JP2015119001A

JP2015119001A - Optical semiconductor element and optical semiconductor element manufacturing method

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Publication number: JP2015119001A
Application number: JP2013260483A
Authority: JP
Inventors: 宮澤　俊之; Toshiyuki Miyazawa; 俊之宮澤; 研一河口; Kenichi Kawaguchi; 荒川　泰彦; Yasuhiko Arakawa; 泰彦荒川
Original assignee: Fujitsu Ltd; University of Tokyo NUC
Current assignee: Fujitsu Ltd; University of Tokyo NUC
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: JP6195305B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical semiconductor element manufacturing method to make positions of quantum dots be predetermined positions.SOLUTION: An optical semiconductor element manufacturing method comprises: a first process of forming first quantum dots 13 on a substrate 11 and forming a first barrier layer 14 so as to embed the first quantum dots 13; a second process of forming second quantum dots 17 on the first barrier layer 14 by using a self-forming method in a manner such that positions of the second quantum dots 17 correspond to positions of the first quantum dots 13 to form a quantum dot laminate; a third process of determining based on the positions of the second quantum dots 17, a position where a mask to cover the second quantum dots to form the mask on the quantum dot laminate at the determined position; and a fourth process of etching the quantum dot laminate by using the mask.

Description

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。 The present invention relates to an optical semiconductor device and a method for manufacturing an optical semiconductor device.

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。 Conventionally, an optical semiconductor element that generates photons has been used. The optical semiconductor element generates electrons and holes in the semiconductor by irradiation of excitation light or injection of current, and outputs photons generated by recombination thereof.

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。 Quantum information technology that manipulates the quantum state of light and matter and uses it for information processing is attracting attention. Typical applications of quantum information technology include quantum cryptography communication (quantum key distribution or the like) or quantum computation. By using these applications, it is possible to perform highly secure information communication or high-speed computation using a predetermined algorithm. Some quantum information techniques use controlled single-photon quantum states, which require controlled single-photon generation.

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。 As an optical semiconductor element that generates a single photon, the use of semiconductor quantum dots has been studied from the viewpoint of the possibility of integration with solid materials, operational stability, and control of emission wavelength. An optical semiconductor device operating in the region up to the fiber communication wavelength band has been demonstrated.

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。 As parameters representing the characteristics of an optical semiconductor device that generates a single photon, the emission wavelength, the secondary correlation function indicating the purity of the single photon, the light extraction efficiency and the repetition representing the efficiency of extracting the single photon from the optical semiconductor device to the outside There are frequency etc. Among these parameters, the light extraction efficiency strongly depends on the structure of the optical semiconductor element, so a structure that achieves high efficiency is required. The structure of the optical semiconductor element is designed including the efficiency until the generated single photon is introduced into an external optical system. For example, a mesa structure, a horn structure, a metal coat mesa structure, a post DBR resonator structure, and a two-dimensional photonic crystal structure have been proposed as a structure of an optical semiconductor element having high light extraction efficiency.

特開２０１１−１４１４７７号公報JP 2011-141477 A

Ａ．Ｄｏｕｓｅｅ，ｅｔａｌ．， ”ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＬｉｇｈｔ−ＭａｔｔｅｒＣｏｕｐｌｉｎｇｆｏｒａＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍＤｏｔＥｍｂｅｄｄｅｄｉｎａＰａｉｒＭｉｃｒｏｃａｖｉｔｙＵｓｉｎｇＦａｒ−ＦｉｅｌｄＯｐｔｉｃａｌＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１０１，２６７４０４（２００８）A. Dousee, et al. "Controlled Light-Matter Coupling for a Single Quantum Dot Embedded in a Pair of Microcavity Using Far-Field Optical Lithology." Rev. Lett. 101, 267404 (2008) Ｔ．Ｋｏｊｉｍａ，ｅｔａｌ．， ”Ａｃｃｕｒａｔｅａｌｉｇｎｍｅｎｔｏｆａｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｎａｎｏｃａｖｉｔｙｗｉｔｈａｎｅｍｂｅｄｄｅｄｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｂａｓｅｄｏｎｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０２，０１１１１０（２０１３）T. T. et al. Kojima, et al. , "Accurate alignment of a photiconic crystal nanocavity with an embedding quantum bas- ted on optical microphotometrics." Phys. Lett. 102, 011110 (2013)

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。 In order to obtain a high light extraction efficiency, it is necessary to form the quantum dots that generate photons and the positional relationship between the generated single photons and the optical structure that extracts the generated single photons accurately.

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。 Normally, when forming an optical semiconductor element, an optical structure is formed so as to include quantum dots inside by processing a substrate on which quantum dots for generating photons are formed. However, when using the Transki-Krastanow (SK) growth method that utilizes lattice mismatch at the semiconductor heterointerface, which is a general quantum dot formation technique, a good semiconductor quantum dot crystal can be obtained, but the position is almost random. It will be decided. Therefore, as a method of adjusting the positional relationship between the quantum dots and the optical structure, the first is to modify the quantum dot growth method.For example, the quantum dot position is grown according to the pre-pattern, and the position of the optical structure There has been proposed a method of forming these together. Secondly, without changing the quantum dot growth method itself, the self-forming method is used to determine the positions of the quantum dots that are randomly formed on the substrate by measuring the emission of the quantum dots. A method of forming an optical structure in accordance with the obtained position of the quantum dot has been proposed.

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。 In the former (first) case, a prepattern such as a mesa structure for specifying a position where a quantum dot is formed is formed on the substrate, and the quantum dot is formed on the formed prepattern. At this time, crystal defects may occur at the interface of the quantum dots due to the effect of the formed pre-pattern, and the light emission characteristics of the quantum dots may deteriorate. In an optical semiconductor device that generates single photons, individual photons emitted from a single quantum dot are directly used for information processing one by one. It becomes a factor to reduce. In addition, when the pre-pattern is formed using an optical lithography method, there is a disadvantage that a degree of freedom regarding a design dimension of the optical structure is limited.

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／ｃｍ^２の場合は１μｍ^２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、１０^９〜１０^１０ＱＤｓ／ｃｍ^２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。 In the latter case (second), quantum dots are randomly formed on the substrate using a self-forming method using the SK growth mode. Then, the position where the single quantum dot emits light is specified while the substrate is cooled to a low temperature (about 4 Kelvin), a mask is formed so as to include the specified single quantum dot, and the substrate is etched using the mask. Thus, an optical structure is formed. In this case, since it is necessary to cool the substrate to a low temperature and measure the light emission of the quantum dots, an extremely large number of man-hours are required. In addition, when the density of the quantum dots is high (for example, when the quantum dot density is 10 ¹⁰ QDs / cm ² , 100 quantum dots in 1 μm ² ), the optical position resolution (about 1 to 1.5 μm or less) This makes it difficult to specify the position based on the light emission of individual quantum dots. Usually, the density of quantum dots formed using the self-forming method is 10 ⁹ to 10 ¹⁰ QDs / cm ² , so it is considered difficult to form an optical structure using the latter method.

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。 In this specification, in order to solve the above-described problems, it is an object to easily identify the position of a quantum dot and realize mask formation in accordance with the identified quantum dot position.

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。 Another object of the present specification is to provide a method for manufacturing an optical semiconductor element using quantum dot position specification that can solve the above-described problems and mask formation that matches the specified position.

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。 According to an embodiment of the optical semiconductor element disclosed in the present specification, a substrate, a first quantum dot formed on the substrate, and a first barrier layer formed so as to embed the first quantum dot; A second quantum dot disposed on the first barrier layer and formed so as to coincide with a position of the first quantum dot; and a second barrier layer formed so as to embed the second quantum dot. The ground state energy level of the conduction band of the second quantum dot is higher than the ground state energy level of the first quantum dot.

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。 Moreover, according to one form of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed in this specification, the first quantum dots are formed on the substrate, and the first barrier layer is formed so as to embed the first quantum dots. A second step of forming a quantum dot stack by forming a second quantum dot on the first barrier layer so as to coincide with the position of the first quantum dot on the first barrier layer using a self-forming method; Determining a position for forming a mask covering the second quantum dot based on the step and the position of the second quantum dot, and forming the mask at the determined position on the quantum dot stack; 3 steps and a fourth step of etching the quantum dot stack using the mask.

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。 Furthermore, according to another embodiment of the method for manufacturing an optical semiconductor element disclosed in this specification, a plurality of first quantum dots are formed on a substrate, and a plurality of the first quantum dots are embedded. A first step of forming one barrier layer and a plurality of second quantum dots by using a self-forming method so that each of the second quantum dots coincides with the position of the first quantum dot. Based on the second step of forming on the barrier layer and the position of one of the plurality of second quantum dots, the position for forming the mask covering the one second quantum dot is determined. And a third step of forming the mask at a determined position on the quantum dot stack, and a fourth step of etching the quantum dot stack using the mask.

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。 According to one mode of the optical semiconductor element disclosed in the present specification described above, high emission intensity can be obtained.

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。 In addition, according to one embodiment of the method for manufacturing an optical semiconductor element disclosed in this specification, an optical semiconductor element in which an optical structure is arranged at a predetermined position can be formed in accordance with the position of the quantum dot.

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。 The objects and advantages of the invention will be realized and obtained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims.

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。 Both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention as claimed.

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。1 is a diagram illustrating a first embodiment of an optical semiconductor device disclosed in this specification. FIG. 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。It is a figure which shows the process (the 1) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 2) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 3) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 4) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 5) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 6) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 7) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 8) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 9) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 10) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 11) of 1st Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 1) of 2nd Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 2) of 2nd Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 3) of 2nd Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 4) of 2nd Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 5) of 2nd Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the process (the 6) of 2nd Embodiment of the manufacturing method of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows sectional drawing of 3rd Embodiment of the optical semiconductor element disclosed to this specification. 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。It is a figure which shows the top view of 3rd Embodiment of the optical semiconductor element disclosed to this specification.

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。 Hereinafter, a preferred first embodiment of an optical semiconductor device disclosed in this specification will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.

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。 FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an optical semiconductor device disclosed in this specification.

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。 The optical semiconductor element 10 of the present embodiment inputs excitation light from the outside to generate a single photon, and outputs the generated photon. The output photon can be propagated to the receiver side as an optical waveguide such as an optical fiber or parallel light for spatial transmission using an optical element such as a lens.

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。 The optical semiconductor element 10 includes an input / output surface 10b that inputs excitation light and outputs generated photons, a first quantum dot 13 that inputs excitation light and generates a single photon having a predetermined wavelength, An optical structure 10 a having a plurality of second barrier layers 16 stacked on the barrier layer 14 is provided. Although not particularly illustrated, the input / output surface 10b may have a structure to which a dielectric thin film such as an antireflection film is added. The first barrier layer 14 is formed so as to embed the first quantum dots 13. The second barrier layer 16 is formed so as to embed the strain transfer quantum dots 15.

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、ＫａｚｕｙａＴａｋｅｍｏｔｏｅｔａｌ．，”Ａｎｏｐｔｉｃａｌｈｏｒｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎｓｏｕｒｃｅｕｓｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｓａｔｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１０１，０８１７２０（２００７）を参照されたい。 The optical structure 10a has a structure for efficiently outputting single photons generated by the first quantum dots 13 from the input / output surface 10b. The surface exposed to the outside of the uppermost second barrier layer 16 functions as a reflecting surface 10c that totally reflects single photons generated by the first quantum dots 13 toward the input / output surface 10b. The optical structure 10a has a tapered shape that extends while the width decreases from the input / output surface 10b side to the reflective surface 10c side. Further, the reflecting surface 10c may be a curved surface convex upward in order to improve the reflectance in the direction of the substrate 11. As a technique for improving the light extraction efficiency in the direction of the substrate 11, for example, Kazuya Takemoto et al. , “An optical horn structure for single-photo source use quantum dots at telecommunication wavelength”, J. Am. Appl. Phys. , 101, 081720 (2007).

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。 As will be described in detail later, in the optical semiconductor element 10, the optical structure 10a is formed in accordance with the position of the first quantum dots 13 in the first barrier layer 14 in order to increase the light extraction efficiency. The first quantum dots 13 are formed using a self-forming method using the SK growth mode, and are randomly formed on the substrate 11. Therefore, the optical structure 10a is formed in accordance with the position of the first quantum dot 13 by using the strain transmission quantum dot 15 or the like formed on the first barrier layer 14 so as to coincide with the position of the first quantum dot 13. Is done. The number of the second barrier layers 16 stacked may be determined so that the optical structure 10a increases the light extraction efficiency of the light emitted from the quantum dots 13 toward the substrate 11.

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。 Next, the structure of the optical semiconductor element 10 will be described in detail below.

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。 The optical semiconductor element 10 includes a semiconductor substrate 11, a buffer layer 12 disposed on the semiconductor substrate 11, first quantum dots 13 disposed on the buffer layer 12, and first quantum dots 13 formed on the first quantum dots 13. One barrier layer 14 and a plurality of second barrier layers 16 stacked on the first barrier layer 14 are provided.

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。 The buffer layer 12 is made of a material lattice-matched with the semiconductor substrate 11, and the same material as that of the semiconductor substrate 11 can be mainly used. The first barrier layer 14 is made of a material lattice-matched with the semiconductor substrate 11, and the same material as that of the semiconductor substrate 11 can be mainly used.

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。 The first quantum dot 13 has an energy level for inputting predetermined excitation light and generating photons having a predetermined wavelength. The dimensions or forming materials of the first quantum dots 13 and the first barrier layer 14 can be determined so that the first quantum dots 13 have such a predetermined energy level. Usually, the material for forming the first barrier layer 14 is the same material as that of the semiconductor substrate 11.

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。 The thickness d2 of the first barrier layer 14 is such that the strain due to the first quantum dots 13 is transmitted so that the strain transmission quantum dots 15 are formed at positions that coincide with the first quantum dots using the SK method. It is preferable to set it to a thickness. Specifically, the distance d3 between the first quantum dot 13 and the strain transmission quantum dot 15 is determined to be a distance at which the strain due to the first quantum dot 13 is transmitted. Usually, in order to form the strain transfer quantum dots 15 so as to coincide with the positions of the first quantum dots 13 using the SK method, it is preferable that the thickness d2 is 30 nm or less. Since the height d1 of the first quantum dots 13 is usually several nm (for example, 3 nm to 10 nm), for example, the thickness d2 can be set to 10 to 30 nm and the interval d3 can be set to 7 nm to 27 nm.

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。 As described above, the plurality of second barrier layers 16 are used when the optical structure 10a is formed in accordance with the position of the first quantum dot 13, and the first quantum dot 13 and the strain transfer quantum dot 15 are Preferably there is no optical or electrical interaction between them.

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。 From this point of view, the ground state energy level F1 of the conduction band of the strain transfer quantum dot 15 is set higher than the ground state energy level E1 of the conduction band of the first quantum dot 13, and the strain transmission quantum dot 15 The energy level F2 of the ground state of the valence band of the first quantum dot 13 is set lower than the energy level E2 of the ground state of the valence band of the first quantum dot 13, and the photons generated by the first quantum dot 13 become the strain transfer quantum. Absorption by the dots 15 can be prevented. By using such a configuration, at the same time, electrons or holes generated in the first quantum dots 13 are prevented from moving to the strain transfer quantum dots 15 as a tunnel current.

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。 The material for forming the strain transfer quantum dot 15 may be the same as or different from that of the first quantum dot 13.

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。 When the material for forming the strain transfer quantum dots 15 is the same as that of the first quantum dots 13, the energy level of the ground state of the quantum dots 15 is usually increased by reducing the size of the quantum dots. In particular, the energy level has a strong correlation with the height of the quantum dot.

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。 From this point of view, it is preferable that the dimension of the strain transfer quantum dot 15 is smaller than the dimension of the first quantum dot 13. Specifically, it is preferable that the height d4 of the strain transfer quantum dot 15 is smaller than the height d1 of the first quantum dot 13.

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。 In addition, by forming the strain transfer quantum dot 15 using a material different from that of the first quantum dot 13, the ground state energy level F <b> 1 of the conduction band of the strain transfer quantum dot 15 is changed to that of the first quantum dot 13. The ground state energy level E1 may be higher than the ground state energy level E1, and the ground state energy level F2 of the valence band may be lower than the ground state energy level E2.

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。 Usually, the tunnel current can be suppressed by setting the interval between the quantum dots to 5 nm or more. Therefore, from the viewpoint of suppressing the tunnel current, the interval d3 is preferably set to 5 nm or more.

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。 Summarizing the above-described concept for the distance d3, the distance d3 of the first barrier layer 14 located between the first quantum dot 13 and the strain transfer quantum dot 15 is preferably small from the viewpoint of transmitting strain. On the other hand, it is preferably large from the viewpoint of preventing tunnel current. Therefore, the interval d3 is preferably determined in consideration of both viewpoints.

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。 Next, a preferred embodiment of the method for manufacturing the optical semiconductor device 10 of the present embodiment described above will be described below with reference to the drawings.

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。 First, as shown in FIG. 2, the buffer layer 12 is formed on the semiconductor substrate 11 by epitaxial growth. As a material for forming the semiconductor substrate 11, for example, GaAs or InP can be used. As a material for forming the buffer layer 12, the same material as that of the semiconductor substrate 11 is used. The thickness of the buffer layer 12 can be set to 300 nm, for example.

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１０^９ＱＤｓ／ｃｍ^２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。 Next, as shown in FIG. 3, a plurality of crystalline first quantum dots 13 are randomly formed on the buffer layer 12 by epitaxial growth using the SK method. As a material for forming the first quantum dots 13, InAs can be used. When the semiconductor substrate 11 is formed using GaAs, InAs can be used as a material for forming the first quantum dots 13, and InGaAs, InAlAs, or InAlGaAs can be used as the material for forming the first quantum dots 13. A mixed crystal such as may be used. When the semiconductor substrate 11 is formed using InP, a mixed crystal such as InGaAsP may be used as a material for forming the first quantum dots 13. The first quantum dots 13 can be formed with a density of, for example, about 10 ⁹ QDs / cm ² using the SK method. Although not shown, the plurality of first quantum dots 13 are connected by a wetting layer.

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。 Then, the first barrier layer 14 is formed by epitaxial growth so as to embed a plurality of first quantum dots 13. As a material for forming the first barrier layer 14, the same material as that of the semiconductor substrate 11 can be used. When the semiconductor substrate 11 is formed using GaAs, a mixed crystal such as AlGaAs that lattice-matches with GaAs may be used as a material for forming the first barrier layer 14. When the semiconductor substrate 11 is formed using InP, a mixed crystal such as InGaAsP may be used as a material for forming the first barrier layer 14 lattice-matched with InP.

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。 Next, as shown in FIG. 4, the plurality of strain transfer quantum dots 15 are measured using the SK method so that each strain transfer quantum dot 15 matches the horizontal position of the first quantum dot 13. The first quantum barrier layer 14 is formed by epitaxial growth. By using the SK method, the strain transfer quantum dots 15 grow above the first quantum dots 13 corresponding to the positions on the first barrier layer 14 having the strain caused by the first quantum dots 13. Here, the horizontal direction of the 1st quantum dot 13 is the direction orthogonal to the lamination direction of each layer.

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。 The dimension of the strain transfer quantum dot 15 is formed to be smaller than the dimension of the first quantum dot 13. The material for forming the strain transfer quantum dot 15 may be the same as or different from that of the first quantum dot 13. If the semiconductor substrate 11 is formed using GaAs, the first quantum dots 13 may be formed using InAs, and the strain transfer quantum dots 15 may be formed using InGaAs or InAlAs. . When the semiconductor substrate 11 is formed using InP, the first quantum dots 13 may be formed using InAs, and the strain transfer quantum dots 15 may be formed using InGaAsP. The dimension of the strain transfer quantum dot 15 is formed smaller than that of the first quantum dot. The dimension of the strain transfer quantum dot 15 can be adjusted by controlling the irradiation time of the source beam or the temperature of the semiconductor substrate 11. Although not shown, the plurality of strain transfer quantum dots 15 are connected by a wetting layer.

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。 Next, as shown in FIG. 5, the steps described with reference to FIG. 4 are repeated to form a plurality of strain transfer quantum dots 15 and a second barrier layer 16 on the first barrier layer 14. The position of the first quantum dot 13 in the horizontal direction is transmitted upward by stacking a plurality of strain transmission quantum dots 15. The distance between the first quantum dots 13 and the reflecting surface 10c is determined by the number of the second barrier layers 16 stacked. This distance affects the light extraction efficiency. Therefore, the number of stacked second barrier layers 16 can be determined so as to increase the light extraction efficiency. The thickness d5 of the second barrier layer 16 is preferably small from the viewpoint of accurately transmitting the position of the first quantum dots 13 to the stacking method via the strain transmission quantum dots 15. For example, the thickness d5 can be 10 to 20 nm.

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。 Next, as shown in FIG. 6, a plurality of second quantum dots 17 are placed on the top using the SK method so that each second quantum dot 17 coincides with the horizontal position of the strain transfer quantum dot 15. The quantum dot stacked body 30 is formed by epitaxial growth on the upper second barrier layer 16. By using the SK method, the position of the second quantum dot 17 grows above the strain transfer quantum dot 15 in accordance with the strain caused by the strain transfer quantum dot 15. Here, the horizontal direction of the strain transfer quantum dots 15 is a direction orthogonal to the stacking direction of the layers.

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。 The dimension of the second quantum dot 17 is formed smaller than the dimension of the first quantum dot 13. In this way, the plurality of second quantum dots 17 are aligned with the positions of the first quantum dots 13 via the plurality of strain transfer quantum dots 15 and the second barrier layer 16. Formed as follows.

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。 The second quantum dot 17 preferably has a size that can be observed using an SEM or the like in order to measure its position. From this viewpoint, the dimension of the second quantum dot 17 is preferably larger than the dimension of the first quantum dot 13. As a dimension of the 2nd quantum dot 17, it can be set as 30-50 nm, for example. The height d6 of the second quantum dots 17 can be set to 5 to 20 nm, for example.

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。 Next, as shown in FIGS. 7 and 8, markers 31 a to 31 d serving as indices for determining the position of one second quantum dot 17 among the plurality of second quantum dots 17 are the second layer in the uppermost layer. It is formed on the barrier layer 16. The markers 31 a to 31 d are formed around the quantum dot stacked body 30, for example.

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。 The markers 31 a to 31 d can be formed as a metal layer in which Ti / Pt / Au is laminated on the second barrier layer 16 or by patterning the second barrier layer 16.

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。 The dimensions of the markers 31a to 31d may be any size that can be observed with an SEM or the like, and can be several tens to 100 nm, for example.

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。 Note that the markers 31a to 31d may be formed in a region where the barrier layer or the like on the semiconductor substrate 11 is not stacked before the barrier layer is formed.

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。 The operation of obtaining the position of one second quantum dot 17 based on the marker 31a can be performed using a monitor of an electron beam drawing apparatus such as SEM. When the monitor of the electron beam drawing apparatus is used, the workability of forming a mask using the electron beam lithography method is improved in the next step. Further, this work may use an AFM.

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。 Then, the position of one second quantum dot 17 is specified using coordinates (x, y) with the marker 31a as the origin. The viewpoint of reducing the number of first quantum dots included in the optical structure 10a to be formed by using one specified second quantum dot 17 apart from the other second quantum dots 17 To preferred. Then, based on the identified position of the second quantum dot 17, a position for forming a mask covering the one second quantum dot is determined. When a plurality of markers are used, the influence of material expansion and contraction due to temperature can be corrected based on the positional relationship between the markers.

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。 Based on the specified position of the second quantum dot 17, the position on the quantum dot stacked body 30 where the mask for covering the one second quantum dot 17 is formed is determined. The shape and position of the mask are determined so that an optical structure with high light extraction efficiency is formed using the mask. In this way, the position where the mask is formed can be accurately determined so that the first quantum dots 13 are positioned below the mask.

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。 Next, as shown in FIG. 9, the mask 32 is formed at the determined position on the quantum dot stack 30. In the present embodiment, the mask 32 is formed by an electron beam lithography method using an electron beam drawing apparatus. In the example illustrated in FIG. 9, the mask 32 is formed so as to cover one specified second quantum dot, but the mask 32 may be formed so as to cover other second quantum dots. good.

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。 The mask 32 is used to form the optical structure 10a. That is, the position and shape of the optical structure 10 a are determined by the shape or position of the mask 32. Since the position of the mask 32 is determined based on the second quantum dot 17 indicating the position of the first quantum dot 13 located below, the optical structure in accordance with a desired design so as to increase the light extraction efficiency. 10a can be formed accurately.

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。 Next, as shown in FIG. 10, the quantum dot stack 30 is etched using the mask 32 to form the optical structure 10 a. The optical structure 10 a includes a first quantum dot 13 and a plurality of strain transfer quantum dots 15 and second quantum dots 17 that are formed so as to be aligned with the horizontal position of the first quantum dot 13. In the example shown in FIG. 10, the optical structure 10 a is formed so that the width increases from the mask 32 side toward the semiconductor substrate 11 side. However, the optical structure 10 a may be formed so that the width is constant. good. Further, the optical structure 10a may be formed so that the width decreases from the mask 32 side toward the semiconductor substrate 11 side. The semiconductor substrate 11 may be partially etched on the surface side.

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。 Next, the mask 32 and the second quantum dots 17 are removed from the optical structure 10a, and the optical semiconductor element 10 shown in FIG. 1 is obtained. By removing the second quantum dots 17, the light emission of the second quantum dots 17 or the movement of electrons or holes to the second quantum dots 17 is prevented, and the light emission efficiency of single photons is prevented from decreasing. It becomes possible.

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。 Here, since the quantum dots are grown in a self-forming manner, fluctuations in the width of the size of the quantum dots occur. As a result, the emission wavelength of the first quantum dots 13 may deviate from the designed wavelength. Therefore, the emission wavelength of the obtained optical semiconductor element 10 is measured, and one or more strain transfer quantum dots 15 and the second barrier layer 16 are removed so that the light extraction efficiency is maximized, and the optical structure 10a is obtained. Can be adjusted. The light extraction efficiency can be improved by changing the distance between the first quantum dots 13 and the reflecting surface 10c based on the emission wavelength.

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。 Therefore, as shown in FIG. 11, a protective layer 33 is formed around the optical structure 10a.

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。 Next, as shown in FIG. 12, the uppermost strain transfer quantum dots 15 and the second barrier layer 16 are removed by using a selective etching method. Then, the protective layer 33 is removed.

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。 According to the manufacturing method of the optical semiconductor element of this embodiment mentioned above, the optical semiconductor element 10 can be formed so that the position of the 1st quantum dot 13 may become a predetermined position in the optical structure 10a. Therefore, the optical semiconductor element 10 having high light extraction efficiency can be obtained.

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。 Further, by removing one or a plurality of strain transfer quantum dots 15 and the second barrier layer 16 from the optical semiconductor element 10, the light extraction efficiency can be adjusted to be further increased.

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。 The optical semiconductor element 10 formed by the manufacturing method of the present embodiment may have a plurality of first quantum dots 13 depending on the size or shape of the mask 32 or the density of the second quantum dots 17. In addition, each second barrier layer 16 may have a plurality of strain transfer quantum dots 15. Even if the first barrier layer 14 has a plurality of first quantum dots 13, the emission wavelengths of the individual first quantum dots are not exactly the same due to fluctuations in the size of the quantum dots.

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。 Therefore, a wavelength filter may be provided for photons output from the input / output surface 10b to extract photons having a predetermined wavelength. In addition, a resonant structure that generates a predetermined wavelength may be formed in the optical structure 10a to generate a photon having a predetermined wavelength.

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。 Next, another embodiment of the above-described optical semiconductor element will be described below with reference to the drawings. For points that are not particularly described in the other embodiments, the description in detail regarding the first embodiment is applied as appropriate. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same component.

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。 FIG. 13 is a diagram illustrating a second embodiment of the optical semiconductor element disclosed in this specification.

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。 The optical semiconductor element 10 of this embodiment is different from the above-described optical semiconductor element of the first embodiment in that it does not have a strain transfer quantum dot and a second barrier layer.

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。 Depending on the emission wavelength of the first quantum dots 13 and the like, the light extraction efficiency can be sufficiently increased without disposing the second barrier layer. In such a case, the semiconductor substrate 11, the buffer layer 12, the first quantum dots 13, and the first barrier layer are arranged without arranging the second barrier layer as in the optical semiconductor element 10 of the present embodiment. An optical structure 10 a having 14 may be used.

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。 First, as shown in FIG. 14, a crystalline buffer layer 12 is formed on a semiconductor substrate 11 by epitaxial growth.

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。 Next, as shown in FIG. 15, a plurality of crystalline first quantum dots 13 are randomly formed on the buffer layer 12 by epitaxial growth using the SK method. Then, a crystalline first barrier layer 14 is formed so as to embed a plurality of first quantum dots 13.

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。 Next, as shown in FIG. 16, the plurality of second quantum dots 17 are changed using the SK method so that each second quantum dot 17 coincides with the horizontal position of the first quantum dot 13. The first barrier layer 14 is formed by epitaxial growth.

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。 Next, as shown in FIG. 17, markers 31 a to 31 d for determining the position of one second quantum dot 17 among the plurality of second quantum dots 17 are formed on the first barrier layer 14. .

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。 Next, as shown in FIG. 18, a mask that covers one second quantum dot 17 is formed based on the position of one specified second quantum dot 17 among the plurality of second quantum dots 17. The position is determined, and a mask 32 is formed at the determined position on the quantum dot stack 30.

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。 Next, as illustrated in FIG. 19, the quantum dot stack 30 is etched using the mask 32 to form the optical structure 10 a. The optical structure 10 a includes a first quantum dot 13 and a second quantum dot 17 formed so as to coincide with the position of the first quantum dot 13.

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。 Next, the mask 32 and the second quantum dots 17 are removed from the optical structure 10a, and the optical semiconductor element 10 shown in FIG. 13 is obtained. Alternatively, although not particularly illustrated, the mask 32 may be removed and the second quantum dot 17 may be left.

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。 According to the manufacturing method of the optical semiconductor device 10 of the present embodiment described above, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained.

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。 Next, a third embodiment of the optical semiconductor element disclosed in this specification will be described below.

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。 20 is a diagram showing a cross-sectional view of a third embodiment of the optical semiconductor element disclosed in this specification, and is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. FIG. 21 is a diagram illustrating a plan view of a third embodiment of the optical semiconductor element disclosed in this specification.

本実施形態の光半導体素子１０は、光学共振器である。 The optical semiconductor element 10 of this embodiment is an optical resonator.

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。 The optical semiconductor element 10 includes an optical structure 10 a having a plurality of through holes 41 and a resonance part 44 surrounded by the through holes 41.

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。 The optical structure 10a to which excitation light is input from the outside increases the intensity when the light is confined in the resonance unit 44 and the quantum dot 13 whose emission energy resonates with the resonance energy of the resonator is obtained, so that the resonance wavelength is increased. The output light having is output.

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／ｃｍ^２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。 The optical structure 10 a includes a semiconductor substrate 40, a cavity 42 disposed on the semiconductor substrate 40, a bonding layer 43 surrounding the cavity 42, and a buffer layer 12 disposed on the cavity 42 and the bonding layer 43. The bonding layer 43 bonds the semiconductor substrate 40 and the buffer layer 12 together. The cavity 42 is formed by etching the bonding layer 43, and is formed using a material that is etched by the etchant that has flowed through the through hole 41. As a material for realizing this structure, for example, when the substrate 40 is a GaAs substrate, the bonding layer 43 has a lattice constant that matches that of the substrate 40 such as an AlGaAs layer and can be selectively etched. Use materials. Alternatively, when the substrate 40 is an InP substrate, the bonding layer 43 is made of a mixed crystal semiconductor material that has the same lattice constant as the InGaAs layer and can be selectively etched. As a material for forming the first quantum dots 13, InAs can be used. When the semiconductor substrate 11 is formed using GaAs, a mixed crystal such as InGaAs, InAlAs, or InAlGaAs may be used as a material for forming the first quantum dots 13. When the semiconductor substrate 11 is formed using InP, a mixed crystal such as InGaAsP may be used as a material for forming the first quantum dots 13. The first quantum dots 13 can be formed with a density of, for example, about 109 QDs / cm ² using the SK method. Although not shown, the plurality of first quantum dots 13 are connected by a wetting layer. Then, the first barrier layer 14 is formed by epitaxial growth so as to embed a plurality of first quantum dots 13. As a material for forming the first barrier layer 14, the same material as that of the semiconductor substrate 11 can be used. When the semiconductor substrate 11 is formed using GaAs, a mixed crystal such as AlGaAs that lattice-matches with GaAs may be used as a material for forming the first barrier layer 14. When the semiconductor substrate 11 is formed using InP, a mixed crystal such as InGaAsP may be used as a material for forming the first barrier layer 14 lattice-matched with InP.

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。 In addition, the optical structure 10 a includes a first barrier layer 14 disposed on the buffer layer 12, a plurality of second barrier layers 16 disposed on the first barrier layer 14, and the uppermost second barrier layer 16. The second quantum dots 17 are provided.

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。 The optical structure 10a has a plurality of through holes 41 that penetrate the plurality of second barrier layers 16, the first barrier layer 14, and the buffer layer 12, and has a so-called photonic structure.

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。 The resonating unit 44 includes a portion of the first barrier layer 14 where the first quantum dots 13 are disposed, a portion of the buffer layer 12 positioned below the portion of the first barrier layer 14, and a portion of the first barrier layer 14. Is formed by a portion of the second barrier layer 16 having the second quantum dots 17 located above the first quantum dots 17.

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。 The optical semiconductor element 10 of the present embodiment also determines the position at which the mask covering the second quantum dots 17 is formed based on the position of the second quantum dots 17 as in the first and second embodiments described above. Then, a mask is formed at the determined position on the quantum dot stack. And it can form by etching a quantum dot laminated body using a mask.

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。 In the present invention, the optical semiconductor element and the method for manufacturing the optical semiconductor element of the above-described embodiment can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. In addition, the configuration requirements of one embodiment can be applied to other embodiments as appropriate.

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。 For example, in the optical semiconductor devices of the first embodiment and the second embodiment described above, photons are generated by inputting excitation light, but photons are generated by injecting current using an optical semiconductor device having a PIN structure. May be generated.

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。 All examples and conditional words mentioned herein are intended for educational purposes to help the reader deepen and understand the inventions and concepts contributed by the inventor. All examples and conditional words mentioned herein are to be construed without limitation to such specifically stated examples and conditions. Also, such exemplary mechanisms in the specification are not related to showing the superiority and inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions or modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical semiconductor element 10a Optical structure 10b Input / output surface 10c Reflective surface 11 Substrate 12 Buffer layer 13 1st quantum dot 14 1st barrier layer 15 Strain transfer quantum dot (3rd quantum dot)
16 Second barrier layer 17 Second quantum dot d1 Height of first quantum dot d2 Thickness of first barrier layer d3 Distance between first quantum dot and strain transfer quantum dot d4 Height of strain transfer quantum dot d5 Second Barrier layer thickness d6 Second quantum dot height E1 Ground state energy level of first quantum dot F1 Ground state energy level of second quantum dot 30 Quantum dot stack 31a-31d Marker 32 Mask 33 Protection Layer 40 Substrate 41 Through hole 42 Cavity portion 43 Bonding layer 44 Resonance portion

Claims

Forming a first quantum dot on a substrate and forming a first barrier layer so as to embed the first quantum dot; and
A second step of forming a quantum dot stack by forming a second quantum dot on the first barrier layer using a self-forming method so as to coincide with the position of the first quantum dot;
A third step of determining a position for forming a mask covering the second quantum dots based on the position of the second quantum dots, and forming the mask at the determined position on the quantum dot stack;
A fourth step of etching the quantum dot stack using the mask;
A method of manufacturing an optical semiconductor device comprising:

In the third step,
An index for determining the position of the second quantum dot is formed on the substrate,
Based on the index, find the position of the second quantum dot,
The method for manufacturing an optical semiconductor element according to claim 1, wherein a position on the quantum dot stacked body on which the mask is formed is determined based on the obtained position of the second quantum dot.

After the fourth step,
The method for manufacturing an optical semiconductor element according to claim 1, further comprising a fifth step of removing the mask and the second quantum dots from the quantum dot stack.

Between the first step and the second step,
A third quantum dot is formed on the first barrier layer by using a self-forming method so as to coincide with the position of the first quantum dot, and a second barrier layer is formed so as to embed the third quantum dot. Comprising a sixth step of forming,
The said 2nd process WHEREIN: The said 2nd quantum dot is formed on the said 2nd barrier layer so that it may correspond with the position of the said 3rd quantum dot using a self-forming method. A method for producing the optical semiconductor device according to the item.

5. The method of manufacturing an optical semiconductor element according to claim 4, wherein, in the sixth step, a plurality of the second barrier layers and the third quantum dots are formed on the first barrier layer.

After the fourth step,
The method for producing an optical semiconductor device according to claim 5, further comprising a seventh step of removing the second quantum dots, the second barrier layer as the uppermost layer, and the third quantum dots.

The method of manufacturing an optical semiconductor element according to claim 4, wherein a ground energy level of a conduction band of the third quantum dot is higher than a ground energy level of the first quantum dot.

The method for producing an optical semiconductor element according to claim 4, wherein a dimension of the third quantum dot is smaller than a dimension of the first quantum dot.

The method for manufacturing an optical semiconductor element according to claim 1, wherein a dimension of the second quantum dot is larger than a dimension of the first quantum dot.

Forming a first barrier layer on the substrate by forming a plurality of first quantum dots and embedding the plurality of first quantum dots;
A second step of forming a plurality of second quantum dots on the first barrier layer using a self-forming method so that each of the second quantum dots coincides with the position of the first quantum dot;
Based on the position of one of the plurality of second quantum dots, a position for forming a mask that covers the one second quantum dot is determined, and the mask is defined as the quantum dot stack. A third step of forming in the determined position above;
And a fourth step of etching the quantum dot stack using the mask.

A substrate,
A first quantum dot formed on the substrate, and a first barrier layer formed to embed the first quantum dot;
A second quantum dot disposed on the first barrier layer and formed so as to coincide with a position of the first quantum dot; and a second barrier layer formed so as to embed the second quantum dot. Two barrier layers;
With
An optical semiconductor device in which a ground state energy level of a conduction band of the second quantum dot is higher than a ground state energy level of the first quantum dot.