JP2017188670A - ゼロ次元電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高均一量子ドット及び半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法を提供する。【解決手段】半導体デバイスは、基板110と、GaAs緩衝層120と、GaAs/AlAs超格子130と、GaAsQD150が埋め込まれるAlGaAs層140と、GaAs/AlAs超格子160と、GaAsQD170とを備える。AlGaAs層は厚さ約100nmであり、GaAsQDはAlGaAs層内に埋め込まれ、GaAsQD及び170は高均一性を有する。【選択図】図1
Description
本出願は2014年5月26日に提出された米国仮特許出願第62/002,997の権益を請求している。
本発明は、一般的にはゼロ次元電子デバイス及びこれを製造する方法に関する。本発明は、高均一量子ドット及び半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法にも関する。
本発明は、一般的にはゼロ次元電子デバイス及びこれを製造する方法に関する。本発明は、高均一量子ドット及び半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法にも関する。
量子ドット(QD:quantum dot)は、一点に効率的に集中される(すなわち、ゼロ次元)ほどに小さいごく小さな物質である。その結果、電気を搬送する量子ドット内部の粒子(電子及びホール)は、捕捉されるか、又は閉じ込められ、量子理論の法則に従って明確に定義されるエネルギー準位を有する。通常、QD(量子ドット)は数nm幅の結晶であり、したがって、原子数十個の幅であり、恐らく百個〜数千個の原子を含む。QDは、シリコン等の半導体から作られ、結晶であるが、むしろ個々の原子のように挙動する。
QDは、現実世界で幅広い用途を有するように精密に制御され得る。一般的な背景として、原子にエネルギーが与えられる場合、原子は励起する(すなわち、内部の電子をより高いエネルギー準位に引き上げる)ことができる。電子がより低いレベルに戻ると、原子は、同原子が元々吸収したエネルギーと同じエネルギーを有する光量子を放射する。原子が放射する光の色(すなわち、波長及び周波数)は、エネルギー準位が配置される方法により、原子が何であるかに依存する。一般的に言えば、異なる原子は異なる色の光を放つ。これは、原子内のエネルギー準位が設定値を有する(すなわち、量子化されている)ためである。
QDも量子化エネルギー準位を有するため、同じである。しかしながら、同じ材料から作られるQDは、大きさに応じて異なる色の光を放つ。小さなQDはより大きなバンドギャップを有し、バンドキャップは、大まかに言えば、電子を自由にし、それにより、電子が材料を通して電気を搬送するためにかかる最小エネルギーであり、したがって、小さなQDは励起により大きなエネルギーを必要とする。放射光の周波数はそのエネルギーに比例するため、より高いエネルギーを有する小さなQDほど、高い周波数及び低い波長を生成する。大きなQDほど、より離間されたエネルギー準位を有し、したがって、低い周波数及び高い波長を生成する。
その結果、最大のQDは最長波長(及び最低周波数)を生成し、一方、最小のQDは最短波長(及び最高周波数)を生成する。これは一般に、大きなQDが赤色光を生成し、小さなQDが青色を生成し、一方、中間サイズのQDが緑色光(及び他の色も)を生成することを意味する。
最近、自己組織化QDの製造が、レーザ、太陽電池、及び発光ダイオード等の新規の光電子デバイス用途への潜在性により、集中的に研究されている。実際に、QDの光電子特性は、電子及びホールの閉じ込め潜在性を決めるサイズ、組成、歪み、及び形状等の物理的特性に強く関連付けられる。したがって、活性量子ナノ構造体を製造する成長メカニズムが重要になりつつある。
様々な成長技法の中で最も一般的な手法は、自己組織化メカニズムに基づき、通常、InAs(インジウム砒素)/GaAs(ガリウム砒素)系等の格子不整合系で使用される島状と層状の混合(SK:Stranski−Krastanov)成長モードである。SK成長では、半導体の薄膜が半導体基板上で成長し、2つの材料の界面に格子不整合を生成する。エピタキシャル成長中、層間不整合歪みは部分的に緩和され、次に、三次元構造体が形成される。しかしながら、QDのモルフォロジー及び組成はキャッピング層の堆積中に大きく変わり、これは、設計された特性の達成を難しくする。さらに、この技法は、歪みがないことに起因して、GaAs/AlGaAs(アルミニウムガリウム砒素)系等の格子整合系では利用することができない。
歪みのないGaAs/AlGaAs QDを製造する代替の有望な技法は、1993年に小口及び石毛によって最初に示された液滴エピタキシー(DE:droplet epitaxy)成長モードである。SK技法と比較して、DE(液滴エピタキシー)技法は格子不整合系及び格子整合系の両方で使用することができ、したがって、高い設計柔軟性を有する。GaAs QDの場合、多くの金属Ga(ガリウム)液滴がまず、As4(四砒素)気体がない状態で基板上に形成される。液滴は続けて、As4ガスへの露出を通して結晶化され、GaAs QDを形成する。Ga液滴は通常、元々のモルフォロジーを維持するために、低温(約300℃)で形成される。しかしながら、そのような低温は多くの場合、AlGaAsキャッピング層の堆積中に結晶品質及び光学品質を低下させる。さらに、この低温周囲はまたは、炭素ドーパントを組み込む間のGaAs材料の形成に大きく影響する。
As4気体の濃度及び結晶化温度によって最終的なモルフォロジーが決まることが実証されている。例えば、一般に、GaAs QDは、炭素ドープされず、結晶化ステップで10−4〜10−5トール(1.33×10−1Pa〜1.33×10−2Pa)のAs4気体を供給する場合に低温(約100℃〜200℃)で形成される。単一、二重、又は複数の量子リング(QR:quantum ring)が、結晶化ステップにおいて、200℃〜450℃の成長温度で10−6〜10−7トール(1.33×10−3Pa〜1.33×10−4Pa)のAs4気体下で生成される。孔あきナノ構造体はより高い結晶化温度(T=450℃〜620℃)で成長する。
一連の従来の研究により、実験状況が最終的な構造体を決定し得ることが実証されてきた。しかしながら、いくつかの欠点がなお存在する。GaAs QD形成の場合、Ga液滴は、元々のモルフォロジーを維持するために低温で形成される。そのような低温成長プロセスは多くの場合、AlGaAsキャッピング層の堆積中に結晶品質及び光学品質を低下させる。したがって、高品質QDの製造にはさらなる研究が必要である。
加えて、アクセプタ不純物に結合した、閉じ込められた電子及び光励起ホールの再結合は、半導体ナノ構造体での新規物理現象の研究に対していくつかの利点を有する。結合ホールエネルギーは非常に明確に定義されるため、フォトルミネッセンス(PL)は、電子状態のエネルギースペクトルを直接測定する手段であり、ホールの局在化は、電子状態の全体電子密度を調べることができるようにk保存則を緩和する。この技法は、ランダウ(Landau)準位、シュブニコフ・ド・ハース(Shubnikov−de Haas)振動、分数量子ホール効果、及びウィグナー(Wigner)結晶化を光学的に調べることに繋がる、二次元(2D)電子系の物理学を調べるのに非常に首尾良く使用されていた。しかしながら、ゼロ次元(量子ドット)構造体に関わる同等の研究はないと考えられる。
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したがって、高均一炭素ドープGaAs及び/又は高均一GaAsからなる新しいゼロ次元電子デバイスと、これを製造する方法とが必要とされる。この新しいゼロ次元電子デバイスは、QDレーザ、太陽電池、発光ダイオード、量子暗号法の単一光子光源、量子ビット、及び量子論理要素を含め、半導体分野で幅広い用途を有する。
本発明によれば、本明細書に開示される半導体デバイスは、基板と、量子ドットとを備え、量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルのピーク放射は、半導体デバイスが温度4ケルビンで測定される場合、20meV未満の半値全幅(FWHM)を有する。
本発明によればまた、本明細書に開示される半導体デバイスは、基板と、量子ドットとを備える半導体デバイスであって、量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルは、赤色光範囲内に3つ以上のピークを有する。
本発明によればまた、半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法が本明細書に開示される。本方法は、(a)基板を提供することと、(b)周期表V族材料を供給することと、(c)500℃を超える成長温度で前記基板の上に周期表III族−V族材料の緩衝層を成長させることと、(d)成長温度を約500℃に低下させることと、(e)周期表V族材料の供給を停止させることと、(f)周期表III族材料の液滴を成長させることと、(g)前記成長温度を約400℃未満に低下させることと、(h)より多くの周期表III族材料の液滴を成長させることと、(i)前記成長温度を360℃と450℃の間に増大させることとを含む。
さらに本発明によれば、半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法が本明細書に開示される。本方法は、(a)基板を提供することと、(b)周期表V族材料を供給することと、(c)500℃を超える成長温度で前記基板の上に周期表III族−V族材料の緩衝層を成長させることと、(d)周期表V族材料の供給を停止させることと、(e)周期表II族材料又は周期表IV族材料を供給することと、(f)前記成長温度を約200℃未満に低下させることと、(g)周期表II族材料又は周期表IV族材料の供給を停止させることと、(h)周期表II族材料又は周期表IV族材料を有する周期表III族材料の液滴を成長させることとを含む。
上記概説及び以下の詳細な説明の両方が単なる例示及び説明的なものであり、本発明に係る特許請求の範囲の限定ではないことを理解されたい。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす添付図面はいくつかの実施形態を示す。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす添付図面はいくつかの実施形態を示す。
本発明によれば、ゼロ次元電子デバイスと、同デバイスを製造する方法が提供できた。
これより、本発明による例示的な実施形態を詳細に参照し、実施形態の例は添付図面に示される。可能な場合は常に、図面全体を通して、同じ参照番号が同じ又は同様の部品を指すために使用される。説明は例示的な実施形態を含むが、他の実施形態も可能であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、説明された実施形態に変更を行い得る。以下の詳細な説明は本発明を限定しない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物によって規定される。
本発明の一実施形態によれば、基板と、QDとを備える半導体デバイスが開示され、QDのピーク放射は、半導体デバイスが温度4ケルビン(K)で測定される場合、20ミリ電子ボルト(meV)未満の半値全幅(FWHM)を有する。半導体デバイスは緩衝層を更に備え得、緩衝層は、周期表III族材料及び周期表V族材料からなる周期表III族−V族材料を含み、QDは周期表III族材料及び周期表V族材料を含む。例えば、緩衝層はGaAs緩衝層であり得、QDは、高均一GaAs/AlGaAs QD等のGaAsを含む。
図1は、本発明による例示的なGaAs QD半導体デバイスを示す概略図である。半導体デバイスは、基板110と、GaAs緩衝層120と、GaAs/AlAs超格子130と、GaAs QD150が埋め込まれるAlGaAs層140と、GaAs/AlAs超格子160と、GaAs QD170とを備える。
本発明によれば、半導体デバイスがキャッピング層を備えてもよく、これらの層を繰り返してもよいことを当業者は想到できる。例えば、キャッピング層はAlGaAs層150であり得、層130とQDが埋め込まれた層140とを複数回繰り返して、より多くのGaAs QDを成長させる。
GaAs緩衝層120は厚さ約200nmを有し得る。GaAs/AlAs超格子130及び160は、50〜150周期超格子であり得る。150周期超格子の場合、GaAsは厚さ約2.9nmを有し得、一方、AlAsは厚さ約2.7nmを有し得る。
AlGaAs層140は厚さ約100nmを有し得る。GaAs QD150はAlGaAs層140内に埋め込まれる。GaAs QD150及び170は高均一性を有する。GaAs QD170は、AFM像を介してこの高均一性をテストされる。
図2Aは、スキャン面積5μm×5μmを有する成長温度360℃での表面からの、例示的なGaAs QD170の表面モルフォロジーのAFM像210である。示されるように、GaAs QD212は、高均一性及び丸い形状を有する。一例では、GaAs QD212の表面は、高均一性(99±3nm)及び面密度約108cm−2を有する。
図2Bは、スキャン面積1μm×1μmを有する成長温度360℃での表面からの、例示的なGaAs QD170の表面モルフォロジーのAFM像250である。AFM像250は、図2Aをより拡大した像であり、QD252に示されるように、GaAs QD170が高均一性を有することを確認する。
図3は、AlGaAs層340内に埋め込まれた例示的なGaAs/AlGaAs QD150のTEM像であり、AlGaAs層340それ自体は、GaAs/AlAs超格子330とGaAs/AlAs超格子350(部分的に示される)との間に埋め込まれる。QD320は、湿潤層310上に形成され、GaAs/AlAs超格子330内に埋め込まれる。QD下の連続湿潤層310がはっきりと観測される。
図4は、GaAs/AlAs超格子構造体内のAlGaAs層内に埋め込まれたGaAs湿潤層に結合された例示的なGaAs/AlGaAs QD150のPLスペクトルを示す。PLスペクトル410は温度4Kで測定され、一方、PLスペクトル420は300Kで測定され、それぞれ低温及び室温を反映する。
図4では、20meV未満(この例では約14.87meV)の半値全幅(FWHM)を有する非常に狭いPL放射が、4KでのQD150(スペクトル410内)から観測され、これは約704nmを中心とする。これは、高い光学品質及び優れたドット均一性を示す。
QDピークの、約108cm−2という低い面密度にもかかわらず、QDピークは強度上で、図1のGaAs緩衝層120のGaAsピークよりも強く、これは、超格子から湿潤層への、そして湿潤層からQDへのキャリアの効率的な転移に起因し得る。なお、GaAs量子ウェル(QW:quantum well)ピークは約689nmを中心とする。
室温(300K)において、PLスペクトル420は一連のサブピークを示し、これは、異なる量子閉じ込めドット状態に起因し得る。産業用途では、各サブピークを使用して、別個の各信号を表し得る。
本発明によれば、図5は、半導体デバイス上にQDを成長させる例示的な方法500を示す。方法500は、基板を提供すること(ステップ510)と、周期表V族材料シャッタ(shutter)を開くなどの周期表V族材料を供給すること(ステップ520)と、500℃を超える成長温度(例えば、580℃)で基板の上に周期表III族−V族材料緩衝層を成長させること(ステップ530)とを含む。方法500は、成長温度を約500℃に低下させること(ステップ540)と、周期表V族材料シャッタを閉じるなどの周期表V族材料の供給を停止させること(ステップ550)と、周期表III族材料の液滴を成長させること(ステップ560)とも含む。方法500は、成長温度を約400℃未満(例えば、200℃〜400℃の温度)に低下させること(ステップ570)と、より多くの周期表III族材料液滴を成長させること(ステップ580)と、成長温度を約450℃(例えば、360℃〜450℃の温度)までに増大させること(ステップ590)とを更に含む。
本発明によれば、周期表III族材料はB、Al、Ga、In、又はTlであり得る。周期表V族材料はN、P、As、Sb、又はBiであり得る。周期表III族−V族材料は、例えば、GaAs、GaSb、又はAlGaAsであり得る。
一実施形態では、周期表III族材料、周期表V族材料、及び周期表III族−V族材料はそれぞれGa、As、及びGaAsである。方法500は、様々な段階において1つ又は複数の以下のステップを更に含み得る:GaAs/AlAs超格子を成長させること、GaAs/AlAs超格子の上にAlGaAs層を成長させること、Asシャッタを開くこと、及びGa液滴を結晶化してGaAs QDにすること。方法500は、AlGaAsキャッピング層を成長させることを更に含み得る。方法500内のこれらのステップのいくつかを繰り返して、より多くのQDを成長させ得る。
図6A〜図6Cは、本発明により、半導体デバイス上にQDを成長させる別の例示的な方法600を示す。ここで、QDの液滴エピタキシーは、2つの主な段階、すなわち、液滴の形成及びその後の、As気体下での結晶化を含む。
まず、ステップ610において、半絶縁性GaAs基板が提供されて、分子ビームエピタキシーによってQDを成長させる。最適化された2段階成長方法を使用して、Ga液滴を準備する。ステップ612において、温度を約580℃に増大させる。次に、Asシャッタをステップ614において開く。次に、ステップ616において、GaAs緩衝層の成長を開始する。
GaAsウェーハの表面上に580℃で200nm厚のGaAs緩衝層を成長させた後、ステップ620において、GaAs緩衝層の上に150周期GaAs/AlAs超格子の成長を開始する。GaAs/AlAs超格子も50〜150周期であり得る。ステップ622において2分〜4分間待った後、ステップ624において、AlGaAs層の成長を開始する。
次に、ステップ626において、基板温度を約500℃に低下させ、Asシャッタを完全に閉じて、背景気体圧を6×10−10トール(8.00×10−8Pa)未満に維持する。C(4×4)表面再構築は、反射高エネルギー電子回折(RHEED:reflection high−energy electron diffraction)によってはっきりと観測された。次に、ステップ628において、Ga液滴が、まず、As気体なしで毎秒0.5単分子層(ML)の率で1単分子層形成される。
続けて、第2の段階のステップ630において、基板温度を約320℃に低下させ、ステップ632において、2単分子層(ML)のGaを毎秒0.5単分子層(ML)の率で堆積させた。液滴形成プロセスにわたり、背景気体圧は6×10−10トール(8.00×10−8Pa)未満に保持される。結晶化プロセスは、Ga液滴の形成後に実行される。結晶化ステップ634において、基板温度は約360℃〜450℃に増大される。ステップ636において、Asシャッタを開く。ステップ638において、Ga液滴を結晶化して、GaAs QDにする。結晶化プロセス中、約4×10−6トール(5.33×10−4Pa)の一定であるAs4気体下で10分間、約360℃〜450℃で半導体を成長させる。
次に、別の50nm厚のAl0.35Ga0.65As層により、以下のようにQDをキャッピングする。ステップ640において、10nmのAlGaAsキャッピング層の成長を開始する。次に、ステップ642において、温度を約580℃に増大させ、それにより、ステップ644において、別の40nmのAlGaAsキャッピング層の成長を開始する。
図6A〜図6Cに示されるステップのいくつかを繰り返して、より多くのQD層を成長させ得る。AFMを使用して埋め込まれたQDの表面モルフォロジーを調べるために、例えば、150周期の別の超格子が形成された後、第2のQD層が、埋め込まれたQDと同じ条件下で、半導体デバイスの表面上に形成され、一方、TEMは、図2及び図3に示されるように、埋め込まれたQDの評価に使用される。マルチモード光ファイバを使用して4.2K〜300Kの温度でPL実験を実行して、532nmレーザ光を半導体デバイスに送り、PLを収集し、図4に示されるように、これを分光計及び電子倍増電荷結合素子(EMCCD:electron−multiplying charge−coupled device)によって分析する。
本発明の別の実施形態により、別の半導体デバイスが本明細書に開示され、この半導体デバイスは、基板と、QDとを備え、QDのピーク放射は、半導体デバイスが温度4.65Kで測定される場合、8meV未満の半値全幅(FWHM)を有する。
加えて、QDは、炭素等の周期表II族材料又は周期表IV族材料によってドープされる。QDに炭素を組み込むことにより、全ての電子閉じ込め段階への直接アクセスが可能になり、ゼロ次元系の物理学の研究への新しい可能性が開かれる。
半導体デバイスは、緩衝層を更に備え得、緩衝層は、周期表III族材料及び周期表V族材料からなる周期表III族−V族材料を含み、QDは周期表III族材料及び周期表V族材料を含む。例えば、緩衝層はGaAs緩衝層であり得、QDは、高均一GaAs/AlGaAs QD等のGaAsを含む。GaAs/AlGaAs QDは、基板温度が約100℃〜200℃に低減される場合、非常に低いドーパント濃度を有する。
図7は、本発明による、例示的な炭素ドープGaAs QD半導体デバイスを示す概略図である。半導体デバイスは、基板710と、GaAs緩衝層720と、GaAs/AlAs超格子730と、炭素ドープGaAs QD750が埋め込まれたAlGaAs層740と、GaAs/AlAs超格子760と、炭素ドープGaAs QD780が埋め込まれたAlGaAs層770と、炭素ドープGaAs QD790とを備える。
本発明によれば、半導体デバイスがキャッピング層を備えてもよく、これらの層を繰り返してもよいことを当業者は想到できる。例えば、キャッピング層はAlGaAs層750であり得、層730及び、QDが埋め込まれた層740を複数回繰り返して、より多くのQDを成長させ得る。
GaAs緩衝層720は厚さ約200nmを有し得る。GaAs/AlAs超格子730及び760は50〜150周期超格子であり得る。150周期超格子の場合、GaAs及びAlAsはそれぞれ厚さ約3.3nmを有し得る。
AlGaAs層740及び770は厚さ約100nmを有し得る。層740及び770は、埋め込まれた炭素ドープGaAs QD750及び780を含む。GaAs QD750、780、及び790は高均一性を有する。
本発明によれば、例示的な炭素ドープGaAs/AlGaAs QDの密度は、約5×108cm−2〜約5×109cm−2の範囲であり得、高さは約1nm〜約4nmの範囲であり得る。また、本発明によれば、AlxGa1−xAs層740内のAlとGaとの比率xは約0.3〜0.35である。
図8は、スキャン面積1μm×1μmを有する例示的な炭素ドープGaAs QD810のAFM像800である。示されるように、炭素ドープGaAs QD810は高均一性及び丸い形状を有する。一例では、炭素ドープGaAs QD810は平均高さ2.25±0.5nmを有し、リング形構造を示す。炭素ドープGaAs QDの平均ベース直径は50.3nmである。面密度は2.1×1010cm−2である。
図9Aは、温度4.65Kで測定された図7の例示的な炭素ドープGaAs QD750及び780のPLスペクトル900を示す。示されるように、閉じ込められた電子と閉じ込められた重ホールとの再結合からのものであるピーク1でのFWHMは、8meV未満(この例では、約7.41meV)である。従来の研究と比較して、この値は現在、GaAs/AlGaAs QD構造では最も低く、高均一性GaAs QDをもたらすと考えられる。閉じ込められた電子と不純物結合ホールとの再結合についてのより詳細な説明について以下に考察する。
本発明の更に別の実施形態によれば、基板と、QDとを備え、QDのPLスペクトルが赤色光範囲内に3つ以上のピークを有する半導体デバイスが本明細書に開示される。一例として、例示的なQD750及び780(図7参照)のPLスペクトルは、半導体デバイスが温度4.65Kで測定される場合、図9Aに示されるように、少なくとも5つのピークを有する。
産業用途では、各ピークは独特な信号を表し得る。したがって、QD構造体が複数のピークを示す場合、複数の信号のために複数のQD構造体を製造する必要性が低減し、したがって、生産コストが低減する。
半導体デバイスは緩衝層を更に備え得、緩衝層は、周期表III族材料及び周期表V族材料からなる周期表III族−V族材料を含み、QDはIII族材料及びV族材料を含む。例えば、緩衝層はGaAs緩衝層であり得、QDは、高均一GaAs/AlGaAs QD等のGaAsを含む。加えて、QDは、炭素等の周期表II族材料又は周期表IV族材料によってドープされる。
図9Aを再び参照すると、第1の赤色光は、約685nm〜約696nmの範囲のピーク(ピーク1)中心波長を有し、これらは電子ボルト(eV)単位での約1.81eV〜約1.78eVに対応する。第2の赤色光は、約702nm〜約715nmの範囲のピーク(ピーク2)中心波長を有し、これらは約1.77eV〜約1.73eVに対応する。第3の赤色光は、約716nm〜約725nmの範囲のピーク(ピーク3)中心波長を有し、これらは約1.72eV〜約1.71eVに対応する。第4の赤色光は、約726nm〜約731nmの範囲のピーク(ピーク4)中心波長を有し、これらは約1.70eV〜約1.69eVに対応する。最後に、第5の赤色光は、約740nm〜約750nmの範囲のピーク(ピーク5)中心波長を有し、これらは約1.68eV〜約1.65eVに対応する。
一実施形態では、各赤色光は、約2nm〜約8nmの範囲の半値全幅(FWHM)を有するピーク放射を有し、これらは約7meV〜約20meVに対応する。
図9Bは、GaAs/AlAs超格子構造体内のAlGaAs層内に埋め込まれた例示的な炭素ドープGaAs/AlGaAs QD内の伝導帯と価電子帯との間の遷移エネルギーを示す概略図950である。ここに示されるように、この炭素ドープQD構造体には、伝導帯に閉じ込められた電子に4つの結合状態E4e、E3e、E2e、及びE1eと、重ホールに1つの結合状態(E1h)がある。ピーク1の遷移エネルギー(図9A参照)は、閉じ込められた電子(E4eでのエネルギー準位)と重ホール状態(E1hでのエネルギー準位)との間の帯間遷移に主に起因する。
図9Bは、GaAs/AlAs超格子構造体内のAlGaAs層内に埋め込まれた例示的な炭素ドープGaAs/AlGaAs QD内の伝導帯と価電子帯との間の遷移エネルギーを示す概略図950である。ここに示されるように、この炭素ドープQD構造体には、伝導帯に閉じ込められた電子に4つの結合状態E4e、E3e、E2e、及びE1eと、重ホールに1つの結合状態(E1h)がある。ピーク1の遷移エネルギー(図9A参照)は、閉じ込められた電子(E4eでのエネルギー準位)と重ホール状態(E1hでのエネルギー準位)との間の帯間遷移に主に起因する。
図9Bでは、Ebの結合状態は、このQD構造体にアクセプタを生成する炭素不純物に主に起因する。ピーク2は、閉じ込められた電子(E4eでのエネルギー準位)と炭素アクセプタ(Ebでのエネルギー準位)との間の遷移に主に起因する。ピーク3は、閉じ込められた電子(E3eでのエネルギー準位)と炭素アクセプタ(Ebでのエネルギー準位)との間の遷移に主に起因する。ピーク4は、閉じ込められた電子(E2eでのエネルギー準位)と炭素アクセプタ(Ebでのエネルギー準位)との間の遷移に主に起因する。ピーク5は、閉じ込められた電子(E1eでのエネルギー準位)と炭素アクセプタ(Ebでのエネルギー準位)との間の遷移に主に起因する。
図10は、1.74K〜21Kの範囲の温度での例示的な炭素ドープGaAs/AlGaAs QD構造体の伝導帯内の電子閉じ込めエネルギーと遷移エネルギーを示す。示されるように、ドット1040、1030、1020、1010は、1.74K〜21Kの範囲の異なる温度でのピーク2〜5のそれぞれの電子閉じ込めエネルギーと遷移エネルギーを示す。温度が増大するに従って、遷移エネルギー(又は電子閉じ込めエネルギー)が略同じ値に維持されることがはっきりと観測され、これは高い光学品質を示す。
図11は、例示的な炭素ドープGaAs QDのPLスペクトルの温度依存性を示す。ここで、PLスペクトル1100の温度依存性が観測される。下から上に、各線は、示されるように低温から高温まで様々なレベルで測定される温度を表す。
図9A及び図9Bを再び参照すると、5.43mWで励起されたPLスペクトルと放射遷移が示される。バルクGaAs内の中性アクセプタ(Eb)の結合エネルギーが24meVであると推定される。異なる量子ウェルにおいて、閉じ込められた電子及び閉じ込められた重ホールのエネルギーはそれぞれEne及びEnhで示される。(ここで、nは異なるエネルギーを表す量子数である)。エネルギーが1.801eVであることに対応するピーク1は量子数n=1のエネルギーに位置する重ホールと量子数n=4のエネルギーに位置する電子が再結合することに起因すると仮定される。ピーク2(約1.754eV)、ピーク3(約1.725eV)、ピーク4(約1.705eV)、及びピーク5(約1.667eV)は量子数n=1〜4のエネルギーに位置する電子と中性アクセプタとの間の遷移に主に関わっている。
この情報を用いて、価電子帯ウェル内の量子数n=1の重ホールレベルのエネルギー準位が推定され、すなわち
この仮定を証明するために、GaAs QDの電子状態が、有効質量手法を使用して計算される。GaAs/AlGaAs QDの幾何学的形状は、AFM測定値から推定される。ここで、量子数n=1の重ホールのエネルギーのエネルギー準位は、PL実験結果(式1参照)から直接に得られる。この構造の分析及び所定の一つのバンドパラメータセットに基づいて、伝導帯ウェル内に閉じ込められた電子のエネルギー準位を計算することができる。
伝導帯及び価電子帯は、GaAs及びAlxGa1−xAsのΓ谷の中心を囲んでいる。Γ谷電子有効質量
計算で使用される全てのパラメータを以下の表1にまとめた。
表1:計算で使用するバンドパラメータ
表1:計算で使用するバンドパラメータ
したがって、低温PLスペクトルにおいて、4つの明確な閉じ込め電子状態が観測される。構造的結果に基づいて、量子数n=1〜4の閉じ込め電子状態は、有効質量手法を使用して計算することができる。GaAs/AlGaAs QDについて計算されたエネルギーは、PLにおいて観測されたエネルギーにかなり一致する。
本発明によれば、図12は、半導体デバイスにQDを成長させる別の例示的な方法1200を示す。方法1200は、基板を提供すること(ステップ1210)と、周期表V族材料シャッタを開くなどの周期表V族材料を供給すること(ステップ1220)と、500℃を超える成長温度(例えば、580℃)で基板の上に周期表III族−V族材料の緩衝層を成長させること(ステップ1230)と、周期表V族材料の供給を停止すること(ステップ1240)とを含む。
方法1200は、周期表II族材料又は周期表IV族材料シャッタを開くなど、周期表II族材料又は周期表IV族材料を供給すること(ステップ1250)と、成長温度を約200℃未満(例えば、100℃〜200℃の温度)に低下させること(ステップ1260)と、周期表II族材料又は周期表IV族材料シャッタを閉じるなど、周期表II族材料又は周期表IV族材料の供給を停止すること(ステップ1270)と、周期表II族材料又は周期表IV族材料を有する周期表III族材料の液滴を成長させること(ステップ1280)とも含む。
周期表III族材料はB、Al、Ga、In、又はTlであり得る。周期表V族材料はN、P、As、Sb、又はBiであり得る。周期表III族−V族材料は、例えば、GaAs、GaSb、又はAlGaAsであり得る。周期表II族材料は、例えば、Zn、Cd、Hg、又はCnであり得る。周期表IV族材料は、例えば、C、Si、Ge、Sn、Pb、又はFl(Flerovium)であり得る。
一実施形態では、周期表III族材料、周期表V族材料、周期表III族−V族材料、及び周期表II族材料又は周期表IV族材料はそれぞれGa、As、GaAs、及びCである。方法1200は、様々な段階において1つ又は複数の以下のステップを更に含み得る:GaAs/AlAs超格子を成長させること、GaAs/AlAs超格子の上にAlGaAs層を成長させること、Asシャッタを開くこと、及びGa液滴を結晶化して炭素ドープGaAs QDにすること。方法1200は、AlGaAsキャッピング層を成長させることを更に含み得る。方法1200におけるステップのいくつかを繰り返して、より多くのQDを成長させ得る。
図13A及び図13Bは、半導体デバイスに炭素ドープQDを成長させる例示的な方法1300を示す。まず、ステップ1310において、半絶縁性GaAs基板が提供され、DE技法を使用して分子線エピタキシー(MBE)によってQDを成長させる。ステップ1312において、温度を約580℃に増大させる。次に、ステップ1314において、Asシャッタを開き、ステップ1316において、GaAs緩衝層の成長を開始する。
約580℃で200nm厚のGaAs緩衝層を成長させた後、ステップ1318において、Asシャッタが完全に閉じられて、背景気体圧2×10−10トール(2.67×10−8Pa)を維持する。C(4×4)表面再構築の構造がRHEEDによってはっきりと観測された。ステップ1320において、炭素シャッタが開かれる。
続けて、ステップ1322において、AlAs(3.3nm)とGaAs(3.3nm)が交互に成長し100周期である超格子(SL:superlattice)が形成される。ステップ1324において2〜4分間待った後、ステップ1326において、50nm厚Al0.35Ga0.65Asが約580℃で形成される。このステップ中、炭素源のシャッタが完全に開かれる。
次に、ステップ1328において、基板温度は約100℃〜200℃に下げられ、炭素シャッタが即座に閉じられる。ステップ1330において、Ga液滴が、As気体なしで3単分子層のGaを毎秒0.5単分子層の率で供給することによって形成される。液滴形成プロセス全体にわたり、背景気体圧は2×10−9トール(2.67×10−7Pa)未満に維持される。
ステップ1332において、Asシャッタが開かれる。ステップ1334において、成長温度が約100℃〜200℃に維持され、As4気体が4×10−6トール(5.33×10−4Pa)が維持され、結晶プロセスを10分間行うことによって、Ga液滴が結晶化されて、炭素ドープGaAs QDになる。次に、ステップ1336において、10nm厚Al0.35Ga0.65Asによって炭素ドープGaAs QDがキャッピングされる。次に、ステップ1338において、基板温度を約580℃に増大させる。ステップ1340において、別の40nm厚Al0.35Ga0.65Asキャッピング層が形成される。
図13A及び図13Bに示されるステップのいくつかを繰り返して、より多くのQD層を成長させてもよい。図8に示すようにAFMを使用して埋め込まれたQDの表面モルフォロジーを調べるために、例えば、第3の炭素ドープGaAs QD層が、埋め込まれたQDと同じ条件下で、半導体デバイスの表面上に形成される(図7参照)。PL実験は、マルチモード光ファイバを使用して温度4.2K〜300Kで実行されて、532nmレーザ光を半導体デバイスに送り、PLを収集し、図9A、図9B、図10、及び図11に示されるように、PLを分光計及び電子倍増電荷結合素子(EMCCD)によって分析する。
上記QD及びQDを成長させる方法は、光学用途、量子計算、生物学的用途、及び化学的用途を含むが、これらに限定されない多くの産業用途を有する。
光学用途に関しては、本発明によれば、QDは、発光の色の精密な制御が重要な用途として使用し得る。一例として、QDで作られた薄膜フィルタを蛍光灯又はLED灯のトップ部上に装着して、入射光を青みがかった色から、昔の様式の白熱灯によって生成される光に似たより赤みを帯びた色合いに変換し得る。QDは、顔料及び染料の代わりに使用することもできる。他の材料に埋め込まれて、QDはある色の入射光を吸収し、全く異なる色の光を生成する。QDの発光の色はまた、合成有機化学染料の発光の色よりも明るく、且つ制御し易い。
光学用途に関しては、本発明によれば、QDは、発光の色の精密な制御が重要な用途として使用し得る。一例として、QDで作られた薄膜フィルタを蛍光灯又はLED灯のトップ部上に装着して、入射光を青みがかった色から、昔の様式の白熱灯によって生成される光に似たより赤みを帯びた色合いに変換し得る。QDは、顔料及び染料の代わりに使用することもできる。他の材料に埋め込まれて、QDはある色の入射光を吸収し、全く異なる色の光を生成する。QDの発光の色はまた、合成有機化学染料の発光の色よりも明るく、且つ制御し易い。
本発明によれば、QDは、より効率的な太陽電池の開発に使用することもできる。従来の太陽電池では、日光の光子は電子を半導体から回路内に叩き出し、有用な電力を作るが、このプロセスの効率は極めて低い。QDは、衝突する光子毎により多くの電子(又はホール)を生成し、従来の半導体よりも高い効率の上昇を潜在的に提供する。
また、本発明によれば、QDは、大きくて重い従来の電荷結合素子(CCD)の用途で、より小型でより効率的な電荷結合素子を製造するために使用することもできる。CCDは、デジタルカメラ及びウェブカム等の物内の画像検出チップであり、入射光を電気信号パターンに変換することにより、太陽電池と同様に機能する。
また、本発明によれば、QDは、いくつかの利点により、コンピュータのディスプレイとモニタに使用し得る。第1に、典型的な液晶ディスプレイ(LCD)では、画像は、非常に明るいバックライトによって背後から液晶を照射して発される赤色光、青色光、及び緑色光の微細な組み合わせによって作られる。任意の色の光を発するようにQDを調整することができ、それにより、QDディスプレイはより忠実に色を再現する可能性が高い。第2に、QD自体が発光し、それにより、バックライトが必要なく、エネルギーをより効率的に利用でき、この点は、長い電池寿命が望まれる携帯電話等のポータブル装置での重要な考慮事項である。第3に、QDは液晶よりもはるかに小さく、それにより、より高い解像度の画像を生成することができる。
量子計算に関しては、本発明によれば、QDを光学コンピュータで使用し得、電子の代わりに光を用いて情報の記憶及び伝送を行うことが可能になる。光学コンピュータは、電子コンピュータがトランジスタ(電子切り替えデバイス)を使用するのと同様にして、メモリチップ及び論理ゲート内の基本構成要素としてQDを使用し得る。
量子コンピュータでは、ビット(二進数)は、トランジスタによってではなく、原子、イオン、電子、又は光子が互いにリンクされる(すなわち、「エンタングルされる」)ことによって記憶され、量子ビット(qubit)として表示する。これらの量子スケールの「スイッチ」は、複数の値を同時に記憶し、多種類の異なる問題に対して並列処理することができる。単独な原子等は、このように制御することは難しいが、QDは制御し易い。
生物学的用途及び化学的用途に関しては、本発明によれば、QDは、QDを人体の特定の部位に蓄積し、次に、QD内の抗がん薬を放出するように設計し得る。QDの利点は、従来の薬剤よりも精密に、肝臓等の単一の臓器をターゲットとすることができることであり、それにより、ターゲットのない従来の化学療法による副作用が低減される。
さらに本発明によれば、QDは、生物学的研究で有機染料として使用することもできる。例えば、顕微鏡下で研究する必要がある特定の細胞を照明し、特定の細胞を変色させるナノスケール電球として使用することができる。QDは炭疽菌等の生物兵器を検出するセンサとして使用することができる。限られた範囲の色を示し、比較的短期間に劣化する有機染料とは異なり、QD染料は非常に明るく、任意の色の可視光を生成することができ、より長持ちする。
最後に、本発明の実施形態により、多くのタイプ及び性質のQDと、QDを成長させる方法を当業者は想到できる。
例えば、本発明に記載された実施形態は、周期表III族材料としてGaを使用するが、本発明によれば、Al、In、又はTl等の周期表III族の他の材料を使用してもよいことを当業者は想到できる。同様に、本発明に記載された実施形態は、周期表V族材料としてAsを使用するが、本発明により、N、P、Sb、又はBi等の周期表V族の他の材料を使用してもよいことを当業者は想到できる。
例えば、本発明に記載された実施形態は、周期表III族材料としてGaを使用するが、本発明によれば、Al、In、又はTl等の周期表III族の他の材料を使用してもよいことを当業者は想到できる。同様に、本発明に記載された実施形態は、周期表V族材料としてAsを使用するが、本発明により、N、P、Sb、又はBi等の周期表V族の他の材料を使用してもよいことを当業者は想到できる。
同様に、本発明に記載された実施形態は、周期表III族−V族材料としてGaAsを使用するが、本発明により、GaSb又はAlGaAs等の周期表III−V族の他の材料又はそれらの様々な組み合わせを使用してもよいことを当業者は想到できる。
さらに、本発明に記載された実施形態は、周期表II族材料又は周期表IV族材料として炭素を使用するが、本発明により、Zn、Cd、Hg、Cn等の他の周期表II族材料又は周期表IV族材料を使用してもよいことを当業者は想到できる。
別の例として、上述されたQDはリング形状を有する。本発明により、QDが二重リング及び半球等の他の形状を有してもよいことを当業者は想到できる。さらに、本発明は、QDを成長させる方法において、200℃、400℃、450℃、及び500℃等の様々な温度を記載したが、本発明によれば、これらの温度に限定されなく、他の適切な温度を使用してもよいことを当業者は想到できる。
さらに別の例として、本発明は、様々な実施形態において、GaAs緩衝層及びAlGaAs層を含む異なる層の厚さを記述している。本発明により、他の厚さを使用してもよいことを当業者は想到できる。
本発明について様々な実施形態を通して説明したが、本発明の明細書と実施から、本発明の他の実施形態を当業者は想到できる。本明細書及び例が単なる例示として見なされ、本発明の真の請求の範囲及び趣旨が別紙の特許請求の範囲によって示される。
Claims (29)
- 基板と、
前記基板上に設置され、湿潤層を有していない、ドープされる量子ドットと、
を含む半導体デバイス。 - 前記基板と前記ドープされる量子ドットとの間に設置される緩衝層をさらに含み、
前記緩衝層は周期表III族材料及び周期表V族材料を含み、また、
前記ドープされる量子ドットは周期表III族材料及び周期表V族材料を含む請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記緩衝層はGaAsを含み、前記ドープされる量子ドットはGaAsを含む請求項2に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは、周期表II族材料又は周期表IV族材料によってドープされる請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素ドープされる請求項4に記載の半導体デバイス。
- 前記緩衝層はGaNまたはAlNを含み、前記ドープされる量子ドットはGaNを含む請求項2に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素、珪素または亜鉛によってドープされる請求項6に記載の半導体デバイス。
- 前記緩衝層はGaAsを含み、前記ドープされる量子ドットはGaSbを含む請求項2に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素、珪素または鉛によってドープされる請求項8に記載の半導体デバイス。
- 基板と
前記基板上に設置される、ドープされる量子ドットと、を含み、
室温より低くまたは室温に等しい温度において、前記ドープされる量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルは単一個のピークまたは一個を超える個数のピークを有する半導体デバイス。 - 前記基板と前記ドープされる量子ドットとの間に設置される緩衝層をさらに含み、
前記緩衝層は周期表III族材料及び周期表V族材料を含み、前記ドープされる量子ドットは周期表III族材料及び周期表V族材料を含む請求項10に記載の半導体デバイス。 - 前記緩衝層はGaAsを含み、前記ドープされる量子ドットはGaAsを含む請求項11に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは周期表II族材料又は周期表IV族材料によってドープされる請求項10に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素ドープされる請求項13に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルは可視光の範囲において単一個のピークまたは一個を超える個数のピークを有する請求項14に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルは約620nmと約750nmとの間の波長範囲において、単一個のピークまたは一個を超える個数のピークを有する請求項15に記載の半導体デバイス。
- 前記緩衝層はGaNまたはAlNを含み、前記ドープされる量子ドットはGaNを含む請求項11に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素、珪素または亜鉛によってドープされる請求項17に記載の半導体デバイス。
- 前記緩衝層はGaAsを含み、前記ドープされる量子ドットはGaSbを含む請求項11に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素、珪素または鉛によってドープされる請求項19に記載の半導体デバイス。
- 基板上に設置される緩衝層であって、前記緩衝層が周期表III族材料及び周期表V族材料を含む緩衝層と、
前記緩衝層上に設置される周期表III族−V族材料層と、
前記周期表III族−V族材料層に埋め込まれた、ドープされる量子ドットであって、前記ドープされる量子ドットは周期表III族材料及び周期表V族材料を含み、かつ周期表II族材料又は周期表IV族材料によってドープされる、ドープされる量子ドットと、を含む半導体デバイス。 - 前記緩衝層はGaAsを含み、前記ドープされる量子ドットはGaAsを含む請求項21に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素ドープされる請求項22に記載の半導体デバイス。
- 前記緩衝層はGaNまたはAlNを含み、前記ドープされる量子ドットはGaNを含む請求項21に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素、珪素または亜鉛によってドープされる請求項24に記載の半導体デバイス。
- 前記緩衝層はGaAsを含み、前記ドープされる量子ドットはGaSbを含む請求項21に記載の半導体デバイス。
- 前記ドープされる量子ドットは炭素、珪素または鉛によってドープされる請求項26に記載の半導体デバイス。
- 前記基板と前記周期表III族−V族材料層との間に設置される第1の超格子をさらに含み、前記第1の超格子は周期表III族材料及び周期表V族材料を含む請求項21に記載の半導体デバイス。
- 前記周期表III族−V族材料層上に設置される第2の超格子をさらに含み、前記第2の超格子は周期表III族材料及び周期表V族材料を含む請求項21に記載の半導体デバイス。
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