JP4896788B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、量子ドット層を有する半導体発光素子およびその製造方法に関する。

量子暗号通信では、量子情報を１つの光子にのせて送信するＢＢ４８プロトコルが現在主流となっている。このプロトコルを利用することによって、盗聴不可能な暗号通信が実現できる。

このため、信号源（光源）として、１つのパルス内に確実に１つずつの光子を発生させる半導体発光素子として、量子ドットを利用した様々な技術が提案されている。
その１つとして、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）からなる自己組織化量子ドット層と、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）およびアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）からなるＤＢＲ（Distributed-Bragg Reflection）ミラーから構成されるＤＢＲ微小共振器とを含む単一の光子を発生する半導体発光素子を、エピタキシャル成長させた後、微小柱状にエッチングすることによって形成し、微小柱状のＤＢＲ微小共振器内のほとんど全ての光を上方から出射させるようにすることが提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
Matthew Pelton et al. "Efficient Source of Single Photons: A Single Quantum Dot in a Micropost Microcavity" フィジカル レビュー レターズ（PHYSICAL REVIEW LETTERS）, ２００２年１２月２日、Ｖｏｌ．８９，Ｎｏ．２３

しかし、上記非特許文献１に提案されているような構造では、ＤＢＲ微小共振器内から外部空間へ光子が飛び出す際に、その空間分布はかなり広がってしまうため、例えば対物レンズ等により光ファイバに結合する際の効率がかなり低下してしまうという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、量子ドット層の品質低下を招くことなく、単一光子の発光効率を向上させることができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、量子ドット層１１を有する半導体発光素子１０において、図１に示すように、量子ドット層１１を備えるホーン構造部１２と、挿入部１６を構成するガイド部１３と、ホーン構造部１２とガイド部１３との反対側に反射防止膜１４とが形成された素子基板１５と、挿入部１６に嵌入し、ホーン構造部１２の隔壁部１７が形成されたふた基板１８と、を有することを特徴とする半導体発光素子１０が提供される。

このような半導体発光素子によれば、量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、ホーン構造部とガイド部との反対側の反射防止膜とが形成された素子基板と、ガイド部の挿入部に嵌入し、ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板とが、挿入部に、隔壁部が嵌入されて、接合される。

また、本発明では上記課題を解決するために、量子ドット層を有する半導体発光素子の製造方法において、前記量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、前記ホーン構造部と前記ガイド部との反対側に反射防止膜とが形成された素子基板を製造する工程と、前記挿入部に嵌入し、前記ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板を製造する工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。

このような半導体発光素子の製造方法によれば、量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、ホーン構造部とガイド部との反対側に反射防止膜とを有する素子基板が形成され、ガイド部の挿入部に嵌入し、ホーン構造部の隔壁部を有するふた基板が形成される。

本発明では、量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、ホーン構造部とガイド部との反対側の反射防止膜とが形成された素子基板と、ガイド部の挿入部に嵌入し、ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板とが、挿入部に、隔壁部が嵌入して、接合する。これにより、素子基板、ふた基板および隔壁部とで覆われた量子ドット層の品質低下を抑えるとともに、単一光子の発光効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されない。
まず、本発明に至る過程で考えられる半導体発光素子について説明し、その後に本発明の半導体発光素子について説明を行う。

本発明に至る過程で考えられる半導体発光素子について以下に説明する。
図６は、本発明に至る過程で考えられる半導体基板およびそれを備えた半導体発光素子の断面模式図である。図６（Ａ）は、本発明に至る過程で考えられる半導体基板１０１であって、図６（Ｂ）は、半導体基板１０１を備えた半導体発光素子１００を示している。

半導体基板１０１は、図６（Ａ）に示すように、半導体基板１０１に鏡面処理を行って、反射防止膜１０２が形成されるとともに、ホーン構造部１０３が形成され、さらに、ホーン構造部１０３は量子ドット層１０４を備えている。また、半導体基板１０１の断面積がホーン構造部１０３の先端側よりも大きく形成されている。

次に、図６（Ｂ）に示すように、このような半導体基板１０１が、設置治具１０５に固定剤（不図示。）によって固定されて半導体発光素子１００が構成されている。
なお、半導体基板１０１の形成方法としては、従来周知の積層技術、エッチング技術などを用いることができる。

このような構成では、量子ドット層１０４がホーン構造部１０３の先端近傍に設けられているため、量子ドット層１０４のエキシトン準位（低次元半導体中のエキシトン準位；局在準位）から発生した光は、ホーン構造部１０３の表面（下面および側面）からはほとんど出射されずに反射し、大部分がホーン構造部１０３内を伝搬していき、半導体基板１０１の裏面側から出射するようになる。なお、量子ドット層１０４から発生した光は、ホーン構造部１０３を構成する半導体材料の吸収端よりもエネルギーが低いため、ホーン構造部１０３内を伝搬中に吸収されることはない。また、量子ドット層１０４から発生した光は、半導体基板１０１の裏面側へ向けて、所定距離以上、狭い立体角内を伝搬していくことになるため、平面波または平面波に近い波面を持つようになり、半導体基板１０１の裏面から垂直に近い状態で出射することになる。このため、半導体基板１０１の裏面での反射は比較的少ない。さらに、半導体基板１０１の断面積がホーン構造部１０３の先端側よりも大きく形成されているために、ホーン構造部１０３が有する量子ドット層１０４から発生した光は、表面で反射し、内部を伝搬して、半導体基板１０１の裏面側から出射する。したがって、通信波長帯で発光する量子ドットを用いた単一光子を発光する半導体発光素子１００において、単一光子の取出効率を向上させることができる。

一方、量子ドット層１０４はホーン構造部１０３の先端部から数ｎｍから数百ｎｍの深さに位置しているため、半導体基板１０１の裏面の加工や設置治具１０５への設置の際には、量子ドット層１０４にダメージを与えないように取り扱いには注意を要する。また、動作環境中においても低温のため不純物が付着する恐れがあり、設置治具１０５を用いれば防止することはできるが、この場合、固定剤の周り込みなどが懸念され、同様に、取り扱いには注意を要する。さらに、半導体発光素子１００を保存する際には、半導体基板１０１表面上に空間（真空）を維持したまま設置治具１０５を取り付け、封止すればよいが、半導体基板１０１に対する温度の変化が１０Ｋから６００Ｋもあり、そして、半導体基板１０１を構成するインジウムリン（ＩｎＰ）などの化合物半導体は脆いため、熱膨張係数が異なる材料を使用すると壊れてしまう恐れがある。

以上のような本発明に至る過程で考えられる半導体発光素子を踏まえて、以下に本発明について説明する。
本発明では、量子ドット層を備えるホーン構造部が形成された素子基板を、ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板で覆うことによって、半導体発光素子を実現する。

図１は、本発明の概要図である。
半導体発光素子１０は、量子ドット層１１を備えたホーン構造部１２、挿入部１６を構成するガイド部１３および反射防止膜１４が形成された素子基板１５と、隔壁部１７が形成されたふた基板１８とが、隔壁部１７が挿入部１６に接合して構成されている。なお、素子基板１５とふた基板１８とは同質の材料である。

このような構成によれば、まず、既述の通り、量子ドット層１１で発生した光を素子基板１５の裏面側から単一光子の取出効率を向上させて出射することができる。そして、素子基板１５とふた基板１８とは同質の材料を用いているために、熱膨張率の差による材料への損傷を防ぐことができる。また、素子基板１５にガイド部１３を、ふた基板１８に隔壁部１７を設けたために、素子基板１５とふた基板１８とを合わせる際に、量子ドット層１１に損傷を与えずに、隔壁部１７と、ガイド部１３に構成される挿入部１６とを嵌合させることができる。さらに、隔壁部１７と挿入部１６とが接合すると、ホーン構造部１２に備わった量子ドット層１１は、素子基板１５、ふた基板１８および隔壁部１７に囲まれるため、外部からの衝撃を防ぎ、損傷を低減させることが可能となる。したがって、量子ドット層１１の品質低下を抑えるとともに、単一光子の発光効率を向上させることができる。

次に実施の形態について以下に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態では、本発明の概要でも触れた、隔壁部によって、挿入部への嵌合および量子ドット層を備えるホーン構造部の保護を行う場合の半導体発光素子の製造方法について以下に図を用いて説明する。

図２，３は第１の実施の形態における半導体発光素子の製造方法の各工程の断面模式図である。
まず、ふた基板を製造するために、ＩｎＰによってＩｎＰ基板２１を形成する。そして、ＩｎＰ基板２１上にインジウム（Ｉｎ）を蒸着させて、Ｉｎ薄膜２２を形成する。なお、Ｉｎ薄膜２２の形成には、蒸着に代わって、ＩｎＰ基板２１を窒素（Ｎ）雰囲気中にて、アニール処理を行って、ＩｎＰ基板２１の表面のリン（Ｐ）を飛ばすことで、Ｉｎ薄膜２２を作成するようにすることもできる。なお、後に、ふた基板２３と素子基板２９との接合に利用されるＩｎ薄膜２２の代わりに、はんだのような低融点金属でも同様の効果を得ることができる（以上、図２（Ａ）。）。

図２（Ａ）で形成したＩｎＰ基板２１およびＩｎ薄膜２２にエッチングを行うことによって、隔壁部２１ａおよびＩｎ薄膜２２ａを形成し、ふた基板２３が形成される。なお、隔壁部２１ａとＩｎ薄膜２２ａとを合わせた高さを２０μｍ程度とする（以上、図２（Ｂ）。）。

次に、同様にして、ＩｎＰによってＩｎＰ基板２４を形成して、ＩｎＰ基板２４の裏面側に反射防止膜を形成する。そして、ＩｎＰ基板２４の反射防止膜との反対側の所望の位置に量子ドット層を形成する。量子ドット層および反射防止膜が形成されたＩｎＰ基板２４にエッチングを行って、ホーン構造部２５およびガイド部２７がＩｎＰ基板２４に形成されて素子基板２９が作成される（図３（Ａ），（Ｂ）ではＩｎＰ基板２４に形成した反射防止膜の記載を省略している。）。なお、素子基板２９において、量子ドット層２６は、ホーン構造部２５の先端部の５ｎｍから１０ｎｍ程度の位置に形成され、ホーン構造部２５およびガイド部２７の高さを１０μｍ程度、ホーン構造部２５およびガイド部２７間と、ホーン構造部２５間との間隔を３０μｍ程度とする。

このように形成された素子基板２９の挿入部２８と、ふた基板２３のＩｎ薄膜２２ａが形成された隔壁部２１ａとを合わせる（以上、図３（Ａ）。）。
図３（Ａ）で形成した素子基板２９の挿入部２８に、隔壁部２１ａが嵌合するようにしてふた基板２３と素子基板２９とを合わせて、真空中で１１０度から２００度程度で加熱する。そして、この温度にてＩｎ薄膜２２ａを溶かして、ふた基板２３と素子基板２９とを接着させる。ガイド部２７は素子基板２９と、さらには量子ドット層２６を有するホーン構造部２５とを側面から囲む設計であるために、貼り合わせた部分の側面からガスの進入を防ぐことができるため、接合プロセス中にＮガスなどを注入すると、半導体発光素子３０の周りから素子基板２９とふた基板２３との接合面を加圧させて、接合させることもできる。

このようにして製造された半導体発光素子３０は、量子ドット層２６の品質低下を抑えるとともに、単一光子の発光効率を向上させることができる。
次に、第２の実施の形態について説明する。

第１の実施の形態では、隔壁層は、素子基板とふた基板との接合と、ホーン構造部の保護との２つの役目を担っていた。一方、第２の実施の形態では、隔壁層は、ホーン構造部のみを密封し、さらに、素子基板とふた基板とを接合する嵌入部が形成されている場合を例に挙げて説明する。

図４は、第２の実施の形態における半導体発光素子の断面模式図であって、図５は、第２の実施の形態における半導体発光素子の平面図である。
半導体発光素子４０は、図４，５に示すように、第１の実施の形態と同様に、素子基板４１およびふた基板４５から構成されているが、新たに、ふた基板４５に嵌入部４７が形成されている。

素子基板４１は、素子基板４１の裏面側に反射防止膜（不図示。）、先端部に量子ドット層（不図示。）を備えるホーン構造部４２、ホーン構造部４２間の挿入部４３、そして、第１の実施の形態と形状が異なって、方形状で内側にくぼんだガイド部４４が形成されている。なお、量子ドット層は、ホーン構造部４２の先端部の５ｎｍから１０ｎｍ程度の位置に形成し、ホーン構造部４２の高さを１０μｍ程度、ホーン構造部４２の間隔は３０μｍ程度、ガイド部４４は１辺が４０μｍから５０μｍ程度の正方形とする。

ふた基板４５は、隔壁部４６と、新たに、方形状の嵌入部４７とが形成されている。なお、ふた基板４５の隔壁部４６と素子基板４１との接合面には、Ｉｎ薄膜４９が、また、嵌入部４７上には、後にふた基板４５を素子基板４１に合わせる際に、素子基板４１への損傷を防ぐために、スペーサとして酸化シリコン（ＳｉＯ₂）や窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの酸化膜４８や窒化膜が形成されている。また、Ｉｎ薄膜４９は、高温では溶解してしまうために、酸化膜４８の形成後、低温で形成するようにする。したがって、酸化膜４８上に、Ｉｎ薄膜４９が形成されることになるが、半導体発光素子４０の動作には、特に、影響は無い（図５（Ｂ）では、嵌入部４７上の酸化膜４８の記載は省略している。）。なお、素子基板４１とあわせて、隔壁部４６の高さを１０μｍ程度以上、隔壁部４６の間隔は３０μｍ程度、嵌入部４７は厚さを１μｍ、１辺を４０μｍから５０μｍ程度の正方形とする。

そして、半導体発光素子４０は、素子基板４１のガイド部４４に、ふた基板４５の嵌入部４７が嵌入し、ホーン構造部４２が隔壁部４６によって周りを囲んで、素子基板４１とふた基板４５とが合わさって構成される。なお、半導体発光素子４０の製造方法としては、第１の実施の形態と同様にして、周知従来の製膜技術、エッチング技術などを利用することができる。

このような構成の半導体発光素子４０では、第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、第１の実施の形態と異なり、隔壁部４６と嵌入部４７とが形成されているために、半導体発光素子４０の厚さを薄くすることができ、また、形成された半導体発光素子４０を切り取って利用することができるなど、スペースや形状に関する別のメリットが得られる。

以上のようにして、本発明では、量子ドット層で発生した光を素子基板の裏面側からの単一光子の取出効率を向上させて出射することができる。そして、素子基板とふた基板とは同質の材料を用いているために、熱膨張率の差による材料への損傷を防ぐことができる。また、素子基板にガイド部を、ふた基板に隔壁部を設けたために、素子基板とふた基板とを合わせる際に、量子ドット層に損傷を与えずに、隔壁部と、ガイド部による挿入部とを嵌合させることができる。さらに、隔壁部と挿入部とが合わさると、ホーン構造部に備わった量子ドット層は、素子基板とふた基板とに囲まれるため、外部からの損傷を低減させることが可能となり、量子ドット層の品質低下を抑えるとともに、単一光子の発光効率を向上させることができる。

今回示した実施例は、半導体発光素子を構成する上記材料としたが、本発明の半導体発光素子を構成可能な他の材料系の組み合わせにしても同様の効果が得られる。
（付記１） 量子ドット層を有する半導体発光素子において、
前記量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、前記ホーン構造部と前記ガイド部との反対側に反射防止膜とが形成された素子基板と、
前記挿入部に嵌入し、前記ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。

（付記２） 前記ホーン構造部の隔壁部と、前記ガイド部の挿入部に嵌入する嵌入部とが新たに形成された前記ふた基板を有することを特徴とする付記１記載の半導体発光素子。

（付記３） 前記隔壁部と前記素子基板との接触面にさらにインジウムが形成された前記ふた基板を有することを特徴とする付記１または２に記載の半導体発光素子。
（付記４） 前記嵌入部上に、さらに酸化膜または窒化膜が形成された前記ふた基板を有することを特徴とする付記２または３に記載の半導体発光素子。

（付記５） 前記酸化膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンであることを特徴とする付記４記載の半導体発光素子。
（付記６） 量子ドット層を有する半導体発光素子の製造方法において、
前記量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、前記ホーン構造部と前記ガイド部との反対側に反射防止膜とが形成された素子基板を製造する工程と、
前記挿入部に嵌入し、前記ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板を製造する工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

（付記７） 前記ホーン構造部の隔壁部と、前記ガイド部の挿入部に嵌入する嵌入部とが新たに形成された前記ふた基板を有することを特徴とする付記６記載の半導体発光素子の製造方法。

（付記８） 前記隔壁部と前記素子基板との接触面にさらにインジウムが形成された前記ふた基板を有することを特徴とする付記６または７に記載の半導体発光素子の製造方法。

（付記９） 前記嵌入部上に、さらに酸化膜または窒化膜が形成された前記ふた基板を有することを特徴とする付記７または８に記載の半導体発光素子の製造方法。
（付記１０） 前記酸化膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンであることを特徴とする付記９記載の半導体発光素子の製造方法。

本発明の概要図である。 第１の実施の形態における半導体発光素子の製造方法の各工程の断面模式図（その１）である。 第１の実施の形態における半導体発光素子の製造方法の各工程の断面模式図（その２）である。 第２の実施の形態における半導体発光素子の断面模式図である。 第２の実施の形態における半導体発光素子の平面図である。 本発明に至る過程で考えられる半導体基板およびそれを備えた半導体発光素子の断面模式図である。

符号の説明

１０ 半導体発光素子
１１ 量子ドット層
１２ ホーン構造部
１３ ガイド部
１４ 反射防止膜
１５ 素子基板
１６ 挿入部
１７ 隔壁部
１８ ふた基板

Claims (6)

1. 量子ドット層を有する半導体発光素子において、
   前記量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、前記ホーン構造部と前記ガイド部との反対側に反射防止膜とが形成された素子基板と、
   前記挿入部に嵌入し、前記ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板と、
   を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ホーン構造部の隔壁部と、前記ガイド部の挿入部に嵌入する嵌入部とが新たに形成された前記ふた基板を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記隔壁部と前記素子基板との接触面にさらにインジウムが形成された前記ふた基板を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記嵌入部上に、さらに酸化膜または窒化膜が形成された前記ふた基板を有することを特徴とする請求項２または３に記載の半導体発光素子。
5. 量子ドット層を有する半導体発光素子の製造方法において、
   前記量子ドット層を備えるホーン構造部と、挿入部を構成するガイド部と、前記ホーン構造部と前記ガイド部との反対側に反射防止膜とが形成された素子基板を製造する工程と、
   前記挿入部に嵌入し、前記ホーン構造部の隔壁部が形成されたふた基板を製造する工程と、
   を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
6. 前記ホーン構造部の隔壁部と、前記ガイド部の挿入部に嵌入する嵌入部とが新たに形成された前記ふた基板を有することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。

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