特許 6352081 光子発生装置及び光子発生方法、並びに制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6352081

(24)【登録日】2018年6月15日

(45)【発行日】2018年7月4日

(54)【発明の名称】光子発生装置及び光子発生方法、並びに制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20180625BHJP

   B82Y 20/00 20110101ALI20180625BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343

   B82Y20/00

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-139830(P2014-139830)

(22)【出願日】2014年7月7日

(65)【公開番号】特開2016-18853(P2016-18853A)

(43)【公開日】2016年2月1日

【審査請求日】2017年4月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】宮澤 俊之

(72)【発明者】

【氏名】荒川 泰彦

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２５３６５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

単一の光子を発生する量子ドットを備えた量子ドット部と、
前記量子ドット部に電圧を印加するための少なくとも一対以上の電極と、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる励起光発生部と、
前記電極に逆バイアスの電圧パルスを印加する第１の電圧源と、
前記励起光発生部と前記第１の電圧源とを、前記励起光パルスの照射と前記電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる同期動作部と
を含み、
前記同期動作部は、前記励起光パルスの照射により単一の光子が発生した後、次の前記励起光パルスの照射の前に、前記電圧パルスの印加を行うように、前記励起光発生部及び前記第１の電圧源を動作させることを特徴とする光子発生装置。

【請求項2】

前記光子発生装置に、順バイアスの直流電圧を印加する第２の電圧源を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光子発生装置。

【請求項3】

量子ドットから単一の光子を発生させる光子発生方法であって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第１のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第２のステップとを交互に繰り返し行い、前記励起光パルスの照射により単一の光子が発生した後、次の前記励起光パルスの照射の前に、前記電圧パルスの印加を行うことを特徴とする光子発生方法。

【請求項4】

前記第１のステップ及び前記第２のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加することを特徴とする請求項３に記載の光子発生方法。

【請求項5】

量子ドットから単一の光子を発生させるための制御プログラムであって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第１のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第２のステップとを交互に繰り返し行い、前記励起光パルスの照射により単一の光子が発生した後、次の前記励起光パルスの照射の前に、前記電圧パルスの印加を行う手順をコンピュータに実行させることを特徴とする制御プログラム。

【請求項6】

前記第１のステップ及び前記第２のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加する手順をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項５に記載の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子ドットを備えた光子発生装置及び光子発生方法、並びに制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光と物質の量子的な状態を操作し、情報処理に利用する量子情報技術への期待が高まっている。量子情報技術の代表的なアプリケーションは量子暗号通信や量子演算であり、これらを実現することで極めて安全性が高い情報通信や特定アルゴリズムにおいて高速演算を実現することが可能となる。これらの基盤となる技術は制御された量子状態を作り出すことであり、特に単一の光子を制御性良く発生させることは、量子暗号通信等への応用可能性も高く極めて重要である。

【0003】

単一の光子を発生する装置（単一光子発生装置）の光子発生部としては、擬似的な量子二準位系を実現可能とする半導体の量子ドットが用いられている。量子ドットは特に、固体材料に起因した安定動作可能性や、材料及び形状の選択による発光波長の制御可能性等の利点があり、世界的に研究されている。以下、単一光子発生装置は量子ドットを用いたものであるとする。

【0004】

単一光子発生装置の駆動方式には、光励起方式と電流注入方式の大きく分けて２通りがある。前者は、量子ドットを含む装置に光照射することで半導体材料中に光励起された励起子を生成し、その励起子が量子ドットの中で発光する発光を単一光子として取り出す方式である。後者は、光照射の代わりに電流を流し、量子ドット中に電子と正孔を注入し、それらが再結合して出す発光を単一光子として使用する方式である。

【0005】

光励起方式の中には、準共鳴励起という励起手法がある。図１０は、準共鳴励起により単一光子が発生する旨を説明する図である。図１０では、上段が伝導帯のエネルギーバンド図及び電子の準位を、下段が価電子帯のエネルギーバンド図及び正孔の準位をそれぞれ示す。後述する図１２でも同様である。
準共鳴励起では、量子ドットの励起状態の励起子準位に共鳴するエネルギーを有した励起光パルスを外部から照射することで、量子ドット中に励起状態の励起子を直接生成する。その励起状態の励起子が基底状態の励起子（中性励起子：Ｘ⁰）に緩和した後に再結合して発光する光を、単一光子として利用する。準共鳴励起を利用することで、量子ドットへの余剰なキャリア生成が抑制可能であり、これによって単一光子発生装置の重要な特性パラメータである純度や光取出し効率を上げることが可能である。

【0006】

単一光子発生装置では、光子を１個ずつ生成し、それら個々の光子の特性を情報処理に利用するので、光出力を増幅して使用することには意味がない。従って、単一光子の光源自体の性能改善には、光取出し効率を可能な限り高めることが極めて重要である。ここで光取出し効率とは、「単一光子発生装置の１回の駆動イベントにおいて、外部の光取出し部（例えば光ファイバー等）に放出される単一光子の発生確率」と定義する。光取出し効率(以下、ηと記す。)は、主に３つの要因から決定される。第一は、単一光子を発生する量子準位へ励起子が注入される確率（η_cap）である。第二は、量子ドット内の励起子が再結合発光する際の発光効率（η_iqe：内部量子効率）である。第三は、量子ドットから放出された光子を装置外部に取り出す際に、量子ドットを含む光学構造から光取出し部への光学的な結合効率（η_opt）である。

【0007】

これらは、以下の関係にある。
η＝η_cap×η_iqe×η_opt
ここで、η_iqeは量子ドットの材料、形状及び結晶の品質によって決定され、η_optは量子ドットを含む光学構造及び光の取り出し部によって決定されるパラメータである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００４−２５３６５７号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Phys. Rev. B 69, 205324 (2004).

【非特許文献2】Applied Physics Express 3 (2010) 092802.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

単一光子の光取出し効率ηの改善に向けて、既に準共鳴励起を用いてη_capを向上させることが報告されている（非特許文献１，２を参照）。ところが、この手法を用いても、η_capの時間平均＜η_cap＞を低下させるブリンキング現象を抑制することは難しい。ブリンキング現象とは、量子ドット中の１つの励起子（一般にはＸ⁰）が発光可能な状態（オン状態）と発光不可能な状態（オフ状態）の間で、ある程度の時定数で状態遷移する現象であり、オン状態とオフ状態とが順番に入れ替わることで発光が明滅するように見えることからその名前が付けられている。

【0011】

ブリンキング現象のオン状態及びオフ状態の具体的な状態としては、いわゆるbright励起子及びdark励起子が考えられる。bright励起子とは、電子と正孔のスピン状態が順に↑↓のような組み合わせになっており、光学的に許容遷移である励起子である。一方、dark励起子とは、電子と正孔のスピン状態が順に↑↑または↓↓のような組み合わせとなっており、光学的に禁制遷移である励起子である。

【0012】

本来、励起光パルスを吸収した際に形成される励起子はbright励起子となるべきである。ところが、電子又は正孔がフォノン散乱等の過程で稀に電子または正孔のスピンが反転し、dark励起子を形成することがある（図１１及び図１２を参照）。この現象をスピンフリップ（Spin Flip）と言う。スピンフリップによって形成されたdark励起子の状態は、光学的に禁制遷移となっていることから、再結合確率が極めて低く、一度dark励起子が量子ドット中に形成されると、長時間dark励起子のままで残ってしまうことになる。

【0013】

このとき、オン状態では、０＜η_cap＜１となり、単一光子を発生した後次の励起光パルスが照射されるまでは量子ドット中の励起子は空の状態なっており、次の励起パルスを共鳴励起によって吸収する準備ができている。一方、オフ状態では、光励起パルス照射の直前のキャリア状態が変化しているので、キャリア間のクーロン相互作用によって励起状態の励起子エネルギーが変化し、その結果、励起光パルスの共鳴吸収が起こらずη_cap＝０となる。このとき、図１２に示すように、η_capの時間平均＜η_cap＞がオフ状態の寄与のために減少する。

【0014】

ブリンキング現象については、非特許文献１，２で報告されており、量子ドットの中性励起子発光の再結合発光時間（１ｎｓ程度）と較べると、圧倒的に長い時定数（数μs程度）でオン状態とオフ状態とが入れ替わっている。このときの単一光子発生装置における光取出し効率ηを＜η_cap＞を用いて書き直すと、
η＝＜η_cap＞×η_iqe×η_opt
となる。ブリンキング現象によってオン状態とオフ状態とが数μs程度で遷移するので、図１２のように＜ηｃａｐ＞が減少する。その結果、光取出し効率ηも低下するという問題がある。

【0015】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることを可能とする光子発生装置及び光子発生方法を提案することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0016】

光子発生装置の一態様は、単一の光子を発生する量子ドットを備えた量子ドット部と、前記量子ドット部に電圧を印加するための少なくとも一対以上の電極と、励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる励起光発生部と、前記電極に逆バイアスの電圧パルスを印加する第１の電圧源と、前記励起光発生部と前記第１の電圧源とを、前記励起光パルスの照射と前記電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる同期動作部とを含み、前記同期動作部は、前記励起光パルスの照射により単一の光子が発生した後、次の前記励起光パルスの照射の前に、前記電圧パルスの印加を行うように、前記励起光発生部及び前記第１の電圧源を動作させる。

【0017】

光子発生方法の一態様は、量子ドットから単一の光子を発生させる光子発生方法であって、励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第１のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第２のステップとを交互に繰り返し行い、前記励起光パルスの照射により単一の光子が発生した後、次の前記励起光パルスの照射の前に、前記電圧パルスの印加を行う。

【0018】

制御プログラムの一態様は、量子ドットから単一の光子を発生させるための制御プログラムであって、励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第１のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第２のステップとを交互に繰り返し行い、前記励起光パルスの照射により単一の光子が発生した後、次の前記励起光パルスの照射の前に、前記電圧パルスの印加を行う手順をコンピュータに実行させるものである。

【発明の効果】

【0019】

上記の諸態様によれば、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。

【図2】第１の実施形態における量子ドット部の具体的構成を示す断面図である。

【図3】逆バイアス印加によるキャリア引き抜き（初期化）を示す図である。

【図4】第１の実施形態による光子発生方法の操作シーケンスを示す図である。

【図5】第１の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。

【図6】第２の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。

【図7】第２の実施形態における量子ドット部の具体的構成の一例を示す断面図である。

【図8】第２の実施形態における量子ドット部の具体的構成の他例を示す断面図である。

【図9】第２の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。

【図10】準共鳴励起による単一光子の発生を説明するための図である。

【図11】スピンフリップにより、dark励起子が生成される旨を説明するための図である。

【図12】ブリンキング現象により、オン状態及びオフ状態が発生する旨を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、光子発生装置及び発生方法の具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0022】

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。
この単一光子発生装置は、量子ドット部１、励起光パルス発生部２、交流（ＡＣ）電圧部３、同期回路４、光学フィルター部５、統括制御部１０を備えて構成されている。

【0023】

量子ドット部１は、単一光子を発生する量子ドット１ａを有しており、量子ドットに電圧を印加するための一対の電極１Ａ，１Ｂを備えて構成される。なお、図１では、量子ドット部１の構成を模式化して描写しており、以下に示すように、その具体的な構成とは若干異なる。

【0024】

励起光パルス発生部２は、励起光パルスのエネルギーを量子ドット１ａ内の励起子準位と共鳴するように調整して、励起光パルスＥ_Pを発生するものである。発生した励起光パルスＥ_Pは量子ドット１ａを照射する。
ＡＣ電圧部３は、第１の電圧源として、ＡＣ電圧を量子ドット部１の電極１Ａ，１Ｂに印加するための電源である。ＡＣ電圧部３からの電圧パルスが電極１Ａ，１Ｂに印加される。

【0025】

同期回路４は、励起光パルス発生部２による励起光パルスＥ_Pの照射とＡＣ電圧部３によるＡＣ電圧の印加とのタイミングを制御する回路であり、励起光パルスの照射と電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる。
光学フィルター部５は、励起光パルスＥ_Pの照射により量子ドット１ａで発生した光子が入射し、所定波長のもののみを選択して余剰のバックグラウンド発光を除去して透過されるものである。光学フィルター部５を透過した光子は、単一光子Ｅ_Xとして出力される。

【0026】

統括制御部１０は、励起光パルス発生部２による励起光パルスＥ_Pの発生、ＡＣ電圧部３によるＡＣ電圧の印加、及び同期回路４による励起光パルスＥ_Pの発生及びＡＣ電圧の印加のタイミング制御を統括して実行するものである。統括制御部１０は、例えばコンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）等により実現される。

【0027】

本実施形態においては、量子ドット部１は、具体的には図２に示す構成を採る。
本実施形態の量子ドット部１は、ＩｎＰで形成されたｐ−ｉ−ｎ構造のｉ層部分に光子発生部としてＩｎＡｓ量子ドットを配置したものである。ｐ層及びｎ層のドープ量は、単一光子発生装置として動作させる際に必須となる１０Ｋ（−２６３℃）程度の低温下でも活性化されたキャリア密度を得るために、それぞれ１×１０¹⁸／ｃｍ³以上、５×１０¹⁷／ｃｍ³以上とする。量子ドットの上側のｐ層は、外部からの照射された励起光パルスが透過するとき、及び量子ドットで発生した光子が透過して外部に取り出されるときに発生するフリーキャリア吸収の効果を抑制するために薄くする必要がある。その一方で、低温下でも電気的なコンタクトを実現する程度の厚みが必要である。これら両者を満足し得る典型的な厚みとして１００ｎｍ以上とする。量子ドットを含むｉ層の厚みについては、量子ドット内のキャリアを電場によって引き抜くことを考えると、あまり厚くすることはできない。現実的な印加電圧（−３Ｖ程度以下）で量子ドットからのキャリア引き抜きを実現するためには、電場強度が１００ｋＶ／ｃｍ以上は必要と考えられるので、ｉ層の厚みは１６０ｎｍ以下程度であれば良い。ｎ層に関しては厚みに対する制約は少なく、２００ｎｍ程度以上あれば良い。

【0028】

詳細には、厚み５００μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板１１（ドープ量：５×１０¹⁷／ｃｍ³程度）上に、厚み２００ｎｍ程度のｎ−ＩｎＰバッファ層１２（ドープ量：５×１０¹⁷／ｃｍ³程度）を成長する。続いて、厚み１００ｎｍ程度のｉ−ＩｎＰ層１３、ＩｎＡｓ量子ドット１４ａを含むＩｎＡｓ量子ドット層１４、厚み１５０ｎｍ程度のｉ−ＩｎＰ層１５を成長し、最上面に厚み３００ｎｍ程度のｐ−ＩｎＰ層１６（ドープ量：１×１０¹⁸／ｃｍ³程度）を成長する。単一光子を発生する量子ドット１４ａを含むｐ−ｉ−ｎ接合の一部を、幅Ｗが５００ｎｍ程度のメサ型構造に加工する、電極対である電極１Ａ，１Ｂとして、ｎ−ＩｎＰ基板１１上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側コンタクト電極１７、ｐ−ＩｎＰ層１６上にＡｕ／Ｚｎ／Ａｕからなるｐ側コンタクト電極１８を形成する。

【0029】

本実施形態による光子発生方法では、図３に示すように、上述したブリンキング現象を抑制すべく、単一光子を発生させる１つの励起光パルスの照射間に、量子ドットに逆バイアスのＡＣ電圧を印加する。図３では、上部が電子の準位を、後部が正孔の準位をそれぞれ示す。逆バイアスのＡＣ電圧を印加することにより、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、逆バイアスの印加電場により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。一方、量子ドットの内部にdark励起子が発生していない場合には、逆バイアスの印加電場は量子ドットに対して特に影響を与えない。このように本実施形態では、１つの励起光パルスの照射間に常に逆バイアスの電圧パルスを印加する（励起光パルスの照射と逆バイアスの電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行う）構成を採る。１つの励起光パルスの照射間にdark励起子の発生の有無を確認するには単一光子を検出しなければならず、単一光子の出力ができなくなる。本実施形態では、上記の構成を採ることにより、特殊な装置等を付加することなくdark励起子の除去及び単一光子の出力を確実に行うことができる。

【0030】

以下、本実施形態による光子発生方法について説明する。図４は、第１の実施形態による光子発生方法の操作シーケンスを示す図である。図５は、第１の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。

【0031】

励起光パルスは、図５に示すように、繰り返しレート（周期）Ｔで発生する。先ず、時刻ｔ₀＝０に、励起光パルス発生部２は、励起光パルスを発生して量子ドットを照射する（ステップＳ１）。量子ドットは、励起光パルスの照射により単一光子を発生する。このとき、ＡＣ電圧部３は待機状態（Ｖ＝０（Ｖ））とされる（ステップＳ２）。ＡＣ電圧部３の待機状態は、励起光パルスの発生時を含む時刻ｔ_-1（ｔ_sta）から時刻ｔ₁まで継続する。この継続時間をｔ_opeとする。時刻ｔ_-1から時刻ｔ₀までの時間は、後述するＡＣ電圧の安定化時間となる。

【0032】

時刻ｔ₁になると、ＡＣ電圧部３は逆バイアスの電圧パルス（Ｖ_ini＝Ｖ_AC）を発生し、その電圧パルスが量子ドットに印加される（ステップＳ３）。このとき、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される（ステップＳ４）。電圧パルスの印加は、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂まで継続する。この間の時間を印加時間ｔ_iniとする。

【0033】

時刻ｔ₂になると、ＡＣ電圧部３は電圧パルスの発生を解除する（ステップＳ５）。ＡＣ電圧部３は、電圧パルスの安定化時間だけ待機する（ステップＳ６）。
以上のステップＳ１〜Ｓ６で１つの光子の発生が完了し、ステップＳ１〜Ｓ６が繰り返し実行される。

【0034】

逆バイアスを印加するタイミングである時刻ｔ₁（ｔ_ope−ｔ_sta）は、図５のように、励起光照射後の時間が量子ドット中の中性励起子Ｘ⁰の発光再結合時間(約１ｎｓ)の数倍程度以上となれば良く、典型値としては９ｎｓであれば良い、また、電圧パルスの印加時間ｔ_iniは、電子及び正孔のトンネル時間（印加電圧に依存するが、キャリア引き抜きで使用する際には０．１ｎｓ程度）と比較して十分大きければ良く、典型値としては０．８ｎｓ程度以上であれば十分と考えられる。なお、繰り返しレートＴは、中性励起子Ｘ⁰の発光再結合時間より十分大きい値であることが必要であり、ここでは一例として１０ｎｓとした。

【0035】

本実施形態では、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電圧パルスの印加により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。この構成により、励起光パルスを照射するタイミングでは、常に量子ドットのオン状態が実現する。その結果、光取出し効率＜η_cap＞が向上する。即ち、電場を印加せずにブリンキング現象が発生したｎｍ愛のオン状態とオフ状態の減衰時定数をτ_on，τ_offとすると、光取出し効率＜η_cap＞は近似的に時定数の比であるτ_on／（τ_on＋τ_off）となる。本実施形態の構成によってブリンキング現象を抑制すると、光取出し効率＜η_cap＞は略１へと改善される。

【0036】

以上説明したように、本実施形態によれば、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることが可能となる。

【0037】

（第２の実施形態）
次いで、第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態による単一光子発生装置の概略構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態の図１と同じ構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。

【0038】

本実施形態の単一光子発生装置は、第１の実施形態と同様に、量子ドット部１、励起光パルス発生部２、交流（ＡＣ）電圧部３、同期回路４、光学フィルター部５、ＤＣバイアス重畳部６、統括制御部１０を備えている。更に、この単一光子発生装置は、第１の電圧源であるＡＣ電圧部３に加え、第２の電圧源として、量子ドット１ａに直流（ＤＣ）電圧を印加するＤＣ電圧部２１を備えている。

【0039】

ＤＣ電圧部２１は、ＤＣ電圧を、量子ドット１ａの励起光吸収時及び光子発生時に量子ドット部１の電極１Ａ，１Ｂに印加するための電源である。ＤＣ電圧部２１は、ＤＣバイアス重畳部６を介して主に順バイアスのＤＣ電圧を電極１Ａ，１Ｂに印加する。

【0040】

本実施形態においては、量子ドット部１は、具体的には図７又は図８に示す構成を採る。
図７の量子ドット部１は、ｉ−ＧａＡｓ内に光子発生部としてＩｎＡｓ量子ドットを配置したものである。量子ドットを含むｉ層を幅Ｗが５００ｎｍ程度のメサ構造に加工し、メサ構造を挟むように一対の電極を形成する。本実施形態で必須となる電場印加による余剰な励起子の引き抜きは、これらの電極対の間に電圧パルスを印加することで実現される。電圧パルスの電圧値を５Ｖとした際には、量子ドットへ印加される電場が１００ｋＶ／ｃｍ程度となり、量子ドット内のキャリアを引き抜くのに十分な電場強度となる。

【0041】

詳細には、厚み５００μｍ程度のｉ−ＧａＡｓ基板２２上に、厚み２００ｎｍ程度のｉ−ＧａＡｓバッファ層２３を成長する。続いて、厚み１００ｎｍ程度のｉ−ＧａＡｓ層２４、ＩｎＡｓ量子ドット２５ａを含むＩｎＡｓ量子ドット層２５、厚み１００ｎｍ程度のｉ−ＧａＡｓ層２６を成長し、単一光子を発生する量子ドット２５ａを含むｉ層の一部を、幅Ｗが５００ｎｍ程度のメサ型構造に加工する。メサ型構造の両側に電極対である電極１Ａ，１Ｂである電場印加用電極２７，２８を形成する。

【0042】

図７の量子ドット部１は、ＧａＡｓで形成されたｎ−ｉ構造のｉ層部分に光子発生部としてＩｎＡｓ量子ドットを配置したものである。裏面にｎ側コンタクト電極を配置し、ｉ層上にｉ側ショットキー電極を配置する。ショットキー電極には、直径５００ｎｍ程度の微細開口部があり、開口部を通して励起光パルスを照射し、量子ドットへの準共鳴励起を実現する。両電極間への電圧印加により、ｉ層に電場を印加可能な構造とする。ｎ層のドープ量は、単一光子発生装置として動作させる際に必須となる１０Ｋ（−２６３℃）程度の低温下でも活性化されたキャリア密度を得るために、５×１０¹⁷／ｃｍ³以上とする。量子ドット部を含むｉ層の厚みについては、量子ドット内のキャリアを電場によって引き抜くことを考えると、あまり厚くすることはできない。現実的な印加電圧（−３Ｖ程度以下）で量子ドットからのキャリア引き抜きを実現するためには、電場強度が１００ｋＶ／ｃｍ以上は必要であると考えられるので、ｉ層の厚みは３５０ｎｍ以下程度であれば良い。ｎ層に関しては厚みに対する制約は少なく、２００ｎｍ程度以上あれば良く、図７のように、基板全体もｎドープされた構造を用いて電極を形成することも可能である。

【0043】

詳細には、ｎ−ＧａＡｓ基板３１（ドープ量：５×１０¹⁷／ｃｍ³程度）上に、厚み２００ｎｍ程度のｎ−ＧａＡｓバッファ層３２（ドープ量：５×１０¹⁷／ｃｍ³程度）を成長する。続いて、厚み１００ｎｍ程度のｉ−ＧａＡｓ層３３、ＩｎＡｓ量子ドット３４ａを含むＩｎＡｓ量子ドット層３４、厚み１００ｎｍ程度のｉ−ＧａＡｓ層３５を成長する。電極対である電極１Ａ，１Ｂとして、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の裏面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ側コンタクト電極３６、ｉ−ＧａＡｓ層３５の表面にＴｉ／Ａｌ／Ａｕからなるｉ側ショットキー電極３７を形成する。ｉ側ショットキー電極３７に直径Ｄが５００ｎｍ程度の微小な開口３７ａを形成する。励起光パルスは、開口３７ａを通してＩｎＡｓ量子ドット３４ａに照射される。

【0044】

本実施形態による光子発生方法では、上述したブリンキング現象を抑制すべく、単一光子を発生させる１つの励起光パルスの照射間に、量子ドットに逆バイアスのＡＣ電圧を印加する。これにより、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、逆バイアスの印加電場により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。一方、量子ドットの内部にdark励起子が発生していない場合には、逆バイアスの印加電場は量子ドットに対して特に影響を与えない。このように本実施形態では、１つの励起光パルスの照射間に常に逆バイアスの電圧パルスを印加する（励起光パルスの照射と逆バイアスの電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行う）構成を採る。１つの励起光パルスの照射間にdark励起子の発生の有無を確認するには単一光子を検出しなければならず、単一光子の出力ができなくなる。本実施形態では、上記の構成を採ることにより、特殊な装置等を付加することなくdark励起子の除去及び単一光子の出力を確実に行うことができる。

【0045】

以下、本実施形態による光子発生方法について説明する。図９は、第２の実施形態における励起光パルス及び電圧パルスのタイミングを示す図である。
本実施形態では、第１の実施形態の図４と同様の操作シーケンスを行う。

【0046】

本実施形態では、図９に示すように、ＤＣ電圧部２１は、操作シーケンスの全域において、量子ドットに順バイアスのＤＣ電圧（Ｖ_DC）を重畳印加する。
励起光パルスは、図９に示すように、繰り返しレート（周期）Ｔで発生する。先ず、時刻ｔ₀＝０に、励起光パルス発生部２は、励起光パルスを発生して量子ドットを照射する（ステップＳ１）。量子ドットは、励起光パルスの照射により単一光子を発生する。このとき、ＡＣ電圧部３は待機状態（Ｖ＝０（Ｖ））とされる（ステップＳ２）。ＡＣ電圧部３の待機状態は、励起光パルスの発生時を含む時刻ｔ_-1（ｔ_sta）から時刻ｔ₁まで継続する。この継続時間をｔ_opeとする。時刻ｔ_-1から時刻ｔ₀までの時間は、後述するＡＣ電圧の安定化時間となる。

【0047】

時刻ｔ₁になると、ＡＣ電圧部３は逆バイアスの電圧パルス（Ｖ_AC）を発生し、Ｖ_DCが重畳されてＶ_ini（＝Ｖ_AC＋Ｖ_DC）となって量子ドットに印加される（ステップＳ３）。このとき、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される（ステップＳ４）。電圧パルスの印加は、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂まで継続する。この間の時間を印加時間ｔ_iniとする。

【0048】

時刻ｔ₂になると、ＡＣ電圧部３は電圧パルスの発生を解除する（ステップＳ５）。ＡＣ電圧部３は、電圧パルスの安定化時間だけ待機する（ステップＳ６）。
以上のステップＳ１〜Ｓ６で１つの光子の発生が完了し、ステップＳ１〜Ｓ６が繰り返し実行される。

【0049】

本実施形態では、量子ドットの内部にdark励起子が残存している場合には、電圧パルスの印加により電子及び正孔が引き抜かれてdark励起子が除去される。この構成により、励起光パルスを照射するタイミングでは、常に量子ドットのオン状態が実現する。その結果、光取出し効率＜η_cap＞が向上する。即ち、電場を印加せずにブリンキング現象が発生したｎｍ愛のオン状態とオフ状態の減衰時定数をτ_on，τ_offとすると、光取出し効率＜η_cap＞は近似的に時定数の比であるτ_on／（τ_on＋τ_off）となる。本実施形態の構成によってブリンキング現象を抑制すると、光取出し効率＜η_cap＞は略１へと改善される。

【0050】

本実施形態におけるｉ−ＧａＡｓ内に形成された量子ドット（ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ）は、その高さが比較的大きい（５ｎｍ程度〜１０ｎｍ程度）。そのため、量子ドット内部に励起子を生成した際に、電子と正孔の波動関数の重心位置が高さ方向でずれ、自発的なダイポールモーメントを生ずる傾向がある。また、このダイポールモーメントは、量子ドットに印加される電場によって変化する。そのため、ｐ−ｉ−ｎ接合のビルトイン電圧も考慮した低いＤＣ電圧を印加する（ここでは一例として＋０．６Ｖとする。）ことにより、量子ドット中のＸ⁰の発光効率の低下を抑える。

【0051】

ビルトイン電圧の一部が順バイアスのＤＣ電圧で打ち消され、量子ドットに印加される実効的な電場を低減することも可能となる。ＤＣ電圧の調整により、光子発生の際の励起子のダイポールモーメントが低減され、電子−正孔の波動関数の重なり積分を増加させることで、内部量子効率η_iqeが改善される効果もある。

【0052】

逆バイアスを印加するタイミングである時刻ｔ₁（ｔ_ope−ｔ_sta）は、図９のように、第１の実施形態と同様に、励起光照射後の時間が量子ドット中の中性励起子Ｘ⁰の発光再結合時間(約１ｎｓ)の数倍程度以上となれば良く、典型値としては９ｎｓであれば良い。また、電圧パルスの印加時間ｔ_iniは、電子及び正孔のトンネル時間（印加電圧に依存するが、キャリア引き抜きで使用する際には０．１ｎｓ程度）と比較して十分大きければ良く、典型値としては０．８ｎｓ程度以上であれば十分と考えられる。なお、繰り返しレートＴは、中性励起子Ｘ⁰の発光再結合時間より十分大きい値であることが必要であり、ここでは一例として１０ｎｓとした。

【0053】

以上説明したように、本実施形態によれば、ブリンキング現象を抑制して単一光子の取出し効率を向上させることが可能となる。

【0054】

（その他の実施形態）
上述した第１及び第２の実施形態による単一光子発生装置の各構成要素（図１，６の統括制御部１０等）の機能は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭ等に記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。同様に、単一光子発生方法の各ステップ（図４のステップＳ１〜Ｓ６等）は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭ等に記憶された制御プログラムが動作することによって実現できる。この制御プログラム及び当該制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本実施形態に含まれる。

【0055】

具体的に、制御プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。制御プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、制御プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワークシステムにおける通信媒体を用いることができる。ここで、コンピュータネットワークとは、ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等であり、通信媒体とは、光ファイバ等の有線回線や無線回線等である。

【0056】

また、本実施形態に含まれる制御プログラムとしては、供給された制御プログラムをコンピュータが実行することにより本実施形態の機能が実現されるようなもののみではない。例えば、その制御プログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して本実施形態の機能が実現される場合にも、かかる制御プログラムは本実施形態に含まれる。また、供給された制御プログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて本実施形態の機能が実現される場合にも、かかる制御プログラムは本実施形態に含まれる。

【0057】

コンピュータとしては、通常のパーソナルユーザ端末装置を用いることができる。通常のパーソナルユーザ端末装置を用いる代わりに、単一光子発生装置に特化された所定の計算機等を用いても良い。

【0058】

以下、光子発生装置及び発生方法、並びに制御プログラムの諸態様について、付記としてまとめて記載する。

【0059】

（付記１）単一の光子を発生する量子ドットを備えた量子ドット部と、
前記量子ドット部に電圧を印加するための少なくとも一対以上の電極と、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、量子ドットから単一の光子を発生させる励起光発生部と、
前記電極に逆バイアスの電圧パルスを印加する第１の電圧源と、
前記励起光発生部と前記第１の電圧源とを、前記励起光パルスの照射と前記電圧パルスの印加とを交互に繰り返し行うように、同期動作させる同期動作部と
を含むことを特徴とする光子発生装置。

【0060】

（付記２）前記光子発生装置に、順バイアスの直流電圧を印加する第２の電圧源を更に含むことを特徴とする付記１に記載の光子発生装置。

【0061】

（付記３）前記量子ドット部は、内部に前記量子ドットが形成されたｉ半導体層を備えており、
前記ｉ半導体層の両側面を挟むように一対の前記電極が配置されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光子発生装置。

【0062】

（付記４）前記量子ドット部は、ｐ半導体層又はｎ半導体層と、前記ｐ半導体層上又は前記ｎ半導体層上に形成されたｉ半導体層とを備えており、前記ｉ半導体層内に前記量子ドットが形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光子発生装置。

【0063】

（付記５）前記量子ドット部は、ｐ半導体層及びｎ半導体層と、前記ｐ半導体層と前記ｎ半導体層とに挟持されたｉ半導体層とを備えており、前記ｉ半導体層内に前記量子ドットが形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光子発生装置。

【0064】

（付記６）量子ドットから単一の光子を発生させる光子発生方法であって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第１のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第２のステップとを交互に繰り返し行うことを特徴とする光子発生方法。

【0065】

（付記７）前記第１のステップ及び前記第２のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加することを特徴とする付記６に記載の光子発生方法。

【0066】

（付記８）量子ドットから単一の光子を発生させるための制御プログラムであって、
励起光パルスのエネルギーを前記量子ドット内の励起子準位と共鳴するように調整して、前記励起光パルスを発生して前記量子ドットに照射し、前記量子ドットから単一の光子を発生させる第１のステップと、前記量子ドットに逆バイアスの電圧パルスを印加する第２のステップとを交互に繰り返し行う第２のステップとを交互に繰り返し行う手順をコンピュータに実行させることを特徴とする制御プログラム。

【0067】

（付記９）前記第１のステップ及び前記第２のステップを繰り返し行うシーケンスの全域において、前記量子ドットに順バイアスの直流電圧を重畳印加する手順をコンピュータに実行させることを特徴とする付記８に記載の制御プログラム。

【符号の説明】

【0068】

１ 量子ドット部
１ａ 量子ドット
１Ａ，１Ｂ 電極
２ 励起光パルス発生部
３ ＡＣ電圧部
４ 同期回路
５ 光学フィルター部
６ ＤＣバイアス重畳部
１０ 統括制御部
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１３，１５，１６ ｉ−ＩｎＰ層
１４，２５，３４ ＩｎＡｓ量子ドット層
１４ａ，２５ａ，３４ａ ＩｎＡｓ量子ドット
１７，３６ ｎ側コンタクト電極
１８ ｐ側コンタクト電極
２１ ＤＣ電圧部
２２ ｉ−ＧａＡｓ基板
２３ ｉ−ＧａＡｓバッファ層
２４，２６ ｉ−ＧａＡｓ層
２７，２８ 電場印加用電極
３１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３３，３５ ｉ−ＧａＡｓ層
３７ ｉ側ショットキー電極
３７ａ 開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】