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WO2024225458A1 - 単一光子源装置 - Google Patents

単一光子源装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2024225458A1
WO2024225458A1 PCT/JP2024/016526 JP2024016526W WO2024225458A1 WO 2024225458 A1 WO2024225458 A1 WO 2024225458A1 JP 2024016526 W JP2024016526 W JP 2024016526W WO 2024225458 A1 WO2024225458 A1 WO 2024225458A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
photons
contact layer
source device
holes
Prior art date
Application number
PCT/JP2024/016526
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
茂 中川
Original Assignee
国立大学法人東京工業大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人東京工業大学 filed Critical 国立大学法人東京工業大学
Publication of WO2024225458A1 publication Critical patent/WO2024225458A1/ja

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Definitions

  • the present invention relates to a single photon source device.
  • VCSELs Very Cavity Surface Emitting Lasers
  • the VCSELs described in Patent Documents 1 to 3 have a structure in which an active layer is sandwiched between two reflecting mirrors, and a contact layer for injecting electrons and holes is inserted between the active layer and the reflecting mirror.
  • These VCSELs generate light in the active layer by injecting electrons and holes into the active layer through the contact layer, and emit the light through the reflecting mirror.
  • the reflecting mirror is composed of a DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror made of stacked semiconductor layers.
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • the present invention aims to generate a single photon from a vertical cavity, and applies the structure of a VCSEL that has a contact layer between a reflector and an active layer.
  • the active layer contains tiny quantum dots.
  • the inventor has come to recognize the following problem. In order to inject electrons and holes into the active layer through a contact layer containing a semiconductor, it is necessary to dope the contact layer with impurity ions to reduce the resistance of the contact layer. However, because these impurity ions absorb photons, there is room for more efficient extraction of photons generated in the active layer.
  • the present invention has been made in consideration of these circumstances, and one of its exemplary objectives is to provide a single-photon source device that can efficiently emit a single photon.
  • a single-photon source device includes a first reflector, a second reflector, and a resonator disposed between the first reflector and the second reflector.
  • the resonator has a layered structure including quantum dots that generate photons in response to injected electrons and holes, electrodes for injecting electrons and holes into the quantum dots, and a contact layer disposed between the layered structure and the electrodes.
  • the path of the electrons and holes flowing from the electrode to the quantum dot does not include a reflecting mirror, so the resistance of the path can be reduced without doping the reflecting mirror with impurity ions.
  • the generated photons are prevented from being absorbed by the impurity ions, making it possible to efficiently emit photons.
  • the present invention provides a single-photon source device that can efficiently emit a single photon.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a single photon source device according to a first embodiment.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating the positional relationship between a standing wave of photons generated by a quantum dot and each component of a resonator.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a resonator according to a second embodiment.
  • 4A to 4C are diagrams for explaining a process in which photons are generated by recombination of electrons and holes in the embodiment.
  • First Embodiment 1 is a cross-sectional view of a single-photon source device 1 according to a first embodiment.
  • the single-photon source device 1 generates photons according to injected electrons and holes, and emits the photons to the outside.
  • the single-photon source device 1 according to this embodiment includes a first reflecting mirror 10, a second reflecting mirror 20, and a resonator 30.
  • the single-photon source device 1 is constructed by stacking various semiconductor layers.
  • the axis in which the semiconductor layers are stacked is defined as the Z axis
  • the axis perpendicular to the Z axis is defined as the X axis
  • the axis perpendicular to the Z and X axes is defined as the Y axis.
  • the positive direction of the Z axis is defined as the upward direction
  • the negative direction of the Z axis is defined as the downward direction
  • the positive direction of the X axis is defined as the rightward direction
  • the negative direction of the X axis is defined as the leftward direction.
  • the resonator 30 is disposed between the first reflector 10 and the second reflector 20.
  • the resonator 30 is configured to generate photons in response to the injected electrons and holes, and emit the photons to the first reflector 10.
  • the resonator 30 according to this embodiment mainly includes a laminated structure 32, an upper contact layer 330, a lower contact layer 332, positive electrodes 320 and 322, negative electrodes 324 and 326, spacer layers 340 and 350, and an oxide lens layer 342.
  • a laminated structure 32 an upper contact layer 330, a lower contact layer 332, positive electrodes 320 and 322, negative electrodes 324 and 326, spacer layers 340 and 350, and an oxide lens layer 342.
  • the number of negative electrodes may be one or three or more.
  • the number of positive electrodes may be one or three or more.
  • Layer structure 32 is formed by stacking semiconductor layers.
  • Stack structure 32 has active layer 300, hole guide layer 306, electron guide layer 308, and oxide confinement layers 310, 312, 314, and 316.
  • the active layer 300 has an upper layer 301, a buffer layer 302, and a lower layer 303.
  • the upper layer 301, the buffer layer 302, and the lower layer 303 may be composed of a semiconductor such as GaAs.
  • the buffer layer 302 is provided inside the active layer 300 so as to be sandwiched between the upper layer 301 and the lower layer 303 from above and below.
  • Quantum dots 304 are formed inside the buffer layer 302.
  • Quantum dots are extremely small (nano-sized) semiconductor particles with diameters of around 2-10 nm. Electrons in quantum dots have a range of energies. Concepts such as energy levels, band gaps, conduction bands and valence bands can also be applied to quantum dots, but there is one major difference between quantum dots and regular semiconductors. As the particle size of semiconductor particles decreases to nano-sized, approaching the size of the exciton Bohr radius, the electronic energy levels become discrete rather than continuous. This condition is called the quantum confinement effect, and the semiconductor material is no longer bulk, but instead becomes a quantum dot. This condition has a significant effect on the absorption and emission of the semiconductor material.
  • quantum dots electrons tend to move from one end of the band gap to the other.
  • the size of the band gap can be controlled simply by changing the particle size of the quantum dot. Because the emission wavelength of a quantum dot depends on the band gap, the emission wavelength of the quantum dot can be tuned very precisely.
  • quantum dots are zero-dimensional, they have a much sharper density of states (like a delta function) than higher-dimensional structures. Also, because quantum dots are small, electrons do not need to travel long distances as they do in larger particles. This allows the operation of electronic devices that use quantum dots to be faster. Taking advantage of these electronic properties, quantum dots have applications in transistors, solar cells, ultrafast all-optical switches and logic gates, quantum computers, and more.
  • the quantum dot 304 generates photons in response to the injected electrons and holes.
  • the photons are generated in photon generation region A.
  • the quantum dot 304 may be composed of, for example, InAs and InGaAs.
  • the quantum dot 304 may have a diameter of, for example, about 10 nm.
  • the quantum dots 304 generate photons in response to the injected electrons and holes.
  • the buffer layer 302 containing the quantum dots 304 generates photons with various wavelengths
  • the resonator 30 according to this embodiment is configured to generate a single photon with a specific wavelength.
  • the length of the resonator 30 in the Z-axis direction is configured to be an integer multiple of the specific wavelength. More specifically, the resonator 30 is configured so that the distance from the lower surface of the spacer layer 350 to the upper surface of the spacer layer 340 is an integer multiple of the specific wavelength.
  • the hole guide layer 306 is provided on the upper surface of the upper layer 301, and the electron guide layer 308 is provided on the lower surface of the lower layer 303.
  • Each of the hole guide layer 306 and the electron guide layer 308 may be made of a semiconductor such as GaAs.
  • the upper contact layer 330 is provided between the laminated structure 32 and the positive electrodes 320, 322.
  • the upper contact layer 330 according to this embodiment is provided between the first reflector 10 and the laminated structure 32.
  • the upper contact layer 330 is connected to one end face (specifically, the upper face) in the lamination direction of the laminated structure 32 (specifically, the hole guide layer 306).
  • the upper contact layer 330 has a lower resistance than the laminated structure 32.
  • the upper contact layer 330 may be formed by doping various semiconductors with impurity ions.
  • the upper contact layer 330 may be formed, for example, by doping GaAs with C.
  • the thickness of the upper contact layer 330 may be, for example, about 50 to 100 nm.
  • the positive electrodes 320 and 322 are provided on the upper contact layer 330.
  • the positive electrodes 320 and 322 are provided to inject holes into the quantum dots 304 in the active layer 300.
  • the positive electrode 320 is provided at a position shifted in the negative direction of the X-axis relative to the quantum dots 304 when viewed in a plan view in the Z-axis direction.
  • the positive electrode 322 is provided at a position shifted in the positive direction of the X-axis relative to the quantum dots 304 when viewed in a plan view in the Z-axis direction.
  • the upper contact layer 330 has a lower resistance than the first reflector 10, the spacer layer 340, and the laminated structure 32 (specifically, the active layer 300, etc.). Holes injected from the positive electrodes 320, 322 flow to the quantum dots 304 without passing through the first reflector 10. Therefore, according to the single-photon source device 1 of this embodiment, holes do not need to flow through the first reflector 10 and the spacer layer 340, and there is no need to dope the first reflector 10 and the spacer layer 340 with impurity ions to reduce the resistance of the first reflector 10. Therefore, it is possible to suppress the absorption of generated photons by the first reflector 10.
  • the lower contact layer 332 is provided between the laminated structure 32 and the negative electrodes 324, 326.
  • the lower contact layer 332 according to this embodiment is provided between the second reflector 20 and the laminated structure 32.
  • the lower contact layer 332 is connected to the other end face (specifically, the lower face) in the lamination direction of the laminated structure 32 (specifically, the electron guide layer 308).
  • the lower contact layer 332 has a lower resistance than the laminated structure 32.
  • the lower contact layer 332 may be formed by doping various semiconductors with impurity ions.
  • the lower contact layer 332 may be formed by doping GaAs with Si.
  • the thickness of the lower contact layer 332 may be, for example, about 50 to 100 nm.
  • the positive electrode is provided on the upper surface side of the active layer 300 and the negative electrode is provided on the lower surface side of the active layer 300, but the arrangement of the positive electrode and the negative electrode is not limited to this.
  • the positive electrode may be provided on the upper surface side of the active layer 300 and the negative electrode may be provided on the lower surface side of the active layer 300.
  • the negative electrodes 324, 326 are provided on the lower contact layer 332.
  • the negative electrodes 324, 326 are provided to inject electrons into the quantum dots 304 in the active layer 300.
  • the lower contact layer 332 has a lower resistance than the second reflector 20, the spacer layer 350, and the laminated structure 32 (specifically, the active layer 300, etc.). Electrons injected from the negative electrodes 324, 326 flow to the quantum dots 304 without passing through the second reflector 20. Therefore, according to the single-photon source device 1 of this embodiment, it is not necessary for electrons to flow through the second reflector 20 and the spacer layer 350, and it is not necessary to dope the second reflector 20 with impurity ions to reduce the resistance of the second reflector 20. Therefore, it is possible to suppress the absorption of generated photons by the second reflector 20 and the spacer layer 350.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, 316 are provided so as to form paths for electrons and holes flowing between the positive electrodes 320, 322 and the negative electrodes 324, 326 inside the resonator 30 (specifically, the laminated structure 32, the upper contact layer 330, and the lower contact layer 332).
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, 316 are made of high resistance layers having a higher resistivity than the laminated structure 32, and specifically may be made of various oxides, such as aluminum oxide.
  • the AlAs layer may be exposed to water vapor to oxidize the Al, thereby producing the oxidized constriction layers 310, 312, 314, 316 containing aluminum oxide.
  • the thickness of the oxidized constriction layers 310, 312, 314, 316 may be, for example, about 10 to 20 nm.
  • the oxidized constriction layer 310 is provided so as to form a path for holes to flow from the positive electrode 320 to the quantum dots 304.
  • the oxidized constriction layer 310 is located above the quantum dots 304, and is formed to extend from the left end of the hole guide layer 306 in a direction toward the quantum dots 304 (specifically, to the right) when viewed in a plan view in the Z-axis direction. This prevents the holes H1 from flowing toward the negative electrode 324, and the holes H1 flow in a direction toward the quantum dots 304 (for example, the direction indicated by the arrow in FIG. 1). As a result, the holes H1 can be efficiently injected into the quantum dots 304.
  • the oxidized constriction layer 312 is provided so as to form a path for holes to flow from the positive electrode 322 to the quantum dots 304.
  • the oxidized constriction layer 312 is located above the quantum dots 304, and is formed to extend from the right end of the hole guide layer 306 in a direction toward the quantum dots 304 (specifically, to the left) when viewed in a plane in the Z-axis direction. This prevents holes H2 from flowing toward the negative electrode 326, and holes H2 flow in a direction toward the quantum dots 304 (for example, the direction indicated by the arrow in FIG. 1). As a result, holes H2 can be efficiently injected into the quantum dots 304.
  • the oxidized constriction layer 314 is provided to form a path for electrons flowing from the negative electrode 324 to the quantum dot 304.
  • the oxidized constriction layer 314 is located below the quantum dot 304, and is formed to extend from the left end of the electron guide layer 308 in a direction toward the quantum dot 304 (specifically, to the right) when viewed in a plane in the Z-axis direction. This prevents the electron E1 from flowing toward the positive electrode 320, and the electron E1 flows in a direction toward the quantum dot 304 (for example, the direction indicated by the arrow in FIG. 1). As a result, the electron E1 can be efficiently injected into the quantum dot 304.
  • the oxidized constriction layer 316 is provided to form a path for electrons flowing from the negative electrode 326 to the quantum dot 304.
  • the oxidized constriction layer 316 is located below the quantum dot 304, and is formed to extend from the right end of the electron guide layer 308 in a direction toward the quantum dot 304 (specifically, to the left) when viewed in a plane in the Z-axis direction. This prevents the electrons E2 from flowing toward the positive electrode 322, and the electrons E2 flow in a direction toward the quantum dot 304 (for example, the direction indicated by the arrow in FIG. 1). As a result, the electrons E2 can be efficiently injected into the quantum dot 304.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 are provided inside the hole guide layer 306 and the electron guide layer 308.
  • the oxidized constriction layers may be provided inside the upper contact layer 330 or the lower contact layer 332.
  • the spacer layer 350 is provided on the lower surface of the lower contact layer 332.
  • the spacer layer 350 may be made of a semiconductor such as GaAs. Photons generated by the quantum dots 304 pass through the spacer layer 350 and are emitted to the second reflector 20.
  • the spacer layer 340 is provided on the upper surface of the upper contact layer 330.
  • the spacer layer 350 may be made of a semiconductor such as GaAs.
  • the photons generated by the quantum dots 304 pass through the spacer layer 340 and are emitted to the first reflector 10.
  • an oxide lens layer 342 is provided inside the spacer layer 340.
  • the oxide lens layer 342 functions as a photon guide layer that directs photons in the resonator 30 in a predetermined direction.
  • the oxide lens layer 342 may be composed of an oxide layer such as aluminum oxide.
  • an AlAs layer may be formed in the spacer layer 340, and then the AlAs layer may be exposed to water vapor to oxidize the Al, thereby producing the oxide lens layer 342 containing aluminum oxide.
  • the oxide lens layer 342 has an opening 344.
  • the opening 344 is formed in the center of the spacer layer 340.
  • the opening 344 is formed so that its diameter becomes smaller from the bottom end of the oxide lens layer 342 toward the top. This makes it possible to collect photons P generated from the quantum dots 304 in the center of the opening 344 inside the resonator 30.
  • the first reflector 10 is composed of a multilayer film, which has a DBR mirror 100 and oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 disposed therein.
  • FIG. 1 shows four oxide lens layers 102, 104, 106, and 108, the number of oxide lens layers may be three or less, or five or more.
  • the DBR mirror 100 is composed of a multilayer film in which semiconductor layers with different refractive indices are alternately stacked.
  • the DBR mirror 100 may have a structure in which GaAs films and AlGaAs films are alternately stacked.
  • the number of semiconductor layers constituting the DBR mirror 100 may be, for example, about 80 layers. This makes it possible to achieve a reflectivity of, for example, about 99.9%.
  • the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 are arranged in this order in the upward direction, spaced apart from one another.
  • the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 are arranged to function as waveguide forming layers, and more specifically, are arranged to form a waveguide C along the Z axis through which photons P pass in the DBR mirror 100. This allows the photons P to be efficiently extracted to the outside.
  • the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 roughness of the sidewalls of the first reflector 10 can be suppressed. Also, the first reflector 10 having a desired shape can be produced by etching, but by providing the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108, loss of photons due to ions remaining in the first reflector 10 after etching can be suppressed.
  • the second reflecting mirror 20 is composed of a DBR mirror.
  • the second reflecting mirror 20 may have a structure in which GaAs films and AlAs films are alternately stacked, for example. Furthermore, an AlGaAs film may be used instead of the AlAs film.
  • the second reflecting mirror 20 may be composed of, for example, about 80 semiconductor layers. This makes it possible to achieve a reflectance of, for example, about 99.9%.
  • the second reflecting mirror 20 is configured to have a higher reflectance than the first reflecting mirror 10. This makes it possible to extract photons from the first reflecting mirror 10 to the outside.
  • FIG. 2 is a diagram showing the positional relationship between the standing wave of photons generated by quantum dot 304 and each component of resonator 30.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the nodes and antinodes of the standing wave of photons, with the antinodes being the lower surface of spacer layer 350 and the upper surfaces of quantum dot 304 and spacer layer 340.
  • the wavelength of the standing wave is ⁇ 1.
  • the standing wave shown in Fig. 2 represents
  • 2 has a maximum value
  • the node of the standing wave is the position where
  • the standing wave is distributed in the first reflecting mirror 10 such that the electric field of the photon attenuates from the lower end to the upper end of the DBR mirror 100.
  • the upper contact layer 330 is preferably provided at or near a node of the standing wave.
  • the upper contact layer 330 may be provided so that its entire thickness falls within a range of ⁇ (1/8) ⁇ 1 or within a range of ⁇ (1/16) ⁇ 1 from the node of the standing wave in the Z-axis direction.
  • the thickness of the upper contact layer 330 may be, for example, (1/4) ⁇ 1 or less, or (1/8) ⁇ 1 or less.
  • the upper contact layer 330 contains impurity ions, which absorb photons. By providing the upper contact layer 330 at or near a node of the standing wave, it is possible to suppress absorption of photons and more efficiently generate and extract photons to the outside. Since the lower contact layer 332 also contains impurity ions, it is preferable that it is provided at or near a node of the standing wave of photons, similar to the upper contact layer 330.
  • the thickness of the lower contact layer 332 may be designed in the same way as the upper contact layer 330.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 are preferably provided at or near the nodes of the standing wave of photons.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 may be provided so that their entire thickness falls within a range of ⁇ (1/8) ⁇ 1 or within a range of ⁇ (1/16) ⁇ 1 from the node of the standing wave in the Z-axis direction.
  • the thickness of the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 may be, for example, (1/4) ⁇ 1 or less or (1/8) ⁇ 1 or less.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 at or near the nodes of the standing wave, it is possible to suppress attenuation (scattering) of photons by the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316.
  • the oxide lens layer 342 is preferably provided at a position different from the node and antinode of the standing wave of the photon. Specifically, the oxide lens layer 342 is preferably provided between a node of the standing wave of the photon and an antinode adjacent to the node. For example, the oxide lens layer 342 may be provided so that its entire thickness falls within a range of ⁇ (1/8) ⁇ 1 from the middle between a node of the standing wave and an antinode adjacent to the node in the Z-axis direction, or within a range of ⁇ (1/16) ⁇ 1. The thickness of the oxide lens layer 342 may be, for example, (1/8) ⁇ 1 or less, or (1/16) ⁇ 1 or less.
  • the oxide lens layer 342 can appropriately guide the photons.
  • the oxide lens layer 342 can suppress scattering of photons.
  • the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 are preferably provided at positions different from the nodes or antinodes of the standing wave of photons passing through the inside of the first reflecting mirror 10. That is, the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 are preferably provided between the node of the standing wave of photons and the antinode adjacent to the node.
  • the entire thickness of the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 may be provided in a range from the middle between a node of the standing wave and the adjacent antinode to the middle side of ⁇ (1/8) ⁇ 1 in the Z-axis direction, or within ⁇ (1/16) ⁇ 1.
  • the thickness of the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 may be, for example, (1/8) ⁇ 1 or less, or (1/16) ⁇ 1 or less.
  • the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 can appropriately guide photons to the waveguide C.
  • the oxide lens layers 102, 104, 106, and 108 can be prevented from scattering photons.
  • the operation of the single-photon source device 1 will be described.
  • a voltage is applied between the positive electrodes 320, 322 and the negative electrodes 324, 326, electrons and holes are injected into the quantum dots 304 in the active layer 300.
  • the injected electrons and holes recombine in the quantum dots 304, generating photons.
  • the generated photons resonate inside the resonator 30 while preventing losses through the openings 344 in the oxide lens layer 342, and are incident on the first reflector 10.
  • the photons P incident on the first reflecting mirror 10 pass through the waveguide C of the first reflecting mirror 10 and are emitted from the top of the first reflecting mirror 10.
  • the photons P emitted from the first reflecting mirror 10 are coupled to an optical fiber and optical waveguide (not shown) and are extracted to the outside.
  • electrons and holes are injected from the electrodes (positive electrodes 320, 322, negative electrodes 324, 326) through the contact layers (upper contact layer 330, lower contact layer 332) into the quantum dots in the laminate structure 32.
  • the paths of these electrons and holes do not include reflectors (first reflector 10, second reflector 20). Therefore, the resistance of the paths of the electrons and holes can be reduced without doping the reflectors with impurity ions. As a result, the generated photons are prevented from being absorbed by the impurity ions, making it possible to efficiently emit the photons to the outside.
  • oxide constriction layers 310, 312, 314, and 316 are provided inside the hole guide layer 306 and the electron guide layer 308. Electrons and holes injected from the positive electrodes 320 and 322 and the negative electrodes 324 and 326 are prevented from passing through the oxide constriction layers 310, 312, 314, and 316. This allows electrons and holes to be injected only into the quantum dot 304, and prevents them from being converted into photons in other regions. As a result, it becomes possible to efficiently generate a single photon from electrons and holes in the quantum dot 304.
  • the oxide constriction layers 310 and 312 form a path for holes to flow to the quantum dot 304
  • the oxide constriction layers 314 and 316 form a path for electrons to flow to the quantum dot 304. This allows electrons and holes to be more reliably injected into the quantum dot 304, and makes it possible to efficiently convert the electrons and holes into photons.
  • the inventor has also come to recognize the problem that, in the technologies described in Patent Documents 1 to 3, it is necessary to prevent a single photon generated from a quantum dot from being lost in a resonator sandwiched between two reflecting mirrors.
  • the single-photon source device 1 of this embodiment it is not necessary to dope impurities in semiconductor layers other than the upper contact layer 330 and the lower contact layer 332 in the resonator 30, so that absorption of photons by impurities can be suppressed.
  • the upper contact layer 330 and the lower contact layer 332 at the nodes of the standing wave of photons, absorption of photons by impurity ions contained in these contact layers can be suppressed.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 are arranged at the nodes of the standing wave of photons, scattering of photons by the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 can be suppressed. Furthermore, in the resonator 30, photon loss can be suppressed by directing photons in a predetermined direction using the oxidized lens layer 342.
  • FIG. 1 shows one quantum dot 304
  • multiple quantum dots may be produced when fabricating quantum dots.
  • electrons and holes are injected into multiple quantum dots, photons are generated by the multiple quantum dots, and a single photon cannot be generated.
  • the single-photon source device 1 by using the oxide constriction layers 310, 312, 314, and 316, electrons and holes can be pinpoint-injected into a single quantum dot 304, and photons can be generated in the single quantum dot 304.
  • the single-photon source device 1 can be used as a single photon source.
  • This single photon source can be used, for example, in a photonic quantum computer.
  • the oxidized constriction layers 310, 312, 314, and 316 are used to inject electrons and holes into the quantum dot 304.
  • the present invention is not limited to this, and instead of the oxidized constriction layers, high-resistance layers made of various materials having higher resistivity than the stacked structure 32 (specifically, the active layer 300, etc.) may be used.
  • the high-resistance layers may be made of, for example, various insulators.
  • the single-photon source device according to the second embodiment differs from that according to the first embodiment mainly in the configuration of the resonator. Therefore, the single-photon source device according to the second embodiment may include configurations similar to the first reflecting mirror 10 and the second reflecting mirror 20 included in the single-photon source device 1 according to the first embodiment, in addition to the resonator according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the resonator 40 according to the second embodiment.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the nodes and antinodes of a standing wave of photons, with the antinodes being the lower surface of the spacer layer 350, the quantum dots 304, and the upper surface of the spacer layer 340.
  • the wavelength of the standing wave is ⁇ 2.
  • the same components as those in the single-photon source device 1 according to the first embodiment are given the same reference numerals, and their explanations are omitted as appropriate.
  • the resonator 40 according to the second embodiment mainly has a stacked structure 42, an upper contact layer 430, an oxidation barrier layer 432, a lower contact layer 332, positive electrodes 320, 322, negative electrodes 324, 326, spacer layers 340, 350, and an oxidation lens layer 342.
  • Layer structure 42 is formed by stacking semiconductor layers.
  • Stack structure 42 has active layer 400 with quantum dots 402, 403 formed therein and buffer layers 410, 420.
  • Active layer 400 and buffer layers 410, 420 may be mainly composed of, for example, GaAs.
  • the buffer layer 410 is provided on the lower contact layer 332.
  • the buffer layer 410 may be doped with an impurity, for example, Si.
  • the buffer layer 420 is provided on the active layer 400.
  • the buffer layer 420 may be doped with an impurity, for example, C.
  • the active layer 400 is provided on the buffer layer 410.
  • the active layer 400 is not doped with impurities, and potential barriers are generated between the quantum dots 402, 403 and the buffer layer 410, and between the quantum dots 402, 403 and the buffer layer 420.
  • Each potential barrier has a thickness that allows electrons or holes to pass through it by the tunneling effect.
  • the electrons and holes pass through this potential barrier by the tunneling effect (more specifically, the resonant tunneling effect) and are injected into the quantum dot 402.
  • the quantum dots 402 and 403 When a pair of electrons and holes having a specific potential difference is injected into the quantum dots 402 and 403, the quantum dots 402 and 403 generate photons having a wavelength that resonates with the resonator 40. Therefore, when a pair of electrons and holes having a potential difference different from this specific potential difference is injected into the quantum dots 402 and 403, the quantum dots 402 and 403 do not generate photons, or even if they generate photons, the photons do not resonate with the resonator 40.
  • the quantum dots 402 are formed in the active layer 400 directly below the gaps 436 in the oxidation barrier layer 432 described below.
  • the quantum dots 403 are formed in the active layer 400 directly below the oxidation barrier layer 432.
  • the quantum dots may be formed only directly below the gaps 436 in the active layer 400.
  • the upper contact layer 430 is provided on the buffer layer 420.
  • the upper contact layer 430 may be made of GaAs doped with C.
  • the positive electrodes 320, 322 and the spacer layer 340 are provided on the upper contact layer 430.
  • the upper contact layer 430 may be provided at or near the node of the standing wave of photons.
  • the upper contact layer 430 may be provided so that its entire thickness falls within a range of ⁇ (1/8) ⁇ 2 or within a range of ⁇ (1/16) ⁇ 2 in the Z-axis direction from the node of the standing wave.
  • the thickness of the upper contact layer 330 may be, for example, (1/4) ⁇ 2 or less, or (1/8) ⁇ 2 or less.
  • the oxidation barrier layer 432 is provided on the buffer layer 420 and inside the upper contact layer 430.
  • the oxidation barrier layer 432 is preferably provided inside the upper contact layer 430 at or near a node of the standing wave of photons generated by the quantum dots 402. This makes it possible to suppress attenuation (scattering) of photons by the oxidation barrier layer 432.
  • the oxidation barrier layer 432 is provided at or near the node of the standing wave of photons.
  • the entire thickness of the oxidation barrier layer 432 may be provided within a range of ⁇ (1/8) ⁇ 2 or within a range of ⁇ (1/16) ⁇ 2 from the node of the standing wave in the Z-axis direction.
  • the thickness of the oxidation barrier layer 432 may be, for example, (1/4) ⁇ 2 or less, or (1/8) ⁇ 2 or less.
  • the oxidation barrier layer 432 is a high resistance layer having a higher resistance than the upper contact layer 430 and the buffer layer 420.
  • the oxidation barrier layer 432 may be composed of various oxides, and may include, for example, aluminum oxide.
  • the thickness of the oxidation barrier layer 432 may be, for example, about 30 nm.
  • the oxidation barrier layer 432 according to this embodiment has a rectangular shape when the resonator 40 is viewed in cross section.
  • the oxidation barrier layer 432 is provided so that the potential difference between the pairs of electrons and holes injected into the quantum dot 403, which is different from the quantum dot 402 that is to generate photons that resonate in the resonator 40, does not become a specific potential difference. Specifically, the oxidation barrier layer 432 affects the potential difference between the pairs of electrons and holes injected into the quantum dot 403 so that photons are not generated in the quantum dot 403, or the generated photons are not resonated in the resonator 40. As a result, photons are generated mainly only in the quantum dot 402.
  • a gap 436 is formed in the oxidation barrier layer 432 provided inside the upper contact layer 430.
  • the upper contact layer 430 is bonded to the buffer layer 420 at the opening of the gap 436.
  • the gap 436 preferably has a diameter of about 1 ⁇ m. By having the gap 436 have a diameter of this size, it becomes possible to more reliably generate photons only from the quantum dot 402 located directly below the gap 436.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the process by which photons P are generated by the combination of electrons E and holes H in this embodiment.
  • the process of generating photons P in a quantum dot 402 located directly below a gap 436 in an oxidation barrier layer 432 is explained.
  • the holes H are given the voltage Vp supplied from the positive electrodes 320, 322 to the upper contact layer 430, and the electrons E are given the voltage Vn supplied from the negative electrodes 324, 326 to the lower contact layer 332.
  • the holes H pass through the potential barrier 404 present on the upper contact layer 430 side of the quantum dot 402 by the tunnel effect and are injected into the quantum dot 402.
  • the electrons E pass through the potential barrier 406 present on the lower contact layer 332 side of the quantum dot 402 by the tunnel effect and are injected into the quantum dot 402.
  • the electrons E and holes H injected into the quantum dot 402 combine to generate photons P.
  • quantum dots 402 are distributed in size and the wavelength of the photon they generate.
  • the potential difference ⁇ V between the injected electrons E and holes H matches the wavelength of the photon generated in the quantum dot 402
  • a photon P is generated in that quantum dot 402.
  • no photons are generated, or even if a photon is generated, the photon is not resonated in the resonator 40.
  • the 10 or so quantum dots 402 for example, only the quantum dots 402 that generate photons having a specific wavelength that matches the potential difference ⁇ V generate photons P.
  • the difference between the potential of the injected electrons and the potential of the holes is affected.
  • the oxidation barrier layer 432 is provided so that the potential difference between the electrons and holes injected into the quantum dot 403 is not a potential difference that can generate photons in the quantum dot 403, or so that the photons generated by that potential difference do not have a wavelength that resonates in the resonator 40.
  • the quantum dot 403 can generate photons when electrons and holes having a potential difference ⁇ V are injected.
  • the potential of the holes injected into the quantum dot 403 is affected by the electric field generated by the oxidation barrier layer 432, the potential of the holes becomes Vp' ( ⁇ Vp), and the potential difference between the electrons and holes injected into the quantum dot 403 becomes ⁇ V' ( ⁇ V).
  • the quantum dot 403 does not generate a quantum dot that resonates in the resonator 40.
  • photons that resonate in the quantum dot 403 located directly below the oxidation barrier layer 432 are not generated, and photons that resonate only in the quantum dot 402 located directly below the gap 436 in the oxidation barrier layer 432 can be generated.
  • the single-photon source devices according to the above embodiments As a photonic quantum computer, a large number of single-photon source devices (for example, one million or tens of millions) are used. These large number of single-photon source devices must all generate photons with the same wavelength in order to be used as a photonic quantum computer.
  • the wavelengths of photons are aligned by resonating photons having a specific wavelength in the resonators 30 and 40.
  • the resonator 40 electrons and holes are further injected into the quantum dot 402 by the tunneling effect, generating photons of a specific wavelength.
  • the wavelengths of photons generated by each single-photon source device can be aligned with greater precision.
  • photons can be generated mainly only in the quantum dots 402 located directly below the gaps 436 in the oxidation barrier layer 432. This makes it possible to prevent unintended quantum dots from generating photons.
  • the resistance of the electron and hole paths can be reduced without doping the reflecting mirror with impurity ions.
  • the generated photons are prevented from being absorbed by the impurity ions, and the photons can be efficiently emitted to the outside.
  • the oxidation barrier layer 432 is provided on the upper contact layer 430, but the oxidation barrier layer may be provided at any location within a range that can affect the potential difference between the electrons and holes to be injected into the quantum dots.
  • the oxidation barrier layer may be provided on the lower contact layer 332 or the buffer layers 410, 420, etc.
  • the oxidation barrier layer is provided on the lower contact layer 332, it can affect the potential of the electrons injected into the quantum dots.
  • the present invention can be used in single photon source devices.

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Abstract

単一光子源装置は、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に配置された共振器と、を備える。共振器は、注入される電子およびホールに応じた光子を生成する量子ドットを含む積層構造と、量子ドットに電子およびホールを注入するための電極と、積層構造と電極との間に設けられたコンタクト層と、を有する。

Description

単一光子源装置
　本発明は、単一光子源装置に関する。
　従来、垂直共振器を用いた半導体レーザーとしてＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が知られている。たとえば特許文献１から３に記載のＶＣＳＥＬは、活性層を２つの反射鏡で挟み、活性層と反射鏡との間に電子およびホールを注入するためのコンタクト層を挿入した構造を有する。これらのＶＣＳＥＬは、コンタクト層を通じて活性層に電子およびホールを注入することによって活性層により光を生成し、反射鏡を通じてその光を出射する。反射鏡は、半導体層を積層したＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラーで構成される。
米国特許第６６５３１５８号明細書 米国特許第６６８７２８１号明細書 米国特許第６７１４５７３号明細書
　本発明は、垂直共振器から単一の光子を生成することを目的とし、反射鏡と活性層との間にコンタクト層を有するＶＣＳＥＬの構造を応用する。活性層は、微小な量子ドットを含む。しかしながら、本発明者は、以下の課題を認識するに至った。半導体を含むコンタクト層を通じて電子およびホールを活性層に注入するためには、コンタクト層に不純物イオンをドープして、コンタクト層の抵抗を下げる必要がある。ところが、この不純物イオンは光子を吸収するため、活性層で生成した光子をより効率良く取り出す余地があった。
　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的の一つは、効率良く単一の光子を出射できる単一光子源装置を提供することにある。
　本発明のある態様の単一光子源装置は、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に配置された共振器と、を備える。共振器は、注入される電子およびホールに応じた光子を生成する量子ドットを含む積層構造と、量子ドットに電子およびホールを注入するための電極と、積層構造と電極との間に設けられたコンタクト層と、を有する。
　この態様によれば、電極から量子ドットまで流れる電子およびホールの経路に反射鏡が含まれなくなるため、反射鏡などに不純物イオンをドープしなくとも、その経路の抵抗を低くできる。この結果、生成された光子が不純物イオンに吸収されることが抑制され、効率良く光子を出射することが可能となる。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明によれば、効率良く単一の光子を出射できる単一光子源装置を提供できる。
第１実施形態に係る単一光子源装置の断面図である。 量子ドットによって生成された光子の定在波と共振器の各構成との位置関係を示す図である。 第２実施形態に係る共振器の断面図である。 同実施形態における電子とホールとの結合によって光子が生成されるプロセスを説明するための図である。
　（実施形態）
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る単一光子源装置１の断面図である。単一光子源装置１は、注入される電子およびホールに応じた光子を生成し、その光子を外部に出射する。本実施形態に係る単一光子源装置１は、第１の反射鏡１０、第２の反射鏡２０および共振器３０を備える。
　第１実施形態に係る単一光子源装置１は、各種の半導体層が積層されて構成される。本明細書では、半導体層が積層される方向の軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直な軸をＸ軸、Ｚ軸およびＸ軸に垂直な軸をＹ軸とする。Ｚ軸の正の方向を上方向、Ｚ軸の負の方向を下方向と定義し、Ｘ軸の正の方向を右方向、Ｘ軸の負の方向を左方向と定義する。
　共振器３０は、第１の反射鏡１０と第２の反射鏡２０との間に配置される。共振器３０は、注入される電子およびホールに応じた光子を生成し、その光子を第１の反射鏡１０に出射するように構成される。本実施形態に係る共振器３０は、主として、積層構造３２、上部コンタクト層３３０、下部コンタクト層３３２、正極３２０，３２２、負極３２４，３２６、スペーサ層３４０，３５０および酸化レンズ層３４２を有する。なお、本実施形態では、負極の数が２つである例を説明するが、負極の数は、１つであってよいし、３つ以上であってよい。また、本実施形態では、正極の数が２つである例を説明するが、正極の数は、１つであってよいし、３つ以上であってよい。
　積層構造３２は、半導体層を積層して構成される。積層構造３２は、活性層３００、ホールガイド層３０６、電子ガイド層３０８および酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を有する。
　活性層３００は、上部層３０１、バッファー層３０２および下部層３０３を有する。上部層３０１、バッファー層３０２および下部層３０３は、たとえばＧａＡｓなどの半導体で構成されてよい。バッファー層３０２は、活性層３００の内部において、上部層３０１および下部層３０３によって上下に挟まれるように設けられる。バッファー層３０２の内部には、量子ドット３０４が形成される。
　量子ドットとは、直径２～１０ｎｍ程度の極めて小さな(ナノサイズの)半導体粒子である。量子ドットの電子には、エネルギー範囲がある。エネルギー準位、バンドギャップ、伝導帯および価電子帯といった概念は、量子ドットにも適用できるが、量子ドットと通常の半導体との間には、大きな違いが１点ある。半導体粒子の粒径がナノサイズまで小さくなると、励起子ボーア半径のサイズに近づき、電子エネルギー準位は、連続ではなく離散的になる。この状態は、量子封じ込め効果と呼ばれ、半導体物質は、バルクではなくなり、その代わり量子ドットとなる。この状態は、半導体物質の吸収および発光に大きな影響を与える。
　バルクの半導体物質と同様に、量子ドットにおいて、電子はバンドギャップの端から端まで移動する傾向がある。しかしながら、量子ドットでは、バンドギャップのサイズは、量子ドットの粒径を変えるだけでコントロールできる。量子ドットの発光波長は、バンドギャップに依存するため、量子ドットの発光波長を非常に精密に調節できる。
　量子ドットは、ゼロ次元であるために、高次元構造体よりも状態密度が非常にシャープ（デルタ関数状）である。また、量子ドットのサイズは小さいため、大きな粒子の場合のように電子が長距離移動する必要がない。このため、量子ドットを利用した電子デバイスの動作は高速化できる。このような電子特性を活かし、量子ドットには、トランジスタ、太陽電池、超高速の全光学的スイッチおよび論理ゲート、量子計算機などの応用例がある。
　本実施形態に係る量子ドット３０４は、注入された電子およびホールに応じた光子を生成する。生成される光子は、光子発生領域Ａで発生する。量子ドット３０４は、たとえばＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓなどで構成されてよい。量子ドット３０４は、たとえば１０ｎｍ程度の直径を有してよい。
　量子ドット３０４は、注入される電子およびホールに応じた光子を生成する。量子ドット３０４を含むバッファー層３０２は、様々な波長をもつ光子を生成するが、本実施形態に係る共振器３０は、特定の波長をもつ単一の光子を生成するように構成される。具体的には、共振器３０のＺ軸方向の長さが特定の波長の整数倍となるように構成される。より具体的には、共振器３０は、スペーサ層３５０の下面からスペーサ層３４０の上面までの距離が特定の波長の整数倍となるように構成される。
　ホールガイド層３０６は、上部層３０１の上面に設けられ、電子ガイド層３０８は、下部層３０３の下面に設けられる。ホールガイド層３０６および電子ガイド層３０８のそれぞれは、たとえばＧａＡｓなどの半導体で構成されてよい。
　上部コンタクト層３３０は、積層構造３２と正極３２０，３２２との間に設けられる。本実施形態に係る上部コンタクト層３３０は、第１の反射鏡１０と積層構造３２との間に設けられる。上部コンタクト層３３０は、積層構造３２（具体的には、ホールガイド層３０６）の積層方向の一方の端面（具体的には、上面）に接続される。上部コンタクト層３３０は、積層構造３２より低い抵抗を有する。上部コンタクト層３３０は、各種の半導体に不純物イオンをドープして構成されてよい。上部コンタクト層３３０は、たとえば、ＧａＡｓにＣをドープして構成されてよい。上部コンタクト層３３０の厚みは、たとえば５０～１００ｎｍ程度であってよい。
　正極３２０，３２２は、上部コンタクト層３３０上に設けられる。正極３２０，３２２は、活性層３００の量子ドット３０４にホールを注入するために設けられる。正極３２０は、Ｚ軸方向に平面視した場合に、量子ドット３０４に対してＸ軸の負の方向にずれた位置に設けられる。正極３２２は、Ｚ軸方向に平面視した場合に、量子ドット３０４に対してＸ軸の正の方向にずれた位置に設けられる。
　上部コンタクト層３３０は、第１の反射鏡１０、スペーサ層３４０および積層構造３２（具体的には、活性層３００など）よりも抵抗が低い。正極３２０，３２２から注入されるホールは、第１の反射鏡１０を通らずに量子ドット３０４まで流れる。このため、本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、第１の反射鏡１０およびスペーサ層３４０をホールが流れる必要がなく、第１の反射鏡１０の抵抗を下げるために不純物イオンを第１の反射鏡１０およびスペーサ層３４０にドープする必要がない。このため、発生する光子が第１の反射鏡１０で吸収されることを抑制できる。
　下部コンタクト層３３２は、積層構造３２と負極３２４，３２６との間に設けられる。本実施形態に係る下部コンタクト層３３２は、第２の反射鏡２０と積層構造３２との間に設けられる。下部コンタクト層３３２は、積層構造３２（具体的には、電子ガイド層３０８）の積層方向の他方の端面（具体的には、下面）に接続される。下部コンタクト層３３２は、積層構造３２より低い抵抗を有する。下部コンタクト層３３２は、各種の半導体に不純物イオンをドープして構成されてよい。たとえば、下部コンタクト層３３２は、たとえばＧａＡｓにＳｉをドープして構成されてよい。下部コンタクト層３３２の厚みは、たとえば５０～１００ｎｍ程度であってよい。
　なお、本実施形態では、正極が活性層３００の上面側に設けられ、負極が活性層３００の下面側に設けられる例を説明するが、正極および負極の配置は、これに限定されるものではない。たとえば、正極が活性層３００の上面側に設けられ、負極が活性層３００の下面側に設けられてよい。
　負極３２４，３２６は、下部コンタクト層３３２上に設けられる。負極３２４，３２６は、活性層３００の量子ドット３０４に電子を注入するために設けられる。
　下部コンタクト層３３２は、第２の反射鏡２０、スペーサ層３５０および積層構造３２（具体的には活性層３００など）よりも抵抗が低い。負極３２４，３２６から注入される電子は、第２の反射鏡２０を通らずに量子ドット３０４まで流れる。このため、本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、第２の反射鏡２０およびスペーサ層３５０を電子が流れる必要がなく、第２の反射鏡２０の抵抗を下げるために不純物イオンを第２の反射鏡２０にドープする必要がない。このため、発生する光子が第２の反射鏡２０およびスペーサ層３５０で吸収されることを抑制できる。
　酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６は、共振器３０（具体的には、積層構造３２、上部コンタクト層３３０および下部コンタクト層３３２）の内部において、正極３２０，３２２および負極３２４，３２６の間に流れる電子およびホールの経路を形成するように設けられる。酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６は、積層構造３２より抵抗率の高い高抵抗層で構成され、具体的には各種の酸化物で構成されてよく、たとえば酸化アルミニウムなどで構成されてよい。具体的には、ＡｌＡｓ層を共振器３０内に形成したあと、そのＡｌＡｓ層を水蒸気に曝してＡｌを酸化させることによって、酸化アルミニウムを含む酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を作製してよい。酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６の厚みは、たとえば１０～２０ｎｍ程度であってよい。
　酸化狭窄層３１０は、正極３２０から量子ドット３０４まで流れるホールの経路を形成するように設けられる。具体的には、酸化狭窄層３１０は、量子ドット３０４よりも上側に位置し、Ｚ軸方向に平面視した場合に、ホールガイド層３０６の左側の端部から量子ドット３０４に向かう方向（具体的には、右方向）に延びて形成される。これにより、ホールＨ１が負極３２４に流れることが抑制され、量子ドット３０４に向かう方向（たとえば図１に示す矢印で示される方向）にホールＨ１が流れる。この結果、効率良くホールＨ１を量子ドット３０４に注入できる。
　酸化狭窄層３１２は、正極３２２から量子ドット３０４まで流れるホールの経路を形成するように設けられる。具体的には、酸化狭窄層３１２は、量子ドット３０４よりも上側に位置し、Ｚ軸方向に平面視した場合に、ホールガイド層３０６の右側の端部から量子ドット３０４に向かう方向（具体的には、左方向）に延びて形成される。これにより、ホールＨ２が負極３２６に流れることが抑制され、量子ドット３０４に向かう方向（たとえば図１に示す矢印で示される方向）にホールＨ２が流れる。この結果、効率良くホールＨ２を量子ドット３０４に注入できる。
　酸化狭窄層３１４は、負極３２４から量子ドット３０４まで流れる電子の経路を形成するように設けられる。具体的には、酸化狭窄層３１４は、量子ドット３０４よりも下側に位置し、Ｚ軸方向に平面視した場合に、電子ガイド層３０８の左側の端部から量子ドット３０４に向かう方向（具体的には、右方向）に延びて形成される。これにより、電子Ｅ１が正極３２０に流れることが抑制され、量子ドット３０４に向かう方向（たとえば図１に示す矢印で示される方向）に電子Ｅ１が流れる。この結果、電子Ｅ１を効率良く量子ドット３０４に注入できる。
　酸化狭窄層３１６は、負極３２６から量子ドット３０４まで流れる電子の経路を形成するように設けられる。具体的には、酸化狭窄層３１６は、量子ドット３０４よりも下側に位置し、Ｚ軸方向に平面視した場合に、電子ガイド層３０８の右側の端部から量子ドット３０４に向かう方向（具体的には、左方向）に延びて形成される。これにより、電子Ｅ２が正極３２２に流れることが抑制され、量子ドット３０４に向かう方向（たとえば図１に示す矢印で示される方向）に電子Ｅ２が流れる。この結果、電子Ｅ２を効率良く量子ドット３０４に注入できる。
　なお、本実施形態では、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６がホールガイド層３０６および電子ガイド層３０８の内部に設けられる例を説明した。これに限らず、酸化狭窄層は、上部コンタクト層３３０または下部コンタクト層３３２の内部に設けられてよい。また、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６の全てが設けられなくてもよく、たとえば酸化狭窄層３１０，３１２のみが設けられてよい。
　スペーサ層３５０は、下部コンタクト層３３２の下面に設けられる。スペーサ層３５０は、たとえばＧａＡｓなどの半導体で構成されてよい。量子ドット３０４が生成した光子は、スペーサ層３５０を通過して、第２の反射鏡２０に出射される。
　スペーサ層３４０は、上部コンタクト層３３０の上面に設けられる。スペーサ層３５０は、たとえばＧａＡｓなどの半導体で構成されてよい。量子ドット３０４が生成した光子は、スペーサ層３４０を通過して入射し、第１の反射鏡１０に光子を出射される。
　本実施形態では、スペーサ層３４０の内部には酸化レンズ層３４２が設けられる。酸化レンズ層３４２は、共振器３０内の光子を所定の方向に向かわせる光子ガイド層として機能する。酸化レンズ層３４２は、たとえば酸化アルミニウムなどの酸化層で構成されてよい。たとえば、ＡｌＡｓ層をスペーサ層３４０内に形成したあと、そのＡｌＡｓ層を水蒸気に曝してＡｌを酸化させることによって、酸化アルミニウムを含む酸化レンズ層３４２を作製してよい。
　酸化レンズ層３４２は、開口部３４４を有する。開口部３４４は、スペーサ層３４０の中央に形成される。開口部３４４は、酸化レンズ層３４２の下端から上方向に向かうにつれて、その径が小さくなるように形成される。これにより、量子ドット３０４から発生した光子Ｐを共振器３０の内部で開口部３４４の中央に集めることが可能となる。
　第１の反射鏡１０は、多層膜で構成され、その多層膜は、ＤＢＲミラー１００およびその内部に設けられた酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８を有する。図１には、４層の酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８を示しているが、酸化レンズ層の数は３層以下であってよいし、５層以上であってよい。
　ＤＢＲミラー１００は、屈折率の異なる半導体層を交互に積層した多層膜で構成される。ＤＢＲミラー１００は、たとえば、ＧａＡｓ膜とＡｌＧａＡｓ膜とを交互に積層した構造を有してよい。ＤＢＲミラー１００を構成する半導体層の数はたとえば８０層程度であってよい。これにより、たとえば９９．９％程度の反射率を実現できる。
　酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８は、上方向にこの順で、互いに離間して設けられる。酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８は、導波路形成層として機能するように設けられ、具体的には、ＤＢＲミラー１００において光子Ｐが通過するＺ軸に沿った導波路Ｃを形成するように設けられる。これにより、光子Ｐを効率良く外部に取り出すことができる。
　また、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８を設けることにより、第１の反射鏡１０の側壁の荒れを抑制できる。また、エッチングによって所望の形状を有する第１の反射鏡１０を作製できるが、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８を設けることにより、エッチングの加工後に第１の反射鏡１０内に残留するイオンなどによる光子の損失を抑制できる。
　第２の反射鏡２０は、ＤＢＲミラーで構成される。第２の反射鏡２０は、たとえば、ＧａＡｓ膜とＡｌＡｓ膜とを交互に積層した構造を有してよい。また、ＡｌＡｓ膜の代わりにＡｌＧａＡｓ膜を用いてよい。第２の反射鏡２０は、たとえば、８０層程度の半導体層で構成されてよい。これにより、たとえば９９．９％程度の反射率を実現できる。第２の反射鏡２０は、反射率が第１の反射鏡１０よりも高くなるように構成される。これにより、光子を第１の反射鏡１０から外部に取り出すことが可能となる。
　図２は、量子ドット３０４によって生成された光子の定在波と共振器３０の各構成との位置関係を示す図である。図２には、光子の定在波の節および腹を模式的に示しており、定在波は、スペーサ層３５０の下面、量子ドット３０４およびスペーサ層３４０の上面を腹とする。定在波の波長をλ１とする。
　なお、図２に示す定在波は、光子の電界をＥｐとしたときの｜Ｅｐ｜２を表す。定在波の腹は｜Ｅｐ｜２が極大値をとる位置であり、定在波の節は｜Ｅｐ｜２が極小値をとる位置である。後述する図３についても同様である。また、定在波は、第１の反射鏡１０において、ＤＢＲミラー１００の下端から上端に向かうにつれて、光子の電界が減衰するように分布する。
　上部コンタクト層３３０は、定在波の節またはその近傍に設けられることが好ましい。たとえば、上部コンタクト層３３０は、その厚み全体が定在波の節からＺ軸方向に±（１／８）λ１以内の範囲、または±（１／１６）λ１以内の範囲に収まるように設けられてよい。また、上部コンタクト層３３０の厚みは、たとえば、（１／４）λ１以下、または（１／８）λ１以下であってよい。
　本実施形態に係る上部コンタクト層３３０は、不純物イオンを含み、その不純物イオンは光子を吸収する。上部コンタクト層３３０を定在波の節またはその近傍に設けることにより、光子の吸収を抑制し、より効率良く光子を発生し、外部に取り出すことが可能となる。下部コンタクト層３３２も不純物イオンを含むため、上部コンタクト層３３０と同様に、光子の定在波の節またはその近傍に設けられることが好ましい。また、下部コンタクト層３３２の厚みは、上部コンタクト層３３０と同様に設計されてよい。
　酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６は、それぞれ、光子の定在波の節またはその近傍に設けられることが好ましい。たとえば、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６は、それぞれ、その厚み全体が定在波の節からＺ軸方向に±（１／８）λ１以内の範囲、または±（１／１６）λ１以内の範囲に収まるように設けられてよい。また、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６の厚みは、たとえば、（１／４）λ１以下、または（１／８）λ１以下であってよい。酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を定在波の節またはその近傍に設けることにより、光子が酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６によって減衰（散乱）されることを抑制できる。
　酸化レンズ層３４２は、光子の定在波の節および腹とは異なる位置に設けられることが好ましい。具体的には、酸化レンズ層３４２は、光子の定在波の節とその節と隣り合う腹との間に設けられることが好ましい。たとえば、酸化レンズ層３４２は、たとえば、その厚み全体が定在波のある節とその節と隣り合う腹との中間からＺ軸方向に±（１／８）λ１よりも当該中間側の範囲、または±（１／１６）λ１以内の範囲に収まるように設けられてよい。また、酸化レンズ層３４２の厚みは、たとえば、（１／８）λ１以下、または（１／１６）λ１以下であってよい。酸化レンズ層３４２が定在波の節とは異なる位置に設けられることにより、酸化レンズ層３４２が光子を適切にガイドできる。また、酸化レンズ層３４２が定在波の腹とは異なる位置に設けられることにより、酸化レンズ層３４２が光子を散乱することを抑制できる。
　酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８は、それぞれ、第１の反射鏡１０の内部を通過する光子の定在波の節または腹とは異なる位置に設けられることが好ましい。すなわち、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８は、それぞれ、光子の定在波の節とその節と隣り合う腹との間に設けられることが好ましい。たとえば、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８は、それぞれ、その厚み全体が定在波のある節と隣り合う腹との中間からＺ軸方向に±（１／８）λ１よりも当該中間側の範囲、または±（１／１６）λ１以内の範囲に設けられてよい。また、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８の厚みは、たとえば、（１／８）λ１以下、または（１／１６）λ１以下であってよい。
　酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８が定在波の節とは異なる位置に設けられることにより、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８が光子を適切に導波路Ｃに誘導できる。また、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８が定在波の節とは異なる位置に設けられることにより、酸化レンズ層１０２，１０４，１０６，１０８が光子を散乱することを抑制できる。
　図１に戻って、本実施形態に係る単一光子源装置１の動作を説明する。正極３２０，３２２および負極３２４，３２６の間に電圧を印加すると、電子およびホールが活性層３００の量子ドット３０４に注入される。注入された電子およびホールが量子ドット３０４において再結合し、光子が発生する。発生した光子は、酸化レンズ層３４２の開口部３４４によって損失を防ぎながら共振器３０の内部で共振し、第１の反射鏡１０に入射する。
　第１の反射鏡１０に入射した光子Ｐは、第１の反射鏡１０の導波路Ｃを通過して、第１の反射鏡１０の上部に出射される。第１の反射鏡１０から出射した光子Ｐは、図示しない光ファイバおよび光導波路などに結合して、外部に取り出される。
　本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、電極（正極３２０，３２２、負極３２４，３２６）からコンタクト層（上部コンタクト層３３０、下部コンタクト層３３２）を通じて、積層構造３２内の量子ドットに電子およびホールが注入される。この電子およびホールの経路には、反射鏡（第１の反射鏡１０、第２の反射鏡２０）が含まれない。このため、反射鏡などに不純物イオンをドープしなくとも、電子およびホールの経路の抵抗を低くできる。この結果、生成された光子が不純物イオンに吸収されることが抑制され、効率良く光子を外部に出射することが可能となる。
　本発明者は、上記特許文献１から３に記載の技術に関し、量子ドットから単一の光子を発生するには、量子ドットのみに電子およびホールを注入する必要があるという課題を認識するに至った。本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、ホールガイド層３０６および電子ガイド層３０８の内部には、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６が設けられる。正極３２０，３２２および負極３２４，３２６から注入される電子およびホールが酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を通過することが抑制される。これにより、電子およびホールが量子ドット３０４のみに注入され、それ以外の領域で光子に変換されることが抑制される。この結果、量子ドット３０４で効率良く電子およびホールから単一の光子を発生することが可能となる。
　また、本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、酸化狭窄層３１０，３１２は、ホールが量子ドット３０４まで流れる経路を形成し、酸化狭窄層３１４，３１６は、電子が量子ドット３０４まで流れる経路を形成する。これにより、電子およびホールをより確実に量子ドット３０４に注入でき、効率良く電子およびホールを光子に変換することが可能となる。
　また、本発明者は、上記特許文献１から３に記載の技術に関し、２つの反射鏡で挟まれる共振器内において、量子ドットから発生する単一の光子が共振器内で損失することを防ぐ必要があるという課題を認識するに至った。本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、共振器３０において、上部コンタクト層３３０および下部コンタクト層３３２以外の半導体層について不純物ドープする必要がないため、不純物によって光子が吸収されることを抑制できる。さらに、上部コンタクト層３３０および下部コンタクト層３３２を光子の定在波の節に配置することで、これらのコンタクト層に含まれる不純物イオンによる光子の吸収を抑制できる。また、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を光子の定在波の節に配置することにより、光子が酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６に散乱されることを抑制できる。さらに、共振器３０において、酸化レンズ層３４２によって光子を所定の方向に向かわせることで、光子の損失を抑制できる。
　図１には１つの量子ドット３０４を示しているが、量子ドットを作製する場合、複数の量子ドットが生成されることがある。複数の量子ドットに電子およびホールが注入されると、複数の量子ドットによって光子が生成されるため、単一の光子を生成することができない。
　本実施形態に係る単一光子源装置１によれば、酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を用いることにより、電子およびホールを単一の量子ドット３０４にピンポイントで注入し、単一の量子ドット３０４に光子を生成させることができる。この結果、単一光子源装置１を単一の光子源として用いることが可能となる。この単一の光子源は、たとえばフォトニック量子コンピュータに利用できる。
　なお、本実施形態では、電子およびホールを量子ドット３０４に注入するために酸化狭窄層３１０，３１２，３１４，３１６を用いる例を説明した。これに限らず、酸化狭窄層に代えて、積層構造３２（具体的には、活性層３００など）より抵抗率の高い各種の材料で構成された高抵抗層を用いてよい。高抵抗層は、たとえば各種の絶縁体などで構成されてよい。
　（第２実施形態）
　第２実施形態に係る単一光子源装置は、主として共振器の構成が第１実施形態と異なる。したがって、第２実施形態に係る単一光子源装置は、第２実施形態に係る共振器に加えて、第１実施形態に係る単一光子源装置１が備える第１の反射鏡１０および第２の反射鏡２０と同様の構成を含んでよい。
　図３は、第２実施形態に係る共振器４０の断面図である。図３には、光子の定在波の節および腹を模式的に示しており、定在波は、スペーサ層３５０の下面、量子ドット３０４およびスペーサ層３４０の上面を腹とする。定在波の波長をλ２とする。図３では、第１実施形態に係る単一光子源装置１と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。第２実施形態に係る共振器４０は、主として、積層構造４２、上部コンタクト層４３０、酸化障壁層４３２、下部コンタクト層３３２、正極３２０，３２２、負極３２４，３２６、スペーサ層３４０，３５０および酸化レンズ層３４２を有する。
　積層構造４２は、半導体層を積層して構成される。積層構造４２は、量子ドット４０２，４０３が内部に形成された活性層４００およびバッファー層４１０，４２０を有する。活性層４００およびバッファー層４１０，４２０は、主として、たとえばＧａＡｓなどで構成されてよい。
　バッファー層４１０は、下部コンタクト層３３２上に設けられる。バッファー層４１０は、不純物がドープされ、たとえばＳｉなどがドープされてよい。バッファー層４２０は、活性層４００上に設けられる。バッファー層４２０は、不純物がドープされ、たとえばＣなどがドープされてよい。
　活性層４００は、バッファー層４１０上に設けられる。活性層４００には不純物がドープされておらず、量子ドット４０２，４０３とバッファー層４１０との間および量子ドット４０２，４０３とバッファー層４２０との間には、それぞれポテンシャル障壁が生じる。それぞれのポテンシャル障壁は、電子またはホールがトンネル効果で通過できる程度の厚みである。本実施形態では、電子およびホールは、トンネル効果（より具体的には、共鳴トンネル効果）によってこのポテンシャル障壁を通過し、量子ドット４０２に注入される。
　量子ドット４０２，４０３は、特定の電位差を有する電子およびホールの対が注入された場合に、共振器４０で共振する波長を有する光子を生成する。したがって、量子ドット４０２，４０３は、この特定の電位差とは異なる電位差を有する電子およびホールの対が注入された場合には、光子を生成しない、あるいは、光子を生成したとしても、その光子は共振器４０で共振されない。
　本実施形態では、量子ドット４０２は、活性層４００において、後述する酸化障壁層４３２の隙間４３６の直下に形成されている。また、量子ドット４０３は、活性層４００において、酸化障壁層４３２の直下に形成される。なお、量子ドットは、活性層４００において、隙間４３６の直下にのみ形成されてよい。
　上部コンタクト層４３０は、バッファー層４２０上に設けられる。上部コンタクト層４３０は、ＧａＡｓにＣをドープして構成されてよい。上部コンタクト層４３０上には、正極３２０，３２２およびスペーサ層３４０が設けられる。上部コンタクト層４３０は、光子の定在波の節またはその近傍に設けられてよい。たとえば、上部コンタクト層４３０は、その厚み全体が定在波の節からＺ軸方向に±（１／８）λ２以内の範囲、または±（１／１６）λ２以内の範囲に収まるように設けられてよい。また、上部コンタクト層３３０の厚みは、たとえば、（１／４）λ２以下、または（１／８）λ２以下であってよい。上部コンタクト層４３０を光子の定在波の節またはその近傍に設けることにより、上部コンタクト層４３０における光子の吸収を抑制できる。
　酸化障壁層４３２は、バッファー層４２０上において、上部コンタクト層４３０の内部に設けられる。酸化障壁層４３２は、上部コンタクト層４３０の内部において、量子ドット４０２によって生成される光子の定在波の節またはその近傍に設けられることが好ましい。これにより、光子が酸化障壁層４３２によって減衰（散乱）されることを抑制できる。
　なお、酸化障壁層４３２が上部コンタクト層４３０の外部に設けられる場合においても、酸化障壁層４３２は、光子の定在波の節またはその近傍に設けられることが好ましい。この場合、たとえば、酸化障壁層４３２は、その厚み全体が定在波の節からＺ軸方向に±（１／８）λ２以内の範囲、または±（１／１６）λ２以内の範囲に設けられてよい。また、酸化障壁層４３２の厚みは、たとえば、（１／４）λ２以下、または（１／８）λ２以下であってよい。
　酸化障壁層４３２は、上部コンタクト層４３０およびバッファー層４２０よりも高い抵抗を有する高抵抗層である。具体的には、酸化障壁層４３２は、各種の酸化物で構成されてよく、たとえば酸化アルミニウムなどを含んでよい。酸化障壁層４３２の厚みは、たとえば３０ｎｍ程度であってよい。本実施形態に係る酸化障壁層４３２は、共振器４０を断面視した場合に、矩形状を有する。
　酸化障壁層４３２は、共振器４０で共振する光子を生成すべき量子ドット４０２とは異なる量子ドット４０３に注入される電子およびホールの対の電位差が、特定の電位差とならないように設けられる。具体的には、酸化障壁層４３２は、量子ドット４０３において、光子が生成されない、または、生成された光子が共振器４０で共振されないように、量子ドット４０３に注入される電子およびホールの対の電位差に影響を与える。これにより、主として量子ドット４０２のみで光子が生成されるようになる。
　上部コンタクト層４３０の内部に設けられる酸化障壁層４３２には、隙間４３６が形成されている。上部コンタクト層４３０は、隙間４３６の開口部でバッファー層４２０と結合している。隙間４３６は、１μｍ程度の径を有することが好ましい。隙間４３６がこの程度の大きさの径を有することにより、より確実に、隙間４３６の直下に位置する量子ドット４０２のみで光子を生成させることが可能となる。
　図４は、本実施形態における電子ＥとホールＨとの結合によって光子Ｐが生成されるプロセスを説明するための図である。ここでは、酸化障壁層４３２の隙間４３６の直下に位置する量子ドット４０２における光子Ｐの生成プロセスを説明する。
　正極３２０，３２２および負極３２４，３２６に電圧が印加されると、図４に示すように、ホールＨには、正極３２０，３２２から上部コンタクト層４３０に供給される電圧Ｖｐが与えられ、電子Ｅには、負極３２４，３２６から下部コンタクト層３３２に供給されるＶｎが与えられる。
　ホールＨは、量子ドット４０２の上部コンタクト層４３０側に存在するポテンシャル障壁４０４をトンネル効果によって通過して、量子ドット４０２に注入される。一方電子Ｅは、量子ドット４０２の下部コンタクト層３３２側に存在するポテンシャル障壁４０６をトンネル効果によって通過して、量子ドット４０２に注入される。量子ドット４０２に注入された電子ＥおよびホールＨが結合することにより、光子Ｐが生成される。この光子Ｐの波長は、電子Ｅの電位ＶｎとホールＨの電位Ｖｐとの差分ΔＶ（＝Ｖｐ－Ｖｎ）に応じた値となる。この光子Ｐが共振器４０で共振し、外部に出力される。
　図３には、隙間４３６の直下において１つの量子ドット４０２を示しているが、隙間４３６の直下において複数（たとえば１０個程度）の量子ドット４０２が存在する場合がある。この場合、複数の量子ドット４０２には、大きさおよび生成する光子の波長にばらつきがある。注入される電子ＥおよびホールＨの電位差ΔＶが量子ドット４０２で生成される光子の波長と合致する場合、その量子ドット４０２において光子Ｐが生成される。その他の量子ドット４０２では、光子が生成されないか、光子が生成されたとしても、その光子が共振器４０で共振されない。その結果、たとえば１０個程度の量子ドット４０２のうち、電位差ΔＶに合致する特定の波長を有する光子を生成する量子ドット４０２のみによって光子Ｐが生成される。
　一方、酸化障壁層４３２の直下に位置する量子ドット４０３では、注入される電子の電位およびホールの電位の差分が影響を受ける。具体的には、酸化障壁層４３２は、量子ドット４０３に注入される電子およびホールの電位差が、量子ドット４０３で光子を生成できる電位差ではない、またはその電位差で生成される光子が共振器４０で共振される波長を有しないように設けられる。
　たとえば、量子ドット４０３が電位差ΔＶを有する電子およびホールが注入された場合に光子を生成できるものとする。量子ドット４０３に注入されるホールの電位が酸化障壁層４３２によって生じる電界によって影響を受けると、ホールの電位がＶｐ’（≠Ｖｐ）となり、量子ドット４０３に注入される電子とホールとの電位差がΔＶ’（≠ΔＶ）となる。その結果、量子ドット４０３では、共振器４０で共振される量子ドットが生成されない。このように、本実施形態によれば、酸化障壁層４３２の直下に位置する量子ドット４０３において共振される光子が生成されず、酸化障壁層４３２の隙間４３６の直下に位置する量子ドット４０２にのみ共振する光子を生成させることができる。
　フォトニック量子コンピュータとして上記実施形態に係る単一光子源装置を用いる場合には、多数（たとえば１００万台あるいは数千万台）の単一光子源装置を使用する。これらの多数の単一光子源装置は、フォトニック量子コンピュータとして使用する上で、すべて同一の波長を有する光子を生成する必要がある。
　上記実施形態に係る単一光子源装置では、共振器３０，４０で特定の波長を有する光子を共振することにより光子の波長を揃える。しかしながら、各装置間では、共振器の共振周波数にばらつきがあり、高いＱ値であっても共振周波数には有限の幅が生じる。そこで、本実施形態に係る共振器４０では、さらに、トンネル効果によって量子ドット４０２に電子およびホールを注入し、特定の波長の光子を生成させる。この結果、各単一光子源装置によって生成される光子の波長をより精度良く揃えることができる。
　また、本実施形態では、主として酸化障壁層４３２の隙間４３６の直下に位置する量子ドット４０２にのみ光子を生成させることができる。このため、意図しない量子ドットが光子を生成することを抑制できる。
　また、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、反射鏡などに不純物イオンをドープしなくとも、電子およびホールの経路の抵抗を低くできる。この結果、生成された光子が不純物イオンに吸収されることが抑制され、効率良く光子を外部に出射することが可能となる。
　本実施形態では、酸化障壁層４３２を上部コンタクト層４３０に設ける例を説明したが、酸化障壁層は、量子ドットに注入させる電子およびホールの電位差に影響を与えられる範囲で、任意の場所に設けられてよい。たとえば、酸化障壁層は、下部コンタクト層３３２またはバッファー層４１０，４２０などに設けられてよい。たとえば酸化障壁層が下部コンタクト層３３２に設けられる場合には、量子ドットに注入される電子の電位に影響を与えることができる。
　（補足）
　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　本発明は、単一光子源装置に利用できる。
１　単一光子源装置、１０　第１の反射鏡、２０　第２の反射鏡、３０，４０　共振器、３２，４２　積層構造、１００　ＤＢＲミラー、１０２　酸化レンズ層、３００，４００　活性層、３０１　上部層、３０２，４１０，４２０　バッファー層、３０３　下部層、３０４，４０２，４０３　量子ドット、３０６　ホールガイド層、３０８　電子ガイド層、３１０，３１２，３１４，３１６　酸化狭窄層、３２０，３２２　正極、３２４，３２６　負極、３３０，４３０　上部コンタクト層、３３２　下部コンタクト層、３４０　スペーサ層、３４２　酸化レンズ層、３４４　開口部、３５０　スペーサ層、４３２　酸化障壁層、４３６　隙間、４０４，４０６　ポテンシャル障壁、Ｅ，Ｅ１，Ｅ２　電子、Ｈ，Ｈ１，Ｈ２　ホール、Ｐ　光子。

Claims (11)

  1. 　第１の反射鏡と、
    　第２の反射鏡と、
    　前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間に配置された共振器と、を備え、
    　前記共振器は、
    　注入される電子およびホールに応じた光子を生成する量子ドットを含む積層構造と、
    　前記量子ドットに電子およびホールを注入するための電極と、
    　前記積層構造と前記電極との間に設けられたコンタクト層と、を有する、
    　単一光子源装置。
  2. 　前記電極を第１の電極、前記コンタクト層を第１のコンタクト層とするとき、
    　前記共振器は、前記量子ドットに電子およびホールを注入するための第２の電極と、前記積層構造と前記第２の電極との間に設けられた第２のコンタクト層と、をさらに有し、
    　前記積層構造、前記第１のコンタクト層または前記第２のコンタクト層は、その内部に配置された高抵抗層を有し、
    　前記第１の電極は、正極であり、
    　前記第２の電極は、負極であり、
    　前記第１のコンタクト層は、前記積層構造の積層方向の一方の端面に接続され、
    　前記第２のコンタクト層は、前記積層構造の積層方向の他方の端面に接続される、
    　請求項１に記載の単一光子源装置。
  3. 　前記第１のコンタクト層および前記第２のコンタクト層は、前記光子の定在波の節またはその近傍にそれぞれ設けられる、
    　請求項２に記載の単一光子源装置。
  4. 　前記高抵抗層を第１の高抵抗層とするとき、
    　前記積層構造は、その内部にそれぞれ配置された前記第１の高抵抗層および第２の高抵抗層を有し、
    　前記第１の高抵抗層は、前記正極から前記量子ドットに流れるホールの経路を形成するように設けられ、
    　前記第２の高抵抗層は、前記負極から前記量子ドットに流れる電子の経路を形成するように設けられる、
    　請求項２または３に記載の単一光子源装置。
  5. 　前記第１の高抵抗層および前記第２の高抵抗層は、前記光子の定在波の節またはその近傍にそれぞれ設けられる、
    　請求項４に記載の単一光子源装置。
  6. 　前記量子ドットは、特定の電位差を有する電子およびホールの対が注入された場合に、前記共振器で共振する光子を生成し、
    　前記高抵抗層は、前記共振器で共振する光子を生成すべき量子ドットとは異なる量子ドットに注入される電子およびホールの対の電位差が、前記特定の電位差とならないように設けられる、
    　請求項２または３に記載の単一光子源装置。
  7. 　電子およびホールは、トンネル効果によって前記量子ドットに注入される、
    　請求項６に記載の単一光子源装置。
  8. 　前記第１のコンタクト層または前記第２のコンタクト層は、前記高抵抗層を有する、
    　請求項６または７に記載の単一光子源装置。
  9. 　前記共振器は、
    　前記量子ドットが生成した光子が入射し、入射した光子を所定の方向に向かわせる光子ガイド層をさらに有する、
    　請求項１から８のいずれか一項に記載の単一光子源装置。
  10. 　前記ガイド層は、前記量子ドットが生成した光子が入射して前記所定の方向に出射する開口部が形成された酸化層で構成され、
    　前記酸化層は、前記光子の定在波の節と当該節と隣り合う腹との間に設けられる、
    　請求項９に記載の単一光子源装置。
  11. 　前記第１の反射鏡は、導波路を形成する導波路形成層を含む多層膜で構成される、
    　請求項１から１０のいずれか一項に記載の単一光子源装置。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05190979A (ja) * 1992-01-10 1993-07-30 Nec Corp 面発光半導体レーザ
JP2004128482A (ja) * 2002-08-06 2004-04-22 Ricoh Co Ltd 面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム
JP2005538532A (ja) * 2002-02-12 2005-12-15 ニコラエビチ レデンチョフ，ニコライ 傾斜型共振器半導体レーザー（ｔｃｓｌ）及びその製造方法
US20060171440A1 (en) * 2003-03-14 2006-08-03 Pbc Lasers Ltd. Apparatus for generating improved laser beam
JP2006518548A (ja) * 2003-02-19 2006-08-10 ピービーシー レーザーズ リミテッド 周波数変換のための装置および方法
JP2007123731A (ja) * 2005-10-31 2007-05-17 Toshiba Corp 半導体発光素子および半導体発光装置
JP2009182296A (ja) * 2008-02-01 2009-08-13 Fujitsu Ltd 発光素子及び集積素子
JP2010153739A (ja) * 2008-12-26 2010-07-08 Fujitsu Ltd 光半導体素子及び集積素子
JP2013175712A (ja) * 2012-01-24 2013-09-05 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05190979A (ja) * 1992-01-10 1993-07-30 Nec Corp 面発光半導体レーザ
JP2005538532A (ja) * 2002-02-12 2005-12-15 ニコラエビチ レデンチョフ，ニコライ 傾斜型共振器半導体レーザー（ｔｃｓｌ）及びその製造方法
JP2004128482A (ja) * 2002-08-06 2004-04-22 Ricoh Co Ltd 面発光半導体レーザ装置および光伝送モジュールおよび光伝送システム
JP2006518548A (ja) * 2003-02-19 2006-08-10 ピービーシー レーザーズ リミテッド 周波数変換のための装置および方法
US20060171440A1 (en) * 2003-03-14 2006-08-03 Pbc Lasers Ltd. Apparatus for generating improved laser beam
JP2007123731A (ja) * 2005-10-31 2007-05-17 Toshiba Corp 半導体発光素子および半導体発光装置
JP2009182296A (ja) * 2008-02-01 2009-08-13 Fujitsu Ltd 発光素子及び集積素子
JP2010153739A (ja) * 2008-12-26 2010-07-08 Fujitsu Ltd 光半導体素子及び集積素子
JP2013175712A (ja) * 2012-01-24 2013-09-05 Fuji Xerox Co Ltd 面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザ装置、光伝送装置および情報処理装置

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