(57)【要約】【課題】実用的な単一光子生成装置を提供する。【解決手段】ｐ形電極１１４とｎ形電極１１５とに順方向の電流を流し、ｐｎ接合部１１３にＩ（＝ｆ×ｅ，ｅは素電荷）の定電流が流れている状態とし、トランスデューサ１１６により、ｐｎ接合部１１３に周波数ｆの表面弾性波を印加する。この変調により、表面弾性波によるピエゾ効果で、ｐｎ接合部１１３のバンドギャップが２つの状態に規則正しく変化し、結果として、周波数ｆに同期して規則正しく光子が発生するようになる。【選択図】  図１
2005317722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された半導体から構成されたｐ形領域と、
前記基板の上に形成された半導体から構成されたｎ形領域と、
前記ｐ形領域とｎ形領域とにより形成されたｐｎ接合部と、
前記ｐｎ接合部の状態を周波数ｆで変調する状態変調手段と
を少なくとも備え、
前記ｐｎ接合部は、前記ｆに素電荷を乗じた値の順方向電流が流される
ことを特徴とする単一光子生成装置。
【請求項２】
請求項１記載の単一光子生成装置において、
前記状態変調手段は、前記ｐｎ接合部に前記周波数ｆの表面弾性波を与えるトランスデューサであり、
前記ｐｎ接合部の寸法は、前記表面弾性波の波長より小さい
ことを特徴とする単一光子生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子１個からなる光パルスを発生することのできる単一光子生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単一光子を発生する装置は、量子情報処理の基本となる装置である。これまでに、単一光子を発生する方法として、最もよく用いられてきたものは、レーザや発光ダイオードから得られる光をアッテネータにより減衰するものであった（非特許文献１参照）。しかしながら、レーザや発光ダイオードから得られる光の光子分布がランダムであるため、単位時間に２個の光子が同時に発生する確率を減らそうとすると、単位時間に全く光子が発生しない確率が増大し、問題となる。また、上述した方法では、単一光子が得られても、光子の発生間隔を一定にすることが不可能である。
【０００３】
上述した問題を解消する技術として、量子ドットを光励起した際に形成される励起子を利用した単一光子発生素子が提案されている（非特許文献２参照）。この素子は、複数の励起子が量子ドット中に励起されても、励起子が再結合して発光する際の波長が、量子ドット内の励起子数によりわずかに変化することを利用すると、光子１個の発生が可能になることを利用したものである。量子ドット中に励起された複数の励起子の中で、最後に残った励起子１個が発光する波長に分光器を合わせておけば、各励起毎に必ずこの波長で１回だけ発光することになる。
【０００４】
また、微細構造におけるキャリアのクーロン反発、すなわちクーロンブロッケード特性を利用し、微細ｐｎ接合に単一時間に１個ずつ電子，正孔を供給し、単一光発生を実現する技術も提案されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】E.Waks et.al., Nature 420, 762(2002).
【非特許文献２】C.Santori et.al., Phys. Rev. Lett. 86, 1502(2001).
【非特許文献３】A.Imamoglu et.al., Phys. Rev. Lett. 72, 210(1994).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献２の技術では、光励起が必要であり、また、一度励起すると完全に励起子が量子ドット内で消滅するまで次の励起ができないため、光子発生の間隔が長くなり、実効的には１０ＭＨｚ程度の繰り返しが限界であった。また、非特許文献３の技術では、素子構造が複雑になり、周辺に影響を与えることなく微細な特定の電極のみに微小な高速パルス電圧を印加することが困難である。
以上に説明したように、従来では、実用的な単一光子発生素子が実現されていない。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、実用的な単一光子生成装置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】
【０００７】
本発明に係る単一光子生成装置は、基板の上に形成された半導体から構成されたｐ形領域と、基板の上に形成された半導体から構成されたｎ形領域と、ｐ形領域とｎ形領域とにより形成されたｐｎ接合部と、ｐｎ接合部の状態を周波数ｆで変調する状態変調手段とを少なくとも備え、ｐｎ接合部には、ｆに素電荷を乗じた値の順方向電流が流されるようにしたものである。
従って、流した電流に相当する数の光子の発生が、周波数ｆで変調されたｐｎ接合の状態に対応して起こるようになる。
【０００８】
上記単一光子生成装置において、状態変調手段は、ｐｎ接合部に周波数ｆの表面弾性波を与えるトランスデューサであればよく、この場合、ｐｎ接合部の寸法は、表面弾性波の波長より小さい方がよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、ｆに素電荷を乗じた値の順方向電流が流されるｐｎ接合部の状態を、周波数ｆで変調するようにしたので、流した電流に相当する数の光子の発生が、周波数ｆで変調されたｐｎ接合の状態に対応して周期的に規則正しく起こるようになり、実用的な単一光子生成装置が得られるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における単一光子生成装置の構成例を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
図１に示す装置は、図１（ａ）に示すように、ＧａＡｓからなる基板１０１に形成されたｐ形領域１１１とｎ形領域１１２を備える。
【００１１】
ｐ形領域１１１とｎ形領域１１２は、ｐｎ接合部１１３によりｐｎ接合を形成している。また、ｐ形領域１１１の他端には、ｐ形電極１１４が設けられ、ｎ形領域１１２の他端には、ｎ形電極１１５が設けられている。
また、基板１０１の上には、ｐｎ接合部１１３に体して表面弾性波を与えるトランスデューサ１１６が設けられている。トランスデューサ１１６は、周波数ｆの表面弾性波をｐｎ接合部１１３に対して作用させ、ｐｎ接合部１１３の状態を周波数ｆで変調する状態変調手段である。なお、周波数ｆによるｐｎ接合部の状態の変調については、後述する。
【００１２】
ｐ形領域１１１，ｎ形領域１１２は、図１（ｂ）に示すように、まず、基板１０１の上に形成された、例えばシリコンが不純物として添加されたＡｌＧａＡｓからなる膜厚２μｍのｎ形半導体層１０２と、ｎ形半導体層１０２の上に形成されたＧａＡｓからなる膜厚０．１〜０．２μｍの中間半導体層１０３とを備える。加えて、ｐ形領域１１１，ｎ形領域１１２は、中間半導体層１０３の上に形成された、例えばベリリウムが不純物として添加されたＡｌＧａＡｓからなる膜厚０．１μｍのｐ形半導体層１０４を備え、ｎ形領域１１２のｐ形半導体層１０４は、ｐ形領域１１１のｐ形半導体層１０４より薄く形成されている。この構成とすることで、以降に説明するように、ｐｎ接合部１１３が実現できる。
【００１３】
ｐ形半導体層１０４における不純物の濃度を、ｎ形半導体層１０２における不純物濃度より高くすることなどにより、ＧａＡｓからなる中間半導体層１０３においては、正孔がキャリアとなるｐ形の状態が得られる。この状態で、部分的に薄いｐ形半導体層１０４の領域を形成すると、薄くした領域の中間半導体層１０３は電子がキャリアのｎ形の状態となる。従って、部分的に薄いｐ形半導体層１０４の領域と、これ以外の領域とで、ｐｎ接合部が形成されるようになる。
【００１４】
また、ｐ形領域１１１とｎ形領域１１２とのｐｎ接合部１１３の形成領域は、図１（ｃ）に示すように、基板１０１より離れるほど細くなるいわゆるメサ形状に形成されている。このように構成し、メサ形状の上面の幅を０．５μｍとすることで、ｐｎ接合部１１３の接合長さは、例えば０．５μｍとされている。メサ形状とすることで、基板１０１の表面を伝搬する表面弾性波が、メサ形状の上部のｐｎ接合部１０３にまで作用するようになる。
【００１５】
図１に示した単一光子生成装置において、ｐ形電極１１４とｎ形電極１１５とに順方向の電流を流し、ｐｎ接合部１１３にＩ（＝ｆ×ｅ，ｅは素電荷）の定電流が流れている状態とし、トランスデューサ１１６により、ｐｎ接合部１１３に周波数ｆの表面弾性波を印加する。この変調により、表面弾性波によるピエゾ効果で、ｐｎ接合部１１３のバンドギャップは、図２（ａ）に示す状態と図２（ｂ）に示す状態とに規則正しく変化する。
上述した変調により、図１に示す単一光子生成装置によれば、周波数ｆに同期して規則正しく光子が発生するようになる。
【００１６】
以下、光子の発生について説明する。
ｐｎ接合部に順方向の電流を流すと、接合部における電子，正孔の再結合に対応して光子が発生する。品質のよいｐｎ接合部では、一対の電子，正孔が再結合するたびに、光子１個が発生することが期待される。
ｐｎ接合部を定電流「Ｉ＝ｆｅ（ｅは素電荷）」で駆動した場合、流した電流に相当する数の光子の発生が期待されるが、電子，正孔は自由に流れるため、図３（ａ）に示すように、再結合（光子の発生）はランダムに生じる。
【００１７】
以上の状態に対し、ｐｎ接合部にＩ＝ｆｅの電流を流しながら、同時にｐｎ接合部における再結合に影響を与えるパラメータ（状態）を同じ周波数ｆで変調すると、ｐｎ接合部における再結合の状態が、周波数ｆに同期して変化する。言い換えると、上記再結合の起きやすい状態（促進状態）と、再結合の起きにくい状態（抑制状態）とが、周波数ｆに同期して起こるようになる。図２（ａ）に示すバンド状態は、抑制状態であり、図２（ｂ）に示す状態は、促進状態である。
【００１８】
上述した２つの状態変化に対し、ｐｎ接合部で定電流Ｉ＝ｆｅが保たれていれば、促進状態のときに選択的に光子の発生が起こるようになり、図３（ｂ）に示すように、１つの再結合（１つの光子の発生）が、周波数ｆに同期して規則正しく行われるようになる。図３（ｂ）では、約５００ＭＨｚで、ｐｎ接合部の特性の変調を行った場合を示している。
【００１９】
図１に示した単一光子生成装置は、ｐｎ接合部１１３における特性の変調を、トランスデューサ１１６より発生される周波数ｆの表面弾性波で行うものである。ここで、ｐｎ接合部の長さが表面弾性波の波長λより大きくなると、ｐｎ接合部の内部で表面弾性波により電子，正孔の再結合が促進される部分と抑圧させる部分とが出現し、平均すると効果がなくなる。従って、ｐｎ接合部の寸法は、表面弾性波の波長よりも小さくする。
【００２０】
ＧａＡｓから構成されて周波数ｆがＧＨｚ程度の場合、ｐｎ接合部の寸法は、０．１〜数μｍ程度であればよい。０．１〜数μｍ程度の寸法の形状は、現状の微細加工技術であれば十分作製可能である。なお、表面弾性波の波長は、周波数ｆやｐｎ接合が形成されている部分の材料により変化する。
図１に示す単一光子生成装置では、ｐｎ接合部１１３に流す電流は基本的に直流であり、表面弾性波の発生手段であるトランスデューサ１１６は、ｐｎ接合部１１３から十分に離れた基板１０１の上に設置できる。従って、トランスデューサ１１６に加える高周波の信号が、ｐｎ接合部１１３に悪影響を与えることがない。
【００２１】
また、ＧＨｚ程度の表面弾性波を得ることも困難ではなく、図１に示す単一光子生成装置によれば、規則正しい電子，正孔の再結合による規則正しい光子の発生が、１０ナノ秒以下の高速な繰り返しで実現できるようになる。
なお、図１では、表面弾性波をｐｎ接合部１１３に対して斜めの方向から照射するようにしたが、ｐｎ接合部１１３のバンド構造などの変調は、いずれの方向からも可能であり、ｐｎ接合部１１３の状況により、他の角度から照射するようにしてもよい。
【００２２】
ところで、ｐｎ接合部は、例えば、ＧａＡｓからなる基板の表面に、選択的に不純物導入領域を形成することで形成するようにしてもよい。例えば、ＧａＡｓ基板の表面に、シリコンを導入することでｎ形領域を形成し、ｎ形領域に接してベリリウムを導入することでｐ形領域を形成すれば、ＧａＡｓ基板の上にｐｎ接合部が形成できる。ｐｎ接合部の状態を表面弾性波で変調する場合、上述したようにｐｎ接合部を形成したＧａＡｓ基板の上の他の領域に、トランスデューサを設ければよい。
【００２３】
実際には、ｐ形領域からｎ形領域への遷移部分は実効的にｉ形の領域となる場合も多く、積極的にｉ形の領域を設けることもできる。この場合、ｐｎ接合部に順バイアス（Ｉ＝ｆｅ，ｅは素電荷）を加えて表面弾性波により変調（周波数ｆ）を加えると、図４（ａ），図４（ｂ）に示すようにバンド構造が変調される。図４（ａ）に示すバンド状態は、抑制状態であり、図４（ｂ）に示す状態は、促進状態である。
【００２４】
なお、上述では、ＧａＡｓ系の材料により構成するようにしたが、表面弾性波を用いた同様の効果は、発光効率の高い高品質のｐｎ接合部が形成できる半導体で、表面弾性波による変調が可能な材料や方向であれば、特定の材料に限定されるものではない。
例えば、直接遷移型の半導体に、ｐ形の領域とｎ形の領域とを形成し、これらｐ形領域とｎ形領域とによりｐｎ接合部が形成されればよい。また、ｐ形の半導体とｎ形の半導体とを接触させることで、ｐｎ接合部が形成されているようにしてもよい。
【００２５】
また、上述した実施の形態では、表面弾性波を用いてｐｎ接合部を変調するようにしたが、これに限るものではない。ｐｎ接合部に流すＩ＝ｆｅの電流に対して周波数ｆでｐｎ接合部の状態が変調され、ｐｎ接合部の全体で平均したときに変調が消滅することがなければ、上述した規則正しい光子の発生動作が得られる。ここで、ｐｎ接合部の状態とは、バンドギャップ，キャリア（電子，正孔）の状態密度，キャリアのエネルギー，光学遷移確率，屈折率などである。
【００２６】
従って、表面弾性波以外の異なる手法により、周波数ｆの変調を加えるようにしても、図１に示した単一光子生成装置と同様に、周期１／ｆで規則正しく光子を発生させることが可能となる。
例えば、ｐｎ接合部に、周期的にマイクロ波を照射することでｐｎ接合部の状態を変調することで、規則正しく光子を発生させることが可能となる。マイクロ波の照射により、キャリアのエネルギーが増加し、ｐｎ接合部の状態が変調される。この場合、マイクロ波が周期的に照射されたときに、ｐｎ接合部に「Ｉ＝ｆｅ」の電流が流れる状態となるように、ｐｎ接合部に加えるバイアス電圧の値を制御する。
【００２７】
なお、実際に効率よく光子を取り出すためには、ｐｎ接合部に接続するように光子の導波路を設け、電子と正孔との再結合により生じた光子を、分散させることなく集めるようにすればよい。例えば、光子に対する屈折率が異なる２種類の膜が積層された多層構造の円柱を、ｐｎ接合部に接して設ければよい。円柱の径は、光子がシングルモードで導波する寸法とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態における単一光子生成装置の構成例を示す平面図（ａ），断面図（ｂ），（ｃ）である。
【図２】表面弾性波の変調により変化するｐｎ接合部１１３のバンドギャップの状態を示す説明図である。
【図３】光子発生の状態を説明するための説明図である。
【図４】表面弾性波の変調により変化するｐｎ接合部１１３のバンドギャップの状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１…基板、１０２…ｎ形半導体層、１０３…中間半導体層、１０４…ｐ形半導体層、１１１…ｐ形領域、１１２…ｎ形領域、１１３…ｐｎ接合部、１１４…ｐ形電極、１１５…ｐ形領域、１１６…トランスデューサ。
【図１】
2005317722.tif 000003
【図２】
2005317722.tif 000004
【図３】
2005317722.tif 000005
【図４】
2005317722.tif 000006