JP2001168353A - Optical element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光素子に関し、よ
り詳細には、3つのエネルギ準位を介した電子状態の独
特の遷移を利用して、光などの電磁波を電気信号に変換
可能とした光素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device, and more particularly, to an optical device capable of converting an electromagnetic wave such as light into an electric signal by utilizing a unique transition of an electronic state through three energy levels. To an optical element.
【0002】[0002]
【従来の技術】量子井戸(quantum well)中に形成され
る量子準位を利用すると新規な光素子を実現することが
できる。2. Description of the Related Art A novel optical device can be realized by utilizing a quantum level formed in a quantum well.
【0003】図17は、量子井戸に基底状態と励起状態
が形成されたようすを表す概念図である。すなわち、同
図(a)に表したように、電場を印加しない状態におい
て、量子井戸中には基底状態|1>と励起状態|2>と
が形成され、電子はいずれかの状態をとることができ
る。FIG. 17 is a conceptual diagram showing a state where a ground state and an excited state are formed in a quantum well. That is, as shown in FIG. 2A, in a state where no electric field is applied, a ground state | 1> and an excited state | 2> are formed in the quantum well, and electrons take one of the states. Can be.
【0004】このような量子井戸に対して、外から入射
する光のエネルギが基底状態と励起状態のエネルギ差に
対応するものであれば、電子は基底状態|1>から励起
状態|2>に遷移することができる。しかも、同図
(b)に例示したように、このエネルギ差は量子井戸に
電場を印加することにより調整できる。このような量子
井戸を利用した光素子は、A.Barenco らにより開示され
ている(A.Barenco et al,Phys.Rev.Lett. Vol.74,p408
3(1994))。In such a quantum well, if the energy of light incident from the outside corresponds to the energy difference between the ground state and the excited state, electrons move from the ground state | 1> to the excited state | 2>. Can transition. Moreover, as illustrated in FIG. 2B, this energy difference can be adjusted by applying an electric field to the quantum well. An optical device using such a quantum well is disclosed by A. Barenco et al. (A. Barenco et al, Phys. Rev. Lett. Vol. 74, p408).
3 (1994)).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の如く量
子井戸内の2つの状態を利用する場合には、励起状態に
ある電子は容易に光を放出して、基底状態に落ちてしま
う可能性がある。このために、電子の分布を特に励起状
態にあるとき長期に渡って保持することが困難であっ
た。However, when the two states in the quantum well are used as described above, the electrons in the excited state may easily emit light and fall to the ground state. There is. For this reason, it has been difficult to maintain the distribution of electrons for a long period of time, especially in the excited state.
【0006】また、前述した光素子の場合には、電子分
布の信号出力を光として放出させるため、電子素子との
結合が困難であった。Further, in the case of the above-mentioned optical element, since the signal output of the electron distribution is emitted as light, it has been difficult to couple with the electronic element.
【0007】これに対して、3準位系を利用した光素子
が、A.Imamogleらにより提案されている(A.Imamogle a
nd R.J.Ram,Opt,Lett. Vol.19,1744(1994))。On the other hand, an optical device using a three-level system has been proposed by A. Imamogle et al.
nd RJRam, Opt, Lett. Vol. 19, 1744 (1994)).
【0008】図18は、3準位系光素子の構成を表す概
念図である。すなわち、ソース113とドレイン114
との間には、サイズが小さい量子井戸W1とサイズが大
きい量子井戸W2が設けられいる。量子井戸W1には、
基底状態の量子準位|2>が形成され、量子井戸W2に
は基底状態の量子準位|1>と励起状態の|3>が形成
されている。FIG. 18 is a conceptual diagram showing the configuration of a three-level optical device. That is, the source 113 and the drain 114
Between them, a quantum well W1 having a small size and a quantum well W2 having a large size are provided. In the quantum well W1,
A ground state quantum level | 2> is formed, and a ground state quantum level | 1> and an excited state | 3> are formed in the quantum well W2.
【0009】このような3準位系光素子においては、量
子準位|2>と|3>とが井戸間を越えて結合する状態
を利用することにより、電子を基底状態|1>か基底状
態|2>のいずれかの準位に分布させることができる。
しかし、この従来例においては、電子はドレイン側に定
常的に流れることになり、消費電力の観点から好ましく
ない。In such a three-level optical device, by utilizing the state in which the quantum levels | 2> and | 3> are coupled across the wells, electrons can be transferred to the ground state | 1> or the ground state | 1>. State | 2>.
However, in this conventional example, electrons flow constantly to the drain side, which is not preferable from the viewpoint of power consumption.
【0010】一方、3準位を有する材料系を高い反射率
を有する表面を持つキャビティの中に閉じ込めることに
より、量子計算機として機能させる方法が提案されてい
る(T.Pellizzari et al.,Phys. Rev. Lett. Vol. 75,
p3788 (1995))。3準位系において、基底状態と第1励
起状態、あるいは基底状態と第2励起状態間に対応する
波長の光をキャビティの中に閉じ込めることにより、材
料間の界面で、光などの電磁波が反射して、特定の周波
数と波長をもった定在波のみが存在できるようになる。
これを利用して、上記の3準位系の電子状態を電磁場的
に結合させることができるのである。この定在波は「キ
ャビティモード(cavity mode)」と称される。そし
て、このキャビティモードを用いた3準位系の量子計算
機を半導体量子ドットを用いて、実現しようとする提案
がなされている(M. S. Sherwin etal, Phys. Rev. A,
Vol. 60, p3508(1999), A. Imamoglu et a1. ,Phys. Re
v.Lett. Vol. 83, p4204(1999))。On the other hand, a method has been proposed in which a material system having three levels is confined in a cavity having a surface having a high reflectivity so as to function as a quantum computer (T. Pellizzari et al., Phys. Rev. Lett. Vol. 75,
p3788 (1995)). In a three-level system, by confining light having a wavelength corresponding to the ground state and the first excited state or between the ground state and the second excited state in the cavity, electromagnetic waves such as light are reflected at the interface between the materials. As a result, only a standing wave having a specific frequency and wavelength can be present.
By utilizing this, the electronic states of the three-level system can be coupled electromagnetically. This standing wave is called "cavity mode". A proposal has been made to realize a three-level quantum computer using a cavity mode using semiconductor quantum dots (MS Sherwin et al., Phys. Rev. A,
Vol. 60, p3508 (1999), A. Imamoglu et a1., Phys. Re.
v. Lett. Vol. 83, p4204 (1999)).
【0011】図19は、この提案の原理を表す概念図で
ある。すなわち、所定の基体200の上に量子ドット2
10が設けられ、物性が異なる材料を用いた埋め込み層
220により適宜埋め込まれている。このような量子ド
ットの内部で電子的な遷移が生ずると光などの電磁波が
放出される。この提案においては、この電磁波をプロー
ブ230により検出する。プローブ230としては、例
えば先端に集光手段を有する光ファイバなどを用いるこ
とができる。検出された電磁波の波長(ωa、ωb・・・
など)に応じて遷移状態を判定することができる。FIG. 19 is a conceptual diagram showing the principle of this proposal. That is, the quantum dots 2 are formed on a predetermined substrate 200.
10 are provided, and are appropriately buried by a burying layer 220 using materials having different physical properties. When an electronic transition occurs inside such a quantum dot, an electromagnetic wave such as light is emitted. In this proposal, this electromagnetic wave is detected by the probe 230. As the probe 230, for example, an optical fiber having a light collecting means at the tip can be used. The wavelengths of the detected electromagnetic waves (ωa, ωb ...
Etc.) can be determined.
【0012】しかし、この量子計算機においては、以下
の点で問題があった。However, this quantum computer has the following problems.
【0013】まず第1に、量子計算の結果の読み出し
は、量子ドット系から放出される光などの電磁波を利用
しているために、その信号の検出効率が悪い。First, since the reading of the result of the quantum calculation uses an electromagnetic wave such as light emitted from the quantum dot system, the signal detection efficiency is low.
【0014】また第2に、量子ドット1つ1つの読み込
みと読み出しの電極を形成する必要があるため、近接場
光を利用するなどの技術が必要であり、生産技術の観点
から実現が困難な構造である上に、計算エラーや読み取
りエラーも引き起こしやすいうという問題もあった。Second, since it is necessary to form reading and reading electrodes for each quantum dot, a technique such as the use of near-field light is required, which is difficult to realize from the viewpoint of production technology. In addition to the structure, there is a problem that calculation errors and reading errors are likely to occur.
【0015】本発明は、上述した課題の認識に基づいて
なされたものであり、その目的は、光などの電磁波の信
号を効率よく電気信号に変換することができる光素子を
提供することにある。The present invention has been made based on the recognition of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an optical element capable of efficiently converting an electromagnetic wave signal such as light into an electric signal. .
【0016】また、本発明のもうひとつの目的は、量子
ドットからの微弱な信号を効果的に通常の電子デバイス
に伝送することが可能で、現在の微細加工技術で製造が
可能な量子計算機を実現する光素子を提供することにあ
る。Another object of the present invention is to provide a quantum computer capable of effectively transmitting a weak signal from a quantum dot to an ordinary electronic device and capable of being manufactured by the current fine processing technology. An object of the present invention is to provide an optical element that can be realized.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光素子は、半導体基板と、前記半導体基板
上に設けられた高抵抗層と、前記高抵抗層の上に設けら
れエネルギ準位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γと
を少なくとも有する検出部と、を備え、前記エネルギ準
位αから前記エネルギ準位βへの遷移に対応するエネル
ギを有する第1の電磁波と前記エネルギ準位γから前記
エネルギ準位βへの遷移に対応するエネルギを有する第
2の電磁波とが前記検出部に照射されることによる前記
検出部における電子状態の変化を前記高抵抗層の下部に
おいて前記半導体基板に流れる電流の変化として検出可
能としたことを特徴とする。To achieve the above object, an optical device according to the present invention comprises a semiconductor substrate, a high resistance layer provided on the semiconductor substrate, and a high resistance layer provided on the high resistance layer. A detection unit having at least an energy level α, an energy level β, and an energy level γ, and a first electromagnetic wave having energy corresponding to a transition from the energy level α to the energy level β. A change in an electronic state in the detection unit due to irradiation of the detection unit with a second electromagnetic wave having an energy corresponding to the transition from the energy level γ to the energy level β is described below the high resistance layer. Wherein a change in a current flowing through the semiconductor substrate can be detected.
【0018】ここで、「高抵抗層」とは、いわゆる絶縁
体を含む概念である。Here, the “high resistance layer” is a concept including a so-called insulator.
【0019】ここで、前記検出部は、複数の結合量子ド
ットを有し、前記複数の結合量子ドットのそれぞれは、
前記エネルギ準位αが形成された第1の量子ドットと、
前記エネルギ準位γが形成された第2の量子ドットと
が、電荷がトンネリング可能な障壁によって隔てられた
ものとして構成することができる。Here, the detection section has a plurality of coupled quantum dots, and each of the plurality of coupled quantum dots is
A first quantum dot on which the energy level α is formed;
The second quantum dot on which the energy level γ is formed can be configured as being separated by a barrier capable of tunneling charges.
【0020】さらに、前記第1の量子ドットと前記第2
の量子ドットとは、電子が閉じこめられる空間の体積が
異なるものとすることができる。Further, the first quantum dot and the second quantum dot
The quantum dot can have a different volume of space in which electrons are confined.
【0021】または、前記検出部は、電磁波誘起透明化
現象を生ずる材料からなるものとすることができる。Alternatively, the detection section may be made of a material that causes an electromagnetic wave-induced transparency phenomenon.
【0022】または、前記検出部は、複数の量子ドット
を有し、前記複数の量子ドットのそれぞれは、第1の物
質からなる量子ドットの中に前記第1の物質とは異なる
第2及び第3の物質をそれぞれ含有することにより前記
前記エネルギ準位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γ
とを有するものとすることもできる。Alternatively, the detection section has a plurality of quantum dots, and each of the plurality of quantum dots is a second and a second quantum dot different from the first substance in the quantum dots composed of the first substance. 3, the energy level α, the energy level β, and the energy level γ
And may have the following.
【0023】一方、本発明の光素子は、前記エネルギ準
位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γとを少なくとも
有する前記検出部に対して電界を印加することにより前
記エネルギ準位α、β及びγの相対的な関係を変化させ
る電極をさらに備えたものとすることもできる。On the other hand, the optical element according to the present invention is characterized in that an electric field is applied to the detecting section having at least the energy level α, the energy level β, and the energy level γ, so that the energy levels α, β And γ may be further provided.
【0024】また、前記エネルギ準位αとエネルギ準位
βとエネルギ準位γとを少なくとも有する前記検出部の
周囲の少なくとも一部において屈折率の差が生ずるよう
に異なる材料が設けられたものとすることもできる。Further, different materials are provided so that a difference in refractive index occurs in at least a part of the periphery of the detecting section having at least the energy level α, the energy level β, and the energy level γ. You can also.
【0025】本願明細書において「量子ドット」とは、
荷電粒子を一定の空間に閉じこめることによって量子的
なサイズ効果によるエネルギの離散準位を出現させた微
小材料体のことをいう。その形状は、略球状、半球状、
直方体状、ピラミッド状、その他の多面体状あるいは不
定形状など各種のものを挙げることができる。In the specification of the present application, “quantum dot” means
It refers to a minute material body in which charged particles are confined in a certain space to generate a discrete energy level due to a quantum size effect. Its shape is approximately spherical, hemispherical,
Examples include various shapes such as a rectangular parallelepiped shape, a pyramid shape, other polyhedral shapes, and irregular shapes.
【0026】また、「結合量子ドット」とは、近接して
配置された2以上の量子ドットの組み合わせであって、
これらの量子ドット間でエネルギ準位のカップリングが
生じているものをいう。従って、結合量子ドットにおい
ては、量子ドットの間で電子の遷移が生じうる。The term “coupled quantum dot” refers to a combination of two or more quantum dots arranged close to each other,
It means that energy level coupling occurs between these quantum dots. Therefore, in a coupled quantum dot, electron transition may occur between quantum dots.
【0027】以上説明した各構成においては、3準位以
上の量子状態における電子の分布の性質を利用して、光
もしくは電磁波として入力した光の信号を電子の電流変
化として変換することができる。In each of the configurations described above, a signal of light input as light or electromagnetic waves can be converted as a change in electron current by utilizing the nature of the distribution of electrons in a quantum state of three or more levels.
【0028】図4に関して後に詳述するように、3準位
系において光Aと光Bの強度を調整することにより電子
を|1>か|2>に自由に分布させることができ、さら
にこの|1>と|2>の電子の状態は|3>以上の電子
のエネルギー準位の「ばらつき」の影響を受けないとい
う特性を持っている。As will be described later in detail with reference to FIG. 4, by adjusting the intensity of light A and light B in a three-level system, electrons can be freely distributed to | 1> or | 2>. The states of the electrons | 1> and | 2> have the property that they are not affected by the “variation” of the energy levels of the electrons | 3> or more.
【0029】この3準位系の状態は、多くの電子がコヒ
ーレントに同じ状態をとるため、素子全体に渡って、外
部から入力してきた微弱な信号を有効に吸収することが
可能となる。電子を量子準位|1>もしくは|2>に分
布させたときこの系は電気双極子を形成することにな
る。In the state of the three-level system, since many electrons take the same state coherently, it becomes possible to effectively absorb a weak signal input from the outside over the entire device. This system forms an electric dipole when the electrons are distributed at the quantum levels | 1> or | 2>.
【0030】このような3準位系を半導体基板上に絶縁
膜もしくは抵抗の高い物質を介して形成すると、この電
気双極子の状態に応じて基板との電気キャパシタンスな
どが変化し、基板を流れる電流値を変えることができ
る。しかも、上述したように、3準位系が分子あるいは
量子ドットにまたがってコヒーレントに同じ状態を取る
ために、基板を流れる電流は効率よく検知することがで
きる。When such a three-level system is formed on a semiconductor substrate via an insulating film or a substance having a high resistance, the electric capacitance with the substrate changes according to the state of the electric dipole and flows through the substrate. The current value can be changed. Moreover, as described above, since the three-level system coherently takes the same state across molecules or quantum dots, the current flowing through the substrate can be efficiently detected.
【0031】[0031]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0032】(第1の実施の形態)まず、本発明の第1
の実施の形態として、「結合量子ドット」を利用し受光
素子として機能する光素子について説明する。(First Embodiment) First, the first embodiment of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, an optical element that functions as a light receiving element using “coupled quantum dots” will be described.
【0033】図1は、本発明の第1の実施の形態にかか
る光素子の構成を概念的に表す斜視図である。すなわ
ち、本発明の受光素子10Aは、シリコン(Si)など
の基板11上に形成され、ソース部13とドレイン部1
4とこれらの間に設けられたチャネル部15とを有す
る。FIG. 1 is a perspective view conceptually showing the configuration of an optical device according to the first embodiment of the present invention. That is, the light receiving element 10A of the present invention is formed on a substrate 11 such as silicon (Si),
4 and a channel portion 15 provided therebetween.
【0034】チャネル部15の上には、「高抵抗層」と
しての絶縁膜16が設けられ、この上に結合量子ドット
18が形成されている。An insulating film 16 as a “high resistance layer” is provided on the channel portion 15, and a coupling quantum dot 18 is formed thereon.
【0035】図2は、結合量子ドット18を平面的に眺
めた概念図である。すなわち、結合量子ドット18は、
大きい量子ドット18Aと小さい量子ドット18Bとが
結合した量子ドットである。絶縁膜16の上には、この
ような量子ドット対が多数形成されている。FIG. 2 is a conceptual view of the coupled quantum dot 18 as viewed in plan. That is, the coupled quantum dots 18
This is a quantum dot in which a large quantum dot 18A and a small quantum dot 18B are combined. Many such quantum dot pairs are formed on the insulating film 16.
【0036】大きい量子ドット18Aと小さい量子ドッ
ト18Bとを近接して設置することにより、3準位系を
構成することができる。By arranging the large quantum dots 18A and the small quantum dots 18B close to each other, a three-level system can be formed.
【0037】図3は、結合量子ドット18により形成さ
れる3準位系を表す概念図である。すなわち、量子効果
によって、同図(a)に表したように大きい量子ドット
18Aにはエネルギ準位|1>とエネルギ準位|3>と
が形成され、小さい量子ドットにはエネルギ準位|2>
が形成される。エネルギ準位|1>は、エネルギ準位|
2>よりもエネルギ的に低い。これは、大きい量子ドッ
ト18Aの基底離散準位は小さい量子ドット18Bの基
底離散準位に比べて小さいからである。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a three-level system formed by the coupled quantum dots 18. That is, due to the quantum effect, an energy level | 1> and an energy level | 3> are formed in the large quantum dot 18A as shown in FIG. >
Is formed. The energy level | 1> is the energy level |
2> in terms of energy. This is because the base discrete level of the large quantum dot 18A is smaller than the base discrete level of the small quantum dot 18B.
【0038】そして、同図(b)に表したように、大き
い量子ドット18Aと小さい量子ドット18Bとが近接
して配置されている場合には、これらの準位に存在する
波動関数がしみだして、量子井戸間で結合する。その結
果として、量子井戸を越えた電子の遷移が生ずる。When the large quantum dots 18A and the small quantum dots 18B are arranged close to each other as shown in FIG. 4B, the wave functions existing at these levels seep out. Coupling between the quantum wells. The result is a transition of electrons across the quantum well.
【0039】図4は、この遷移を概念的に表す説明図で
ある。すなわち、同図に例示したように、結合量子ドッ
ト18においては、大きい量子ドットに形成される励起
準位|3>が小さい量子ドット18Bに結合して3準位
系を構成している。FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing this transition. That is, as illustrated in the figure, in the coupled quantum dot 18, the excitation level | 3> formed in the large quantum dot is coupled to the small quantum dot 18B to form a three-level system.
【0040】このような3準位系において、エネルギ準
位|2>とエネルギ準位|3>とのエネルギ差に相当す
るエネルギ(すなわち波長)を有する光Aと、エネルギ
準位|1>とエネルギ準位|3>とのエネルギ差に相当
するエネルギ(すなわち波長)を有する光Bとが入射す
ると、光Aと光Bによる遷移過程の干渉効果により、電
子は状態|3>に分布する必要がなく|1>と|2>の
2つの状態の間を遷移させることができる。In such a three-level system, light A having energy (ie, wavelength) corresponding to the energy difference between energy level | 2> and energy level | 3>, and energy level | 1> When light B having an energy (ie, wavelength) corresponding to the energy difference with the energy level | 3> is incident, electrons need to be distributed in the state | 3> due to the interference effect of the transition process between the light A and the light B. , It is possible to make a transition between the two states | 1> and | 2>.
【0041】その結果として、このような3準位系にお
いては、光Aと光Bの強度を調整することにより、電子
を基底準位|1>と第1励起準位|2>に自由に分布さ
せることができる。さらに、これらの基底準位|1>と
第1励起準位|2>の電子の状態は結合励起準位|3>
あるいはそれよりも高い電子エネルギー準位のばらつき
の影響を受けないという特徴を有する。このメカニズム
に関しては、本発明者らが開示した文献に詳細が報告さ
れている(K.Ichimura et al.Phys.Rev. A58,4116 (199
8), K.Yamamoto et al.,Phys.Rev. A58,P2460 (1998)
)。As a result, in such a three-level system, by adjusting the intensity of light A and light B, electrons can freely move to the ground level | 1> and the first excitation level | 2>. Can be distributed. Further, the electron states of the ground level | 1> and the first excitation level | 2> are changed to the combined excitation level | 3>.
Alternatively, it is characterized in that it is not affected by a variation in electron energy level higher than that. Details of this mechanism are reported in the literature disclosed by the present inventors (K. Ichimura et al. Phys. Rev. A58, 4116 (199
8), K. Yamamoto et al., Phys. Rev. A58, P2460 (1998)
).
【0042】この3準位系においては、多くの電子がコ
ヒーレントに同じ状態をとるため、素子全体に渡って、
外部から入力してきた微弱な信号を有効に吸収すること
が可能となる。電子を量子準位|1>もしくは|2>に
分布させたとき、この3準位系は電気双極子を形成する
ことになる。したがって、この3準位系すなわち結合量
子ドット18を半導体基板上に絶縁膜16を介して形成
すると、この電気双極子の状態によって基板11との電
気キャパシタンスなどが変化し、基板を流れる電流値を
変えることができる。しかも上に述べたように、3準位
系が量子ドットにまたがってコヒーレントに同じ状態を
取るために、基板を流れる電流は効率よく検知されるこ
とになる。In this three-level system, many electrons take the same state coherently.
It becomes possible to effectively absorb a weak signal input from the outside. When electrons are distributed at the quantum levels | 1> or | 2>, the three-level system forms an electric dipole. Therefore, when the three-level system, that is, the coupled quantum dot 18 is formed on the semiconductor substrate via the insulating film 16, the electric capacitance with the substrate 11 changes depending on the state of the electric dipole, and the current flowing through the substrate is reduced. Can be changed. Moreover, as described above, since the three-level system coherently takes the same state across the quantum dots, the current flowing through the substrate is efficiently detected.
【0043】図1に例示した具体例について説明する
と、光Aを照射することによって電子が基底準位|1>
に遷移するということは、電子が大きい量子ドット18
Aに局在することである。従って、基板11との間に形
成されるキャパシタンスは大きくなる。これに対して、
光Bを照射すると、電子は第1励起準位|2>すなわち
小さい量子ドットに局在し、その結果として、基板11
との間に形成されるキャパシタンスは小さくなる。The specific example illustrated in FIG. 1 will be described. When the light A is irradiated, the electrons return to the ground level | 1>.
To the quantum dot 18 where the electron is large.
A. Therefore, the capacitance formed between the substrate 11 and the substrate 11 increases. On the contrary,
Upon irradiation with light B, the electrons are localized in the first excitation level | 2>, that is, in the small quantum dots, and as a result, the substrate 11
And the capacitance formed between them becomes smaller.
【0044】このように基板11のチャネル部15に形
成されるキャパシタンスが変化する結果として、ソース
部13とドレイン部14との間を流れる電流が変化す
る。つまり、照射される光Aと光Bの強度成分をチャネ
ル電流の変化として検出することができる。具体的に
は、例えば、図1に例示した素子をノーマリー・オフ型
のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor FET)と
して構成し、ゲート電極を設けることなく、結合量子ド
ット18に光Aまたは光Bを入射させることによってス
イッチング動作させることが可能である。As a result of the change in the capacitance formed in the channel section 15 of the substrate 11, the current flowing between the source section 13 and the drain section 14 changes. That is, the intensity components of the irradiated light A and light B can be detected as a change in the channel current. Specifically, for example, the element illustrated in FIG. 1 is configured as a normally-off type MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET), and light A or light B is incident on the coupled quantum dot 18 without providing a gate electrode. Thus, a switching operation can be performed.
【0045】図1に例示した光素子においては、3準位
系におけるエネルギ準位|1>とこれよりもエネルギ的
にわずかに高いエネルギ準位|2>の2つの準位に電子
を自由に分布させることが可能となる。この3準位系に
おいては、エネルギ準位|1>とエネルギ準位|2>が
量子ドット全般に渡って均一に形成してあれば、比較的
ばらつきやすい2つ目以上の励起状態が均一に分布しな
くても量子ドット系全体に渡ってコヒーレンスを保つこ
とが可能となる。In the optical device illustrated in FIG. 1, electrons can be freely transferred to two levels of an energy level | 1> and a slightly higher energy level | 2> in a three-level system. It can be distributed. In this three-level system, if the energy level | 1> and the energy level | 2> are formed uniformly over the entire quantum dot, the second or more excited states, which are relatively variable, are uniformly formed. It is possible to maintain coherence over the entire quantum dot system without distribution.
【0046】本実施形態の光素子10Aの作製方法の概
略を説明すると以下の如くである。The outline of the method of manufacturing the optical element 10A of the present embodiment is as follows.
【0047】まず、基板11の上に熱酸化法によってS
iO2絶縁膜16を約8nmの膜厚に形成する。次に、
ソース部13とドレイン部14において絶縁膜16を選
択的にエッチング除去し、不純物を拡散させてソース部
13とドレイン部14を形成する。First, S is formed on the substrate 11 by a thermal oxidation method.
An iO 2 insulating film 16 is formed to a thickness of about 8 nm. next,
The insulating film 16 is selectively removed by etching in the source portion 13 and the drain portion 14 and impurities are diffused to form the source portion 13 and the drain portion 14.
【0048】次に、チャネル部15の上に残された絶縁
膜16の上にLPCVD(Low Pressure Chemical Vapo
r Deposition:減圧化学気相成長)法によりシリコン
(Si)からなる直径6nmの量子ドット18Aを形成
する。一旦基板11をLPCVD装置より取り出し、厚
さ1nm程度の自然酸化膜を量子ドット18Aの表面に
形成した後、再びLPCVD法により直径4nm程度の
シリコンの量子ドット18Bを形成する。このとき、最
初に形成した量子ドット18Aとの間隔によって二つの
量子ドット18A、18Bを電気的に結合させることが
できる。本具体例において量子ドット18Aの表面に形
成した膜厚1nm程度の自然酸化膜は、エネルギ準位|
3>における波動関数がトンネリングすることができる
障壁として作用する。従って、自然酸化膜を介して量子
ドット18Aと18Bとが隣接すれば、両者は安定して
結合され、前述した3準位系を構成することができる。Next, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) is formed on the insulating film 16 left on the channel portion 15.
r Deposition: A 6 nm diameter quantum dot 18A made of silicon (Si) is formed by a reduced pressure chemical vapor deposition method. Once the substrate 11 is taken out of the LPCVD apparatus, a natural oxide film having a thickness of about 1 nm is formed on the surface of the quantum dot 18A, and a silicon quantum dot 18B having a diameter of about 4 nm is formed again by the LPCVD method. At this time, the two quantum dots 18A and 18B can be electrically coupled depending on the distance between the first formed quantum dot 18A. In this specific example, a natural oxide film having a thickness of about 1 nm formed on the surface of the quantum dot 18A has an energy level |
3> acts as a barrier that can be tunneled. Therefore, if the quantum dots 18A and 18B are adjacent to each other via the natural oxide film, they are stably coupled to each other, and the three-level system described above can be formed.
【0049】次に、本実施形態の変型例について説明す
る。図5は、本実施形態の変型例にかかる光素子の断面
構成を表す概念図である。同図については、図1乃至図
4に関して前述した部分と同一の部分には、同一の符号
を付して詳細な説明は省略する。Next, a modified example of this embodiment will be described. FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of an optical element according to a modification of the present embodiment. In this figure, the same portions as those described above with reference to FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
【0050】本変型例にかかる光素子10Bは、チャネ
ル部15の上に形成された結合量子ドット18のうえに
絶縁膜19とゲート電極20が積層された構成を有す
る。さらに、基板11の裏面側には、バックゲート電極
30が形成され、バイアス32を印加可能とされてい
る。The optical device 10 B according to the present modification has a configuration in which an insulating film 19 and a gate electrode 20 are stacked on a coupling quantum dot 18 formed on a channel portion 15. Further, a back gate electrode 30 is formed on the back side of the substrate 11 so that a bias 32 can be applied.
【0051】上部ゲート電極構造は、結合量子ドット1
8を形成した後に、CVD法などによりSiO2などか
らなる絶縁膜19を形成し、その上に、例えば、ITO
(indium tin oxide:酸化インジウム錫)、酸化スズ、
酸化インジウムなどを用いた透光性ゲート電極20を形
成する。The upper gate electrode structure is composed of the coupled quantum dot 1
8 is formed, an insulating film 19 made of SiO 2 or the like is formed by a CVD method or the like.
(Indium tin oxide), tin oxide,
The translucent gate electrode 20 using indium oxide or the like is formed.
【0052】このような光素子20Bは、ゲート電極2
0あるいは30に適宜電圧を印加することにより、結合
量子ドットに局在した電荷に関する情報を検知するため
のチャネル電流量を調整することができる。ここで、チ
ャネル電流を調整するためには、上側のゲート電極20
または裏面側のゲート電極30のいずれか一方のみを設
けて適宜バイアスを印加しても良い。Such an optical element 20B has the gate electrode 2
By appropriately applying a voltage to 0 or 30, it is possible to adjust the amount of channel current for detecting information relating to charges localized in the coupled quantum dots. Here, in order to adjust the channel current, the upper gate electrode 20
Alternatively, only one of the gate electrodes 30 on the back side may be provided and a bias may be applied as appropriate.
【0053】なお、図1、図2、図5に表した具体例に
おいては、結合量子ドットとして2つの量子ドットが基
板面内に並べられた構成を例示したが、本発明は、これ
に限定されるものではない。この他にも、例えば、基板
面に対して縦方向に量子ドットが配列され結合している
ものであっても良い。また、3以上の量子ドットが結合
していてそのうちの2つが3準位を形成していても良
い。In the specific examples shown in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 5, a configuration in which two quantum dots are arranged in a substrate plane as coupled quantum dots is exemplified, but the present invention is not limited to this. It is not something to be done. In addition, for example, quantum dots may be arranged and coupled in the vertical direction with respect to the substrate surface. Further, three or more quantum dots may be combined, and two of them may form three levels.
【0054】(第2の実施の形態)次に、本発明の第2
の実施の形態として、電磁波誘起透明化現象(Electric
ally Induced Transparency:EIT)を利用した光素
子について説明する。(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention will be described.
As an embodiment of the invention, the electromagnetic wave induced transparency phenomenon (Electric
An optical element using ally induced transparency (EIT) will be described.
【0055】図6は、本実施形態にかかる光素子の断面
構成を表す概念図である。同図については、図1乃至図
5に関して前述した部分と同一の部分には、同一の符号
を付して詳細な説明は省略する。FIG. 6 is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of an optical device according to the present embodiment. In this figure, the same portions as those described above with reference to FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
【0056】本実施形態の光素子10Cにおいては、チ
ャネル部15の絶縁膜16上に、EITを生ずる材料か
らなるEIT層40が形成されている。ここで、「EI
T」とは、図4に例示したしたように、3準位系におい
て光Aによる遷移課程と光Bによる遷移課程との干渉効
果として、電子の遷移が準位|1>と|2>との間で生
ずる現象である。「EIT」の詳細は、本発明者らが開
示した文献(市原、山本、源間:応用物理第68巻、第
9号、(1999)第1021頁、市原、山本、源巻:
固体物理第34巻、第8号(1999)第715頁)に
記載されている。In the optical device 10 C of this embodiment, an EIT layer 40 made of a material that generates EIT is formed on the insulating film 16 of the channel portion 15. Here, "EI
As illustrated in FIG. 4, “T” refers to the effect of the interference between the transition process due to light A and the transition process due to light B in a three-level system, where the electron transitions are at levels | 1> and | 2>. Is a phenomenon that occurs between For details of “EIT”, see the literatures disclosed by the present inventors (Ichihara, Yamamoto, Genma: Applied Physics Vol. 68, No. 9, (1999) p. 1021, Ichihara, Yamamoto, Genmaki:
Solid State Physics, Vol. 34, No. 8, (1999), p. 715).
【0057】EITが起こる材料としては、希土類イオ
ンのうちで不完全4f殻を有するCe,Pr,Nd,P
m,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,T
m,Ybなどの元素のイオンを、Y2SiO5,YAG
(Yttrium Aluminrm Garnet),YAlO3,LaF3な
どに埋め込むことより形成される結晶を挙げることがで
きる。Materials in which EIT occurs include Ce, Pr, Nd, P having an incomplete 4f shell among rare earth ions.
m, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, T
The ions of elements such as m and Yb are converted to Y 2 SiO 5 , YAG
(Yttrium Aluminrm Garnet), YAlO 3 , LaF 3, and the like.
【0058】このような結晶中においては、図4に例示
した3準位系が形成される。従って、このようなEIT
層40をFET構造上に設けることによって、第1実施
形態に関して前述したように、結晶内の電荷分布に対し
て変化するFET構造のキャパシタンス効果を生じさ
せ、EIT層40内の電子の準位を検知することができ
る。固体EIT結晶においては、結晶内のコヒーレンス
が保たれているため、結晶全体に渡って電子はエネルギ
準位|1>かエネルギ準位|2>のどちらかに分布す
る。従って、一つ一つの双極子のみでは微弱な信号であ
っても、EIT層40全体のチャネル電流に与える変化
として観測することができる。In such a crystal, a three-level system illustrated in FIG. 4 is formed. Therefore, such an EIT
Providing layer 40 on the FET structure causes a varying FET structure capacitance effect on the charge distribution within the crystal and reduces the electron levels in EIT layer 40, as described above with respect to the first embodiment. Can be detected. In a solid-state EIT crystal, since coherence in the crystal is maintained, electrons are distributed to either the energy level | 1> or the energy level | 2> throughout the crystal. Therefore, even a weak signal can be observed as a change applied to the channel current of the entire EIT layer 40 using only each dipole.
【0059】また、本実施形態においても、図5に例示
したようなゲート電極20あるいは裏面ゲート電極30
を同様に設けて同様の効果を得ることができる。Also in this embodiment, the gate electrode 20 or the back gate electrode 30 as illustrated in FIG.
Can be provided in the same manner to obtain the same effect.
【0060】(第3の実施の形態)次に、本発明の第3
の実施の形態として、結合量子ドットに電場を印加する
ことにより動作波長を可変とした光素子について説明す
る。(Third Embodiment) Next, a third embodiment of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, a description will be given of an optical device in which the operating wavelength is changed by applying an electric field to the coupled quantum dots.
【0061】図7は、本実施形態にかかる光素子を表す
概念図である。すなわち、同図(a)は、その平面構
成、同図(b)は、そのA−A線断面構成の一部、同図
(c)は、その量子ドットの等価回路をそれぞれ表す概
念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing an optical device according to this embodiment. That is, FIG. 1A is a conceptual diagram showing the plane configuration, FIG. 2B is a conceptual diagram showing a part of the AA line cross-sectional configuration, and FIG. 1C is a conceptual diagram showing the equivalent circuit of the quantum dot. is there.
【0062】本実施形態の光素子10Dは、基板41の
チャネル部の表面に制御電極42が所定の間隔で形成さ
れている。そして、基板の上に結合量子ドット44が形
成され、これを覆うように絶縁層46が形成され、さら
にその表面に透明ゲート電極48が積層されている。ま
た、このチャネル部をはさんでその両側に、ソース領域
53とドレイン領域54がそれぞれ形成されている。ソ
ース領域53とドレイン領域54は、図示したようにそ
れぞれが分割して形成され、配線により共通接続される
ようにしてもよい。In the optical element 10D of the present embodiment, control electrodes 42 are formed at predetermined intervals on the surface of the channel portion of the substrate 41. Then, a coupling quantum dot 44 is formed on the substrate, an insulating layer 46 is formed so as to cover this, and a transparent gate electrode 48 is further laminated on the surface thereof. A source region 53 and a drain region 54 are formed on both sides of the channel portion. The source region 53 and the drain region 54 may be formed separately from each other as shown in the figure, and may be commonly connected by wiring.
【0063】基板41は、導電性領域41Aが絶縁埋め
込み層41Bにより埋め込まれた構造を有する。このよ
うな構造は、例えば、SOI(silicon on insulator)
ウェーハなどに所定の埋め込み絶縁領域を付加すること
により形成することができる。また、電極42は、基板
上にAl(アルミニウム)やCu(銅)などを堆積し、
ドライエッチングなどによりパターニングして形成する
ことができる。さらに、結合量子ドット44は、例え
ば、LPCVD法等により形成されたSi量子ドットと
することができる。The substrate 41 has a structure in which a conductive region 41A is buried with an insulating burying layer 41B. Such a structure is, for example, SOI (silicon on insulator)
It can be formed by adding a predetermined buried insulating region to a wafer or the like. The electrode 42 is formed by depositing Al (aluminum) or Cu (copper) on the substrate,
It can be formed by patterning by dry etching or the like. Further, the coupling quantum dots 44 can be, for example, Si quantum dots formed by an LPCVD method or the like.
【0064】本実施形態においては、複数の制御電極4
2の間に電圧を与えることにより、結合量子ドット44
に電場を印加することができる。すなわち、量子ドット
44の形成領域ををいくつかの部分に分割し、これらの
分割領域の間に制御電極42を形成することにより、量
子ドット44のポテンシャルプロフィールをこれらの電
極42間にかかる電場で変化させることができる。In this embodiment, a plurality of control electrodes 4
By applying a voltage between the two, the coupled quantum dots 44
An electric field can be applied. That is, by dividing the formation region of the quantum dots 44 into several parts and forming the control electrodes 42 between these divided regions, the potential profile of the quantum dots 44 is changed by the electric field applied between these electrodes 42. Can be changed.
【0065】図8は、電場の印加による結合量子ドット
のポテンシャルの変化を表す概念図である。同図(a)
に表したように電場を印加しない状態に比べて、同図
(b)に表したように結合量子ドットに電場を印加する
と、その強度に応じて量子ドット間のポテンシャルが変
化する。同図においては、状態|2>と|3>のエネル
ギー間隔が電場の印加によって変わることを例示した。
この場合、電場の印加方向と、結合量子ドット44A、
44Bの配列の方向とが合致する必要がある。すなわ
ち、図7(a)に例示したように、結合量子ドット44
A、44Bの配列方向に沿って電場が印加されるよう
に、制御電極42が形成されている。FIG. 8 is a conceptual diagram showing a change in potential of a coupled quantum dot due to application of an electric field. FIG.
When an electric field is applied to the coupled quantum dots as shown in FIG. 4B, the potential between the quantum dots changes according to the intensity as compared to the state where no electric field is applied as shown in FIG. In the figure, it is illustrated that the energy interval between the states | 2> and | 3> changes depending on the application of an electric field.
In this case, the application direction of the electric field and the coupling quantum dots 44A,
The orientation of the 44B array must match. That is, as illustrated in FIG.
The control electrode 42 is formed so that an electric field is applied along the arrangement direction of A and 44B.
【0066】図7(c)に表したように、量子ドットの
大きさの違いに応じて、量子ドット44A、44Bと電
流を流すチャネル部分41Aとの間のキャパシタンスが
異なる。量子ドットのサイズにより、量子ドットに空間
的に分布する電荷の状態に応じて電界効果が異なってく
るからである。そして、第1実施形態に関して前述した
ように、このキャパシタンスの変化に応じて基板41A
を流れる電流が変化する。As shown in FIG. 7C, the capacitance between the quantum dots 44A, 44B and the channel portion 41A through which the current flows differs depending on the size of the quantum dots. This is because the electric field effect varies depending on the state of the charges spatially distributed in the quantum dot depending on the size of the quantum dot. Then, as described above with respect to the first embodiment, the substrate 41A
The current flowing through changes.
【0067】なお、図8において、伝導帯に形成される
量子井戸内の3準位が例示されている、このような3準
位は価電子帯に形成される3準位でもかまわないし、伝
導体と価電子帯にまたがっていてもよい。また、バンド
ギャップ内や、界面等半導体内に形成される任意の不純
物準位でも構わない。FIG. 8 illustrates three levels in the quantum well formed in the conduction band. Such three levels may be three levels formed in the valence band. It may straddle the body and the valence band. Further, any impurity level formed in a semiconductor such as a band gap or an interface may be used.
【0068】また、図7(a)においては、1つの分割
領域に8組の結合量子ドット44が設けられた構成を例
示したが、本発明はこれには限定されず、結合量子ドッ
ト44の数は適宜決定することができる。また、これら
の量子ドットは、Ge(ゲルマニウム)でもSiGeで
も構わない。FIG. 7 (a) shows an example in which eight sets of coupled quantum dots 44 are provided in one divided area. However, the present invention is not limited to this. The number can be determined as appropriate. In addition, these quantum dots may be Ge (germanium) or SiGe.
【0069】さらに、制御電極42の基板41に対する
位置関係についても、図7に表した具体例の他に、量子
ドットと同じ酸化膜46内に形成しても良く、酸化膜4
6の上に形成してもよい。また、基板41の内部に埋め
込んで形成しても良い。Further, in addition to the specific example shown in FIG. 7, the positional relationship between the control electrode 42 and the substrate 41 may be formed in the same oxide film 46 as the quantum dots.
6 may be formed. Further, the substrate 41 may be embedded and formed.
【0070】また、図7には、横方向に2つの量子ドッ
トが結合している場合を表したが、3つ以上の量子ドッ
トが結合した結合量子ドットでも良い。FIG. 7 shows a case where two quantum dots are combined in the horizontal direction. However, a combination quantum dot in which three or more quantum dots are combined may be used.
【0071】図9は、このような3つの量子ドットから
なる結合量子ドットを表す概念図である。同図(a)に
表したように、互いにサイズの異なる3つの量子ドット
44A〜Cが互いに接近して形成されると結合量子ドッ
トとして作用する。そして、同図(b)に表したよう
に、量子ドット間の電子の遷移が可能となり、3準位系
の結合量子ドットとして利用することができる。FIG. 9 is a conceptual diagram showing such a combined quantum dot composed of three quantum dots. As shown in FIG. 3A, when three quantum dots 44A to 44C having different sizes from each other are formed close to each other, they act as coupled quantum dots. Then, as shown in FIG. 3B, electrons can be transferred between the quantum dots, and can be used as a three-level coupled quantum dot.
【0072】次に、本実施形態の変型例について説明す
る。図10は、図7に例示した光素子をより一般化した
構成を表す概念図である。すなわち、同図は、制御電極
によって量子ドットのポテンシャルプロフィールを変化
させるという本実施形態の思想を維持しつつ、量子ドッ
トがより無秩序に形成された光素子10Eを表す。Next, a modified example of this embodiment will be described. FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating a more generalized configuration of the optical element illustrated in FIG. That is, FIG. 10 shows an optical element 10E in which quantum dots are formed more randomly while maintaining the idea of the present embodiment that the potential profile of the quantum dots is changed by the control electrode.
【0073】Si基板上に形成されたSi酸化膜41B
の上に、LPCVDなどの方法によってシリコンの量子
ドットをランダムに形成した場合、形成される量子ドッ
トの密度が高い場合や、幾種類かの異なる材料で数回に
分けて量子ドットを形成したような場合は、入射する光
などの電磁波の周波数に対応したエネルギー準位差をも
つ量子ドット系のみを反応させることができる。Si oxide film 41B formed on Si substrate
On top of that, when quantum dots of silicon are formed at random by a method such as LPCVD, when the density of the formed quantum dots is high, or when the quantum dots are formed several times with several different materials, In such a case, only a quantum dot system having an energy level difference corresponding to the frequency of an electromagnetic wave such as incident light can be reacted.
【0074】図10に例示した制御電極42A、42B
は、結合する量子ドットの向きなどが異なるため、基板
面に対して縦横に設置することにより、より多くの量子
ドットを電場で制御することが可能になる。同図で点線
の部分は、量子ドットの下に酸化膜を介して制御電極が
埋め込まれていることを表すものである。The control electrodes 42A and 42B illustrated in FIG.
Since the directions of the quantum dots to be coupled are different, by installing the quantum dots vertically and horizontally with respect to the substrate surface, it becomes possible to control more quantum dots with an electric field. In the same figure, the dotted line indicates that the control electrode is buried under the quantum dot via an oxide film.
【0075】このように、量子ドットがランダムなの配
列やサイズを有する場合においても、電場の印加方向に
応じて所定の結合量子ドット系において準位間の遷移エ
ネルギを変化させることが可能となる。As described above, even when the quantum dots have a random arrangement or size, it is possible to change the transition energy between the levels in a predetermined coupled quantum dot system according to the direction of application of the electric field.
【0076】(第4の実施の形態)次に、本発明の第4
の実施の形態として、量子ドットを積層させてキャビテ
ィモードを形成させる光素子について説明する。(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, an optical element for forming a cavity mode by stacking quantum dots will be described.
【0077】図11は、本実施形態にかかる光素子の要
部断面構成を表す概念図である。すなわち、本実施形態
の光素子10Fは、GaAs基板61の上にSiドープ
GaAs層62、ノンドープGaAs層63、AlGa
As層64がこの順に積層され、さらにその上に、Ga
As層66に埋め込まれたInAs量子ドット65Aが
配列した層が設けられ、その上にGaAs層66に埋め
込まれたInAs量子ドット65Bが配列した層が設け
られた構成を有する。同図においては、量子ドット65
Aのサイズが量子ドット65Bよりも大きい場合を例示
した。FIG. 11 is a conceptual diagram showing a cross-sectional configuration of a main part of an optical device according to the present embodiment. That is, the optical element 10F of the present embodiment has a Si-doped GaAs layer 62, a non-doped GaAs layer 63, an AlGa
An As layer 64 is stacked in this order, and Ga layer is further formed thereon.
A layer in which InAs quantum dots 65A embedded in the As layer 66 are arranged is provided, and a layer in which InAs quantum dots 65B embedded in the GaAs layer 66 are arranged is provided thereon. In the figure, the quantum dots 65
The case where the size of A is larger than the quantum dot 65B has been illustrated.
【0078】量子ドット65A、65Bの積層体の上に
は、さらにSiドープGaAs層67、AlGaAs層
68が積層され、これら積層体の両端には、閉じ込め領
域69が形成されている。そして、素子の上には、電極
70、71が設けられている。On the stack of quantum dots 65A and 65B, a Si-doped GaAs layer 67 and an AlGaAs layer 68 are further stacked, and confinement regions 69 are formed at both ends of these stacks. Then, electrodes 70 and 71 are provided on the element.
【0079】GaAs基板61上のGaAs層62、A
lGaAs層63などは、例えばMBE(molecular be
am epitaxy)法やMOCVD(metal-organic chemical
vapor deposition)法などにより形成することができ
る。そして、SK(Stranski-Kranstanov)モードとよ
ばれる成長形態を利用してInAsの量子ドット65を
形成する。さらに、GaAs層66でこれらの量子ドッ
トを埋め込み、その上に上層の量子ドット65の形成、
GaAs層66の埋め込みを行う。The GaAs layer 62 on the GaAs substrate 61, A
The lGaAs layer 63 and the like are, for example, MBE (molecular be
am epitaxy) method and MOCVD (metal-organic chemical)
It can be formed by a vapor deposition method or the like. Then, quantum dots 65 of InAs are formed using a growth mode called SK (Stranski-Kranstanov) mode. Further, these quantum dots are embedded in the GaAs layer 66, and an upper quantum dot 65 is formed thereon.
The GaAs layer 66 is buried.
【0080】本具体例においては、量子ドットの積層方
向すなわち上下に積層された量子ドット65A、65B
の間で結合量子ドットが形成される。このように上下方
向に結合した量子ドットの集合体を平面的に複数の領域
に分割し、それぞれに電極(例えば、70、71など)
を設けている。また、SiドープGaAs層67は、こ
れらの結合量子ドットに対して電荷を供給する層として
作用する。In this specific example, the quantum dots 65A and 65B are stacked in the stacking direction of the quantum dots, that is, vertically.
Between them form coupled quantum dots. The assembly of quantum dots coupled in the vertical direction in this way is divided into a plurality of regions in a plane, and electrodes (for example, 70, 71, etc.) are respectively provided.
Is provided. Further, the Si-doped GaAs layer 67 functions as a layer for supplying charges to these coupled quantum dots.
【0081】図11の光素子は、さらに、これらの量子
ドット系とそれを含む材料系を分離し、量子ドット内の
エネルギー準位差に対応して、量子ドット系の電子状態
をキャビティとして高い確率で閉じ込めるために、量子
ドットをとり囲む材料(ここではGaAs層66)とは
屈折率の異なる材料からなる閉じ込め領域69で素子間
を区切る。これにより、量子ドット間にキャビティモー
ドを形成させることができる。閉じ込め領域69の材料
としては、例えば、Nb(ニオブ),Al(アルミニウ
ム)、Hf(ハフニウム)などの金属やSiN(窒化シ
リコン),Ti(チタン)酸化物などを用いることがで
きる。The optical device shown in FIG. 11 further separates the quantum dot system from the material system containing the quantum dot system, and uses the electronic state of the quantum dot system as a cavity corresponding to the energy level difference in the quantum dot. In order to confine the device with probability, the devices are separated by a confinement region 69 made of a material having a different refractive index from the material surrounding the quantum dots (here, the GaAs layer 66). Thereby, a cavity mode can be formed between the quantum dots. As a material of the confinement region 69, for example, a metal such as Nb (niobium), Al (aluminum), Hf (hafnium), SiN (silicon nitride), Ti (titanium) oxide, or the like can be used.
【0082】また、量子ドット系65をとり囲む媒体
は、GaAs層66の代わりに、空気などの気体でも良
く、真空でも良い。また、下層の量子ドット65Aが上
層の量子ドット65Bよりも小さいサイズを有するよう
にしてもよい。The medium surrounding the quantum dot system 65 may be a gas such as air or a vacuum instead of the GaAs layer 66. Further, the lower quantum dots 65A may have a smaller size than the upper quantum dots 65B.
【0083】図12は、本実施形態の光素子の第1の変
型例を表す断面概念図である。同図については、図11
に表したものと同様の要素には同一の符号を付してその
詳細な説明は省略する。FIG. 12 is a conceptual sectional view showing a first modified example of the optical device of this embodiment. FIG.
The same reference numerals are given to the same elements as those described in (1), and the detailed description thereof will be omitted.
【0084】本変型例の光素子10Gにおいては、3個
以上の量子ドット65A、65B、65C・・・が積層
され、この積層方向に結合量子ドット65をそれぞれ形
成している。そして、このように結合した3個以上の量
子ドット内の価電子帯や伝導帯に形成されるいずれか3
つの準位の間での遷移を利用する。積層方向に結合した
結合量子ドットのサイズは、互いに同じでも異なってい
ても良い。サイズが互いに異なる場合には、ドット毎に
互いに異なる準位間での遷移を利用することができる。
一方、結合量子ドットのサイズが同じである場合は、結
合している量子ドットの数に応じてエネルギ準位が複数
の準位にスプリットする。この微細構造による準位間の
遷移を利用することができる。In the optical device 10G of this modified example, three or more quantum dots 65A, 65B, 65C... Are laminated, and the coupling quantum dots 65 are formed in the laminating direction. Then, any one of the three or more quantum dots formed in the valence band or the conduction band in the three or more quantum dots thus combined.
Use transitions between two levels. The sizes of the coupled quantum dots coupled in the stacking direction may be the same or different. When the sizes are different from each other, a transition between levels different from each other can be used for each dot.
On the other hand, when the sizes of the coupled quantum dots are the same, the energy level is split into a plurality of levels according to the number of coupled quantum dots. The transition between levels due to this fine structure can be used.
【0085】また、図11の光素子と同様に、量子ドッ
トをとり囲む材料(ここではGaAs層66)とは屈折
率の異なる材料からなる閉じ込め領域69で素子間を区
切ることにより、量子ドット間にキャビティモードを形
成させることができる。前述したように、量子ドットを
囲む材料としては、空気でも構わない。As in the case of the optical device shown in FIG. 11, the devices are separated by a confinement region 69 made of a material having a different refractive index from the material surrounding the quantum dots (here, the GaAs layer 66). Can form a cavity mode. As described above, the material surrounding the quantum dots may be air.
【0086】図13は、本実施形態の光素子の第2の変
型例を表す断面概念図である。同図については、図11
に表したものと同様の要素には同一の符号を付してその
詳細な説明は省略する。FIG. 13 is a conceptual sectional view showing a second modified example of the optical device of the present embodiment. FIG.
The same reference numerals are given to the same elements as those described in (1), and the detailed description thereof will be omitted.
【0087】本変型例の光素子10Hにおいては、前述
した光素子10F、10Gにおける閉じ込め領域69に
対応するものとして、高い反射率を有するDBR(Dist
ributed Bragg Reflector)構造75が設けられてい
る。In the optical device 10H of this modified example, a DBR (Dist) having a high reflectivity corresponds to the confinement region 69 in the optical devices 10F and 10G described above.
A ributed Bragg reflector structure 75 is provided.
【0088】結合量子ドット65内のエネルギー準位差
がeV(電子ボルト)のオーダーになると、キャビティ
モードとしての波長は短くなり、数ミクロン程度の範囲
に分布する一連の量子ドットを一区切りとして、GaA
s層75AとAlGaAs層75Bを1ペアとして合計
20ペア程度の積層を有するDBR構造75を形成する
ことが可能となる。When the energy level difference in the coupled quantum dot 65 is on the order of eV (electron volt), the wavelength as the cavity mode is shortened, and a series of quantum dots distributed in a range of about several microns is divided into GaAs.
It is possible to form a DBR structure 75 having a total of about 20 pairs of stacks by using the s layer 75A and the AlGaAs layer 75B as one pair.
【0089】同様のDBRは、図12の光素子について
も適用することができる。The same DBR can be applied to the optical device shown in FIG.
【0090】図14は、図12に表したように3以上の
量子ドットが縦方向に結合した光素子において、DBR
75を設けた具体例を表す概念断面図である。DBR7
5を形成することにより、結合量子ドット65における
キャビティモードを高い反射率で閉じ込めることが可能
となる。FIG. 14 shows an optical device in which three or more quantum dots are coupled in the vertical direction as shown in FIG.
It is a conceptual sectional view showing the example provided with 75. DBR7
By forming 5, it is possible to confine the cavity mode in the coupled quantum dot 65 with high reflectance.
【0091】また、以上説明したDBRとしては、Ga
As層とAlGaAs層との積層構造以外にも、互いに
屈折率が異なる2種類以上の層を繰り返し積層させた各
種の構成を用いることができる。As the DBR described above, Ga
In addition to the stacked structure of the As layer and the AlGaAs layer, various configurations in which two or more layers having different refractive indexes are repeatedly stacked can be used.
【0092】一方、本発明における量子ドットとその量
子ドットを形成する下地の組み合わせとしてはGaN
(量子ドット)/AlGaN、InGaN(量子ドッ
ト)/GaN、AlInAs(量子ドット)/AlGa
As、InAs(量子ドット)/GaN、InAs(量
子ドット)/AlGaAs、InAs(量子ドット)/
AlAs、GaAs(量子ドット)/AlGaAs、G
aAs(量子ドット)/AlAs、GaSb(量子ドッ
ト)/AlGaAs、InSb(量子ドット)/AlG
aAs、AlSb(量子ドット)/AlGaAs、Pb
Se(量子ドット)/PbEuTeなどを挙げることが
できる。なお、これらの化学式においては、各元素の詳
細な成分比は省略した。On the other hand, the combination of the quantum dot and the base for forming the quantum dot in the present invention is GaN.
(Quantum dot) / AlGaN, InGaN (quantum dot) / GaN, AlInAs (quantum dot) / AlGa
As, InAs (quantum dot) / GaN, InAs (quantum dot) / AlGaAs, InAs (quantum dot) /
AlAs, GaAs (quantum dot) / AlGaAs, G
aAs (quantum dot) / AlAs, GaSb (quantum dot) / AlGaAs, InSb (quantum dot) / AlG
aAs, AlSb (quantum dot) / AlGaAs, Pb
Se (quantum dot) / PbEuTe and the like can be mentioned. In these chemical formulas, detailed component ratios of each element are omitted.
【0093】さらに、その他各種のIII−V族系、II−V
I族系、IV−VI族系、IV族系などの材料を量子ドット、
下地のいずれかあるいは両方に適宜用いることができ
る。例えば、GaAs基板あるいはSi基板などの上の
ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、Cd
Te、HgCdTe、HgS、HgSe、HgTeなど
を量子ドットとして用いてもよい。Further, various other III-V group systems, II-V
Group I material, IV-VI group material, group IV material and the like quantum dots,
It can be used as appropriate for one or both of the bases. For example, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, Cd on a GaAs substrate or a Si substrate
Te, HgCdTe, HgS, HgSe, HgTe, etc. may be used as the quantum dots.
【0094】一方、以上列挙した材料系の組み合わせ
は、DBRにも適用することができる。つまり、上記の
組み合わせをペアとして所定の周期だけ積層させること
により、DBRを形成することができる。On the other hand, the combinations of the material systems listed above can be applied to the DBR. That is, the DBR can be formed by stacking the above combinations as a pair for a predetermined period.
【0095】(第5の実施の形態)次に、本発明の第5
の実施の形態として、本発明で用いることができる結合
量子ドットの具体的な構成について説明する。(Fifth Embodiment) Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
As an embodiment of the present invention, a specific configuration of a coupled quantum dot that can be used in the present invention will be described.
【0096】図15は、結合量子ドットの形成方法を表
す概念図である。まず、同図(a)に表したように、例
えばシリコン(Si)により第1の量子ドット80を、
例えば図示しないSiO2などの基体上に形成する。そ
して、イオン注入法等により、ボロン(B)や燐(P)
などの第2の不純物80Aを注入する。FIG. 15 is a conceptual diagram showing a method of forming coupled quantum dots. First, as shown in FIG. 2A, the first quantum dots 80 are formed of, for example, silicon (Si).
For example, it is formed on a substrate such as SiO 2 ( not shown). Then, boron (B) or phosphorus (P) is ion-implanted or the like.
A second impurity such as 80A is implanted.
【0097】さらに、同図(b)に表したように、第3
の不純物80Bを注入する。この時に、第1の不純物8
0Aと第2の不純物80Bとを変えることにより、第1
の量子ドット80の中に第2、第3の不純物により形成
される準位と合わせて、3準位系を形成することができ
る。Further, as shown in FIG.
Is implanted. At this time, the first impurity 8
0A and the second impurity 80B, the first impurity
A three-level system can be formed in combination with the levels formed by the second and third impurities in the quantum dot 80.
【0098】ここで、第1の量子ドットの材料として
は、Si(シリコン)やゲルマニウム(Ge)の他に
も、例えば、GaN、InGaN、AlInAs、In
As、GaAs、GaSb、InSb、AlSbなどの
III-V族化合物や、その他II-VI族など各種の化合物を
用いることができる。Here, the material of the first quantum dot is, for example, GaN, InGaN, AlInAs, In, in addition to Si (silicon) and germanium (Ge).
As, GaAs, GaSb, InSb, AlSb, etc.
Various compounds such as III-V compounds and other II-VI compounds can be used.
【0099】また、注入する第2、第3の不純物として
は、C、Si、Ge、Sn、Pb、Be、Ca、Sr、
Ba、Ra、Zn、Cd、Hg、Mg、C、Se、T
e、Poなどの各種の元素を用いることができる。The second and third impurities to be implanted include C, Si, Ge, Sn, Pb, Be, Ca, Sr,
Ba, Ra, Zn, Cd, Hg, Mg, C, Se, T
Various elements such as e and Po can be used.
【0100】また、ZnS、ZnSe、ZnTe、Cd
S、CdSe、CdTe、HgCdTe、HgS、Hg
Se、HgTeなどの量子ドットに、N(窒素)、Cl
(塩素)、As(砒素)などを適宜ドープしてもよい。Also, ZnS, ZnSe, ZnTe, Cd
S, CdSe, CdTe, HgCdTe, HgS, Hg
N (nitrogen), Cl, etc. are added to quantum dots such as Se and HgTe.
(Chlorine), As (arsenic) or the like may be appropriately doped.
【0101】図16は、本発明のもうひとつの結合量子
ドットの断面構造を表す概念図である。同図の結合量子
ドットは、第1の材料からなる第1量子ドット90の周
りに第2の材料からなる層92が設けられ、さらにその
周りに第3の材料からなる層94が設けられている。FIG. 16 is a conceptual diagram showing the cross-sectional structure of another coupled quantum dot of the present invention. In the coupled quantum dot shown in the figure, a layer 92 made of a second material is provided around a first quantum dot 90 made of a first material, and a layer 94 made of a third material is provided therearound. I have.
【0102】その形成工程を説明すると以下の如くであ
る。すなわち、まず、例えばSiO2などからなる基体
Sの上に、第1の量子ドット90を形成する。量子ドッ
ト90の材料としては、例えばシリコンなどを用いるこ
とができ、その形成方法としては例えばLPCVDなど
を用いることができる。The forming process is as follows. That is, first, the first quantum dots 90 are formed on the substrate S made of, for example, SiO2. As a material of the quantum dots 90, for example, silicon or the like can be used, and as a formation method thereof, for example, LPCVD or the like can be used.
【0103】次に、量子ドット90の表面に自然酸化膜
などを形成することにより、第2の層92を形成する。
さらに、第1の材料と同一の材料であるシリコンまた
は、別の材料であるゲルマニウムなどからなる層94を
形成することにより、同心円状の結合量子ドットを形成
することができる。Next, a second layer 92 is formed by forming a natural oxide film or the like on the surface of the quantum dot 90.
Further, concentric coupling quantum dots can be formed by forming the layer 94 made of the same material as the first material, such as silicon or another material, such as germanium.
【0104】なお、第1乃至第3の材料としては、前述
したようなIII-V族やII-VI族あるいはその他の各種の
材料の中から適宜選択して組み合わせることができる。The first to third materials can be appropriately selected from the aforementioned III-V group, II-VI group or other various materials and combined.
【0105】また、量子ドットの材料としては、π電子
系有機化合物でもよい。例えば、ポリアセチレン、ポリ
アニリンなどの高分子化合物、カーボンファイバやピレ
ン系化合物、あるいは色素、例えばトリフェニルアミン
誘導体、Alq3なども用いることができる。The material of the quantum dots may be a π-electron organic compound. For example, a high molecular compound such as polyacetylene or polyaniline, a carbon fiber or a pyrene-based compound, or a dye such as a triphenylamine derivative or Alq3 can be used.
【0106】以上具体例を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。The embodiments of the present invention have been described with reference to the examples. However, the present invention is not limited to these specific examples.
【0107】例えば、上述した具体例においては、シリ
コン(Si)を用いて電界効果素子の部分を形成した
が、これ以外にも、例えば、ゲルマニウム(Ge)や、
GaAs系などのIII−V族化合物半導体、II−IV族化
合物半導体、あるいは、その他の各種の化合物半導体な
どの各種の材料を用いて、電界効果素子の部分を形成す
ることができる。For example, in the specific example described above, the portion of the field effect element is formed by using silicon (Si), but other than this, for example, germanium (Ge),
The field effect element portion can be formed using various materials such as a III-V compound semiconductor such as GaAs, a II-IV compound semiconductor, or other various compound semiconductors.
【0108】また、上述した具体例に関しては、便宜上
3準位のみを例示して説明したが、補助的な励起準位を
含めた高いエネルギ準位や遷移確率の小さいエネルギ準
位が形成されていても良い。すなわち、3以上の複数の
準位のうちの3つの準位によって電子または正孔の遷移
が生ずれば良い。In the above-described specific example, only three levels have been described for the sake of convenience. However, a high energy level including an auxiliary excitation level and an energy level having a small transition probability are formed. May be. That is, it is only necessary that three or more of three or more levels cause transition of electrons or holes.
【0109】さらに、上述した各具体例において結合量
子ドット系またはEIT結晶材料に外部電場、外部磁
場、外部応力場あるいはその他の各種の外場を印加し
て、準位間のエネルギ差を変化させることもできる。こ
のようにすれば、検出する光の波長を調節することがで
きる。Further, in each of the above-described embodiments, an external electric field, an external magnetic field, an external stress field or other various external fields are applied to the coupled quantum dot system or the EIT crystal material to change the energy difference between the levels. You can also. In this way, the wavelength of the light to be detected can be adjusted.
【0110】また、上述した各具体例においては、電極
としてソース電極、ドレイン電極、あるいはゲート電極
を設けた場合を挙げたが、これ以外にも、結合量子ドッ
ト系18またはEIT層40などの3準位系の上部また
は側面部、あるいは基板裏面側に3準位のエネルギ間隔
などを制御する別の電極を構成してもよい。このように
すれば、検出すべき光の波長を調節することが可能とな
る。In each of the specific examples described above, the case where a source electrode, a drain electrode, or a gate electrode is provided as an electrode has been described. Another electrode for controlling the energy interval of three levels may be provided on the upper or side surface of the level system or on the back surface of the substrate. This makes it possible to adjust the wavelength of the light to be detected.
【0111】また、上述した具体例においては、ソース
・ドレインを一つづつ有する単一の素子のみを例示した
が、このような素子を複数個配列し、ワード線とビット
線に接続する電極などと結合させることにより集積化し
てもよい。Further, in the above-described specific example, only a single element having one source / drain is illustrated. However, a plurality of such elements are arranged, and an electrode or the like connected to a word line and a bit line is provided. Alternatively, they may be integrated by being combined with.
【0112】また、図7(a)や図10などに例示した
ような光素子の平面形状は長方形状には限定されず、そ
の他多角形状、円形状、楕円形状などの各種の形状でも
よい。The planar shape of the optical element as exemplified in FIGS. 7A and 10 is not limited to a rectangular shape, but may be various shapes such as a polygonal shape, a circular shape, and an elliptical shape.
【0113】また、第4実施形態に関して、結合量子ド
ット系を電磁場的に結合するキャビティモードを形成す
るために、図11及び図12では、Nb,Alなどの金
属、あるいはSiN,Ti酸化物、ハフニウムなどの量
子ドットを囲む材料とは屈折率の異なる材料、もしくは
空気を、また、図13及び図14ではDBR構造を形成
した構成を例示したが、第1乃至第3実施形態に関して
も、同様の方法でキャビティモードを形成することがで
きる。Further, regarding the fourth embodiment, in order to form a cavity mode that couples the coupled quantum dot system in an electromagnetic field, FIGS. 11 and 12 show a metal such as Nb or Al, or an oxide of SiN or Ti. Although a material having a different refractive index from the material surrounding the quantum dots such as hafnium, or air, and a configuration in which a DBR structure is formed in FIGS. 13 and 14 are illustrated, the same applies to the first to third embodiments. The cavity mode can be formed by the method described above.
【0114】また、第3実施形態においてはシリコン
(Si)の量子ドットを用いた構成を例示し、第4実施
形態においてはSi以外の材料系を用いた構成を例示し
たが、用いる材料系は各種のものから適宜選択すること
ができる。また、Si量子ドット系で電極を基板に対し
て量子ドットの上に設置してもいいし、Si以外の材料
系で電極構造を量子ドットに対して同じか、より基板に
近い場所に設置しても構わない。また、Si,Geの量
子ドットを、アモルファス状の膜の上に形成しても構わ
ない。In the third embodiment, the configuration using quantum dots of silicon (Si) is illustrated, and in the fourth embodiment, a configuration using a material system other than Si is illustrated. It can be appropriately selected from various types. In addition, the electrode may be placed on the quantum dot with respect to the substrate in the Si quantum dot system, or the electrode structure may be placed in the same material as the quantum dot or in a place closer to the substrate in a material system other than Si. It does not matter. Further, quantum dots of Si and Ge may be formed on an amorphous film.
【0115】さらに、本発明の光素子においては、量子
計算をさせるときに、定常磁場及び電場、もしくは時間
的に変化する磁場、電場を各実施形態に関して例示した
電極以外から、印加してもよい。Further, in the optical device of the present invention, when quantum computation is performed, a stationary magnetic field and an electric field or a time-varying magnetic field and an electric field may be applied from electrodes other than the electrodes exemplified in each embodiment. .
【0116】[0116]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
電気的双極子を形成する二つの量子状態を3つ以上の量
子状態から構成することにより、従来は実現不可能であ
った、安定した2つの量子状態を制御性よく実現するこ
とができる。As described in detail above, according to the present invention,
By constructing two quantum states forming an electric dipole from three or more quantum states, it is possible to realize two stable quantum states, which were conventionally impossible, with good controllability.
【0117】また、本発明によれば、2つに分かれた量
子状態における電荷の分布状態を、電界効果として基板
を流れる電気信号に変換できる。つまり、電気双極子を
形成する量子準位にある電荷は、光などの電磁波により
制御できるために、光または電磁波の入射信号を有効に
電気信号に変換できる素子を提供することが可能とな
る。Further, according to the present invention, the charge distribution state in the two separate quantum states can be converted into an electric signal flowing through the substrate as a field effect. That is, since the electric charge at the quantum level forming the electric dipole can be controlled by electromagnetic waves such as light, it is possible to provide an element that can effectively convert an incident signal of light or electromagnetic waves into an electric signal.
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる光素子の構
成を概念的に表す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view conceptually showing a configuration of an optical element according to a first embodiment of the present invention.
【図2】結合量子ドット18を平面的に眺めた概念図で
ある。FIG. 2 is a conceptual view of a coupled quantum dot 18 as viewed in a plane.
【図3】結合量子ドット18により形成される3準位系
を表す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a three-level system formed by coupled quantum dots 18;
【図4】3準位系における電子遷移を概念的に表す説明
図である。FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing an electron transition in a three-level system.
【図5】本発明の第1実施形態の変型例にかかる光素子
の断面構成を表す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of an optical element according to a modification of the first embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第2実施形態にかかる光素子の断面構
成を表す概念図である。FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of an optical device according to a second embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第3実施形態にかかる光素子を表す概
念図である。すなわち、同図(a)は、その平面構成、
同図(b)は、そのA−A線断面構成の一部、同図
(c)は、その量子ドットの等価回路をそれぞれ表す概
念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an optical device according to a third embodiment of the present invention. More specifically, FIG.
FIG. 2B is a conceptual diagram showing a part of the cross-sectional configuration along the line AA, and FIG. 2C is a conceptual diagram showing an equivalent circuit of the quantum dot.
【図8】電場の印加による結合量子ドットのポテンシャ
ルの変化を表す概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a change in potential of a coupled quantum dot due to application of an electric field.
【図9】3つの量子ドットからなる結合量子ドットを表
す概念図である。FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a combined quantum dot including three quantum dots.
【図10】図7に例示した光素子をより一般化した構成
を表す概念図である。10 is a conceptual diagram illustrating a more generalized configuration of the optical device illustrated in FIG. 7;
【図11】本発明の第4実施形態にかかる光素子の要部
断面構成を表す概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a main part of an optical element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図12】本発明の第4実施形態の光素子の第1の変型
例を表す断面概念図である。FIG. 12 is a conceptual sectional view illustrating a first modified example of the optical element according to the fourth embodiment of the present invention.
【図13】本発明の第4実施形態の光素子の第2の変型
例を表す断面概念図である。同FIG. 13 is a conceptual sectional view showing a second modified example of the optical device according to the fourth embodiment of the present invention. same
【図14】図12に表したように3以上の量子ドットが
縦方向に結合した光素子において、DBR75を設けた
具体例を表す概念断面図である。14 is a conceptual cross-sectional view illustrating a specific example in which a DBR 75 is provided in an optical element in which three or more quantum dots are coupled in a vertical direction as illustrated in FIG.
【図15】本発明の結合量子ドットの形成方法を表す概
念図である。FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating a method for forming a coupled quantum dot of the present invention.
【図16】本発明のもうひとつの結合量子ドットの断面
構造を表す概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional structure of another coupled quantum dot of the present invention.
【図17】量子井戸に基底状態と励起状態が形成された
ようすを表す概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram showing a state where a ground state and an excited state are formed in a quantum well.
【図18】従来の3準位系FET型素子の構成を表す概
念図である。FIG. 18 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a conventional three-level FET type device.
【図19】従来の量子ドットの検出系を表す概念図であ
る。FIG. 19 is a conceptual diagram showing a conventional quantum dot detection system.
10A〜10I 光素子 11、41 基板 13、53 ソース部 14、54 ドレイン部 15 チャネル部 16 絶縁膜 18、44 結合量子ドット 18A、18B、44A、44B、44C 量子ドット 19 絶縁膜 20 ゲート電極 30 裏面ゲート電極 32 バイアス 40 EIT層 42、42A、42B 制御電極 46 酸化膜 48 透明薄膜電極 61 GaAs基板 62 SiドープGaAs層 63 ノンドープGaAs層 64 AlGaAs層 65 量子ドット 66 GaAs層 67 電荷供給層 68 AlGaAs層 70、71 電極 75 DBR 80、90 量子ドット 10A to 10I Optical element 11, 41 Substrate 13, 53 Source part 14, 54 Drain part 15 Channel part 16 Insulating film 18, 44 Coupling quantum dot 18A, 18B, 44A, 44B, 44C Quantum dot 19 Insulating film 20 Gate electrode 30 Back surface Gate electrode 32 Bias 40 EIT layer 42, 42A, 42B Control electrode 46 Oxide film 48 Transparent thin film electrode 61 GaAs substrate 62 Si-doped GaAs layer 63 Non-doped GaAs layer 64 AlGaAs layer 65 Quantum dot 66 GaAs layer 67 Charge supply layer 68 AlGaAs layer 70 , 71 electrode 75 DBR 80, 90 quantum dot
Claims (5)
準位βとエネルギ準位γとを少なくとも有する検出部
と、 を備え、 前記エネルギ準位αから前記エネルギ準位βへの遷移に
対応するエネルギを有する第1の電磁波と前記エネルギ
準位γから前記エネルギ準位βへの遷移に対応するエネ
ルギを有する第2の電磁波とが前記検出部に照射される
ことによる前記検出部における電子状態の変化を前記高
抵抗層の下部において前記半導体基板に流れる電流の変
化として検出可能としたことを特徴とする光素子。1. A detection device comprising: a semiconductor substrate; a high-resistance layer provided on the semiconductor substrate; and at least an energy level α, an energy level β, and an energy level γ provided on the high-resistance layer. A first electromagnetic wave having energy corresponding to the transition from the energy level α to the energy level β and energy corresponding to the transition from the energy level γ to the energy level β. A change in the electronic state of the detection unit due to the irradiation of the detection unit with the second electromagnetic wave having the second electromagnetic wave can be detected as a change in a current flowing through the semiconductor substrate below the high-resistance layer. Optical element.
し、 前記複数の結合量子ドットのそれぞれは、前記エネルギ
準位αが形成された第1の量子ドットと、前記エネルギ
準位γが形成された第2の量子ドットとが、電荷がトン
ネリング可能な障壁によって隔てられたものとして構成
されたことを特徴とする請求項1記載の光素子。2. The detection section has a plurality of coupled quantum dots, each of the plurality of coupled quantum dots is a first quantum dot on which the energy level α is formed, and the energy level γ. 2. The optical device according to claim 1, wherein the second quantum dot on which the is formed is separated from each other by a barrier capable of tunneling charges.
る量子ドットの中に前記第1の物質とは異なる第2及び
第3の物質をそれぞれ含有することにより前記前記エネ
ルギ準位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γとを有す
ることを特徴とする請求項1記載の光素子。3. The detection section has a plurality of quantum dots, and each of the plurality of quantum dots is a second and a third quantum dot made of a first substance, which are different from the first substance. 2. The optical device according to claim 1, wherein the energy level α, the energy level β, and the energy level γ are provided by respectively containing the three substances.
ネルギ準位γとを少なくとも有する前記検出部に対して
電界を印加することにより前記エネルギ準位α、β及び
γの相対的な関係を変化させる電極をさらに備えたこと
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の光素
子。4. A relative relationship among the energy levels α, β, and γ by applying an electric field to the detection unit having at least the energy levels α, β, and γ. The optical element according to any one of claims 1 to 3, further comprising an electrode for changing the value.
ネルギ準位γとを少なくとも有する前記検出部の周囲の
少なくとも一部において屈折率の差が生ずるように異な
る材料が設けられたことを特徴とする請求項1〜4のい
ずれか1つに記載の光素子。5. A method according to claim 1, wherein a different material is provided so as to cause a difference in refractive index in at least a part of a periphery of said detecting section having at least said energy level α, said energy level β and said energy level γ. The optical device according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical device is an optical device.
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