調整可能な量子光源
半導体ヘテロ構造を具備する光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子井戸（９７）と、前記量子井戸に隣接する障壁領域（８５）と、前記量子井戸内に設けられる量子ドット（９５）と、を含み、前記光子源は、電気的コンタクト（８７、９３）と、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電源と、をさらに具備し、前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットから前記第１の電気的コンタクトへのキャリアのトンネル時間及び前記量子ドットから前記第２の電気的コンタクトへのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここで説明される実施形態は、一般に、光子エミッタに係り、特に、量子通信及び計算での使用に関する要求に応じて、単一光子又は光子対を出力するように動作されることができる光子エミッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号の分野では、単一光子を確実に生成する必要がある。単一光子の生成に関してこれまでに提案されている１つの光子源は、量子ドットに基づいている。量子ドットでは、伝導帯の少数の電子と価電子帯のホールとの間に束縛状態がある場合に励起子が形成され、１つのホール及び１つの電子が再結合するときに放射崩壊が起こって、それにより、光子の放射を生じる。生成処理によって、光子が放射される時間は、注意深く制御されることができ、このような処理は、パウリの排他原理により２つの光子の放射を同時に生じさせることはできない。電子とホールの組み合わせの各々は、初期の電子状態と最終の電子状態との間の異なるエネルギー差を有し、慣例により初期状態の名称で名前を付けられる異なる波長の光子をもたらす。一例として、ドットが２つの電子及び１つのホールを含む場合、それは、１つの電子をドット内に残して、放射崩壊して「負帯電励起子」と称される単一光子を放射することができる。この遷移がデコヒーレンスに対して最もロバストであることが経験的に観測されるので、こうような遷移は、コヒーレントな単一光子の生成に関して好ましい。
【０００３】
量子暗号、量子イメージング、及び量子計算の分野では、光子対を生成することが必要とされることもある。そのような光子は、最初は２つの電子及び２つのホールで満たされている、即ち、「双励起子状態」である単一量子ドットにおけるカスケード放射プロセスから作成されることができる。この状況は、「（帯電中性）励起子」状態の１つの電子及び１つのホールを残して、「双励起子光子」を放射することができる。その後、この電子及びホールは、再結合して「励起子」光子を放射し、ドットが空になる。励起子状態の特性の制御を通じて、これらの２つの光子は、エンタングルされることができる。
【０００４】
特によく知られている材料系は、ＧａＡｓ内のＩｎＡｓ量子ドットの形態である。放射波長は、量子ドットに電場を印加することにより調整することができる。しかしながら、光子放射が起こる前に、印加された場が量子ドットからのキャリアのトンネリングを促進するので、量子ドットに電場を印加することは、光子源の効率を低下させる。
【０００５】
引用文献リスト
Applied Physics Letters 92, 193503 2008
Kim et al, Nature 397, 500-503 (1999)
APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 233514 2007
New Journal of Physics 10 (2008) 043035
【図面の簡単な説明】
【０００６】
これより、以下の限定されない実施形態を参照して本発明を説明する。
【図１】図１は、本発明の背景にある原理を説明するために使用される単純な量子ドットのバンド図である。
【図２】図２は、図１を参照して説明されるタイプのドットからのフォトルミネセンス放射を示すプロットであり、放射波長がＹ軸に沿ってプロットされ、外部バイアスがＸ軸に沿ってプロットされている。
【図３】図３ａは、従来技術に従う光子エミッタの基本構造の概略図であり、図３ｂは、その対応するバンド図である。
【図４】図４ａは、本発明の一実施形態に従う光子エミッタの概略図であり、図４ｂは、その対応するバンド図である。
【図５】図５ａは、本発明の一実施形態に従う光子エミッタの概略図であり、図５ｂは、その対応するバンド図であり、図５ｃは、図５ａのエミッタの変形であり、図５ｄは、その対応するバンド図である。
【図６】図６ａは、本発明のさらなる実施形態に従う光子エミッタの概略図であり、図６ｂは、その対応するバンド図である。
【図７】図７ａは、第１の構成に従って動作される光子エミッタの概略図であり、図７ｂは、図７ａに示されるデバイスに印加されるバイアスのプロットであり、図７ｃは、光子生成確率のプロットである。
【図８】図８は、第２の動作モードに従って動作される本発明に従うデバイスの概略図である。
【図９】図９は、第３の動作モードに従って動作される本発明のデバイスの構成の概略図である。
【図１０】図１０は、第４の動作モードに従って動作される本発明に従うデバイスの概略図である。
【図１１】図１１は、バイアス電圧に対する、図６を参照して説明される光子エミッタのフォトルミネセンス放射を示すプロットである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に従う２つの光子エミッタを使用して量子ビットエンタングルメントを作成する装置の概略図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に従う光子源を使用する量子リピータの概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に従う３つの光子エミッタに関して、外部バイアス電圧に対する微細構造分裂（ＦＳＳ）を示すプロットである。
【図１５】図１５は、キャビティ内に設けられる本発明に従う光子エミッタである。
【図１６】図１６ａ及び１６ｂは、キャビティの中心にあるスペーサ層の端からの距離に対するキャビティの屈折率及び光電場を示すプロットであり、キャビティスペーサの屈折率は、図１６ａと図１６ｂとの間で異なる。
【図１７】図１７ａ及び１７ｂは、異なる量子井戸の形状を示す。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に従う光子エミッタの詳細なデバイス概略図である。
【図１９】図１９は、単一量子ドットからの放射が分離される本発明のさらなる実施形態に従う光子エミッタの詳細なデバイス概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
一実施形態によれば、半導体ヘテロ構造を備える光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子井戸と、前記量子井戸に隣接する障壁領域と、前記量子井戸内に設けられる量子ドットとを含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源と、をさらに備え、前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源が提供される。
【０００８】
トンネル時間は、印加されるバイアスに応じて変わる。本発明では、動作範囲は、好ましくは、１００ＫＶｃｍ−１を超える。
【０００９】
さらなる実施形態では、半導体ヘテロ構造を備える光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子ドットを含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドット全体にわたって調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源とをさらに備え、前記電場は、１００ＫＶｃｍ−１の動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源が提供される。
【００１０】
動作範囲上で量子ドットからのトンネリングを低減することは、複数の方法で達成されることができる。量子ドットと第１及び／又は第２のコンタクトとの間の半導体膜は、トンネリングに対する障壁を与え、この障壁は、量子ドット内の最低の電子エネルギー準位より（その厚さの少なくとも一部において）少なくとも高いポテンシャルを有する。量子井戸が設けられる場合、少なくとも量子ドットの片側にある、電子トンネルが起こる障壁は、好ましくは、量子井戸の最低の電子エネルギー準位より高いポテンシャルを有する。
【００１１】
一実施形態では、量子ドット領域は、障壁領域によって規定される量子井戸を含み、量子ドットは、量子井戸内に位置する。障壁領域は、量子ドットがない場合でも量子井戸が形成されるように構成されるだろう。その後、量子ドットは、この井戸内に設けられる。量子井戸は、四角形の閉じ込めポテンシャル、或いは、三角形又は放物線状のポテンシャルのような勾配のある（graded）閉じ込めポテンシャルを有する。
【００１２】
光子源の量子井戸は、障壁層より低いバンドギャップを有する材料を含み、より低いバンドギャップ材料は、２つの障壁層間に設けられる。
【００１３】
障壁領域は、それらのポテンシャルの高さが異なっていてもよい。それらはまた、印加される電場の方向の幅が異なっていてもよい。一実施形態では、量子井戸層より大きなポテンシャルを有する障壁は、量子井戸の片側だけに設けられる。この障壁は、電子がトンネルするのを抑制するように設けられる。
【００１４】
一実施形態では、量子ドットはＩｎＡｓを含み、量子井戸はＧａＡｓを含み、少なくとも１つの障壁領域はＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含む。量子井戸はＡｌＧａＡｓを含んでもよく、障壁はＡｌＧａＡｓを含んでもよいが、この場合には、障壁は、それらが量子井戸に障壁を提供するように、より高いＡｌ含有量を有するＡｌＧａＡｓを含む。量子井戸に勾配がある場合、ＧａＡｓは、量子ドットが位置している井戸の中心に設けられることができる。
【００１５】
キャリアは、複数の方法によって量子ドットに供給されることができ、例えば、源は、キャリアが量子ドットに供給されることを可能にするように電気的コンタクトに第１の電圧を印加し、量子ドットのバンドギャップを変えるために第２電圧を印加するように構成される電圧源を備えることができる。さらなる実施形態では、源は、量子ドットにキャリアを供給するように構成される第２の電気的コンタクトをさらに備える。光源は、量子ドットにキャリアを供給するために使用されてもよい。
【００１６】
一実施形態では、光子源はｐ−ｉ−ｎ構造を有し、量子ドットは真性領域に位置し、ｐ及びｎ型コンタクトは「ｉ」領域の一方の側に設けられる。
【００１７】
源は、光キャビティ（optical cavity）をさらに備えることができる。調整可能な源は、源が製造後にキャビティの共鳴に調整されることができるので、この配置において有利である。
【００１８】
一実施形態では、光子源は、複数の量子ドットを備えるが、放射は、１つの量子ドットからのものが利用されるだけである。これは、１つの量子ドットにだけキャリアを供給することにより、或いは、多くの量子ドットにキャリアを供給して、１つの量子ドットを除く全部からの放射を遮ることにより、達成されることができる。従って、源は、単一量子ドットへのキャリア注入を可能にするように構成されるアパーチャを備える電気絶縁層をさらに備えることができる。また、源は、１つの量子ドットからの放射を分離するように構成される不透明層をさらに備えることができる。
【００１９】
源に印加される場は、源の出力における微細構造分裂を最小化するように構成され、これは、エンタングルされた光子対の源が生成されることを可能にする。
【００２０】
またさらなる実施形態では、個別の源からの光子の干渉によってエンタングルメントを生成するシステムであって、前記システムは、任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、任意の先行する請求項に従う第２の光子源と、を備え、前記第１及び第２の光子源は、同一光子を放射するように調整され、前記システムは、前記２つの源からの出力される同一光子間でエンタングルメントを提供するように構成される干渉計をさらに備えるシステムが提供される。
【００２１】
さらなる実施形態では、任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、第２の光子源と、前記第１の光子源によって出力される光子対のうちの第１の光子、及び前記第２の光子源からの光子を干渉させるように構成される干渉計と、を備え、前記第１の光子源は、エンタングルされた光子対を出力するように構成され、前記光子のうちの１つは、前記干渉計による干渉の間に前記第２の光子源によって放射される光子が前記光子対のうちの第２の光子にマッピングされるように、前記第２の光子源によって出力される光子と同一である量子リピータが提供される。
【００２２】
一実施形態では、選択された波長の光子を生成する方法であって、前記方法は、半導体構造内に量子ドットを用意することと、励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットに供給されるキャリアが結合して前記印加される電場によって選択されるエネルギーの光子を出力することを可能にすることと、を備え、前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大するように構成される、方法が提供される。
【００２３】
一実施形態では、量子ドットは、量子井戸内に設けられる。他の実施形態では、量子ドットは、障壁材料内に設けられる。さらなる実施形態では、単一の障壁は、電子トンネルを抑制するために設けられる。
【００２４】
さらなる実施形態では、２つのエンタングルされた光子を生成する方法であって、前記方法は、半導体構造内に量子ドットを用意することと、双励起子又はより高次の励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットに供給されるキャリアが、双励起子崩壊からの第１の光子を生成し且つ前記量子ドット内の残りの励起子からの崩壊によって生成される第２の光子を生成するように結合することを可能にすることと、を備え、前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲を超えて、前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大させるように構成され、前記電場は、双励起子励起子空カスケード崩壊の間に微細構造分裂を最小化するためのレベルに変えられる、方法が提供される。
【００２５】
一実施形態では、エネルギー準位の分裂は、量子ドットからの放射の均質線幅（homogenous line-width）以下である。
【００２６】
定量的には、分裂は、２μｅＶ以下であるべきであり、より好ましくは、１μｅＶ以下であるべきである。
【００２７】
図１は、量子ドットの概略のバンド図である。バンド図は、伝導帯１及び価電子帯３を示す。量子ドット５は、伝導帯に電子７を含み、価電子帯にホール９を含む。
【００２８】
伝導帯の電子７及び価電子帯のホール９が結合して光子を放射するときに、量子ドットは放射を出す。伝導帯の単一電子７及び価電子帯の単一ホール９の存在は、単一励起子Ｘと称される束縛状態を形成する。
【００２９】
図１は、単に単一中性励起子が存在する簡単化された配置を示す。しかしながら、伝導帯に２つの電子を含み且つ価電子帯に２つのホールを含む双励起子或いは電子及びホールの数が等しくない帯電励起子の形態も可能である。しかしながら、電子７が矢印で示されるように量子ドット５からトンネルする若しくはホール９が矢印で示されるように量子ドット５からトンネルする場合に、光子の放射が抑制されることがあり得る。三角形の障壁を通過するトンネル速度（tunnelling rate）｜Ｔ｜２は、次のようにモデル化することができる。
【数１】
【００３０】
ここで、Ｃは定数であり、Ｅは電場であり、ｍ＊はトンネル粒子の有効質量であり、Ｗは閉じ込めポテンシャル（confinement potential）である。Ｅが増大すると、トンネル速度は増大する。ｍ＊が増大すると、トンネリングは減少する。Ｗが増大すると、トンネリングは減少する。
【００３１】
従って、上述のことから、垂直電場が量子ドットに印加されると、Ｅが増大するのでトンネリングの確率が増大し、その結果、デバイスの放射効率が下がることは理解されることができる。
【００３２】
しかしながら、障壁の高さＷが増大すると、トンネリングを抑制することができることも理解される。
【００３３】
図２は、バイアスが変更されるときに、図１を参照して説明したタイプのドットからのフォトルミネセンス放射を示す。ＧａＡｓ内のＩｎＡｓ量子からの結果が示されている。プロットは、コントラストとして示される強度によって、Ｘ軸に沿う外部バイアスに対してＹ軸に沿う放射波長を示す。外部バイアスが（外部バイアスが内部ポテンシャルを相殺し、その結果、電場がドットの領域にない）１．５ボルトから低下されるにつれて、キャリアが束縛状態からトンネルし、発光線（emission line）は広がってそれほど極度でなくなることは理解されることができる。これは、バイアスが１．４ボルトに近づく時のデータの軽減によって理解されることができる。しかしながら、波長もバイアスに応じて変化することがこの図から理解されることができる。
【００３４】
図３ａは、従来技術に従う光子エミッタの概略図である。デバイスは、上方２５のＧａＡｓ層と第２の下方２７のＧａＡｓ層との間の界面（interface）２３に形成されている複数のＩｎＡｓ量子ドット２１を含む。上方のＧａＡｓ層の上にはｐ型コンタクト（p-type contact）があり、下方２７のＧａＡｓ層の下にはｎ型コンタクト（n-type contact）がある。
【００３５】
対応するバンド図は、図３ｂに示される。ここで、単一ドット３１は、図３ｂに示されるような下方のＧａＡｓ層２７と図３ａの上方のＧａＡｓ層２５との間の界面に設けられる。量子ドットは、伝導帯にある電子３３、及び価電子帯にあるホール３５を有する。電子３３は、最終的にはｎドープ領域（n-doped region）３７の方へトンネルし、ホール３５は、ｐドープ領域（p-doped region）３９の方へトンネルする。電子３３又はホール３５が再結合の前にトンネルする場合、光子は放射されない。
【００３６】
図４ａ及びその対応するバンド図の図４ｂは、本発明の一実施形態に従う設計を示す。障壁層は、設けられ、再結合の前の量子ドットからのキャリアのトンネリングを防ぐように構成される。
【００３７】
図４ａ及び４ｂの実施形態では、複数の量子ドット２１が、下方のガリウムヒ素層８３と上方のガリウムヒ素層８９との間の界面８１に形成されている。上方のガリウムヒ素層８９及び下方のガリウムヒ素層８３は、上方の障壁層９１及び下方の障壁層８５にそれぞれに接触している。上方の障壁層８５及び下方の障壁層９１は、より高いバンドギャップ層であり、例えばＡｌＧａＡｓであり得る。上方の障壁層９１と下方の障壁層８５との間に挟まれた上方のガリウムヒ素層８９及び下方のガリウムヒ素層８３を備えるこの配置は、ガリウムヒ素層が量子井戸を形成することになる。
【００３８】
障壁層は、障壁層が存在しない場合よりもさらなる度合の電気的な閉じ込めを提供するように、量子ドットが形成されている界面８１に十分に接近して設けられる。
【００３９】
障壁層間のＧａＡｓ層は、量子井戸を形成する。
【００４０】
対応するバンド図は、図４ｂに示される。ここで、量子ドット９５は、上方のＧａＡｓ層８９及び下方のＧａＡｓ層８３によって形成される量子井戸内に位置する。そして、これは、図４ａ及び４ｂと５ａ及び５ｂとを参照して説明されるのと同じ方法で、量子ドットからのトンネリングを抑制する働きをする上方の障壁層９１と下方の障壁層８５との間に形成される。
【００４１】
上記の設計では量子ドットがＧａＡｓに形成されるが、これが量子ドットを形成する典型的な材料であるので、量子ドットの特性はよく理解される。
【００４２】
障壁材料を使用することによって、量子ドットからのトンネリングがより長い時間にわたって抑制され、それは、光子エミッタの放射効率を高める。これは、４００ＫＶ／ｃｍを超える場が放射効率を損なうことなしに印加されることができるように、１４ｎｍを超える波長範囲にわたる調整につながり得る。
【００４３】
図４ａ及び４ｂでは、構造は、非ドープ領域（undoped region）に位置するドットを備える、デバイスの片側がｐ型であり且つ反対側がｎ型であるｐ−ｉ−ｎ構造である。しかしながら、量子ドット及び障壁が同様の方法で構成されるのであれば、同様の結果がｎ−ｉ−ｐ、ｎ−ｉ−ｎ、ｐ−ｉ−ｐ、又はオーミック−ｉ−ショットキー（ohmic-i-schottky）デバイスで得られる。
【００４４】
図４に示される実施形態では、我々は、障壁が均等であり且つそれらの間の間隔が「量子井戸」内に電子状態の量子化を引き起こすのに十分小さい特別の場合を考えている。これは、キャリアが粒子のド・ブロイ波長に匹敵する領域に対して十分に強いポテンシャル内に閉じ込められる場合に起こる。
【００４５】
図４は、ドットからのキャリアのトンネリングを抑制するための、ドットの一方の側にある障壁を示す。ドットから障壁までの距離が、キャリアがドットから出てトンネルする可能性がある障壁の端において閉じ込め状態が存在しないくらい十分に小さくなるように、これらの障壁の一方又は両方の高さ、位置、又は厚さが選択されている方が好ましい。電子及びホール（これらは異なる有効質量を有する。）は、ドットの一方の側にある障壁の不均等な高さに関して等しいトンネル速度を有するだろう。電場が印加されているときに量子ドットからの電子及びホールの両方のトンネリングを最小化することによって、光子源に関するより大きい調整範囲が達成されることができる。
【００４６】
電子及びホールの両方に関するトンネル時間は、量子ドット内に形成される励起子の放射寿命より長い。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットでは、Ｘ及びＸ−状態は、１ｎｓの寿命を有する。これは、大多数のキャリアが放射的に再結合することを保証し、５０％を超える効率を維持する。トンネリングは、一般に、量子ドットからコンタクトに向けて起こる。従って、電子は、ｎ型コンタクトの方へトンネルし、ホールは、ｐ型コンタクトの方へトンネルする。キャリアは、コンタクトの方へトンネルするが、多くは、それらが電場によってコンタクトへスイープされる（swept）真性領域へトンネルするだろう。ｎ型コンタクトへ向かう電子及びｐ型コンタクトへ向かうホールに関するトンネル時間は、放射減衰時間（radiative decay time）より大きいだろう。
【００４７】
図５ａ及び５ｂは、図４のデバイスの変形を示す。図５のデバイスでは、障壁は最大限に不均等である。平坦なバンドから離れたバイアスにおけるこの構成では、（一方の側の垂直なポテンシャルステップと他方の側の伝導帯の勾配との間に形成されている）障壁の側に「Ｖ」型の量子井戸がそれでもやはりある。この構成では、電子だけが、多くの場合に（to a greater extent）閉じ込められるだろう。
【００４８】
図５ａでは、複数の量子ドット２１は、下層４１と上層４５との間の界面に位置する。下層４１はｎ型コンタクト４３に接続され、上層４５はｐ型コンタクト４７に接続される。対応するバンド図は、図５ｂに示される。量子ドット２１とｐ型コンタクト４７との間の距離は、量子ドットからのホールのトンネリングを防止することができるほど十分に大きくなければならない。
【００４９】
図５ｂでは、単一量子ドット５１は、上層４５と下層４１との間の界面に設けられる。下層４１は、上層４５より高いバンドギャップを有する。下層４１は、ｎ型領域４３に接続される。量子ドットのホールの有効質量が電子の有効質量よりはるかに大きいので、電子のほうが最初にトンネルする可能性が高い。従って、図５ａ及び５ｂの配置では、より高いバンドギャップ材料４１は、電子のトンネリングを抑制するために、且つ、放射が起こるのに十分長く電子及びホールを量子ドットに保持するために、量子ドットのｎ型の側に設けられる。
【００５０】
図５ａのデバイスに関する層状構造の一例では、上層はＧａＡｓであり、量子ドットはＩｎＡｓであり、下層４１はＡｌＧａＡｓである。図５ｃは、量子ドットが（図４ａのように）ＧａＡｓ領域に形成される図５ａのデバイスの変更を示し、しかし、上層４５は、ＡｌＧａＡｓであるが、下層４１より低いＡｌ含有量である。図５ｄは対応するバンド図を示す。
【００５１】
図６ａ及び６ｂは、ポテンシャル障壁間の間隔が最小値に低減される第２の変形を示す。この場合、高バンドギャップ材料は、なおもキャリアの閉じ込めを増大させる。
【００５２】
図６ａ及び６ｂは、本発明の一実施形態に従うさらなる設計を示す。ここで、複数の量子ドットが２つの障壁材料６３及び６５間の界面６１に形成される。下方の障壁材料６３は、ｎ型材料６７に接続され、上方の障壁層６５は、ｐ型材料６９に接続される。例えばＡｌＧａＡｓである２つの障壁層間に挟まれるＩｎＡｓ量子ドットがある場合、この設計は実現されることができる。ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは２．２ｅＶであり、これはＧａＡｓで見られる１．５ｅＶのバンドギャップより相当に大きい。
【００５３】
ＡｌＧａＡｓ内に量子ドットを形成するによって、大きな場はドットの中にトラップされたキャリアで印加されることができる。これは、４００ＫＶ／ｃｍを超える場が放射効率を損なうことなく印加されることができるように、２０ｎｍを超える波長範囲にわたる調整をもたらし得る。しかしながら、ＡｌＧａＡｓ内に量子ドットを形成することによって、量子ドットの特性は変化され得る。さらに、ドットが１つの材料で成長されて異なる材料で覆われる場合、それらの特性は変わるだろう。例えば、ドットへのゼロの電場がある場合にＡｌＡｓでのＱＤの成長がより大きな微細構造分裂をもたらすように、ＱＤの形状非対称性を増大することは知られている。印加される電場に応じた微細構造分裂の変化率は、アルミニウム組成が増大するにつれてより大きな空間非対称性を有することが知られている、ＡｌＧａＡｓ内で成長されたドットに関して、より高い。従って、大きな空間非対称性を有するドットは、大部分のドットが微細構造分裂を最小化するために調整されることができるので、ゼロの又は低いＦＳＳがそれらの増強された調整特性のために必要とされる場合に、特別に役に立つと考えられる。
【００５４】
発明者らは、７５％のＡｌＧａＡｓ内に入れられた（encapsulated）ＩｎＡｓドットが数１０ナノメートルを超える非常に大きな波長調整範囲を有することを実験的に観測した。表１は、図３〜６を参照して説明したデバイスの比較を包括的に示す。
【表１】
【００５５】
電場中の量子閉じ込め状態のエネルギーＥは、次式に従ってシュタルク効果によってシフトされる。
【数２】
【００５６】
ここで、Ｅ０はゼロ場でのエネルギーであり、ｐは「永久双極子」モーメントであり、βは「分極率」（これは負数である。）である。ｐは、電子とホールとの間の垂直分離の測定を与え、即ち、ｐ＝ｅＤであり、ここで、Ｄは負電荷から正電荷へ向く。Ｆは、正の試験電荷上での真の力（net force）として定義される電場である。
【００５７】
さらに、フォトルミネセンス（ＰＬ）放射が観測されることが可能になる量子ドットに垂直に印加され得る最大の電場は、図３のデバイスと比較して、図４〜６のデバイスでは相当に大きい。しかしながら、特に大きな場は図４及び６のデバイスに関して見られる。これはまた、より大きな波長調整範囲に変わる。図３を参照して説明した従来のデバイス設計においては、０．３ｎｍ未満の調整範囲が観測される。しかしながら、これは図４及び６のデバイスでは２０ｎｍ超まで増大する。
【００５８】
次に、デバイスの可能な動作モードを図７〜１０を参照して説明する。バイアスが量子ドットに印加されることができる単一量子ドットを含む最も簡単な形態においてデバイスを説明する。
【００５９】
図７ａのデバイス構成では、電場は層の面と垂直に印加される。層は、ｐ−ｉ−ｎ型構造を有する。まず、図７ｂを参照すると、電子及びホールが量子ドットに存在することとができるように、ダイオードの閾値電圧より大きい第１レベル１０１のバイアスが印加される。次に、閾値電圧未満である第２レベル１０３のバイアスが印加される。このバイアスは、電流注入を止めて、シュタルク効果によって量子ドットの放射をデバイスの所望の出力エネルギーと等しいエネルギーへシフトする。印加電圧は図７ｂに示される。電圧が第２電圧レベル１０３にある場合、図７ｃに示されるように、光子が生成される確率がより高くなる。
【００６０】
本発明の実施形態に従うデバイスを使用することによって、第２電圧レベルのより大きな範囲が可能であり、従って、デバイスは、放射波長のより大きな範囲に関して出力するように構成されることができる。
【００６１】
この動作モードの原理は、Applied Physics Letters 92, 193503 2008により詳細に説明されている。
【００６２】
図８は、第２の動作モードを示す。ここで、デバイス１００は、この場合にも、デバイスの層の面と垂直に印加される電場を受ける。デバイスは、連続注入メカニズム（sequential injection mechanism）を使用して動作する。ここで、まず、電子（ホール）が量子ドットに共鳴トンネルする（resonantly tunnel）ことを可能にするバイアスが印加される。一旦これが達成されると、バイアスは、ホール（電子）が光学活性な領域に共鳴トンネルすることができる範囲に急速に切り替えられる。この配置が機能するためには、デバイスが、電子（ホール）がトンネルして出るより速く切り替わってホール（電子）にトンネルすることができることが重要である。この種の配置の原理は、Kim et al, Nature 397, 500-503 (1999)に説明されている。
【００６３】
「共振連続（resonant, sequential）」動作として知られるこの動作モードは、より狭い発光線において明らかである高い光子純度（photon purity）を達成する。一旦電子（ホール）及びホール（電子）が量子ドットへトンネルすると、デバイスは、図７を参照して説明した量子ドットの放射波長を規定する第３電圧レベルに戻される。
【００６４】
図９を参照して説明されるモードでは、デバイス１００は、源１１１によって層と垂直に印加される場を受け、さらなる電圧源１１３は、層の面に設けられる。電圧源１１３は、層の面に設けられ、デバイス１００内の量子ドットにキャリアを注入するために使用される。第１の電圧源１１１は、量子ドットの放射波長又は微細構造分裂を制御するために設けられる。
【００６５】
図１０は、動作モードのまたさらなる変形を示す。図１０のデバイスでは、デバイス１００は、この場合にも、源１１１からの層の面に直交して印加される垂直電場を受ける。キャリアは、光学的励起によって量子ドットに注入される。源１１１によって印加される電圧を設定することにより、量子ドットの放射波長又は微細構造分裂を制御することが可能になる。
【００６６】
図１１は、合理的に大きな範囲にわたって調整された本発明の一実施形態に従う量子ドットの出力を示す。図１１の結果を生成するために使用されたデバイスの設計は、図４ａ及び４ｂを参照して説明したものである。出力依存性（power dependence）及び偏光測定を実行することによって、量子ドットにおける特定の遷移を識別することが可能である。
【００６７】
Ｘが付されているラインは、伝導帯の単一電子及び価電子帯の単一ホールが結合してドットを完全に空にして光子を放射する単一中性励起子に起因する。ＸＸが付されているラインは、中性双励起子崩壊に起因する。これは、伝導帯の２つの電子及び価電子帯の２つのホールがあり、伝導帯の１つの電子が価電子帯の単一電子と結合して光子を放射し、伝導帯に単一電子及び価電子帯に単一ホールを残す場合である。
【００６８】
Ｘ−が付されているラインは、伝導帯に２つの電子が存在し且つ価電子帯に１つのホールが存在する量子ドットからの崩壊に起因する。伝導帯の１つの電子は、価電子帯の単一ホールと結合し、伝導帯に単一電子を残す。この崩壊は、負励起子崩壊として知られている。同様に、正励起子崩壊Ｘ＋は、開始状態が伝導帯の単一電子及び価電子帯の２つのホールである場合である。さらに、より高次の励起子（higher order excitons）の帯電崩壊（charged decay）も可能であり、励起子ＸＸ＋は、伝導帯に３つの電子を含み且つ価電子帯に２つのホールを含む。
【００６９】
図１１からは、異なる励起子の発光線が異なる調整電圧で支配的になることを認識することができる。従って、特定のタイプの放射を制御する若しくは支持する（favour）ことが可能である。例えば、エンタングルされた光子の生成においては、Ｘ２／Ｘ崩壊が好ましく、この特定のサンプルに関しては０ボルトの近くのバイアスデバイスが望まれる。
【００７０】
Ｘ−励起子は、高純度光子状態を生成するのに有用である狭い線幅をしばしば有する。従って、このラインが支配的になる１ボルトと２．２ボルトとの間でデバイスにバイアスをかけることが望まれる場合がある。
【００７１】
大きな波長にわたって調整する能力は、エンタングルメントを可能にするのに十分に類似するように２つの独立した源の出力特性を調整することを可能にする。これは、量子リピータ及び量子計算での利用がある異なる源から放射される光子のエンタングルメントを可能にする。量子計算では、異なる源からの光子をエンタングルする能力は、個体状態量子ビット（solid state qubit）のエンタングルメントを可能にする。
【００７２】
上記の光子源は、エンタングルされた光子の源としてより容易に構成することができる光子源をさらに提供する。エンタングル光子源（entangled photon source）を実現するためには、量子ドットからのフォトルミネセンスにおいて微細構造分裂がない量子ドットを有していることが望ましい。広範囲の電場にわたる調整を可能にする実施形態を使用して、微細構造分裂が最小化される場で源を動作することは可能である。微細構造分裂は、双励起子励起子空カスケード崩壊（biexciton-to-exciton to-empty cascade decay）中に起こる。
【００７３】
最後に、量子ドットの出力を支配する励起子崩壊のタイプは、印加される電場に依存する。従って、広い波長範囲にわたって出力を調整する能力は、特定の励起子崩壊が出力を支配するようにドットが構成されることを可能にする。
【００７４】
増強された閉じ込めはまた、デバイスがより高温度で動作されることを可能にするだろう。
【００７５】
本発明の実施形態に従うデバイスでは、高いルミネセンス効率を保持しながら、ＱＤに非常に大きな垂直電場を印加することが可能である。全ての先行技術において、数十ＫＶｃｍ−１より小さい場は、キャリアがドットからトンネルする前に、印加されることができるかもしれない。本発明の実施形態に係るデバイスでは、５００ＫＶｃｍ−１までの場を印加することが可能であり、さらに、高い内部量子効率を観測するが可能である。
【００７６】
図１２は、本発明の一実施形態に従う光源に関する第１の可能な使用を示す。
【００７７】
図１２は、第１の源２０１及び第２の源２０３が同一の放射エネルギーを有するように構成されるそのような配置を示す。これらの源はまた、それらが双励起子又は帯電励起子崩壊によって光子を放射するように構成される。第１の源２０１及び第２の源２０３は、各々がドット内に電子・ホールの対又は単一電荷を残して、単一光子を放射する。
【００７８】
この崩壊によって生成される光子の各々は、量子ドットに残る複数のキャリア又は１つのキャリアのスピンによって形成される個体状態量子ビットとエンタングルされる。崩壊による同一光子が２つの異なる光子源からビームスプリッター２０５に同時に入射し、適切な測定が検出器Ｄ１及びＤ２の各々によって実行される場合、光子はエンタングルされるだろう。これは、源２０１及び２０３における個体状態量子ビットを互いにエンタングルする働きをする。２つの個体状態量子ビットをエンタングルするこの能力には、分散量子計算での利用がある。
【００７９】
図１３は、量子リピータ動作を実行する本発明の実施形態に従う源に関するさらなる使用を示す。長距離を超えて単一光子で符号化された情報を送信するために、量子情報がアリス２１１からボブ２１７へ送信されることができる距離の増加を可能にするように、量子リピータを有することが望ましい。我々の単純な例では、量子リピータ動作は、２光子ゲート（2 photon gate）２１５、エンタングル光子源２１３、及び古典的チャネル２１８を要求する。
【００８０】
図１３の配置では、送信器アリス２１１は、単一光子源を有する。エンタングル光子源２１３である第２の光子源は、エンタングルされた光子対を生成する。エンタングル光子源２１３から２光子ゲート２１５へ送られた光子のうちの１つは、アリス２１１によって放射された光子と同一である必要がある。２１３によって生成されたエンタングルされた対の他方の光子は、ボブ２１７へ送られる。その後、同一光子は、それらを比較する測定を実行する２光子ゲート２１５に渡される。この測定の結果に基づいて、古典的情報は、チャネル２１８によってボブへ伝送されることができる。ボブは、エンタングル光子源が彼へ送った光子で変換
【数３】
【００８１】
を実行するためにこの情報を使用し、それにより、その量子状態を、アリスによって生成された最初の光子と同じになるように変換する。このように、ボブ２１７に到達した光子は、アリスによって送られた量子情報を含み、この情報は、アリスが彼女の光子を直接送ることが可能である距離より長い距離を超えて伝送される。
【００８２】
図１４は、図４を参照して説明したデバイスにわたって調整電圧を印加する効果を示す。微細構造分裂（ＦＳＳ）は、励起子状態の垂直に偏光された成分（Ｈ及びＶ）間のエネルギー差である。量子ドットからエンタングルされた光子の生成を得る場合、ＦＳＳをゼロにすることが望まれる。エンタングルされた光子の生成の前の実証は、（ｉ）面内磁場、（ｉｉ）サンプルのアニーリング、又は（ｉｉｉ）ゼロのＦＳＳを自然に有するドットの広範囲の探索を使用している。量子ドット源を備える全てのエンタングルメント実証では、これまでのところ、ゼロのＦＳＳ分裂は、「湿潤層（wetting layer）」のバックグラウンドからの放射がパフォーマンスに弊害をもたらし得る８８５ナノメートルで得ることができるだけである。
【００８３】
これらの解決策は、複雑であり、時間がかかり、アンサンブル（ensemble）に適切な量子ドットを見つけることを我々に要求する。垂直電場の印加を使用する本発明の解決策は、比較的容易である。さらに、この技術は、我々が量子状態の放射寿命に匹敵する若しくはそれより速い時間スケールでＦＳＳを変えることを可能にし、それは、有利であり得るが、以前に使用されている技術では不可能である。
【００８４】
従って、大きな垂直場は、放射が９３０と９５０ｎｍとの間で起こる図４を参照して説明したデバイスの量子ドットに関する同じような方法で、微細構造分裂を調整するために使用されることができる。観測された全ての量子ドットでは、ＦＳＳは、同様の方法で印加されるバイアスに応じて直線的に変化する。
【００８５】
異なる特性を備える量子ドットの成長を通じて、他の波長（即ち、１３００及び１５５０ナノメートルの通信波長）及び／又はＩｎＡｓ／ＩｎＰのような量子ドットタイプまで放射を広げることは可能かもしれない。
【００８６】
ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＰのＱＤでは、システムは、０．７５−０．９５ｅＶの範囲で放射する場合に、ＦＳＳが、約１０μｅＶの散乱（scatter）を含んでＦＳＳ＝０のあたりで不規則に分布されることが予想される。本発明の実施形態は、このシステムの個々のＱＤごとにＦＳＳをゼロに低減するために使用されることができる。
【００８７】
ＧａＡｓ／ＩｎＡｓ／ＧａＡｓのＱＤでは、ゼロの場でのＦＳＳは、より広い範囲にわたってドットごとにガウス分布に応じて不規則に変化する。１．４ｅＶの放射エネルギーでは、５０μｅＶ近くの「散乱」を含んで、平均のＦＳＳはゼロである。ＦＳＳは、これらのドットに関して１ＫＶｃｍ−１当たり０．２８μｅＶの割合で変化するので、「散乱」／「割合」＝１８０ＫＶｃｍ−１の範囲にわたって場を印加することができるデバイスは、全てのドットをゼロに調整することができる。より小さな調整範囲については、ドットの部分集合だけがゼロのＦＳＳに調整することができる。
【００８８】
１．３２ｅＶで放射するＱＤにおいては、平均のＦＳＳは、１００μｅＶの散乱を含んで〜１００μｅＶであり、従って、１５０μｅＶの調整範囲は、全てのＱＤをゼロに調整することができることを意味し、それは５３０ＫＶｃｍ−１の場に対応する。
【００８９】
図１５は、デバイス３０１が源３０３からの垂直電場を受ける本発明の一実施形態に従うデバイス構成の概略図を示す。さらに、デバイスはキャビティ（cavity）３０５を含む。キャビティは、量子ドットの周囲に設けられ、１つの方向の放射を増強して効率を増加させるために、且つ／或いは、量子ドットの放射特性を変更するために使用される。
【００９０】
キャビティは、屈折率が交互に変化する４分の１波長層のブラッグミラーに基づくもの、当技術分野で周知である若しくはより普通ではない配置であるフォトニック結晶を含むことができる。
【００９１】
図４−６に示される設計では、量子ドットは、高屈折率材料又は低屈折率材料で作られ得るキャビティ内に位置されることができる。図１６は、Ｘ軸上の距離に沿って、Ｙ軸に沿う層の屈折率及び電場を示す。キャビティ４０１は、スペーサの形態で存在する。
【００９２】
キャビティが主に高屈折率（即ち、ＧａＡｓ）で作られている場合、スペーサの端から（２Μ）λ／４にあるＱＤを備えて１／２（Ν＋１）λの厚さをスペーサが有する図１７ａに示される基準を使用するのに望ましい。ここで、Ｎ、Ｍは、ゼロ以外の整数である。
【００９３】
しかしながら、スペーサ及びキャビティが主に低屈折率（即ちＡｌＧａＡｓ）である場合、端から（２Μ−１）λ／４にあるＱＤを備えて１／２（Ｎ）λの厚みをスペーサが有する図１７ｂに示される基準が使用されなければならない。
【００９４】
上述の設計は、光がキャビティの中心に可能な限り接近して閉じ込められることを保証し、光電場（optical electric field）が最大のところにドット層の位置を決める。
【００９５】
キャビティの考察に加えて、異なるタイプの量子井戸配置は、量子ドットにおいて状態を制限するために使用されてもよい。図１８ａ及び１８ｂは可能な量子井戸を示す。図１８ａは、図４を参照して説明されてもいる四角形タイプの量子井戸を示す。図１８ｂは、キャリアが量子ドットに近い最低のポテンシャルで蓄積する傾向がある可変組成量子井戸（variable composition quantum well）を示す。さらに、エネルギープロファイルが放物線状、直線状、又は他の種々の形状（profile）であるように、組成を変えることも可能である。量子井戸の閉じ込め状態は、量子ドットの閉じ込め状態との特定の関係を有するように設計されることができる。例えば、量子井戸の閉じ込め状態が１つのフォノンエネルギーによって分離される場合、量子ドットへの捕捉は、増進されることができる。
【００９６】
図１８は、層状構造の詳細を備える本発明の一実施形態に従うデバイスを示す。このデバイスにおいては、デバイスの放射波長が９５５ｎｍであり、ｎ（ＧａＡｓ）＝３．４７２、ｎ（９５％ＡｌＧａＡｓ）＝２．９４７、ｎ７５％＝３．０８８、ＧａＡｓの４分の１波長厚さが９５５／（４×３．４７２）＝６８．７６４ｎｍであり、９５％ＡｌＧａＡｓの４分の１波長厚さが８１．０１５ｎｍであると仮定する。
【００９７】
デバイスは、非ドープバッファ層（undoped buffer layer）を備えた基板５０１上に形成される。典型的には、基板はＧａＡｓである。次に、各々の厚さが光学波長の４分の１である高又は低屈折率材料の複数の交互層を含む下部ブラッグミラー層５０３が形成される。最後の数個の繰り返しは、Ｎドープされていてもよい。
【００９８】
下部キャビティスペーサ層は、ｎ型下部ブラッグ領域５０５に重なって接触している。下部キャビティスペーサ層は、７５％のＡｌＧａＡｓ（これは、短周期超格子に、或いは、基板に同時に作用する（impinge）３つ全ての要素とともに付着される（deposited）ことができる）を含む。半分の量子井戸は、下部キャビティスペーサ層に重なって接触して付着される。
【００９９】
そして、量子ドット層５０９は、重なって形成される。例えば、この特定の実施形態中では、ＩｎＡｓ源の１．７超の単分子層（more than 1.7monolayers）は付着され、これは当技術分野で周知の方法で量子ドットに「自己集合される（self assembled）」。
【０１００】
次に、量子井戸の残り半分が付着され、上部スペーサ層５１１は重なって形成される。
【０１０１】
上部のブラッグミラー５１３は、上部スペーサ層５１１に重なって接触している。このミラーの最後の少数の層は、オーム接触の形成を可能にするために、我々の例では、Ｐ型にドープされた。
【０１０２】
一旦層成長が終了すると、デバイスは、ｎ型コンタクト５２１を形成するためにｎドープミラー層５０５までエッチングされ、ｐ型コンタクトは、上部ミラー層５１３に重なって接触して設けられる。コンタクト金属５２５は、下位層へのコンタクト金属のショートを防ぐために設けられる絶縁層５２７に重なっている。
【０１０３】
上述のものでは、ブラッグミラーは、各々が４分の１波長の厚さの交互になっている高屈折率層及び低屈折率層を使用して形成される。層の数が大きいほど、より高い反射率が達成される。さらに、屈折率のコントラストが大きいほど、より高い反射率が達成される。上述のものでは、単一体で成長されることができ且つ容易に形成されることができるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層が使用される。しかしながら、これらは、約９００ｎｍで０．５の屈折率差を有する。従って、後になって置かれ且つより高い屈折率コントラストを達成することができるＳｉＯ２／ＴｉＯ２又はＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４のような誘電体を使用することが望まれることもある。
【０１０４】
図１９は、図１８のデバイスにおける変形を示す。いくらかの不必要な反復を回避するために、同様の参照番号を同様の特徴を示すために使用する。図１９のものと比較した図２０のデバイスの主な差異は、電流が流れる小さな領域を制限するスペーサ層内に設けられる絶縁層５３１の形状である。これは、単一量子ドットに注入することができることを意味する。そのような層は、湿度の高い空気中での高いＡｌ含有量のＡｌＧａＡｓ層の酸化によって形成することができる。高反射率ブラッグミラー及び酸化層からの屈折率の横方向変化の組み合わせは、３Ｄの光学の閉じ込めに結びつく場合があり、量子ドットの放射特性を変更する。この原理は、APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 233514 2007及びNew Journal of Physics 10 (2008) 043035により詳細に説明される。
【０１０５】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例証として示されており、本発明の範囲を制限するようには意図されない。実際には、ここで説明される新規の源、システム、レピータ及び方法は、様々な他の形態で具体化されることができる。さらに、ここで説明される源、システム、レピータ及び方法の形態における様々な省略、置換及び変更は、本発明の精神から逸脱することなく、なされることができる。添付の特許請求の範囲及びその均等物は、本発明の範囲及び精神に含まれるような形態或いは改良に及ぶように意図される。
【技術分野】
【０００１】
ここで説明される実施形態は、一般に、光子エミッタに係り、特に、量子通信及び計算での使用に関する要求に応じて、単一光子又は光子対を出力するように動作されることができる光子エミッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子暗号の分野では、単一光子を確実に生成する必要がある。単一光子の生成に関してこれまでに提案されている１つの光子源は、量子ドットに基づいている。量子ドットでは、伝導帯の少数の電子と価電子帯のホールとの間に束縛状態がある場合に励起子が形成され、１つのホール及び１つの電子が再結合するときに放射崩壊が起こって、それにより、光子の放射を生じる。生成処理によって、光子が放射される時間は、注意深く制御されることができ、このような処理は、パウリの排他原理により２つの光子の放射を同時に生じさせることはできない。電子とホールの組み合わせの各々は、初期の電子状態と最終の電子状態との間の異なるエネルギー差を有し、慣例により初期状態の名称で名前を付けられる異なる波長の光子をもたらす。一例として、ドットが２つの電子及び１つのホールを含む場合、それは、１つの電子をドット内に残して、放射崩壊して「負帯電励起子」と称される単一光子を放射することができる。この遷移がデコヒーレンスに対して最もロバストであることが経験的に観測されるので、こうような遷移は、コヒーレントな単一光子の生成に関して好ましい。
【０００３】
量子暗号、量子イメージング、及び量子計算の分野では、光子対を生成することが必要とされることもある。そのような光子は、最初は２つの電子及び２つのホールで満たされている、即ち、「双励起子状態」である単一量子ドットにおけるカスケード放射プロセスから作成されることができる。この状況は、「（帯電中性）励起子」状態の１つの電子及び１つのホールを残して、「双励起子光子」を放射することができる。その後、この電子及びホールは、再結合して「励起子」光子を放射し、ドットが空になる。励起子状態の特性の制御を通じて、これらの２つの光子は、エンタングルされることができる。
【０００４】
特によく知られている材料系は、ＧａＡｓ内のＩｎＡｓ量子ドットの形態である。放射波長は、量子ドットに電場を印加することにより調整することができる。しかしながら、光子放射が起こる前に、印加された場が量子ドットからのキャリアのトンネリングを促進するので、量子ドットに電場を印加することは、光子源の効率を低下させる。
【０００５】
引用文献リスト
Applied Physics Letters 92, 193503 2008
Kim et al, Nature 397, 500-503 (1999)
APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 233514 2007
New Journal of Physics 10 (2008) 043035
【図面の簡単な説明】
【０００６】
これより、以下の限定されない実施形態を参照して本発明を説明する。
【図１】図１は、本発明の背景にある原理を説明するために使用される単純な量子ドットのバンド図である。
【図２】図２は、図１を参照して説明されるタイプのドットからのフォトルミネセンス放射を示すプロットであり、放射波長がＹ軸に沿ってプロットされ、外部バイアスがＸ軸に沿ってプロットされている。
【図３】図３ａは、従来技術に従う光子エミッタの基本構造の概略図であり、図３ｂは、その対応するバンド図である。
【図４】図４ａは、本発明の一実施形態に従う光子エミッタの概略図であり、図４ｂは、その対応するバンド図である。
【図５】図５ａは、本発明の一実施形態に従う光子エミッタの概略図であり、図５ｂは、その対応するバンド図であり、図５ｃは、図５ａのエミッタの変形であり、図５ｄは、その対応するバンド図である。
【図６】図６ａは、本発明のさらなる実施形態に従う光子エミッタの概略図であり、図６ｂは、その対応するバンド図である。
【図７】図７ａは、第１の構成に従って動作される光子エミッタの概略図であり、図７ｂは、図７ａに示されるデバイスに印加されるバイアスのプロットであり、図７ｃは、光子生成確率のプロットである。
【図８】図８は、第２の動作モードに従って動作される本発明に従うデバイスの概略図である。
【図９】図９は、第３の動作モードに従って動作される本発明のデバイスの構成の概略図である。
【図１０】図１０は、第４の動作モードに従って動作される本発明に従うデバイスの概略図である。
【図１１】図１１は、バイアス電圧に対する、図６を参照して説明される光子エミッタのフォトルミネセンス放射を示すプロットである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に従う２つの光子エミッタを使用して量子ビットエンタングルメントを作成する装置の概略図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に従う光子源を使用する量子リピータの概略図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に従う３つの光子エミッタに関して、外部バイアス電圧に対する微細構造分裂（ＦＳＳ）を示すプロットである。
【図１５】図１５は、キャビティ内に設けられる本発明に従う光子エミッタである。
【図１６】図１６ａ及び１６ｂは、キャビティの中心にあるスペーサ層の端からの距離に対するキャビティの屈折率及び光電場を示すプロットであり、キャビティスペーサの屈折率は、図１６ａと図１６ｂとの間で異なる。
【図１７】図１７ａ及び１７ｂは、異なる量子井戸の形状を示す。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に従う光子エミッタの詳細なデバイス概略図である。
【図１９】図１９は、単一量子ドットからの放射が分離される本発明のさらなる実施形態に従う光子エミッタの詳細なデバイス概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
一実施形態によれば、半導体ヘテロ構造を備える光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子井戸と、前記量子井戸に隣接する障壁領域と、前記量子井戸内に設けられる量子ドットとを含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源と、をさらに備え、前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源が提供される。
【０００８】
トンネル時間は、印加されるバイアスに応じて変わる。本発明では、動作範囲は、好ましくは、１００ＫＶｃｍ−１を超える。
【０００９】
さらなる実施形態では、半導体ヘテロ構造を備える光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子ドットを含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドット全体にわたって調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源とをさらに備え、前記電場は、１００ＫＶｃｍ−１の動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源が提供される。
【００１０】
動作範囲上で量子ドットからのトンネリングを低減することは、複数の方法で達成されることができる。量子ドットと第１及び／又は第２のコンタクトとの間の半導体膜は、トンネリングに対する障壁を与え、この障壁は、量子ドット内の最低の電子エネルギー準位より（その厚さの少なくとも一部において）少なくとも高いポテンシャルを有する。量子井戸が設けられる場合、少なくとも量子ドットの片側にある、電子トンネルが起こる障壁は、好ましくは、量子井戸の最低の電子エネルギー準位より高いポテンシャルを有する。
【００１１】
一実施形態では、量子ドット領域は、障壁領域によって規定される量子井戸を含み、量子ドットは、量子井戸内に位置する。障壁領域は、量子ドットがない場合でも量子井戸が形成されるように構成されるだろう。その後、量子ドットは、この井戸内に設けられる。量子井戸は、四角形の閉じ込めポテンシャル、或いは、三角形又は放物線状のポテンシャルのような勾配のある（graded）閉じ込めポテンシャルを有する。
【００１２】
光子源の量子井戸は、障壁層より低いバンドギャップを有する材料を含み、より低いバンドギャップ材料は、２つの障壁層間に設けられる。
【００１３】
障壁領域は、それらのポテンシャルの高さが異なっていてもよい。それらはまた、印加される電場の方向の幅が異なっていてもよい。一実施形態では、量子井戸層より大きなポテンシャルを有する障壁は、量子井戸の片側だけに設けられる。この障壁は、電子がトンネルするのを抑制するように設けられる。
【００１４】
一実施形態では、量子ドットはＩｎＡｓを含み、量子井戸はＧａＡｓを含み、少なくとも１つの障壁領域はＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含む。量子井戸はＡｌＧａＡｓを含んでもよく、障壁はＡｌＧａＡｓを含んでもよいが、この場合には、障壁は、それらが量子井戸に障壁を提供するように、より高いＡｌ含有量を有するＡｌＧａＡｓを含む。量子井戸に勾配がある場合、ＧａＡｓは、量子ドットが位置している井戸の中心に設けられることができる。
【００１５】
キャリアは、複数の方法によって量子ドットに供給されることができ、例えば、源は、キャリアが量子ドットに供給されることを可能にするように電気的コンタクトに第１の電圧を印加し、量子ドットのバンドギャップを変えるために第２電圧を印加するように構成される電圧源を備えることができる。さらなる実施形態では、源は、量子ドットにキャリアを供給するように構成される第２の電気的コンタクトをさらに備える。光源は、量子ドットにキャリアを供給するために使用されてもよい。
【００１６】
一実施形態では、光子源はｐ−ｉ−ｎ構造を有し、量子ドットは真性領域に位置し、ｐ及びｎ型コンタクトは「ｉ」領域の一方の側に設けられる。
【００１７】
源は、光キャビティ（optical cavity）をさらに備えることができる。調整可能な源は、源が製造後にキャビティの共鳴に調整されることができるので、この配置において有利である。
【００１８】
一実施形態では、光子源は、複数の量子ドットを備えるが、放射は、１つの量子ドットからのものが利用されるだけである。これは、１つの量子ドットにだけキャリアを供給することにより、或いは、多くの量子ドットにキャリアを供給して、１つの量子ドットを除く全部からの放射を遮ることにより、達成されることができる。従って、源は、単一量子ドットへのキャリア注入を可能にするように構成されるアパーチャを備える電気絶縁層をさらに備えることができる。また、源は、１つの量子ドットからの放射を分離するように構成される不透明層をさらに備えることができる。
【００１９】
源に印加される場は、源の出力における微細構造分裂を最小化するように構成され、これは、エンタングルされた光子対の源が生成されることを可能にする。
【００２０】
またさらなる実施形態では、個別の源からの光子の干渉によってエンタングルメントを生成するシステムであって、前記システムは、任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、任意の先行する請求項に従う第２の光子源と、を備え、前記第１及び第２の光子源は、同一光子を放射するように調整され、前記システムは、前記２つの源からの出力される同一光子間でエンタングルメントを提供するように構成される干渉計をさらに備えるシステムが提供される。
【００２１】
さらなる実施形態では、任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、第２の光子源と、前記第１の光子源によって出力される光子対のうちの第１の光子、及び前記第２の光子源からの光子を干渉させるように構成される干渉計と、を備え、前記第１の光子源は、エンタングルされた光子対を出力するように構成され、前記光子のうちの１つは、前記干渉計による干渉の間に前記第２の光子源によって放射される光子が前記光子対のうちの第２の光子にマッピングされるように、前記第２の光子源によって出力される光子と同一である量子リピータが提供される。
【００２２】
一実施形態では、選択された波長の光子を生成する方法であって、前記方法は、半導体構造内に量子ドットを用意することと、励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットに供給されるキャリアが結合して前記印加される電場によって選択されるエネルギーの光子を出力することを可能にすることと、を備え、前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大するように構成される、方法が提供される。
【００２３】
一実施形態では、量子ドットは、量子井戸内に設けられる。他の実施形態では、量子ドットは、障壁材料内に設けられる。さらなる実施形態では、単一の障壁は、電子トンネルを抑制するために設けられる。
【００２４】
さらなる実施形態では、２つのエンタングルされた光子を生成する方法であって、前記方法は、半導体構造内に量子ドットを用意することと、双励起子又はより高次の励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットに供給されるキャリアが、双励起子崩壊からの第１の光子を生成し且つ前記量子ドット内の残りの励起子からの崩壊によって生成される第２の光子を生成するように結合することを可能にすることと、を備え、前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲を超えて、前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大させるように構成され、前記電場は、双励起子励起子空カスケード崩壊の間に微細構造分裂を最小化するためのレベルに変えられる、方法が提供される。
【００２５】
一実施形態では、エネルギー準位の分裂は、量子ドットからの放射の均質線幅（homogenous line-width）以下である。
【００２６】
定量的には、分裂は、２μｅＶ以下であるべきであり、より好ましくは、１μｅＶ以下であるべきである。
【００２７】
図１は、量子ドットの概略のバンド図である。バンド図は、伝導帯１及び価電子帯３を示す。量子ドット５は、伝導帯に電子７を含み、価電子帯にホール９を含む。
【００２８】
伝導帯の電子７及び価電子帯のホール９が結合して光子を放射するときに、量子ドットは放射を出す。伝導帯の単一電子７及び価電子帯の単一ホール９の存在は、単一励起子Ｘと称される束縛状態を形成する。
【００２９】
図１は、単に単一中性励起子が存在する簡単化された配置を示す。しかしながら、伝導帯に２つの電子を含み且つ価電子帯に２つのホールを含む双励起子或いは電子及びホールの数が等しくない帯電励起子の形態も可能である。しかしながら、電子７が矢印で示されるように量子ドット５からトンネルする若しくはホール９が矢印で示されるように量子ドット５からトンネルする場合に、光子の放射が抑制されることがあり得る。三角形の障壁を通過するトンネル速度（tunnelling rate）｜Ｔ｜２は、次のようにモデル化することができる。
【数１】
【００３０】
ここで、Ｃは定数であり、Ｅは電場であり、ｍ＊はトンネル粒子の有効質量であり、Ｗは閉じ込めポテンシャル（confinement potential）である。Ｅが増大すると、トンネル速度は増大する。ｍ＊が増大すると、トンネリングは減少する。Ｗが増大すると、トンネリングは減少する。
【００３１】
従って、上述のことから、垂直電場が量子ドットに印加されると、Ｅが増大するのでトンネリングの確率が増大し、その結果、デバイスの放射効率が下がることは理解されることができる。
【００３２】
しかしながら、障壁の高さＷが増大すると、トンネリングを抑制することができることも理解される。
【００３３】
図２は、バイアスが変更されるときに、図１を参照して説明したタイプのドットからのフォトルミネセンス放射を示す。ＧａＡｓ内のＩｎＡｓ量子からの結果が示されている。プロットは、コントラストとして示される強度によって、Ｘ軸に沿う外部バイアスに対してＹ軸に沿う放射波長を示す。外部バイアスが（外部バイアスが内部ポテンシャルを相殺し、その結果、電場がドットの領域にない）１．５ボルトから低下されるにつれて、キャリアが束縛状態からトンネルし、発光線（emission line）は広がってそれほど極度でなくなることは理解されることができる。これは、バイアスが１．４ボルトに近づく時のデータの軽減によって理解されることができる。しかしながら、波長もバイアスに応じて変化することがこの図から理解されることができる。
【００３４】
図３ａは、従来技術に従う光子エミッタの概略図である。デバイスは、上方２５のＧａＡｓ層と第２の下方２７のＧａＡｓ層との間の界面（interface）２３に形成されている複数のＩｎＡｓ量子ドット２１を含む。上方のＧａＡｓ層の上にはｐ型コンタクト（p-type contact）があり、下方２７のＧａＡｓ層の下にはｎ型コンタクト（n-type contact）がある。
【００３５】
対応するバンド図は、図３ｂに示される。ここで、単一ドット３１は、図３ｂに示されるような下方のＧａＡｓ層２７と図３ａの上方のＧａＡｓ層２５との間の界面に設けられる。量子ドットは、伝導帯にある電子３３、及び価電子帯にあるホール３５を有する。電子３３は、最終的にはｎドープ領域（n-doped region）３７の方へトンネルし、ホール３５は、ｐドープ領域（p-doped region）３９の方へトンネルする。電子３３又はホール３５が再結合の前にトンネルする場合、光子は放射されない。
【００３６】
図４ａ及びその対応するバンド図の図４ｂは、本発明の一実施形態に従う設計を示す。障壁層は、設けられ、再結合の前の量子ドットからのキャリアのトンネリングを防ぐように構成される。
【００３７】
図４ａ及び４ｂの実施形態では、複数の量子ドット２１が、下方のガリウムヒ素層８３と上方のガリウムヒ素層８９との間の界面８１に形成されている。上方のガリウムヒ素層８９及び下方のガリウムヒ素層８３は、上方の障壁層９１及び下方の障壁層８５にそれぞれに接触している。上方の障壁層８５及び下方の障壁層９１は、より高いバンドギャップ層であり、例えばＡｌＧａＡｓであり得る。上方の障壁層９１と下方の障壁層８５との間に挟まれた上方のガリウムヒ素層８９及び下方のガリウムヒ素層８３を備えるこの配置は、ガリウムヒ素層が量子井戸を形成することになる。
【００３８】
障壁層は、障壁層が存在しない場合よりもさらなる度合の電気的な閉じ込めを提供するように、量子ドットが形成されている界面８１に十分に接近して設けられる。
【００３９】
障壁層間のＧａＡｓ層は、量子井戸を形成する。
【００４０】
対応するバンド図は、図４ｂに示される。ここで、量子ドット９５は、上方のＧａＡｓ層８９及び下方のＧａＡｓ層８３によって形成される量子井戸内に位置する。そして、これは、図４ａ及び４ｂと５ａ及び５ｂとを参照して説明されるのと同じ方法で、量子ドットからのトンネリングを抑制する働きをする上方の障壁層９１と下方の障壁層８５との間に形成される。
【００４１】
上記の設計では量子ドットがＧａＡｓに形成されるが、これが量子ドットを形成する典型的な材料であるので、量子ドットの特性はよく理解される。
【００４２】
障壁材料を使用することによって、量子ドットからのトンネリングがより長い時間にわたって抑制され、それは、光子エミッタの放射効率を高める。これは、４００ＫＶ／ｃｍを超える場が放射効率を損なうことなしに印加されることができるように、１４ｎｍを超える波長範囲にわたる調整につながり得る。
【００４３】
図４ａ及び４ｂでは、構造は、非ドープ領域（undoped region）に位置するドットを備える、デバイスの片側がｐ型であり且つ反対側がｎ型であるｐ−ｉ−ｎ構造である。しかしながら、量子ドット及び障壁が同様の方法で構成されるのであれば、同様の結果がｎ−ｉ−ｐ、ｎ−ｉ−ｎ、ｐ−ｉ−ｐ、又はオーミック−ｉ−ショットキー（ohmic-i-schottky）デバイスで得られる。
【００４４】
図４に示される実施形態では、我々は、障壁が均等であり且つそれらの間の間隔が「量子井戸」内に電子状態の量子化を引き起こすのに十分小さい特別の場合を考えている。これは、キャリアが粒子のド・ブロイ波長に匹敵する領域に対して十分に強いポテンシャル内に閉じ込められる場合に起こる。
【００４５】
図４は、ドットからのキャリアのトンネリングを抑制するための、ドットの一方の側にある障壁を示す。ドットから障壁までの距離が、キャリアがドットから出てトンネルする可能性がある障壁の端において閉じ込め状態が存在しないくらい十分に小さくなるように、これらの障壁の一方又は両方の高さ、位置、又は厚さが選択されている方が好ましい。電子及びホール（これらは異なる有効質量を有する。）は、ドットの一方の側にある障壁の不均等な高さに関して等しいトンネル速度を有するだろう。電場が印加されているときに量子ドットからの電子及びホールの両方のトンネリングを最小化することによって、光子源に関するより大きい調整範囲が達成されることができる。
【００４６】
電子及びホールの両方に関するトンネル時間は、量子ドット内に形成される励起子の放射寿命より長い。ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ量子ドットでは、Ｘ及びＸ−状態は、１ｎｓの寿命を有する。これは、大多数のキャリアが放射的に再結合することを保証し、５０％を超える効率を維持する。トンネリングは、一般に、量子ドットからコンタクトに向けて起こる。従って、電子は、ｎ型コンタクトの方へトンネルし、ホールは、ｐ型コンタクトの方へトンネルする。キャリアは、コンタクトの方へトンネルするが、多くは、それらが電場によってコンタクトへスイープされる（swept）真性領域へトンネルするだろう。ｎ型コンタクトへ向かう電子及びｐ型コンタクトへ向かうホールに関するトンネル時間は、放射減衰時間（radiative decay time）より大きいだろう。
【００４７】
図５ａ及び５ｂは、図４のデバイスの変形を示す。図５のデバイスでは、障壁は最大限に不均等である。平坦なバンドから離れたバイアスにおけるこの構成では、（一方の側の垂直なポテンシャルステップと他方の側の伝導帯の勾配との間に形成されている）障壁の側に「Ｖ」型の量子井戸がそれでもやはりある。この構成では、電子だけが、多くの場合に（to a greater extent）閉じ込められるだろう。
【００４８】
図５ａでは、複数の量子ドット２１は、下層４１と上層４５との間の界面に位置する。下層４１はｎ型コンタクト４３に接続され、上層４５はｐ型コンタクト４７に接続される。対応するバンド図は、図５ｂに示される。量子ドット２１とｐ型コンタクト４７との間の距離は、量子ドットからのホールのトンネリングを防止することができるほど十分に大きくなければならない。
【００４９】
図５ｂでは、単一量子ドット５１は、上層４５と下層４１との間の界面に設けられる。下層４１は、上層４５より高いバンドギャップを有する。下層４１は、ｎ型領域４３に接続される。量子ドットのホールの有効質量が電子の有効質量よりはるかに大きいので、電子のほうが最初にトンネルする可能性が高い。従って、図５ａ及び５ｂの配置では、より高いバンドギャップ材料４１は、電子のトンネリングを抑制するために、且つ、放射が起こるのに十分長く電子及びホールを量子ドットに保持するために、量子ドットのｎ型の側に設けられる。
【００５０】
図５ａのデバイスに関する層状構造の一例では、上層はＧａＡｓであり、量子ドットはＩｎＡｓであり、下層４１はＡｌＧａＡｓである。図５ｃは、量子ドットが（図４ａのように）ＧａＡｓ領域に形成される図５ａのデバイスの変更を示し、しかし、上層４５は、ＡｌＧａＡｓであるが、下層４１より低いＡｌ含有量である。図５ｄは対応するバンド図を示す。
【００５１】
図６ａ及び６ｂは、ポテンシャル障壁間の間隔が最小値に低減される第２の変形を示す。この場合、高バンドギャップ材料は、なおもキャリアの閉じ込めを増大させる。
【００５２】
図６ａ及び６ｂは、本発明の一実施形態に従うさらなる設計を示す。ここで、複数の量子ドットが２つの障壁材料６３及び６５間の界面６１に形成される。下方の障壁材料６３は、ｎ型材料６７に接続され、上方の障壁層６５は、ｐ型材料６９に接続される。例えばＡｌＧａＡｓである２つの障壁層間に挟まれるＩｎＡｓ量子ドットがある場合、この設計は実現されることができる。ＡｌＧａＡｓのバンドギャップは２．２ｅＶであり、これはＧａＡｓで見られる１．５ｅＶのバンドギャップより相当に大きい。
【００５３】
ＡｌＧａＡｓ内に量子ドットを形成するによって、大きな場はドットの中にトラップされたキャリアで印加されることができる。これは、４００ＫＶ／ｃｍを超える場が放射効率を損なうことなく印加されることができるように、２０ｎｍを超える波長範囲にわたる調整をもたらし得る。しかしながら、ＡｌＧａＡｓ内に量子ドットを形成することによって、量子ドットの特性は変化され得る。さらに、ドットが１つの材料で成長されて異なる材料で覆われる場合、それらの特性は変わるだろう。例えば、ドットへのゼロの電場がある場合にＡｌＡｓでのＱＤの成長がより大きな微細構造分裂をもたらすように、ＱＤの形状非対称性を増大することは知られている。印加される電場に応じた微細構造分裂の変化率は、アルミニウム組成が増大するにつれてより大きな空間非対称性を有することが知られている、ＡｌＧａＡｓ内で成長されたドットに関して、より高い。従って、大きな空間非対称性を有するドットは、大部分のドットが微細構造分裂を最小化するために調整されることができるので、ゼロの又は低いＦＳＳがそれらの増強された調整特性のために必要とされる場合に、特別に役に立つと考えられる。
【００５４】
発明者らは、７５％のＡｌＧａＡｓ内に入れられた（encapsulated）ＩｎＡｓドットが数１０ナノメートルを超える非常に大きな波長調整範囲を有することを実験的に観測した。表１は、図３〜６を参照して説明したデバイスの比較を包括的に示す。
【表１】
【００５５】
電場中の量子閉じ込め状態のエネルギーＥは、次式に従ってシュタルク効果によってシフトされる。
【数２】
【００５６】
ここで、Ｅ０はゼロ場でのエネルギーであり、ｐは「永久双極子」モーメントであり、βは「分極率」（これは負数である。）である。ｐは、電子とホールとの間の垂直分離の測定を与え、即ち、ｐ＝ｅＤであり、ここで、Ｄは負電荷から正電荷へ向く。Ｆは、正の試験電荷上での真の力（net force）として定義される電場である。
【００５７】
さらに、フォトルミネセンス（ＰＬ）放射が観測されることが可能になる量子ドットに垂直に印加され得る最大の電場は、図３のデバイスと比較して、図４〜６のデバイスでは相当に大きい。しかしながら、特に大きな場は図４及び６のデバイスに関して見られる。これはまた、より大きな波長調整範囲に変わる。図３を参照して説明した従来のデバイス設計においては、０．３ｎｍ未満の調整範囲が観測される。しかしながら、これは図４及び６のデバイスでは２０ｎｍ超まで増大する。
【００５８】
次に、デバイスの可能な動作モードを図７〜１０を参照して説明する。バイアスが量子ドットに印加されることができる単一量子ドットを含む最も簡単な形態においてデバイスを説明する。
【００５９】
図７ａのデバイス構成では、電場は層の面と垂直に印加される。層は、ｐ−ｉ−ｎ型構造を有する。まず、図７ｂを参照すると、電子及びホールが量子ドットに存在することとができるように、ダイオードの閾値電圧より大きい第１レベル１０１のバイアスが印加される。次に、閾値電圧未満である第２レベル１０３のバイアスが印加される。このバイアスは、電流注入を止めて、シュタルク効果によって量子ドットの放射をデバイスの所望の出力エネルギーと等しいエネルギーへシフトする。印加電圧は図７ｂに示される。電圧が第２電圧レベル１０３にある場合、図７ｃに示されるように、光子が生成される確率がより高くなる。
【００６０】
本発明の実施形態に従うデバイスを使用することによって、第２電圧レベルのより大きな範囲が可能であり、従って、デバイスは、放射波長のより大きな範囲に関して出力するように構成されることができる。
【００６１】
この動作モードの原理は、Applied Physics Letters 92, 193503 2008により詳細に説明されている。
【００６２】
図８は、第２の動作モードを示す。ここで、デバイス１００は、この場合にも、デバイスの層の面と垂直に印加される電場を受ける。デバイスは、連続注入メカニズム（sequential injection mechanism）を使用して動作する。ここで、まず、電子（ホール）が量子ドットに共鳴トンネルする（resonantly tunnel）ことを可能にするバイアスが印加される。一旦これが達成されると、バイアスは、ホール（電子）が光学活性な領域に共鳴トンネルすることができる範囲に急速に切り替えられる。この配置が機能するためには、デバイスが、電子（ホール）がトンネルして出るより速く切り替わってホール（電子）にトンネルすることができることが重要である。この種の配置の原理は、Kim et al, Nature 397, 500-503 (1999)に説明されている。
【００６３】
「共振連続（resonant, sequential）」動作として知られるこの動作モードは、より狭い発光線において明らかである高い光子純度（photon purity）を達成する。一旦電子（ホール）及びホール（電子）が量子ドットへトンネルすると、デバイスは、図７を参照して説明した量子ドットの放射波長を規定する第３電圧レベルに戻される。
【００６４】
図９を参照して説明されるモードでは、デバイス１００は、源１１１によって層と垂直に印加される場を受け、さらなる電圧源１１３は、層の面に設けられる。電圧源１１３は、層の面に設けられ、デバイス１００内の量子ドットにキャリアを注入するために使用される。第１の電圧源１１１は、量子ドットの放射波長又は微細構造分裂を制御するために設けられる。
【００６５】
図１０は、動作モードのまたさらなる変形を示す。図１０のデバイスでは、デバイス１００は、この場合にも、源１１１からの層の面に直交して印加される垂直電場を受ける。キャリアは、光学的励起によって量子ドットに注入される。源１１１によって印加される電圧を設定することにより、量子ドットの放射波長又は微細構造分裂を制御することが可能になる。
【００６６】
図１１は、合理的に大きな範囲にわたって調整された本発明の一実施形態に従う量子ドットの出力を示す。図１１の結果を生成するために使用されたデバイスの設計は、図４ａ及び４ｂを参照して説明したものである。出力依存性（power dependence）及び偏光測定を実行することによって、量子ドットにおける特定の遷移を識別することが可能である。
【００６７】
Ｘが付されているラインは、伝導帯の単一電子及び価電子帯の単一ホールが結合してドットを完全に空にして光子を放射する単一中性励起子に起因する。ＸＸが付されているラインは、中性双励起子崩壊に起因する。これは、伝導帯の２つの電子及び価電子帯の２つのホールがあり、伝導帯の１つの電子が価電子帯の単一電子と結合して光子を放射し、伝導帯に単一電子及び価電子帯に単一ホールを残す場合である。
【００６８】
Ｘ−が付されているラインは、伝導帯に２つの電子が存在し且つ価電子帯に１つのホールが存在する量子ドットからの崩壊に起因する。伝導帯の１つの電子は、価電子帯の単一ホールと結合し、伝導帯に単一電子を残す。この崩壊は、負励起子崩壊として知られている。同様に、正励起子崩壊Ｘ＋は、開始状態が伝導帯の単一電子及び価電子帯の２つのホールである場合である。さらに、より高次の励起子（higher order excitons）の帯電崩壊（charged decay）も可能であり、励起子ＸＸ＋は、伝導帯に３つの電子を含み且つ価電子帯に２つのホールを含む。
【００６９】
図１１からは、異なる励起子の発光線が異なる調整電圧で支配的になることを認識することができる。従って、特定のタイプの放射を制御する若しくは支持する（favour）ことが可能である。例えば、エンタングルされた光子の生成においては、Ｘ２／Ｘ崩壊が好ましく、この特定のサンプルに関しては０ボルトの近くのバイアスデバイスが望まれる。
【００７０】
Ｘ−励起子は、高純度光子状態を生成するのに有用である狭い線幅をしばしば有する。従って、このラインが支配的になる１ボルトと２．２ボルトとの間でデバイスにバイアスをかけることが望まれる場合がある。
【００７１】
大きな波長にわたって調整する能力は、エンタングルメントを可能にするのに十分に類似するように２つの独立した源の出力特性を調整することを可能にする。これは、量子リピータ及び量子計算での利用がある異なる源から放射される光子のエンタングルメントを可能にする。量子計算では、異なる源からの光子をエンタングルする能力は、個体状態量子ビット（solid state qubit）のエンタングルメントを可能にする。
【００７２】
上記の光子源は、エンタングルされた光子の源としてより容易に構成することができる光子源をさらに提供する。エンタングル光子源（entangled photon source）を実現するためには、量子ドットからのフォトルミネセンスにおいて微細構造分裂がない量子ドットを有していることが望ましい。広範囲の電場にわたる調整を可能にする実施形態を使用して、微細構造分裂が最小化される場で源を動作することは可能である。微細構造分裂は、双励起子励起子空カスケード崩壊（biexciton-to-exciton to-empty cascade decay）中に起こる。
【００７３】
最後に、量子ドットの出力を支配する励起子崩壊のタイプは、印加される電場に依存する。従って、広い波長範囲にわたって出力を調整する能力は、特定の励起子崩壊が出力を支配するようにドットが構成されることを可能にする。
【００７４】
増強された閉じ込めはまた、デバイスがより高温度で動作されることを可能にするだろう。
【００７５】
本発明の実施形態に従うデバイスでは、高いルミネセンス効率を保持しながら、ＱＤに非常に大きな垂直電場を印加することが可能である。全ての先行技術において、数十ＫＶｃｍ−１より小さい場は、キャリアがドットからトンネルする前に、印加されることができるかもしれない。本発明の実施形態に係るデバイスでは、５００ＫＶｃｍ−１までの場を印加することが可能であり、さらに、高い内部量子効率を観測するが可能である。
【００７６】
図１２は、本発明の一実施形態に従う光源に関する第１の可能な使用を示す。
【００７７】
図１２は、第１の源２０１及び第２の源２０３が同一の放射エネルギーを有するように構成されるそのような配置を示す。これらの源はまた、それらが双励起子又は帯電励起子崩壊によって光子を放射するように構成される。第１の源２０１及び第２の源２０３は、各々がドット内に電子・ホールの対又は単一電荷を残して、単一光子を放射する。
【００７８】
この崩壊によって生成される光子の各々は、量子ドットに残る複数のキャリア又は１つのキャリアのスピンによって形成される個体状態量子ビットとエンタングルされる。崩壊による同一光子が２つの異なる光子源からビームスプリッター２０５に同時に入射し、適切な測定が検出器Ｄ１及びＤ２の各々によって実行される場合、光子はエンタングルされるだろう。これは、源２０１及び２０３における個体状態量子ビットを互いにエンタングルする働きをする。２つの個体状態量子ビットをエンタングルするこの能力には、分散量子計算での利用がある。
【００７９】
図１３は、量子リピータ動作を実行する本発明の実施形態に従う源に関するさらなる使用を示す。長距離を超えて単一光子で符号化された情報を送信するために、量子情報がアリス２１１からボブ２１７へ送信されることができる距離の増加を可能にするように、量子リピータを有することが望ましい。我々の単純な例では、量子リピータ動作は、２光子ゲート（2 photon gate）２１５、エンタングル光子源２１３、及び古典的チャネル２１８を要求する。
【００８０】
図１３の配置では、送信器アリス２１１は、単一光子源を有する。エンタングル光子源２１３である第２の光子源は、エンタングルされた光子対を生成する。エンタングル光子源２１３から２光子ゲート２１５へ送られた光子のうちの１つは、アリス２１１によって放射された光子と同一である必要がある。２１３によって生成されたエンタングルされた対の他方の光子は、ボブ２１７へ送られる。その後、同一光子は、それらを比較する測定を実行する２光子ゲート２１５に渡される。この測定の結果に基づいて、古典的情報は、チャネル２１８によってボブへ伝送されることができる。ボブは、エンタングル光子源が彼へ送った光子で変換
【数３】
【００８１】
を実行するためにこの情報を使用し、それにより、その量子状態を、アリスによって生成された最初の光子と同じになるように変換する。このように、ボブ２１７に到達した光子は、アリスによって送られた量子情報を含み、この情報は、アリスが彼女の光子を直接送ることが可能である距離より長い距離を超えて伝送される。
【００８２】
図１４は、図４を参照して説明したデバイスにわたって調整電圧を印加する効果を示す。微細構造分裂（ＦＳＳ）は、励起子状態の垂直に偏光された成分（Ｈ及びＶ）間のエネルギー差である。量子ドットからエンタングルされた光子の生成を得る場合、ＦＳＳをゼロにすることが望まれる。エンタングルされた光子の生成の前の実証は、（ｉ）面内磁場、（ｉｉ）サンプルのアニーリング、又は（ｉｉｉ）ゼロのＦＳＳを自然に有するドットの広範囲の探索を使用している。量子ドット源を備える全てのエンタングルメント実証では、これまでのところ、ゼロのＦＳＳ分裂は、「湿潤層（wetting layer）」のバックグラウンドからの放射がパフォーマンスに弊害をもたらし得る８８５ナノメートルで得ることができるだけである。
【００８３】
これらの解決策は、複雑であり、時間がかかり、アンサンブル（ensemble）に適切な量子ドットを見つけることを我々に要求する。垂直電場の印加を使用する本発明の解決策は、比較的容易である。さらに、この技術は、我々が量子状態の放射寿命に匹敵する若しくはそれより速い時間スケールでＦＳＳを変えることを可能にし、それは、有利であり得るが、以前に使用されている技術では不可能である。
【００８４】
従って、大きな垂直場は、放射が９３０と９５０ｎｍとの間で起こる図４を参照して説明したデバイスの量子ドットに関する同じような方法で、微細構造分裂を調整するために使用されることができる。観測された全ての量子ドットでは、ＦＳＳは、同様の方法で印加されるバイアスに応じて直線的に変化する。
【００８５】
異なる特性を備える量子ドットの成長を通じて、他の波長（即ち、１３００及び１５５０ナノメートルの通信波長）及び／又はＩｎＡｓ／ＩｎＰのような量子ドットタイプまで放射を広げることは可能かもしれない。
【００８６】
ＩｎＰ／ＩｎＡｓ／ＩｎＰのＱＤでは、システムは、０．７５−０．９５ｅＶの範囲で放射する場合に、ＦＳＳが、約１０μｅＶの散乱（scatter）を含んでＦＳＳ＝０のあたりで不規則に分布されることが予想される。本発明の実施形態は、このシステムの個々のＱＤごとにＦＳＳをゼロに低減するために使用されることができる。
【００８７】
ＧａＡｓ／ＩｎＡｓ／ＧａＡｓのＱＤでは、ゼロの場でのＦＳＳは、より広い範囲にわたってドットごとにガウス分布に応じて不規則に変化する。１．４ｅＶの放射エネルギーでは、５０μｅＶ近くの「散乱」を含んで、平均のＦＳＳはゼロである。ＦＳＳは、これらのドットに関して１ＫＶｃｍ−１当たり０．２８μｅＶの割合で変化するので、「散乱」／「割合」＝１８０ＫＶｃｍ−１の範囲にわたって場を印加することができるデバイスは、全てのドットをゼロに調整することができる。より小さな調整範囲については、ドットの部分集合だけがゼロのＦＳＳに調整することができる。
【００８８】
１．３２ｅＶで放射するＱＤにおいては、平均のＦＳＳは、１００μｅＶの散乱を含んで〜１００μｅＶであり、従って、１５０μｅＶの調整範囲は、全てのＱＤをゼロに調整することができることを意味し、それは５３０ＫＶｃｍ−１の場に対応する。
【００８９】
図１５は、デバイス３０１が源３０３からの垂直電場を受ける本発明の一実施形態に従うデバイス構成の概略図を示す。さらに、デバイスはキャビティ（cavity）３０５を含む。キャビティは、量子ドットの周囲に設けられ、１つの方向の放射を増強して効率を増加させるために、且つ／或いは、量子ドットの放射特性を変更するために使用される。
【００９０】
キャビティは、屈折率が交互に変化する４分の１波長層のブラッグミラーに基づくもの、当技術分野で周知である若しくはより普通ではない配置であるフォトニック結晶を含むことができる。
【００９１】
図４−６に示される設計では、量子ドットは、高屈折率材料又は低屈折率材料で作られ得るキャビティ内に位置されることができる。図１６は、Ｘ軸上の距離に沿って、Ｙ軸に沿う層の屈折率及び電場を示す。キャビティ４０１は、スペーサの形態で存在する。
【００９２】
キャビティが主に高屈折率（即ち、ＧａＡｓ）で作られている場合、スペーサの端から（２Μ）λ／４にあるＱＤを備えて１／２（Ν＋１）λの厚さをスペーサが有する図１７ａに示される基準を使用するのに望ましい。ここで、Ｎ、Ｍは、ゼロ以外の整数である。
【００９３】
しかしながら、スペーサ及びキャビティが主に低屈折率（即ちＡｌＧａＡｓ）である場合、端から（２Μ−１）λ／４にあるＱＤを備えて１／２（Ｎ）λの厚みをスペーサが有する図１７ｂに示される基準が使用されなければならない。
【００９４】
上述の設計は、光がキャビティの中心に可能な限り接近して閉じ込められることを保証し、光電場（optical electric field）が最大のところにドット層の位置を決める。
【００９５】
キャビティの考察に加えて、異なるタイプの量子井戸配置は、量子ドットにおいて状態を制限するために使用されてもよい。図１８ａ及び１８ｂは可能な量子井戸を示す。図１８ａは、図４を参照して説明されてもいる四角形タイプの量子井戸を示す。図１８ｂは、キャリアが量子ドットに近い最低のポテンシャルで蓄積する傾向がある可変組成量子井戸（variable composition quantum well）を示す。さらに、エネルギープロファイルが放物線状、直線状、又は他の種々の形状（profile）であるように、組成を変えることも可能である。量子井戸の閉じ込め状態は、量子ドットの閉じ込め状態との特定の関係を有するように設計されることができる。例えば、量子井戸の閉じ込め状態が１つのフォノンエネルギーによって分離される場合、量子ドットへの捕捉は、増進されることができる。
【００９６】
図１８は、層状構造の詳細を備える本発明の一実施形態に従うデバイスを示す。このデバイスにおいては、デバイスの放射波長が９５５ｎｍであり、ｎ（ＧａＡｓ）＝３．４７２、ｎ（９５％ＡｌＧａＡｓ）＝２．９４７、ｎ７５％＝３．０８８、ＧａＡｓの４分の１波長厚さが９５５／（４×３．４７２）＝６８．７６４ｎｍであり、９５％ＡｌＧａＡｓの４分の１波長厚さが８１．０１５ｎｍであると仮定する。
【００９７】
デバイスは、非ドープバッファ層（undoped buffer layer）を備えた基板５０１上に形成される。典型的には、基板はＧａＡｓである。次に、各々の厚さが光学波長の４分の１である高又は低屈折率材料の複数の交互層を含む下部ブラッグミラー層５０３が形成される。最後の数個の繰り返しは、Ｎドープされていてもよい。
【００９８】
下部キャビティスペーサ層は、ｎ型下部ブラッグ領域５０５に重なって接触している。下部キャビティスペーサ層は、７５％のＡｌＧａＡｓ（これは、短周期超格子に、或いは、基板に同時に作用する（impinge）３つ全ての要素とともに付着される（deposited）ことができる）を含む。半分の量子井戸は、下部キャビティスペーサ層に重なって接触して付着される。
【００９９】
そして、量子ドット層５０９は、重なって形成される。例えば、この特定の実施形態中では、ＩｎＡｓ源の１．７超の単分子層（more than 1.7monolayers）は付着され、これは当技術分野で周知の方法で量子ドットに「自己集合される（self assembled）」。
【０１００】
次に、量子井戸の残り半分が付着され、上部スペーサ層５１１は重なって形成される。
【０１０１】
上部のブラッグミラー５１３は、上部スペーサ層５１１に重なって接触している。このミラーの最後の少数の層は、オーム接触の形成を可能にするために、我々の例では、Ｐ型にドープされた。
【０１０２】
一旦層成長が終了すると、デバイスは、ｎ型コンタクト５２１を形成するためにｎドープミラー層５０５までエッチングされ、ｐ型コンタクトは、上部ミラー層５１３に重なって接触して設けられる。コンタクト金属５２５は、下位層へのコンタクト金属のショートを防ぐために設けられる絶縁層５２７に重なっている。
【０１０３】
上述のものでは、ブラッグミラーは、各々が４分の１波長の厚さの交互になっている高屈折率層及び低屈折率層を使用して形成される。層の数が大きいほど、より高い反射率が達成される。さらに、屈折率のコントラストが大きいほど、より高い反射率が達成される。上述のものでは、単一体で成長されることができ且つ容易に形成されることができるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層が使用される。しかしながら、これらは、約９００ｎｍで０．５の屈折率差を有する。従って、後になって置かれ且つより高い屈折率コントラストを達成することができるＳｉＯ２／ＴｉＯ２又はＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４のような誘電体を使用することが望まれることもある。
【０１０４】
図１９は、図１８のデバイスにおける変形を示す。いくらかの不必要な反復を回避するために、同様の参照番号を同様の特徴を示すために使用する。図１９のものと比較した図２０のデバイスの主な差異は、電流が流れる小さな領域を制限するスペーサ層内に設けられる絶縁層５３１の形状である。これは、単一量子ドットに注入することができることを意味する。そのような層は、湿度の高い空気中での高いＡｌ含有量のＡｌＧａＡｓ層の酸化によって形成することができる。高反射率ブラッグミラー及び酸化層からの屈折率の横方向変化の組み合わせは、３Ｄの光学の閉じ込めに結びつく場合があり、量子ドットの放射特性を変更する。この原理は、APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 233514 2007及びNew Journal of Physics 10 (2008) 043035により詳細に説明される。
【０１０５】
特定の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例証として示されており、本発明の範囲を制限するようには意図されない。実際には、ここで説明される新規の源、システム、レピータ及び方法は、様々な他の形態で具体化されることができる。さらに、ここで説明される源、システム、レピータ及び方法の形態における様々な省略、置換及び変更は、本発明の精神から逸脱することなく、なされることができる。添付の特許請求の範囲及びその均等物は、本発明の範囲及び精神に含まれるような形態或いは改良に及ぶように意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ヘテロ構造を具備する光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子井戸と、前記量子井戸に隣接する障壁領域と、前記量子井戸内に設けられる量子ドットと、を含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源と、をさらに具備し、前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源。
【請求項２】
前記量子井戸は、前記障壁層より低いバンドギャップを有する材料を含み、前記より低いバンドギャップ材料は、２つの障壁領域間に設けられ、前記障壁領域は、前記量子ドットの互いに対向する側に形成されている、請求項１に記載の光子源。
【請求項３】
前記量子ドットはＩｎＡｓを含み、前記量子井戸はＧａＡｓを含み、前記少なくとも１つの障壁領域はＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含む、請求項１又は請求項２に記載の光子源。
【請求項４】
前記動作範囲は、１００ＫＶｃｍ−１以上である、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項５】
半導体ヘテロ構造を具備する光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子ドットを含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源と、をさらに具備し、前記電場は、１００ＫＶｃｍ−１の動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源。
【請求項６】
前記電圧源は、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲内で電場を制御するように構成される第１の電圧を印加し、キャリアが前記量子ドットに供給されることを可能にする第２の電圧を印加するように構成される、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項７】
前記量子ドットにキャリアを供給するように構成される光源をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項８】
前記量子井戸は四角形の形状を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項９】
光キャビティをさらに備える任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１０】
複数の量子ドットを具備し、前記光子源は、単一量子ドットへのキャリア注入を可能にするように構成されるアパーチャが設けられている層をさらに具備する、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１１】
複数の量子ドットを具備し、前記光子源は、１つの量子ドットからの放射を分離するように構成される不透明層をさらに具備する、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１２】
前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子を含み、前記源に印加される場は、微細構造分裂を最小化するように構成される、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１３】
エンタングルメントを生成するシステムであって、前記システムは、任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、任意の先行する請求項に従う第２の光子源と、を具備し、前記第１及び第２の光子源は、同一光子を放射するように調整され、前記システムは、前記２つの源から出力される同一光子間でエンタングルメントを提供するように構成される干渉計をさらに具備する、システム。
【請求項１４】
任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、第２の光子源と、前記第１の光子源によって出力される光子対のうちの第１の光子、及び前記第２の光子源からの光子を干渉させるように構成される干渉計と、を具備し、前記第１の光子源は、エンタングルされた光子対を出力するように構成され、前記光子のうちの１つは、前記干渉計による干渉の間に前記第２の光子源によって放射される光子の状態が前記光子対のうちの第２の光子にマッピングされるように、前記第２の光子源によって出力される光子と同一である、量子リピータ。
【請求項１５】
選択された波長の光子を生成する方法であって、前記方法は、
半導体構造内に量子ドットを用意することと、
励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、
前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、
前記量子ドットに供給されるキャリアが結合して前記印加される電場によって選択されるエネルギーの光子を出力することを可能にすることと、
を具備し、
前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大するように構成される、方法。
【請求項１６】
前記量子ドットは、前記量子井戸内に設けられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記動作範囲は、少なくとも１００ｋＶｃｍ−１である、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１８】
２つのエンタングルされた光子を生成する方法であって、前記方法は、
半導体構造内に量子ドットを用意することと、
双励起子又はより高次の励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、
前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、
前記量子ドットに供給されるキャリアが、双励起子崩壊からの第１の光子を生成し且つ前記量子ドット内の残りの励起子からの崩壊によって生成される第２の光子を生成するように結合することを可能にすることと、
を具備し、
前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大させるように構成され、前記電場は、双励起子励起子空カスケード崩壊の間に微細構造分裂を最小化するためのレベルに変えられる、方法。
【請求項１９】
前記電場は、双励起子及び励起子遷移の線幅以下に微細構造分裂を最小化するためのレベルに変えられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記量子ドットは、電場がない場合に、ある割合のエンタングルされた光子を放射し、前記電場は、前記微細構造分裂をさらに変えるために変えられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
半導体ヘテロ構造を具備する光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子井戸と、前記量子井戸に隣接する障壁領域と、前記量子井戸内に設けられる量子ドットと、を含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源と、をさらに具備し、前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源。
【請求項２】
前記量子井戸は、前記障壁層より低いバンドギャップを有する材料を含み、前記より低いバンドギャップ材料は、２つの障壁領域間に設けられ、前記障壁領域は、前記量子ドットの互いに対向する側に形成されている、請求項１に記載の光子源。
【請求項３】
前記量子ドットはＩｎＡｓを含み、前記量子井戸はＧａＡｓを含み、前記少なくとも１つの障壁領域はＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含む、請求項１又は請求項２に記載の光子源。
【請求項４】
前記動作範囲は、１００ＫＶｃｍ−１以上である、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項５】
半導体ヘテロ構造を具備する光子源であって、前記半導体ヘテロ構造は、量子ドットを含み、前記光子源は、電気的コンタクトと、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために前記量子ドットに調整可能な電場を印加するように構成される第１及び第２の電気的コンタクトに結合される電圧源と、をさらに具備し、前記電場は、１００ＫＶｃｍ−１の動作範囲にわたって調整可能であり、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間は、前記放射エネルギーを制御するための前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きく、前記光子源は、単一量子ドットからの放射が前記光子源から出るように構成される、光子源。
【請求項６】
前記電圧源は、前記量子ドットの放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲内で電場を制御するように構成される第１の電圧を印加し、キャリアが前記量子ドットに供給されることを可能にする第２の電圧を印加するように構成される、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項７】
前記量子ドットにキャリアを供給するように構成される光源をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項８】
前記量子井戸は四角形の形状を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光子源。
【請求項９】
光キャビティをさらに備える任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１０】
複数の量子ドットを具備し、前記光子源は、単一量子ドットへのキャリア注入を可能にするように構成されるアパーチャが設けられている層をさらに具備する、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１１】
複数の量子ドットを具備し、前記光子源は、１つの量子ドットからの放射を分離するように構成される不透明層をさらに具備する、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１２】
前記量子ドットは、双励起子又はより高次の励起子を含み、前記源に印加される場は、微細構造分裂を最小化するように構成される、任意の先行する請求項に記載の光子源。
【請求項１３】
エンタングルメントを生成するシステムであって、前記システムは、任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、任意の先行する請求項に従う第２の光子源と、を具備し、前記第１及び第２の光子源は、同一光子を放射するように調整され、前記システムは、前記２つの源から出力される同一光子間でエンタングルメントを提供するように構成される干渉計をさらに具備する、システム。
【請求項１４】
任意の先行する請求項に従う第１の光子源と、第２の光子源と、前記第１の光子源によって出力される光子対のうちの第１の光子、及び前記第２の光子源からの光子を干渉させるように構成される干渉計と、を具備し、前記第１の光子源は、エンタングルされた光子対を出力するように構成され、前記光子のうちの１つは、前記干渉計による干渉の間に前記第２の光子源によって放射される光子の状態が前記光子対のうちの第２の光子にマッピングされるように、前記第２の光子源によって出力される光子と同一である、量子リピータ。
【請求項１５】
選択された波長の光子を生成する方法であって、前記方法は、
半導体構造内に量子ドットを用意することと、
励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、
前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、
前記量子ドットに供給されるキャリアが結合して前記印加される電場によって選択されるエネルギーの光子を出力することを可能にすることと、
を具備し、
前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大するように構成される、方法。
【請求項１６】
前記量子ドットは、前記量子井戸内に設けられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記動作範囲は、少なくとも１００ｋＶｃｍ−１である、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１８】
２つのエンタングルされた光子を生成する方法であって、前記方法は、
半導体構造内に量子ドットを用意することと、
双励起子又はより高次の励起子を形成するために前記量子ドットにキャリアを供給することと、
前記半導体構造に用意される第１及び第２の電気的コンタクトを使用して前記量子ドットに電場を印加することと、前記電場は、前記量子ドットの放射エネルギーを変更するように構成され、前記放射エネルギーを制御するための前記電場は、動作範囲にわたって調整可能であり、
前記量子ドットに供給されるキャリアが、双励起子崩壊からの第１の光子を生成し且つ前記量子ドット内の残りの励起子からの崩壊によって生成される第２の光子を生成するように結合することを可能にすることと、
を具備し、
前記半導体構造は、前記放射エネルギーを制御するために、前記動作範囲にわたって前記量子ドット内の励起子の放射減衰時間より大きくなるように、前記量子ドットからのキャリアのトンネル時間を増大させるように構成され、前記電場は、双励起子励起子空カスケード崩壊の間に微細構造分裂を最小化するためのレベルに変えられる、方法。
【請求項１９】
前記電場は、双励起子及び励起子遷移の線幅以下に微細構造分裂を最小化するためのレベルに変えられる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記量子ドットは、電場がない場合に、ある割合のエンタングルされた光子を放射し、前記電場は、前記微細構造分裂をさらに変えるために変えられる、請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公表番号】特表２０１３−５１０４１９（Ｐ２０１３−５１０４１９Ａ）
【公表日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３５９２５（Ｐ２０１２−５３５９２５）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００２０３８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５５１１９
【国際公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２０１０／００２０３８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５５１１９
【国際公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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