JP2006060088A

JP2006060088A - 半導体ナノ構造体及びその作製方法

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Publication number: JP2006060088A
Application number: JP2004241522A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Mano; 高明間野; Nobuyuki Oguchi; 信行小口
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-20
Also published as: JP4817093B2

Abstract

【課題】加工損傷がなく高品質で多様な構造形態の半導体ナノ構造体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】この出願の発明の半導体ナノ構造体の作製方法は、基板上に化合物半導体（ＡＢ）の構成元素Ａの金属液滴を液滴エピタキシーにより形成し、構成元素Ａの金属液滴に構成元素Ｂのビームを照射して化合物半導体（ＡＢ）が結晶化したナノ構造体を作製する際に、結晶化条件を制御することにより、得られるナノ構造体の構造を制御することを特徴とする。得られるナノ構造体の構造は、たとえば量子ドット、二重結合量子ドット、四重結合量子ドット、単一量子リング、同心二重量子リングとなる。
【選択図】図１

Description

この出願の発明は、半導体ナノ構造体及びその作製方法に関するものである。より詳しくは、この出願の発明は、液滴エピタキシーと構成元素のビーム照射を用いて加工損傷なく作製される、構造が制御された半導体ナノ構造体及びその作製方法に関するものである。

現在、盛んに研究開発が行われている量子情報デバイスの実現には、ナノメートル・スケールでの精密な構造制御が要求される。このような量子情報デバイスの実現に必要なナノ構造体の構造制御は、これまでリソグラフィーやエッチングなどの人工的な加工プロセスを用いて行われてきた。ところが、このような方法では、当然コストがかかり、加工損傷が避けられず、さらに多数の微細な構造を大きな面積にわたって基板上に作製することは非常に困難である。

これに対し、液滴エピタキシーと構造体構成元素のビーム照射を利用することにより構造を制御した半導体ナノ構造体を作製する方法が提案されている。

たとえば、特許文献１には、ＺｎＳｅ層上に液滴エピタキシーによりＧａ液滴を形成し、それにＡｓのビームを照射してＧａＡｓ結晶のナノ構造体（量子ドット）を形成する技術が開示されている。また、特許文献１及び非特許文献１には、ＣｄＴｅ層上に液滴エピタキシーによりＩｎ液滴を形成し、それにＳｂのビームを照射してＩｎＳｂ結晶のナノ構造体（量子ドット）を形成する技術が開示されている。

一方、非特許文献２には、同様な手法を用いてＡｌＧａＡｓ層上に液滴エピタキシーによりＧａ液滴を形成し、それにＡｓのビームを照射してＧａＡｓ結晶のナノ構造体（量子ドット）を形成する技術が形成されている。また、この非特許文献２には、量子ドットを形成しているうちに、たまたま中央部がクレーター状になった、いわゆる単一量子リングのナノ構造体が作製されたとの報告がある。
特開平３−１１６８２２号公報 N. Koguchi et al., J. Crystal Growth 111, p.688 (1991) C.-D. Lee et al., Jpn. J. Appl. Phys. 37, p.7158 (1998)

ところで、量子情報デバイスの実用化のためには、量子ドット等のナノ構造体を加工損傷なく、簡便にその構造を制御しながら作製でき、また多数の微細な構造を大きな面積にわたって基板上に形成できることが望まれる。また、ナノ構造体の構造形態についてもさらに多様な形態のものを、リソグラフィーやエッチングなどの人工的な加工プロセスを加えることなしに作製できることが望まれる。

この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、加工損傷がなく高品質で多様な構造形態の半導体ナノ構造体及びその製造方法を提供することを課題とする。

また、この出願の発明は、低コストでかつ簡便に作製できる半導体ナノ構造体及びその製造方法を提供することを別の課題とする。

また、この出願の発明は、多数の微細な構造を大きな面積にわたって基板上に形成でき
る半導体ナノ構造体及びその製造方法を提供することをさらに別の課題とする。

この出願の発明は、上記課題を解決するため、第１には、化合物半導体のナノ構造体であって、２つの量子ドットが隣接して結合配置している二重結合量子ドットであることを特徴とする半導体ナノ構造体を提供する。

また、第２には、化合物半導体のナノ構造体であって、４つの量子ドットが隣接して結合配置している四重結合量子ドットであることを特徴とする半導体ナノ構造体を提供する。

また、第３には、化合物半導体のナノ構造体であって、２つの量子リングが近接して同心状に配置している同心二重量子リングであることを特徴とする半導体ナノ構造体を提供する。

また、第４には、上記第１から第３の発明のいずれかにおいて、化合物半導体がＧａＡｓであることを特徴とする半導体ナノ構造体を提供する。

また、第５には、基板上に化合物半導体（ＡＢ）の構成元素Ａの金属液滴を液滴エピタキシーにより形成し、構成元素Ａの金属液滴に構成元素Ｂのビームを照射して化合物半導体（ＡＢ）が結晶化したナノ構造体を作製する際に、結晶化条件を制御することにより、得られるナノ構造体の構造を制御することを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法を提供する。

また、第６には、上記第５の発明において、結晶化条件の制御が、構成元素Ｂのビーム照射強度の制御であることを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法を提供する。

また、第７には、上記第５の発明において、結晶化条件の制御が、構成元素Ａの液滴サイズの制御であることを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法を提供する。

また、第８には、上記第５の発明において、結晶化条件の制御が、基板温度の制御であることを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法を提供する。

また、第９には、上記第５から第８の発明のいずれかにおいて、基板がＡｌＧａＡｓであり、構成元素ＡがＧａであり、構成元素ＢがＡｓであることを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法を提供する。

さらに、第１０には、上記第５から第９の発明のいずれかにおいて、制御される形状が、量子ドット、二重結合量子ドット、四重結合量子ドット、単一量子リング又は同心二重量子リングであることを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法を提供する。

この出願の発明の半導体ナノ構造体は、構造制御が行われた、加工損傷がなく高品質で従来にない構造形態を有するものであり、量子情報デバイスへの応用のブレークスルーとなることが期待される。

また、この出願の発明の半導体ナノ構造体の作製方法は、リソグラフィーやエッチングなどの人工的な加工プロセスを用いないで、自己組織的な過程による作製手法であるので、加工損傷がなく高品質で多様な構造形態の半導体ナノ構造体が提供される。

さらに、この出願の半導体ナノ構造体の作製方法によれば、低コストで簡便に、しかも多数の微細な構造を大面積に基板上に作製することが可能となる。

この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

先ず、この出願の発明の半導体ナノ構造体は、化合物半導体のナノ構造体であって、次のような構造形態を有していることを特徴とする。
１．２つの量子ドットが隣接して結合配置している二重結合量子ドットであること。
２．４つの量子ドットが隣接して結合配置している四重結合量子ドットであること。
３．２つの量子（ドット状）リングが近接して同心状に配置している同心二重量子リングであること。

上記のような構造形態の半導体ナノ構造体は、この出願の発明により初めて得られたものであり、量子情報デバイスへの応用のブレークスルーとなることが期待される。

上記のような構造形態の半導体ナノ構造体は、上述した作製方法により作製することができる。すなわち、リソグラフィーやエッチングなどの人工的な加工プロセスを用いないで、自己組織的な過程により作製されたものであるので、加工損傷がなく高品質で多様な構造形態となっている。

このような構造形態を実現できる半導体化合物としては、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ等のIII−Ｖ族化合物半導体、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＭｎＴｅ等のII−VI族化合物半導体等を例示することができる。また、半導体ナノ構造体の寸法は構造形態にもよるが、通常、１０〜２００ｎｍ程度とすることができる。

次に、この出願の発明の半導体ナノ構造体の作製方法について説明する。
この出願の発明の半導体ナノ構造体の作製方法は、基板上に化合物半導体（ＡＢ）の構成元素Ａの金属液滴を液滴エピタキシーにより形成し、構成元素Ａの金属液滴に構成元素Ｂのビームを照射して化合物半導体（ＡＢ）が結晶化したナノ構造体を作製する際に、結晶化条件を制御することにより、得られるナノ構造体の構造を制御することを特徴とする。
なお、この出願の明細書において、構成元素Ａ、構成元素Ｂは、下記に例示するように単体のものの他、化合物であるものも含む。

結晶化条件の制御としては、（１）構成元素Ｂのビーム強度の制御、（２）構成元素Ａの金属液滴サイズの制御、（３）基板温度の制御を挙げることができる。

図１を参照しながら説明すると、先ず、図１（ａ）に示すように基板を準備し、これを液滴エピタキシーが行える装置にセットする。基板は特定方向に配向した単結晶基板であることが好ましい。液滴エピタキシーは１×１０^-9〜１×１０^-6Ｐａ程度の高真空で行うことが好ましい。次に、図１（ｂ）に示すように、液滴形成用の構成元素Ａのビームを、加熱した基板上に必要量供給し、構成元素Ａの金属液滴を形成する。金属液滴の形状は略半球状となる。次に、図１（ｃ）に示すように、基板の加熱温度を調節して構成元素Ｂのビームを金属液滴に照射する。この照射により、構成元素Ｂは構成元素Ａの金属液滴中に拡散し、化合物半導体（ＡＢ）として結晶化が行われ、ナノ構造体が得られる。この出願の発明では、このような作製過程において、上記の（１）から（３）のいずれかの結晶化条件の制御を行う。このようにして、構造が制御された半導体ナノ構造体を得ることがで
きる。

この出願の発明では、化合物半導体（ＡＢ）における元素Ａと元素Ｂの組合せとしては、たとえば下記のものが例示される。
Ａ：Ｇａ、Ｂ：Ａｓ
Ａ：Ｉｎ、Ｂ：Ａｓ
Ａ：Ｇａ、Ｂ：Ｎ
Ａ：Ｉｎ、Ｂ：Ｐ
Ａ：Ｚｎ、Ｂ：Ｏ
Ａ：Ｚｎ、Ｂ：Ｓ
Ａ：ＩｎＧａ、Ｂ：Ａｓ
Ａ：Ｇａ、Ｂ：ＡｓＳｂ

この出願の発明では、基板としては、作製するナノ構造体に応じて適当な材料からなる基板を使用することができ、たとえばＧａＡｓのナノ構造体を作製する場合には、表面が（１００）配向したＡｌＧａＡｓを用いることができる。

また、この出願の発明では、液滴サイズは、直径１０〜１００ｎｍ、高さ３〜３０ｎｍ程度とするのが好ましい。

また、この出願の発明では、液滴エピタキシーにより構成元素Ａの金属液滴を形成する場合の基板温度は、構成元素Ａの種類にもよるが、１５０〜３５０℃程度とするのが好ましい。

また、この出願の発明では、構成元素Ｂのビームを照射するときのビーム強度は、１×１０¹⁴〜２×１０¹⁶／ｃｍ²・ｓ程度とするのが好ましい。

また、この出願の発明では、構成元素Ｂのビームを照射して結晶化を行うときの基板温度は、１５０〜３００℃程度とするのが好ましい。

上記の液滴サイズ、ビーム強度及び基板温度はこれらの値を一定とするときも、結晶化条件の制御として変化させるときも上記範囲とすることが好ましい。

この出願の発明では、たとえば構成元素ＡとしてＧａ、構成元素ＢとしてＡｓを用い、構成元素Ｂのビーム強度を変化させたとき、制御される構造が、量子ドット、二重結合量子ドット、四重結合量子ドット、単一量子リング及び同心二重量子リングに変化させることができる。

次に、この出願の発明の実施例を述べる。
実施例１
基板として、表面が（１００）配向したＡｌＧａＡｓ基板を用い、１×１０^-7Ｐａの真空下で基板温度を３５０℃とした。基板上に液滴エピタキシーによりＧａをＧａＡｓに換算して２分子層程度の量だけ照射し、Ｇａ液滴を形成した。次に、基板温度を２００℃とし、照射強度を２×１０¹⁶〜１×１０¹⁴／ｃｍ²・ｓの間で変化させてＡｓ₄ビームを照射して、Ｇａ液滴を結晶化させ、ＧａＡｓナノ構造体を作製した。

その結果、図２に示すようにＡｓ₄ビーム強度に応じて下記のように構造が制御された
。
（ｂ）２×１０¹⁶／ｃｍ²・ｓ：量子ドット
（ｃ）８×１０¹⁵／ｃｍ²・ｓ：二重結合量子ドット
（ｄ）６×１０¹⁵／ｃｍ²・ｓ：四重結合量子ドット
（ｅ）１×１０¹⁵／ｃｍ²・ｓ：単一量子リング
（ｆ）１×１０¹⁴／ｃｍ²・ｓ：同心二重量子リング
もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。

この出願の発明による半導体ナノ構造体の製造方法を説明するための手順を模式的に示す図である。（ａ）はＡｌＧａＡｓ基板上に形成した液滴の像を示す図、（ｂ）は量子ドットの像と模式図、（ｃ）は２結合量子ドットの像と模式図、（ｄ）は４結合量子ドットの像と模式図、（ｅ）は単一量子リングの像と模式図、（ｆ）同心二重量子リングの像と模式図である。

Claims

化合物半導体のナノ構造体であって、２つの量子ドットが隣接して結合配置している二重結合量子ドットであることを特徴とする半導体ナノ構造体。
化合物半導体のナノ構造体であって、４つの量子ドットが隣接して結合配置している四重結合量子ドットであることを特徴とする半導体ナノ構造体。
化合物半導体のナノ構造体であって、２つの量子リングが近接して同心状に配置している同心二重量子リングであることを特徴とする半導体ナノ構造体。
化合物半導体がＧａＡｓであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体ナノ構造体。
基板上に化合物半導体（ＡＢ）の構成元素Ａの金属液滴を液滴エピタキシーにより形成し、構成元素Ａの金属液滴に構成元素Ｂのビームを照射して化合物半導体（ＡＢ）が結晶化したナノ構造体を作製する際に、結晶化条件を制御することにより、得られるナノ構造体の構造を制御することを特徴とする半導体ナノ構造体の作製方法。
結晶化条件の制御が、構成元素Ｂのビーム照射強度の制御であることを特徴とする請求項５記載の半導体ナノ構造体の作製方法。
結晶化条件の制御が、構成元素Ａの液滴サイズの制御であることを特徴とする請求項５記載の半導体ナノ構造体の作製方法。
結晶化条件の制御が、基板温度の制御であることを特徴とする請求項５記載の半導体ナノ構造体の作製方法。
基板がＡｌＧａＡｓであり、構成元素ＡがＧａであり、構成元素ＢがＡｓであることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の半導体ナノ構造体の作製方法。
制御される形状が、量子ドット、二重結合量子ドット、四重結合量子ドット、単一量子リング又は同心二重量子リングであることを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載の半導体ナノ構造体の作製方法。