倉久史1,2 倉持栄一1,2 谷山秀昭1,2 納富雅也1,2
1ナノフォトニクスセンタ 2量子光物性研究部
シリコン中の不純物は励起子を強く束縛することからフォノンを介さない発光が可能で、さらに長寿命のスピンをもつことから、近年励起子を介した光操作が可能な量子ビットとして注目されている。しかしオージェ過程などの非発光過程により、光と不純物の相互作用は効率的ではない。そこで本研究では銅等電子中心とシリコンフォトニック結晶ナノ共振器に注目した。等電子中心は深い不純物に強く束縛された励起子であり、オージェ過程がなく発光量子効率が高い[1]。さらに高Q 値の光ナノ共振器を用いることで、等電子中心の自然放出が加速され（パーセル効果）、光と不純物の相互作用を大きく増強することが可能である。
我々は新たに開発した銅イオン注入と高速アニールを用いる方法によってSOI基板に銅等電子中心をドープし、その上にフォトニック結晶共振器を作製した。PL測定で得られたQ 値7200の共振器における発光スペクトルと発光の時間発展を図1に示す。1227.5 nm付近に銅等電子中心の発光ピーク、その短波長側に共振器由来のピークが見られた。キセノンガスの堆積によって共振器波長を銅等電子中心の発光波長に近づけたとき等電子中心の発光強度とレートは増大し、完全同調時に最大となった。また図2に銅等電子中心発光レートの共振器Q /V 値依存性を示す。発光レートは共振器のQ /V 値にほぼ比例することが明らかになった。理論との比較から、この結果は共振器によるパーセル効果が銅等電子中心に働いていることを示している。なお最高Q 値16000の共振器では、共振器のないSOI基板と比べて発光レートは約30倍となり発光寿命は1.1 nsであった。これは非発光寿命（約40 ns）より短いことから、量子効率はほぼ1に近いと考えられる。
これらの結果により、高効率で高速に動作する新たなシリコン発光デバイスの開発やシリコン中の不純物を量子ビットとする量子光学デバイスの実現が期待できる。
[1] S. P. Watkins et al., Solid State Commun. 43 (1982) 687.
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