）が形成される。ある状況下で、双励起子は再結合して、１対のもつれ光子を放射的に放出する。双励起子は、単に、励起パワーを増加させることによって、すなわち、電圧を増加させることによって作り出され得る。双励起子状態は、「双励起子光子」を放出して、「（電荷中性）励起子」状態の１つの電子および１つの正孔を残すことができる。次いで、この電子と正孔は、再結合して「励起子」光子を放出し、ドットを空にして残す。励起子状態の性質の制御によって、これらの２つの光子はもつれさせることができる。
【００９３】
ＱＤから放出された光は、上部分布ブラッグ反射器４１３と下部分布ブラッグ反射器４０５とによって垂直に閉じ込められる。デバイスは、面外方向への光放出を増強するように設計される。代替の実施形態では、光デバイスは面内最適化デバイスである。上部分布ブラッグ反射器４１３と下部分布ブラッグ反射器とは、キャビティ構造を形成する反射構造である。そのようなキャビティ構造は、ＧａＡｓ基板の（１００）表面に容易に成長され得る。高品質キャビティは、（１００）基板に成長され得る。
【００９４】
分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、面内周期的屈折率変調を備える。屈折率の変調をもつ適切な構造を選択することによって、デバイスの光モードを制御することが可能である。これは、例えば、デバイス効率を向上させるかまたは光子放出時間を低減するのに有利である。さらに、準周期的である、すなわち、正確な周期性からわずかに外れている屈折率の変調が、使用され得る。
【００９５】
構造は、疑似ぬれ層の存在下で高品質キャビティ中に小さい微細構造分裂をもつＱＤを備えることができる。
【００９６】
ぬれ層の存在は、薄板をミリングし、成長方向、すなわち、面外方向に沿って断面ＴＥＭまたはＳＴＥＭ測定を実行し、ＩｎＡｓＰの存在を検出することによって検出され得る。さらに、そのような層の厚さは、どの種類のドット成長技法が行われたかを決定するために使用され得る。ストランスキ−クラスタノフでは、ある程度のＩｎＡｓが、ドットを形成するために成長される。このＩｎＡｓは、元素Ｖ交換に起因してＩｎＰ基材中にぼやけることになるが、ＩｎＡｓ層は依然として１ＭＬ厚を超えるはずである。液滴技法では、輪郭のはっきりしたＩｎＡｓ層はなく、ぼやけたＩｎＡｓＰ層のみがあるはずである。
【００９７】
ぬれ層の存在を決定する別の方法は、光学検出を介するものであり、その理由は、ぬれ層が量子ドットよりも低い光励起エネルギーを有することになるからである。ぬれ層のエネルギーよりも高いエネルギーでの励起と、ＩｎＧａＡｓアレイでの検出／分光計とにより、ＳＫドットか液滴モード量子ドットかのいずれかを決定することが可能になる。ＳＫドットとともに形成されたぬれ層が厚ければ厚いほど、強くなり、約１１００ｎｍ（液滴の場合よりもわずかに高いエネルギー）で放出する。
【００９８】
デバイスのＱＤ密度は、単一のドットを光学的に分離するためのメサの上の不透明なマスクが必要とされないように十分に低くすることができる。言い換えれば、ＱＤの密度は、ＱＤが互いに光学的に分離されるように十分に低い。光学的に分離されているＱＤでは、個々のドットから生じる励起子ラインは、信号対バックグラウンド比が高いスペクトルを有する。１つの実施形態では、信号対バックグラウンド比は１０よりも大きい。個々のＱＤから生じる励起子ラインは、隣接するＱＤから生じる励起子ラインと相互作用していない。光スペクトルはクリーンである。約1100nmで放射すること
図１１は、図８の構造に基づくフォトニックキャビティ構造の概略図である。不必要な繰り返しを避けるために、同様の参照番号は同様のフィーチャを示すために使用される。光学キャビティ構造は、ＩｎＰ（１００）基板４０１に成長され、続いて２００ｎｍＩｎＰバッファ４０３および一般に９００ｎｍ厚のＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ犠牲層５０５が成長される。次いで、キャビティの底部が成長され、４１３、それは、一般に、（ｎ−１／２）*１／２ラムダ厚であり、ＩｎＰで製作される。ＤＱＤ４１７が成長される。４１５疑似ぬれ層は、Ｖ族元素交換の結果として直ちに形成されることに留意されたい。ドット４１７は、（２ｎ＋１）*１／４ラムダキャビティの残りの厚さを形成するＩｎＰ４１９でキャップされ、ここで、ｎは整数である。
【００９９】
複数の孔が、複数の場所で、ぬれ層４１５および上部キャビティ層４１９および下部キャビティ層４１３を通って延び、その結果、これらの層の厚さ全体を通って延びる複数の孔５０１が存在する。１つの実施形態では、孔は円柱状である。円柱状孔の高さは、ぬれ層４１５および上部キャビティ層４１９および下部キャビティ層４１３の厚さ全体を通って延びる。
【０１００】
この例では、犠牲層は、ボイド５０７を形成するためにアンダーエッチングされる。
【０１０１】
円柱状孔は、実質的に規則的な格子として配列される。フォトニック結晶構造は、メサの一部分の上のみにある。１つの実施形態では、円柱状孔は六方格子に配列される。ラインに沿った３つの隣接する孔が省かれ、キャビティ領域である格子に欠陥５０３が形成される。
【０１０２】
孔の周期構造は、光の伝搬に影響を与え、フォトニックバンドギャップを形成する。スラブ中の量子ドットから放出される光は、このバンドギャップ内にある。特に、孔（空気で充填されている）は、ＩｎＰと異なる屈折率を有する。異なる屈折率をもつ材料の周期的変化は、フォトニックバンドギャップ内の波長を有する光がキャビティ領域に沿って横方向にのみ伝搬できることを意味する。それゆえに、格子構造は、量子ドット４１７から放出された光のキャビティ領域における横方向の閉込め（すなわち、層の面内の閉込め）を引き起こす。
【０１０３】
上述からのフォトニック結晶構造の図が、下の図に示されている。キャビティ媒体領域は、ラインに沿った３つの省かれた隣接する孔の領域である。キャビティ領域は、３つよりも多いまたは３つよりも少ない省かれた孔を含むことができる。キャビティ媒体領域の右側の孔のラインは、第１の反射構造である。キャビティ媒体領域の左側の孔のラインは、第２の反射構造であり、第２の反射構造は、第１の反射構造に対してキャビティ媒体領域の反対側にある。キャビティ媒体領域の細長い側のどちらにもある孔の領域は、やはり、キャビティ媒体領域の両側の反射構造である。
【０１０４】
キャビティは面外放出のために構成される。代替実施形態では、キャビティは面内放出のために構成される。
【０１０５】
図１２は、図８の構造に基づくフォトニックキャビティＬＥＤ構造の概略図である。不必要な繰り返しを避けるために、同様の参照番号は同様のフィーチャを示すために使用される。光学キャビティ構造は、ＩｎＰ（１００）基板４０１に成長され、続いて２００ｎｍＩｎＰバッファ４０３および一般に９００ｎｍ厚のＡｌＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ犠牲層５０５が成長される。次いで、キャビティの底部が成長され、４１３、それは、一般に、（ｎ−１／２）*１／２ラムダ厚であり、ＩｎＰで製作される。ＤＱＤ４１７が成長される。４１５疑似ぬれ層は、Ｖ族元素交換の結果として直ちに形成されることに留意されたい。ドット４１７は、（２ｎ＋１）*１／４ラムダキャビティの残りの厚さを形成するＩｎＰ４１９でキャップされ、ここで、ｎは整数である。層４０３、５０５、および４１３は、Ｓｉでｎドープされる。層４２１はＺｎでｐドープされる。ｐ−ＩｎＰ４２１の厚さは５０ｎｍとなるように設計されるが、実際の層は厚さが、高温でのＩｎＰへのＺｎ拡散に起因して、より大きくなる。接触部４２３および接触部４０７は、図１０で説明されたものと同じである。フォトニックキャビティの形成は、図１１を参照しながら説明されたものと同じである。
【０１０６】
図１３は、液滴エピタキシで形成された量子ドット７０５を備える光構造の概略図である。この構造は、ＩｎＰの基板７０１を備える。図１３の簡単化した構造では、ＩｎＰの下部キャビティ層７０３は、ＩｎＰ基板７０１の上に重ねて形成される。
【０１０７】
下部キャビティ層７０３には、第１および第２のくぼみが形成される。これらのくぼみは、エクスサイチュ電子ビームリソグラフィおよびエッチングなどの技法を使用して形成される。そのような技法では、ひとたび層７０３が形成された後、部分的に成長された構造体が、成長チャンバから取り出され、２つのくぼみを形成するためにパターン化されエッチングされる。
【０１０８】
構造体が成長チャンバに挿入されて戻され、ＭＯＶＰＥ成長が再び始まると、インジウム液滴がくぼみに優先的に形成される。それゆえに、液滴量子ドット７０５が優先的に位置付けられ得る。
【０１０９】
上述で、フォトニック結晶構造内に形成された液滴エピタキシの組合せである構造体が論じられた。図１３を参照しながら説明された技法を使用することによって、フォトニック結晶の欠陥の中心に量子ドットを正確に事前位置付けすることが可能である。
【０１１０】
図１４（ａ）は、量子ドットの微細構造分裂エネルギーに対する３６個の量子ドットのサンプルから測定された量子ドットの数のプロットである。図１４（ａ）の結果は、ストランスキ−クラスタノフ成長モードを使用してＩｎＰ（１００）基板上のＩｎＰ層上に形成されたＩｎＡｓ量子ドットから得られている。主要な微細構造分裂は、±５８．６μｅＶの範囲を伴った１７６．７μｅＶであることが分かる。図１４（ｂ）は、再び、量子ドットの微細構造分裂に対する量子ドットの数のプロットである。しかしながら、ここで、ドットは、再び、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＡｓ量子ドットである。しかしながら、ここで、ドットは、液滴成長モードを使用して形成されている。液滴エピタキシを使用して形成された５１個のドットでは、微細構造分裂エネルギーは、強度ストランスキ−クラスタノフ成長モードを使用して生成されたものからかなり低減されていることが分かる。
【０１１１】
図１４（ｃ）は、ストランスキ−クラスタノフ量子ドットと液滴量子ドットの両方についての微細構造分裂エネルギーに対する量子ドットの放出波長のプロットである。液滴量子ドットはより低い微細構造分裂エネルギーを有し、さらに、１５５０ｎｍから１５６０ｎｍの波長範囲、すなわち、電気通信波長送信範囲のうちの１つに寄せ集められていることが分かる。ストランスキ−クラスタノフ量子ドットは非常に大きい微細構造分裂エネルギーを有し、ストランスキ−クラスタノフ量子ドットの放出波長はかなり変化している。
【０１１２】
図１５は、ＩｎＰ（１００）上に形成されたＩｎＡｓ量子ドットの光応答のプロットである。ここで、量子ドットは光学的に駆動されている。強度のピークは、単一の中性励起子Ｘ、双励起子ＸＸ、一価の単一励起子Ｘ*、および二価の単一励起子Ｘ**の減衰に対応する。
【０１１３】
図１６は、ＩｎＰ（１００）上のＩｎＡｓ液滴量子ドットのエレクトロルミネセンススペクトルのプロットである。図１６（ａ）は、０．１Ｖステップで増加された３．０Ｖと３．６Ｖとの間の７個の電圧での波長に対する放出強度のプロットを示す。１４９０ｎｍおよび約１４８７ｎｍに鋭いピークがあることが分かる。これらの波長は電気通信Ｓ帯域内にある。他のドットは、電気通信Ｃ帯域にもまた放出ピークを示した。
【０１１４】
図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のものと本質的に同じデータであるが、異なる表示で示すプロットである。ここで、バイアス電圧が、ｘ軸の波長に対してプロットされ、強度は、白が高い強度を示し黒が低い強度を示すグレースケールとしてプロットされている。
【０１１５】
図１７（ａ）は、プロットの隅に２つの図で示されたＩｎＡｓ量子ドットの光応答のプロットである。
【０１１６】
図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示された二次励起子波長での上述のように生成された液滴量子ドットの二次相関関数Ｇ２を示すプロットである。
【０１１７】
アンチバンチングがτ＝０のディップのために明確に見られるので、単一光子源が生成されていることがこの測定から明らかである。ディップの値は、単一光子源の存在を決定するために一般に使用される５０％閾値より十分に下の１０％であることが分かる。
【０１１８】
いくつかの実施形態が説明されたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されており、本発明の範囲を限定するように意図されていない。実際は、本明細書で説明された新規の方法およびデバイスは、様々な他の形態で具現され得、それに加えて、本明細書で説明された方法およびデバイスの形態における様々な省略、置換、および改変が、本発明の趣旨から逸脱することなくなされ得る。添付の特許請求の範囲およびその均等物は、本発明の範囲および趣旨内にある変更のそのような形態を包含するように意図される。
【図１】
0006419873.tif 000002
【図２】
0006419873.tif 000003
【図３】
0006419873.tif 000004
【図４】
0006419873.tif 000005
【図５】
0006419873.tif 000006
【図６】
0006419873.tif 000007
【図７】
0006419873.tif 000008
【図８】
0006419873.tif 000009
【図９ａ】
0006419873.tif 000010
【図９ｂ】
0006419873.tif 000011
【図１０】
0006419873.tif 000012
【図１１】
0006419873.tif 000013
【図１２】
0006419873.tif 000014
【図１３】
0006419873.tif 000015
【図１４】
0006419873.tif 000016
【図１５】
0006419873.tif 000017
【図１６】
0006419873.tif 000018
【図１７】
0006419873.tif 000019