JP2011503893A - アモルファスｉｉｉ−ｖ族半導体材料及びその製造方法 - Google Patents

アモルファスｉｉｉ−ｖ族半導体材料及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

基板に接着させたＩＩＩ−Ｖ族アモルファス材料を形成する反応性蒸着方法であり、この方法は、基板に０．０１Ｐａと同程度の周囲圧力を印加する手順、及び基板の表面上にアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層が形成されるまで、０．０５Ｐａと２．５Ｐａとの間の動作圧力で基板の表面に活性Ｖ族物質を導入し、且つ、ＩＩＩ族金属蒸気を導入する手順を備える。
【選択図】なし

Description

本開示の技術は、概してアモルファス物質に関し、特にアモルファスＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の製造方法に関する。
アモルファス物質は、規則的な反復内部構造を有する結晶物質とは対照的に、原子が長距離秩序を示さず、且つ内部構造が不規則或いはランダムな固体である。アモルファス物質の一例として、一般的な窓ガラスがあり、溶融ケイ酸塩を冷却した時に形成され、規則的な結晶格子を形成させずに、高粘性を獲得する。ガラスのアモルファス状態は、透過性等の様々な有用な光学的特性をもたらす。様々な成分（例えば、シリカに加えてＮａ、Ｃａ、Ｂ、Ｐｂ）の存在が、アモルファス物質の最終特性（例えば、その色、透過性、軟化点又はガラス転移温度、即ちＴｇ）に重要な影響を及ぼす可能性がある。
周期表のＩＩＩ族金属（例えば、アルミニウム、ガリウム及びインジウム）は、周期表のＶ族元素（例えば、窒素、リン及びヒ素）との半導体化合物を形成することが出来る。例えば、ＩＩＩ族金属は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等のヒ化物質、又はリン化ガリウム（ＧａＰ）等のリン化物質を形成することが出来る。ＧａＡｓは、例えば、マイクロ波周波数集積回路、発光ダイオード及び太陽電池において広く使用される半導体である。ＧａＰは、例えば、赤色、オレンジ色及び緑色の発光ダイオードにおいて使用される。
また、ＩＩＩ族金属は、窒素（Ｎ）との相互作用によって窒化物、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化インジウム（ＩｎＮ）を形成することが出来る。ＩＩＩ族金属の窒化物は、様々なエネルギーギャップ（２つの隣接する許容バンド間）、例えば、ＩｎＮは０．７ｅＶの狭ギャップ、ＧａＮは３．４ｅＶの中間ギャップ、及びＡｌＮは６．２ｅＶの広ギャップを有する半導体である。
固体のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料は、秩序ある結晶構造を有し、ＩＩＩ−Ｖ族物質から作られた電子デバイスが、高温、高電力及び高周波数の条件で動作可能であるように、有益な化学的且つ物理的特性を与える。ＩＩＩ−Ｖ族物質から作られた電子デバイスは、スペクトルの紫外線領域から赤外線領域に及ぶ波長を有する電磁放射線を放射又は吸収可能であり、それは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ソリッドステート光源等を構成することに関して意義がある。アモルファスＩＩＩ−Ｖ族物質は、ある有益な光学的特性を有し、太陽電池やフルカラーディスプレイ等、多種多様の更なる応用において採用される可能性がある。
アモルファス物質の製造技術としては、急冷凝固、薄膜蒸着処理（例えば、スパッタ蒸着及び化学気相蒸着）、及びイオン注入がある。急冷凝固では、アモルファス物質は溶融した液体から直接製造されるが、その液体は、秩序ある結晶構造が形成するには不十分な時間で急速に冷却される。薄膜蒸着は、薄膜を基板又はその基板上に先に蒸着された層上に蒸着することを含む。
スパッタ蒸着は、薄膜蒸着技術の一種である。固体のターゲット材料の原子を、イオン衝撃によって気相内に放出させる。各々の衝突によって更なる原子が突き飛ばされるが、入射イオン当たりの放出原子の数（すなわち、スパッタ収率）は、入射イオンのエネルギーやイオン及び原子の各質量、固体のターゲット材料の原子の結合エネルギー等、いくつかの要因に左右される。イオンは、通常は希ガス（例えば、アルゴン）のプラズマによって提供される。放出された原子は、熱力学的平衡状態になく、真空室内の全表面に蒸着しやすい。従って、真空室内の基板は、ターゲット材料と同一の組成を有する薄膜によって被覆されることになる。ターゲットは、スパッタ蒸着中は、蒸発を伴わないので、比較的低い温度に維持されることが出来る。反応性スパッタリングでは、プラズマガスが酸素や窒素等の少量の非希ガスを含み、ターゲットからスパッタリングされた後の物質と反応し、酸化物や窒化物等の反応生成物である蒸着物質をもたらす。
化学気相蒸着（ＣＶＤ）は、他のタイプの薄膜蒸着であり、そこでは、薄膜は化学反応によって形成される。基板をガスの混合物に露出させ、そのガスの混合物が基板表面と反応し、基板上に凝結した所望の堆積層を生成する。ＣＶＤは、通常、基板が加熱される加熱炉内又はＣＶＤリアクタ内の高温で実行される。この反応では、通常、望ましくない反応副産物が生成され、反応室を通るガスフローによって取り除かれる。プラズマは、成膜速度を向上し、化学反応の温度を下げるために使用することが可能である。有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）は、一般的なＣＶＤ源に比較して反応温度を下げる有機金属化合物を反応剤とする。
イオン注入は、第１の材料のイオンを第２のターゲット材料に注入することを含む。イオンは、基板の表面等のターゲット材料に衝突する前に、高エネルギーへと静電的に加速される。ドーズと呼ばれる注入された材料の量は、イオン電流の時間による積分である。ドーズ及びエネルギーを制御することによって、アモルファス層が形成されるようにターゲット表面の結晶構造を変化させて乱すことが出来る。衝突するイオンは、ターゲット材料内の化学結合を破壊し、非系統的で熱力学的平衡にない新たな結合を形成し、ターゲット材がアモルファスになるよう導く。
Ｌａｎｋｅ等の“Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＧａＮ Ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｉｏｎ−ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ”（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００２）と題する論文は、エネルギー窒素イオンビームを使用するアモルファスＧａＮを成長させる方法を対象にしている。アモルファスＧａＮ膜は、エネルギー窒素イオンビーム下でガリウム金属の電子ビーム蒸着によって調製された（イオンアシスト蒸着）。その膜は、４０〜９００ｅＶの範囲の入射窒素イオンエネルギーを使用して室温で蒸着された。シリコン及びガラス状炭素基板上に成長した膜に対して組成分析を行った。その分析は、その成長膜を十分アモルファスＧａＮと見なすことが出来ることを示した。イオンエネルギーを３００ｅ未満に低下させると膜が徐々に不透明になるのに対し、５００ｅＶ前後の窒素イオンエネルギーによって蒸着された膜は、可視スペクトル領域で透明である。
“Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ａｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ａｎｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌ”と題するＹａｇｉに対する米国特許第５，９７６，３９８号は、アモルファス窒化ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、及びその製造装置及びプロセスを対象にしている。その製造プロセスはプラズマＭＯＣＶＤを利用する。その半導体製造装置は、リアクタ、第１及び第２の原料活性化−供給部、排気管、ヒータ、及び基板ホルダを含む。基板ホルダは、真空を形成可能なリアクタ内に基板を保持する。各活性化−供給部は、一対のガス導入管、リアクタに接続された石英管、及び活性化をもたらすためのマイクロ波導波管（又はその代わりとして高周波コイル）からなる。
第１の活性化−供給部では、Ｖ族元素のプラズマ（例えば、窒素プラズマ）が発生され、リアクタへ導入される。例えば、Ｎ２ガスがガス導入管から導入され、マイクロ波発振器がマイクロ波をマイクロ波導波管へ供給し、マイクロ波導波管が石英管内で放電を引き起こしてＮ２ガスを活性化する。第１の活性化−供給部のガス導入管によって、ＩＩＩ族元素（例えば、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）を含有する金属有機化合物が供給される。第２の活性化−供給部のガス導入管によって、補助材料（例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｈ２、Ｃｌ２、Ｆｌ２）が供給される。補助材料（例えば、水素プラズマ）は、ＩＩＩ族元素を含む金属有機化合物の有機官能基と反応してこの有機官能基を不活性化する。蒸発された金属有機化合物及び補助材料のプラズマはＶ族元素のプラズマに追加される。
ヒータは、基板を適切な温度（例えば、２００℃から４００℃まで）に加熱する。ＩＩＩ族元素及びＶ族元素を含有するアモルファス物質の膜が基板上に形成される。この半導体化合物の膜は、ＩＩＩ族元素及びＶ族元素を含有する。例えば、このアモルファス物質は、水素化アモルファス窒化ガリウムである。このアモルファス物質は、光半導体として光電子工学的用途に適している。
“Ｂａｎｄ ｇａｐ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ａｌ−Ｇａ−Ｎ ａｌｌｏｙｓ”と題する、Ｋｏｒｄｅｓｃｈに対する米国特許出願公開番号ＵＳ２００２／０１００９１０は、アルミニウム及びガリウムを含むアモルファス半導体合金、及びスパッタ蒸着を利用するその製造方法を対象としている。反応性スパッタ蒸着室内部のアノード上に半導体基板を位置決めする。また、スパッタ蒸着室は、ターゲットカソード上にスパッタターゲットを含む。スパッタ蒸着室は、ＲＦ源及びマッチングネットワークに結合されている。スパッタターゲットは、アルミニウム及びガリウムを含む（例えば、アルミニウムとガリウムを両方有する単一の一体ターゲット、アルミニウム部とガリウム部を有する単一のターゲット、又はアルミニウム及びガリウムの離散ターゲット）。スパッタターゲットはインジウムも含むことが出来る。窒素ガスをスパッタ蒸着室に導入する。スパッタ蒸着室を作動させ、スパッタターゲットのアルミニウム及びガリウムと窒素の反応を促進する。半導体基板は、成長した合金がアモルファスになるように選択された蒸着温度（例えば、約７７Ｋから約３００Ｋの間）に維持される。アルミニウム及びガリウムの組成比は、アモルファス合金が約３ｅＶと約６ｅＶとの間のバンドギャップを有するように選択される。このアモルファス合金は化学式：ＡｌｘＧａ１−ｘＮを有する。このアモルファス合金は、様々なフォトニクス的用途のために、希土類元素発光中心等がドープされることが出来る。
量子ドット（ＱＤ）は、異なる伝導相の材料（例えば、導電性、半導電性、又は誘電性物質）によって空間的に包囲された半導体材料のナノ結晶である。量子ドットでは、原子価電子の励起によって励起子（即ち、電子正孔対）を形成することが出来る。量子ドットは、量子力学的に“原子のような”構造を表わし、電子は後に正孔を残しながらごく僅かなより高い（非結合性）軌道へ励起されることが出来る。量子ドットにおける電子の励起には、電気励起、光子励起、又は熱励起がある。
従来の量子ドット構造では、より低いバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）のナノ結晶（即ち、ＱＤ）は、より高いＥｇを有する物質の結晶構造マトリックス内に埋め込まれる。例えば、ゲルマニウムＱＤはシリコン結晶内に埋め込まれる。或いは、ナノ結晶ＱＤは、アモルファスマトリックス内に埋め込まれる。この場合、２相複合材料を構成する単一の化学物質を使用することが出来る。従って、そのＱＤとマトリックス材料との間のバンドギャップエネルギーの差異は、その２相、即ちＱＤの結晶相及び周囲のマトリックスのアモルファス相に由来する。同一の成分を有するので、結晶相はアモルファス相よりも低いＥｇを有する。例えば、これは、ＧａＡｓアモルファスマトリックス内に埋め込まれたＧａＡｓのＱＤにおける場合である。
２つの化学物質が複合材料に含まれる場合、更なる多様性が生じる。ＱＤの結晶相は材料組成に対する耐性がより低いが、アモルファス相はより耐性がある。この場合、異なるバンドギャップエネルギー条件のＱＤ、即ち、より高いＥｇのマトリックス内により低いＥｇを有するＱＤ（即ち、上記した一般的な場合）、又はより低いＥｇのマトリックス内により高いＥｇを有するＱＤを得ることが出来る。内部に埋め込まれたナノ結晶子を有するこのようなアモルファスマトリックスは、「アモルファス−ナノ結晶（ＡＮＣ）」と呼ばれる。そのような物質の一例は、ＩｎＧａＮ系である。
単一の化学物質の場合、アモルファスが優勢の（ｓｕｐｅｒｉｏｒｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）材料のバンドギャップエネルギー（即ち、ナノメータ又はそれより短いスケール上の粒子オーダーを抑制すること）は、同一物質のＡＮＣ材料よりも高い（即ち、秩序あるより結晶性の材料は、等価のそのアモルファスよりも低いＥｇを有する）。混合相の複合材料では、ナノ結晶相は、周囲のアモルファス相と異なる組成であることが可能である。例えば、ＩｎＧａＮの材料系では、結晶相にはより多くのインジウム（即ち、アモルファス相にはより少ないインジウム）が存在する可能性があり、またその逆に、結晶相にはより少ないインジウム（即ち、アモルファス相にはより多いインジウム）が存在する）可能性がある。後者の場合では、結晶子においてより大きなＥｇ及びアモルファスマトリックスにおいてより小さなＥｇを得ることが可能である。
ＡＮＣ層は、２つのアモルファス優勢層間にウエハ状にされるか積層される。アモルファス優勢層は、ナノ結晶子のバンドギャップエネルギー（以下、「Ｅｇ」）よりも小さな或いは大きなＥｇ値を有する可能性がある。従って、より大きなＥｇの場合は、自由電荷キャリアは、アモルファス優勢層のエネルギー障壁を通過するのに十分なエネルギーを有していないので、ＡＮＣ層内に空間的に捕獲される。より小さなＥｇの場合には、自由電荷キャリアは、発生時に空間的に「放出」される。キャッピングアモルファス優勢層の各々は、夫々ｎ型及びｐ型材料によってドープされると、量子ドットｐ−ｉ−ｎ接合が得られる。そのような量子ドットｐ−ｉ−ｎ接合では、ＡＮＣ層の自由電子及び正孔は、結合して光子を放出するか、或いは、もし過剰に放射されれば、夫々ｎ型ドープ及びｐ型ドープのアモルファス層に移動する。もしＡＮＣ層のＥｇがアモルファス層のＥｇよりも小さければ、アモルファス層内の光子によって形成された自由電荷キャリアは、周囲の層（例えば、ｐ型材料によってドープされたアモルファス材料）に容易に「逃げる」ことが出来る。もし電極が各アモルファス層に結合されると、量子ドットの電子デバイスを生じる量子ドットｐ−ｉ−ｎ接合が得られる。もし電極が外部電源によって帯電されると、量子ドットｐ−ｉ−ｎ接合を通って電流が発生されることが出来、発光デバイスが使用されることが出来る。
量子ドット電子デバイスは、光起電（ＰＶ）セルとして採用することが出来る。ＰＶセルでは、光起電力効果によって自由電荷キャリア（即ち、電子及び正孔）が生成され、ｐ−ｉ−ｎ接合の電場の影響下で、ｎ型及びｐ型ドープキャップの方へ移動するよう誘導される。光起電力効果は、ＰＶセルを構成する半導体材料のバンドギャップと等しい（或いはそれより高い）波長を有する光子がＰＶセルに衝突すると発生する。その光子は、電子によって吸収され、電子を価電子帯から伝導帯へと励起し、正孔を残し、従って励起子を形成する。ＰＶセルはｐ−ｉ−ｎ接合内にキャップされているので、電子及び正孔はその接合の電場において反対方向に移動する。もし電極がｐ−ｉ−ｎ接合の各端部に結合されると、電極は帯電される。量子ドットのＰＶセルが外部回路に接続されると、ＰＶセルの各側の２つの電極間で電流を発生させることが出来る。
ＰＶセルは、複数の半導体材料を含み、各材料は、異なる値のバンドギャップエネルギーを有し、異なる波長の光子を吸収する。その場合、量子ドットＰＶセルは、太陽電池として採用され、太陽光の広域スペクトル光からの複数の波長を吸収し、それを電気に変える。量子ドットの太陽電池は、当技術分野で周知である。
“Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ”と題するＳｕｚｕｋｉに対する米国特許第６，５６６，５９５号は、ｐ−ｉ−ｎ接合における量子ドット層を採用する太陽電池を対象としている。その太陽電池は、第１の化合物半導体材料からなるｐ型半導体層及びｎ型半導体層を含む。ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間には、少なくとも１つの量子ドット層が形成される。量子ドット層は、第２の化合物半導体材料からなり、複数の凸部（即ち、量子ドット）を表面に有する。量子ドットは、１つの量子ドット層、又は複数の量子ドット層の内のいずれか一層においてサイズが異なる。
量子ドット層は、ｐ−ｉ−ｎ接合のｉ型半導体層に挿入される。従って、ｐ−ｎ接合を形成する半導体材料の禁制帯幅に対応する波長の光に加え、量子ドット層の実効的な禁制帯幅に対応する波長の光が吸収される。これによって、太陽電池の光電変換効率が向上する。量子ドット層の禁制帯幅は、量子ドット層を形成するために使用される半導体の組み合わせ又は化合物結晶比率によって変化させることが出来る。従って、光電変換が実行出来る波長範囲は延長可能であり、入射光に対応する高効率で波長を変化する光電変換が可能な太陽電池を製造することが出来る。Ｓｕｚｕｋｉに従う太陽電池を製造するプロセスでは、量子ドット層は、リソグラフィー及び選択エッチングによって、又は自己成長（ｓｅｌｆ−ｇｒｏｗｉｎｇ）機構によって形成可能である。量子ドット層を形成するために使用される半導体材料としては、ＩｎＧａＡｓ又はＧａＡｓ等の周期表におけるＩＩＩ族元素及びＶ族元素の化合物がある。
“Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ Ｇｒｏｗｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ”と題するＦａｆａｒｄに対する米国特許出願公開番号ＵＳ２００５／０１５５６４１は、サブセル構造を有する光起電太陽電池、及びそのような太陽電池を作成する方法を対象としている。その太陽電池は、少なくとも１つのサブセルを含むモノリシック半導体光起電太陽電池であり、自己組織化（ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ）量子ドット材料を有する。太陽電池の各サブセルは、異なるバンドギャップエネルギー値を示し、従って異なる波長の光子を吸収する。サブセルは、最も低い有効バンドギャップエネルギーを有するサブセルが基板の最も近くにある状態で、有効バンドギャップエネルギーが増加する順に配置される。太陽電池のサブセルの各対間に障壁半導体層が形成される。
この太陽電池を作成する方法は、量子ドット材料のエピタキシャル成長を含む。量子ドット層の成長温度を使用して量子ドットの形状及び組成を調節する。各量子ドット層の障壁の過成長中の温度を過成長の異なる段階で変化させ、更に量子ドットのサイズ及び組成、ひいては自己成長量子ドット材料の吸収特性を制御することが可能である。エピタキシャル成長パラメータの組み合わせを選択して、所望のエネルギーレベルを有する高度に均一な量子ドットの高い面内密度を有する量子ドット層を得る。そのような成長パラメータは、成長温度、Ｖ族の超過圧力又はＩＩＩ／Ｖ比率、量子ドット材料、均一な準二次元膜から三次元アイランドへの自己組織化成長遷移を得るための材料の量、成長速度又は成長中に用いられる一時停止（ｐａｕｓｅ）、及び成長温度や成長速度などの過成長条件である。
本開示技術に従えば、基板に接着させたＩＩＩ−Ｖ族アモルファス材料膜を形成するための反応性蒸着方法が提供される。当該方法は、基板に０．０１Ｐａ程度の周囲圧力を印加する手順、及び、アモルファスＩＩＩ−Ｖ材料層が表面に形成されるまで、０．０５Ｐａと２．５Ｐａとの間の動作圧力で基板の表面に活性Ｖ族蒸気を導入し、且つＩＩＩ族金属蒸気を導入する手順を含む。そのアモルファス材料は、内部にナノ結晶子を含むことが出来、そのサイズは、アモルファス材料の厚さ及び反応性蒸着中の基板の温度に従って決定される。
本開示技術の別の態様に従えば、基板に接着させたＩＩＩ−Ｖ族アモルファス材料を形成するための方法が開示される。当該方法は、基板に０．０１Ｐａ程度の周囲圧力を印加する手順、及び、複数のＩＩＩ族金属滴が表面に形成するまで、少なくとも０．０１Ｐａのベース圧力で基板の表面にＩＩＩ族金属蒸気を導入する手順を含む。当該方法は、更に、ＩＩＩ−Ｖ族材料分子がＩＩＩ族金属滴状に形成するまで、０．０５Ｐａと２．５Ｐａとの間の動作圧力で基板の表面に活性Ｖ族蒸気を導入する手順、及び、ＩＩＩ−Ｖ族材料分子がＩＩＩ族金属滴内に拡散してＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴を形成するまで、且つＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴が基板上で湿潤層になるまで、動作圧力と活性Ｖ族物質を維持する手順を含む。当該方法は、更に、湿潤層に含まれる全てのＩＩＩ族金属原子が使い尽くされ、湿潤層がアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層に変化するまで、湿潤層のＩＩＩ−Ｖ族材料分子の濃度を増加し続ける手順を含む。湿潤層のＩＩＩ−Ｖ族材料分子の濃度を増加することは、湿潤層に含まれる全てのＩＩＩ族金属原子が使い尽くされるまで活性Ｖ族物質の供給を維持することによって達成される。或いは、湿潤層のＩＩＩ−Ｖ族分子の濃度は、湿潤層に残っている全てのＩＩＩ族金属原子が蒸発されるまで湿潤層を加熱することによって増加される。
本開示技術は、以下の図面に関連して行われる以下の詳細な説明から、より完全に理解され評価されるであろう。
本開示技術の実施形態に従って構成且つ動作される、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料形成のシステムの概略図である。 窒素プラズマを採用してＩＩＩ族窒化物を形成する、図１のシステムの概略図である。 リン又はヒ素を蒸発してＩＩＩ−Ｖ族材料を形成する、図１のシステムの概略図である。 本開示技術の他の実施形態に従う、ＩＩＩ族金属滴が基板上に形成される段階での、図１のシステムの基板の概略図である。 ＩＩＩ−Ｖ族材料分子がＩＩＩ族金属滴上に形成される、更なる段階での図２Ａの基板の概略図である。 ＩＩＩ−Ｖ族材料分子がＩＩＩ族金属滴内に拡散し、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴を形成する、更なる段階での図２Ｂの基板の概略図である。 ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴が湿潤層に変化する、更なる段階での図２Ｃの基板の概略図である。 湿潤層がアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層に変化する、更なる段階での図２Ｄの基板の概略図である。 本開示技術の更なる実施形態に従って実施される、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料形成の方法の概略図である。 本開示技術の他の実施形態に従う、活性Ｖ族物質が基板に導入される段階での、図１のシステムの基板の概略図である。 固体ＩＩＩ−Ｖ族材料アモルファス層が基板上に形成される、更なる段階での図４Ａの基板の概略図である。 本開示技術の更なる実施形態に従って実施される、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料形成の方法の概略図である。 本開示技術の他の実施形態に従って構成且つ実施される、量子ドット電子デバイスの概略図である。 本開示技術の更なる実施形態に従って構成且つ動作される、量子ドット電子デバイスの概略図である。
本開示技術は、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料及びその製造方法を提供することによって従来技術の不利益を克服する。本開示技術に従うと、基板上に形成されたＩＩＩ族金属滴を活性Ｖ族気相物質に露出することによって、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族金属溶液の湿潤層を形成する。その湿潤層を更に、湿潤層の表面上のＩＩＩ族原子と反応する活性Ｖ族気相物質に露出し、ＩＩＩ−Ｖ族分子を形成する。ＩＩＩ−Ｖ族分子は、溶液のバルク内へ拡散し、溶液の粘性を増加させる。最終的に、全てのＩＩＩ族原子がその反応において使い果たされ、湿潤層はアモルファスＩＩＩ−Ｖ族層に変化する。
本開示技術の他の実施形態に従えば、ＩＩＩ族蒸気及び活性Ｖ族気相物質は、反応性蒸着によって、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族層が基板上に形成されるまで、同時に基板の表面に導入される。このプロセスでは、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族が形成される基板は、加熱されないままでも（即ち、２５℃の室温でも）、異なる温度にしても（即ち、ヒータによって加熱しても）よい。以下の記述では、アモルファス層が形成されるウエハのような実質的に平坦な基板について述べているが、アモルファス材料は高いフレキシビリティを有している（即ち、主に、小規模では）ので、基板は他のいかなる幾何学的形状でもよいことに留意すべきである。例えば、基板は、円形断面を有するファイバーのような形状（例えば、カーボンファイバー）でもよく、そこでは、アモルファス層は、ファイバーのような基板の周囲に形成され、アモルファス材料が均一に「コーティング」されたファイバーを生成する。ＩＩＩ−Ｖ族という用語は、本文では、周期表の少なくとも１つのＩＩＩ族物質と周期表の少なくとも１つのＶ族物質との化合物について述べていることに留意すべきである。
これから図１，１Ａ及び１Ｂを参照する。図１は、本開示技術の一実施形態に従って構成且つ実施される、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料形成のための、概して参照番号１００によって参照されるシステムの概略図である。図１Ａは、窒素プラズマを採用してＩＩＩ族窒化物を形成する、図１のシステムの概略図である。図１Ｂは、リン及びヒ素を蒸発してＩＩＩ−Ｖ族材料を形成する、図１のシステムの概略図である。システム１００は、基板１０２、ＩＩＩ族金属蒸気源１０４、窒素プラズマ発生器１０７、プラズマ源１０８、窒素ガス源１１０、真空室１１２、真空ポンプ１１４、及びＶ族蒸気源１０５を含む。例えば、Ｖ族蒸気源１０５は、加熱されるとリン又はヒ素の蒸気を提供する、リン又はヒ素の固体の坩堝である。
真空室１１２には、真空管１１１を介して、真空ポンプ１１４が結合される。真空室１１２内には、基板１０２が配置される。基板１０２は、シリコン、ガラス、グラファイト、ポリマー、ステンレス鋼等で形成されたウエハでもよい。或いは、基板１１２は、グラファイト、ガラス繊維、又はポリマーから構成されてもよい。ＩＩＩ族金属蒸気１１６がＩＩＩ族金属蒸気源１０４から基板１０２の下面に向かうように、真空室１１２内には、基板１０２の下面に対向して、ＩＩＩ族金属蒸気源１０４が配置される。ＩＩＩ族金属蒸気源１０４は、例えば、ガリウム蒸気、インジウム蒸気又はアルミニウム蒸気である。図１に描写されているシステム１００の構成において、基板１０２の上面が非活性表面である一方、基板１０２の下面は活性表面である。
窒素プラズマ源１０８には、窒素ガス供給１１０が結合される。窒素ガス供給源１１０は、窒素プラズマ源１０８に導管によって接続された窒素ガス（Ｎ２）のシリンダーでもよい。その導管は、プラズマ源１０８内の窒素ガスの圧力を調整するためのリーク弁１１５を含む。内部の圧力を監視するために、プラズマ発生器１０７には圧力ゲージ１１７が結合される。
基板１０２の活性表面に近接且つ対向して、真空室１１２の片側に窒素プラズマ発生器１０７が設置される。窒素プラズマ発生器１０７は、プラズマ源１０８の周囲に配置される。窒素プラズマ発生器１０７は、例えば、１００ｋＨｚの変圧器タイプのプラズマトロンである。窒素プラズマ発生器１０７は、シャッタ１１９を介して真空室１１２のリアクタ領域（即ち、基板１０２が配置されている領域）へと活性窒素（例えば、Ｎ又はＮ＋）１１８Ａを導入する。Ｖ族蒸気源１０５（例えば、リン又はヒ素の加熱された坩堝）は、ＩＩＩ族金属蒸気源１０４に隣接して位置決めされ、Ｖ族蒸気１１８Ｂ（例えば、リン又はヒ素）を基板１０２の活性表面に向かわせる。
窒素ガス供給源１１０は、純窒素１２０をプラズマ発生器１０７内へ向かわせる。リーク弁１１５及び圧力ゲージ１１７を使用して、窒素ガス１２０の圧力を約５パスカル（Ｐａ）に設定する。窒素プラズマ発生器１０７は、約１００ｋＨｚで作動され、窒素ガス１２０を燃焼させて活性窒素物質１１８Ａを生成する。シャッタ１１９が開放した後、活性窒素１１８Ａは、基板１０２の活性表面に向かって膨張して接触する。同様に、Ｖ族蒸気１１８Ｂ（例えば、リン又はヒ素）を、基板１０２の活性表面に向かわせて接触させる。
本開示技術は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）、又はそれらの混合物等の、あらゆるＩＩＩ−Ｖ族材料からなるアモルファス材料の形成に適用されてよいことに留意すべきである。従って、ＩＩＩ族金属としては、本開示において温度及び圧力に対して必要に応じて適応させたガリウム、インジウム又はアルミニウム、又はそれらの混合物を含むことが出来る。Ｖ族物質としては、必要に応じて適応させた窒素、ヒ素又はリン、又はそれらの混合物を含むことが出来る。例えば、ＩｎＧａＮの層を得るためには、ガリウム及びインジウム蒸気の混合物と共に、窒素プラズマも真空室に導入する。
更に、図１に描写されているように、活性窒素と他のＶ族要素の両方が採用されてもよいことに留意すべきである。図１Ｂではシステム１００が窒素以外のＶ族蒸気のみを採用してＩＩＩ−Ｖ族材料を形成しているのに対し、図１Ａでは、システム１００は、活性窒素プラズマのみを採用してＩＩＩ族窒化物を形成している。当然のことながら、本開示技術に従うシステムは、真空室内に複数の異なる材料の蒸気源と共にプラズマ源を含んでもよい。
これから図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ及び２Ｅを参照する。図２Ａは、本開示技術の他の実施形態に従う、ＩＩＩ族金属滴が基板上に形成される段階での、図１のシステムの基板の概略図である。図２Ｂは、ＩＩＩ−Ｖ族分子がＩＩＩ族金属滴上に形成される、更なる段階での図２Ａの基板の概略図である。図２Ｃは、ＩＩＩ−Ｖ族分子がＩＩＩ族金属滴内に拡散し、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴を形成する、更なる段階での図２Ｂの基板の概略図である。図２Ｄは、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴が湿潤層に変化する、更なる段階での図２Ｃの基板の概略図である。図２Ｅは、湿潤層がアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層に変化する、更なる段階での図２Ｄの基板の概略図である。窒素用の図１Ａ及び窒素以外のＶ族蒸気、例えば、リン又はヒ素用の図１Ｂに描写されているように、本開示技術が、このシステムに対して必要なように適応されたどのＶ族材料とともに採用されてもよいことに留意すべきである。
図２Ａを参照すると、ＩＩＩ族金属蒸気源１０４（図１）が、基板１０２の活性表面に向かってＩＩＩ族金属蒸気１１６を放射する。ガリウムが使用される場合は、基板１０２の活性表面に到着するガリウム蒸気を、約１０００℃の温度で発生させる。導入されたガリウム蒸気の温度は、所望の蒸着速度によって１０００℃とは異なってもよい。真空ポンプ１１４は、真空室１１２内のベース圧力を少なくとも０．０１Ｐａにするために採用される。ＩＩＩ族金属蒸気１１６は、基板１０２の活性表面に到達し、ＩＩＩ族金属滴１２２Ａへと凝縮される。ＩＩＩ族金属滴１２２ＡはＩＩＩ族金属原子を含む。ＩＩＩ族金属滴１２２Ａの実質的に球状のままでいる又は容易に拡張する性質は、ＩＩＩ族金属滴１２２Ａの表面張力との反発又は引力相互作用を決定する基板１０２の組成によって決まる。ＩＩＩ族金属滴１２２Ａの正確なサイズ及び数量は、表面張力に加えて、真空室１１２（図１）内に印加される圧力、基板１０２の温度、及びＩＩＩ族金属蒸気１１６の蒸気圧によって決まる。
ＩＩＩ族金属滴１２２Ａは、各ＩＩＩ族金属滴１２２Ａが他の滴１２２Ａと実質的に同一のサイズになり、他の滴１２２Ａから実質的に同じ距離だけ離間するように、均一に凝縮してよい。或いは、ＩＩＩ族金属滴１２２Ａは、各滴１２２Ａが異なるサイズになり、他の滴１２２Ａから異なる距離だけ離間するよう、不均一に凝縮してもよい。ＩＩＩ族金属滴１２２Ａのサイズ及び滴１２２Ａ間の距離の均一性は、基板１０２の活性表面の均一性及びそこにおける汚染物質及び欠陥の存在によって決まる。従って、基板１０２の活性表面は、ＩＩＩ族金属滴１２２Ａが均一に凝縮するように、その表面からあらゆる汚染物質を除去するための前処理を施してもよい。例えば、基板１０２の活性表面は、活性窒素の塗布によって、或いは基板１０２を十分に高い温度（例えば、８５０℃）に加熱することによって、或いはその両者の組み合わせによる前処理を施されてもよい。
図２Ｂを参照すると、ＩＩＩ族金属滴１２２Ａの凝縮後に、プラズマ源１０８が活性窒素１１８Ａを基板１０２の活性表面に向かわせる。活性窒素１１８Ａは、ＩＩＩ族金属滴１２２ＢのＩＩＩ族金属原子と反応する。窒素以外のＶ族源が採用される場合、図１及び１Ｂにあるように、Ｖ族蒸気１１８ＢのＶ族原子がＩＩＩ族金属滴１２２ＢのＩＩＩ族金属原子と反応する。活性窒素１１８Ａ又はＶ族蒸気１１８ＢのＩＩＩ族金属滴との反応によって、ＩＩＩ族金属滴１２２Ｂの外殻上にＩＩＩ−Ｖ族分子１２４が形成される。例えば、窒素及びガリウムが使用される場合、化学反応：Ｇａ＋Ｎ→ＧａＮに従ってＧａＮ分子が形成される。ＩＩＩ−Ｖ族材料分子１２４は、例えば、化学反応：ｎＧａ＋ｎＮ→（ＧａＮ）ｎに従って、各ＩＩＩ族金属滴１２２Ｂの外殻上に単一分子或いは分子のクラスターを含むことが出来る。
図２Ｃを参照すると、ＩＩＩ−Ｖ族分子１２４がＩＩＩ族金属滴１２２Ｂの外殻上に形成された後、ＩＩＩ−Ｖ族分子１２４はＩＩＩ族金属滴１２２Ｂ内の液体ＩＩＩ族金属の中へ拡散し始める。ＩＩＩ族金属滴１２２Ｂの内部の液体を、徐々にＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液（例えば、液体Ｇａ内に溶解したＧａＮ）に転換させ、ＩＩＩ族金属滴１２２ＢはＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃに変化する。
湿潤は、流体物質と固体表面の接触に関する物理的現象である。液体は高い表面張力を有する時、その液体は液滴（ＩＩＩ族金属滴１２２Ａと同様の）を形成するのに対し、低い表面張力を有する液体はより大きな範囲に渡って拡張する。湿潤は界面エネルギーの最小化の結果である。もし流体が基板の表面に従い、その面積に対する厚みの比率が最少であれば、その流体は湿潤流体と見なされる。基板の表面に従わず液滴を形成する流体は非湿潤流体と見なされる。
基板に対する流体の湿潤特性は、その化学的性質に依存する。流体の化学的性質を変化させることによって、その基板に対する湿潤特性を変化させることが可能である。例えば、ガリウムは、一方では、シリコンに対して非湿潤であると考えられ、従ってシリコン基板上で滴を形成する。しかし、ある濃度を有するＧａＮ／Ｇａ溶液は、シリコン基板に対して湿潤であると考えられる。
図２Ｄを参照すると、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族の相対濃度がＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃにおいて増加するにつれて、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃの表面張力は減少する。ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液は基板１０２に対して湿潤であると考えられ、溶液滴１２２Ｃは最終的に拡張し、基板１０２の全表面を均一に被覆する均一な湿潤層１２２Ｄになる。ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃが湿潤層１２２Ｄになると、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃの面積に対する厚みの比率は１０倍減少する。液滴のサイズが、湿潤層が形成される速度を決定する。もし液滴が比較的小さければ、液滴は、拡張するために必要な濃度に短時間で到達する。もし液滴が比較的大きければ、液滴は、拡張するために必要な濃度により長い時間をかけて到達する。大滴と小滴の両方の組み合わせを基板１０２上に形成した場合、活性窒素１１８Ａ、又はＶ族蒸気１１８Ｂを伴う活性窒素１１８Ａが最初に導入されると、ほぼ瞬時に小滴が拡張するのに対して、大滴は拡張しないままである。活性Ｖ族物質に更に露出することによって、小滴によって形成された湿潤層が凝固し始め、最終的にアモルファス層に変化するのに対して、大滴はようやく拡張し始める。既存のアモルファス層上に拡張した大滴は、最終的に望ましくない結果である。従って、溶液滴１２２Ｃのサイズが実質的に均一であることが重要である。特に、溶液滴１２２Ｃの直径の差異は、２の倍数を超えてはならない。これは、基板１０２の種類、ＩＩＩ族金属族蒸気源１０４及び基板１０２の温度、及び真空圧力の適切な選択によって達成される。図１のシステム１００が、基板１０２上に形成された湿潤層の厚さを計測するためのメータ（図示せず）を更に含んでもよいことに留意すべきである。
図２Ｅを参照すると、プラズマ源１０８（図１）は、湿潤層１２２Ｄの方へ活性窒素１１８Ａを向かわせ続ける（又はＶ族蒸気源１０５が他のＶ族蒸気１１８Ｂを向かわせ続ける）。活性窒素１１８Ａ又は他のＶ族蒸気１１８Ｂは、湿潤層１２２Ｄの表面上のＩＩＩ族金属原子と反応し、新たなＩＩＩ−Ｖ族分子を（例えば、化学反応：Ｇａ＋Ｎ→ＧａＮに従って）形成する。ＩＩＩ−Ｖ族材料分子は、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液のバルク内に拡散し、その粘性のレベルを高める。この反応は、より多くのＩＩＩ族金属原子を徐々に使い果たしていき、より多くのＩＩＩ−Ｖ族分子を生成し、溶液の粘性を更に増加する。十分に持続した後、全ＩＩＩ族金属を使い尽くし、湿潤層１２２Ｄは、アモルファス層１２２Ｅである固体のような形を有する高粘性膜に変化する。
アモルファス層１２２Ｅを形成する前に、より多くのＩＩＩ族金属を追加することによって湿潤層１２２Ｄを肉厚化してもよい。肉厚化段階において且つ反応段階（ＩＩＩ−Ｖ族材料を形成するための活性Ｖ族物質のＩＩＩ族金属との反応）前に湿潤層１２２Ｄをドープし、ドーパントを含むアモルファス層を生じてもよい。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族材料にドープするためにｐ型マグネシウムを使用してもよい。
アモルファスＩＩＩ−Ｖ族層の上部に追加の層を形成してもよく、先に形成されたアモルファス層は、後続の層の基板として働く。例えば、薄いアモルファス層を連続して繰り返し形成し、それによってより厚いアモルファス層を生成してもよい。この薄層は、異なる材料、例えば、異なるＩＩＩ族金属窒化物（例えば、ＡｌＮ−ＧａＮ−ＩｎＮ、又はそれらの混合物等）を互い違いにしてもよい。或いは、ＩＩＩ−Ｖ族結晶の結晶層をアモルファス層上で成長させてもよい。アモルファス層は様々な結晶相の熱変形に対する優れたバッファであることに注意する。
異なるＩＩＩ−Ｖ族材料の隣接するアモルファス層をアニールすることによって、窒化ガリウムと窒化アルミニウムの両方を含む（即ち、化学式ＡｌｘＧａｙＮを有する）層等のＩＩＩ−Ｖ族材料の合金を形成してもよい。交互になる層が量子井戸を生成可能である一方、様々なアニーリング／冷却方式によって量子ドット及び微結晶を生成可能であることに留意すべきである。その方式は、本文において後に図６Ａ及び６Ｂを参照してより詳細に記述する。
約０．５ミクロンよりも大きな厚みを有する（即ち、単層の）アモルファス窒化ガリウム層が本開示技術に従って製造可能なことが実験的に判明した。ＧａＮを形成する場合、活性窒素の濃度は、飽和を超えた点に達しなければならないことに留意すべきである。更に、活性窒素は、十分に長い時間作用させられなければならない。実験の手順中に、１２０秒の時間でアモルファスＧａＮが形成された一方、９０秒又は７５秒のより短い時間では湿潤層の上部（即ち、冷却によって結晶を成長させる場所）にＧａＮ結晶層が形成されたことが判明した。もし不飽和溶液が冷却可能ならば結晶化が起こる可能性がある。もし厚い湿潤層の表面上に高いＧａＮ濃度勾配があり、拡散速度がこの勾配を下げることが出来ない程に高ければ、活性窒素に更に露出している間に、厚い湿潤層の表面に結晶が生じる可能性がある。
本開示技術の他の実施形態に従えば、ＩＩＩ族金属蒸気及び活性Ｖ族物質を基板の活性表面に導入する前に、基板を室温と異なる温度にしてもよい。この場合、基板１０２にはヒータ１０６（図１において点線で示す）が結合される。ヒータ１０６は、ＩＩＩ族金属蒸気１１６及びＶ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂの導入前に、基板１０２を室温より高温（例えば、約６５０℃）に加熱する。基板を室温と約６５０℃との間の範囲の様々な温度に加熱した時、本開示技術に従ってアモルファス窒化ガリウム層が製造可能であることが実験的に判明した。更に、基板を室温と約３５０℃との間の範囲の様々な温度に加熱した時、本開示技術に従ってアモルファスヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）層が製造可能であることが実験的に判明した。更に、もしＩＩＩ族金属としてインジウムを使用すれば、必要な温度は６５０℃より若干低い一方、もしアルミニウムを使用すれば、必要な温度は６５０℃より若干高いことに留意すべきである。
本開示技術の更なる実施形態では、ＩＩＩ族金属原子と反応する更なる活性Ｖ族物質を導入することによってではなく、溶液中に残存するＩＩＩ族金属原子が蒸発するように、窒化後により長い時間湿潤層を連続して加熱することによって、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族層が形成される。
これから図３を参照するが、図３は、本開示技術の更なる実施形態に従って実施される、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料形成の方法の概略図である。手順１５２では、基板に０．０１Ｐａと同程度の周囲圧力を印加するが、この圧力では、真空室に存在する酸素は、酸化層を形成するのに必要な酸素よりも少ない。図１を参照すると、真空室１１２内に基板１０２を設置する。真空ポンプ１１４を使用して真空室１１２内のガスを排出することによって、真空室１１２内の圧力を０．０１Ｐａと同程度の圧力にする。
手順１５４では、存在するかもしれないあらゆる汚染物質を基板から除去するために、基板に前処理を施す。手順１５４は任意であること、及び図３に描写されている方法は手順１５２から手順１５６へ直接進んでもよいことに留意すべきである。図１を参照すると、基板１０２に、存在し得る汚染物質を処理するために前処理を施す。汚染物質の除去は、加熱、又は他の手段によって行ってもよい。
手順１５６では、基板を約６５０℃よりも低温にする。窒素を使用する場合（例えば、アモルファスＧａＮを形成するために）、基板を約６５０℃よりも低い温度（例えば、２５℃と６５０℃との間）にする。ヒ素を使用する場合（アモルファスＧａＡｓを形成するために）、基板を室温と３５０℃との間の範囲の温度にする。リンを使用する場合（例えば、アモルファスＧａＰを形成するために）、基板を室温と約３００℃との間の範囲の温度にする。図１を参照すると、ヒータ１０６は基板１０２を室温よりも高温に加熱する。手順１５６は任意であり、図３に描写された方法は、手順１５２又は１５４から手順１５８へ直接進んでもよいことに注意する。従って、基板は、室温に保つか、或いは異なる温度にすることが出来る。
手順１５８では、基板表面にＩＩＩ族金属滴が生じるまで、少なくとも０．０１Ｐａのベース圧力で、基板表面にＩＩＩ族金属蒸気を導入する。これより高い圧力は酸素及び他のガスを含み、望ましくないので、この圧力がＩＩＩ族金属形成に適している。図１及び２Ａを参照すると、ＩＩＩ族金属蒸気源１０４は、ＩＩＩ族金属溶液滴１２２Ａが基板１０２上に形成されるまで、ＩＩＩ族金属蒸気１１６を基板１０２の活性表面の方に放射する。真空ポンプ１１４を使用して少なくとも０．０１Ｐａの真空室１１２内の圧力を印加する。それより高い圧力が採用されてもよいが（即ち、希ガス又は純窒素を追加することによって）、ＩＩＩ族金属蒸気は少なくとも０．０１Ｐａのベース圧力で導入することを提案する。
手順１６０では、ＩＩＩ−Ｖ族分子がＩＩＩ族金属滴上に生じるまで、約０．０５Ｐａと約２．５Ｐａとの間の範囲から選択された準大気圧で、基板表面に活性Ｖ族物質を導入する。この準大気圧を「動作圧力」とも呼ぶ。Ｖ族蒸気又は窒素プラズマをＩＩＩ族金属滴に導入し、活性Ｖ族物質はＩＩＩ族金属滴の外殻上でＩＩＩ族金属原子と反応し、それによってＩＩＩ族金属滴上にＩＩＩ−Ｖ族材料分子が形成される。ＩＩＩ族金属蒸気１１６は手順１６０中放射され続けてもよいことに留意すべきである。図１及び２Ｂを参照すると、ガス供給源１１０が、純窒素１２０をプラズマ発生器１０７に向かわせる。プラズマ発生器１０７は純窒素１２０を燃焼して活性窒素１１８Ａ（例えば、Ｎ又はＮ＋）にする。プラズマ源１０８は活性窒素１１８Ａを基板１０２の活性表面へと向かわせる。或いは又は加えて、Ｖ族蒸気源１０５が、窒素以外のＶ族蒸気１１８Ｂを基板１０２の活性表面に向かわせる。活性窒素１１８Ａ又はＶ族蒸気１１８Ｂの原子は、ＩＩＩ族金属滴１２２Ｂの外殻上でＩＩＩ族金属原子と反応し、ＩＩＩ族金属滴１２２Ｂ上にＩＩＩ−Ｖ族分子１２４が形成される。
手順１６２では、ＩＩＩ−Ｖ族分子がＩＩＩ族金属滴内に拡散し、ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴が形成されるまで、且つＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴が基板上で湿潤層に変化するまで、基板周囲の動作圧力及び基板に向かう活性Ｖ族物質流を維持する。ＩＩＩ族金属蒸気１１６は、手順１６２中放射され続けてもよいことに留意すべきである。図１、２Ｃ及び２Ｄを参照すると、ＩＩＩ−Ｖ族分子１２４がＩＩＩ族金属滴１２２Ｂ内の液体ＩＩＩ族金属に拡散し始め、最終的にＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃが形成されるまで、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂを基板１０２の活性表面に向かわせ続ける。動作圧力をプラズマ源１０８内で維持する。ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃの表面張力が減少するまで、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂを維持する。ＩＩＩ−Ｖ族／ＩＩＩ族溶液滴１２２Ｃは、均一な湿潤層１２２Ｄへと変化し、基板１０２の全活性表面を被覆する。
手順１６４では、ＩＩＩ族金属を全て使い尽くすし、湿潤層がアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層に変化するまで、湿潤層におけるＩＩＩ−Ｖ族材料の濃度を増加し続ける。基板に向かう活性Ｖ族物質流を維持し、活性Ｖ族物質を湿潤層の表面上でＩＩＩ族金属原子と反応させることによって、湿潤層におけるＩＩＩ−Ｖ族材料の濃度を増加させてもよい。或いは、基板を加熱して残存するＩＩＩ族金属原子を蒸発することによって、ＩＩＩ−Ｖ族材料の濃度の増加を達成してもよい。手順１６４中ＩＩＩ族金属蒸気１１６を放射し続けてもよいことに留意すべきである。図１及び２Ｅを参照すると、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂを湿潤層１２２Ｄに向かわせ続ける。湿潤層１２２Ｄの表面上のＩＩＩ族金属原子が活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂと反応し、溶液のバルク内に拡散する新たなＩＩＩ−Ｖ族材料分子を形成し、その粘性のレベルを高める。最終的に、ＩＩＩ族金属を全て使い尽くし、湿潤層１２２Ｄはアモルファス層１２２Ｅへと変化する。或いは、湿潤層１２２Ｄ内に残存する全ＩＩＩ族金属原子が蒸発し、湿潤層１２２Ｄがアモルファス層１２２Ｅに変化するまで、活性Ｖ族物質を向かわせた後基板１０２を加熱し続ける。
手順１６６では、手順１５６、１５８、１６０、１６２及び１６４を無制限に繰り返し、形成されたアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を、更なる層が形成される基板として使用する。例えば、薄いアモルファス層を連続して繰り返し形成し、より厚いアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を生成する。或いは、ＩＩＩ−Ｖ族材料結晶層をアモルファス層上に成長させてもよい。更に或いは、隣接するアモルファス層をアニールすることによって、ＩＩＩ−Ｖ族材料合金を形成してもよい。
これから図４Ａ及び４Ｂを参照する。図４Ａは、本開示技術の更なる実施形態に従う、活性Ｖ族物質が基板に導入される段階での、図１のシステムの基板の概略図である。図４Ｂは、固体ＩＩＩ−Ｖ族材料アモルファス層が基板上に形成される、更なる段階での図４Ａの基板の概略図である。
図４Ａを参照すると、基板１０２（図１）を真空室１１２内に設置する。真空ポンプ１１４を使用して真空室１１２内のガスを排出することによって、真空室１１２内の圧力を０．０１Ｐａと同程度の圧力にする。プラズマ源１０８（図１及び１Ａ）又はＶ族蒸気源１０５（図１及び１Ｂ）は、約０．０５Ｐａと約２．５Ｐａとの間の範囲から選択された準大気圧で、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂを基板１０２の活性表面に向かわせる。この準大気圧を「動作圧力」とも呼ばれる。活性窒素を使用して、存在し得る汚染物質を基板１０２の活性表面から除去してその活性表面を窒化してもよい。或いは、十分な高温（例えば、８５０℃）に基板を加熱する等、他の方法で基板１０２の活性表面を掃除してもよい。
図４Ｂを参照すると、ＩＩＩ族金属蒸気１１６及び活性Ｖ族物質（１１８Ａ又は１１８Ｂ）を基板１０２に同時に導入する。ＩＩＩ族金属蒸気源１０４（図１）は基板１０２の活性表面に向かってＩＩＩ族金属蒸気１１６を放射する。ガリウムを使用する場合、基板１０２の活性表面に到着するガリウム蒸気を約１０００℃の温度で発生させる。真空ポンプ１１４を使用して、真空室１１２内のベース圧力を少なくとも０．０１Ｐａにする。活性Ｖ族物質（１１８Ａ又は１１８Ｂ）がＩＩＩ族金属蒸気１１６のＩＩＩ族金属原子と反応し、ＩＩＩ−Ｖ族分子が形成される。ガリウム及び窒素を使用する場合、化学反応はＧａ＋Ｎ→ＧａＮである。このようにして、基板１０２の活性表面上には固体アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０が形成される。現在記述しているＩＩＩ−Ｖ族材料アモルファス層を形成する方法は、「反応性蒸着」と呼んでもよい。
本開示技術の現在記述している実施形態は、基板１０２を（例えば、図１のヒータ１０６を使用することによって）異なる温度にしながら実行してもよいことに留意すべきである。ＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０が形成された後、基板１０２及びＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０を冷却させ、室温にする。
ＩＩＩ−Ｖ族層１８０は異なる内部組織（ｔｅｘｔｕｒｅ）を示してもよく、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族層１８０はアモルファス（”Ａ”）であってもよく、或いは、ＩＩＩ−Ｖ族層１８０はアモルファス−ナノ結晶子（ＡＮＣ、即ち、均一又は異なるサイズのＩＩＩ−Ｖ族ナノ結晶子を有するアモルファス）でもよい。ＩＩＩ−Ｖ族層１８０の内部組織は、他のパラメータの中でも特に、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂ及びＩＩＩ族金属蒸気１１６の導入中、基板１０２の温度に左右される。活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂ及びＩＩＩ族金属蒸気１１６の導入中、基板１０２が室温に保たれると、ＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０はアモルファス層として形成され、実質的に内部に結晶構造を有さない。
しかしながら、活性Ｖ族物質１１８及びＩＩＩ族金属蒸気１１６の導入中、基板１０２が約２００℃と６５０℃との間の温度に加熱され、その後冷却されると、ＩＩＩ−Ｖ族層１８０はアモルファス層であり、内部に埋め込まれたナノ結晶子を有する（即ち、ＡＮＣ層）。ＧａＮを形成する場合、基板１０２を約３００℃の温度に加熱し、ある冷却速度で冷却すると、ＧａＮ層に埋め込まれたナノ結晶子は比較的小さいサイズ（例えば、約３と４ｎｍとの間）になる。もし基板１０２を約５００℃の温度に加熱し、同一の冷却速度で冷却すると、ＧａＮ層内のナノ結晶子は比較的大きなサイズ（例えば、約１０から２０ｎｍ）になる。使用されるＶ族元素が重いほど（例えば、リン又はヒ素）、基板を加熱する温度は低くてよいことに留意すべきである。
埋め込まれたナノ結晶子のサイズは、ＩＩＩ−Ｖ族ＡＮＣ層１８０の厚みにも左右される。ＩＩＩ−Ｖ族ＡＮＣ層１８０の厚みは、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８Ｂ及びＩＩＩ族金属蒸気１１６が基板１０２に向かって導入される時間の長さに左右される。実験の手順中に、１２０秒の時間及び約４００℃の温度で、厚み２５ｎｍを有するアモルファスＧａＮ層が形成されたことが判明した。
もしＩＩＩ−Ｖ族ＡＮＣ層１８０が比較的薄ければ（例えば、４０ｎｍ）、その内部に埋め込まれたナノ結晶子は比較的小さいサイズである。もしＩＩＩ−Ｖ族ＡＮＣ層１８０が比較的厚ければ（例えば、６０ｎｍ）、その内部に埋め込まれたナノ結晶子は比較的大きいサイズである。更に、より薄い層では、ナノ結晶子は、均一のサイズとされるが、より厚い層では、ナノ結晶子のサイズにはもっと多くのばらつきが存在する。従って、活性Ｖ族物質及びＩＩＩ族金属蒸気の導入中の基板の温度、その導入時間、及びアモルファス層の冷却速度を制御することによって、形成されたＩＩＩ−Ｖ族ＡＮＣ層に埋め込まれたナノ結晶子の密度、サイズ及び組成を調整することが出来る。
ＩＩＩ−Ｖ族アモルファス層には、基板の活性表面に向かってＩＩＩ族金属蒸気と共に所望のドーパントを導入することによって、いずれの所望のドーパントをドープしてもよいことに留意すべきである。このようにして、導入されたドーパントの分子がＩＩＩ−Ｖ族アモルファス層に埋め込まれる。アモルファス層におけるドーパントの濃度は、導入されたドーパントの量によって決まる。
これから図５を参照するが、図５は、本開示技術の更なる実施形態に従って実施される、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料形成の方法の概略図である。手順１９０では、基板に０．０１Ｐａと同程度の周囲圧力を印加する。図１を参照すると、真空室１１２内に基板１０２が配置される。真空ポンプ１１４を使用して真空室１１２内のガスを排出することによって、真空室１１２内の圧力を０．０１Ｐａと同程度の圧力にする。
手順１９２では、存在する可能性のあるあらゆる汚染物質を基板から除去するために、基板に前処理を施す。手順１９２は任意であること、及び図５に描写された方法は手順１９０から手順１９４又は１９６へ直接進んでもよいことに留意すべきである。図４Ａを参照すると、活性Ｖ族蒸気１１８Ａ又は１１８Ｂは、存在し得る汚染物質を基板１０２の活性表面から除去（及び、活性窒素１１８Ａの場合、窒化）する。或いは、基板１０２の活性表面は、基板を十分な高温（例えば、８５０℃）に加熱する等、他の方法で掃除してもよい。
手順１９４では、基板を約６５０℃より低温（例えば、２５℃と６５０℃との間）にする。図４Ｂを参照すると、本開示技術の現在記述している実施形態は、基板１０２を（例えば、図１のヒータ１０６を使用することによって）異なる温度にしながら行ってもよい。窒素を使用する場合（例えば、アモルファスＧａＮを形成するために）、基板を約６５０℃より低温（例えば、２５℃と６５０℃との間）にしてもよい。ヒ素を使用する場合（例えば、アモルファスＧａＡｓを形成するために）、基板を室温と約３５０℃との間の範囲の温度にしてもよい。リンを使用する場合（例えば、アモルファスＧａＰを形成するために）、基板を室温と約３００℃との間の範囲の温度にしてもよい。手順１９４は任意であること、及び図５に描写された方法は手順１９０又は１９２から手順１９６へ直接進んでもよいことに留意すべきである。このように、基板は、室温のままでも、異なる温度にされてもよい。
手順１９６では、約０．０５Ｐａと約２．５Ｐａとの間の範囲から選択された準大気圧で基板表面に活性Ｖ族物質を導入し、且つ基板表面にＩＩＩ族金属蒸気を導入する。活性Ｖ族物質の準大気圧を「動作圧力」とも呼ぶ。アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層が基板に形成されるまで手順１９６を行う。図４Ｂを参照すると、活性Ｖ族物質１１８Ａ又は１１８ＢがＩＩＩ族金属蒸気１１６のＩＩＩ族金属原子と反応し、基板１０２の活性表面上に固体アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０が形成される。
手順１９８では、基板及びアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を室温に冷却する。図４Ｂを参照すると、ＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０が形成された後、基板１０２及びＩＩＩ−Ｖ族材料層１８０を冷却し、室温にする。
手順２００では、手順１９６及び１９８を何度も繰り返すが、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族層を、追加の層が形成される基板として使用する。例えば、アモルファス層を連続して繰り返し形成し、より厚いアモルファスＩＩＩ−Ｖ族層を生成する。或いは、アモルファス層上にＩＩＩ−Ｖ族材料結晶層を成長させてもよい。更に或いは、各層が、アモルファス、部分的結晶質、及び様々な結晶子の密度、サイズ及び結晶子構造の組成を有する等、異なる内部組織を有してもよい。手順２００は任意であり、図５に描写された方法は、手順１９８を一度行い、アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を１層だけ形成した後、終了してもよいことに留意すべきである。
本開示技術の他の実施形態に従うと、順に重なった一連の複数のアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を生成し、量子ドットを提供してもよい。その一連の層の各層は、アモルファス（Ａ）、ＡＮＣ、及び異なる結晶子の密度、結晶子組成、及びその中の結晶子サイズ等、異なる内部組織を有してもよい。一旦基板上に所望のＩＩＩ−Ｖ族材料層を形成したら、その上部に新たな層を形成する前に、室温に冷却する。そのアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層は、更なる層が形成される基板として使用される。層及び基板を冷却した後、基板を所望の温度にし、反応性蒸着によって、新たな所望のＩＩＩ−Ｖ族材料層が形成されるまで、その既に形成された層に再び活性Ｖ族材料及びＩＩＩ族金属蒸気を印加する。層が形成された後に、その層の上部に新たな層を形成するために層を加熱することは、その既に形成された層（又は複数の層）の内部組織に影響を及ぼさないことに留意すべきである。言い換えれば、アニーリングが既に形成された（複数の）層を損傷することはない。
量子ドット電子デバイスは、一層のアモルファス−ナノ結晶子（ＡＮＣ）半導体材料をその各端をアモルファス層でキャップすることによって構成されるが、それらのアモルファス層の各々は、交互に、ｎ型及びｐ型材料でドープされる。これから図６Ａ及び６Ｂを参照する。図６Ａは、本開示技術の更なる実施形態に従って製造された、量子ドット電子デバイスの概略図である。図６Ｂは、本開示技術の他の実施形態に従って製造された、量子ドット電子デバイスの概略図である。
図６Ａでは、量子ドットデバイス２２０は、一端の第１の電極２２２と他端の第２の電極２３４との間に積層された、一連のアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を含む。第１の電極（以下では基板２２２とも呼ぶ）は、上に量子ドットデバイス２２０が形成された基板であり、導電材料、例えば、ステンレス鋼によって構成される。量子ドットデバイス２２０のアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層は、図４Ａ，４Ｂ及び５を参照してここに上述した技術に従って、反応性蒸着によって形成されてもよい。
基板２２２上にｎ型材料をドープしたアモルファスＩＩＩ−Ｖ族層（以下、Ａ−ｎ型層２２４）を形成する。その形成後、Ａ−ｎ型層２２４を室温に冷却する。続いて、Ａ−ｎ型層２２４の上に、第１のアモルファス−ナノ結晶子（ＡＮＣ）ＩＩＩ−Ｖ族層（以下、ＡＮＣ１層２２６）を形成する。次に、ＡＮＣ１層２２６の上に、第２のＡＮＣＩＩＩ−Ｖ族層（以下、ＡＮＣ２層２２８）を形成する。ＡＮＣ２層２２８の上に、第３のＡＮＣＩＩＩ−Ｖ族層（以下、ＡＮＣ３層２３０）を形成する。最後に、ＡＮＣ３層２３０の上に、ｐ型材料をドープしたアモルファスＩＩＩ−Ｖ族層（以下、Ａ−ｐ型層２３２）を形成する。量子ドットデバイス２２０の各アモルファス層は、その上に新たな次のアモルファス層を形成する前に、室温に冷却する。ＡＮＣ層ＡＮＣ１２２４、ＡＮＣ２２２６及びＡＮＣ３２２８の各々は、量子ドットデバイス２２０の所望の機能に従って、異なる結晶子組成及びサイズを示してよい。
第２の電極２３４は、室温に冷却した後、Ａ−ｐ型層２３２に取り付ける。第２の電極２３４は、導電材料、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）によって構成される。ＴｉＮを使用する場合、第２の電極２３４は、チタン蒸気（即ち、上記のＩＩＩ族金属蒸気に代わりに）及び活性窒素を真空室に導入することによって、反応性蒸着によって形成してもよい。本記述では、量子ドットデバイス２２０はＡＮＣ層を３層しか含んでいないが、量子ドットデバイスの設計及び任意の要件に従って、ＡＮＣ層を何層含んでもよいことに留意すべきである。例えば、量子ドットデバイスの設計者がより厚いデバイスを得たいならば、第１の電極２２２と第２の電極２３４との間に３層よりも多くのＡＮＣ層を形成してもよい。或いは、所望の厚みが得られるまで、ある特定の連続のＡＮＣ層を順に重ねて繰り返し形成（即ち、積層）してもよい。
量子ドットデバイス２２０は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）として採用されてもよい。第１の電極２２２と第２の電極２３４との間に電流を流すと、このようなＬＥＤは、ＡＮＣ層ＡＮＣ１２２４、ＡＮＣ２２２６及びＡＮＣ３２２８を形成する材料のバンドギャップに等しい波長の光を発する。ＡＮＣ層のバンドギャップエネルギー（即ち、このようなダイオードから発せられる光の波長）は、各ＡＮＣ層の化学組成、及び量子ドットのサイズを決定するナノ結晶子のサイズによって決まることに留意すべきである。ＡＮＣ層毎に様々な結晶組成及び量子ドットサイズを採用する場合、例えば広範囲なスペクトルの光を生じるＬＥＤ、例えば白色ＬＥＤや、特定の目的に合わせて選択された所望の波長（例えば、医療措置中に露光された組織が反応する特定の波長）を生じるＬＥＤ等から、様々な波長が発せられる可能性がある。アモルファスＧａＮは一般的に透明で（即ち、比較的低い吸収係数を有する）、内側のＡＮＣ層から発せられた光子を、他のＧａＮ層に吸収させることなく、他層を通過させＬＥＤから出射させるので、ＧａＮはＬＥＤに好ましい。
或いは、量子ドットデバイス２２０は、光起電（ＰＶ）セルとして採用してもよい。もしＰＶセルのｐ−ｉ−ｎ接合の各端に電極を接合し、量子ドットデバイス２２０に対して光を照射すれば、電極は帯電する。量子ドットデバイス２２０が外部回路に接続されると、第１の電極２２２と第２の電極２３４との間に電流が発生する。もしＡＮＣ層の各々を異なる波長の光を吸収するように設計すれば、量子ドットデバイス２２０は、太陽光の広範囲なスペクトルの光の様々な波長の光子を吸収して電流に変換する太陽電池として採用可能である。量子ドットＬＥＤ及び量子ドットＰＶセルは、互いを接続する、適合性のある（例えば、ＧａＮ）アモルファスが優勢の（ｓｕｐｅｒｉｏｒｌｙ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）導波層を含む上意下達型（Ｈｅａｄ−ｔａｉｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）デバイスとして採用してもよい。その量子ドットＬＥＤは光子源として機能し、光信号を発生させる。その光信号は、量子ドットＰＶセルに到達するまで、アモルファス優勢層（即ち、導波層）に沿って伝達される。その量子ドットＰＶセルは、光信号を電子信号に変換することによって光信号をデコードしてもよい。量子ドットＬＥＤ及び量子ドットＰＶセルの構造はほぼ同様なので、互いの機能は導波路の端部で交換可能であることに留意すべきである。導波アモルファス層は、実質的に一次元形状、例えば、長く薄い構造である。
図６Ｂでは、量子ドットデバイス２４０は、一端の第１の電極２４２と他端の第２の電極２５８との間に積層された、一連のアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を含む。第１の電極２４２は、上に量子ドットデバイス２４０が形成された基板であり、導電材料、例えば、ステンレス鋼によって構成される。量子ドットデバイス２４０のアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層は、図４Ａ及び４Ｂを参照してここに上述した技術に従って、反応性蒸着によって形成されてもよい。
第１の電極２４２上にＡ−ｎ型層２４４を形成する。続いて、Ａ−ｎ型層２４４上部に、第１のＡＮＣＩＩＩ−Ｖ族層（以下、ＡＮＣ１層２４６）を形成する。次に、ＡＮＣ１層２４６の上に、アモルファス優勢層（以下、“Ａ”層２４８）を形成する。次に、“Ａ”層２４８の上に第２のＡＮＣ層（以下、ＡＮＣ２層２５０）を形成する。続いて、ＡＮＣ２層２５０の上に第２の“Ａ”層２５２を形成する。“Ａ”層２５２の上に第３のＡＮＣＩＩＩ−Ｖ族層（以下、ＡＮＣ３層２５４）を形成する。最後に、ＡＮＣ３層２５４の上にＡ−ｐ型層２５６を形成する。量子ドットデバイス２４０の各アモルファス層は、その上に新たな次のアモルファス層を形成する前に、室温に冷却する。ＡＮＣ層ＡＮＣ１２４６、ＡＮＣ２２５０及びＡＮＣ３２５４の各々は、量子ドットデバイス２４０の所望の機能に従って、異なる組成及び結晶子サイズを示してよい。第２の電極２５８は、室温に冷却した後、Ａ−ｐ型層２５６に取り付ける。第２の電極２５８は、導電材料、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）によって構成される。
効率的な量子ドットデバイスを得るために、“Ａ”層２４８及び２５２は、比較的高いバンドギャップエネルギー値（Ｅｇ）を有するＧａＮ又はＡｌＧａＮによって構成してもよく、一方ＡＮＣ層ＡＮＣ１２４６、ＡＮＣ２２５０及びＡＮＣ３２５４は、比較的低いバンドギャップエネルギー値（Ｅｇ）を有するＩｎＮ又はＩｎＧａＮから構成してもよい。このように、“Ａ”層２４８及び２５２は、ＡＮＣ層ＡＮＣ１２４６、ＡＮＣ２２５０及びＡＮＣ３２５４にある電子に対し効率的なエネルギー障壁となる。量子ドットデバイス２４０は、図６Ａの量子ドットデバイス２４０を参照して上記で詳細に説明したような、ＬＥＤ、光起電セル（例えば、太陽電池）、光導体、又は導波路として採用してもよい。図６Ｂに描写した量子ドット構造は、カラーモニタのためのようなマルチＬＥＤデバイスとして採用されてもよいことに留意すべきである。例えば、ＡＮＣ層ＡＮＣ１２４６は青色の量子ドット層でもよく、ＡＮＣ層ＡＮＣ２２５０は緑色の量子ドット層でもよく、且つＡＮＣ層ＡＮＣ３２５４は赤色の量子ドット層でもよい。適切な“Ａ”層に対して垂直接続（「ビア接続」とも呼ばれる）を行い、各ＡＮＣ層にその各色に従って電位を印加する（即ち、青色＞緑色＞赤色）ことによって、単色のマイクロＬＥＤが提供される。もし変化していない赤色の量子ドット層（即ち、ＡＮＣ層ＡＮＣ３２５４）に青色の量子ドット層の電位を提供すれば白色光が発せられる。
光伝導とは、電磁放射を吸収した結果としての物質の伝導性の変化である。アモルファスＧａＮ膜は比較的低い吸収係数及び高い光伝導性を有することが、Ｋｏｏ等によって示されている（”Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ＧａＮ ａｎｄ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＧａＯＮ“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，第９９巻、３版、０３４３１２−０３４３１２−７頁；２００６年）。一方、多結晶膜は高い吸収係数及び低い光伝導性を有する。従って、アモルファス層と多結晶層を交互に積層することによって（図６Ｂを参照して記述したように）、高い光変換及び高い光伝導性を有する光学構造体を生成可能である。また、このような光学構造は透明であり（低い吸収係数を有し）、それによって、この光学構造体を通過して光子を伝達可能である。このような属性は、光起電セル等の光電デバイスにとって望ましい。
本開示技術が、以上に具体的に示して記述したものに限らないことは、当業者に理解されるだろう。より正確には、本開示技術の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ画定される。

Claims (21)

  1. 基板に接着させたＩＩＩ−Ｖ族アモルファス材料を形成するための反応性蒸着方法であって、当該方法は、
    前記基板に０．０１Ｐａと同程度の周囲圧力を印加する手順、及び
    前記基板上にアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層が形成されるまで、０．０５Ｐａと２．５Ｐａとの間の動作圧力で前記基板の表面に活性Ｖ族物質を導入し、且つ、ＩＩＩ族金属蒸気を導入する手順、を備える方法。
  2. 前記導入する手順が、
    前記基板の表面上に複数のＩＩＩ族金属滴が形成されるまで、ＩＩＩ族金属蒸気を前記基板の表面に導入する副手順、
    前記ＩＩＩ族金属滴上にＩＩＩ−Ｖ族材料分子が生じるまで、前記動作圧力で前記表面に活性Ｖ族物質を導入する副手順、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族材料分子が前記ＩＩＩ族金属滴内に拡散し、ＩＩＩ−Ｖ族／金属溶液滴が形成されるまで、且つ前記ＩＩＩ−Ｖ族／金属溶液滴が前記基板上で湿潤層に変化するまで、前記動作圧力及び前記活性Ｖ族物質の供給を維持する副手順、及び
    前記湿潤層に含まれるＩＩＩ族金属原子が全て使い尽くされ、前記湿潤層がアモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層に変化するまで、前記湿潤層におけるＩＩＩ−Ｖ族材料分子の濃度を増加し続ける副手順、を備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記湿潤層におけるＩＩＩ−Ｖ族材料分子の濃度を増加し続ける前記手順が、前記湿潤層に含まれるＩＩＩ族金属原子が全て使い尽くされるまで前記活性Ｖ族物質を維持することによって達成される、請求項２に記載の方法。
  4. 前記湿潤層におけるＩＩＩ−Ｖ族材料分子の濃度を増加し続ける前記手順が、前記湿潤層に残存するＩＩＩ族金属原子が全て蒸発するまで前記湿潤層を加熱することによって達成される、請求項２に記載の方法。
  5. 前記ＩＩＩ族金属は、アルミニウム、ガリウム、及びインジウムから成るリストから選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記Ｖ族物質は、窒素、ヒ素及びリンから成るリストから選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記導入する手順の前に、前記基板から汚染物質を除去するために前記基板に前処理を施す手順を更に備える、請求項１に記載の方法。
  8. 前記基板に前処理を施す前記手順は、前記基板の前記表面に活性窒素を導入することによって達成される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記基板に前処理を施す前記手順は、前記基板を約８５０℃の温度に加熱することによって達成される、請求項７に記載の方法。
  10. 前記導入する手順の前に、前記基板を約６５０℃よりも低温にする手順、及び
    前記導入する手順に続いて、前記基板及び前記アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を室温に冷却させる手順、を更に備え、
    前記アモルファスＩＩＩ−Ｖ族層は、アモルファス−ナノ結晶子（ＡＮＣ）層であり、内部にナノ結晶子が埋め込まれ、且つ
    前記温度は、約２００℃の低い方の温度から約６５０℃の高い方の温度までの範囲に設定され、前記アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層が、前記低い方の温度から冷却後に内部に埋め込まれた比較的小さいナノ結晶子から、前記高い方の温度から冷却後に内部に埋め込まれる比較的大きなナノ結晶子に及ぶようにした、請求項１に記載の方法。
  11. 前記湿潤層におけるＩＩＩ−Ｖ族材料分子の濃度を増加し続ける前記手順の前に、前記湿潤層にドーパントを添加する、請求項２に記載の方法。
  12. 前記アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層を基板として使用して、前記アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層上に追加の層を形成する手順を更に備える、請求項１に記載の方法。
  13. 前記追加の層は、
    アモルファス優勢層、
    アモルファス−ナノ結晶（ＡＮＣ）層、
    ｎ型材料をドープしたアモルファス層、
    ｐ型材料をドープしたアモルファス層、及び
    結晶層
    から成るリストから選択された少なくとも１層を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記基板は、
    シリコン、
    ガラス、
    第一鉄金属、
    ステンレス鋼、
    グラファイト、及び
    ポリマー
    から成るリストから選択される、請求項１に記載の方法。
  15. 前記導入する手順が、前記基板にドーパントを導入することを更に備え、そこでは前記アモルファスＩＩＩ−Ｖ族材料層に前記ドーパントをドープする、請求項１に記載の方法。
  16. 量子ドットｐ−ｉ−ｎ接合を製造する方法であって、当該方法は、
    ｎ型材料をドープしたＩＩＩ−Ｖ族材料から構成されるＡ−ｎ型層を反応性蒸着によって形成し、前記Ａ−ｎ型層を室温に冷却する手順、
    前記ＩＩＩ−Ｖ族材料を含む少なくとも１つのアモルファス−ナノ結晶（ＡＮＣ）層を反応性蒸着によって前記Ａ−ｎ型層の上に形成し、前記少なくとも１つのＡＮＣ層を室温に冷却する手順、
    ｐ型材料をドープした前記ＩＩＩ−Ｖ族材料から構成されるＡ−ｐ型層を反応性蒸着によって前記少なくとも１つのＡＮＣ層上に形成し、前記Ａ−ｎ型層を室温に冷却する手順、を備える方法。
  17. 前記Ａ−ｎ型層に第１の電極を取り付ける手順、
    前記Ａ−ｐ型層に第２の電極を取り付ける手順、を更に備え、
    前記第１の電極及び第２の電極は伝導材料から構成され、且つ
    前記量子ドットｐ−ｉ−ｎ接合及び第１及び第２電極が量子ドット電子デバイスになる、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記第１の電極及び前記第２の電極が反応性蒸着によって形成される、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記第１の電極及び前記第２の電極が窒化チタン及びステンレス鋼から成るリストから選択された材料から構成される、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記少なくとも１つのＡＮＣ層は、反応性蒸着によって交互に形成された一連のアモルファス層及びＡＮＣ層を含む、請求項１６に記載の方法。
  21. 前記少なくとも１つのＡＮＣ層は、
    ＧａＮ、
    ＡｌＧａＮ、
    ＡｌＩｎＮ、
    ＩｎＮ、
    ＩｎＧａＮ、
    ＧａＡｓ、
    ＧａＰ、
    ＩｎＰ、
    ＩｎＧａＡｓ、
    ＡｌＧａＡｓ、及び
    ＩｎＧａＰ、から成るリストから選択された材料から構成される、請求項１６に記載の方法。
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