JP2009016709A

JP2009016709A - 量子ドット作製法と量子ドット半導体

Info

Publication number: JP2009016709A
Application number: JP2007179414A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Mano; 高明間野; Kazuki Mitsuishi; 和貴三石; Takashi Kuroda; 隆黒田; Kazuaki Sakota; 和彰迫田; Nobuyuki Oguchi; 信行小口
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2009-01-22

Abstract

【課題】従来に望むことの出来ない高密度で、かつサイズ揺らぎの少ない均一な量子ドットの作成が可能な方法を提供する。
【解決手段】従来のＧａＡｓ（１００）基板でなく、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上にガリウムのみを供給して液状のガリウム金属微粒子を作製し、その液滴に砒素分子線を照射してガリウム砒素に結晶化することにより、サイズ揺らぎの少ない量子ドットを作製する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液滴エキタピシー法によりＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成する量子ドット作製法と量子ドット半導体に関し、より詳しくは、量子ドットの密度と均一性を向上することに関する。

量子ドットのサイズ揺らぎと発光の半値幅について：量子ドットはそのサイズが変化すると、量子閉じ込めエネルギーが変化するため発光する波長（エネルギー）が変化する。そのため、サイズの揺らぎが大きい量子ドット群の発光特性は、幅広い波長（エネルギー）にわたって広がり、その半値幅は広い物となる。量子ドットの半導体レーザ等の応用のためには、なるべくサイズ揺らぎの少ない量子ドットを高密度に作製することが望まれている。
非特許文献１で示されているように従来のＧａＡｓ（１００）基板を用いたものでは、液滴の密度は最大でも３×１０^１０／ｃｍ^２であった。この特許文献１及び非特許文献１に示されているように、ＧａＡｓ（１００）基板を用いたものでは、液滴を結晶化する際の砒素分子線強度を低下させると、結晶化後のナノ構造の形状が変化し量子ドットの形成は不可能となる。
これに対し非特許文献１では、量子ドットを作製するために高強度の砒素分子線を液滴に照射して結晶化しているため、量子ドットのサイズの均一性が悪く、半値幅の狭い発光を得ることは不可能であった。

特開２００６−０６００８８Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９、Ｌ７９−Ｌ８１、２０００年、２月、Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｎ．Ｋｏｇｕｃｈｉ，Ｙ．Ｇｏｔｏｈ

以上のような実情に鑑み、本発明は、従来に望むことの出来ない高密度でかつ均一な量子ドットの作成が可能な方法を提供することを目的とする。

本発明の量子ドット作製法は、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットを形成することを特徴とする。
また、量子ドット半導体は、量子ドットがＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に形成されていることを特徴とする。

ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に液滴エピタキシー法により量子ドットを作成することにより、３×１０^９／ｃｍ^２〜１×１０^１１／ｃｍ^２の範囲で量子ドットの密度を制御する事に成功した。また、同基板を用いる事により、量子ドットの均一性に関しても、成長条件により広い範囲で制御可能となった。このような量子ドットをもつ半導体の半値幅は２３ｍｅＶ〜１００ｍｅＶ超を実現した。

液滴エピタキシー法は、上記非特許文献１に記載されているように、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の格子不整合な系に於いても適用できる。そのため、本手法が、実施例のＧａＡｓ量子ドットをＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ量子ドットに置き換えたもの、また、実施例２のＧａＡｓ（３１１）Ａ基板をＩｎＰ（３１１）Ａ基板に置き換えされに、ＧａＡｓ量子ドットをＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ量子ドットに置き換えた場合に於いても、同様の構造の作製が可能である事容易に類推できる。

液滴エピタキシー法は、化合物半導体の量子ドットを作製する手法で、図１を参照して、ガリウム砒素量子ドットの作製を例として説明すると、基板上にガリウムのみを供給してガリウムの液体金属微粒子を作製し、続いて砒素を供給してその液滴をガリウム砒素に結晶化する事により、量子ドットを作製する。
図２に示すように、従来のＧａＡｓ（１００）基板上では、２００℃から３５０℃の範囲では、液滴の密度は基板温度と式１（ＧａＡｓ（１００）基板上の液滴密度のフィッティング曲線の式）の関係にあり、密度は最大でも２×１０^１０／ｃｍ^２程度であった。

式１

これに対して、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板を用いることにより、上記の温度範囲の全域で密度が増加し、最大で１×１０^１１／ｃｍ^２という、高密度の液滴が形成可能となった。なお、図１の説明で述べたように、この液滴は結晶化する事により、一つの液滴が一つの量子ドットとなることから、この密度はそのまま形成される量子ドットの密度と考えることができる。

図３は、液滴を量子ドットへ結晶化する際の砒素分子線強度を変化させた際の結晶化後の構造の形状の顕微鏡像であるが、ＧａＡｓ（１００）基板上では、分子線強度の減少に伴い、形状が変化してしまうため、量子ドットの形成には２×１０^−４Ｔｏｒｒの砒素分子線照射が必要である。それに対して、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上では、砒素分子線強度を減少させても形状は保たれており、弱い砒素分子線照射に於いても量子ドット形成が可能である。

ＧａＡｓ量子ドットをＡｌＧａＡｓ層によりサンドイッチした構造を例にして、図４にその発光特性を示す。
図５には、同様な構造のＧａＡｓ（１００）基板上の量子ドットの例を示すが、前述と同様に非常に高強度の砒素分子線照射を用いることが必須であるため、サイズ揺らぎ大きな量子ドットが形成され、観察される発光の半値幅は１００ｍｅＶ以上と非常に大きな値である。
図６−８は本実施例において、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上でも、砒素分子線強度を変えても量子ドットの形成が可能で、弱い強度の砒素を照射した際に均一性の高い量子ドットが形成されることを示している。それにより、半値幅５０ｍｅＶ以下の発光が観察される。

なお、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上でも、高強度の砒素分子線による結晶化を行うと、（１００）基板上と同様にサイズ揺らぎの大きな量子ドットが形成され、１００ｍｅＶを超える半値幅の発光が観察される。（図９参照）

液滴エピタキシー法は、基板と量子ドット材料の格子定数が等しい材料系に適用できる量子ドットの自己形成手法であるが、これまでＧａＡｓ（１００）基板を用いた液滴エピタキシー法により作成した量子ドットは、最大でも密度が２〜３×１０^１０／ｃｍ^２で、さらに、大きなサイズ揺らぎに起因する発光の半値幅の広いため、しきい値電流、変調特性等に於いて優れた特性が予測されている量子ドットレーザを実現する事は困難であった。しかしこの技術により、高密度かつ高均一な量子ドットが実現されることにより、従来の技術では実現不可能であったＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの格子整合な系において自己形成量子ドットを用いた量子ドットレーザデバイスを実現することが可能となる。

液滴エピタキシー法の模式図ＧａＡｓ（１００）及び（３１１）Ａ基板上のガリウム液滴密度の比較を示すグラフ。（１００）及び（３１１）Ａ基板上の液滴を異なる強度の砒素照射により結晶化した後のＧａＡｓナノ構造の形状を示す顕微鏡写真。発光特性を測定するために作製した構造の模式図（１００）基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−４ｔｏｒｒ）（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−６ｔｏｒｒ）（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度１×１０^−５ｔｏｒｒ）（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−６ｔｏｒｒ）（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−４ｔｏｒｒ）

Claims

液滴エキタピシー法によりＧａＡｓ基板上に量子ドットを形成する量子ドット作製法であって、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットを形成することを特徴とする量子ドット作製法。
ＧａＡｓ基板上に量子ドットが形成されてなる量子ドット半導体であって、量子ドットがＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に形成されていることを特徴とする量子ドット半導体。