(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一方の面上に、第１コンタクト層、少なくとも量子ドットを含む活性層、及び前記第1コンタクト層とは反対導電型の第２コンタクト層を順に形成する工程と、
前記第２コンタクト層上にマスク層を形成する工程と、
前記マスク層上に島状のレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクにして前記マスク層をエッチングすることにより、該マスク層をハードマスクにする工程と、
前記ハードマスクの側面を後退させることにより、該ハードマスクの周囲に前記第２コンタクト層のコンタクト領域を露出させると共に、前記ハードマスクの上面から前記レジストを張り出させる工程と、
前記レジスト上と、前記コンタクト領域よりも外側の前記第２コンタクト層上とに絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上と、前記コンタクト領域内の前記第２コンタクト層上とに導電層を形成する工程と、
前記レジストを除去して該レジスト上の前記絶縁層と前記導電層とをリフトオフすることにより、前記量子ドットで発生する光を取り出す光学的に透明な層からなる光学窓として前記ハードマスクを残すとともに、該ハードマスク及び該ハードマスク周囲の前記コンタクト領域を含む大きさの第１開口が形成された前記絶縁層を前記第２コンタクト層上に残し、かつ、前記ハードマスクを囲む第２開口を有し、前記コンタクト領域と接続して前記絶縁層上に延在する前記導電層を第１電極層として残す工程と、
前記半導体基板の他方の面上に第２電極層を形成する工程と
を有することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ハードマスクを形成する工程の後に、該ハードマスクをエッチングマスクにしながら前記第２コンタクト層を途中の厚さまでエッチングする工程を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１電極層を形成する工程は、前記半導体基板の上面の垂直方向を鉛直方向から傾ける蒸着法を採用することにより、前記張り出したレジストの下方の前記コンタクト領域に、気化した前記第１電極層の構成元素を回り込ませて行われることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記導電層を形成する前に、前記コンタクト領域上に形成された前記絶縁層を除去する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ハードマスクが酸化シリコン膜であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ハードマスクの側面を交代させる工程は、該ハードマスクの側面をウエットエッチングすることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、インターネット技術が社会に広く普及しており、インターネット上での電子商取引等を安全に行うべく、量子暗号通信の早期の確立が望まれている。その量子暗号通信は、一つの光子の偏向状態に１ビットの情報を対応させて行われ、通信経路上の第３者が情報を盗聴すると、光子の偏向状態が破壊されるため、盗聴があったことが直ちに検出される。【０００３】
量子暗号技術を実現するには、情報の担い手となる単一光子を発生させるための単一光子発生素子のような光半導体装置が必要となる。現在に至るまで、単一光子発生素子としていくつかのタイプのものが報告されているが、下記の非特許文献１には、図１に示されるような構造の装置が提案されている。【０００４】
図１は、従来例に係る単一光子発生素子の断面図である。【０００５】
この単一光子発生素子では、GaAs基板１の上に、不図示のバッファ層を介してp型GaAsよりなるp型コンタクト層２が形成される。そして、このp型コンタクト層２の上に、GaAsよりなる下部バリア層３、InAsよりなる量子ドット４、及びGaAsよりなる上部バリア層５がこの順に形成される。更に、上部バリア層５の上には、n型GaAsよりなるn型コンタクト層６が形成され、これとオーミックコンタクトするn側電極層７がn型コンタクト層６上に形成される。【０００６】
各層３〜６は、その断面がメサ状になるようにパターニングされており、そのメサの側面には、絶縁層８を介して引き出し電極９が形成され、この引き出し電極９によってn側電極層７への電流の供給が行われる。一方、メサの側方のp型コンタクト層２上には、それをオーミックコンタクトするp側電極層１０が形成される。【０００７】
このような単一光子発生素子では、n側電極層７とp側電極層１０との間に電流を流すことにより、キャリアの再結合による単一光子が量子ドット４において発生し、n型電極層７の窓７ａから単一光子１１が装置の外に取り出される。【０００８】
図２は、この単一光子発生素子の平面図であり、先の図１は、図２のI−I線に沿う断面図に相当する。【０００９】
図２に示されるように、n型コンタクト層６の平面形状は一辺Dの長さが約１０μmの正方形であり、そのn型コンタクト層６とn側電極層７とがコンタクトする領域は、量子ドット４（図１参照）に電流が注入されるコンタクト領域CR0として機能する。図２の例では、n側電極層７がn型コンタクト層６の略全ての領域を覆っているので、上記のコンタクト領域CR0はn型コンタクト層６の形成領域と実質的に同じで１０μm×１０μmの正方形となる。【００１０】
ところで、図２に示したコンタクト領域CR0は、その面積が広いと、必要以上の電流が量子ドット４（図１参照）に注入されて消費電力の上昇を招くと共に、過度の電流により、量子ドット４が発熱して単一光子の波長が設計値よりもシフトする。また、コンタクト領域CR0の面積が広いと、n側電極層７とGaAs基板１との間の寄生容量が大きくなるので、電極層７、１０への信号電圧の周波数を高くした場合、寄生容量による信号遅延が大きくなる。よって、コンタクト領域CR0はなるべく小さくするのが好ましい。【００１１】
なお、本発明に関連する技術の一例が、下記の特許文献１及び特許文献２にも開示される。
【非特許文献１】Zhiliang Yuan et al., Science 295, 102 (2002)
【特許文献２】特開２００４−２５３６５７号公報
【特許文献３】特開平４−６１１７６号公報
【発明の開示】
【００１２】
本発明の目的は、電流注入時の低消費電力化が図られると共に、量産を踏まえた安易な製造工程で作製し得る光半導体装置とその製造方法を提供することにある。
【００１４】
また、本発明の一観点によれば、半導体基板の一方の面上に、第１コンタクト層、少なくとも量子ドットを含む活性層、及び前記第１コンタクト層とは反対導電型の第２コンタクト層を順に形成する工程と、前記第２コンタクト層上にマスク層を形成する工程と、前記マスク層上に島状のレジストを形成する工程と、前記レジストをマスクにして前記マスク層をエッチングすることにより、該マスク層をハードマスクにする工程と、前記ハードマスクの側面を後退させることにより、該ハードマスクの周囲に前記第２コンタクト層のコンタクト領域を露出させると共に、前記ハードマスクの上面から前記レジストを張り出させる工程と、前記レジスト上と、前記コンタクト領域よりも外側の前記第２コンタクト層上とに絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層上と、前記コンタクト領域内の前記第２コンタクト層上とに導電層を形成する工程と、前記レジストを除去して該レジスト上の前記絶縁層と前記導電層とをリフトオフすることにより、前記量子ドットで発生する光を取り出す光学的に透明な層からなる光学窓として前記ハードマスクを残すとともに、該ハードマスク及び該ハードマスク周囲の前記コンタクト領域を含む大きさの第１開口が形成された前記絶縁層を前記第２コンタクト層上に残し、かつ、前記ハードマスクを囲む第２開口を有し、前記コンタクト領域と接続して前記絶縁層上に延在する前記導電層を第１電極層として残す工程と、前記半導体基板の他方の面上に第２電極層を形成する工程とを有することを特徴とする光半導体装置の製造方法が提供される。
【００１５】
次に、本発明の作用について説明する。
【００１６】
本発明によれば、レジストをマスクにして形成されたハードマスクの側面を後退させることにより、第２コンタクト層のコンタクト領域を露出させるので、そのコンタクト領域がレジストとセルフアライン的に露出する。また、上記レジストのリフトオフにより、絶縁層と第１電極層とを第１コンタクト層上に残すので、絶縁層の第１開口や第１電極層の第２開口もレジストとセルフアライン的に形成される。これらにより、本発明では、フォトリソグラフィによるパターニングを採用しなくても、コンタクト領域、絶縁層、及び第１電極層のそれぞれがセルフアライン的に形成されるので、量産に適した安易な製造工程で光半導体装置を製造することが可能となる。
【００１７】
更に、第１電極層と第２コンタクト層とがコンタクトするコンタクト領域は、ハードマスクの後退により露出されるので、その幅がハードマスクの後退量よりも狭くなる。そのため、第１電極層から量子ドットに供給される電流は、このように狭いコンタクト領域によってその電流量が制限され、量子ドットに過度の電流が供給されることが無い。これにより、不必要な電流量に伴う消費電力の増大が抑えられると共に、大きな電流で量子ドットが発熱することに起因して出力光の波長が設計値よりもシフトするのを防ぐことができる。
【００１８】
更に、このように幅の狭いコンタクト領域によって、第１電極層と基板との間の寄生容量が低減され、その寄生容量に伴う信号遅延が抑止される。
【００１９】
また、上記第１開口よりも外側の第２コンタクト層を、該第１開口の内側の該第２コンタクト層よりも薄くしてもよい。このようにすると、第１開口よりも外側で薄くされた第２コンタクト層が、電流を第１開口内に狭窄するように機能するので、第１開口内のコンタクト領域に電流が効率的に注入され、コンタクト領域における発光効率を高めることが可能となる。
【００２０】
また、上記マスク層として光学的に透明な層を採用し、レジストをリフトオフする工程の後に、上記ハードマスクを光学窓として使用してもよい。
【００２１】
そのハードマスク（光学窓）は、第２開口内の量子ドットだけでなく、第２開口の外側の量子ドットで発生した単一光子をも集光して出力光として射出するレンズとして機能するので、ハードマスク（光学窓）を形成しない場合と比較して出力光の強度を強めることができる。
【００２２】
しかも、ハードマスク（光学窓）により活性層が覆われているので、プロセス中のダメージから活性層が保護され、プロセスダメージに起因する欠陥が活性層に入り難くなる。
【００２３】
更に、ハードマスク（光学窓）は、第１コンタクト層と外部の空気との間で光の反射を抑える反射防止の機能をも有するので、第１コンタクト層の上面における単一光子の反射が防止され、量子ドットへの戻り光が低減されて、発生した単一光子の大部分を出力光として外部に取り出すことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、従来例に係る単一光子発生素子の断面図である。
【図２】図２は、従来例に係る単一光子発生素子の平面図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その１）である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その２）である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その３）である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その４）である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図（その５）である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その１）である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その２）である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の平面図（その３）である。
【図１１】図１１は、図８のIII−III線に沿う断面図である。
【図１２】図１２は、図９のIV−IV線に沿う断面図である。
【図１３】図１３は、図１０のV−V線に沿う断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。【００２６】
図３〜図７は、本発明の実施の形態に係る光半導体装置の製造途中の断面図であり、図８〜図１０はその平面図である。【００２７】
本実施形態では、光半導体装置として、量子暗号技術に好適な単一光子発生素子を作製する。【００２８】
最初に、図３（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。【００２９】
まず、n型GaAs基板（半導体基板）２０を不図示のリアクタ内に入れる。次に、トリメチルアルミニウム（TMA）、トリエチルガリウム（TEG）、アルシン（AsH3）、及びシラン（SiH4）の混合ガスをリアクタ内に供給して、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、n型不純物としてシリコンがドープされたn型AlGaAs層をGaAs基板基板２０の一方の面２０ａ上に形成し、それをn型コンタクト層（第１コンタクト層）２１とする。【００３０】
次いで、上記したガスの供給を停止し、代わりにトリエチルガリウムとアルシンとの混合ガスをリアクタ内に供給して、MOCVD法によるGaAs層の成長を開始し、このGaAs層を下部バリア層２２とする。【００３１】
この後に、トリメチルインジウムとアルシンとを上記のリアクタ内に供給すると、１〜１．５ML(Mono Layer：原子層)程度の厚さのInAsウエッティングレイヤーがGaAs下部バリア層２２の上に形成された後、InAsとGaAsとの格子定数の差に起因する歪を緩和するように、InAsウエッティングレイヤーの上にInAs量子ドット２３が形成される。その量子ドット２３の厚さは典型的には約２ML程度となる。【００３２】
続いて、トリエチルガリウムとアルシンとの混合ガスを上記のリアクタ内に供給し、量子ドット２３の上に上部バリア層２４としてGaAs層を形成する。【００３３】
ここまでの工程により、下部バリア層２２、量子ドット２３、及び上部バリア層２４をこの順に積層してなる活性層２５がn型コンタクト層２１上に形成されたことになる。その活性層２５においては、各バリア層２２、２４のバンドギャップが量子トット２３のそれよりも大きいため、量子ドット２３内のキャリアが各バリア層２２、２４によって外に漏れ出すのが防がれ、キャリアが量子ドット２３に閉じ込められる。【００３４】
その後に、トリメチルアルミニウム、トリエチルガリウム、アルシン、及びジエチル亜鉛(DEZn)の混合ガスを上記したMOCVD装置のリアクタ内に供給して、p型不純物として亜鉛がドープされたp型AlGaAs層を形成し、それをp型コンタクト層（第２コンタクト層）２６とする。【００３５】
続いて、図３（ｂ）に示すように、モノシランと酸素とを反応ガスとする減圧CVD法により、p型コンタクト層２６上に酸化シリコン（SiO2）層を厚さ約４５０nmに形成し、それをマスク層２７とする。【００３６】
その後、このマスク層２７上にフォトレジストを厚さ約２０００nmに塗布し、それをステッパ等の光学的な露光装置で露光した後、現像して島状のレジスト２８とする。そのレジスト２８の平面形状は特に限定されないが、本実施形態では直径D0が約１２００nmの円形とする。このように比較的大きな円形のレジスト２８を形成するのにEB露光装置は不要であり、EB露光装置と比較してスループットが良好な光学的な露光装置でレジスト２８を形成し得る。【００３７】
次に、図４（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。【００３８】
まず、緩衝フッ酸溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより、レジスト２８をマスクにしながらマスク層２７を途中の厚さ、例えば約３００nmまでエッチングする。続いて、マスク層２７の表面を洗浄した後、CF4ガスをエッチングガスとするRIE(Reactive Ion Etching)を採用し、レジスト２８をマスクにしてマスク層２７をドライエッチングする。これにより、約１５０nmの厚さで残っているマスク層２７がドライエッチングされ、レジスト２８の下でエッチングされずに残存するマスク層２７が、断面形状がメサ状のハードマスク２７ａとされる。【００３９】
このように、最初にマスク層２７をウエットエッチングし、次にそのマスク層２７の残膜をドライエッチングすることにより、ドライエッチング雰囲気中のプラズマによるレジスト２８の変形を防止しつつ、ウエットエッチングによるハードマスク２７ａの側面の過度の後退が防止される。本実施形態では、レジスト２８の平面形状が、ハードマスク２７ａの最終的な形状を決定する重要な因子となるから、上記によってハードマスク２７ａの形状が目標からずれるのが防止される。【００４０】
但し、ドライエッチングによるレジスト２８の変形が問題にならないなら、ウエットエッチングを採用せずに、ドライエッチングのみでハードマスク２７ａを形成してもよい。【００４１】
続いて、図４（ｂ）に示すように、NH4OH、H2O2、及びH2Oの混合溶液をエッチング液とするウエットエッチングにより、ハードマスク２７ａをマスクにしながらp型コンタクト層２６を途中の厚さ、例えば上面から約２５nm程度の厚さまでエッチングして、ハードマスク２７ａで覆われていない部分のp型コンタクト層２６の厚さを薄くする。なお、この工程におけるエッチング量は、時間によって容易にコントロールすることができる。【００４２】
次いで、図５（ａ）に示すように、緩衝フッ酸溶液を用いる等方的なウエットエッチングを採用し、ハードマスク２７ａを選択的にエッチングして、その全ての側面２７ｂを一様な距離ｄだけ後退させ、p型コンタクト層２６のコンタクト領域CRを露出させる。その側面２７ｂの後退量dは、エッチング時間により精密にコントロールでき、本実施形態ではそのエッチング時間を約２分とする。また、このエッチングの結果、レジスト２８はハードマスク２７ａの上面から張り出すことになる。【００４３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、EB蒸着装置を用いて、p型コンタクト層２６の平坦面上での厚さが約３００nmになるように酸化シリコン層を形成し、それを絶縁層２９とする。この蒸着の際、気化した酸化シリコンの一部はレジスト２８の下方に回りこむので、コンタクト領域CRにおけるp型コンタクト層２６上にも絶縁層２９が極薄く形成される。しかし、このようにコンタクト領域CRが絶縁層２９で覆われていると、後で形成されるp側電極層がコンタクト領域CRにおいてp型コンタクト層２６とコンタクトできなくなる。【００４４】
そこで、次の工程では、図６（ａ）に示すように、緩衝フッ酸溶液を用いるウエットエッチングにより、コンタクト領域CR上の絶縁層２９をエッチングして除去する。コンタクト領域CR上の絶縁層２９は、そもそも気化した酸化シリコンがレジスト２８の下方に回りこんで形成されたため、その厚さが極めて薄く、このウエットエッチングは数秒程度の短時間で終了する。【００４５】
そして、このエッチングにより、絶縁層２９がコンタクト領域CRから後退し、コンタクト領域CRを含む大きさの円形の第１開口２９ａが絶縁層２９に形成されることになる。その第１開口２９ａは、レジスト２８ａの下方に回りこんだ極薄い酸化シリコン層を除去してなるので、レジスト２８とセルフアライン的に形成されることになり、レジスト２８と略同じ大きさの直径D1（約１２００nm）の円形の平面形状を有する。【００４６】
ところで、コンタクト領域CRは、p型コンタクト層２６において、絶縁層２９の第１開口２９ａとハードマスク２７ａとの間の領域として画定されるが、ハードマスク２７ａと第１開口２９ａが共にレジスト２８とセルフアライン的に形成されるので、コンタクト領域CRもレジスト２８とセルフアライン的に露出し、ハードマスク２７ａの周囲においてコンタクト領域CRの形状は殆どばらつかない。【００４７】
次に、図６（ｂ）の断面構造を得るまでの工程について説明する。まず、不図示のプラネタリー型のEB(Electron Beam)蒸着装置内の治具に、GaAs基板２０をフェイスダウンの状態でセットする。そして、GaAs基板２０の上面の垂直方向が鉛直方向から傾いた状態で、GaAs基板２０の下方にチタンの蒸着源を配し、チタンの蒸着を開始する。このような蒸着法では、GaAs基板２０の垂直方向を鉛直方向から傾けているので、気化したチタンがレジスト２８の下方に回りこむ。その結果、チタン層３０が、絶縁層２９上だけでなく、p型コンタクト層２６のコンタクト領域CRにも形成される。なお、このチタン層３０の厚さは特に限定されないが、本実施形態では約１５０nmとする。【００４８】
続いて、上記したチタンの蒸着源に代えてプラチナの蒸着源を使用し、上記と同じプラネタリー型のEB蒸着装置を用いて、チタン層３０の上にプラチナ層３１を厚さ約３００nmに形成する。チタン層３０と同じ理由により、このプラチナ層３１もレジスト２８の下方に回りこんでp型コンタクト層２６のコンタクト領域CRに形成されることになる。【００４９】
次に、上記したプラネタリー型の蒸着装置からGaAs基板２０を取り出した後、金層形成用の平行平板型の蒸着装置内の治具にGaAs基板２０をフェイスダウンの状態でセットする。その後、金の蒸着を開始し、プラチナ層３１上に金層３２を約１００nmの厚さに形成する。【００５０】
上記により形成された各金属層３０〜３２は金属積層膜（導電層）３３を構成し、その最下層の金属層であるチタン層３０がコンタクト領域CRにおいてp型コンタクト層２６とオーミックコンタクトする。また、金属積層膜３３の最上層の金層３２は、パッケージの際に金よりなるボンディングワイヤとボンディングされ、そのボンディングワイヤに対する濡れ性を良好にしてボンディング強度を高める役割を担う。【００５１】
一方、金層３２の下のプラチナ層３１は、金層３２を構成する金原子が電流に乗ってp型コンタクト層２６に拡散するのを防止するバリア層として機能する。この例では、プラチナ層３１がp型コンタクト層２６とコンタクトしているが、必ずしもこのようにする必要は無い。例えば、図６（ａ）の工程における絶縁層２９の後退量を小さくしてコンタクト領域CRの幅を狭くし、狭いコンタクト領域CRにチタン層３０だけをコンタクトさせるようにしてもよい。【００５２】
また、金原子はp型コンタクト層２６に拡散し易く、p型コンタクト層２６の特性を劣化させるので、チタン層３０やプラチナ層３１のようにレジスト２８の下に金層３２を回り込ませる必要は無い。【００５３】
ところで、既述のように、p型コンタクト層２６のコンタクト領域CRは、レジスト２８とセルフアライン的に形成されるので、ハードマスク２７ａの周囲において一様な面積で露出する。そのため、上記した金属積層膜３３は、コンタクト領域CRの全領域においてp型コンタクト層２６と均一な面積でコンタクトする。【００５４】
また、第１開口２９ａの内側に延びるチタン層３１の先端部分は、ハードマスク２７ａに接すると共に、金属積層膜３３の第２開口３３ａを構成しており、量子ドット２３で発生した単一光子がこの第２開口３３ａを通じて外部に取り出されることになる。第２開口３３ａは、第１開口２９ａに含まれる大きさの円形であり、その直径D2は例えば５００nm以上１０μnm以下である。【００５５】
この後に、加熱された剥離液の中にGaAs基板２０を浸し、超音波を印加しながらレジスト２８を除去して、レジスト２８上の絶縁層２９と金属層３０〜３２をリフトオフする。リフトオフの後、光学的に透明な酸化シリコンよりなるハードマスク２７ａは、後述する単一光子を取り出すための光学窓として使用される。【００５６】
次に、図７に示すように、抵抗加熱蒸着装置を用いて、GaAs基板２０の他方の面２０ｂ上に、厚さ約１００nmの金ゲルマニウム合金層３５と厚さ約３００nmの金層３６とをこの順に形成し、これらをn側電極層（第２電極層）３７とする。【００５７】
図８は、この工程を終了した後の平面図であり、先の図７は、図８のII−II線に沿う断面図に相当する。【００５８】
図８に示されるように、本実施形態では、金属積層膜３３に複数の第２開口３３ａが互いに間隔をおいてマトリクス状に形成される。更に、この金属積層膜３３には、上記の第２開口３３ａから離れた部分に、該第２開口３３ａと同じプロセスによって試験用開口３３ｂが形成される。その試験用開口３３ｂは、第２開口３３ａよりも大きな直径を有しており、最終的に完成する光半導体装置の光出力特性等を試験するために使用される。【００５９】
また、図１１は、図８のIII−III線に沿う断面図であり、先の図７よりも断面の長さを長くして得られた図である。【００６０】
次に、図１２に示されるように、金属積層膜３３の全面にフォトレジストを塗布し、それを光学的な露光装置、例えばステッパによって露光した後、現像して、第２開口３３ａを覆うレジストパターン３７とする。その後に、金層３２とプラチナ３１についてはAr（アルゴン）を、チタン層３０についてはCF4をエッチングガスとするRIEにより、レジストパターン３７をマスクにしながら金属積層膜３３をエッチングして、レジストパターン３７の下に残された金属積層膜３３をp側電極層（第１電極層）３３ｃとする。【００６１】
図９は、この工程における平面図であり、先の図１２は図９のIV−IV線に沿う断面図に相当する。これに示されるように、レジストパターン３７は、複数の第２開口３３ａと試験用開口３３ｂの全てを覆う。【００６２】
この後に、レジストパターン３７を除去することにより、図１０に示すような光半導体装置の基本構造を完成させる。【００６３】
図１３は、図１０のV−V線に沿う断面図である。【００６４】
この光半導体装置では、p側電極層３３ｃから量子ドット２３に電流Iを注入することにより、キャリアの再結合による単一光子４１が量子ドット２３において発生し、その単一光子がハードマスク（光学窓）２７ａを通じて出力光４２として外部に取り出される。【００６５】
そして、この光半導体装置においては、p側電極層３３ｃとp型コンタクト層２６とがオーミックコンタクトするコンタクト領域CRの幅が、図５（ａ）に示したハードマスク２７ａの後退量ｄよりも更に狭い１０nm以上５００nm以下であり、その幅が１０μmである非特許文献１と比較して非常に狭い。そのため、p側電極層３３ｃから量子ドット２３に供給される電流Iは、このように狭いコンタクト領域CRによってその電流量が制限され、量子ドット２３に過度の電流が供給されることが無い。従って、不必要な電流量に伴う消費電力の増大が抑えられると共に、大きな電流で量子ドット２３が発熱することに起因して出力光４２の波長が設計値よりもシフトするのを防ぐことができる。【００６６】
また、このようにコンタクト領域CRの幅が狭いので、p側電極層３３ｃとGaAs基板（半導体基板）２０との間の寄生容量C（図７参照）が従来よりも小さくなる。従って、各電極層３３ｃ、３７への信号電圧の周波数を高めても、寄生容量Cに伴う信号遅延が小さくなり、高周波に適した単一光子発生素子を得ることができる。【００６７】
しかも、このように幅の狭いコンタクト領域CRを画定する第１開口２９ａ（図１３参照）は、フォトリソグラフィを用いなくてもハードマスク２７ａとセルフアライン的に位置合わせされる。そのため、コンタクト領域CRの幅がハードマスク２７ａの周囲において一様となるので、p側電極層３３ｃとp型コンタクト層２６とのコンタクト面積もハードマスク２７ａの周囲で均一となる。その結果、p側電極層３３ｃから活性層２５へ供給される電流Iの電流密度をハードマスク２７ａの周囲で均一にすることができる。【００６８】
そして、このように、ハードマスク２７ａとセルフアライン的に第１開口２９ａが形成されることから、フォトリソグラフィやEB(Electron Beam)リソグラフィで第１開口２９ａを形成する場合と比較してプロセスが簡略化され、量産を踏まえた安易な製造工程で単一光子発生素子を製造することができる。【００６９】
また、図４（ａ）で説明したように、ハードマスク２７ａはレジスト２８をマスクにするエッチングで形成されるが、そのレジスト２８は、ステッパ等の光学的な露光装置でフォトレジストを露光して得ることができ、スループットの低いEB露光装置でそのフォトレジストを露光する必要が無い。そのため、低いスループットに起因して製造コストが高くなるEB露光装置を使用する場合と比較して、本実施形態では単一光子発生素子の製造コストを抑えることができ、高品位な単一光子発生素子を安価に提供することができる。【００７０】
更に、図１３に示すように、ハードマスク（光学窓）２７ａが、第２開口３３ａ内の量子ドット２３だけでなく、第２開口３３ａの外側の量子ドット２３で発生した単一光子４１をも集光して出力光４２として射出するレンズとして機能するので、ハードマスク（光学窓）２７ａを形成しない場合と比較して、出力光４２の強度を強めることができる。【００７１】
また、そのハードマスク（光学窓）２７ａは、p型コンタクト層２６と外部の空気との間で光の反射を抑える反射防止の機能を有している。そのため、p型コンタクト層２６の上面における単一光子４１の反射が防止され、量子ドット２３への戻り光が低減されるので、発生した大部分の単一光子４１を出力光４２として外部に取り出すことが可能となり、出力光４２の強度を高めることが可能となる。【００７２】
しかも、ハードマスク２７ａを形成した時点（図４（ａ）参照）から、量子ドット２３を含む活性層２５は常にハードマスク２７ａで覆われているので、このハードマスク２７ａによってエッチング時や蒸着時のプロセスダメージから活性層２５が保護される。これにより、プロセスダメージに起因する活性層２５の欠陥が発生し難くなり、欠陥に伴って単一光子４１の強度が不足するのを防ぐことができる。【００７３】
更に、本実施形態では、第１開口２９ａよりも外側のp型コンタクト層２６の厚さを、第１開口２９ａの内側のp型コンタクト層２６よりも薄くした。これによれば、第１開口２９ａよりも外側で薄くされたp型コンタクト層２６が、電流Iを第１開口２９ａ内に狭窄するように機能するので、第１開口２９ａ内のコンタクト領域CRに電流Iが効率的に注入され、コンタクト領域CRにおける発光効率を高めることが可能となる。【００７４】
ところで、第２開口３３ａを通じて取り出される単一光子の効率は、電流Iの大きさの他に、第２開口３３ａの直径D2（図６（ｂ）参照）にも依存する。例えば１３００nmの波長帯において効率良く光子が取り出せる直径D2は５００nm以上１０μｍ以下程度である。【００７５】
これらにより、本実施形態では、量子暗号技術において、ビットレート、伝送距離、安全性に優位な性能を有する光半導体装置を提供することができる。
【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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