JP2010283251A - 半導体人工分子および半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】量子ドットから構成される所望とする状態の人工分子が形成できるようにする。
【解決手段】第１半導体からなる各々離間して配置された複数の量子ドット１０１と、これら量子ドット１０１の間に配置された第２半導体からなる半導体層１０２とを少なくとも備える。また、第１半導体と第２半導体とはエネルギーギャップ（バンドギャップエネルギー）が異なり、各々の量子ドット１０１の間隔Ｌｂは、第１半導体中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の範囲とされている。また、よりよくは、この間隔が、第１半導体中の励起子のボーア半径の１倍〜５倍の範囲とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の量子ドットより構成された半導体人工分子および半導体発光素子に関するものである。

例えば、化合物半導体により形成された原子の持つド・ブロイ波長程度の寸法の量子ドットは、この構造の中に、電子および正孔、あるいは電子と正孔が結合した励起子を閉じ込め、図１９に示すように、これらの電気特性および光特性を決定する。例えば、励起子を構成する電子と正孔とが再結合すると、結合前に持っていたエネルギーが光として放出される。ここで、量子ドットにおいては、状態密度がエネルギーに関してデルタ関数的に完全に離散化しており、特定のエネルギーに状態が集中するため、例えば、低閾値、高ゲイン、熱特性のよい発光素子が実現可能となる。

このような量子ドットを用いた技術として、１個の量子ドットに多数の電子を閉じ込める方法が提案されている（非特許文献１参照）。ここでは、１個の量子ドットに複数の電子を閉じ込め、その電気特性を解明し、電子の個数によって電気特性が変化することが確認されている。この手法では、複数の電子を相互作用させることは可能であるが、その特性は、量子ドットの大きさや、量子ドットの構成材料で決まってしまい、本発明で実現される人工分子を形成することは不可能である。

また、近接した量子ドットを探索する方法も提案されている（非特許文献２参照）。これは、自己形成型量子ドットの作製手法を拡張したものである。自己形成型量子ドットは、半導体基板の上に、これとは格子定数が異なる半導体を膜状に成長させ、格子定数の違いによる歪み効果により、膜状に成長している半導体を量子ドットに形成させるようにしたものである。非特許文献２では、ＧａＡｓ基板の上に、ＩｎＡｓの量子ドットを作製している。

このような自己形成による量子ドットでは、通常、量子ドット形成のための半導体層は、１層を成長させているが、非特許文献２では、２層成長させるようにしている。このため、１層目の成長による量子ドットと２層目の成長による量子ドットが、より近接して存在している状態が得られるようになる。この技術では、１層目による量子ドットに閉じ込められた励起子と２層目による量子ドットに閉じ込められた励起子とが相互作用し、単独の場合の励起子エネルギーとは異なるエネルギーを取るようになる。非特許文献２では、１層目と２層目とによる各々の量子ドットの間隔を変化させた状態を形成し、これらの間隔と励起子エネルギーとの関係を報告している。

S.Tarucha, et al. , "Shell Filling and Effects in a Few Electrpn Quantum Dot", PHYSICAL REVIEW LETTERS, Vol.77, No.17, pp.3613-3616, 1996. M.Bayer, et al. ,"Coupling and Entangling of Quantum States in Quantum Dot Molecules", Science, Vol.291, pp.451-453, 2001. 熊谷 信昭 著、「電磁気学基礎論」、オーム社、第１版第１刷発行、３１５〜３２１ページ、１９８７年。

しかしながら、まず、非特許文献１の技術では、複数の電子を相互作用させることは可能であるが、この特性は、量子ドットの大きさおよび量子ドットの構成材料などで決定されるため、複数の量子ドットによる相互作用を利用した、いわゆる人工分子を構成させることができない。

また、非特許文献２では、偶然に相互作用している量子ドットの組を見つけ出し、これらの特性を調べているものであり、所望とする状態の人工分子を形成しようとしているものではない。また、非特許文献２の技術では、自己形成型量子ドットを用いているため、複数の量子ドットが相互作用を起こす状態を意識的に形成することが不可能である。

以上に説明したように、上述した関連する技術では、量子ドットから構成される所望とする状態の人工分子を形成することができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、量子ドットから構成される所望とする状態の人工分子が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体人工分子は、第１半導体からなる各々離間して配置された複数の量子ドットと、これら量子ドットの間に配置された第２半導体からなる半導体層とを少なくとも備え、第１半導体と第２半導体とはエネルギーギャップが異なり、各々の量子ドットは、第１半導体中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の範囲で離間している。

上記半導体人工分子において、各々の前記量子ドットは、前記第１半導体中の励起子のボーア半径の１倍〜５倍の範囲で離間しているとよりよい。また、量子ドットは、上記半導体層を介して基板の上に形成されていればよい。また、量子ドットの各々は、基板の上に第２半導体からなる層を介して積層されていてもよい。

また、上記半導体人工分子において、量子ドットは、柱状の領域に積層されていてもよい。また、柱状の領域の径は、量子ドットの大きさ以上とされ、第１半導体のエネルギーギャップに相当する光波長の半分以下とされていればよい。また、複数の柱状の領域を備えるようにしてもよい。

本発明に係る半導体発光素子は、上述した半導体人工分子を活性層としたものである。

以上説明したように、本発明によれば、第１半導体からなる複数の量子ドットを、第１半導体とは異なるエネルギーギャップの第２半導体からなる半導体層を介し、各々の量子ドットが、第１半導体中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の範囲で離間しているようにしたので、量子ドットから構成される所望とする状態の人工分子が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

本発明の実施の形態における半導体人工分子の構成を模式的に示す斜視図である。 一方の量子ドット１０１に１個の励起子が閉じ込められている状態を示すエネルギーバンド図である。 励起子の生成を示すエネルギーバンド図である。 単一量子ドットおよび２つの量子ドットのエネルギー状態の比較を示す特性図である。 ２個の量子ドットの間隔とトンネリング確率との関係を示した相関図である。 量子ドットの間隔と、励起子の交換によって発生するエネルギーとの関係を示した相関図である。 ２つの量子ドットを半導体層からなる柱状構造内に形成した構成を示す構成図である。 柱状構造内の量子ドットの励起子から発生する光の電界分布を示す説明図である。 柱状構造内の量子ドットの励起子から発生する光の電界分布を示す説明図である。 複数の柱状構造よりなる半導体人工分子を備える構成を示す斜視図である。 実施例１における半導体人工分子の構成を示す断面図である。 実施例１における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例１における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例１における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例１における他の半導体人工分子の構成を示す断面図である。 実施例２における半導体人工分子の構成を示す断面図である。 実施例２における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例２における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例２における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例２における半導体人工分子の製造方法例を示す工程図である。 実施例２における他の半導体人工分子の構成を示す断面図である。 実施例２における他の半導体人工分子の構成を示す斜視図である。 実施例２における他の半導体人工分子の製造途中の状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態における他の半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 量子ドットにおけるエネルギーギャップの状態を示すバンド図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体人工分子の構成を模式的に示す斜視図である。この半導体人工分子は、第１半導体からなる各々離間して配置された複数の量子ドット１０１と、これら量子ドット１０１の間に配置された第２半導体からなる半導体層１０２とを少なくとも備える。また、第１半導体と第２半導体とはエネルギーギャップ（バンドギャップエネルギー）が異なり、各々の量子ドット１０１の間隔Ｌｂは、第１半導体中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の範囲とされている。また、よりよくは、この間隔が、第１半導体中の励起子のボーア半径の１倍〜５倍の範囲とされている。

ここで、上述したように各々の量子ドット１０１の大きさおよび位置の制御は、各々の量子ドット１０１を柱状の半導体（柱状の領域）に存在させるとよい。この柱状構造の径を、量子ドットと同じ大きさ以上で、量子ドットのエネルギーギャップを光波長に変換したものの半分以下にするとよい。例えば、第２半導体からなる柱状構造体の中に、上述したように、半導体層１０２を介して複数の量子ドット１０１が形成されていればよい。柱状構造体の径と各量子ドット１０１および半導体層１０２の層厚とにより、各量子ドット１０１の大きさおよび配置の制御が行え、各量子ドット１０１に閉じ込められた電子および励起子間の相互作用を大きくすることができる。なお、柱状構造は、円柱であってもよく、角柱であってもよい。

また、このような半導体よりなる柱状構造を複数設け、各柱状構造の距離を、上述同様に、励起子ボーア半径の０．５倍以上で、５倍以下としてもよい。このような構造により、異なる柱状構造の量子ドットの間で、量子ドット中の電子、および励起子同士が相互作用することが可能となり、結果として多数の電子、および励起子が相互作用することが可能となる。上述したような半導体人工分子を、例えば、発光ダイオード、レーザダイオードなどの光素子の活性層に用いれば、半導体人工分子の特徴を反映した特性が観測されるようになる。

例えば、量子ドット１０１は、ＧａＡｓやＩｎＡｓから構成することができる。また、第２半導体より構成する半導体層１０２は、ＧａＡｓやＩｎＡｓよりエネルギーギャップの大きい半導体から構成する。ＧａＡｓから量子ドット１０１を構成した場合、ＡｌＧａＡｓから半導体層１０２を構成すればよい。また、ＩｎＡｓから量子ドット１０１を構成した場合、ＡｌＡｓから半導体層１０２を構成すればよい。

このように、エネルギーギャップが異なる２つの半導体（化合物半導体）から構成した半導体人工分子のエネルギーバンド構造は、図２Ａに示すようになる。図２Ａでは、一方の量子ドット１０１に１個の励起子が閉じ込められている状態を示している。この励起子は、半導体（半導体人工分子）が光を吸収することで生成される。通常の半導体では、電子が価電子帯に存在し、図２Ｂに示すように、光照射により、照射された光を吸収して光からエネルギーを得ることにより、価電子帯に存在していた電子が伝導帯に遷移する。これにより、価電子帯には電子の抜けた後である、電子と逆のプラスの電荷を持つ正孔が発生し、電子正孔対が生成される。この後、マイナスの電荷を持つ伝導帯の電子とプラスの電荷を持つ価電子帯の正孔とがクーロン力により引き合い、電子と正孔の結合状態である励起子（自由励起子）を形成する。このように、励起子は、光によって生成される。

光は、時間的に振動する電磁波なので、光によって作られた励起子も時間的に振動する成分をもつ。一方で、励起子は、プラスとマイナスの電荷を持った粒子が結合している双極子とみなすことができる。電磁気学の原理に従うと、時間的に振動する双極子は電磁波を発生する（非特許文献３参照）。従って、光によって生成された励起子は、電磁波、すなわち光を発生するようになる。

もし、量子ドットの中で上述したように光が発生した場合、この際にもう１つの量子ドットが存在すれば、発生した光は、２つめの量子ドット中の電子が吸収し、２つめの量子ドットの中で励起子を形成する。２つめの量子ドットで形成された励起子は、再び光を発生させるので、１つめの量子ドットの励起子に吸収される。このように、近接された２つの量子ドットの間では、光の受け渡しが起こる。もし、２つの量子ドットの両方に励起子が生成されていれば、２つの励起子は同時に光を放出し、放出された各々の光を、互いに吸収しあうことになる。言い換えると、励起子の交換が起こる。

以上の励起子の時間的な移動により、２つの量子ドットの励起子状態を反映した新しいエネルギー状態が形成される。２つの量子ドットの大きさと場所は、後述するように、電子ビームなどの光源を用いたリソグラフィー技術を用いる方法、および金粒子を配置する方法を用いて精密に制御することができる。

ここで、単一量子ドットおよび２つの量子ドットのエネルギー状態の比較を図３に示す。２つの量子ドットは、間隔Ｌｂが４０ｎｍの場合である。図３において、実線が２つの量子ドットよりなる半導体人工分子のエネルギー状態を示し、点線が単一量子ドットのエネルギー状態を示している。なお、量子ドットは、ＧａＡｓから構成し、また、量子ドットの大きさは、３ｎｍ×３０ｎｍ×３０ｎｍである。実線に示すように、量子ドット中の励起子が相互作用すると、エネルギー構造が明瞭に変化していることが分かる。この励起子間の相互作用は、励起子が光を発生することに起因する。

近接する２つの量子ドット間の別の相互作用としては、量子ドットに閉じ込められた電子のトンネリングがある。この相互作用では、電子が実際に両方の量子ドットに存在するようになるため、１つの大きい量子ドットの性質をもつようになってしまう。従って、半導体人工分子を構成する量子ドットの間隔としては、電子のトンネリングが起こらないようにすることが重要となる。

図４は、２個の量子ドットの間隔とトンネリング確率との関係を示した相関図である。ここでは、ＧａＡｓからなる量子ドットの場合を示しており、ＧａＡｓの励起子ボーア半径は１０μｍ程度である。図４に示すように、励起子ボーア半径の０．５倍より小さい範囲で、トンネリング確率が大きくなっている。従って、半導体人工分子における量子ドット間の距離は、少なくとも、励起子のボーア半径の０．５倍以上とすることが重要となる。また、量子ドット間が、励起子のボーア半径より離れていれば、上述した電子のトンネリングはほぼ発生しないものとなる。

また、図５は、量子ドットの間隔と、励起子の交換によって発生するエネルギーとの関係を示した相関図である。このエネルギーは、量子ドットの間隔が大きいほど小さくなり、ボーア半径の５倍程度で、もとの励起子の吸収エネルギー幅（図３の点線のピーク幅：約１０μｅＶ）と同程度になる。この状態では、量子ドット間における励起子のエネルギー移動時間が無限に長くなり、実効的には相互作用が存在しない場合と区別することが困難となる。従って、量子ドットの間隔は、ボーア半径の５倍以下とすることが重要となる。

２つの量子ドット間の励起子の交換効果を大きくするためには、量子ドットを半導体層からなる柱状構造内に形成することが有効である。図６では、ＧａＡｓ（第１半導体）からなる量子ドット６０１をＡｌＧａＡｓ（第２半導体）からなる柱状構造６０２の中に形成している。この場合、一方の量子ドット６０１中の励起子から発生した光は、柱状構造６０２の中を選択的に伝搬し、他方の量子ドット６０１に吸収される。柱状構造６０２の屈折率が２．５〜３．０程度であり、この周囲の真空の屈折率が１であることから、柱状構造６０２は光導波路として作用し、量子ドット６０１より発生した光は、柱状構造６０２の中を選択的に伝播する。このように光を伝播させるためには、柱状構造６０２の径は、量子ドット６０１のエネルギーギャップに対応する光の波長の半分以下であることが望ましい。

図７および図８は、励起子から発生する光の電界分布７１１および電界分布８１１を示したものである。図７は、柱状構造７０２と量子ドット７０１の大きさ（径）を等した状態を示す断面図である。このように、柱状構造７０２の径を、少なくとも量子ドット７０１の径に等しくしておくことで、量子ドット７０１の励起子から発生する光は、電界分布７１１の状態を維持し、柱状構造７０２を伝播することができる。言い換えると、量子ドットの径より柱状構造の径を小さくすると、光導波路として機能しなくなる。

また、図８は、柱状構造８０２の径を量子ドット８０１の径より大きくした状態を示す断面図である。図８に示すように、励起子から発生される光の電界分布８１１に柱状構造８０２の径を等しくすることで、量子ドット８０１の励起子から発生する光は、柱状構造８０２を効率よく伝播することができ、効率的に励起子を交換することができる。なお、この状態は、導体柱状構造８０２の径が、量子ドット８０１のエネルギーギャップに対応する光の波長の奇数倍の状態である。柱状構造７０２の径は、量子ドット７０１より小さくなると、光導波路として機能しなくなる。

以上は、量子ドット２個での作用であるが、量子ドットが３個以上存在しても同様の効果により、量子ドット３個以上が相互作用したことに起因するエネルギー状態が見られた。なお、複数の量子ドットは、第２半導体の層もしくはこの層を介して所定の基板の上に形成すればよい。例えば、基板の上に、第２半導体の層を介し、量子ドット、第２半導体からなる半導体層，量子ドットが、積層されていればよい。例えば、上述した柱状構造が、基板の上に直立している状態である。

また、基板の上の第２半導体の層の上の同一平面上に、２つの量子ドットが第１半導体中の励起子のボーア半径の１倍〜５倍の範囲で離間して配置され、これらの間に第２半導体よりなる半導体層が形成されていればよい。例えば、上述した柱状構造が、基板の上に、基板平面方向に延在して形成されている状態である。

また、図９の斜視図に示すように、複数の柱状構造９１１，９１２，９１３を、基板９０１の上に横方向に配置すれば、１個の柱状構造９１１の中での量子ドット９０２間の相互作用に加えて、異なる柱状構造９１１，９１２，９１３の間での相互作用も得られた。なお、各半導体鋳造構造は、２つの量子ドット９０２が、半導体層９０３の中に収容されている。

以下、実施例を用いてより詳細に説明する。

［実施例１］
はじめに、実施例１における半導体人工分子について、図１０および図１１Ａ〜図１１Ｃを用いて説明する。図１０は実施例１における半導体人工分子の構成を模式的に示す断面図である。また、図１１Ａ〜図１１Ｃは、実施例１における半導体人工分子の製造方法例を説明するための工程図である。この半導体人工分子は、ＧａＡｓからなる基板１００１の上に、基板１００１の平面の法線方向に離間して配置されたＧａＡｓからなる２つの量子ドット１００２と、これら量子ドット１００２の周囲を覆うＡｌＧａＡｓからなる半導体層１００３とを備える。この半導体人工分子では、各量子ドット１００２は、この周囲が半導体層１００３で覆われているが、２つの量子ドット１００２は、これらの間に配置されている半導体層１００３を介し、基板１００１の平面の法線方向に積層されている。

この半導体人工分子の製造について簡単に説明すると、まず、図１１Ａに示すように、ＧａＡｓからなる基板１００１の上に、ＡｌＧａＡｓからなる半導体層１１０１、ＧａＡｓからなる半導体層１１０２、ＡｌＧａＡｓからなる半導体層１１０３、ＧａＡｓからなる半導体層１１０４、およびＡｌＧａＡｓからなる半導体層１１０５を積層する。例えば、よく知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、Ａｓ素の原料としてアルシン、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム、ガリウムの原料としてトリメチルガリウムを用いることで上述した積層構造が形成できる。また、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によりこれらの層を形成することもできる。

例えば、半導体層１１０１は、層厚１００ｎｍに形成し、半導体層１１０２は、層厚２ｎｍに形成し、半導体層１１０３、層厚１２ｎｍに形成し、半導体層１１０４、層厚３ｎｍに形成し、半導体層１１０５、層厚１００ｎｍに形成すればよい。この積層構造は、半導体層１１０２および半導体層１１０４が量子井戸となり、半導体層１１０１，半導体層１１０３，および半導体層１１０５が障壁層となる多重（２重）量子井戸構造である。

次に、電子ビームを用いた公知のフォトリソグラフィ技術によりマスクパターンを形成する。マスクパターンの断面寸法（径）は、所望とする量子ドットの径にほぼ等しいものとする。例えば、マスクパターンは、径を５０ｎｍ程度に形成すればよい。次いで、このマスクパターンを用いた公知の選択エッチングにより、上述した２重量子井戸構造をエッチングすることで、図１１Ｂに示すように、半導体層１００３ａ，量子ドット１００２，半導体層１００３ａ，量子ドット１００２，および半導体層１００３ａが、基板１００１の上に積層された柱状構造１１０６を形成する。なお、図１１Ｂは、上述したマスクパターンを除去した後の状態を示している。

この後、柱状構造１１０６の側方をＡｌＧａＡｓで埋め込むことで、図１１Ｃに示すように、基板１００１の平面の法線方向に離間して配置された２つの量子ドット１００２と、これら量子ドット１００２の周囲を覆う半導体層１００３とを備える半導体人工分子が形成される。本実施例によれば、上述したように、マスクパターンを用いたエッチングで柱状構造１１０６を形成しているので、柱状構造１１０６（量子ドット１００２）の配置および大きさが、容易に制御できる。

なお、エッチング方法としては、酸を使ったウエットエッチングおよび塩素などのガスを使ったドライエッチングのいずれにおいても、同様の構造が作製できた。また、量子ドットおよびこの周囲をおおう半導体層を構成する半導体としては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ／ＩｎＰなどの組み合わせがある。この半導体人工分子は、バンドギャップの狭い半導体からなる量子ドットをバンドギャップの広い半導体からなる半導体層で囲まれていればよい。また、上述では、２重量子井戸構造を形成したが、３重量子井戸構造、あるいはこれ以上の多重量子井戸構造を形成すれば、これらを上述同様にパターニングすることで、３個以上の量子ドットからなる半導体人工分子を形成することができる。

なお、上述では、基板１００１の広い領域（全域）に、半導体層１００３を形成するようにしたが、これに限るものではない。図１１Ｂに示した柱状構造１１０６を形成した後、柱状構造１１０６の側方をＡｌＧａＡｓで埋め込む時に、この埋め込みを途中で停止し、図１２に示すように、側方の一部まで半導体層１０１３を形成して柱状の状態を維持するようにしてもよい。この場合でも、量子ドット１００２は、半導体層１０１３内に完全に埋め込まれた構造となっている。このようにすることで、量子ドット１００２が配置されている柱状構造の部分の径を、所望の値に制御することができる。

［実施例２］
次に、実施例２の半導体人工分子について、図１３および図１４Ａ〜図１４Ｄを用いて説明する。図１３は実施例２における半導体人工分子の構成を模式的に示す断面図である。また、図１４Ａ〜図１４Ｃは、実施例２における半導体人工分子の製造方法例を説明するための工程図である。この半導体人工分子は、ＧａＡｓからなる基板１３０１の上に、基板１３０１の平面の法線方向に離間して配置されたＧａＡｓからなる２つの量子ドット１３０４と、これら量子ドット１３０４の間に配置されたＡｌＧａＡｓからなる半導体層１３０３ｂとを備える。

また、基板１３０１の側の量子ドット１３０４は、ＡｌＧａＡｓからなる半導体層１３０３ａの上に形成されている。また、基板１３０１からみてより上方の量子ドット１３０４の上には、ＡｌＧａＡｓからなる半導体層１３０３ｃが形成されている。また、半導体層１３０３ｃの上には、金粒子１３０２が配置されている。これらの半導体層１３０３ａ，量子ドット１３０４，半導体層１３０３ｂ，量子ドット１３０４，半導体層１３０３ｃにより、柱状構造が形成され、いずれの層も同じ径に形成されている。

次に、製造方法について説明する。まず、図１４Ａに示すように、基板１３０１の上に径が３０ｎｍ程度の金粒子１３０２を配置する。例えば、平均粒径が３０ｎｍの金粒子が分散された市販されている金コロイド液を、基板１３０１の上に塗布し、加熱して媒質を除去することで、基板１３０１の上に金粒子１３０２を配置することができる。

次に、ＭＯＣＶＤ法により、Ａｓ原料としてアルシン、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用い、基板温度を５００℃とする。これにより、図１４Ｂに示すように、金粒子１３０２の直下の基板１３０１上にＡｌＧａＡｓが成長し、半導体層１３０３ａが形成される。この成長方法によれば、金粒子１３０２が存在する箇所において、金の触媒効果により供給される原料（原料ガス）が選択的に分解する。この結果、金粒子１３０２と同径の柱状の半導体層１３０３ａが成長する。半導体層１３０３ａは、例えば、高さ１００ｎｍ程度に形成すればよい。

以上のようにして、柱状の半導体層１３０３ａを形成したら、トリメチルアルミニウムの供給を停止することで、金粒子１３０２の下の半導体層１３０３ａの上に、ＧａＡｓを成長させ、図１４Ｃに示すように、量子ドット１３０４を形成する。このＧａＡｓの成長においても、金粒子１３０２が存在する箇所において、金の触媒効果により供給される原料（原料ガス）が選択的に分解する。この結果、金粒子１３０２と同径の柱状の量子ドット１３０４が形成されるようになる。量子ドット１３０４は、高さ（厚さ）２ｎｍ程度に形成すればよい。

次に、再びトリメチルアルミニウムの供給を開始し、上述した半導体層１３０３ａと同様にすることで、図１４Ｄに示すように、金粒子１３０２の下の量子ドット１３０４の上に、高さ１２ｎｍ程度に半導体層１３０３ｂを形成する。また、引き続いて、トリメチルアルミニウムの供給を停止することで、金粒子１３０２の下の半導体層１３０３ｂの上に、ＧａＡｓを成長させ、高さ２ｎｍ程度の量子ドット１３０４を形成する。この後、トリメチルアルミニウムの供給を再開し、半導体層１３０３ａと同様にすることで、金粒子１３０２の下の量子ドット１３０４の上に、高さ１００ｎｍ程度に半導体層１３０３ｃを形成する。

以上に説明したように、金粒子１３０１を配置した箇所に、金粒子１３０１と同径の柱状構造とした半導体人工分子を形成することができる。このため、本実施例によれば、金粒子１３０１の径と配置とを制御することにより、形成箇所と大きさを制御して半導体人工分子を作製することができる。本実施例では、２個の量子ドット１３０４を形成する場合に対説明したが、ＡｌＧａＡｓの成長とＧａＡｓの成長とのサイクル数をより増やせば、３個以上の量子ドットからなる半導体人工分子を作製できる。

なお、ＧａＡｓの結晶からなる基板１３０１の主面を（１１１）面としておくことで、各層を、基板１３０１の主面の法線方向に結晶成長させることができ、柱状構造を基板１３０１の平面の法線方向に直立した構造とすることができる。このようにすることで、基板１３０１の平面の法線方向に離間して２つの量子ドット１３０４を配置させることができる。

また、上述したように、金粒子１３０１の下に、半導体層１３０３ａ，量子ドット１３０４，半導体層１３０３ｂ，量子ドット１３０４，半導体層１３０３ｃからなる柱状構造を形成した後、基板温度を６００℃程度に上昇させてＡｌＧａＡｓを成長させれば、図１５の断面図に示すように、上記柱状構造の周囲を被覆する半導体層１３０５を形成することができる。基板温度を６００℃程度とすることで、金粒子１３０１が存在しない箇所においても、原料ガスの分解が得られ、金粒子１３０１が存在しない領域にもＡｌＧａＡｓが成長する。半導体層１３０５を形成することで、ＧａＡｓからなる量子ドット１３０４が、ＡｌＧａＡｓの層に埋め込まれた状態が得られる。

なお、上述では、１つの柱状構造を形成する例を示したが、これに限るものではなく、例えば、図１６Ａに示すように、量子ドット中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の距離離間して、基板１３０１の上に複数の柱状構造１３１１，１３１２，１３１３を形成することができる。

例えば、基板１３０１の上に、柱状構造を形成使用とする複数の箇所に、３０ｎｍ程度の径の開口を備えたマスクパターンを形成する。例えば、電子線露光を用いた公知のリソグラフィー技術により、上記マスクパターンを形成すればよい。次いで、このマスクパターンの上に、層厚３０ｎｍ程度の金層を形成する。例えば、真空蒸着法により金層を形成することができる。この後、上記マスクパターンをリフトオフ（除去）すれば、図１６Ｂに示すように、所望とする間隔で、径が３０ｎｍ程度の金パターンからなる複数の金粒子１３０２が形成できる。

この後、前述同様に、各金粒子１３０２の下に、半導体層１３０３ａ，量子ドット１３０４，半導体層１３０３ｂ，量子ドット１３０４，半導体層１３０３ｃからなる柱状構造を形成すればよい。各柱状構造は、量子ドット中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の距離内に配置されているので、基板１３０１の上に、縦方向に加えて横方向にも各量子ドットが結合した半導体人工分子を形成することができる。

［半導体発光素子］
次に、上述した半導体人工分子による半導体発光素子について説明する。図１７は、本発明の実施の形態における半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。この半導体発光素子は、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１７０１の上に、基板１７０１の法線方向に離間して配置されたＧａＡｓからなる２つの量子ドット１７０４ａ，１７０４ｂと、これら量子ドット１７０４ａ，１７０４ｂの間に配置され、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体層１７０５とを備える。

また、基板１７０１の側の１７０４ａは、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体層１７０３の上に形成されている。また、基板１７０１からみてより上方の量子ドット１７０４ｂの上には、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体層１７０６が形成されている。また、半導体層１７０３の下の基板１７０１の上には、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなるｎ型半導体層１７０２が形成されている。また、半導体層１７０６の上には、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなるｐ型半導体層１７０７が形成されている。また、ｐ型半導体層１７０７の上には、金粒子１７０８が配置されている。

これらの、ｎ型半導体層１７０２，半導体層１７０３，量子ドット１７０４ａ，半導体層１７０５，量子ドット１７０４ｂ，半導体層１７０６，およびｐ型半導体層１７０７により、柱状構造が形成され、いずれの層も、金粒子１７０８と同じ径（例えば３０ｎｍ）に形成されている。これらの構造は、前述と同様であり、金粒子１７０８を用いた選択成長により形成することができる。

また、この半導体発光素子は、上述した柱状構造の側部を覆うポリイミドからなる絶縁部１７０９を備える。また、絶縁部１７０９の上には、ｐ型半導体層１７０７に接続するＡｕからなる電極１７１０が形成されている。また、基板基板１７０１の裏面には、ＡｕＧｅＮｉからなる電極１７１１が形成されている。

上述の構成とした半導体発光素子によれば、電極１７１０と電極１７１１とに直流電源を接続して電流を注入すると、量子ドット１７０４ａ，半導体層１７０５，および量子ドット１７０４ｂよりなる半導体人工分子による活性層からの発光（波長０．８〜０．９μｍ程度）が得られ、発光ダイオードとして動作した。

次に、上述した半導体人工分子による他の半導体発光素子について説明する。図１８は、本発明の実施の形態における他の半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。この半導体発光素子は、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１８０１の上に、基板１８０１の法線方向に離間して配置されたＧａＡｓからなる２つの量子ドット１８０４ａ，１８０４ｂと、これら量子ドット１８０４ａ，１８０４ｂの間に配置され、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体層１８０５とを備える。

また、基板１８０１の側の１８０４ａは、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体層１８０３の上に形成されている。また、基板１８０１からみてより上方の量子ドット１８０４ｂの上には、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる半導体層１８０６が形成されている。また、半導体層１８０３の下の基板１８０１の上には、ｎ型のＡｌＡｓ層とｎ型のＡｌＧａＡｓ層との周期構造（Distributed Bragg Reflectror:ＤＢＲ）からなるｎ側反射部１８０２が形成されている。また、半導体層１８０６の上には、ｐ型のＡｌＡｓ層とｐ型のＡｌＧａＡｓ層との周期構造（ＤＢＲ）からなるｐ側反射部１８０７が形成されている。また、ｐ側反射部１８０７の上には、金粒子１８０８が配置されている。

これらの、ｎ側反射部１８０２，半導体層１８０３，量子ドット１８０４ａ，半導体層１８０５，量子ドット１８０４ｂ，半導体層１８０６，およびｐ側反射部１８０７により、柱状構造が形成され、いずれの層も、金粒子１８０８と同じ径（例えば３０ｎｍ）に形成されている。これらの構造は、前述と同様であり、金粒子１８０８を用いた選択成長により形成することができる。

また、この半導体発光素子は、上述した柱状構造の側部を覆うポリイミドからなる絶縁部１８０９を備える。また、絶縁部１８０９の上には、ｐ側反射部１８０７に接続するＡｕからなる電極１８１０が形成されている。また、基板基板１８０１の裏面には、ＡｕＧｅＮｉからなる電極１８１１が形成されている。

この半導体発光素子は、量子ドット１８０４ａ，半導体層１８０５，および量子ドット１８０４ｂよりなる半導体人工分子による活性層が、ｎ側反射部１８０２とｐ側反射部１８０７とによる共振器構造に挟まれた半導体レーザである。上述の構成とした半導体発光素子によれば、電極１８１０と電極１８１１とに直流電源を接続して電流を注入すると、レーザ発振光が観測できた。

なお、上述では、量子ドットを構成する第１半導体および量子ドットの間に配置される半導体層を構成する第２半導体を、化合物半導体から構成したが、これに限るものではない。第１半導体と第２半導体とのエネルギーギャップが異なっていればよい。また、上述した半導体発光素子では、基板の側をｎ型としたが、これに限るものではなく、基板の側をｐ型としてもよいことはいうまでもない。

本発明では、量子ドットより構成し、配置や大きさを制御した半導体人工分子を形成し、また、この半導体人工分子を用いて半導体発光素子を形成しているので、例えば、半導体発光素子の特性を設計することを可能になる。これは、光通信、光装飾の分野での応用が期待できる。

１０１…量子ドット、１０２…半導体層。

Claims (8)

1. 第１半導体からなる各々離間して配置された複数の量子ドットと、
   これら量子ドットの間に配置された第２半導体からなる半導体層と
   を少なくとも備え、
   前記第１半導体と前記第２半導体とはエネルギーギャップが異なり、
   各々の前記量子ドットは、前記第１半導体中の励起子のボーア半径の０．５倍〜５倍の範囲で離間している
   ことを特徴とする半導体人工分子。
2. 請求項１記載の半導体人工分子において、
   各々の前記量子ドットは、前記第１半導体中の励起子のボーア半径の１倍〜５倍の範囲で離間している
   ことを特徴とする半導体人工分子。
3. 請求項１または２記載の半導体人工分子において、
   前記量子ドットは、前記第２半導体からなる層を介して基板の上に形成されている
   ことを特徴とする半導体人工分子。
4. 請求項３記載の半導体人工分子において、
   前記量子ドットの各々は、基板の上に前記半導体層を介して積層されている
   ことを特徴とする半導体人工分子。
5. 請求項４記載の半導体人工分子において、
   前記量子ドットは、柱状の領域に積層されていることを特徴とする半導体人工分子
6. 請求項５記載の半導体人工分子において、
   前記柱状の領域の径は、前記量子ドットの大きさ以上とされ、前記第１半導体のエネルギーギャップに相当する光波長の半分以下とされている
   ことを特徴とする半導体人工分子
7. 請求項５または６記載の半導体人工分子において、
   複数の前記柱状の領域を備えることを特徴とする半導体人工分子
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体人工分子を活性層としたことを特徴とする半導体発光素子。

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