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半導体量子素子 コモンズ

国内特許コード P130008763
整理番号 784-1358
掲載日 2013年3月25日
出願番号 特願2012-192665
公開番号 特開2014-049661
登録番号 特許第6114934号
出願日 平成24年8月31日(2012.8.31)
公開日 平成26年3月17日(2014.3.17)
登録日 平成29年3月31日(2017.3.31)
発明者
  • 福澤 董
  • 下村 哲
出願人
  • 国立大学法人愛媛大学
発明の名称 半導体量子素子 コモンズ
発明の概要 【課題】 量子コンピュータ用の半導体量子素子として利用可能なマクロ領域でボーズ・アインシュタイン凝縮した半導体励起子系を提供する。
【解決手段】 半導体量子素子1は、半導体I2、半導体II3、半導体III4、半導体IV05の順で構成される半導体ヘテロ界面を備え、スタッガード・ヘテロ界面を有する半導体ヘテロ構造に、電界を印加して形成される三角ポテンシャル中の電子と正孔の量子準位からなる励起子を用いて、励起子に対するヘテロ界面ラフネスの影響を減らす。さらにAl0.4Ga0.6As/AlAsスタッガード・ヘテロ界面を成長するGaAs基板の面方位を(100)から23.8°オフにした基板を用いてその上に成長するスタッガード・ヘテロ界面を超平坦面とし、ボーズ・アインシュタイン凝縮した励起子のデコヒーレンスを減し、演算時間の長い半導体量子素子1を得る。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



ノイマン型コンピュータは、半導体加工の微細化技術が、長期にわたりムーアの法則に従って進んできたことにより、演算能力を飛躍的に発展させてきた。しかしながら微細化が限界に近づき、超LSIを形成する個々の素子が、量子的な揺らぎの影響が出始めることと、演算能力を上げるために、多数の計算機を並列化した際、消費する電力が膨大であることから、更なる能力向上は限界に近づきつつある。





これに対して、新たに提案された量子コンピュータは、全く新しいアルゴリズムによる計算方法として、量子状態間の重ね合わせ(量子もつれ)を利用することで、ノイマン型コンピュータでは時間が掛かり過ぎて解けない計算を、瞬時に解くことが可能になるとされ、多くの研究者がそれを実現する系を提案し実験を行っている。





ボーズ粒子のB-E凝縮状態では、粒子の熱的ド・ブロイ波長が、低温になるに従い、長くなり、粒子間でその波が重なりあうことで、系全体がコヒーレント状態となる。熱的ド・ブロイ波長は、ボーズ粒子の質量と温度の積の2分の1乗に逆比例するため、質量の重い原子では、ナノ・ケルビン・オーダーまで冷却する必要がある。

ノーベル物理学賞の受賞対象となった、Rb原子のB-E凝縮では、原子が重いため170nKという極低温が必要であった(非特許文献1参照)。このような極低温を得るには、レーザによる冷却と磁場による冷却が必要であり、特許文献1に記載されている量子コンピュータのような多数のビットを実現するには、装置が大掛かり過ぎて実用化は困難である。





これに対して、半導体中の励起子は、電子と正孔がクーロン力で互いに引き合い、水素原子様の状態となり、半導体中を自由に動き回ることが可能な準粒子で、有限の寿命で再結合発光し消滅するボーズ粒子であり、その質量は原子と比べ100万分の1程度の軽さであるため、凝縮に必要な温度も原子の場合の100万倍高温となる。





従って、Keldyshが1965年に励起子のB-E凝縮の可能性を理論的に示して以来、数多くの研究者が世界初の「B-E凝縮の観測」を目指して研究を進めてきた。しかしながら、従来研究されてきた多くの励起子系は、再結合発光の寿命が短いものが多く、光学的に励起されて電子温度が高い状態から、格子温度まで冷却される前に消滅したり、高密度励起で電子と正孔が液滴状態となるためボーズ粒子系で無くなったり、また励起子分子を形成したりするなど、多くの理由から励起子のB-E凝縮は実現できなかった。





また、励起子の寿命が長い、亜酸化銅のバルク結晶では冷却効率が悪く、励起子が十分冷却できないことや、励起子が空間的に拡散してしまい、B-E凝縮に必要な濃度を得ることができなかった。2011年になり、亜酸化銅のバルク結晶内で、レーザ光を用いて励起子を空間的に閉じ込め、287mKまで冷却することで、B-E凝縮を実現したという報告がなされた(非特許文献2参照)。しかしながらこの系では、凝縮体は光閉じ込めされた一部分にすぎず、量子コンピュータに必要な多数の量子ビットを実現することは、工業的に困難である。





励起子のB-E凝縮に関するこれらの困難に打ち勝つ解決策として、本願の発明者の一人である福澤は、1989年に「2重量子井戸における空間分離された電子・正孔からなる励起子系」を提案した(非特許文献3参照)。

図21は、この2重量子井戸における空間分離された電子・正孔からなる励起子系の励起子電子状態の概念図である。図21において、303はこの励起子系の電子の波動関数で、304は正孔の波動関数であり、ともに数値解析して求めており、電界を印加されて傾斜した伝導帯301と価電子帯302に重ねて表示してある。この2重量子井戸は、量子井戸として厚さ5nmのGaAsを、量子井戸間の障壁として厚さ4nmのAl0.3Ga0.7Asを用いている。この系を構成する2重量子井戸に電界をかけた状態で光励起を行うと、2つある量子井戸のそれぞれで、値電子帯302から電子が伝導帯301に励起され、電子と正孔がそれぞれの量子井戸中に生じるが、2個の量子井戸間の障壁が4nmと充分に薄いため、電界により電子と正孔がエネルギー的により低い側の量子井戸にトンネリングし、結果として電子303と正孔304が別々の量子井戸に分離される。





この結果、電子と正孔の波動関数の重なり積分が減少し、励起子の発光寿命が100倍程度長くなり、励起子が格子温度まで十分に冷える時間ができる。これにより初めて極低温の励起子の振る舞いを実験的に観測できるようになった(非特許文献4参照)。

図24は、この2重量子井戸励起子系のフォトルミネッセンス・スペクトルの半値幅の温度依存性を印加する電界をパラメータとしてプロットしたものである。図24において、電界をかけない場合の温度依存性305は、温度の低下とともに半値幅が増大するが、電界を40kV/cm印加し励起子の寿命を延ばした場合の温度依存性306は、7Kより低温で、急激な半値幅の減少が観測された。図24に示されたフォトルミネッセンス・スペクトルにおける半値幅の温度依存性の解釈は、後述する。





この系では、電子と正孔が分かれて存在する量子井戸が電界の向きで一義的に決まるため、全ての励起子の電気双極子の向きがそろった系となる。このためボーズ粒子間相互作用は双極子間相互作用となり、電子間のクーロン相互作用と異なり、ボーズ粒子が最近接するまでは、ニュートラルに近い反発力であるため、B-E凝縮が起こりやすい系であるといえる。さらに電気双極子の向きがそろった系であるため、励起子分子や、電子・正孔液滴になりにくく、この点でもB-E凝縮に適した系である。





しかしながら、この系は2つの量子井戸であるGaAsと、障壁層であるAlGaAsとの界面が4枚存在しており、それぞれの2次元面内において、単原子層オーダーの膜厚のばらつきやGa/Al組成の揺らぎが不可避である。2次元面内では、励起子が存在する場所に対して、揺らぎによるそれぞれの量子井戸の厚さや中間の障壁層の厚さの組み合わせが異なり、その異なった組み合わせは異なった励起子エネルギーを与える。その結果、2次元面内の異なった励起子エネルギー分布は20meVにおよぶ発光スペクトルの不均一幅として観測される。図25は、実験的に得られた不均一幅に合わせて、励起子エネルギーの2次元面内ラフネス307を計算でモデル化した例である。





従って2重量子井戸系の励起子は、2次元空間内のどこに存在するかで、最低の励起子エネルギーが異なることになる。ある微小な領域でB-E凝縮が期待できる温度よりもはるかに低い温度まで格子温度を冷却しても、他の場所では異なる励起子エネルギーとなるため、系全体で一つの凝縮体にはなれず、ポテンシャル・ラフネスで生じる多数のローカル・ミニマムでそれぞれ独立したB-E凝縮を起こすことになる。





本願の発明者の一人である福澤は、非特許文献3で提案した2重量子井戸系の励起子が、このような問題を有することを理論計算で予測した上で実験を行い、非特許文献4で2重量子井戸系励起子がB-E凝縮を起こしている状況証拠を明らかにした。

図24において306に示す2重量子井戸系励起子のフォトルミネッセンス半値幅の温度依存性は、「個々のローカル・ミニマムで生じたB-E凝縮体が誘導冷却により、それぞれのB-E凝縮体が存在するサイトのエネルギーよりも、より低い励起子エネルギーのサイトへ移動を続け、最終的には、その系に存在するすべての励起子が、その系に存在するサイトの低いほうから順番にすきまなく埋め尽くした状態となる。」と解釈できる結果を示した。

ここで誘導冷却とは、B-E凝縮を起こしていない古典的ボーズ粒子の状態で、熱的エネルギーが低いためにポテンシャル・バリアにトラップされている励起子が、温度が下げられてB-E凝縮体になることで、熱エネルギーが不足しているにもかかわらずあたかもポテンシャル・バリアを乗り越えるように、よりエネルギー的に低いサイトへB-E凝縮体が移動する現象である。





B-E凝縮を起こす温度よりも高温の場合は、古典的ボーズ粒子の状態であるため、励起子の熱的運動エネルギーの減少とともに、ローカル・ミニマムのバリアを乗り越えることができなくなる。このため、より低いエネルギーのサイトを空席にしたまま、高いエネルギーのローカル・ミニマムにとどまる割合が増えるため、励起子全体の平均エネルギーは上昇し、誘導冷却を起こした前述の結果と反対の現象を示す(図24の305参照)。以上の結果から、2重量子井戸系励起子がB-E凝縮を起こしたことの状況証拠が得られたと考えられる。





本願の発明者の一人である福澤の2重量子井戸励起子系が、励起子のB-E凝縮を観測する系として最適であるとして、1992年から継続してこの系を研究し続けているL.V.Butovは、2重量子井戸励起子の低温での様々な物理現象について、数多くの論文を報告している。L.V.Butovは、2012年に、2重量子井戸励起子のB-E凝縮を示す結果を発表した(非特許文献5参照)。

図26は、2次元的に測定した発光強度から求めた、2重量子井戸励起子の空間分布の温度依存性である。本願の発明者の一人である福澤と同じく電界により電子と正孔を分離し励起子の再結合発光の寿命を長くし、格子温度を十分低温まで冷却している。

図26において、2重量子井戸系の温度が7Kでは、励起子は308に示すような空間的広がりを持つが、4Kでは励起子は309のように中央に集まりだし、50mKでは、310のように中心にさらに集中している。





図27は、励起子発光の1次のコヒーレンスの程度の空間依存性を表す図である。格子温度をパラメータとしている。励起子発光の1次のコヒーレンスの高い状態が、温度の低下とともに空間的に広がる様子を示している。1次のコヒーレンスはB-E凝縮の割合が増えるにつれて高まることが知られており、図27に示された結果は、励起子がB-E凝縮を起こしていることを強く示唆している。本願の発明者の一人である福澤が提唱した通り、20年の歳月を経て、2重量子井戸励起子系がB-E凝縮することが証明された。しかしながらこれまで述べたように4枚あるヘテロ界面に基づく励起子エネルギーのラフネスが存在するため、たまたま平坦だったごく狭い領域でのB-E凝縮しか実現できておらず、量子コンピュータに必要な、マクロな領域でのB-E凝縮はこの公知例でも実現できていない。





図28は、非特許文献6で報告された図であり、GaAs/AlAs量子井戸構造におけるX-Γ間接遷移による励起子のエネルギー準位の概念図である。

L.V.Butov達は、福澤が2重量子井戸励起子系を提案した後に、電子と正孔を分離して励起子の再結合発光寿命を延ばすことが可能な別の系として、GaAs/AlAs量子井戸系におけるΓ-X間接遷移の励起子を報告した。

これは、図28に示すように、厚さ3nm のGaAs量子井戸403と、厚さ4nmのAlAs量子井戸404をAlGaAsで挟み込んだ構造を持つ系である。

図で実線400は、AlGaAs/GaAs/AlAs/AlGaAsヘテロ構造のΓバンドを表す伝導帯で、点線401は、AlGaAs/GaAs/AlAs/AlGaAsヘテロ構造のXバンドを表す伝導帯である。実線402は、AlGaAs/GaAs/AlAs/AlGaAsヘテロ構造のΓバンド価電子帯である。





図28はΓバンドとXバンドが重ねて書いてあるため、より理解しやすい図として、図29と図30にΓバンドとXバンドを別々に表示して示す。

図29は、図28のAlGaAs/GaAs/AlAs/AlGaAsヘテロ構造のΓバンドによる伝導帯を表す。図中で、410はAlGaAs層、411はGaAs層、412はAlAs層、413はAlGaAs層である。GaAs層411は量子井戸となるため、井戸型ポテンシャルによる量子準位406を与える。





図30は図28のAlGaAs/GaAs/AlAs/AlGaAs ヘテロ構造のXバンドによる伝導帯を表す。図中で410はAlGaAs層、411はGaAs層、412はAlAs層、413はAlGaAs層である。AlAs層412は量子井戸となるため、井戸型ポテンシャルによる量子準位407を与える。





量子井戸の幅を狭くすると、井戸型ポテンシャルによる電子準位は高エネルギー側にシフトすることは、あまねく知られているが、図28に示すヘテロ構造において、GaAs量子井戸の厚さを3nmまで狭くすることで、GaAsのΓバンド400における量子準位406を、AlAsのXバンド401における量子準位407より高くできる。

従ってこの構造を光励起すると、GaAs量子井戸における光吸収(Γ―Γ遷移)で生じた電子・正孔対のうち電子だけが、GaAsの量子準位406から、AlAsのXバンド中の量子準位407に移動する。この結果、GaAs中の正孔と、AlAs中の電子を空間的に分離することが可能となる。図中で、405は、AlAsのXバンドにおける電子準位407とGaAsのXバンドにおける正孔準位間の間接遷移に基づく励起子発光である。この遷移は電子と正孔の重なり積分が小さいため発光寿命が長くなり、励起子温度が充分低くなることが可能である。





また上記の非特許文献6と同じ系で電界を印加する電極に孔をあけ、励起子が感じる電界強度について、2次元面内で相対的に弱い部分を作り、そこに励起子を電気的にトラップする方法が述べられている(非特許文献7参照)。この方法は、光で励起子を作る場合に適している。

しかしながら、非特許文献6及び非特許文献7のどちらの系も、AlAsのXバンド中の量子準位407よりもGaAsのΓバンド中の量子準位406のエネルギーを高くするために、GaAsの量子井戸幅を3nmと狭くする必要がある。またAlAsのXバンドの準位も4nmと幅の狭い量子井戸に基づく準位である。従って2重量子井戸系励起子と同様に、ヘテロ界面の揺らぎの影響を励起子が強く感じることになり、ポテンシャル・ラフネスによるB-E凝縮の破壊が避けられない。





このような励起子のポテンシャル・ラフネスの影響を受けにくいボーズ粒子系として、半導体光共振器中の励起子・ポラリトンのB-E凝縮が研究されている。励起子・ポラリトンは、半導体中の光であり、ボーズ粒子としての質量は励起子の100万分の一程度の軽さである。このため、理論的には励起子と較べ100万倍高温で凝縮が可能であるが、報告されている励起子・ポラリトンのB-E凝縮温度は、現在10Kである(非特許文献8参照)。ポテンシャル・ラフネスの影響を受けないことと、凝縮温度が高い点で、励起子・ポラリトンのB-E凝縮は大変有利であり、現在量子コンピュータ用素子として研究が進められている(特許文献2参照)。

しかしながら、励起子・ポラリトンは、寿命がピコ秒オーダーと極めて短く、量子コンピュータとして使用が困難である。

産業上の利用分野



本発明は、ボーズ粒子のボーズ・アインシュタイン(B-Eと呼ぶ。)凝縮による巨視的量子効果を利用した半導体量子素子に関する。さらに詳しくは、本発明は、半導体ヘテロ構造に電界を印加し生じた三角ポテンシャル中の励起子をB-E凝縮させた半導体量子素子に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体I、半導体II、半導体III、半導体IVの順で構成される半導体ヘテロ界面を備え、
半導体IIの伝導帯は、半導体IIIの伝導帯よりも電子に対して高いエネルギーを持つことにより、ヘテロ界面の伝導帯がステップを形成し、
同時に半導体IIの価電子帯は、半導体IIIの価電子帯よりも正孔に対してエネルギー的に低いことにより、ヘテロ界面の価電子帯がステップを形成するように半導体IIと半導体IIIを選択した半導体結晶からなり、
ヘテロ界面に対して垂直に電界が印加され、
光励起により半導体IIと半導体IIIとのヘテロ界面に電子と正孔が発生されるか、当該ヘテロ界面に電気的に電子と正孔が供給されるか、光励起と電気的励起の両方の何れかが行われ、
3種の半導体II、半導体III、半導体IVが形成するヘテロ構造において、電子の基底状態は、半導体II、半導体III、半導体IVが形成するヘテロ構造による、量子井戸型ポテンシャルによって決められるエネルギー準位ではなく、伝導帯ステップと電界によって勾配を持った半導体IIIの伝導帯とで形成される三角ポテンシャルのエネルギー準位となるように半導体IIIを厚くし、かつ、
3種の半導体I、半導体II、半導体IIIが形成するヘテロ構造において、正孔の基底状態は、半導体I、半導体II、半導体IIIが形成するヘテロ構造による、量子井戸型ポテンシャルによって決められるエネルギー準位ではなく、価電子帯ステップと電界によって勾配を持った半導体IIの価電子帯とで形成される三角ポテンシャルのエネルギー準位となるように、半導体IIを厚くし
前記電子と正孔が対峙する面における電界強度の面内分布に強弱をつけることで、前記電子と正孔に対する三角ポテンシャルの勾配の2次元面内分布に強弱を与え、勾配の急な領域に囲まれた勾配の緩い領域を形成することで、電子・正孔対を該勾配の緩い領域にトラップすることを特徴とする、半導体量子素子。

【請求項2】
前記半導体量子素子において、電子・正孔対の電子は、半導体IIIのXバンドの電子であり、正孔は、半導体IIのΓバンドの正孔であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体量子素子。

【請求項3】
前記半導体量子素子において、半導体IIは厚さが20nm以上のAl0.4Ga0.6Asであり、半導体IIIは厚さが20nm以上のAlAsであり、半導体IIと半導体IIIとのヘテロ界面に印加する電界が10kV/cmより高電界であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の半導体量子素子。

【請求項4】
前記半導体量子素子において、結晶成長用基板の面方位が(100)方向から、23.8°オフとしたGaAs基板であることを特徴とする、請求項1~請求項3の何れかに記載の半導体量子素子。

【請求項5】
前記半導体量子素子において、分子線エピタキシ結晶成長時の基板温度が、580℃~640℃であることを特徴とする、請求項1~請求項4の何れかに記載の半導体量子素子。

【請求項6】
前記半導体量子素子において、半導体IIがSiであり、半導体IIIがSi0.7Ge0.3であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の半導体量子素子。

【請求項7】
前記半導体量子素子において、電界強度の面内分布は、2次元的な電極の形状、あるいは半導体アンドープ層にイオン打ち込みや、熱拡散あるいは半導体結晶のエッチングによって作りこんだ導電性領域の3次元的な形状、あるいは分割した電極に異なる電圧を与えることにより、得られる面内分布で、その電界強度の面内分布により、電子・正孔対をトラップすることを特徴とする、請求項に記載の半導体量子素子。

【請求項8】
請求項1~請求項の何れかに記載の半導体量子素子を用い、冷却手段を備えたことを特徴とする、半導体量子演算装置。

【請求項9】
前記冷却手段による冷却温度は、13K以下であることを特徴とする、請求項に記載の半導体量子演算装置。

【請求項10】
前記冷却手段による冷却温度は、4K以下であることを特徴とする、請求項に記載の半導体量子演算装置。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 登録
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