JP2001168353A

JP2001168353A - 光素子

Info

Publication number: JP2001168353A
Application number: JP2000291782A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Tanamoto; 本哲史棚; Koichi Ichimura; 村厚一市
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】光などの電磁波の信号を効率よく電気信号に
変換することができる光素子を提供することを目的とす
る。【解決手段】結合量子ドットやＥＩＴ層を用いて３準
位系を半導体基板上に絶縁膜を介して形成する。この系
は、多くの電子がコヒーレントに同じ状態をとるため、
素子全体に渡って、外部から入力してきた微弱な信号を
有効に吸収することが可能となる。電子を量子準位｜１
＞もしくは｜２＞に分布させたときこの系は電気双極子
を形成することになる。この電気双極子の状態により基
板との電気キャパシタンスなどが変化し、基板を流れる
電流値を変えることになる。しかも３準位系が分子ある
いは量子ドットにまたがってコヒーレントに同じ状態を
取るために、基板を流れる電流は効率よく検知される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光素子に関し、よ
り詳細には、３つのエネルギ準位を介した電子状態の独
特の遷移を利用して、光などの電磁波を電気信号に変換
可能とした光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】量子井戸（quantum well）中に形成され
る量子準位を利用すると新規な光素子を実現することが
できる。

【０００３】図１７は、量子井戸に基底状態と励起状態
が形成されたようすを表す概念図である。すなわち、同
図（ａ）に表したように、電場を印加しない状態におい
て、量子井戸中には基底状態｜１＞と励起状態｜２＞と
が形成され、電子はいずれかの状態をとることができ
る。

【０００４】このような量子井戸に対して、外から入射
する光のエネルギが基底状態と励起状態のエネルギ差に
対応するものであれば、電子は基底状態｜１＞から励起
状態｜２＞に遷移することができる。しかも、同図
（ｂ）に例示したように、このエネルギ差は量子井戸に
電場を印加することにより調整できる。このような量子
井戸を利用した光素子は、A.Barenco らにより開示され
ている（A.Barenco et al,Phys.Rev.Lett. Vol.74,p408
3(1994)）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の如く量
子井戸内の２つの状態を利用する場合には、励起状態に
ある電子は容易に光を放出して、基底状態に落ちてしま
う可能性がある。このために、電子の分布を特に励起状
態にあるとき長期に渡って保持することが困難であっ
た。

【０００６】また、前述した光素子の場合には、電子分
布の信号出力を光として放出させるため、電子素子との
結合が困難であった。

【０００７】これに対して、３準位系を利用した光素子
が、A.Imamogleらにより提案されている（A.Imamogle a
nd R.J.Ram,Opt,Lett. Vol.19,1744(1994)）。

【０００８】図１８は、３準位系光素子の構成を表す概
念図である。すなわち、ソース１１３とドレイン１１４
との間には、サイズが小さい量子井戸Ｗ１とサイズが大
きい量子井戸Ｗ２が設けられいる。量子井戸Ｗ１には、
基底状態の量子準位｜２＞が形成され、量子井戸Ｗ２に
は基底状態の量子準位｜１＞と励起状態の｜３＞が形成
されている。

【０００９】このような３準位系光素子においては、量
子準位｜２＞と｜３＞とが井戸間を越えて結合する状態
を利用することにより、電子を基底状態｜１＞か基底状
態｜２＞のいずれかの準位に分布させることができる。
しかし、この従来例においては、電子はドレイン側に定
常的に流れることになり、消費電力の観点から好ましく
ない。

【００１０】一方、３準位を有する材料系を高い反射率
を有する表面を持つキャビティの中に閉じ込めることに
より、量子計算機として機能させる方法が提案されてい
る（T.Pellizzari et al.,Phys. Rev. Lett. Vol. 75,
p3788 (1995)）。３準位系において、基底状態と第１励
起状態、あるいは基底状態と第２励起状態間に対応する
波長の光をキャビティの中に閉じ込めることにより、材
料間の界面で、光などの電磁波が反射して、特定の周波
数と波長をもった定在波のみが存在できるようになる。
これを利用して、上記の３準位系の電子状態を電磁場的
に結合させることができるのである。この定在波は「キ
ャビティモード（cavity mode）」と称される。そし
て、このキャビティモードを用いた３準位系の量子計算
機を半導体量子ドットを用いて、実現しようとする提案
がなされている（M. S. Sherwin etal, Phys. Rev. A,
Vol. 60, p3508(1999), A. Imamoglu et a1. ,Phys. Re
v.Lett. Vol. 83, p4204(1999)）。

【００１１】図１９は、この提案の原理を表す概念図で
ある。すなわち、所定の基体２００の上に量子ドット２
１０が設けられ、物性が異なる材料を用いた埋め込み層
２２０により適宜埋め込まれている。このような量子ド
ットの内部で電子的な遷移が生ずると光などの電磁波が
放出される。この提案においては、この電磁波をプロー
ブ２３０により検出する。プローブ２３０としては、例
えば先端に集光手段を有する光ファイバなどを用いるこ
とができる。検出された電磁波の波長（ωa、ωb・・・
など）に応じて遷移状態を判定することができる。

【００１２】しかし、この量子計算機においては、以下
の点で問題があった。

【００１３】まず第１に、量子計算の結果の読み出し
は、量子ドット系から放出される光などの電磁波を利用
しているために、その信号の検出効率が悪い。

【００１４】また第２に、量子ドット１つ１つの読み込
みと読み出しの電極を形成する必要があるため、近接場
光を利用するなどの技術が必要であり、生産技術の観点
から実現が困難な構造である上に、計算エラーや読み取
りエラーも引き起こしやすいうという問題もあった。

【００１５】本発明は、上述した課題の認識に基づいて
なされたものであり、その目的は、光などの電磁波の信
号を効率よく電気信号に変換することができる光素子を
提供することにある。

【００１６】また、本発明のもうひとつの目的は、量子
ドットからの微弱な信号を効果的に通常の電子デバイス
に伝送することが可能で、現在の微細加工技術で製造が
可能な量子計算機を実現する光素子を提供することにあ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光素子は、半導体基板と、前記半導体基板
上に設けられた高抵抗層と、前記高抵抗層の上に設けら
れエネルギ準位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γと
を少なくとも有する検出部と、を備え、前記エネルギ準
位αから前記エネルギ準位βへの遷移に対応するエネル
ギを有する第１の電磁波と前記エネルギ準位γから前記
エネルギ準位βへの遷移に対応するエネルギを有する第
２の電磁波とが前記検出部に照射されることによる前記
検出部における電子状態の変化を前記高抵抗層の下部に
おいて前記半導体基板に流れる電流の変化として検出可
能としたことを特徴とする。

【００１８】ここで、「高抵抗層」とは、いわゆる絶縁
体を含む概念である。

【００１９】ここで、前記検出部は、複数の結合量子ド
ットを有し、前記複数の結合量子ドットのそれぞれは、
前記エネルギ準位αが形成された第１の量子ドットと、
前記エネルギ準位γが形成された第２の量子ドットと
が、電荷がトンネリング可能な障壁によって隔てられた
ものとして構成することができる。

【００２０】さらに、前記第１の量子ドットと前記第２
の量子ドットとは、電子が閉じこめられる空間の体積が
異なるものとすることができる。

【００２１】または、前記検出部は、電磁波誘起透明化
現象を生ずる材料からなるものとすることができる。

【００２２】または、前記検出部は、複数の量子ドット
を有し、前記複数の量子ドットのそれぞれは、第１の物
質からなる量子ドットの中に前記第１の物質とは異なる
第２及び第３の物質をそれぞれ含有することにより前記
前記エネルギ準位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γ
とを有するものとすることもできる。

【００２３】一方、本発明の光素子は、前記エネルギ準
位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γとを少なくとも
有する前記検出部に対して電界を印加することにより前
記エネルギ準位α、β及びγの相対的な関係を変化させ
る電極をさらに備えたものとすることもできる。

【００２４】また、前記エネルギ準位αとエネルギ準位
βとエネルギ準位γとを少なくとも有する前記検出部の
周囲の少なくとも一部において屈折率の差が生ずるよう
に異なる材料が設けられたものとすることもできる。

【００２５】本願明細書において「量子ドット」とは、
荷電粒子を一定の空間に閉じこめることによって量子的
なサイズ効果によるエネルギの離散準位を出現させた微
小材料体のことをいう。その形状は、略球状、半球状、
直方体状、ピラミッド状、その他の多面体状あるいは不
定形状など各種のものを挙げることができる。

【００２６】また、「結合量子ドット」とは、近接して
配置された２以上の量子ドットの組み合わせであって、
これらの量子ドット間でエネルギ準位のカップリングが
生じているものをいう。従って、結合量子ドットにおい
ては、量子ドットの間で電子の遷移が生じうる。

【００２７】以上説明した各構成においては、３準位以
上の量子状態における電子の分布の性質を利用して、光
もしくは電磁波として入力した光の信号を電子の電流変
化として変換することができる。

【００２８】図４に関して後に詳述するように、３準位
系において光Ａと光Ｂの強度を調整することにより電子
を｜１＞か｜２＞に自由に分布させることができ、さら
にこの｜１＞と｜２＞の電子の状態は｜３＞以上の電子
のエネルギー準位の「ばらつき」の影響を受けないとい
う特性を持っている。

【００２９】この３準位系の状態は、多くの電子がコヒ
ーレントに同じ状態をとるため、素子全体に渡って、外
部から入力してきた微弱な信号を有効に吸収することが
可能となる。電子を量子準位｜１＞もしくは｜２＞に分
布させたときこの系は電気双極子を形成することにな
る。

【００３０】このような３準位系を半導体基板上に絶縁
膜もしくは抵抗の高い物質を介して形成すると、この電
気双極子の状態に応じて基板との電気キャパシタンスな
どが変化し、基板を流れる電流値を変えることができ
る。しかも、上述したように、３準位系が分子あるいは
量子ドットにまたがってコヒーレントに同じ状態を取る
ために、基板を流れる電流は効率よく検知することがで
きる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。

【００３２】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態として、「結合量子ドット」を利用し受光
素子として機能する光素子について説明する。

【００３３】図１は、本発明の第１の実施の形態にかか
る光素子の構成を概念的に表す斜視図である。すなわ
ち、本発明の受光素子１０Ａは、シリコン（Ｓｉ）など
の基板１１上に形成され、ソース部１３とドレイン部１
４とこれらの間に設けられたチャネル部１５とを有す
る。

【００３４】チャネル部１５の上には、「高抵抗層」と
しての絶縁膜１６が設けられ、この上に結合量子ドット
１８が形成されている。

【００３５】図２は、結合量子ドット１８を平面的に眺
めた概念図である。すなわち、結合量子ドット１８は、
大きい量子ドット１８Ａと小さい量子ドット１８Ｂとが
結合した量子ドットである。絶縁膜１６の上には、この
ような量子ドット対が多数形成されている。

【００３６】大きい量子ドット１８Ａと小さい量子ドッ
ト１８Ｂとを近接して設置することにより、３準位系を
構成することができる。

【００３７】図３は、結合量子ドット１８により形成さ
れる３準位系を表す概念図である。すなわち、量子効果
によって、同図（ａ）に表したように大きい量子ドット
１８Ａにはエネルギ準位｜１＞とエネルギ準位｜３＞と
が形成され、小さい量子ドットにはエネルギ準位｜２＞
が形成される。エネルギ準位｜１＞は、エネルギ準位｜
２＞よりもエネルギ的に低い。これは、大きい量子ドッ
ト１８Ａの基底離散準位は小さい量子ドット１８Ｂの基
底離散準位に比べて小さいからである。

【００３８】そして、同図（ｂ）に表したように、大き
い量子ドット１８Ａと小さい量子ドット１８Ｂとが近接
して配置されている場合には、これらの準位に存在する
波動関数がしみだして、量子井戸間で結合する。その結
果として、量子井戸を越えた電子の遷移が生ずる。

【００３９】図４は、この遷移を概念的に表す説明図で
ある。すなわち、同図に例示したように、結合量子ドッ
ト１８においては、大きい量子ドットに形成される励起
準位｜３＞が小さい量子ドット１８Ｂに結合して３準位
系を構成している。

【００４０】このような３準位系において、エネルギ準
位｜２＞とエネルギ準位｜３＞とのエネルギ差に相当す
るエネルギ（すなわち波長）を有する光Ａと、エネルギ
準位｜１＞とエネルギ準位｜３＞とのエネルギ差に相当
するエネルギ（すなわち波長）を有する光Ｂとが入射す
ると、光Ａと光Ｂによる遷移過程の干渉効果により、電
子は状態｜３＞に分布する必要がなく｜１＞と｜２＞の
２つの状態の間を遷移させることができる。

【００４１】その結果として、このような３準位系にお
いては、光Ａと光Ｂの強度を調整することにより、電子
を基底準位｜１＞と第１励起準位｜２＞に自由に分布さ
せることができる。さらに、これらの基底準位｜１＞と
第１励起準位｜２＞の電子の状態は結合励起準位｜３＞
あるいはそれよりも高い電子エネルギー準位のばらつき
の影響を受けないという特徴を有する。このメカニズム
に関しては、本発明者らが開示した文献に詳細が報告さ
れている（K.Ichimura et al.Phys.Rev. A58,4116 (199
8), K.Yamamoto et al.,Phys.Rev. A58,P2460 (1998)
）。

【００４２】この３準位系においては、多くの電子がコ
ヒーレントに同じ状態をとるため、素子全体に渡って、
外部から入力してきた微弱な信号を有効に吸収すること
が可能となる。電子を量子準位｜１＞もしくは｜２＞に
分布させたとき、この３準位系は電気双極子を形成する
ことになる。したがって、この３準位系すなわち結合量
子ドット１８を半導体基板上に絶縁膜１６を介して形成
すると、この電気双極子の状態によって基板１１との電
気キャパシタンスなどが変化し、基板を流れる電流値を
変えることができる。しかも上に述べたように、３準位
系が量子ドットにまたがってコヒーレントに同じ状態を
取るために、基板を流れる電流は効率よく検知されるこ
とになる。

【００４３】図１に例示した具体例について説明する
と、光Ａを照射することによって電子が基底準位｜１＞
に遷移するということは、電子が大きい量子ドット１８
Ａに局在することである。従って、基板１１との間に形
成されるキャパシタンスは大きくなる。これに対して、
光Ｂを照射すると、電子は第１励起準位｜２＞すなわち
小さい量子ドットに局在し、その結果として、基板１１
との間に形成されるキャパシタンスは小さくなる。

【００４４】このように基板１１のチャネル部１５に形
成されるキャパシタンスが変化する結果として、ソース
部１３とドレイン部１４との間を流れる電流が変化す
る。つまり、照射される光Ａと光Ｂの強度成分をチャネ
ル電流の変化として検出することができる。具体的に
は、例えば、図１に例示した素子をノーマリー・オフ型
のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）と
して構成し、ゲート電極を設けることなく、結合量子ド
ット１８に光Ａまたは光Ｂを入射させることによってス
イッチング動作させることが可能である。

【００４５】図１に例示した光素子においては、３準位
系におけるエネルギ準位｜１＞とこれよりもエネルギ的
にわずかに高いエネルギ準位｜２＞の２つの準位に電子
を自由に分布させることが可能となる。この３準位系に
おいては、エネルギ準位｜１＞とエネルギ準位｜２＞が
量子ドット全般に渡って均一に形成してあれば、比較的
ばらつきやすい２つ目以上の励起状態が均一に分布しな
くても量子ドット系全体に渡ってコヒーレンスを保つこ
とが可能となる。

【００４６】本実施形態の光素子１０Ａの作製方法の概
略を説明すると以下の如くである。

【００４７】まず、基板１１の上に熱酸化法によってＳ
ｉＯ₂絶縁膜１６を約８ｎｍの膜厚に形成する。次に、
ソース部１３とドレイン部１４において絶縁膜１６を選
択的にエッチング除去し、不純物を拡散させてソース部
１３とドレイン部１４を形成する。

【００４８】次に、チャネル部１５の上に残された絶縁
膜１６の上にＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapo
r Deposition：減圧化学気相成長）法によりシリコン
（Ｓｉ）からなる直径６ｎｍの量子ドット１８Ａを形成
する。一旦基板１１をＬＰＣＶＤ装置より取り出し、厚
さ１ｎｍ程度の自然酸化膜を量子ドット１８Ａの表面に
形成した後、再びＬＰＣＶＤ法により直径４ｎｍ程度の
シリコンの量子ドット１８Ｂを形成する。このとき、最
初に形成した量子ドット１８Ａとの間隔によって二つの
量子ドット１８Ａ、１８Ｂを電気的に結合させることが
できる。本具体例において量子ドット１８Ａの表面に形
成した膜厚１ｎｍ程度の自然酸化膜は、エネルギ準位｜
３＞における波動関数がトンネリングすることができる
障壁として作用する。従って、自然酸化膜を介して量子
ドット１８Ａと１８Ｂとが隣接すれば、両者は安定して
結合され、前述した３準位系を構成することができる。

【００４９】次に、本実施形態の変型例について説明す
る。図５は、本実施形態の変型例にかかる光素子の断面
構成を表す概念図である。同図については、図１乃至図
４に関して前述した部分と同一の部分には、同一の符号
を付して詳細な説明は省略する。

【００５０】本変型例にかかる光素子１０Ｂは、チャネ
ル部１５の上に形成された結合量子ドット１８のうえに
絶縁膜１９とゲート電極２０が積層された構成を有す
る。さらに、基板１１の裏面側には、バックゲート電極
３０が形成され、バイアス３２を印加可能とされてい
る。

【００５１】上部ゲート電極構造は、結合量子ドット１
８を形成した後に、ＣＶＤ法などによりＳｉＯ₂などか
らなる絶縁膜１９を形成し、その上に、例えば、ＩＴＯ
（indium tin oxide：酸化インジウム錫）、酸化スズ、
酸化インジウムなどを用いた透光性ゲート電極２０を形
成する。

【００５２】このような光素子２０Ｂは、ゲート電極２
０あるいは３０に適宜電圧を印加することにより、結合
量子ドットに局在した電荷に関する情報を検知するため
のチャネル電流量を調整することができる。ここで、チ
ャネル電流を調整するためには、上側のゲート電極２０
または裏面側のゲート電極３０のいずれか一方のみを設
けて適宜バイアスを印加しても良い。

【００５３】なお、図１、図２、図５に表した具体例に
おいては、結合量子ドットとして２つの量子ドットが基
板面内に並べられた構成を例示したが、本発明は、これ
に限定されるものではない。この他にも、例えば、基板
面に対して縦方向に量子ドットが配列され結合している
ものであっても良い。また、３以上の量子ドットが結合
していてそのうちの２つが３準位を形成していても良
い。

【００５４】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態として、電磁波誘起透明化現象（Electric
ally Induced Transparency：ＥＩＴ）を利用した光素
子について説明する。

【００５５】図６は、本実施形態にかかる光素子の断面
構成を表す概念図である。同図については、図１乃至図
５に関して前述した部分と同一の部分には、同一の符号
を付して詳細な説明は省略する。

【００５６】本実施形態の光素子１０Ｃにおいては、チ
ャネル部１５の絶縁膜１６上に、ＥＩＴを生ずる材料か
らなるＥＩＴ層４０が形成されている。ここで、「ＥＩ
Ｔ」とは、図４に例示したしたように、３準位系におい
て光Ａによる遷移課程と光Ｂによる遷移課程との干渉効
果として、電子の遷移が準位｜１＞と｜２＞との間で生
ずる現象である。「ＥＩＴ」の詳細は、本発明者らが開
示した文献（市原、山本、源間：応用物理第６８巻、第
９号、（１９９９）第１０２１頁、市原、山本、源巻：
固体物理第３４巻、第８号（１９９９）第７１５頁）に
記載されている。

【００５７】ＥＩＴが起こる材料としては、希土類イオ
ンのうちで不完全４ｆ殻を有するＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐ
ｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔ
ｍ，Ｙｂなどの元素のイオンを、Ｙ₂ＳｉＯ₅，ＹＡＧ
（Yttrium Aluminrm Garnet），ＹＡｌＯ₃，ＬａＦ₃な
どに埋め込むことより形成される結晶を挙げることがで
きる。

【００５８】このような結晶中においては、図４に例示
した３準位系が形成される。従って、このようなＥＩＴ
層４０をＦＥＴ構造上に設けることによって、第１実施
形態に関して前述したように、結晶内の電荷分布に対し
て変化するＦＥＴ構造のキャパシタンス効果を生じさ
せ、ＥＩＴ層４０内の電子の準位を検知することができ
る。固体ＥＩＴ結晶においては、結晶内のコヒーレンス
が保たれているため、結晶全体に渡って電子はエネルギ
準位｜１＞かエネルギ準位｜２＞のどちらかに分布す
る。従って、一つ一つの双極子のみでは微弱な信号であ
っても、ＥＩＴ層４０全体のチャネル電流に与える変化
として観測することができる。

【００５９】また、本実施形態においても、図５に例示
したようなゲート電極２０あるいは裏面ゲート電極３０
を同様に設けて同様の効果を得ることができる。

【００６０】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態として、結合量子ドットに電場を印加する
ことにより動作波長を可変とした光素子について説明す
る。

【００６１】図７は、本実施形態にかかる光素子を表す
概念図である。すなわち、同図（ａ）は、その平面構
成、同図（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面構成の一部、同図
（ｃ）は、その量子ドットの等価回路をそれぞれ表す概
念図である。

【００６２】本実施形態の光素子１０Ｄは、基板４１の
チャネル部の表面に制御電極４２が所定の間隔で形成さ
れている。そして、基板の上に結合量子ドット４４が形
成され、これを覆うように絶縁層４６が形成され、さら
にその表面に透明ゲート電極４８が積層されている。ま
た、このチャネル部をはさんでその両側に、ソース領域
５３とドレイン領域５４がそれぞれ形成されている。ソ
ース領域５３とドレイン領域５４は、図示したようにそ
れぞれが分割して形成され、配線により共通接続される
ようにしてもよい。

【００６３】基板４１は、導電性領域４１Ａが絶縁埋め
込み層４１Ｂにより埋め込まれた構造を有する。このよ
うな構造は、例えば、ＳＯＩ（silicon on insulator）
ウェーハなどに所定の埋め込み絶縁領域を付加すること
により形成することができる。また、電極４２は、基板
上にＡｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）などを堆積し、
ドライエッチングなどによりパターニングして形成する
ことができる。さらに、結合量子ドット４４は、例え
ば、ＬＰＣＶＤ法等により形成されたＳｉ量子ドットと
することができる。

【００６４】本実施形態においては、複数の制御電極４
２の間に電圧を与えることにより、結合量子ドット４４
に電場を印加することができる。すなわち、量子ドット
４４の形成領域ををいくつかの部分に分割し、これらの
分割領域の間に制御電極４２を形成することにより、量
子ドット４４のポテンシャルプロフィールをこれらの電
極４２間にかかる電場で変化させることができる。

【００６５】図８は、電場の印加による結合量子ドット
のポテンシャルの変化を表す概念図である。同図（ａ）
に表したように電場を印加しない状態に比べて、同図
（ｂ）に表したように結合量子ドットに電場を印加する
と、その強度に応じて量子ドット間のポテンシャルが変
化する。同図においては、状態｜２＞と｜３＞のエネル
ギー間隔が電場の印加によって変わることを例示した。
この場合、電場の印加方向と、結合量子ドット４４Ａ、
４４Ｂの配列の方向とが合致する必要がある。すなわ
ち、図７（ａ）に例示したように、結合量子ドット４４
Ａ、４４Ｂの配列方向に沿って電場が印加されるよう
に、制御電極４２が形成されている。

【００６６】図７（ｃ）に表したように、量子ドットの
大きさの違いに応じて、量子ドット４４Ａ、４４Ｂと電
流を流すチャネル部分４１Ａとの間のキャパシタンスが
異なる。量子ドットのサイズにより、量子ドットに空間
的に分布する電荷の状態に応じて電界効果が異なってく
るからである。そして、第１実施形態に関して前述した
ように、このキャパシタンスの変化に応じて基板４１Ａ
を流れる電流が変化する。

【００６７】なお、図８において、伝導帯に形成される
量子井戸内の３準位が例示されている、このような３準
位は価電子帯に形成される３準位でもかまわないし、伝
導体と価電子帯にまたがっていてもよい。また、バンド
ギャップ内や、界面等半導体内に形成される任意の不純
物準位でも構わない。

【００６８】また、図７（ａ）においては、１つの分割
領域に８組の結合量子ドット４４が設けられた構成を例
示したが、本発明はこれには限定されず、結合量子ドッ
ト４４の数は適宜決定することができる。また、これら
の量子ドットは、Ｇｅ（ゲルマニウム）でもＳｉＧｅで
も構わない。

【００６９】さらに、制御電極４２の基板４１に対する
位置関係についても、図７に表した具体例の他に、量子
ドットと同じ酸化膜４６内に形成しても良く、酸化膜４
６の上に形成してもよい。また、基板４１の内部に埋め
込んで形成しても良い。

【００７０】また、図７には、横方向に２つの量子ドッ
トが結合している場合を表したが、３つ以上の量子ドッ
トが結合した結合量子ドットでも良い。

【００７１】図９は、このような３つの量子ドットから
なる結合量子ドットを表す概念図である。同図（ａ）に
表したように、互いにサイズの異なる３つの量子ドット
４４Ａ〜Ｃが互いに接近して形成されると結合量子ドッ
トとして作用する。そして、同図（ｂ）に表したよう
に、量子ドット間の電子の遷移が可能となり、３準位系
の結合量子ドットとして利用することができる。

【００７２】次に、本実施形態の変型例について説明す
る。図１０は、図７に例示した光素子をより一般化した
構成を表す概念図である。すなわち、同図は、制御電極
によって量子ドットのポテンシャルプロフィールを変化
させるという本実施形態の思想を維持しつつ、量子ドッ
トがより無秩序に形成された光素子１０Ｅを表す。

【００７３】Ｓｉ基板上に形成されたＳｉ酸化膜４１Ｂ
の上に、ＬＰＣＶＤなどの方法によってシリコンの量子
ドットをランダムに形成した場合、形成される量子ドッ
トの密度が高い場合や、幾種類かの異なる材料で数回に
分けて量子ドットを形成したような場合は、入射する光
などの電磁波の周波数に対応したエネルギー準位差をも
つ量子ドット系のみを反応させることができる。

【００７４】図１０に例示した制御電極４２Ａ、４２Ｂ
は、結合する量子ドットの向きなどが異なるため、基板
面に対して縦横に設置することにより、より多くの量子
ドットを電場で制御することが可能になる。同図で点線
の部分は、量子ドットの下に酸化膜を介して制御電極が
埋め込まれていることを表すものである。

【００７５】このように、量子ドットがランダムなの配
列やサイズを有する場合においても、電場の印加方向に
応じて所定の結合量子ドット系において準位間の遷移エ
ネルギを変化させることが可能となる。

【００７６】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態として、量子ドットを積層させてキャビテ
ィモードを形成させる光素子について説明する。

【００７７】図１１は、本実施形態にかかる光素子の要
部断面構成を表す概念図である。すなわち、本実施形態
の光素子１０Ｆは、ＧａＡｓ基板６１の上にＳｉドープ
ＧａＡｓ層６２、ノンドープＧａＡｓ層６３、ＡｌＧａ
Ａｓ層６４がこの順に積層され、さらにその上に、Ｇａ
Ａｓ層６６に埋め込まれたＩｎＡｓ量子ドット６５Ａが
配列した層が設けられ、その上にＧａＡｓ層６６に埋め
込まれたＩｎＡｓ量子ドット６５Ｂが配列した層が設け
られた構成を有する。同図においては、量子ドット６５
Ａのサイズが量子ドット６５Ｂよりも大きい場合を例示
した。

【００７８】量子ドット６５Ａ、６５Ｂの積層体の上に
は、さらにＳｉドープＧａＡｓ層６７、ＡｌＧａＡｓ層
６８が積層され、これら積層体の両端には、閉じ込め領
域６９が形成されている。そして、素子の上には、電極
７０、７１が設けられている。

【００７９】ＧａＡｓ基板６１上のＧａＡｓ層６２、Ａ
ｌＧａＡｓ層６３などは、例えばＭＢＥ（molecular be
am epitaxy）法やＭＯＣＶＤ（metal-organic chemical
vapor deposition）法などにより形成することができ
る。そして、ＳＫ（Stranski-Kranstanov）モードとよ
ばれる成長形態を利用してＩｎＡｓの量子ドット６５を
形成する。さらに、ＧａＡｓ層６６でこれらの量子ドッ
トを埋め込み、その上に上層の量子ドット６５の形成、
ＧａＡｓ層６６の埋め込みを行う。

【００８０】本具体例においては、量子ドットの積層方
向すなわち上下に積層された量子ドット６５Ａ、６５Ｂ
の間で結合量子ドットが形成される。このように上下方
向に結合した量子ドットの集合体を平面的に複数の領域
に分割し、それぞれに電極（例えば、７０、７１など）
を設けている。また、ＳｉドープＧａＡｓ層６７は、こ
れらの結合量子ドットに対して電荷を供給する層として
作用する。

【００８１】図１１の光素子は、さらに、これらの量子
ドット系とそれを含む材料系を分離し、量子ドット内の
エネルギー準位差に対応して、量子ドット系の電子状態
をキャビティとして高い確率で閉じ込めるために、量子
ドットをとり囲む材料（ここではＧａＡｓ層６６）とは
屈折率の異なる材料からなる閉じ込め領域６９で素子間
を区切る。これにより、量子ドット間にキャビティモー
ドを形成させることができる。閉じ込め領域６９の材料
としては、例えば、Ｎｂ（ニオブ），Ａｌ（アルミニウ
ム）、Ｈｆ（ハフニウム）などの金属やＳｉＮ（窒化シ
リコン），Ｔｉ（チタン）酸化物などを用いることがで
きる。

【００８２】また、量子ドット系６５をとり囲む媒体
は、ＧａＡｓ層６６の代わりに、空気などの気体でも良
く、真空でも良い。また、下層の量子ドット６５Ａが上
層の量子ドット６５Ｂよりも小さいサイズを有するよう
にしてもよい。

【００８３】図１２は、本実施形態の光素子の第１の変
型例を表す断面概念図である。同図については、図１１
に表したものと同様の要素には同一の符号を付してその
詳細な説明は省略する。

【００８４】本変型例の光素子１０Ｇにおいては、３個
以上の量子ドット６５Ａ、６５Ｂ、６５Ｃ・・・が積層
され、この積層方向に結合量子ドット６５をそれぞれ形
成している。そして、このように結合した３個以上の量
子ドット内の価電子帯や伝導帯に形成されるいずれか３
つの準位の間での遷移を利用する。積層方向に結合した
結合量子ドットのサイズは、互いに同じでも異なってい
ても良い。サイズが互いに異なる場合には、ドット毎に
互いに異なる準位間での遷移を利用することができる。
一方、結合量子ドットのサイズが同じである場合は、結
合している量子ドットの数に応じてエネルギ準位が複数
の準位にスプリットする。この微細構造による準位間の
遷移を利用することができる。

【００８５】また、図１１の光素子と同様に、量子ドッ
トをとり囲む材料（ここではＧａＡｓ層６６）とは屈折
率の異なる材料からなる閉じ込め領域６９で素子間を区
切ることにより、量子ドット間にキャビティモードを形
成させることができる。前述したように、量子ドットを
囲む材料としては、空気でも構わない。

【００８６】図１３は、本実施形態の光素子の第２の変
型例を表す断面概念図である。同図については、図１１
に表したものと同様の要素には同一の符号を付してその
詳細な説明は省略する。

【００８７】本変型例の光素子１０Ｈにおいては、前述
した光素子１０Ｆ、１０Ｇにおける閉じ込め領域６９に
対応するものとして、高い反射率を有するＤＢＲ（Dist
ributed Bragg Reflector）構造７５が設けられてい
る。

【００８８】結合量子ドット６５内のエネルギー準位差
がｅＶ（電子ボルト）のオーダーになると、キャビティ
モードとしての波長は短くなり、数ミクロン程度の範囲
に分布する一連の量子ドットを一区切りとして、ＧａＡ
ｓ層７５ＡとＡｌＧａＡｓ層７５Ｂを１ペアとして合計
２０ペア程度の積層を有するＤＢＲ構造７５を形成する
ことが可能となる。

【００８９】同様のＤＢＲは、図１２の光素子について
も適用することができる。

【００９０】図１４は、図１２に表したように３以上の
量子ドットが縦方向に結合した光素子において、ＤＢＲ
７５を設けた具体例を表す概念断面図である。ＤＢＲ７
５を形成することにより、結合量子ドット６５における
キャビティモードを高い反射率で閉じ込めることが可能
となる。

【００９１】また、以上説明したＤＢＲとしては、Ｇａ
Ａｓ層とＡｌＧａＡｓ層との積層構造以外にも、互いに
屈折率が異なる２種類以上の層を繰り返し積層させた各
種の構成を用いることができる。

【００９２】一方、本発明における量子ドットとその量
子ドットを形成する下地の組み合わせとしてはＧａＮ
（量子ドット）／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ（量子ドッ
ト）／ＧａＮ、ＡｌＩｎＡｓ（量子ドット）／ＡｌＧａ
Ａｓ、ＩｎＡｓ（量子ドット）／ＧａＮ、ＩｎＡｓ（量
子ドット）／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ（量子ドット）／
ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ（量子ドット）／ＡｌＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｓ（量子ドット）／ＡｌＡｓ、ＧａＳｂ（量子ドッ
ト）／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＳｂ（量子ドット）／ＡｌＧ
ａＡｓ、ＡｌＳｂ（量子ドット）／ＡｌＧａＡｓ、Ｐｂ
Ｓｅ（量子ドット）／ＰｂＥｕＴｅなどを挙げることが
できる。なお、これらの化学式においては、各元素の詳
細な成分比は省略した。

【００９３】さらに、その他各種のIII−Ｖ族系、II−V
I族系、IV−VI族系、IV族系などの材料を量子ドット、
下地のいずれかあるいは両方に適宜用いることができ
る。例えば、ＧａＡｓ基板あるいはＳｉ基板などの上の
ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｃｄ
Ｔｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅなど
を量子ドットとして用いてもよい。

【００９４】一方、以上列挙した材料系の組み合わせ
は、ＤＢＲにも適用することができる。つまり、上記の
組み合わせをペアとして所定の周期だけ積層させること
により、ＤＢＲを形成することができる。

【００９５】（第５の実施の形態）次に、本発明の第５
の実施の形態として、本発明で用いることができる結合
量子ドットの具体的な構成について説明する。

【００９６】図１５は、結合量子ドットの形成方法を表
す概念図である。まず、同図（ａ）に表したように、例
えばシリコン（Ｓｉ）により第１の量子ドット８０を、
例えば図示しないＳｉＯ_２などの基体上に形成する。そ
して、イオン注入法等により、ボロン（Ｂ）や燐（Ｐ）
などの第２の不純物８０Ａを注入する。

【００９７】さらに、同図（ｂ）に表したように、第３
の不純物８０Ｂを注入する。この時に、第１の不純物８
０Ａと第２の不純物８０Ｂとを変えることにより、第１
の量子ドット８０の中に第２、第３の不純物により形成
される準位と合わせて、３準位系を形成することができ
る。

【００９８】ここで、第１の量子ドットの材料として
は、Ｓｉ（シリコン）やゲルマニウム（Ｇｅ）の他に
も、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＡｓ、Ｉｎ
Ａｓ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＡｌＳｂなどの
III-Ｖ族化合物や、その他II-VI族など各種の化合物を
用いることができる。

【００９９】また、注入する第２、第３の不純物として
は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、
Ｂａ、Ｒａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｍｇ、Ｃ、Ｓｅ、Ｔ
ｅ、Ｐｏなどの各種の元素を用いることができる。

【０１００】また、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｃｄ
Ｓ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＨｇＳ、Ｈｇ
Ｓｅ、ＨｇＴｅなどの量子ドットに、Ｎ（窒素）、Ｃｌ
（塩素）、Ａｓ（砒素）などを適宜ドープしてもよい。

【０１０１】図１６は、本発明のもうひとつの結合量子
ドットの断面構造を表す概念図である。同図の結合量子
ドットは、第１の材料からなる第１量子ドット９０の周
りに第２の材料からなる層９２が設けられ、さらにその
周りに第３の材料からなる層９４が設けられている。

【０１０２】その形成工程を説明すると以下の如くであ
る。すなわち、まず、例えばＳｉＯ２などからなる基体
Ｓの上に、第１の量子ドット９０を形成する。量子ドッ
ト９０の材料としては、例えばシリコンなどを用いるこ
とができ、その形成方法としては例えばＬＰＣＶＤなど
を用いることができる。

【０１０３】次に、量子ドット９０の表面に自然酸化膜
などを形成することにより、第２の層９２を形成する。
さらに、第１の材料と同一の材料であるシリコンまた
は、別の材料であるゲルマニウムなどからなる層９４を
形成することにより、同心円状の結合量子ドットを形成
することができる。

【０１０４】なお、第１乃至第３の材料としては、前述
したようなIII-Ｖ族やII-VI族あるいはその他の各種の
材料の中から適宜選択して組み合わせることができる。

【０１０５】また、量子ドットの材料としては、π電子
系有機化合物でもよい。例えば、ポリアセチレン、ポリ
アニリンなどの高分子化合物、カーボンファイバやピレ
ン系化合物、あるいは色素、例えばトリフェニルアミン
誘導体、Ａｌｑ３なども用いることができる。

【０１０６】以上具体例を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。

【０１０７】例えば、上述した具体例においては、シリ
コン（Ｓｉ）を用いて電界効果素子の部分を形成した
が、これ以外にも、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）や、
ＧａＡｓ系などのIII−Ｖ族化合物半導体、II−IV族化
合物半導体、あるいは、その他の各種の化合物半導体な
どの各種の材料を用いて、電界効果素子の部分を形成す
ることができる。

【０１０８】また、上述した具体例に関しては、便宜上
３準位のみを例示して説明したが、補助的な励起準位を
含めた高いエネルギ準位や遷移確率の小さいエネルギ準
位が形成されていても良い。すなわち、３以上の複数の
準位のうちの３つの準位によって電子または正孔の遷移
が生ずれば良い。

【０１０９】さらに、上述した各具体例において結合量
子ドット系またはＥＩＴ結晶材料に外部電場、外部磁
場、外部応力場あるいはその他の各種の外場を印加し
て、準位間のエネルギ差を変化させることもできる。こ
のようにすれば、検出する光の波長を調節することがで
きる。

【０１１０】また、上述した各具体例においては、電極
としてソース電極、ドレイン電極、あるいはゲート電極
を設けた場合を挙げたが、これ以外にも、結合量子ドッ
ト系１８またはＥＩＴ層４０などの３準位系の上部また
は側面部、あるいは基板裏面側に３準位のエネルギ間隔
などを制御する別の電極を構成してもよい。このように
すれば、検出すべき光の波長を調節することが可能とな
る。

【０１１１】また、上述した具体例においては、ソース
・ドレインを一つづつ有する単一の素子のみを例示した
が、このような素子を複数個配列し、ワード線とビット
線に接続する電極などと結合させることにより集積化し
てもよい。

【０１１２】また、図７（ａ）や図１０などに例示した
ような光素子の平面形状は長方形状には限定されず、そ
の他多角形状、円形状、楕円形状などの各種の形状でも
よい。

【０１１３】また、第４実施形態に関して、結合量子ド
ット系を電磁場的に結合するキャビティモードを形成す
るために、図１１及び図１２では、Ｎｂ，Ａｌなどの金
属、あるいはＳｉＮ，Ｔｉ酸化物、ハフニウムなどの量
子ドットを囲む材料とは屈折率の異なる材料、もしくは
空気を、また、図１３及び図１４ではＤＢＲ構造を形成
した構成を例示したが、第１乃至第３実施形態に関して
も、同様の方法でキャビティモードを形成することがで
きる。

【０１１４】また、第３実施形態においてはシリコン
（Ｓｉ）の量子ドットを用いた構成を例示し、第４実施
形態においてはＳｉ以外の材料系を用いた構成を例示し
たが、用いる材料系は各種のものから適宜選択すること
ができる。また、Ｓｉ量子ドット系で電極を基板に対し
て量子ドットの上に設置してもいいし、Ｓｉ以外の材料
系で電極構造を量子ドットに対して同じか、より基板に
近い場所に設置しても構わない。また、Ｓｉ，Ｇｅの量
子ドットを、アモルファス状の膜の上に形成しても構わ
ない。

【０１１５】さらに、本発明の光素子においては、量子
計算をさせるときに、定常磁場及び電場、もしくは時間
的に変化する磁場、電場を各実施形態に関して例示した
電極以外から、印加してもよい。

【０１１６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
電気的双極子を形成する二つの量子状態を３つ以上の量
子状態から構成することにより、従来は実現不可能であ
った、安定した２つの量子状態を制御性よく実現するこ
とができる。

【０１１７】また、本発明によれば、２つに分かれた量
子状態における電荷の分布状態を、電界効果として基板
を流れる電気信号に変換できる。つまり、電気双極子を
形成する量子準位にある電荷は、光などの電磁波により
制御できるために、光または電磁波の入射信号を有効に
電気信号に変換できる素子を提供することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる光素子の構
成を概念的に表す斜視図である。

【図２】結合量子ドット１８を平面的に眺めた概念図で
ある。

【図３】結合量子ドット１８により形成される３準位系
を表す概念図である。

【図４】３準位系における電子遷移を概念的に表す説明
図である。

【図５】本発明の第１実施形態の変型例にかかる光素子
の断面構成を表す概念図である。

【図６】本発明の第２実施形態にかかる光素子の断面構
成を表す概念図である。

【図７】本発明の第３実施形態にかかる光素子を表す概
念図である。すなわち、同図（ａ）は、その平面構成、
同図（ｂ）は、そのＡ−Ａ線断面構成の一部、同図
（ｃ）は、その量子ドットの等価回路をそれぞれ表す概
念図である。

【図８】電場の印加による結合量子ドットのポテンシャ
ルの変化を表す概念図である。

【図９】３つの量子ドットからなる結合量子ドットを表
す概念図である。

【図１０】図７に例示した光素子をより一般化した構成
を表す概念図である。

【図１１】本発明の第４実施形態にかかる光素子の要部
断面構成を表す概念図である。

【図１２】本発明の第４実施形態の光素子の第１の変型
例を表す断面概念図である。

【図１３】本発明の第４実施形態の光素子の第２の変型
例を表す断面概念図である。同

【図１４】図１２に表したように３以上の量子ドットが
縦方向に結合した光素子において、ＤＢＲ７５を設けた
具体例を表す概念断面図である。

【図１５】本発明の結合量子ドットの形成方法を表す概
念図である。

【図１６】本発明のもうひとつの結合量子ドットの断面
構造を表す概念図である。

【図１７】量子井戸に基底状態と励起状態が形成された
ようすを表す概念図である。

【図１８】従来の３準位系ＦＥＴ型素子の構成を表す概
念図である。

【図１９】従来の量子ドットの検出系を表す概念図であ
る。

【符号の説明】

１０Ａ〜１０Ｉ光素子１１、４１基板１３、５３ソース部１４、５４ドレイン部１５チャネル部１６絶縁膜１８、４４結合量子ドット１８Ａ、１８Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ量子ドット１９絶縁膜２０ゲート電極３０裏面ゲート電極３２バイアス４０ＥＩＴ層４２、４２Ａ、４２Ｂ制御電極４６酸化膜４８透明薄膜電極６１ＧａＡｓ基板６２ＳｉドープＧａＡｓ層６３ノンドープＧａＡｓ層６４ＡｌＧａＡｓ層６５量子ドット６６ＧａＡｓ層６７電荷供給層６８ＡｌＧａＡｓ層７０、７１電極７５ＤＢＲ８０、９０量子ドット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた高抵抗層と、前記高抵抗層の上に設けられエネルギ準位αとエネルギ
準位βとエネルギ準位γとを少なくとも有する検出部
と、を備え、前記エネルギ準位αから前記エネルギ準位βへの遷移に
対応するエネルギを有する第１の電磁波と前記エネルギ
準位γから前記エネルギ準位βへの遷移に対応するエネ
ルギを有する第２の電磁波とが前記検出部に照射される
ことによる前記検出部における電子状態の変化を前記高
抵抗層の下部において前記半導体基板に流れる電流の変
化として検出可能としたことを特徴とする光素子。
【請求項２】前記検出部は、複数の結合量子ドットを有
し、前記複数の結合量子ドットのそれぞれは、前記エネルギ
準位αが形成された第１の量子ドットと、前記エネルギ
準位γが形成された第２の量子ドットとが、電荷がトン
ネリング可能な障壁によって隔てられたものとして構成
されたことを特徴とする請求項１記載の光素子。
【請求項３】前記検出部は、複数の量子ドットを有し、前記複数の量子ドットのそれぞれは、第１の物質からな
る量子ドットの中に前記第１の物質とは異なる第２及び
第３の物質をそれぞれ含有することにより前記前記エネ
ルギ準位αとエネルギ準位βとエネルギ準位γとを有す
ることを特徴とする請求項１記載の光素子。
【請求項４】前記エネルギ準位αとエネルギ準位βとエ
ネルギ準位γとを少なくとも有する前記検出部に対して
電界を印加することにより前記エネルギ準位α、β及び
γの相対的な関係を変化させる電極をさらに備えたこと
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光素
子。
【請求項５】前記エネルギ準位αとエネルギ準位βとエ
ネルギ準位γとを少なくとも有する前記検出部の周囲の
少なくとも一部において屈折率の差が生ずるように異な
る材料が設けられたことを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１つに記載の光素子。