東京大学 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 量子ドットラボ Quantum Dot Laboratory

ナノ技術開拓:量子ドットとフォトニック結晶

電子や光子を個々に制御するナノシステムの創成を目標にし、MOCVDやMBEなどの結晶成長技術や電子線描画技術を用いて、量子ドットやフォトニック結晶などナノ構造の形成技術を開拓しています。最近では、光通信および量子情報向けの砒化インジウム系および窒化物系量子ドットやナノワイヤの形成に取り組んでおり、いずれも世界最高品質を誇っています。また、3次元フォトニック結晶の作製技術開発にも取り組んでおり、3次元フォトニック結晶ナノ共振器における世界最高Q値を達成するとともに、レーザ発振を初めて実現しました。また光のスピン角運動量制御を可能にする3次元キラルフォトニック結晶の作製にも成功しています。

InAs/GaAs系量子ドット形成技術の開発

InAs/GaAs系量子ドット結晶成長技術は、次世代型高性能デバイス(光通信用レーザ、ナノレーザ、単一光子発生器、太陽電池、赤外線検出器など)のコア技術の一つである。MBEまたMOCVD法を用い、各デバイス用途に最適な量子ドット結晶の実現を目指している。光通信用レーザ向けには高密度化と高サイズ均一化を、量子情報応用向けには超低密度化と単一ドットスペクトルの狭線幅化を図ってきた。最近では、フォトニック結晶ナノ共振器との高効率結合を可能にする量子ドット位置特定技術、ナノワイヤ量子ドットの多重積層化・高サイズ均一化・小型化技術、P系歪補償材料を用いた超多重積層化技術、シリコンフォトニクスに向けた量子ドットのシリコン基板上直接成長技術の開発を進めている。(一部シャープ、NEC、QDレーザ、富士通研との共同研究)

(左)埋め込まれた低密度量子ドット(隆起の下に存在)
(右)GaAs基板上InGaAs/GaAsナノワイヤ積層量子ドット

【主要発表文献】
[1] M. Kakuda, et al., ISPEC 2015, P-56, Tokyo, Japan. 
[2] J. Tatebayashi, et al., Appl. Phys. Lett. 105, 103104 (2014).
[3] 渡邉他、第76回応用物理学会秋季学術講演会、14p-2W-5 (2015).

GaN系ナノ構造形成技術の開発

我々は、GaN系窒化物半導体の未踏の可能性、特に室温単一光子源をはじめとする量子情報素子などへの応用に着目して研究を進めている。この系の光電子物性を探索し革新的な量子デバイスへの応用を図るためには、各種量子ドット(QD)、量子井戸、フォトニック結晶(PhC)などの高品質窒化物半導体ナノ構造の形成技術確立が必須である。これまでに、MOCVD法による高品質位置制御GaN ナノワイヤQDの形成、独自開発の高性能ナノ加工技術を用いた世界最高水準のQ値を有するGaN系PhCナノ共振器の実現などの成果を上げてきた。最近は、極めて狭い発光線幅(87±4 μeV)を示すGaN/AlGaN界面ゆらぎQDの形成、GaN選択的熱分解法の開発と高品質AlGaN/air DBR垂直微小共振器の作製、中赤外サブバンド間吸収を示す無極性m面GaN/AlGaN量子井戸のMOCVDによる作製などにも成功している。(一部シャープとの共同研究)

(左)単一GaN界面ゆらぎQDのPLと構造概略図
(右上)Al(Ga)N一次元 PhCのSEM像とPL
(右下)AlGaN/air DBR垂直微小共振器のPLとSEM像

【主要発表文献】
[1] M. Arita, et al., ISCS 2014, Tu-A2-6, Montpellier, France (2014). 
[2] R. Tao, et al., Appl. Phys. Lett. 103, 201118 (2013).
[3] T. Kotani, et al., Appl. Phys. Lett. 108, 052102 (2016).

フォトニック結晶ナノ共振器形成技術の開発

フォトニック結晶ナノ共振器は、フォトニックバンドギャップ効果による強い光閉じ込めにより、超小型光回路やナノレーザ等への応用が期待されている。我々はナノ構造作製技術の開発を行い、二次元および三次元的にフォトニックバンドギャップを有する高品質なフォトニック結晶ナノ共振器の実現とその応用研究を進めている。二次元フォトニック結晶ナノ共振器では、超低閾値ナノ共振器レーザの実現ならびに非線形高調波発生を利用した自己波長変換型可視域レーザを実現している。これは、高密度集積可能な可視域ナノレーザの実現において重要な進展と位置づけられる。三次元フォトニック結晶ナノ共振器では、マイクロマニピュレーション法により高Q値化(~ 66,000)の達成している他、量子ドットを利得とする三次元フォトニック結晶ナノ共振器レーザを世界で初めて実現している。

(左) 量子ドットを組み込んだ二次元フォトニック結晶ナノ共振器 
(右)三次元フォトニック結晶ナノ共振器のSEM像

【主要発表文献】
[1] M. Nomura, et al., Opt. Express 17, 15975 (2009). 
[2] A. Tandaechanurat, et al., Nature Photonics 5, 91 (2011).
[3] 高橋他、第62回応用物理学会春季学術講演会、12p-A10-15 (2015).

 

  

ナノ光電子物性探索と量子情報素子基礎研究と量子情報素子基礎研究

フェムト秒レーザ分光や磁気・電気光学分光を駆使し フェムト秒レーザ分光や磁気・電気光学分光を駆使し、量子ドットやフォトニック結晶の電子・光物性を実験的に探究しています。特に、一つの量子ドットを分光し、単一光子を検出・分析できる先端的光学システムを開発し、世界をリードする成果を次々と上げています。最近では、量子ドット励起子のコヒーレント制御技術開発や量子ドット-フォトニック結晶ナノ共振器結合系の物性探索を進めています。量子情報デバイスの基礎研究も推進し、通信波長帯1.55μm高性能単一光子源を実現するとともに、量子鍵配送システムを構築し、100 kmの安全鍵伝送を実証しました。さらに、窒化物系量子ドットによる350 Kでの単一光子発生、光通信波長帯単一光子LEDの実現など、多くの研究成果を挙げています。

InAs/GaAs系量子ドットの光電子物性

単一光子発生器や超低閾値ナノレーザなどの実現に向けIn(Ga)As/GaAs系量子ドットにおける基礎光物性の探索を進めている。中でも、スピン注入による単一量子ドットの動的核スピン偏極を調べており、最近では、励起量子準位を介した核スピン偏極に成功している。また、フォトニック結晶と組みわせることで、光の状態密度操作による核スピン偏極制御も可能となりつつある。これらの成果は、スピントロニクスや量子情報技術への応用を拓くものである。一方、世界最小量子ドットレーザの実現を念頭に、ナノワイヤ量子ドットの研究も展開している。特に、ナノワイヤ共振器や表面プラズモンとの光電子相互作用に着目し研究を進めている。最近では、光子相関測定により単一ナノワイヤ量子ドットからの単一光子発生過程を観測することに成功した。これらの成果は量子ドット複合系の応用に直結する重要な進展といえる。

(左)励起量子準位を介した量子ドット核スピン偏極
(右)単一InGaAs/GaAsナノワイヤ量子ドットの顕微PLスペクトル及び光子相関特性

【主要発表文献】
[1] C. F. Fong, et al., Phys. Rev. B 93, 125306 (2016). 
[2] J. Tatebayashi, et al., Appl. Phys. Lett. 100, 263101 (2012). 
[3] J. Ho et al., ACS Photonics 2, 165 (2015).

GaN系量子ドットの光電子物性

窒化物半導体量子ナノ構造を室温量子情報素子に応用することを目指し、基礎光電子物性と光デバイス応用の研究を行っている。これまでに、自己形成GaN量子ドットの光電子物性の解明から始まり、その後位置制御GaNナノワイヤ量子ドットにおいてコヒーレント制御や室温単一光子発生の観測に成功した。最近では、窒化物半導体分布ブラッグ反射鏡(DBR)微小共振器を用い、室温における励起子-光子間の強結合効果や局在励起子ポラリトンの観測に成功した。また、窒化物半導体量子ドットにおける従来からの課題であったスペクトル拡散を定量的に説明する統計的なモデルを考案し、ナノワイヤ量子ドットの発光線幅増大の物理的起源の説明に成功した。更に、スペクトル拡散の影響が極めて小さいGaN界面ゆらぎ量子ドットについて、単一光子発生を観測することにも成功した。

(左)局在励起子ポラリトンからの発光
(右)GaN界面ゆらぎ量子ドットにおける単一光子発生を示す発光自己相関ヒストグラム

【主要発表文献】
[1] R. Tao, et al., Appl. Phys. Lett. 107, 101102(2015). 
[2] R. Tao, et al., PLMCN17, Tu14 (2016). 
[3] F. Le Roux, et al., 63rd JSAP Spring Meeting, 19p-H121-3(2016). 
[4]M. Holmes, et al., Phys. Rev. B 92, 115447 (2015).

量子ドット‐フォトニック結晶系の共振器量子電磁力学

量子ドット-フォトニック結晶ナノ共振器結合系は、固体中で大きな共振器量子電磁力学効果を発現させることが可能であり、高効率単一光子光源や超低閾値レーザなどへの応用が期待されている。我々は系特有の物理現象の解明・制御を目的とし、様々な特徴を有するフォトニック結晶ナノ共振器を用いて基礎光学現象の観測に取り組んでいる。これまでに、単一光子-単一励起子間の強い相互作用に起因する真空ラビ分裂を観測した他、固体系においては初めて単一量子系からの二光子自然放出の観測にも成功した。また、量子ドットからの自然放出光を利用する分光技術の開発や走査型電子顕微鏡を用いたナノ共振器中量子ドットの位置検出技術の開発も進めている。

量子ドット-フォトニック結晶結合系からの発光スペクトル

【主要発表文献】
[1] Y. Ota et al., Phys. Rev. Lett. 107, 233602 (2011).
[2] Y. Arakawa et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 18, 1818 (2012).
[3] K. Kuruma, et al., Appl. Phys. Lett. 109, 071110 (2016).
[4] Y. Ota, et al., Phys. Rev. Lett. 114, 143603 (2015).

1.5 μm帯量子ドット単一光子源と量子鍵配付システムの開発

量子鍵配付は物理学的原理により安全性が保証された極めて高セキュアな秘密鍵共有手段である。そのためのキーデバイスが、光子を一個ずつ生成する単一光子源である。我々はこれまで、長距離伝送に有利な1.5 μm波長帯において高効率の量子ドット単一光子源を開発し、50 kmでの量子暗号鍵伝送を報告してきた[1]。今回、量子ドットへの光励起条件などを最適化することで、距離制限要因となる多光子生成率を最大2500分の1(減衰レーザ光比)まで抑制した世界最高純度の1.5 μm波長帯単一光子源を実現することに成功した。さらに、高純度単一光子源と超低ノイズ超伝導単一光子検出器を融合した量子鍵配付システムを新たに構築し、単一光子源方式で最長となる120 kmの量子暗号鍵伝送を達成した[2]。本成果により、主要都市圏をカバーする盗聴不可能な高セキュア通信の実現に大きく弾みがつくものと期待される。 

(左)単一光子量子鍵配付システムの写真
(右)伝送実験結果

【主要発表文献】
[1] K. Takemoto, et al., Appl. Phys. Express 3, 092802 (2010). 
[2] K. Takemoto, et al., Sci. Rep. 5, 14383 (2015). 

GaN材料を用いた室温単一光子源の開発

青紫色発光デバイスやハイパワー電子デバイスの材料として注目を集める窒化物半導体で形成された量子ナノ構造は、量子閉じ込めが強く、高温においても安定な励起子を有するため高温で動作する単一光子発生デバイスとして有望である。近年、我々は位置制御された窒化物ナノワイヤの成長に成功し、低面積密度、高い励起子分子結合エネルギー、及び、クリーンな発光スペクトルを有する高品質なGaNナノワイヤ量子ドットの形成にも成功した。このような高品質の位置制御ナノワイヤGaN量子ドットを用い、パルスレーザ励起により、350K(77℃)における単一光子発生を実現した。この結果は、室温より高温での単一光子発生の初めての事例であり、GaN量子ドットが高温動作する量子テクノロジーの基盤となり得ることを示した点において重要な成果である。

単一ナノワイヤ量子ドットの簡略図、及び、 350Kにおける単一光子発生を示すg(2) [t]の測定データ

【主要発表文献】
[1] M. Holmes, K. Choi, S. Kako, M. Arita, and Y. Arakawa, Nano Lett. 14, 982 (2014). 
[2] M. Holmes, S. Kako, K. Choi, M. Arita, and Y. Arakawa, ACS Photonics. 3, 543 (2016).

スピン-光子変換量子技術基盤

固体中の電子・正孔のスピン角運動量は演算用の量子ビットとして、光子は偏光を利用した通信用の量子ビットとして、量子情報処理技術への応用が期待されている。これらふたつの物理量を接続するのがスピン-光子間の角運動量変換であり、これを利用した量子中継器は、大規模な量子情報ネットワークに向けて注目を集めている。この変換を効率的に行うためには、円偏光を閉じ込める共振器が必要である。我々は、らせん状に屈折率が変調された三次元カイラルフォトニック結晶を用いて円偏光共振器を作製し、共振器モードを観測することに成功した。これは、円偏光における電場・磁場が描くらせん軌跡と同じ対称性をもつ構造によって、円偏光が制御されたためである。最近では、この円偏光共振器に量子ドットを導入し、ドット内のスピンと閉じ込めた円偏光との結合に取り組んでいる。

(左)三次元カイラルフォトニック結晶共振器のSEM像
(右)偏光バンドギャップ内に観測された共振器モード

【主要発表文献】
[1] S. Takahashi, et al., PLMCN17, We8 (2016). 
[2] 高橋他、第63回応用物理学会春季学術講演会、21a-S621-11 (2016).

量子ドットやフォトニック結晶を取り込んだ先端ナノフォトニックデバイスの実現に向けて研究を推進しています。特に産業界との強力な連携のもと、高品質量子ドットレーザの開発に取り組んでいます。更なる高性能化に向けて、高密度・高均一な高利得量子ドットの形成技術開発を進め、ファブリペロー型(FP)レーザの温度安定25 Gbps動作、分布帰還型(DFB)レーザの10 Gbps動作などを実現しています。さらに、シリコン基板上高効率光源の研究を中心に、次世代の光電子融合技術の開発も進めており、ウェハ融着法を用いてシリコン基板上で通信波長帯1.3μm量子ドットレーザやその高速直接変調動作を実現するなどの成果を挙げています。

 

 

ナノ光電子デバイス

量子ドットやフォトニック結晶を取り込んだ先端ナノフォトニックデバイスの実現に向けて研究を推進しています。特に産業界との強力な連携のもと、高品質量子ドットレーザの開発に取り組んでいます。更なる高性能化に向けて、高密度・高均一な高利得量子ドットの形成技術開発を進め、ファブリペロー型(FP)レーザの温度安定25 Gbps動作、分布帰還型(DFB)レーザの10 Gbps動作などを実現しています。さらに、シリコン基板上高効率光源の研究を中心に、次世代の光電子融合技術の開発も進めており、ウェハ融着法を用いてシリコン基板上で通信波長帯1.3μm量子ドットレーザやその高速直接変調動作を実現するなどの成果を挙げています。

高性能量子ドットレーザ技術の開発

量子ドットレーザは低しきい値電流、高い温度安定性等優れた特長を有し、光ファイバ通信用波長1.3 µm帯ファブリペロー型(FP)レーザは、(株)QDレーザにより製品化され、310万台以上出荷されている (2016年4月末)。更なる高性能化に向けて、高密度・高均一な高利得量子ドットの形成技術および歪安定化による活性層薄膜化技術開発を進め、波長1.3 µm帯量子ドットFPレーザの220℃発振、小信号変調3dB帯域の13 GHzまでの拡大を実現し、シリコンフォトニクス向け温度安定光源としての多チャンネル素子も開発している。この素子を搭載することにより、25℃から125℃の広い温度範囲において、世界最高クラス伝送帯域密度(15Tbps/cm2)でのシリコン光配線チップの無調整動作を世界で初めて実現することにも成功している。(富士通研、QDレーザ、PETRAとの共同研究)

(左)量子ドットFPレーザの構造
(右)量子ドットレーザアレイを搭載した高温動作可能な光配線チップ

【主要発表文献】
[1] T. Kageyama, et al., NAMBE2015, Mo-07, Mayan Riviera, Mexico (2015).
[2] T. Kageyama, et al., Phys. Status Solidi A 213 958–964 (2016).
[3] Y. Urino, et al., Electronics Letters, 50 1377 (2014).

量子ドット赤外線検出器の開発

量子ドット赤外線検出器(Quantum Dot Infrared Photodetector: QDIP)は、強いキャリア閉じ込めや垂直入射光に対する有限の感度などの特徴から、高感度かつ低暗電流な赤外線検出器として期待されている。我々はこのような高感度赤外線検出器を衛星や航空機に搭載し、中・遠赤外領域のリモートセンシングを行うことにより、水、大気、鉱物等、安全・安心な社会づくりに欠かせない情報の収集を目指している。 我々はこれまで主に単素子試料の評価により、QDIPの特性向上に取り組んできたが、赤外画像取得のためのアレーセンサの開発にも取り組んでいる。右図に示した構造の量子ドットを成長させたウェハから256 x 320ピクセルのアレー素子を作製した。それを読出し用ICと貼りあわせて撮像素子を作製し、半田ごての明瞭な赤外画像の取得に成功した。(NECとの共同研究)

(左)量子ドット層構造断面
(中)撮像素子の模式図
(右)取得したはんだごての赤外画像

【主要発表文献】
[1] 黄他、第63回応用物理学会春季学術講演会、21p-P2-7 (2016).

シリコン集積量子ドットデバイスの開発

低発振閾値電流、高温度動作安定性という特性から、III-V族化合物半導体の量子ドットレーザをシリコン基板ないしシリコン光導波路上に形成したハイブリッドタイプの素子は、光電子集積回路の実現に有望である。これまでに、直接ウェハ融着法とメタルウェハ融着法を用いてシリコン基板上量子ドットレーザの実現及び100℃以上の高温動作に成功した。最近、シリコン基板上量子ドットレーザを作成し、室温における10Gbpsの直接変調動作、さらに高温の60℃における6Gbps直接変調動作を達成している。これらの成果は、次世代の超高速演算、超大容量通信技術をもたらす低消費電力・超高密度光LSIへの布石である。また、光電子集積回路の光源に向けたシリコン導波路上量子ドットレーザを設計し、その作製に取り組んでいる。(PETRA 、QDレーザ、NTTとの共同研究)

(左)シリコン導波路上量子ドットレーザ及び高温動作を示す発振特性
(右)シリコン基板上量子ドットレーザ及び直接変調時のアイパターン

【主要発表文献】
[1] Jhang他、第63回応用物理学会春季学術講演会、20p-S621-1 (2016).
[2] K. Tanabe, and Y. Arakawa, CLEO, STh1G.6 (2014).
[3] B. Jang, et al., Appl. Phys. Express, 9, 9, 092102 (2016).

 

 

IoTフォトニクス基盤技術開発 

フォトニクス技術によるモノのインターネット(IoT)の実現に貢献するため、高効率エネルギー変換デバイスや次世代ナノレーザ、光電子融合集積システム技術などの研究開発に取り組んでいます。一例として、中間バンド型太陽電池において理論効率75%が達成可能であることを示すと共に、高度な成長技術を活かした高性能量子ドット太陽電池の作製を進めています。また、高品質フォトニック結晶ナノ共振器を用いた単一量子ドットレーザ、室温動作ナノワイヤ量子ドットレーザの実現にも成功しています。

ナノレーザ(極低電力レーザ)の開発

有限少数個の高品質量子ドットをゲイン媒質とすることで、極低電力動作が可能な革新的ナノレーザの実現が期待できる。我々は、二次元フォトニック結晶の極めて強い光閉じ込め効果を活用した超低閾値ナノ共振器レーザ、無閾値レーザ発振、さらには単一量子ドットによるレーザ発振の実現に成功している。また、マイクロマニピュレーション法を用いて三次元フォトニック結晶ナノ共振器を作製し、そのレーザ発振にも成功している。また、積層量子ドット構造を含むGaAs単一ナノワイヤにおいて室温レーザ発振を世界で初めて実証するとともに、銀薄膜上に転写したInGaAs//GaAsナノワイヤ量子ドットにおいて、プラズモニックレーザ発振を観測した。これらの成果は、高密度光集積および高速強度変調可能な超低消費電力ナノレーザの実現に向けて、重要な進展と位置づけられる。

(左)単一量子ドットレーザ
(右)ナノワイヤレーザ

【主要発表文献】
[1]M. Nomura, et al., Nat. Phys. 6, 279 (2010). 
[2]A. Tandaechanurat, et al., Nat. Photonics 5, 91 (2010).
[3] J. Tatebayashi, et al., Nat. Photonics 9, 501 (2015).
[4] J. Ho, et al., Nano Lett. 16, 2845 (2016).

光電子融合集積システム技術の開発

スパコンの性能は四年毎に約10倍高速化しており、2020年には現在の100倍の1EFlopsに達する見込みである。これに伴い、LSIチップ間インターコネクトには10Tbps以上の帯域幅が必要になると予測される。この帯域幅を実現するには光インターコネクトが必要になる。本研究では電気回路と光回路の特徴を活かした光電子融合集積システム技術開発を目標に研究を進めている。特に、情報機器の小型化と低消費電力化の観点からIoTフォトニクス基盤技術に貢献することを目指す。我々はこれまでに、InAs/GaAs量子ドットレーザアレイのフリップチップ実装によるシリコン光回路チップ上への集積化、125 ºCという高温での20 Gpbs高速変調動作、さらに、19 Tbps/cm2という高伝送密度を達成している。これらの成果は、超小型、超低消費電力駆動デバイスの実現へ向けた重要な進展と位置づけられる。(PETRAとの共同研究)

(左)量子ドットレーザアレイを搭載した高温動作可能な光配線チップ
(右)高温動作時に得られたアイパターン

【主要発表文献】
[1] Y. Urino, et al., J. Lightwave Technol. 33, 1223–1229 (2015). 
[2] Y. Urino, et al., Electron. Lett. 50, 1377–1378 (2014).

高効率量子ドット太陽電池の基盤技術開発

量子ドットを用いた中間バンド太陽電池は次世代の超高効率太陽電池として期待されている。我々は、バンド構造を適切に設計することにより中間バンド数が4 つの場合にエネルギー変換効率で最大約75%、さらに中間バンド数を増やすことにより80%に近づくことを理論的に明らかにした。また、デバイス実証を試み、18.7%という高効率の量子ドット太陽電池、低温融着技術によるプラスチックフィルム上のフレキシブルな薄膜型量子ドット太陽電池を実現している。現在、太陽光スペクトル整合に向けた量子ドット構造の最適化に取り組んでいる。(シャープとの共同研究)

(左) 理論変換効率のシミュレーション
(右) 太陽光スペクトル整合に向けた量子ドット構造の吸収ピークシフト

【主要発表文献】
[1] T. Nozawa, and Y. Arakawa, Appl. Phys. Lett. 98, 171108 (2011). 
[2] K. Tanabe, et al., Appl. Phys. Lett. 100, 193905 (2012). 
[3] K. Tanabe, et al., Appl. Phys. Lett. 100, 192102 (2012). 
[4] 吉川他、第63回応用物理学会春季学術講演会、19p-W541-11 (2016).