JP2011129733A - Quantum dot structure manufacturing method and quantum dot structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a quantum dot structure having light emission wavelengths distributed uniformly in a wider wavelength range than before. <P>SOLUTION: The quantum dot structure is manufactured by the following steps of: preparing a substrate 11; providing quantum dots 13 on the substrate; depositing thin films 14 on the substrate 11 such that the thin films 14 are lower than the quantum dots 13 and surface diffusion is suppressed; and lastly removing parts of the quantum dots 13 which are exposed from the thin films 14. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、情報通信、量子情報処理分野等において使用されるキーデバイスに適用可能な量子ドットを用いた量子ドット構造の製造方法及び量子ドット構造に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a quantum dot structure using quantum dots applicable to key devices used in information communication, quantum information processing fields, and the like, and a quantum dot structure.

バンドギャップの狭い半導体の微細構造が、バンドギャップの広い半導体によって2次元もしくは3次元にわたって囲まれた、いわゆる低次元量子構造は光・電子素子の高機能化、高性能化に有望であり、将来の光・電子産業発展の鍵として、近年多大な関心を集めている。   The so-called low-dimensional quantum structure, in which the fine structure of a semiconductor with a narrow bandgap is surrounded in two or three dimensions by a semiconductor with a wide bandgap, is promising for higher functionality and higher performance of optical and electronic devices. In recent years, it has attracted a great deal of attention as the key to the development of the optical and electronic industries.

特に3次元量子閉じこめ構造である量子ドットは、電子の強い閉じこめ効果に基づく状態密度の先鋭化に由来して、顕著な量子効果が多岐に渡り発現するため、従来にない優れた機能・性能を有する光・電子デバイスの基本構造としてその実現が期待されている。   In particular, quantum dots with a three-dimensional quantum confinement structure have a remarkable quantum effect due to the sharpening of the density of states based on the strong confinement effect of electrons. It is expected to be realized as a basic structure of optical and electronic devices.

化合物半導体を用いた量子ドットの代表的な形成方法には、例えば、Stranski-Krastanov (SK) モード成長と呼ばれる成長方法がある(非特許文献1、特許文献1)。   As a typical method for forming a quantum dot using a compound semiconductor, for example, there is a growth method called Stranski-Krastanov (SK) mode growth (Non-patent Document 1, Patent Document 1).

これは、半導体の基板上に、基板とは格子定数が異なる、いわゆる、格子不整合系材料を、材料に依存して決まる臨界膜厚と呼ばれる所定の厚みを超えた成長量の材料を供給し、エピタキシャル成長する方法である。   This is because a so-called lattice mismatched material having a lattice constant different from that of a substrate is supplied onto a semiconductor substrate with a growth amount exceeding a predetermined thickness called a critical film thickness determined depending on the material. This is a method of epitaxial growth.

この結果として、ウェッティングレイヤーと呼ばれる薄い薄膜の上に、島状のドット構造が自己組織的に形成される。この方法は、リソグラフィーを必要とせず結晶成長のみによるため、良質な結晶ドットが形成可能な手法として注目されている。   As a result, island-like dot structures are formed in a self-organized manner on a thin thin film called a wetting layer. Since this method does not require lithography and is based only on crystal growth, it attracts attention as a method capable of forming high-quality crystal dots.

近年、この量子ドット1個を孤立させて製造し、その特性を調べたり、また、その孤立量子ドットを利用して高度な発光素子を製造したりすることが盛んに行われるようになってきた。   In recent years, it has become active to manufacture a single quantum dot in isolation, to investigate its characteristics, and to manufacture advanced light emitting devices using the isolated quantum dot. .

この際に量子ドットに要求される特性の一つとして、高感度なシリコン製光検出器を用いるために、1μm帯の発光波長であることが要求されている。   At this time, as one of the characteristics required for the quantum dots, in order to use a high-sensitivity silicon photodetector, the emission wavelength in the 1 μm band is required.

そこで、量子ドット発光波長の短波長化を行うためにインジウムフラッシュ法が提案されている(非特許文献2、特許文献2)。   Therefore, an indium flash method has been proposed in order to shorten the quantum dot emission wavelength (Non-patent Document 2 and Patent Document 2).

この手法は通常のSKモード成長法を用いて形成された発光波長〜1.3μm帯のInAsを有する量子ドットに薄いGaAsキャップ層を成長した後に熱処理を行い、量子ドット上部を熱により再蒸発せしめることにより、量子ドットの高さを実効的に低減し、量子ドットの発光波長の短波長化を行うというものである。   In this method, a thin GaAs cap layer is grown on a quantum dot having InAs in the emission wavelength to 1.3 μm band formed by using a normal SK mode growth method, and then heat treatment is performed to re-evaporate the top of the quantum dot by heat. This effectively reduces the height of the quantum dots and shortens the emission wavelength of the quantum dots.

インジウムフラッシュ法の代表的な工程図を図8および図9に示す。   A typical process diagram of the indium flash method is shown in FIGS.

まず、図8(a)に示すように、半導体の基板11を用意し、図8(b)に示すように通常のSKモードの自己形成法により、量子ドット13を半導体の基板11上に形成後、図8(c)および図9に示すように薄膜14を堆積し、その後熱処理を施すことにより図8(d)に示すように、薄膜上に露出した量子ドット13の上部を再蒸発させる。   First, as shown in FIG. 8A, a semiconductor substrate 11 is prepared, and as shown in FIG. 8B, quantum dots 13 are formed on the semiconductor substrate 11 by a normal SK mode self-forming method. Thereafter, a thin film 14 is deposited as shown in FIGS. 8C and 9, and then heat treatment is performed to re-evaporate the upper portions of the quantum dots 13 exposed on the thin film, as shown in FIG. 8D. .

特開2003−124574号公報JP 2003-124574 A 特開平10−289996号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-289996

D.Leonard, M.Krishnamurthy, C.M.Reaves, S.P.Denbaars, and P.M.Petroff ”Drect formation of quantum-sized dots form uniform coherent islands of InGaAs on GaAs surface”, Appl. Phys. Lett, 63(23),6 December 1993, p3203-3205D. Leonard, M. Krishnamurthy, CMReaves, SPDenbaars, and PMPetroff “Drect formation of quantum-sized dots form uniform coherent islands of InGaAs on GaAs surface”, Appl. Phys. Lett, 63 (23), 6 December 1993 , p3203-3205 Wasilewski. Z. R, Fafard. S, Mccaffrey .J. P,” Size and shape engineering of vertically stacked self-assembled quantum dots”, Journal of Crystal Growth, volume201/202, 1999, p1131Wasilewski. Z. R, Fafard. S, Mccaffrey .J.P, ”Size and shape engineering of vertically stacked self-assembled quantum dots”, Journal of Crystal Growth, volume201 / 202, 1999, p1131

ここで、従来のインジウムフラッシュ法により製造された量子ドットを用いた構造の場合、短波長化された量子ドットの発光波長はある発光波長を中心に密集して分布している。   Here, in the case of a structure using quantum dots manufactured by the conventional indium flash method, the emission wavelengths of the quantum dots having a shorter wavelength are densely distributed around a certain emission wavelength.

しかしながら、単一光子光源、エンタングル光子対光源等への適用を考えた時、素子設計の自由度をあげる意味でも、発光波長は広い波長領域で均一に分布していることが望ましい。   However, when considering application to a single photon light source, an entangled photon pair light source, etc., it is desirable that the emission wavelength is uniformly distributed over a wide wavelength region in order to increase the degree of freedom in device design.

特に、同一ウエハ上に複数の発光波長を有する単一光子光源を集積する場合等には、ウエハ上の任意の領域において所望の波長で発光する単一量子ドットが必要になるため、発光波長の広域化は必須の技術となる。   In particular, when single photon light sources having a plurality of emission wavelengths are integrated on the same wafer, a single quantum dot that emits light at a desired wavelength in an arbitrary region on the wafer is required. Wide area is an essential technology.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも発光波長が広い波長領域で均一に分布している量子ドット構造を製造する方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a quantum dot structure in which the emission wavelength is uniformly distributed in a wavelength region wider than the conventional one.

前記課題を解決するため、本発明の第1の態様は、(a)基板上に、量子ドットを設け、(b)前記量子ドットよりも低く、かつ表面拡散が抑制されるように前記基板上に薄膜を堆積し、(c)前記量子ドットの、前記薄膜から露出した部分を除去する、ことを特徴とする量子ドット製造方法である。   In order to solve the above problems, the first aspect of the present invention is as follows: (a) a quantum dot is provided on the substrate; (b) lower than the quantum dot and surface diffusion is suppressed. And (c) removing a portion of the quantum dot exposed from the thin film.

本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の量子ドット製造方法を用いて製造されたことを特徴とする量子ドット構造である。   A second aspect of the present invention is a quantum dot structure manufactured using the quantum dot manufacturing method described in the first aspect.

本発明によれば、従来よりも発光波長が広い波長領域で均一に分布している量子ドット構造を製造する方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method of manufacturing the quantum dot structure in which the light emission wavelength is uniformly distributed in the wavelength range wider than before can be provided.

量子ドット構造1を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a quantum dot structure 1. FIG. 図1のA1方向矢視図である。It is an A1 direction arrow line view of FIG. 量子ドット構造1の製造の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of manufacture of the quantum dot structure. 量子ドット構造1aを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the quantum dot structure 1a. 量子ドット構造1bの製造の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of manufacture of the quantum dot structure 1b. 実施例1のフォトルミネッセンス測定結果を示す図である。It is a figure which shows the photo-luminescence measurement result of Example 1. 比較例のフォトルミネッセンス測定結果を示す図である。It is a figure which shows the photo-luminescence measurement result of a comparative example. 従来のインジウムフラッシュ法の代表的な工程図である。It is a typical process drawing of the conventional indium flash method. 図8(c)のA2方向矢視図である。It is an A2 direction arrow directional view of Drawing 8 (c).

以下、図面に基づいて本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings.

まず、図1〜3を参照して、本発明の実施形態に係る量子ドット構造1の構成の概略および製造方法の概略を説明する。   First, with reference to FIGS. 1-3, the outline of the structure of the quantum dot structure 1 which concerns on embodiment of this invention, and the outline of a manufacturing method are demonstrated.

まず、図1および図2を参照して量子ドット構造1の構成の概略について説明する。   First, an outline of the configuration of the quantum dot structure 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

図1および図2に示すように、量子ドット構造1は、基板11と、基板11上に形成された量子ドット13と、基板11上(の量子ドット13の周囲)に形成された薄膜14とを有している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the quantum dot structure 1 includes a substrate 11, quantum dots 13 formed on the substrate 11, and a thin film 14 formed on the substrate 11 (around the quantum dots 13). have.

ここで、図1から明らかなように、薄膜14は基板11上の表面拡散が抑制された状態で基板11上に生成されており、これにより、各量子ドット13は、基板11からの高さが異なるように形成されている。   Here, as is clear from FIG. 1, the thin film 14 is generated on the substrate 11 in a state in which surface diffusion on the substrate 11 is suppressed, whereby each quantum dot 13 has a height from the substrate 11. Are formed differently.

このように薄膜14の表面拡散が抑制された構造にすることで、量子ドット構造1は、従来よりも発光波長が広い波長領域で均一に分布した構造となる(詳細は後述)。   By adopting a structure in which the surface diffusion of the thin film 14 is suppressed in this way, the quantum dot structure 1 has a structure in which the emission wavelength is uniformly distributed in a wavelength region wider than the conventional one (details will be described later).

次に、図3を参照して量子ドット構造1の製造方法について説明する。   Next, a manufacturing method of the quantum dot structure 1 will be described with reference to FIG.

まず、図3(a)に示すように、基板11を用意する。基板11は例えばIII族およびV族元素を含む化合物半導体を有する基板であり、より具体的にはGaAs、InP等の半導体の基板である。   First, as shown in FIG. 3A, a substrate 11 is prepared. The substrate 11 is, for example, a substrate having a compound semiconductor containing group III and group V elements, and more specifically, a substrate of a semiconductor such as GaAs or InP.

また、基板11は通常は(001)結晶面が露出している基板が用いられるが、高指数面が露出した基板、具体的には法線方向が[110]方向もしくは[111]方向になるように切り出した、(110)面、もしくは(111)A面が露出した基板を用いても良い。これは、後述するように、本手法により薄膜14の表面拡散の抑制効果が期待されるためである(Physical Review Letters 第79巻 3938頁 (1997)参照)。   The substrate 11 is usually a substrate with an exposed (001) crystal plane, but a substrate with a high index plane exposed, specifically, the normal direction is the [110] direction or the [111] direction. Thus, a substrate with the (110) plane or the (111) A plane exposed may be used. This is because, as described later, this method is expected to suppress the surface diffusion of the thin film 14 (see Physical Review Letters 79, 3938 (1997)).

次に、図3(b)に示すように、SKモードの自己形成法により、量子ドット13を基板11上に成長させる。   Next, as shown in FIG. 3B, the quantum dots 13 are grown on the substrate 11 by the SK mode self-forming method.

量子ドット13としては、例えばIII族およびV族元素を含む化合物半導体を有する
ものが用いられ、より具体的にはInAs、InGaAsが用いられる。
As the quantum dots 13, for example, those having a compound semiconductor containing group III and group V elements are used, and more specifically, InAs and InGaAs are used.

次に、図3(c)に示すように、基板11に薄膜14を量子ドット13よりも低く堆積させる。薄膜14は例えばIII族およびV族元素を含む化合物半導体を有する膜であり、より具体的にはGaAs、InP等の半導体膜である。   Next, as shown in FIG. 3C, the thin film 14 is deposited on the substrate 11 to be lower than the quantum dots 13. The thin film 14 is, for example, a film having a compound semiconductor containing group III and group V elements, and more specifically, a semiconductor film such as GaAs or InP.

次に、図3(d)に示すように、熱処理を施すことにより薄膜14から露出した量子ドット13の上部を再蒸発させて量子ドット構造1が完成する。   Next, as shown in FIG. 3D, the top of the quantum dots 13 exposed from the thin film 14 is re-evaporated by heat treatment, thereby completing the quantum dot structure 1.

ここで、薄膜14を形成する際は、薄膜14の基板11上の表面拡散が抑制されるような条件で薄膜14を形成する。   Here, when forming the thin film 14, the thin film 14 is formed under such conditions that surface diffusion of the thin film 14 on the substrate 11 is suppressed.

このような条件で薄膜14を形成すると、図3(c)に示すように、量子ドット13近傍で薄膜14の厚さに局所的な分布が生じ、図3(d)に示すように、熱処理後の量子ドット13の高さの分布を引き起す。   When the thin film 14 is formed under such conditions, a local distribution occurs in the thickness of the thin film 14 in the vicinity of the quantum dots 13 as shown in FIG. 3C, and a heat treatment is performed as shown in FIG. The distribution of the height of the subsequent quantum dots 13 is caused.

そのため、広い波長範囲で均一に発光波長が分布する量子ドット構造1を製造することが可能になる。   Therefore, it becomes possible to manufacture the quantum dot structure 1 in which the emission wavelength is uniformly distributed over a wide wavelength range.

表面拡散が抑制されるような条件とは、具体的には以下の条件が挙げられる。   Specifically, the conditions that suppress the surface diffusion include the following conditions.

(1)温度
薄膜14の表面拡散を抑制するためには、薄膜14を堆積させる際の(基板11の)温度を量子ドット13の成長時の温度よりも低い温度とするのが望ましい。具体的には、量子ドット13の成長時の温度よりも60℃以上低い温度とするのが望ましい。
(1) Temperature In order to suppress the surface diffusion of the thin film 14, it is desirable that the temperature (of the substrate 11) when depositing the thin film 14 is lower than the temperature during the growth of the quantum dots 13. Specifically, it is desirable that the temperature be 60 ° C. or more lower than the temperature at which the quantum dots 13 are grown.

なお、量子ドット13の上部を再蒸発させる際の温度も量子ドット13の成長時の温度よりも低い温度とするのが望ましい。   It is desirable that the temperature at which the upper part of the quantum dots 13 is re-evaporated is also lower than the temperature at which the quantum dots 13 are grown.

(2)V族元素(As)の分圧
薄膜14を堆積する際にIII族元素(例えばGa)の表面拡散が大きく抑制されれば薄膜14の表面拡散を抑制することができる。
(2) Partial pressure of group V element (As) When the thin film 14 is deposited, the surface diffusion of the thin film 14 can be suppressed if the surface diffusion of the group III element (eg, Ga) is largely suppressed.

具体的には、薄膜14を堆積する際に、薄膜14のV族元素(例えばAs)の分圧を量子ドット13の成長時の分圧よりも大きくする。一般にIII族元素はV族元素の分圧が低下すると表面拡散距離が伸び、V族元素の分圧が大きくなると表面拡散距離が短くなる。   Specifically, when depositing the thin film 14, the partial pressure of the group V element (for example, As) of the thin film 14 is made larger than the partial pressure during the growth of the quantum dots 13. In general, the surface diffusion distance of a group III element increases when the partial pressure of the group V element decreases, and the surface diffusion distance decreases when the partial pressure of the group V element increases.

そのため、V族元素の分圧を大きくすると薄膜14の表面拡散距離が短くなり、結果として成長温度を低下させたのと同様の表面拡散抑制効果が得られる。   Therefore, when the partial pressure of the group V element is increased, the surface diffusion distance of the thin film 14 is shortened, and as a result, the same surface diffusion suppressing effect as that in which the growth temperature is lowered is obtained.

具体的には、薄膜14の堆積時のV族元素の分圧は、量子ドット13の成長時の分圧の2倍以上であるのが望ましい。   Specifically, the partial pressure of the group V element at the time of depositing the thin film 14 is preferably at least twice the partial pressure at the time of growth of the quantum dots 13.

なお、薄膜14を堆積させる際の温度の低減およびV族元素の分圧の上昇は互いに相乗効果がある。基板11の温度を低くし、かつ、V族元素の分圧を上昇させればIII族元素の表面拡散抑制効果は著しく発現することとなるが、仮に、基板温度が高い場合でも、V族元素の分圧を上昇させることにより、III族元素の表面拡散が抑制される。また、V族元素の分圧が低い場合でも、基板11の温度を低下させることにより、III族元素の表面拡散を抑制することができる。   Note that a decrease in temperature and an increase in the partial pressure of the group V element when depositing the thin film 14 have a synergistic effect. If the temperature of the substrate 11 is lowered and the partial pressure of the group V element is increased, the surface diffusion suppressing effect of the group III element is remarkably exhibited. However, even if the substrate temperature is high, the group V element is exhibited. By increasing the partial pressure, the surface diffusion of the group III element is suppressed. Even when the partial pressure of the group V element is low, the surface diffusion of the group III element can be suppressed by reducing the temperature of the substrate 11.

(3)V族元素の単位分子あたりの原子数
V族元素(例えばAs)は通常、固体状の原料を直接加熱し、固体から昇華させる形で成長時に供給している。この手法により供給した場合、例えばV族元素がAsの場合は4個原子が結合したAs分子の形態で供給される。これに対し、基板11上へ供給する直前に再加熱することによりこのAs分子を熱分解し、Asの形態、即ち、V族元素の単位分子あたりの原子数を加熱前よりも低減させた状態で供給することも可能である。このAsの形態で基板11上に供給することによっても、Ga(III族元素)の表面拡散距離が抑制されることが知られており、薄膜14の表面拡散を抑制することができる。(例えばJapanese Journal of Applied Physics 第36巻 5670頁 (1997)参照)。なお、薄膜14を構成するV族元素がPの場合は、AsではなくPを用い、P分子をP分子に分解して供給してもよい。
(3) Number of atoms per unit molecule of group V element The group V element (for example, As) is usually supplied during growth by directly heating a solid raw material and sublimating from the solid. When supplied by this method, for example, when the group V element is As, it is supplied in the form of As 4 molecules in which four atoms are bonded. On the other hand, the As 4 molecule is thermally decomposed by reheating immediately before being supplied onto the substrate 11 to reduce the form of As 2 , that is, the number of atoms per unit molecule of the group V element than before heating. It is also possible to supply in the state. It is known that the surface diffusion distance of Ga (group III element) is also suppressed by supplying it on the substrate 11 in the form of As 2 , and the surface diffusion of the thin film 14 can be suppressed. (For example, see Japanese Journal of Applied Physics Vol. 36, p. 5670 (1997)). In the case group V element constituting the thin film 14 is P, using the As no P, may be supplied to decompose the P 4 molecule to P 2 molecules.

このように、本実施形態によれば、量子ドット構造1を製造する際に、薄膜14の基板11上の表面拡散が抑制されるような条件で薄膜14を形成することにより、量子ドット13近傍で薄膜14の厚さに局所的な分布を生じさせ、熱処理後の量子ドット高さの分布を生じさせている。   Thus, according to the present embodiment, when the quantum dot structure 1 is manufactured, the thin film 14 is formed under the condition that the surface diffusion of the thin film 14 on the substrate 11 is suppressed, so that the vicinity of the quantum dot 13 is formed. Thus, a local distribution is generated in the thickness of the thin film 14, and a distribution of the quantum dot height after the heat treatment is generated.

そのため、広い波長範囲で均一に発光波長が分布する量子ドット構造1を製造することができる。   Therefore, the quantum dot structure 1 in which the emission wavelength is uniformly distributed over a wide wavelength range can be manufactured.

次に、第2の実施形態に係る量子ドット構造1aの構造および製造方法について、図4を参照して説明する。   Next, the structure and manufacturing method of the quantum dot structure 1a according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

第2の実施形態は、第1の実施形態において、量子ドット13および薄膜14を覆うように基板11上にカバー層15を設けたものである。   In the second embodiment, a cover layer 15 is provided on the substrate 11 so as to cover the quantum dots 13 and the thin film 14 in the first embodiment.

なお、第2の実施形態において、第1の実施形態と同様の機能を果たす要素については同一の符号を付し、説明を省略する。   In the second embodiment, elements having the same functions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

まず、量子ドット構造1aの構造について図4を参照して説明する。   First, the structure of the quantum dot structure 1a will be described with reference to FIG.

図4に示すように、量子ドット構造1aは量子ドット13、および薄膜14を覆うように基板11上にカバー層15が形成されている。   As shown in FIG. 4, the quantum dot structure 1 a has a cover layer 15 formed on the substrate 11 so as to cover the quantum dots 13 and the thin film 14.

カバー層15は量子ドットをバンドギャップの大きな材料で埋め込むことにより、量子ドット内にキャリアを効率的に閉じこめるための層であり、例えばGaAsを有する層である。   The cover layer 15 is a layer for efficiently confining carriers in the quantum dots by embedding the quantum dots with a material having a large band gap. For example, the cover layer 15 is a layer having GaAs.

次に、量子ドット構造1aの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the quantum dot structure 1a will be described.

量子ドット構造1aの製造方法は最後にカバー層15を形成する工程が追加される以外は、量子ドット1の製造方法と同様である。即ち、まず、基板11を用意し、SKモードの自己形成法により、量子ドット13を基板11上に成長させる。   The manufacturing method of the quantum dot structure 1a is the same as the manufacturing method of the quantum dot 1 except that the step of forming the cover layer 15 is added last. That is, first, the substrate 11 is prepared, and the quantum dots 13 are grown on the substrate 11 by the SK mode self-forming method.

次に、基板11に薄膜14を堆積させる。   Next, a thin film 14 is deposited on the substrate 11.

次に、熱処理を施すことにより薄膜14から露出した量子ドット13の上部を再蒸発させる。   Next, the upper part of the quantum dot 13 exposed from the thin film 14 is re-evaporated by performing heat treatment.

最後に、量子ドット13、および薄膜14を覆うように基板11上にカバー層15を形成して量子ドット構造1aが完成する。   Finally, a cover layer 15 is formed on the substrate 11 so as to cover the quantum dots 13 and the thin film 14, thereby completing the quantum dot structure 1a.

このように、第2の実施形態によれば、量子ドット構造1aがカバー層15を備えており、第1の実施形態と同等以上の効果を奏する。   As described above, according to the second embodiment, the quantum dot structure 1 a includes the cover layer 15, and has an effect equal to or greater than that of the first embodiment.

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples.

(実施例1)
以下に示す手順で、図5に示す量子ドット構造1bを製造し、発光特性を評価した。
Example 1
The quantum dot structure 1b shown in FIG. 5 was manufactured by the following procedure, and the light emission characteristics were evaluated.

まず、GaAsの基板11を用意した(図5(a))。   First, a GaAs substrate 11 was prepared (FIG. 5A).

次に、基板11をMBE(分子線エピタキシャル)装置(オックスフォード社製V80H)内へ導入し、固体Asを加熱し昇華させることにより得られるAs分子線を照射しながら基板温度を600℃まで上昇させ、基板11表面の自然酸化膜を除去し、GaAsのバッファ層12を580℃で300nm成長させた(図5(b))。 Next, the substrate 11 is introduced into an MBE (molecular beam epitaxial) apparatus (V80H manufactured by Oxford), and the substrate temperature is raised to 600 ° C. while irradiating the As 4 molecular beam obtained by heating and sublimating the solid As. The natural oxide film on the surface of the substrate 11 was removed, and a GaAs buffer layer 12 was grown at 580 ° C. by 300 nm (FIG. 5B).

その後、基板11の温度を485℃まで降温させ、As分圧6×10−6Torr(8×10−4Pa)の圧力下で、Inを1.8ML相当分基板11上に供給し、InAsの量子ドット13を製造した(図5(c))。 Thereafter, the temperature of the substrate 11 is lowered to 485 ° C., and In is supplied onto the substrate 11 by an amount corresponding to 1.8 ML under a pressure of As partial pressure 6 × 10 −6 Torr (8 × 10 −4 Pa). The quantum dot 13 of this was manufactured (FIG.5 (c)).

次に、基板11の温度を425℃までさらに降温し、GaAsの薄膜14を1nm成長させた(図5(d))。   Next, the temperature of the substrate 11 was further lowered to 425 ° C., and a GaAs thin film 14 was grown by 1 nm (FIG. 5D).

その後、基板11の温度を再び昇温させ、量子ドット13の頂上部を除去した(図5(e))。   Thereafter, the temperature of the substrate 11 was raised again, and the tops of the quantum dots 13 were removed (FIG. 5E).

この工程により、量子ドット13の周辺に堆積したGaAsは、基板11の温度が低いため、表面拡散が極端に抑制され、図4に示すように不均一に量子ドット近傍に集結し、その厚さも不均一となった。   As a result of this process, the GaAs deposited around the quantum dots 13 is extremely suppressed in surface diffusion because the temperature of the substrate 11 is low, and gathers in the vicinity of the quantum dots nonuniformly as shown in FIG. It became uneven.

その後、GaAsのカバー層15を100nm成長させ、量子ドット構造1bが完成した(図5(f))。   Thereafter, the GaAs cover layer 15 was grown to 100 nm, and the quantum dot structure 1b was completed (FIG. 5F).

この量子ドット構造1bの低温10Kでのフォトルミネッセンス測定を行った。結果を図6に示す。   Photoluminescence measurement of the quantum dot structure 1b at a low temperature of 10K was performed. The results are shown in FIG.

図6から明らかなように、単一量子ドット発光に起因する輝線が広域波長にわたって分布する発光特性が得られた。   As is clear from FIG. 6, emission characteristics were obtained in which bright lines resulting from single quantum dot emission were distributed over a wide range of wavelengths.

(実施例2)
薄膜14堆積時のAsの分圧を、Asの蒸発源の設定温度を昇温させ、1.2×10−5Torr(1.6×10−3Pa)に上昇させたこと以外は、第1の実施例と同じ条件で量子ドット構造1bを製造し、発光特性を評価した。その結果、実施例1と同様に、単一量子ドット発光に起因する輝線が広域波長にわたって分布する発光特性が得られた。
(Example 2)
The partial pressure of As when depositing the thin film 14 was increased except that the set temperature of the evaporation source of As was raised to 1.2 × 10 −5 Torr (1.6 × 10 −3 Pa). The quantum dot structure 1b was manufactured under the same conditions as in Example 1, and the light emission characteristics were evaluated. As a result, similar to Example 1, emission characteristics in which bright lines resulting from single quantum dot emission were distributed over a wide range of wavelengths were obtained.

(実施例3)
薄膜14の堆積時のAs分子線の単位分子線あたりの原子数を低減させた以外は実施例1と同じ条件で量子ドット構造1bを製造し、発光特性を評価した。具体的には以下の手法を用いた。
(Example 3)
A quantum dot structure 1b was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the number of atoms per unit molecular beam of the As molecular beam during deposition of the thin film 14 was reduced, and the light emission characteristics were evaluated. Specifically, the following method was used.

As分子線の単位分子線あたりの原子数は、As固体を加熱して昇華させるタイプの場合、4個で1分子を形成している(つまりAsの形態をとる。)。この場合の加熱温度は通常300℃程度である。この手法により得られたAs分子線をさらに高温で加熱することにより、As分子線を得ることができる。このために開発された蒸発源はクラッキングセルと呼ばれており、セル内部で昇華により発生したAs分子は、セル出口に設けられた加熱ヒーターにより再度加熱・分解されAsの状態となる。 The number of atoms per unit molecular beam of the As molecular beam is 4 in the case where the As solid is heated and sublimated to form one molecule (that is, takes the form of As 4 ). The heating temperature in this case is usually about 300 ° C. By heating the As 4 molecular beam obtained by this method at a higher temperature, an As 2 molecular beam can be obtained. The evaporation source developed for this purpose is called a cracking cell, and As 4 molecules generated by sublimation inside the cell are again heated and decomposed by a heater provided at the cell outlet to be in an As 2 state.

そこで、実施例3では、クラッキングセルを用いて、出口ヒーターの温度を900℃に設定し、As分子線を得た。このAs分子線を、第1、および第2の実施例と同様、量子ドットウエハ製造工程に置いて、GaAsの薄膜堆積時のAs分子線をAs分子線照射下で堆積した。 Therefore, in Example 3, the temperature of the outlet heater was set to 900 ° C. using a cracking cell, and an As 2 molecular beam was obtained. As in the first and second examples, this As 2 molecular beam was placed in the quantum dot wafer manufacturing process, and the As molecular beam at the time of GaAs thin film deposition was deposited under As 2 molecular beam irradiation.

その結果、その結果、実施例1と同様に、単一量子ドット発光に起因する輝線が広域波長にわたって分布する発光特性が得られた。   As a result, as in Example 1, the emission characteristic in which the bright lines resulting from single quantum dot emission were distributed over a wide wavelength range was obtained.

(実施例4)
基板11として、高指数面で切り出した基板11を用いたこと以外は実施例1と同様の条件で量子ドット構造1bを製造し、発光特性を評価した。
Example 4
A quantum dot structure 1b was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the substrate 11 cut out with a high index surface was used as the substrate 11, and the light emission characteristics were evaluated.

具体的には、基板11として、GaAs半導体結晶のインゴットから、基板の法線方向が[110]方向もしくは[111]方向になるように切り出した、(110)面、もしくは(111)A面のGaAs(半導体)基板を用いた。   Specifically, as the substrate 11, a (110) plane or (111) A plane cut out from an ingot of a GaAs semiconductor crystal so that the normal direction of the substrate is the [110] direction or the [111] direction. A GaAs (semiconductor) substrate was used.

その結果、実施例1と同様に、単一量子ドット発光に起因する輝線が広域波長にわたって分布する発光特性が得られた。   As a result, similar to Example 1, emission characteristics in which bright lines resulting from single quantum dot emission were distributed over a wide range of wavelengths were obtained.

(比較例1)
薄膜14の形成時の温度を量子ドット13形成時の温度と同じ温度としたこと以外は実施例1と同様の条件で量子ドット構造を製造し、発光特性を評価した。
(Comparative Example 1)
A quantum dot structure was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that the temperature at which the thin film 14 was formed was the same as that at which the quantum dots 13 were formed, and the light emission characteristics were evaluated.

その結果、図7に示すように、量子ドットの発光波長はある波長(この場合、約975nm)をピーク中心として長短波長両側にほぼ正規分布に従い、密集して分布していた。   As a result, as shown in FIG. 7, the emission wavelengths of the quantum dots were densely distributed according to a normal distribution on both sides of the long and short wavelengths with a certain wavelength (in this case, about 975 nm) as the peak center.

以上より、薄膜14の基板11上の表面拡散が抑制されるような条件で薄膜14を形成することにより、製造された量子ドット構造が、従来よりも広域波長にわたって分布する発光特性を得られることがわかった。   As described above, by forming the thin film 14 under the condition that the surface diffusion of the thin film 14 on the substrate 11 is suppressed, it is possible to obtain the light emission characteristics in which the manufactured quantum dot structure is distributed over a wider wavelength range than before. I understood.

以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、結晶成長方法についてはMBE法を用いた例について説明したが、有機金属熱分解法等、他の成長手法によっても構わないし、また、上述の実施形態および実施例において挙げた数値、物質、原料等はあくまでも例にすぎないので、必要に応じてこれらと異なるものを用いても構わない。   Although the embodiments and examples of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. . For example, although the example using the MBE method has been described for the crystal growth method, other growth methods such as an organometallic pyrolysis method may be used, and the numerical values, substances, and materials described in the above embodiments and examples may be used. The raw materials are merely examples, and those different from these may be used as necessary.

1………量子ドット構造
1a……量子ドット構造
1b……量子ドット構造
11……基板
12……バッファ層
13……量子ドット
14……薄膜
15……カバー層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Quantum dot structure 1a ...... Quantum dot structure 1b ...... Quantum dot structure 11 ... Substrate 12 ... Buffer layer 13 ... Quantum dot 14 ... Thin film 15 ... Cover layer

Claims (14)

(a)基板上に、量子ドットを設け、
(b)前記量子ドットよりも低く、かつ表面拡散が抑制されるように前記基板上に薄膜を堆積し、
(c)前記量子ドットの、前記薄膜から露出した部分を除去する、
ことを特徴とする量子ドット構造製造方法。
(A) providing quantum dots on the substrate;
(B) depositing a thin film on the substrate so as to be lower than the quantum dots and suppress surface diffusion;
(C) removing a portion of the quantum dot exposed from the thin film;
A method for producing a quantum dot structure.
前記量子ドット、前記基板、および前記薄膜を構成する材料は、III族およびV族元素を含む化合物半導体を有することを特徴とする請求項1記載の量子ドット構造製造方法。   2. The method of manufacturing a quantum dot structure according to claim 1, wherein the material constituting the quantum dots, the substrate, and the thin film includes a compound semiconductor containing a group III element and a group V element. 前記量子ドットの材料としてInAsもしくはInGaAsを有する材料を用いることを特徴とする請求項2に記載の量子ドット構造製造方法。   3. The quantum dot structure manufacturing method according to claim 2, wherein a material having InAs or InGaAs is used as the material of the quantum dots. 前記基板および/または薄膜の材料としてGaAsもしくはInPを有する材料を用いることを特徴とする請求項2または3のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法。   4. The method for manufacturing a quantum dot structure according to claim 2, wherein a material containing GaAs or InP is used as a material for the substrate and / or the thin film. 前記(b)は、前記薄膜を堆積する時の基板温度を、前記(a)で量子ドットを設ける際の温度よりも下げることにより前記薄膜のIII族元素の表面拡散を抑制することを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法。   (B) is characterized in that the surface temperature of the group III element of the thin film is suppressed by lowering the substrate temperature when depositing the thin film below the temperature when the quantum dots are provided in (a). The quantum dot structure manufacturing method according to any one of claims 2 to 4. 前記(b)は、前記薄膜を堆積する時の基板温度を、請求項4に記載の薄膜の堆積温度が前記(a)における量子ドット成長時の温度より60度以上低くすることを特徴とする請求項5記載の量子ドット構造製造方法。   (B) is characterized in that the substrate temperature when depositing the thin film is such that the deposition temperature of the thin film according to claim 4 is at least 60 degrees lower than the temperature during quantum dot growth in (a). The method for producing a quantum dot structure according to claim 5. 前記(b)は、前記薄膜を堆積する時のV族元素の分圧を、前記(a)における量子ドット成長時の分圧よりも高くすることにより、前記薄膜のIII族元素の表面拡散を抑制することを特徴とする請求項2〜6のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法。   (B) increases the surface pressure of the group III element of the thin film by making the partial pressure of the group V element when depositing the thin film higher than the partial pressure during the quantum dot growth in (a). It suppresses, The quantum dot structure manufacturing method as described in any one of Claims 2-6 characterized by the above-mentioned. 前記(b)は、前記薄膜を堆積する時のV族元素の分圧を、前記(a)における量子ドット成長時の分圧の2倍以上にすることを特徴とする請求項7の記載の量子ドット構造製造方法。   8. The method according to claim 7, wherein (b) sets the partial pressure of the group V element when depositing the thin film to be not less than twice the partial pressure during quantum dot growth in the (a). Quantum dot structure manufacturing method. 前記V族元素を供給前に加熱することにより、単位分子あたりの原子数を加熱前よりも低減させた前記V族元素を用いることを特徴とする請求項2〜8のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法。   The said V group element which reduced the number of atoms per unit molecule from before heating is used by heating the said V group element before supply, The any one of Claims 2-8 characterized by the above-mentioned. Quantum dot structure manufacturing method. 単位分子あたりの原子数を加熱前よりも低減させた前記V族元素が、AsもしくはPであることを特徴とする請求項9記載の量子ドット構造製造方法。 The method for producing a quantum dot structure according to claim 9, wherein the group V element in which the number of atoms per unit molecule is reduced as compared with that before heating is As 2 or P 2 . 前記(a)は、前記基板の高指数面に前記量子ドットを設けることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法。   The quantum dot structure manufacturing method according to claim 1, wherein (a) includes providing the quantum dots on a high index surface of the substrate. 前記高指数面は(110)面もしくは(111)A面であることを特徴とする請求項11記載の量子ドット構造製造方法。   12. The method of manufacturing a quantum dot structure according to claim 11, wherein the high index plane is a (110) plane or a (111) A plane. 前記(c)は、連続して熱処理を行い量子ドットの実効的な高さを低減することにより、前記量子ドットの、前記薄膜から露出した部分を除去することを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法。   The step (c) removes a portion of the quantum dot exposed from the thin film by continuously performing a heat treatment to reduce an effective height of the quantum dot. The quantum dot structure manufacturing method as described in any one of these. 請求項1〜13のいずれか一項に記載の量子ドット構造製造方法を用いて製造されたことを特徴とする量子ドット構造。   The quantum dot structure manufactured using the quantum dot structure manufacturing method as described in any one of Claims 1-13.
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