(57)【要約】【課題】量子ドットの位置が所定の位置になるように光半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】光半導体素子の製造方法は、基板１１上に、第１量子ドット１３を形成し、且つ第１量子ドット１３を埋め込むように第１バリア層１４を形成する第１工程と、第１バリア層１４上に、自己形成法を用いて、第１量子ドット１３の位置と一致するように第２量子ドット１７を形成して、量子ドット積層体を形成する第２工程と、第２量子ドット１７の位置に基づいて、第２の量子ドットを覆うマスクを形成する位置を決定し、マスクを、量子ドット積層体上の決定された位置に形成する第３工程と、マスクを用いて、量子ドット積層体をエッチングする第４工程と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１量子ドットを形成し、且つ前記第１量子ドットを埋め込むように第１バリア層１４を形成する第１工程と、
前記第１バリア層上に、自己形成法を用いて、前記第１量子ドットの位置と一致するように第２量子ドットを形成して、量子ドット積層体を形成する第２工程と、
前記第２量子ドットの位置に基づいて、前記第２量子ドットを覆うマスクを形成する位置を決定し、前記マスクを、前記量子ドット積層体上の決定された位置に形成する第３工程と、
前記マスクを用いて、前記量子ドット積層体をエッチングする第４工程と、
を備える光半導体素子を製造する方法。
【請求項２】
前記第３工程では、
前記第２量子ドットの位置を求めるための指標を、前記基板上に形成し、
前記指標に基づいて、前記第２量子ドットの位置を求め、
求められた前記第２量子ドットの位置に基づいて、前記マスクが形成される前記量子ドット積層体上の位置を決定する請求項１に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項３】
前記第４工程の後に、
前記量子ドット積層体から前記マスク及び前記第２量子ドットを除去する第５工程を備える請求項１又は２に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項４】
前記第１工程と前記第２工程との間に、
前記第１バリア層上に、自己形成法を用いて、前記第１量子ドットの位置と一致するように第３量子ドットを形成し、且つ前記第３量子ドットを埋め込むように第２バリア層を形成する第６工程を備え、
前記第２工程では、前記第２バリア層上に、自己形成法を用いて、前記第３量子ドットの位置と一致するように前記第２量子ドットを形成する請求項１〜３の何れか一項に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項５】
前記第６工程では、前記第１バリア層上に、複数の前記第２バリア層及び前記第３量子ドットを形成する請求項４に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項６】
前記第４工程の後に、
前記第２量子ドットと、最上層の前記第２バリア層及び前記第３量子ドットを除去する第７工程を備える請求項５に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項７】
前記第３量子ドットの伝導帯の基底エネルギー準位は、前記第１量子ドットの基底エネルギー準位よりも高い請求項４〜６の何れか一項に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項８】
前記第３量子ドットの寸法は、前記第１量子ドットの寸法よりも小さい請求項４〜７の何れか一項記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項９】
前記第２量子ドットの寸法は、前記第１量子ドットの寸法よりも大きい請求項１〜８の何れか一項に記載の光半導体素子を製造する方法。
【請求項１０】
基板上に、複数の第１量子ドットを形成し、且つ複数の前記第１量子ドットを埋め込むように第１バリア層を形成する第１工程と、
複数の第２量子ドットを、自己形成法を用いて、それぞれの前記第２量子ドットが、前記第１量子ドットの位置と一致するように前記第１バリア層上に形成する第２工程と、
複数の前記第２量子ドットの内の一の前記第２量子ドットの位置に基づいて、前記一の第２量子ドットを覆うマスクを形成する位置を決定し、前記マスクを、前記量子ドット積層体上の決定された位置に形成する第３工程と、
前記マスクを用いて、前記量子ドット積層体をエッチングする第４工程と、を備える光半導体素子を製造する方法。
【請求項１１】
基板と、
前記基板上に形成された第１量子ドット、及び前記第１量子ドットを埋め込むように形成された第１バリア層と、
前記第１バリア層上に配置され、前記第１量子ドットの位置と一致するように形成された第２量子ドット、及び前記第２量子ドットを埋め込むように形成された第２バリア層を有する第２バリア層と、
を備え、
前記第２量子ドットの伝導帯の基底状態のエネルギー準位は、前記第１量子ドットの基底状態のエネルギー準位よりも高い光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子及び光半導体素子を製造する方法の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光子を生成する光半導体素子が用いられている。光半導体素子は、励起光の照射又は電流の注入によって半導体中に電子と正孔を生成し、それらが再結合することで生ずる光子を出力する。
【０００３】
光と物質の量子的な状態を操作し、情報処理に活用する量子情報技術が注目されている。量子情報技術の代表的なアプリケーションとして、量子暗号通信（量子鍵配布等）又は量子演算がある。これらのアプリケーションを用いることにより、安全性が高い情報通信又は所定のアルゴリズムを用いた高速演算等が可能となる。量子情報技術の一部においては制御された単一光子の量子状態を用いるので、単一光子を制御して発生することが求められる。
【０００４】
単一光子を生成する光半導体素子として、固体材料による集積可能性・動作安定性又は発光波長の制御性等の観点から半導体の量子ドットを用いることが研究されており、近紫外波長領域から光ファイバの通信波長帯までの領域で動作する光半導体素子が実証されている。
【０００５】
単一光子を発生する光半導体素子の特性を表すパラメータとして、発光波長、単一光子の純度を示す２次相関関数、単一光子を光半導体素子から外部へ取り出す効率を表す光取出し効率および繰り返し周波数等がある。これらのパラメータの中でも、光取出し効率は、光半導体素子の構造に強く依存するので、高い効率を実現する構造が求められる。光半導体素子の構造は、生成した単一光子を、外部の光学系に導入するまでの効率を含めて設計される。高い光取出し効率を有する光半導体素子の構造として、例えば、メサ型構造、ホーン型構造、金属コートメサ構造、ポスト型ＤＢＲ共振器構造、２次元フォトニック結晶構造等の構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１４１４７７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ａ．Ｄｏｕｓｅｅ，  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｌｉｇｈｔ−Ｍａｔｔｅｒ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｆｏｒ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｉｎ  ａ  Ｐａｉｒ  Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆａｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  １０１，  ２６７４０４  （２００８）
【非特許文献２】Ｔ．Ｋｏｊｉｍａ，  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ａｃｃｕｒａｔｅ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｎａｎｏｃａｖｉｔｙ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ”，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  １０２，  ０１１１１０  （２０１３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高い光取出し効率を得るには、光子を生成する量子ドットと、生成した単一光子を外部へ取り出す光学構造との位置関係を正確に合わせて形成することが求められる。
【０００９】
通常、光半導体素子を形成する場合には、光子を生成する量子ドットが形成された基板を加工して、内部に量子ドットを含むように光学構造が形成される。しかし、一般的な量子ドット形成技術である半導体ヘテロ界面における格子不整合を利用したＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ（ＳＫ）成長法を用いると、良好な半導体量子ドット結晶が得られる反面、位置に関してはほぼランダムに決定されてしまう。そこで、量子ドットと光学構造との位置関係を調節する方法として、第一は量子ドットの成長方法に手を加え、例えば、量子ドットの位置をプリパターンに合わせて成長し、それに光学構造の位置を合わせて形成する方法が提案されている。また、第二は、量子ドットの成長方法自体には手を加えず、自己形成法を用いて基板上にランダムに形成される量子ドットの位置を、量子ドットの発光を測定することにより求めて、求められた量子ドットの位置に合わせて光学構造を形成する方法が提案されている。
【００１０】
前者(第一)の場合、量子ドットが形成される位置を特定するためのメサ構造等のプリパターンが基板上に形成され、形成されたプリパターン上に量子ドットが形成される。この時、形成されたプリパターンの影響により量子ドットの界面に結晶欠陥が生じて、量子ドットの発光特性が劣化する場合がある。単一光子を発生する光半導体素子では、単一の量子ドットから放出される個々の光子を一個ずつ情報処理に直接使用するので、発光特性の劣化の影響は大きく、単一光子の生成効率を低減する要因となる。また、プリパターンが光学リソグラフィー法を用いて形成される場合、光学構造の設計の寸法に関する自由度が制限されるなどの短所もある。
【００１１】
後者(第二)の場合、ＳＫ成長モードを用いた自己形成法を用いて、基板上に量子ドットがランダムに形成される。そして、基板を低温（約４ケルビン）に冷却した状態で単一量子ドットの発光する位置を特定し、特定された単一量子ドットを含むようにマスクを形成し、マスクを用いて基板をエッチングして光学構造が形成される。この場合、基板を低温に冷却して量子ドットの発光を測定する必要があるので、極めて多くの工数を要する。また、量子ドットの密度が高い(例えば、量子ドット密度が１０10ＱＤｓ／ｃｍ２の場合は１μｍ２に量子ドット１００個）場合には、光学的な位置分解能（１〜１．５μｍ以下程度）の問題で個別の量子ドットの発光に基づいて位置を特定することは困難となる。通常、自己形成法を用いて形成される量子ドットの密度は、１０９〜１０１０ＱＤｓ／ｃｍ２であるので、後者の方法を用いて光学構造を形成することは難しいと考えられる。
【００１２】
本明細書では、上述した問題点を解決するために簡便に量子ドットの位置を特定し、特定された量子ドット位置に合わせたマスク形成を実現することを課題とする。
【００１３】
また、本明細書では、上述した問題点を解決し得る量子ドット位置特定と、特定された位置に合わせたマスク形成を用いた光半導体素子の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、基板と、上記基板上に形成された第１量子ドット、及び上記第１量子ドットを埋め込むように形成された第１バリア層と、上記第１バリア層上に配置され、上記第１量子ドットの位置と一致するように形成された第２量子ドット、及び上記第２量子ドットを埋め込むように形成された第２バリア層と、を備え、上記第２量子ドットの伝導帯の基底状態のエネルギー準位は、上記第１量子ドットの基底状態のエネルギー準位よりも高い。
【００１５】
また、本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、基板上に、第１量子ドットを形成し、且つ上記第１量子ドットを埋め込むように第１バリア層を形成する第１工程と、上記第１バリア層上に、自己形成法を用いて、上記第１量子ドットの位置と一致するように第２量子ドットを形成して、量子ドット積層体を形成する第２工程と、上記第２量子ドットの位置に基づいて、上記第２の量子ドットを覆うマスクを形成する位置を決定し、上記マスクを、上記量子ドット積層体上の決定された位置に形成する第３工程と、上記マスクを用いて、上記量子ドット積層体をエッチングする第４工程と、を備える。
【００１６】
更に、本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の他の一形態によれば、基板上に、複数の第１量子ドットを形成し、且つ複数の上記第１量子ドットを埋め込むように第１バリア層を形成する第１工程と、複数の第２量子ドットを、自己形成法を用いて、それぞれの上記第２量子ドットが、上記第１量子ドットの位置と一致するように上記第１バリア層上に形成する第２工程と、複数の上記第２量子ドットの内の一の上記第２量子ドットの位置に基づいて、上記一の第２量子ドットを覆うマスクを形成する位置を決定し、上記マスクを、上記量子ドット積層体上の決定された位置に形成する第３工程と、上記マスクを用いて、上記量子ドット積層体をエッチングする第４工程と、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
上述した本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、高い発光強度が得られる。
【００１８】
また、上述した本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一形態によれば、量子ドットの位置に合わせて、所定の位置に光学構造を配置した光半導体素子を形成することができる。
【００１９】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２０】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本明細書に開示する光半導体素子の第１実施形態を示す図である。
【図２】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その１）を示す図である。
【図３】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その２）を示す図である。
【図４】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その３）を示す図である。
【図５】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その４）を示す図である。
【図６】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その５）を示す図である。
【図７】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その６）を示す図である。
【図８】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その７）を示す図である。
【図９】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その８）を示す図である。
【図１０】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その９）を示す図である。
【図１１】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その１０）を示す図である。
【図１２】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第１実施形態の工程（その１１）を示す図である。
【図１３】本明細書に開示する光半導体素子の第２実施形態を示す図である。
【図１４】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態の工程（その１）を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態の工程（その２）を示す図である。
【図１６】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態の工程（その３）を示す図である。
【図１７】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態の工程（その４）を示す図である。
【図１８】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態の工程（その５）を示す図である。
【図１９】本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の第２実施形態の工程（その６）を示す図である。
【図２０】本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態の断面図を示す図である。
【図２１】本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態の平面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本明細書で開示する光半導体素子の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００２３】
図１は、本明細書に開示する光半導体素子の第１実施形態を示す図である。
【００２４】
本実施形態の光半導体素子１０は、外部から励起光を入力して単一光子を生成し、生成した光子を出力する。出力された光子は、レンズ等の光学素子を用いて光ファイバ等の光導波路または空間伝送用の平行光として受信者側に伝搬され得る。
【００２５】
光半導体素子１０は、励起光を入力し且つ生成した光子を出力する入出力面１０ｂと、励起光を入力して所定の波長を有する単一光子を生成する第１量子ドット１３と、第１バリア層１４上に積層された複数の第２バリア層１６を有する光学構造１０ａを備える。特に図示しないが、入出力面１０ｂは反射防止膜などの誘電体薄膜を付加した構造でも良い。第１バリア層１４は、第１量子ドット１３を埋め込むように形成される。第２バリア層１６は、歪み伝達量子ドット１５を埋め込むように形成される。
【００２６】
光学構造１０ａは、第１量子ドット１３で生成された単一光子を、入出力面１０ｂから効率良く出力する構造を有する。最上層の第２バリア層１６の外部に露出している面は、第１量子ドット１３で生成された単一光子を入出力面１０ｂ側に全反射する反射面１０ｃとして機能する。光学構造１０ａは、入出力面１０ｂ側から反射面１０ｃ側に向かって幅が狭まりながら延びるテーパ形状を有する。また反射面１０ｃは基板１１方向への反射率を向上するために上に凸の曲面でも良い。基板１１方向への光取り出し効率を向上させる技術として、例えば、Ｋａｚｕｙａ  Ｔａｋｅｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．，”Ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｈｏｒｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ  ｕｓｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ  ａｔ  ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１０１，０８１７２０  （２００７）を参照されたい。
【００２７】
詳しくは後述するが、光半導体素子１０では、光取り出し効率を高めるために、第１バリア層１４内の第１量子ドット１３の位置に合わせて光学構造１０ａが形成される。第１量子ドット１３は、ＳＫ成長モードを用いた自己形成法を用いて形成されており、基板１１上にランダムに形成される。そこで、第１量子ドット１３の位置と一致するように、第１バリア層１４上に形成された歪み伝達量子ドット１５等を用いて、光学構造１０ａが第１量子ドット１３の位置に合わせて形成される。第２バリア層１６の積層される数は、光学構造１０ａが量子ドット１３から放出される光の基板１１方向への光取り出し効率を高めるように決定され得る。
【００２８】
次に、光半導体素子１０の構造について、更に以下に詳述する。
【００２９】
光半導体素子１０は、半導体基板１１と、半導体基板１１上に配置されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に配置された第１量子ドット１３と、第１量子ドット１３上に形成された第一バリア層１４と、第１バリア層１４上に積層される複数の第２バリア層１６を備える。
【００３０】
バッファ層１２は、半導体基板１１と格子整合する材料からなり、主に半導体基板１１と同じ材料を用いることができる。また第１バリア層１４は、半導体基板１１と格子整合する材料からなり、主に半導体基板１１と同じ材料を用いることができる。
【００３１】
第１量子ドット１３は、所定の励起光を入力して、所定の波長を有する光子を生成するエネルギー準位を有する。第１量子ドット１３及び第１バリア層１４の寸法又は形成材料は、第１量子ドット１３がそのような所定のエネルギー準位を有するように決定され得る。通常、第１バリア層１４の形成材料は、半導体基板１１と同じ材料が用いられる。
【００３２】
第１バリア層１４の厚さｄ２は、歪み伝達量子ドット１５が、ＳＫ法を用いて、第１量子ドットと一致する位置に形成されるように第１量子ドット１３に起因する歪みが伝達される厚さとすることが好ましい。具体的には、第１量子ドット１３と歪み伝達量子ドット１５との間隔ｄ３が、第１量子ドット１３に起因する歪みが伝達される距離となるように決定される。通常、ＳＫ法を用いて、歪み伝達量子ドット１５が、第１量子ドット１３の位置と一致するように形成されるには、厚さｄ２を３０ｎｍ以下にすることが好ましい。第１量子ドット１３の高さｄ１は、通常、数ｎｍ（例えば３ｎｍ〜１０ｎｍ）であるので、例えば、厚さｄ２を１０〜３０ｎｍとし、間隔ｄ３を７ｎｍ〜２７ｎｍとすることができる。
【００３３】
複数の第２バリア層１６は、上述したように、第１量子ドット１３の位置に合わせて光学構造１０ａを形成する時に用いられるものであり、第１量子ドット１３と歪伝達量子ドット１５との間に光学的又は電気的な相互作用を有さないことが好ましい。
【００３４】
この観点から、歪伝達量子ドット１５の伝導帯の基底状態のエネルギー準位Ｆ１を、第１量子ドット１３の伝導帯の基底状態のエネルギー準位Ｅ１よりも高くし、且つ、歪伝達量子ドット１５の価電子帯の基底状態のエネルギー準位Ｆ２を、第１量子ドット１３の価電子帯の基底状態のエネルギー準位Ｅ２よりも低くして、第１量子ドット１３が生成した光子が歪伝達量子ドット１５に吸収されることを防止し得る。このような構成を用いることにより、同時に、第１量子ドット１３内に生成された電子又は正孔が、歪伝達量子ドット１５にトンネル電流として移動することも防止される。
【００３５】
歪み伝達量子ドット１５の形成材料は、第１量子ドット１３と同じであっても良いし、異なっていても良い。
【００３６】
歪み伝達量子ドット１５の形成材料が第１量子ドット１３と同じ場合、通常、量子ドット１５の基底状態のエネルギー準位は、量子ドットの寸法が小さくすることにより高くなる。特に、エネルギー準位は、量子ドットの高さと相関が強い。
【００３７】
この観点から、歪み伝達量子ドット１５の寸法を、第１量子ドット１３の寸法よりも小さくすることが好ましい。具体的には、歪み伝達量子ドット１５の高さｄ４を、第１量子ドット１３の高さｄ１よりも小さくすることが好ましい。
【００３８】
また、歪み伝達量子ドット１５を、第１量子ドット１３とは異なる材料を用いて形成することにより、歪伝達量子ドット１５の伝導帯の基底状態のエネルギー準位Ｆ１を、第１量子ドット１３の基底状態のエネルギー準位Ｅ１よりも高く、また価電子帯の基底状態のエネルギー準位Ｆ２を、第１量子ドット１３の基底状態のエネルギー準位Ｅ２よりも低くしてもよい。
【００３９】
通常、トンネル電流は、量子ドット同士の間隔を５ｎｍ以上とすることにより抑制することができるので、トンネル電流を抑制する観点から、間隔ｄ３を５ｎｍ以上にすることが好ましい。
【００４０】
上述した間隔ｄ３に対する考え方をまとめると、第１量子ドット１３と歪み伝達量子ドット１５との間に位置する第１バリア層１４の間隔ｄ３は、歪みを伝達する観点からは小さいことが好ましいが、一方、トンネル電流を防止する観点からは大きいことが好ましい。そこで、間隔ｄ３は、両観点を考慮して決定されることが好ましい。
【００４１】
次に、上述した本実施形態の光半導体素子１０の製造方法の好ましい一実施形態を、図面を参照して、以下に説明する。
【００４２】
まず、図２に示すように、半導体基板１１上にバッファ層１２が、エピタキシャル成長により形成される。半導体基板１１の形成材料として、例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＰを用いることができる。バッファ層１２の形成材料としては、半導体基板１１と同じ材料を用いる。バッファ層１２の厚さとしては、例えば３００ｎｍとすることができる。
【００４３】
次に、図３に示すように、ＳＫ法を用いて、結晶性の複数の第１量子ドット１３が、バッファ層１２上にランダムにエピタキシャル成長により形成される。第１量子ドット１３の形成材料としては、ＩｎＡｓを用いることができる。また、半導体基板１１がＧａＡｓを用いて形成される場合には、第１量子ドット１３の形成材料としては、ＩｎＡｓを用いることができ、第１量子ドット１３の形成材料として、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓ等の混晶を用いても良い。また、半導体基板１１がＩｎＰを用いて形成される場合には、第１量子ドット１３の形成材料として、ＩｎＧａＡｓＰ等の混晶を用いても良い。第１量子ドット１３は、ＳＫ法を用いて、例えば１０９ＱＤｓ／ｃｍ２程度の密度で形成され得る。図示していないが、複数の第１量子ドット１３は、ぬれ層によってつながっている。
【００４４】
そして、複数の第１量子ドット１３を埋め込むように第１バリア層１４をエピタキシャル成長により形成する。第１バリア層１４の形成材料としては、半導体基板１１と同じ材料を用いることが出来る。また、半導体基板１１がＧａＡｓを用いて形成される場合には、第１バリア層１４の形成材料として、ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＡｓ等の混晶を用いても良い。また、半導体基板１１がＩｎＰを用いて形成される場合には、ＩｎＰと格子整合する第１バリア層１４の形成材料として、ＩｎＧａＡｓＰ等の混晶を用いても良い。
【００４５】
次に、図４に示すように、複数の歪み伝達量子ドット１５が、ＳＫ法を用いて、それぞれの歪み伝達量子ドット１５が、第１量子ドット１３の水平方向の位置と一致するように第１量子バリア層１４上にエピタキシャル成長により形成される。ＳＫ法を用いることにより、第１量子ドット１３に起因する歪みを有する第１バリア層１４上の位置に対応して、歪み伝達量子ドット１５が、第１量子ドット１３の上方に成長する。ここで、第１量子ドット１３の水平方向は、各層の積層方向と直交する向きである。
【００４６】
歪み伝達量子ドット１５の寸法は、第１量子ドット１３の寸法よりも小さく形成する。歪み伝達量子ドット１５の形成材料は、第１量子ドット１３と同じであっても良いし、異なっていても良い。異なる場合には、半導体基板１１がＧａＡｓを用いて形成される場合には、第１量子ドット１３をＩｎＡｓを用いて形成し、歪み伝達量子ドット１５をＩｎＧａＡｓまたはＩｎＡｌＡｓを用いて形成しても良い。半導体基板１１がＩｎＰを用いて形成される場合には、第１量子ドット１３をＩｎＡｓを用いて形成し、歪み伝達量子ドット１５をＩｎＧａＡｓＰを用いて形成しても良い。歪み伝達量子ドット１５の寸法は、第１量子ドットよりも小さく形成する。歪み伝達量子ドット１５の寸法は、原料ビームの照射時間又は半導体基板１１の温度等を制御して調整され得る。図示していないが、複数の歪み伝達量子ドット１５は、ぬれ層によってつながっている。
【００４７】
次に、図５に示すように、図４で説明した工程が繰り返されて、第１バリア層１４上に、複数の歪み伝達量子ドット１５及び第２バリア層１６が形成される。第１量子ドット１３の水平方向の位置は、複数の歪み伝達量子ドット１５が積層されることにより、上方に伝達される。第２バリア層１６が積層される数によって、第１量子ドット１３と反射面１０ｃとの間の距離が決定される。この距離は、光取り出し効率に影響を与える。そこで、第２バリア層１６が積層される数は、光取り出し効率を高めるように決定され得る。第２バリア層１６の厚さｄ５は、歪み伝達量子ドット１５を介して、第１量子ドット１３の位置を正確に積層方法へ伝達する観点から、小さいことが好ましい。例えば、厚さｄ５として、１０〜２０ｎｍとすることができる。
【００４８】
次に、図６に示すように、複数の第２量子ドット１７を、ＳＫ法を用いて、それぞれの第２量子ドット１７が歪み伝達量子ドット１５の水平方向の位置と一致するように、最上層の第２バリア層１６上にエピタキシャル成長により形成されて、量子ドット積層体３０が形成される。ＳＫ法を用いることにより、歪み伝達量子ドット１５に起因する歪みに対応して、第２量子ドット１７の位置が、歪み伝達量子ドット１５の上方に成長する。ここで、歪み伝達量子ドット１５の水平方向は、各層の積層方向と直交する向きである。
【００４９】
第２量子ドット１７の寸法は、第１量子ドット１３の寸法よりも小さく形成する。このようにして、複数の第２量子ドット１７が、複数の歪み伝達量子ドット１５及び第２バリア層１６を介して、それぞれの第２量子ドット１７が、第１量子ドット１３の位置と一致するように形成される。
【００５０】
第２量子ドット１７は、その位置を測定するために、ＳＥＭ等を用いて観測され得る大きさを有することが好ましい。この観点から、第２量子ドット１７の寸法は、第１量子ドット１３の寸法よりも大きいことが好ましい。第２量子ドット１７の寸法として、例えば、３０〜５０ｎｍとすることができる。第２量子ドット１７の高さｄ６は、例えば、５〜２０ｎｍとすることができる。
【００５１】
次に、図７及び図８に示すように、複数の第２量子ドット１７の内の一の第２量子ドット１７の位置を求めるための指標となるマーカ３１ａ〜３１ｄが、最上層の第２バリア層１６上に形成される。マーカ３１ａ〜３１ｄは、例えば、量子ドット積層体３０の周囲に形成される。
【００５２】
マーカ３１ａ〜３１ｄは、第２バリア層１６上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕが積層された金属層として又は、第２バリア層１６がパターニングされて形成され得る。
【００５３】
マーカ３１ａ〜３１ｄの寸法は、ＳＥＭ等で観測できる大きさであれば良く、例えば数十ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。
【００５４】
なお、マーカ３１ａ〜３１ｄは、バリア層を形成する前に、半導体基板１１上のバリア層等が積層されない領域に形成しておいても良い。
【００５５】
マーカ３１ａに基づいて、一の第２量子ドット１７の位置を求める作業は、ＳＥＭ等の電子線描画装置のモニタを用いて行うことができる。電子線描画装置のモニタを用いると、次の工程において、電子線リソグラフィー法を用いて、マスクを形成する作業性が良くなる。また、この作業は、ＡＦＭを用いても良い。
【００５６】
そして、一の第２量子ドット１７の位置が、マーカ３１ａを原点とする座標（ｘ、ｙ）を用いて特定される。特定される一の第２量子ドット１７は、他の第２量子ドット１７とは離れているものを用いることが、形成される光学構造１０ａ内に含まれる第１量子ドットの数を少なくする観点から好ましい。そして、特定された一の第２量子ドット１７の位置に基づいて、この一の第２量子ドットを覆うマスクを形成する位置が決定される。複数のマーカを用いると、マーカ間の位置関係に基づいて、温度による材料の膨張収縮による影響を補正することができる。
【００５７】
そして、特定された一の第２量子ドット１７の位置に基づいて、この一の第２量子ドット１７を覆うマスクを形成する位置が量子ドット積層体３０上に決定される。マスクの形状および位置は、マスクを用いて、光取り出し効率が高い光学構造が形成されるように決定される。このようにして、マスクの下方に第１量子ドット１３が位置するように、マスクが形成される位置を正確に決定することができる。
【００５８】
次に、図９に示すように、マスク３２が、量子ドット積層体３０上の決定された位置に形成される。本実施形態では、電子線描画装置を用いた電子線リソグラフィー法により、マスク３２が形成される。図９に示す例では、マスク３２は、特定された１個の第２量子ドットを覆うように形成されているが、マスク３２は、他の第２量子ドットも覆うように形成されていても良い。
【００５９】
マスク３２は、光学構造１０ａを形成するために用いられる。即ち、光学構造１０ａの位置及び形状は、マスク３２の形状又は位置によって決定される。このマスク３２の位置は、下方に位置する第１量子ドット１３の位置を示す第２量子ドット１７に基づいて決定されるので、光取り出し効率が高くなるように、所望の設計に沿った光学構造１０ａを正確に形成することができる。
【００６０】
次に、図１０に示すように、マスク３２を用いて、量子ドット積層体３０をエッチングして、光学構造１０ａが形成される。光学構造１０ａは、第１量子ドット１３と、第１量子ドット１３の水平方向の位置と一致するように積層されて形成された複数の歪み伝達量子ドット１５及び第２量子ドット１７を有する。図１０に示す例では、光学構造１０ａは、マスク３２側から半導体基板１１側に向かって幅が広がるように形成されているが、光学構造１０ａは、幅が一定になるように形成しても良い。また、光学構造１０ａは、マスク３２側から半導体基板１１側に向かって幅が狭まるように形成しても良い。半導体基板１１は、表面側の一部がエッチングされても良い。
【００６１】
次に、光学構造１０ａからマスク３２及び第２量子ドット１７が除去されて、図１に示す光半導体素子１０が得られる。第２量子ドット１７を除去することにより、第２量子ドット１７の発光又は第２量子ドット１７へ電子又は正孔が移動することを防止して、単一光子の発光効率が低下することを防ぐことが可能となる。
【００６２】
ここで、量子ドットは自己形成的に成長されるので量子ドットのサイズにある幅の揺らぎが生ずる。その結果、第１量子ドット１３の発光波長は、設計された波長からずれる場合がある。そこで、得られた光半導体素子１０の発光波長を測定し、光取り出し効率が最大になるように、一又は複数の歪み伝達量子ドット１５及び第２バリア層１６を除去して、光学構造１０ａを調整することができる。発光波長に基づいて、第１量子ドット１３と反射面１０ｃとの距離を変更することにより、光取り出し効率を向上させることができる。
【００６３】
そこで、図１１に示すように、光学構造１０ａの周りに保護層３３が形成される。
【００６４】
次に、図１２に示すように、選択エッチング法を用いて、最上層の歪み伝達量子ドット１５及び第２バリア層１６が除去される。そして、保護層３３が除去される。
【００６５】
上述した本実施形態の光半導体素子の製造方法によれば、第１量子ドット１３の位置が光学構造１０ａ内の所定の位置になるように、光半導体素子１０を形成することができる。従って、高い光取り出し効率を有する光半導体素子１０が得られる。
【００６６】
また、光半導体素子１０に対して、一層又は複数の歪み伝達量子ドット１５及び第２バリア層１６を除去することにより、光取り出し効率が更に高くなるように調整することができる。
【００６７】
本実施形態の製造方法によって形成される光半導体素子１０は、マスク３２の寸法又は形状若しくは第２量子ドット１７の密度等によって、複数の第１量子ドット１３を有する場合がある。また、個々の第２バリア層１６が複数の歪み伝達量子ドット１５を有する場合がある。第１バリア層１４が複数の第１量子ドット１３を有していても、量子ドットのサイズの揺らぎによって個々の第１量子ドットの発光波長は、厳密には同一ではない。
【００６８】
そこで、入出力面１０ｂから出力される光子に対して、波長フィルタを設けて、所定の波長を有する光子を取り出すようにしても良い。また、光学構造１０ａ内に、所定の波長を生成する共鳴構造を形成して、所定の波長を有する光子を生成するようにしても良い。
【００６９】
次に、上述した光半導体素子の他の実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００７０】
図１３は、本明細書に開示する光半導体素子の第２実施形態を示す図である。
【００７１】
本実施形態の光半導体素子１０は、上述した第１実施形態の光半導体素子に対して、歪み伝達量子ドット及び第２バリア層を有していない点が異なる。
【００７２】
第１量子ドット１３の発光波長等によっては、第２バリア層を配置しないで光取り出し効率を十分に高くすることができる。そのような場合には、本実施形態の光半導体素子１０のように、第２バリア層を配置せずに、半導体基板１１と、バッファ層１２と、第一量子ドット１３と、第１バリア層１４を備えた光学構造１０ａを用いても良い。
【００７３】
次に、上述した本実施形態の光半導体素子１０の製造方法の好ましい一実施形態を、図面を参照して、以下に説明する。
【００７４】
まず、図１４に示すように、半導体基板１１上に結晶性のバッファ層１２がエピタキシャル成長により形成される。
【００７５】
次に、図１５に示すように、ＳＫ法を用いて、結晶性の複数の第１量子ドット１３が、バッファ層１２上にランダムにエピタキシャル成長により形成される。そして、複数の第１量子ドット１３を埋め込むように結晶性の第１バリア層１４が形成される。
【００７６】
次に、図１６に示すように、複数の第２量子ドット１７が、ＳＫ法を用いて、それぞれの第２量子ドット１７が、第１量子ドット１３の水平方向の位置と一致するように第１バリア層１４上にエピタキシャル成長により形成される。
【００７７】
次に、図１７に示すように、複数の第２量子ドット１７の内の１個の第２量子ドット１７の位置を求めるためのマーカ３１ａ〜３１ｄが、第１バリア層１４上に形成される。
【００７８】
次に、図１８に示すように、複数の第２量子ドット１７の内の特定された一の第２量子ドット１７の位置に基づいて、１個の第２量子ドット１７を覆うマスクを形成する位置を決定し、マスク３２が、量子ドット積層体３０上の決定された位置に形成される。
【００７９】
次に、図１９に示すように、マスク３２を用いて、量子ドット積層体３０をエッチングして、光学構造１０ａが形成される。光学構造１０ａは、第１量子ドット１３と、第１量子ドット１３の位置と一致して形成された第２量子ドット１７を有する。
【００８０】
次に、光学構造１０ａからマスク３２及び第２量子ドット１７が除去されて、図１３に示す光半導体素子１０が得られる。または特に図示しないが、マスク３２を除去し、第２量子ドット１７は残した素子でも良い。
【００８１】
上述した本実施形態の光半導体素子１０の製造方法によれば、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
次に、本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態を以下に説明する。
【００８３】
図２０は、本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態の断面図を示す図であり、図２１のＸ−Ｘ線断面図である。図２１は、本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態の平面図を示す図である。
【００８４】
本実施形態の光半導体素子１０は、光学共振器である。
【００８５】
光半導体素子１０は、複数の貫通孔４１と、貫通孔４１に周囲が囲まれた共振部４４とを有する光学構造１０ａを備える。
【００８６】
外部から励起光を入力した光学構造１０ａは、共振部４４に光が閉じ込められ、発光エネルギーが共振器の共振エネルギーに共鳴した量子ドット１３が得られた際に強度が高められて、共振波長を有する出力光が出力される。
【００８７】
光学構造１０ａは、半導体基板４０と、半導体基板４０上に配置された空洞部４２及び空洞部４２を囲む接合層４３と、空洞部４２及び接合層４３上に配置されるバッファ層１２を備える。接合層４３は、半導体基板４０とバッファ層１２とを接合する。空洞部４２は接合層４３をエッチングすることで形成され、貫通孔４１を通過して流入されたエッチャントによってエッチングされる材料を用いて形成される。この構造を実現するための材料としては、例えば、基板４０がＧａＡｓ基板の場合、接合層４３はＡｌＧａＡｓ層のような基板４０との格子定数が一致し、かつ選択エッチングが可能な混晶系半導体材料を用いる。または基板４０がＩｎＰ基板の場合、接合層４３はＩｎＧａＡｓ層のような基板４０との格子定数が一致し、かつ選択エッチングが可能な混晶系半導体材料を用いる。第１量子ドット１３の形成材料としては、ＩｎＡｓを用いることができる。また、半導体基板１１がＧａＡｓを用いて形成される場合には、第１量子ドット１３の形成材料として、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＧａＡｓ等の混晶を用いても良い。また、半導体基板１１がＩｎＰを用いて形成される場合には、第１量子ドット１３の形成材料として、ＩｎＧａＡｓＰ等の混晶を用いても良い。第１量子ドット１３は、ＳＫ法を用いて、例えば１０９ＱＤｓ／ｃｍ２程度の密度で形成され得る。図示していないが、複数の第１量子ドット１３は、ぬれ層によってつながっている。そして、複数の第１量子ドット１３を埋め込むように第１バリア層１４をエピタキシャル成長により形成する。第１バリア層１４の形成材料としては、半導体基板１１と同じ材料を用いることが出来る。また、半導体基板１１がＧａＡｓを用いて形成される場合には、第１バリア層１４の形成材料として、ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＡｓ等の混晶を用いても良い。また、半導体基板１１がＩｎＰを用いて形成される場合には、ＩｎＰと格子整合する第１バリア層１４の形成材料として、ＩｎＧａＡｓＰ等の混晶を用いても良い。
【００８８】
また、光学構造１０ａは、バッファ層１２上に配置される第１バリア層１４と、第１バリア層１４上に配置される複数の第２バリア層１６と、最上層の第２バリア層１６上に配置される第２量子ドット１７を備える。
【００８９】
光学構造１０ａは、複数の第２バリア層１６及び第１バリア層１４及びバッファ層１２を貫通する複数の貫通孔４１を有しており、いわゆるフォトニック構造を有する。
【００９０】
共振部４４は、第１量子ドット１３が配置された第１バリア層１４の部分と、この第１バリア層１４の部分の下に位置するバッファ層１２の部分及びこの第１バリア層１４の部分の上方に位置し第２量子ドット１７を有する第２バリア層１６の部分により形成される。
【００９１】
本実施形態の光半導体素子１０も、上述した第１実施形態及び第２実施形態と同様に、第２量子ドット１７の位置に基づいて、第２量子ドット１７を覆うマスクを形成する位置を決定し、マスクを量子ドット積層体上の決定された位置に形成する。そして、マスクを用いて、量子ドット積層体をエッチングして形成され得る。
【００９２】
本発明では、上述した実施形態の光半導体素子及び光半導体素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【００９３】
例えば、上述した第１実施形態及び第２実施形態の光半導体素子では、励起光を入力して光子を生成していたが、ＰＩＮ構造を有する光半導体素子を用いて、電流を注入して光子を生成するようにしても良い。
【００９４】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００９５】
１０    光半導体素子
１０ａ    光学構造
１０ｂ    入出力面
１０ｃ    反射面
１１    基板
１２    バッファ層
１３    第１量子ドット
１４    第１バリア層
１５    歪み伝達量子ドット（第３量子ドット）
１６    第２バリア層
１７    第２量子ドット
ｄ１    第１量子ドットの高さ
ｄ２    第１バリア層の厚さ
ｄ３    第１量子ドットと歪み伝達量子ドットとの間隔
ｄ４    歪み伝達量子ドットの高さ
ｄ５    第２バリア層の厚さ
ｄ６    第２量子ドットの高さ
Ｅ１    第１量子ドットの基底状態のエネルギー準位
Ｆ１    第２量子ドットの基底状態のエネルギー準位
３０    量子ドット積層体
３１ａ〜３１ｄ    マーカ
３２    マスク
３３    保護層
４０    基板
４１    貫通孔
４２    空洞部
４３    接合層
４４    共振部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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