JP2014529877A - 量子ドット半導体材料の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

量子ドット材料の製造装置および製造方法を開示する。製造装置（１０）は、既存のエピタキシー装置（１１０）だけではなく、干渉パターンを生成する光学装置（１２０）をさらに備えている。これにより、エピタキシャル成長中において、基板（２００）のエピタキシャル層に干渉パターンが適用される。干渉パターンの光線により、規則的に分布した温度場がエピタキシャル層に形成され、このエピタキシャル層において、相対的に高温のドット位置では原子凝集現象が生じるが、相対的に低温の領域では、原子が凝集しないようになる。従って、エピタキシャル層の表面上の温度分布により、量子ドットの生成位置を、無欠陥に手動制御することができ、無欠陥の長範囲規則量子ドットの製造が実現される。

Description

本発明は、低次元半導体材料の製造に関し、より具体的には、量子ドット半導体材料の製造装置及び製造方法に関する。

低次元量子ドット半導体ナノ材料は、その特有の電子構造と状態密度により優れた光電子特性を有しており、ナノ電子、光電子、生命科学、及び量子計算といった様々な分野で幅広く用いられている。また理論的には、量子ドットレーザは量子井戸レーザより優れた性能を有することが示されており、例えば高いゲイン、低い閾値電流、高い量子効率及び良好な熱安定性を備えることが示されている。さらに量子ドットでは、その電子トンネル効果を用いることで、量子ドットに出入りする電子数を単一電子で精密に制御することができる。従って、単一電子トランジスタの製造が可能となる。また量子ドットは、固体量子計算、垂直入射光の光子検出器などにも適用できる可能性がある。

Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ（Ｓ−Ｋ）自己組織化成長は、量子ドット材料の製造方法であり、世界中の科学者により研究され応用の価値がある。Ｓ−Ｋ自己組織化成長の基本原理は、次の通りになる。基板とは異なる格子定数を持つ半導体材料の、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）などのエピタキシャル成長過程において、成長方向における格子定数は基板とは異なるため、それによって格子応力が生じる。それがある程度まで蓄積すると、格子応力を解放するために、表面の原子が移動してクラスターを形成することがあり、及び／又は、ミスフィット転位が発生することがある。表面の原子が移動し、及び凝集する場合、原子クラスターが成長して成長対象のエピタキシャル材料に埋もれて、量子ドットを形成する。格子応力の解放のために形成された初期原子クラスターは量子ドットの種子であり、量子ドットはこの種子から形成される。この種子は統計熱力学的ゆらぎにより形成され、この種子の位置及び寸法、並びに種子の形成速度は完全にランダムである。これが、いわゆる量子ドットのＳ−Ｋ動的ランダム成長機構である。

図１（Ａ）に示すように、デバイスに現在用いられているこの量子ドットはいずれも、Ｓ−Ｋ自己組織化エピタキシャル成長（動的ランダム成長）により無秩序に成長している。このような方法により得た量子ドットには欠陥がなく、デバイスの製造に応用できる。また、この量子ドット材料の性能が類似デバイスに用いられる他の材料より確実に優れていることも既に証明済みである。しかしながら、量子ドットの寸法及び分布といった一部の主要パラメータがランダムであり、制御ができない。よって、生産の再現性に難点があり、産業化が難しい。さらに、この方法によって得た量子ドットは、量子情報デバイスの製造に用いることができない。また製造したデバイスの中に機能するデバイスがいくつか存在したとしても、それらの性能は互いに著しく異なる。また不規則量子ドットは、利得スペクトルが幅広いために、この量子ドットを用いた高出力レーザの製造は容易ではない。図１（Ｂ）に示す短範囲規則量子ドットは、エッチングガスを基板に噴射し微小孔をエッチングし、この微小孔にて量子ドットを成長させることで、得られている。不規則自己組織化量子ドットに比べれば、この方式で得た量子ドットは、ある程度は規則的である。しかしながら、微小孔のエッチング工程が多量のエッチング欠陥を誘発し、この欠陥は、量子ドット成長中に残存するだけではなく、量子ドットの成長につれ増大までしてしまう。図１（Ｃ）に示す長範囲規則量子ドットは、一般のナノ製造技術で基板にエッチングを施してあらかじめナノパターンテンプレートを用意し、このテンプレート上に量子ドットをエピタキシャル成長させて得られている。しかし、一般のナノ製造技術が誘発する欠陥は、寸法及び規模の両方で、エッチングガスでエッチングした微小孔による欠陥より劣っている。この欠陥のため、短範囲規則量子ドット及び長範囲規則量子ドットのどちらも、デバイス製造には使用できないのが現状である。

以上により、無欠陥又は低欠陥密度の長範囲規則量子ドットを大規模に製造する方法が現在、低次元量子ドット半導体ナノ材料おける最前線の分野となり、盛んな研究が行われている。

本開示では量子ドット材料の製造方法及び製造装置を提供する。この方法及び装置では、量子ドットの成長位置をエピタキシャル成長において適時に制御する。長範囲規則量子ドット材料が製造可能となり、基板にエッチングを施す必要がないため、エッチングによる欠陥を回避できる。

本開示による量子ドット材料製造装置は、エピタキシー装置及び光学装置を備える。光学装置は、干渉パターンを生成する。エピタキシー装置は成長室を含む。成長室は真空室であり、基板材料の載置に用いられる。成長室の壁には、成長室に光を入射させるための複数の窓が設けられている。光学装置は、レーザ光源及び変調光路を含む。光線がレーザ光源から射出された後、変調光路を介して複数の光線に分岐される。複数の光線は、それぞれ複数の窓を通って成長室に入り、基板材料の表面に干渉パターンを生成する。

複数の窓は、成長室の壁に等間隔で配置される３つの窓であってもよい。

レーザ光源から射出された後、光線は変調光路を介して３つの光線に分岐されて、３つの光線はそれぞれ３つの窓を通って成長室に入り、基板材料の表面に三光線干渉パターンを生成してもよい。

複数の窓は、成長室の壁に等間隔で配置される４つの窓であってもよい。

レーザ光源から射出された後、光線は変調光路を介して４つの光線に分岐されて、４つの光線はそれぞれ４つの窓を通って成長室に入り、基板材料の表面に四光線干渉パターンを生成してもよい。

レーザ光源は、パルスレーザ光源であってもよい。

本開示によれば、量子ドット材料製造方法が提供される。量子ドット材料は、上記した量子ドット材料製造装置により製造される。この方法は、
１）基板材料を成長室に載置し、前記成長室を真空にする工程と、
２）前記基板材料を加熱して前記基板材料の温度を第１温度に維持し、エピタキシャル成長法により前記基板材料の表面にエピタキシャル層を堆積する工程と、
３）堆積率を制御して前記基板材料の表面に、前記第１温度における臨界膜厚より薄い第２膜厚を有する前記エピタキシャル層を堆積する工程と、
４）レーザ光源を作動させて前記エピタキシャル層の表面に干渉パターンを生成する工程であって、前記干渉パターンに基づいて、前記エピタキシャル層上の一部の位置の温度が第２温度まで昇温し、前記第２温度における臨界膜厚が前記第２膜厚よりも薄い工程と、
５）前記干渉パターンを取り除いた後、前記エピタキシャル層の堆積を続けて、前記エピタキシャル層の表面に量子ドットを形成する工程と、
を含む。

干渉パターンは、周期的ドットマトリックスであってもよい。エピタキシャル層の温度は、周期的ドットマトリックスの干渉増強領域にて第２温度まで昇温される。

現存のエピタキシー装置に干渉パターンを生成する光学装置を組み入れることにより、基板上でエピタキシャル成長が行われているとき、干渉パターンをエピタキシャル層に適用ことができる。干渉パターンにより、エピタキシャル層には規則的に分布した温度場が形成される。エピタキシャル層の高温領域では原子がクラスターを形成する一方で、エピタキシャル層の低温領域では原子はクラスターを形成しない。このようにして、エピタキシャル層の表面上の温度分布に基づいて量子ドットの生成位置を制御することが可能となり、長範囲規則量子ドットの製造方法が実現される。

本開示の実施形態による技術的解決手段又は先行技術をより明確に解説するために、本開示の実施形態又は先行技術の説明に用いられる図面を簡単に説明する。ただし、下記の図面は本開示における一部の実施形態に過ぎず、当業者は、創作能力を用いずともこの図面に基づいて他の図面の類推することができる。
（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、先行技術による量子ドット材料における量子ドットの分布状態を示す図である。 三光線干渉により生じた干渉パターンにおける温度分布を示す図である。 本開示の第１の実施形態による量子ドット材料製造装置である。 本開示の第２の実施形態による量子ドット材料製造装置である。 本開示による量子ドット材料製造方法のフローチャートである。

本開示の実施形態のよる技術的解決手段につき、本開示の実施形態にて用いられる図面を参照とし、ここで明確かつ完全に解説する。また、ここで説明している実施形態は、本開示における実施形態の一部に過ぎない。当業者が創作能力を用いず本開示の実施形態に基づいて得た他の実施形態は、全て本開示の保護範囲に属するものとする。

背景技術に明示されているように、量子ドットデバイスの殆どは、無欠陥（又は低欠陥密度）の量子ドット材料で製造されること、並びに量子ドットが均一の大きさを有するとともに空間に規則的に分布していることが求められる。しかしながら、量子ドットを製造する従来のエピタキシャル成長法では、Ｓ−Ｋ自己組織化成長により生成された量子ドットの分布は、その成長過程がランダムであるため、不規則になってしまう。基板材料の表面に規則的なパターンを形成した後量子ドットを成長させる方法により、一定の面積で長範囲規則量子ドットを得ることも考えられる。しかしながらその製造過程では、マトリックス損傷により多くの結晶欠陥が生じ、量子ドット材料の光電子効果に著しい影響を与えることになる。

このような実情を鑑み、本開示では量子ドット材料の製造方法を提供する。この方法では、エピタキシャル層を成長させるとき、エピタキシャル層の表面に規則的に分布した温度場を形成する。高温領域では、低温領域よりも速く原子クラスター効果が生じる。量子ドットの種子は、温度場の効果により規則的に分布し、長範囲規則量子ドット材料が製造される。

より明確な理解のために、本開示における解決策の原理を、下記に簡単に説明する。

量子ドットを生成するとき、エピタキシャル成長は２つの段階を含んでいる。第１段階においては、種子形成の前に、基板の表面で原子層が二次元（２Ｄ）モードで一層ずつ成長する。第２段階においては、種子形成の後、量子ドットが三次元（３Ｄ）モードで成長する（量子ドットが成長面から突出するためである）。２Ｄモード成長から３Ｄモード成長への臨界点における原子層の膜厚を、臨界膜厚と呼ぶ。

様々な実験の結果、量子ドットの分子線エピタキシー（ＭＢＥ）成長において臨界膜厚を決める主要要因は温度であることが明らかになった。例えば、ＩｎＡｓ層がＧａＡｓ基板上でエピタキシャル成長するとき、低温（４３０℃未満）における臨界膜厚は、高温（４６０℃超過）における臨界膜厚より２．５倍厚い。つまり、原子クラスター効果を引き起こすために必要となるエピタキシャル層の膜厚は、温度に応じて異なることになる。通常、低温における臨界膜厚は高温における臨界膜厚より厚い。なお、ここにいう低温及び高温とは、単に相対的な概念であり、それらの温度差は、数十℃〜数百℃の範囲に渡っている。

上記の原理に基づいて、エピタキシャル層を基板上で成長させるとき、このエピタキシャル層の表面に異なる温度を規則的に分布させて、一部の位置の温度を、第１臨界膜厚に対応する高温にするとともに、他の位置の温度を、第２臨界膜厚に対応する低温にする。すると予想していた通り、エピタキシャル層の膜厚が第１臨界膜厚以上第２臨界膜厚未満の場合、原子は高温領域ではクラスターを形成し始めるが、低温領域ではクラスターを形成しない。従って、操作者は量子ドットの生成位置を温度分布により制御することができ、長範囲規則量子ドットが規則的に分布させることができる。

以上により、本開示では、エピタキシャル層に温度場を規則的に分布させる方法に焦点を当てる。

直接描写レーザ干渉リソグラフィ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｗｒｉｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ＤＷ−ＬＩＬ）は、マスクがいらず、汚染がなく、接触を要さない進歩的な技術である。ＤＷ−ＬＩＬによれば、直接描写、高効率（インスタント・プロビジョン）、プログラム（コンピュータ）によるパターン変換、低コストの大規模製造、環境要求事項の低減が可能となる。ＤＷ−ＬＩＬの基本原理は、２つ以上のコヒーレントレーザ光線を重畳させ、重畳レーザ光線でサンプルの表面を照射して干渉パターンを生成することである。重畳領域の電界は、全コヒーレント光線の電界のベクトル和に当たる。電界の分布が異なれば、干渉パターンも対応して異なるものになる。二光線干渉により生じた干渉パターンは、明暗の縞が交互に並ぶ縞模様のパターンである。三光線干渉又は四光線干渉により生じたパターンは、六角形又は四角形の周期的ドットマトリックスとなる。

通常、ＤＷ−ＬＩＬにおいて、干渉パターンの光学的性質は、干渉増強領域、つまり明縞又は明点がある領域において、感光性材料の変化を引き起こす。このようにして、この材料にリソグラフパターンが形成される。一部の応用では、高温の光線を 材料の表面に強く当ててパターンを形成することもある。この場合、干渉パターンの温度分布は非常に重要となる。図２は、四光線干渉により生成された干渉パターンの温度分布を示す図である。図２に示すように、最高温と最低温の温度差は１０００℃を超える。これは、０℃〜１０００℃の範囲に渡る温度差を持つ周期的変調温度場を、レーザ光源の出力調整により実現されることを示している。すなわち、温度差の範囲が大きい規則的な温度場が多光線干渉により生じるパターンにより実現される。このようにして、本開示では温度の制御が可能である。

本開示の実施形態について、図面を参照し、下記に詳細に説明する。

図３は、本開示の第１の実施形態による量子ドット材料製造装置を示す。図３に示すように、本開示における量子ドット材料製造装置１０は、エピタキシー装置１１０及び光学装置１２０を備える。光学装置１２０は干渉パターンを生成する。エピタキシー装置１１０は、成長室１０１を含む。成長室１０１は真空室であり、基板材料２００の載置に用いられる。成長室１０１の壁には、成長室に光を入射させるための複数の窓１１１が設けられている。本実施形態では、干渉に３つの光線を用いるので、３つの窓１１１を設けることになる。３つの窓１１１は成長室１０１の壁に等間隔で配置される。３つの光線は３つの窓１１１を通った後集まって干渉パターンを生成する。互いに隣り合う光線同士の成す角度はいずれも１２０度である。

光学装置１２０は、レーザ光源１２１及び光路１２２を備える。光路１２２にはコリメーティングレンズ群、ズームレンズ群、ビームスプリッタなど、様々な光学素子を設け、光路の調整及び変調に用いる。ビームスプリッタとしては、ビームスプリッタプリズム、ビームスプリッタ格子、バイナリ光学素子が挙げられる。レーザ光源から射出された光線は、光路１２２により３つの光線に分岐される。各光線は２つの反射体１２３、１２３´により反射され、窓１１１を介して成長室１０１に入り、基板材料２００の表面に干渉パターンを生成する。

なお、ＭＢＥ成長においては、通常、原子の成長をモニタリングする必要がある。よって、反射光速電子回折（ＲＨＥＥＤ）装置を成長室１０１の外部にさらに設置する。ＲＨＥＥＤ装置は、電子線射出装置１１２及び回折表示窓１１３を備える。回折表示窓１１３は成長室１０１の壁に設けられ、電子線の回折像を表示する。エピタキシャル層の表面に凹凸がある場合、回折像はそれに応じて変化する。

図４は、本開示の第２の実施形態による量子ドット材料製造装置を示す。本実施形態では、干渉に４つの光線を用いている。このため、光を入れさせるための４つの窓２１１を成長室２０１の壁に設けている。４つの窓２１１は成長室２０１の壁に等間隔で配置される。４つの光線は４つの窓２１１を通った後集まって干渉パターンを生成する。互いに隣り合う光線同士の成す角度はいずれも９０度である。第２の実施形態に係る装置の他の構成は第１の実施形態に係る装置と同一であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図５は、本開示による量子ドット材料製造方法のフローチャートである。図５に示すように、該方法はステップＳ１１〜Ｓ１５を含む。

ステップＳ１１において、基板材料を成長室に載置し、この成長室を真空にする。

ステップＳ１２において、基板材料を加熱して基板材料の温度を第１温度に維持し、エピタキシャル成長法により基板材料の表面にエピタキシャル層を堆積する。エピタキシャル層の格子定数は、基板材料の格子定数とは異なる。第１温度におけるエピタキシャル層の臨界膜厚を第１膜厚とする。エピタキシャル層が第１膜厚になるとき、格子応力を解放する原子クラスター効果が生じる。

エピタキシャル成長法には、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）及び有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）が含まれる。

ステップＳ１３において、堆積率を制御し、基板材料の表面に堆積したエピタキシャル層の膜厚が第２膜厚に達するようにする。第２膜厚は、第１膜厚より薄い。この時点で、エピタキシャル層における原子クラスター効果はまだ生じていない。

ステップＳ１４において、レーザ光源を作動させてエピタキシャル層の表面に干渉パターンを生成する。この干渉パターンは周期的ドットマトリックスである。周期的ドットマトリックスの干渉増強領域、つまり明点にて、エピタキシャル層の温度は第２温度まで昇温する。第２温度におけるエピタキシャル層の臨界膜厚を第３膜厚とする。エピタキシャル層が第３膜厚になるとき、格子応力を解放する原子クラスター効果が生じる。第３膜厚は、エピタキシャル層の現在の膜厚、つまり第２膜厚より薄い。

この場合、明点におけるエピタキシャル層の膜厚が臨界膜厚に達し、格子応力を解放するため、これらの位置では原子クラスター効果が即座に発生する。分子層の平坦な表面上には原子クラスターが現れる。原子クラスターは、後続の量子ドット成長に用いられる種子に当たる。このとき、電子回折スクリーンにより観測される電子回折像が明確に変化する。電子回折像では、突出点がエピタキシャル層の平坦な表面上に現れている。すなわち、突出点に電子線が照射されるときに、明確な回折が引き起こされている。

ステップＳ１５において、干渉パターンを取り除いた後、エピタキシャル層を続けて堆積する。エピタキシャル層の膜厚が第１膜厚を超えても、エピタキシャル層全体において格子定数を解放するための「窓」は、ステップＳ１４にて原子クラスターが生成された位置に設けられている。よって、種子は、エピタキシャル層の膜厚の増加にともない成長する。最後に、エピタキシャル層の表面に量子ドットが生成される。

本開示では、短パルスレーザ光源の使用が好ましいことをここに明記しておく。生成した干渉パターンにおいて、明点２つ間の距離は、一般的に非常に近く、数百ナノメートルに過ぎない。その故、明点周りの領域の温度は、長時間加熱する場合、熱伝導によって上昇することになる。従って、明確な温度差がある温度場の実現が難しくなる。しかしながら、短パルスレーザ光源を導入すれば、パルス一つの周期は熱伝導の所要時間よりも遥かに短いので、エピタキシャル層の表面における温度分布を干渉パターンに確実に合わせることができる。

以上、本開示では、量子ドット材料の製造方法及び製造装置を提供した。この装置は、既存のエピタキシー装置と比べると、干渉パターンを生成する光学装置をさらに備えている。基板上でエピタキシー法を行うときに、干渉パターンをエピタキシャル層に施す。この干渉パターンにより、エピタキシャル層には規則的に分布した温度場が形成される。エピタキシャル層の高温領域では原子クラスター効果が発生する一方で、エピタキシャル層の低温領域では原子がクラスターを形成しない。従って、量子ドットの生成位置を、エピタキシャル層の表面の温度分布に基づいて制御することが可能となり、長範囲規則量子ドットの製造方法が実現される。本方法における量子ドットの成長原理は、平坦な表面上のＳ−Ｋ成長と同様であるので、成長過程において欠陥は発生しない。

当業者は、上述した本開示の実施形態を参照として、本開示を実現又は利用することができる。さらに当業者にとっては、これらの実施形態の様々な代替案も明らかなものである。本明細書が定義する一般原理は、本開示の趣旨から逸脱しない範囲で、他の実施形態でも実現可能である。従って、本開示は、本明細書が解説している実施形態に限らず、本明細書に開示された原理及び新規性と一致する最大範囲を保護対象とする。

この出願は、２０１１年８月５日付で中華人民共和国国家知識産権局に「量子ドット材料を製造する装置及び方法」という題目で出願された中国特許出願第２０１１１０２２４２７０．７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (8)

1. エピタキシー装置と、
   干渉パターンを生成する光学装置と、
   を備え、
   前記エピタキシー装置は成長室を含み、前記成長室は真空室であり基板材料の載置に用いられ、前記成長室の壁には、前記成長室に光を入射させるための複数の窓が設けられ、
   前記光学装置は、レーザ光源と変調光路とを備え、
   前記レーザ光源から射出された光線が前記変調光路を介して複数の光線に分岐されて、前記複数の光線が前記複数の窓をそれぞれ通って前記成長室に入り、前記基板材料の表面に前記干渉パターンを生成する量子ドット材料製造装置。
2. 請求項１に記載の量子ドット材料製造装置において、
   前記複数の窓は、前記成長室の壁に等間隔で配置された３つの窓である量子ドット材料製造装置。
3. 請求項２に記載の量子ドット材料製造装置において、
   前記レーザ光源から射出された前記光線が前記変調光路を介して３つの光線に分岐されて、前記３つの光線が前記３つの窓をそれぞれ通って前記成長室に入り、前記基板材料の表面に三光線干渉パターンを生成する量子ドット材料製造装置。
4. 請求項１に記載の量子ドット材料製造装置において、
   前記複数の窓は、前記成長室の壁に等間隔で配置された４つの窓である量子ドット材料製造装置。
5. 請求項４に記載の量子ドット材料製造装置において、
   前記レーザ光源から射出された前記光線が前記変調光路を介して４つの光線に分岐されて、前記４つの光線が前記４つの窓をそれぞれ通って前記成長室に入り、前記基板材料の表面に四光線干渉パターンを生成する量子ドット材料製造装置。
6. 請求項１に記載の量子ドット材料製造装置において、
   前記レーザ光源はパルスレーザ光源である量子ドット材料製造装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の量子ドット材料製造装置により製造される量子ドット材料の製造方法であって、
   １）基板材料を成長室に載置し、前記成長室を真空にする工程と、
   ２）前記基板材料を加熱して前記基板材料の温度を第１温度に維持し、エピタキシャル成長法により前記基板材料の表面にエピタキシャル層を堆積する工程と、
   ３）堆積率を制御して前記基板材料の表面に、前記第１温度における臨界膜厚より薄い第２膜厚を有する前記エピタキシャル層を堆積する工程と、
   ４）レーザ光源を作動させて前記エピタキシャル層の表面に干渉パターンを生成する工程であって、前記干渉パターンに基づいて、前記エピタキシャル層上の一部の位置の温度が第２温度まで昇温し、前記第２温度における臨界膜厚が前記第２膜厚よりも薄い工程と、
   ５）前記干渉パターンを取り除いた後、前記エピタキシャル層の堆積を続けて、前記エピタキシャル層の表面に量子ドットを形成する工程と、
   を含む量子ドット材料製造方法。
8. 請求項７に記載の量子ドット材料製造方法において、
   前記干渉パターンは周期的ドットマトリックスであって、前記周期的ドットマトリックスにおいて、前記エピタキシャル層の温度は、前記周期的ドットマトリックスの干渉増強領域にて前記第２温度まで昇温される量子ドット材料製造方法。

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