JP3977142B2 - 量子ドットの形成方法 - Google Patents
量子ドットの形成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3977142B2 JP3977142B2 JP2002147287A JP2002147287A JP3977142B2 JP 3977142 B2 JP3977142 B2 JP 3977142B2 JP 2002147287 A JP2002147287 A JP 2002147287A JP 2002147287 A JP2002147287 A JP 2002147287A JP 3977142 B2 JP3977142 B2 JP 3977142B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxide
- semiconductor substrate
- forming
- quantum dots
- recess
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Weting (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドットの形成方法に係り、特に所望の位置に所望の大きさで量子ドットを形成し得る量子ドットの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、量子ドットの形成方法としては、Stranski-Krastanowモード（Ｓ−Ｋモード）による形成方法が知られている。
【０００３】
Ｓ−Ｋモードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードのことである。下地の材料より格子定数の大きい膜をエピタキシャル成長することにより、３次元成長島より成る量子ドットが自己形成される。
【０００４】
Ｓ−Ｋモードは、量子ドットを容易に自己形成することができるモードであるため、光半導体装置等の分野で広く用いられている。
【０００５】
近時、量子情報や量子計算の分野の技術が大きく注目されている。これらの分野では、量子ドットを所望の位置に所望の大きさで形成することが極めて重要である。
【０００６】
しかし、上述した従来の量子ドットの形成方法では、形成される量子ドットの位置や大きさがランダムとなってしまう。
【０００７】
量子ドットを形成する位置を制御する技術としては、以下のような技術が提案されている。
【０００８】
例えば、特開２０００−３１５６５４号公報、U.S.Patent No.5,229,320号公報、及び、Appl. Phys. Lett., Vol.76, No.2, p.167-169, (2000)には、量子ドットを形成したい箇所の半導体基板表面に予め電子ビームを用いて凹部を形成しておくことにより、量子ドットを形成する位置を制御する技術が提案されている。凹部が形成された半導体基板上に半導体層を成長すると、半導体層は凹部上に速いレートで成長されやすい傾向があるため、量子ドットを凹部上に形成することができる。
【０００９】
また、Appl. Phys. Lett., Vol.75, No.22, p.3488-3490, (1999)、及び、Phys. Stat. Sol. (b) 224, No.2, p.521-525, (2001)には、量子ドットを形成したい箇所に予めＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope、走査型トンネル顕微鏡）を用いて堆積物を形成しておくことにより、量子ドットを形成する位置を制御する技術が提案されている。堆積物が形成された基板上に半導体層を成長すると、堆積物の上方の半導体層表面に凹部が形成される。そして、凹部が形成された半導体層上に他の半導体層を成長すると、凹部上における他の半導体層の成長レートが速いため、凹部上に量子ドットを形成することができる。
【００１０】
また、Appl. Phys. Lett., Vol.77, No.16, p.2607-2609, (2000)には、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope、原子間力顕微鏡）を用いて半導体基板表面に溝を形成し、溝内に量子ドットを形成する技術が提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電子ビームを用いて凹部を形成する上記の技術では、電子ビームを用いて凹部を形成する際に半導体基板の表面が炭素で汚染されてしまい、良質な量子ドットを形成することは困難である。
【００１２】
また、ＳＴＭを用いて量子ドットの位置を制御する上記の技術では、凹部が形成された半導体層に結晶欠陥が生じてしまう。結晶欠陥の生じた半導体層上には、良質な量子ドットを形成することは困難である。また、凹部の直径がある程度大きくなってしまうため、直径４０ｎｍ以下の微小な量子ドットを形成することは困難である。
【００１３】
また、ＡＦＭを用いて量子ドットの位置を制御する上記の技術では、ＡＦＭの探針を用いて基板表面を機械的に削ることにより溝を形成するため、溝の形状が不均一になってしまい、量子ドットを均一な大きさに形成するのは困難である。また、基板表面を機械的に削ることにより溝を形成するため、溝の部分に結晶欠陥が生じてしまう。このような結晶欠陥の生じた溝上に、結晶欠陥のない良質な量子ドットを成長することは困難である。
【００１４】
本発明の目的は、所望の位置に所望の大きさで良質な量子ドットを形成し得る量子ドットの形成方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程と、前記酸化物を除去することにより、前記酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程と、前記凹部が形成された前記半導体基板上に半導体層を成長し、前記凹部上に前記半導体層より成る量子ドットを形成する工程とを有し、前記凹部を形成する工程では、脱イオン水に浸漬した状態で前記半導体基板に超音波を印加することにより前記酸化物を除去することを特徴とする量子ドットの形成方法により達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による量子ドットの形成方法を図１乃至図５を用いて説明する。
【００１７】
本実施形態による量子ドットの形成方法は、主として、半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程と、酸化物を除去することにより、酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程と、凹部が形成された半導体基板上に半導体層を成長することにより、凹部上に半導体層より成る量子ドットを形成する工程とを有している。
（ａ）酸化物の形成
まず、半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その１）である。なお、図１は斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、不純物が高濃度にドープされた例えばＧａＡｓより半導体基板１０を用意する。
【００１９】
次に、ＡＦＭ酸化法により、半導体基板１０の表面に酸化物１２をドット状に形成する。
【００２０】
ＡＦＭ酸化法とは、ＡＦＭの探針を試料に近接し、ＡＦＭの探針と試料との間に電圧を印加することにより、試料表面に酸化物を形成する方法である。
【００２１】
図１に示すように、ＡＦＭの探針１４を半導体基板１０に近接し、探針１４に負のバイアスを印加し、半導体基板１０に正のバイアスを印加すると、大気中に含まれている水が、探針１４の先端近傍において、以下のように分解され、半導体基板１０の表面で酸化反応が起こる。
【００２２】
Ｈ2Ｏ → ＯＨ- ＋ Ｈ+
半導体基板１０として、例えばＧａＡｓ基板を用いた場合には、半導体基板１０の表面で、以下のような酸化反応が起こる。
【００２３】
２ＧａＡｓ ＋ ６ＯＨ- → Ｇａ2Ｏ3 ＋ Ａｓ2Ｏ3 ＋３Ｈ2 ＋ ６ｅ-
なお、ここでは、半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いた場合の酸化反応を例に説明したが、半導体基板１０はＧａＡｓ基板に限定されるものではなく、他の材料より成る半導体基板を用いた場合であっても、同様に半導体基板の表面に酸化物を形成することが可能である。
【００２４】
半導体基板１０の表面に酸化物１２を形成する際には、ＡＦＭの探針１４を静止させておく。ＡＦＭの探針１４を静止させた状態で酸化反応を起こさせれば、形成される酸化物１２の平面形状をほぼ円形とすることができるためである。
【００２５】
ＡＦＭ酸化を行う際の雰囲気は、例えば大気とする。
【００２６】
ＡＦＭ酸化を行う際の雰囲気の湿度は、例えば４０〜６０％とする。なお、ＡＦＭ酸化を行う際における雰囲気の湿度は、４０〜６０％に限定されるものではなく、酸化反応を起こさせることができる範囲で適宜設定すればよい。
【００２７】
ＡＦＭの動作モードは、例えばコンタクトモードとする。コンタクトモードとは、探針を試料表面に接触させたまま走査する動作モードのことである。
【００２８】
ＡＦＭ酸化を行う際に探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧は、例えば３〜７Ｖとする。
【００２９】
酸化反応を起こさせる時間は、例えば１〜２０秒とする。
【００３０】
一般に、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧を大きくするほど、形成される酸化物１２の大きさは大きくなる傾向にある。また、酸化反応を起こさせる時間を長いほど、形成される酸化物１２の大きさは大きくなる傾向にある。但し、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧があまりに大きすぎると、形成される酸化物１２の大きさが不均一になってしまう。一方、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧が小さすぎると酸化反応が生じない。このため、所望の大きさの酸化物１２を形成し得るように、印加電圧及び酸化時間を適宜設定する。
【００３１】
例えば、印加電圧を例えば５Ｖと設定し、酸化時間を例えば４秒と設定すれば、例えば直径５０ｎｍの酸化物１２を形成することができる。
【００３２】
また、印加電圧を例えば３Ｖと低く設定し、酸化時間を例えば４秒と設定すれば、例えば直径２０ｎｍの極めて小さい酸化物１２を形成することが可能である。
【００３３】
また、探針の材料としてカーボンナノチューブを用いれば、例えば直径１０ｎｍ程度の極めて小さい酸化物１２を形成することも可能である。カーボンナノチューブを用いれば、先端が極めて微細な探針１４を構成することが可能なためである。
【００３４】
なお、カーボンナノチューブとは、自己組織的に形成されたナノ構造体であって、炭素元素から構成される円筒状の構造体のことである。
【００３５】
こうして形成される酸化物１２のほぼ下半分は、半導体基板１０中に埋め込まれた状態となり、酸化物１２のほぼ上半分は、半導体基板１０から露出した状態となる。
【００３６】
なお、上記では、ＡＦＭの動作モードをコンタクトモードとする場合を例に説明したが、ＡＦＭの動作モードはコンタクトモードに限定されるものではなく、ＡＦＭ酸化を行うことができる動作モードであれば、他のあらゆる動作モードに適宜設定することができる。例えば、動作モードをタッピングモードとしてもよい。タッピングモードとは、探針を支持するカンチレバーを共振周波数近傍で振動させ、試料表面を断続的に触れながら走査する動作モードのことである。タッピングモードの場合には、コンタクトモードの場合より印加電圧を高めに設定することが望ましい。
【００３７】
また、上記では、ＡＦＭの探針１４を静止させた状態で酸化反応を起こさせる場合を例に説明したが、ＡＦＭの仕様上、探針１４を静止させておくことが困難な場合には、走査速度をできるだけ遅く設定すればよい。但し、探針１４が移動している状態で酸化反応を起こさせると、酸化物１２の平面形状が長細くなってしまうため、酸化反応を起こさせる際の探針１４の移動距離は例えば５ｎｍ以下に抑えることが望ましい。
【００３８】
図２は、半導体基板の表面にドット状に酸化物が形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【００３９】
半導体基板１０として、表面に２×１０18ｃｍ-2の濃度でＳｉがドープされたｎ+型の（００１）のＧａＡｓ基板を用いた。また、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧は４Ｖとした。また、一箇所当たりの酸化時間は８秒とした。
【００４０】
図２から分かるように、酸化物１２は、所望の位置にほぼ均等な間隔でドット状に形成されている。
【００４１】
また、酸化物１２の平面形状は、いずれもほぼ円形となっている。
【００４２】
また、酸化物１２の直径は、ほぼ均一となっており、具体的には３５〜４５ｎｍ程度となっている。
【００４３】
また、酸化物１２の高さも、ほぼ均一となっており、具体的には０．６〜０．８ｎｍ程度となっている。
【００４４】
このように、本実施形態では、ＡＦＭ酸化法により半導体基板１０の表面に酸化物１２を形成するため、所望の位置に所望の大きさで酸化物１２をドット状に形成することができる。
（ｂ）酸化物の除去
次に、酸化物を除去することにより、酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その２）である。なお、図３は断面図である。
【００４５】
図３（ａ）に示すように、半導体基板１０の表面に形成された酸化物１２を、例えば化学的エッチングにより除去する。
【００４６】
エッチング液としては、半導体基板１０をエッチングすることなく、酸化物１２を選択的にエッチング除去し得るエッチング液を適宜用いる。ＡＦＭ酸化により形成される酸化物１２は、通常の半導体装置の製造プロセスにおいてウエット酸化により形成される酸化物１２とほぼ同様である。従って、通常の半導体装置の製造プロセスにおいて用いられるエッチング液と同様のエッチング液を適宜用いれば、半導体基板１０をエッチングすることなく、酸化物１２を選択的にエッチング除去することが可能である。
【００４７】
半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いる場合には、エッチング液として、例えば希釈されたＨＣｌを用いる。
【００４８】
なお、ここでは、エッチング液として希釈されたＨＣｌを用いる場合を例に説明するが、エッチング液は希釈されたＨＣｌに限定されるものではなく、半導体基板１０をエッチングすることなく酸化物１２を選択的にエッチング除去し得るエッチング液を適宜用いることができる。例えば、希釈されたフッ酸や希釈されたアンモニア（ＮＨ4ＯＨ）等を適宜用いることができる。
【００４９】
エッチング時間は、半導体基板１０の表面に悪影響を及ぼすことなく、酸化物１２を選択的にエッチング除去できるように、適宜設定すればよい。
【００５０】
例えば、半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用い、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：２０〜１：１００のエッチング液を用いて酸化物を選択的にエッチング除去する場合には、エッチング時間は、例えば３０秒から数分程度とすればよい。
【００５１】
なお、エッチング液の濃度があまり高くない場合には、エッチング時間をあまり厳密に設定しなくても、特段の問題はない。
【００５２】
酸化物１２をエッチング除去する際の温度は、例えば室温とする。
【００５３】
こうして半導体基板１０の表面から酸化物１２が除去されると、酸化物１２が除去された箇所には、凹部１６が形成される。凹部１６の形状は、半導体基板１０に埋め込まれていた酸化物１２の形状とほぼ等しくなる。
【００５４】
従来は、例えば直径４０ｎｍ以下の凹部を形成するのは困難であったが、本実施形態では、上述したように酸化物１２の直径を例えば４０ｎｍ以下とすることが可能であるため、例えば直径４０ｎｍ以下の凹部１６を形成することが可能である。
【００５５】
また、上述したように、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧を小さく設定し、酸化時間を短く設定すれば、例えば直径２０ｎｍ以下の酸化物１２を形成することができるため、例えば直径２０ｎｍ以下の凹部１６を形成することも可能である。
【００５６】
また、上述したように、カーボンナノチューブを用いて探針１４を構成すれば、例えば直径１０ｎｍ程度の酸化物１２を形成することも可能であるため、例えば直径１０ｎｍ程度の極めて微小な凹部１６を形成することも可能である。
【００５７】
図４は、酸化物が除去された状態を示すＡＦＭ像である。
【００５８】
エッチング液としては、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：５０のエッチング液を用いた。また、エッチング条件は、室温、１分間とした。
【００５９】
図４から分かるように、酸化物１２がエッチング除去された箇所に、凹部１６が形成されている。
【００６０】
凹部１６の直径は、ほぼ均一となっており、具体的には３５〜４５ｎｍ程度となっている。
【００６１】
凹部１６の深さは、０．８ｎｍ以下となっている。
【００６２】
また、半導体基板１０の表面の粗さは、０．３ｎｍ以下となっている。このことは、エッチングされるべきでない半導体基板１０の表面については、エッチングされていないことを示している。
【００６３】
このように、半導体基板１０に形成された酸化物１２は化学的エッチングにより選択的に除去することが可能である。
【００６４】
酸化物１２を除去した後には、半導体基板１０の表面に付着しているエッチング液を、脱イオン水を用いて洗い流す。
【００６５】
この後、例えば、半導体基板１０の表面に窒素ガスを吹きかけることにより、半導体基板１０の表面を乾燥させる。
【００６６】
なお、上記では、半導体基板１０に形成された酸化物１２を化学的エッチングにより除去する場合を例に説明したが、酸化物１２は化学液エッチングのみならず、他の方法により除去してもよい。
【００６７】
例えば、以下に示すように、超音波を印加することによっても、酸化物１２を選択的に除去することが可能である。
【００６８】
なお、ここでは、超音波を印加する手段として超音波洗浄装置を用いる場合を例に説明するが、超音波を印加する手段は超音波洗浄装置に限定されるものではなく、半導体基板に超音波を印加し得る手段であればあらゆる手段を広く用いることができる。
【００６９】
まず、脱イオン水の入った超音波洗浄装置（図示せず）の洗浄槽（図示せず）に、酸化物１２が形成された半導体基板１０を浸漬する。
【００７０】
次に、洗浄槽に超音波を印加する。印加する超音波のパワーは、例えば１００Ｗとする。また、超音波の印加時間は、例えば数分〜２時間程度とする。これにより、半導体基板１０に形成された酸化物１２が除去される。
【００７１】
超音波を印加することにより半導体基板１０の表面から酸化物１２を選択的に除去し得るのは、以下のようなメカニズムによるものと考えられる。
【００７２】
即ち、酸化物１２と半導体基板１０との界面においては原子結合が弱くなっているため、超音波を印加すると酸化物１２が半導体基板１０の表面から分離される。一方、印加される超音波のパワーは、半導体基板１０自体の原子結合を破壊するほど強くはない。従って、超音波を印加することにより、半導体基板１０の表面から酸化物１２を選択的に除去することができる。
【００７３】
このように、超音波を印加することによっても半導体基板１０から酸化物１２を選択的に除去することが可能である。
【００７４】
酸化物１２を除去した後には、半導体基板１０に例えば窒素ガスを吹きかけることにより、半導体基板１０の表面を乾燥させる。
（ｃ）量子ドットの形成
次に、凹部が形成された半導体基板上に半導体層を成長することにより、凹部上に半導体層より成る量子ドットを形成する工程について、図３を用いて説明する。
【００７５】
まず、成長装置の真空チャンバ内に半導体基板１０を導入し、例えば約２５０℃、１時間のプリベークを行う。
【００７６】
次に、成長装置の成長室内に半導体基板１０を導入し、例えばＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、半導体層１８をヘテロ成長する。半導体層１８の材料としては、例えば半導体基板１０の材料よりバンドギャップが狭く、半導体基板１０より格子定数の大きい材料を用いる。
【００７７】
例えば、半導体基板１０の材料としてＧａＡｓを用いる場合には、半導体層１８の材料として例えばＩｎＧａＡｓを用いることができる。
【００７８】
凹部１６が形成された半導体基板１０上に半導体層１８を気相成長すると、凹部１６における半導体層１８の成長速度は、半導体基板１０の凹部１６を除く平坦な領域における半導体層１８の成長速度より速い傾向がある。このため、図３（ｂ）〜図３（ｅ）に示すように、凹部１６上に半導体層１８より成る量子ドット２０が大きく成長する。
【００７９】
図３（ｅ）に示すように、量子ドット２０の上部は、半導体基板１０の凹部１６を除く平坦な領域に形成された半導体層１８の上面より上方に突出する。
【００８０】
なお、量子ドット２０の成長レートは、凹部１６の大きさに依存する傾向がある。このため、凹部１６の直径が大きいほど、直径が大きく高さの高い量子ドット２０が形成される傾向がある。従って、凹部１６の直径を適宜設定することにより、大きさの異なる量子ドット２０を適宜設定することが可能である。
【００８１】
また、量子ドット２０の直径は、凹部１６の直径とほぼ同様になる傾向がある。このため、量子ドット２０の成長時間を適宜設定することにより、直径が均一で、高さが異なる量子ドット２０を適宜設定することが可能である。
【００８２】
図５は、量子ドットが形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【００８３】
半導体層１８の材料としては、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓを用いた。半導体層１８の成長は、４．４原子層を成長する条件で行った。成長室内の温度は４８０℃とした。
【００８４】
図５から分かるように、半導体基板１０に形成された凹部１６上に、ほぼ均一な大きさで量子ドット２０が形成されている。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、凹部１６が形成された箇所に、ほぼ均一な大きさで量子ドット２０を形成することが可能である。
【００８６】
なお、酸化物１２を除去する工程の後、量子ドット２０を形成する工程の前に、半導体基板１０の表面粗さを滑らかにするための平滑層（図示せず）を形成してもよい。表面の粗い半導体基板１０上に半導体層１８を直接成長した場合には、凹部１６以外の領域の半導体基板１０上に量子ドット２０が形成されてしまう虞があるが、半導体基板１０上に平滑層を形成すれば、半導体基板１０の表面が平滑化されるため、凹部１６以外の領域の半導体基板１０上に量子ドットが形成されてしまうのを防止することができる。平滑層の厚さは、凹部１６の深さがあまり浅くならないように適宜設定すればよく、例えば１ｎｍ以下とすればよい。
【００８７】
このように本実施形態によれば、ＡＦＭ酸化法により半導体基板の表面にドット状の酸化物を形成し、酸化物を除去することにより半導体基板に凹部を形成するため、所望の位置に所望の大きさで凹部を精密に形成することができる。そして、このような凹部上に量子ドットを成長するため、所望の位置に所望の大きさで良質な量子ドットを形成することができる。
【００８８】
本実施形態によれば、所望の位置に所望の大きさの量子ドットを形成することができるため、量子情報や量子計算の分野等で用いることが可能な量子ドットを形成することができる。本実施形態によれば、例えば、Phys. Rev. A 62, 062316, (2000)において提案されている量子コンピュータに用いることができる量子ドットを形成することも可能である。
【００８９】
（変形例）
次に、本実施形態の変形例による量子ドットの形成方法を図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、本変形例による量子ドットの形成方法を示す工程図である。図６は斜視図であり、図７は断面図である。
【００９０】
本変形例による量子ドットの形成方法は、半導体基板１０上に表面の滑らかな半導体層２２を形成することに主な特徴がある。
【００９１】
まず、図６に示すように、半導体基板１０上の全面に、例えばＭＢＥ法により、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓより成る半導体層２２を形成する。半導体層２２の表面粗さは、できるだけ滑らかであることが望ましく、例えば０．５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００９２】
次に、ＡＦＭ酸化により、半導体層２２の表面に酸化物１２をドット状に形成する。酸化物１２の形成条件は、例えば上記と同様とすればよい。本変形例によれば、半導体基板１０上に表面の滑らかな半導体層２２を形成し、この半導体層２２に酸化物１２を形成するため、半導体基板１０自体の表面が粗い場合であっても、所望の位置に所望の大きさの酸化物１２を形成することが可能となる。
【００９３】
次に、図７（ａ）に示すように、酸化物１２を除去する。酸化物１２は、上記と同様にして除去することが可能である。こうして、酸化物１２が除去された箇所の半導体層２２に凹部１６ａが形成される。
【００９４】
次に、図７（ｂ）乃至図７（ｅ）に示すように、半導体層１８をヘテロ成長する。半導体層１８は、例えば上記と同様にして形成することが可能である。こうして、凹部１６ａ上に、半導体層１８より成る量子ドット２０が形成される。本変形例によれば、表面が滑らかな半導体層２２上に半導体層１８をヘテロ成長するため、半導体基板１０自体の表面が粗い場合であっても、凹部１６ａ以外の箇所に量子ドットが形成されてしまうのを防止することができる。
【００９５】
このように、本変形例によれば、半導体基板１０上に表面が滑らかな半導体層２２を形成するため、半導体基板１０自体の表面が粗い場合であっても、半導体基板１０の表面の粗さの影響を受けることなく、所望の位置に所望の大きさで量子ドット２０を形成することができる。
【００９６】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９７】
例えば、上記実施形態では、ＡＦＭを用いて半導体基板に酸化物を形成する場合を例に説明したが、必ずしもＡＦＭを用いなくてもよい。即ち、針状の導電体を半導体基板に近接して、針状の導電体と半導体基板との間に電圧を印加することにより、半導体基板に酸化物を形成しうる装置であればあらゆる装置を適宜用いることができる。
【００９８】
また、上記実施形態では、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いたが、半導体基板はＧａＡｓ基板に限定されるものではなく、他のあらゆる半導体基板を用いることができる。凹部が形成された半導体基板上に、半導体基板の材料より格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することが可能である。
【００９９】
例えば、半導体基板としてＳｉ基板を用いてもよい。Ｓｉ基板を用いた場合には、ＳｉＯ2より成る酸化物が形成される。この場合、エッチング液として、例えば希釈フッ酸を用いれば、Ｓｉ基板をエッチングすることなく、ＳｉＯ2より成る酸化物を選択的にエッチング除去することができる。凹部が形成されたＳｉ基板上に、Ｓｉより格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することができる。半導体層の材料としては、例えばＧｅを用いることができる。
【０１００】
また、半導体基板としてＡｌＧａＡｓ基板を用いてもよい。凹部が形成されたＡｌＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓより格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することができる。半導体層の材料としては、例えばＩｎＡｌＧａＡｓを用いることができる。
【０１０１】
また、半導体基板としてＺｎＳｅ基板を用いてもよい。凹部が形成されたＺｎＳｅ基板上に、ＺｎＳｅより格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することができる。半導体層の材料としては、例えばＣｄＳｅを用いることができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、ＡＦＭ酸化法により半導体基板の表面にドット状の酸化物を形成し、酸化物を除去することにより半導体基板に凹部を形成するため、所望の位置に所望の大きさで凹部を精密に形成することができる。そして、このような凹部上に量子ドットを成長するため、本発明によれば、所望の位置に所望の大きさで良質な量子ドットを形成することができる。本発明によれば、所望の位置に所望の大きさの量子ドットを形成することができるため、量子情報や量子計算の分野等で用いることが可能な量子ドットを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その１）である。
【図２】半導体基板の表面にドット状に酸化物が形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【図３】本発明の一実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その２）である。
【図４】酸化物が除去された状態を示すＡＦＭ像である。
【図５】量子ドットが形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【図６】本発明の一実施形態の変形例による量子ドットの形成方法を示す工程図（その１）である。
【図７】本発明の一実施形態の変形例による量子ドットの形成方法を示す工程図（その２）である。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１２…酸化物
１４…探針
１６、１６ａ…凹部
１８…半導体層
２０…量子ドット
２２…半導体層
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドットの形成方法に係り、特に所望の位置に所望の大きさで量子ドットを形成し得る量子ドットの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、量子ドットの形成方法としては、Stranski-Krastanowモード（Ｓ−Ｋモード）による形成方法が知られている。
【０００３】
Ｓ−Ｋモードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードのことである。下地の材料より格子定数の大きい膜をエピタキシャル成長することにより、３次元成長島より成る量子ドットが自己形成される。
【０００４】
Ｓ−Ｋモードは、量子ドットを容易に自己形成することができるモードであるため、光半導体装置等の分野で広く用いられている。
【０００５】
近時、量子情報や量子計算の分野の技術が大きく注目されている。これらの分野では、量子ドットを所望の位置に所望の大きさで形成することが極めて重要である。
【０００６】
しかし、上述した従来の量子ドットの形成方法では、形成される量子ドットの位置や大きさがランダムとなってしまう。
【０００７】
量子ドットを形成する位置を制御する技術としては、以下のような技術が提案されている。
【０００８】
例えば、特開２０００−３１５６５４号公報、U.S.Patent No.5,229,320号公報、及び、Appl. Phys. Lett., Vol.76, No.2, p.167-169, (2000)には、量子ドットを形成したい箇所の半導体基板表面に予め電子ビームを用いて凹部を形成しておくことにより、量子ドットを形成する位置を制御する技術が提案されている。凹部が形成された半導体基板上に半導体層を成長すると、半導体層は凹部上に速いレートで成長されやすい傾向があるため、量子ドットを凹部上に形成することができる。
【０００９】
また、Appl. Phys. Lett., Vol.75, No.22, p.3488-3490, (1999)、及び、Phys. Stat. Sol. (b) 224, No.2, p.521-525, (2001)には、量子ドットを形成したい箇所に予めＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope、走査型トンネル顕微鏡）を用いて堆積物を形成しておくことにより、量子ドットを形成する位置を制御する技術が提案されている。堆積物が形成された基板上に半導体層を成長すると、堆積物の上方の半導体層表面に凹部が形成される。そして、凹部が形成された半導体層上に他の半導体層を成長すると、凹部上における他の半導体層の成長レートが速いため、凹部上に量子ドットを形成することができる。
【００１０】
また、Appl. Phys. Lett., Vol.77, No.16, p.2607-2609, (2000)には、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope、原子間力顕微鏡）を用いて半導体基板表面に溝を形成し、溝内に量子ドットを形成する技術が提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電子ビームを用いて凹部を形成する上記の技術では、電子ビームを用いて凹部を形成する際に半導体基板の表面が炭素で汚染されてしまい、良質な量子ドットを形成することは困難である。
【００１２】
また、ＳＴＭを用いて量子ドットの位置を制御する上記の技術では、凹部が形成された半導体層に結晶欠陥が生じてしまう。結晶欠陥の生じた半導体層上には、良質な量子ドットを形成することは困難である。また、凹部の直径がある程度大きくなってしまうため、直径４０ｎｍ以下の微小な量子ドットを形成することは困難である。
【００１３】
また、ＡＦＭを用いて量子ドットの位置を制御する上記の技術では、ＡＦＭの探針を用いて基板表面を機械的に削ることにより溝を形成するため、溝の形状が不均一になってしまい、量子ドットを均一な大きさに形成するのは困難である。また、基板表面を機械的に削ることにより溝を形成するため、溝の部分に結晶欠陥が生じてしまう。このような結晶欠陥の生じた溝上に、結晶欠陥のない良質な量子ドットを成長することは困難である。
【００１４】
本発明の目的は、所望の位置に所望の大きさで良質な量子ドットを形成し得る量子ドットの形成方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程と、前記酸化物を除去することにより、前記酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程と、前記凹部が形成された前記半導体基板上に半導体層を成長し、前記凹部上に前記半導体層より成る量子ドットを形成する工程とを有し、前記凹部を形成する工程では、脱イオン水に浸漬した状態で前記半導体基板に超音波を印加することにより前記酸化物を除去することを特徴とする量子ドットの形成方法により達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による量子ドットの形成方法を図１乃至図５を用いて説明する。
【００１７】
本実施形態による量子ドットの形成方法は、主として、半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程と、酸化物を除去することにより、酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程と、凹部が形成された半導体基板上に半導体層を成長することにより、凹部上に半導体層より成る量子ドットを形成する工程とを有している。
（ａ）酸化物の形成
まず、半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その１）である。なお、図１は斜視図である。
【００１８】
図１に示すように、不純物が高濃度にドープされた例えばＧａＡｓより半導体基板１０を用意する。
【００１９】
次に、ＡＦＭ酸化法により、半導体基板１０の表面に酸化物１２をドット状に形成する。
【００２０】
ＡＦＭ酸化法とは、ＡＦＭの探針を試料に近接し、ＡＦＭの探針と試料との間に電圧を印加することにより、試料表面に酸化物を形成する方法である。
【００２１】
図１に示すように、ＡＦＭの探針１４を半導体基板１０に近接し、探針１４に負のバイアスを印加し、半導体基板１０に正のバイアスを印加すると、大気中に含まれている水が、探針１４の先端近傍において、以下のように分解され、半導体基板１０の表面で酸化反応が起こる。
【００２２】
Ｈ2Ｏ → ＯＨ- ＋ Ｈ+
半導体基板１０として、例えばＧａＡｓ基板を用いた場合には、半導体基板１０の表面で、以下のような酸化反応が起こる。
【００２３】
２ＧａＡｓ ＋ ６ＯＨ- → Ｇａ2Ｏ3 ＋ Ａｓ2Ｏ3 ＋３Ｈ2 ＋ ６ｅ-
なお、ここでは、半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いた場合の酸化反応を例に説明したが、半導体基板１０はＧａＡｓ基板に限定されるものではなく、他の材料より成る半導体基板を用いた場合であっても、同様に半導体基板の表面に酸化物を形成することが可能である。
【００２４】
半導体基板１０の表面に酸化物１２を形成する際には、ＡＦＭの探針１４を静止させておく。ＡＦＭの探針１４を静止させた状態で酸化反応を起こさせれば、形成される酸化物１２の平面形状をほぼ円形とすることができるためである。
【００２５】
ＡＦＭ酸化を行う際の雰囲気は、例えば大気とする。
【００２６】
ＡＦＭ酸化を行う際の雰囲気の湿度は、例えば４０〜６０％とする。なお、ＡＦＭ酸化を行う際における雰囲気の湿度は、４０〜６０％に限定されるものではなく、酸化反応を起こさせることができる範囲で適宜設定すればよい。
【００２７】
ＡＦＭの動作モードは、例えばコンタクトモードとする。コンタクトモードとは、探針を試料表面に接触させたまま走査する動作モードのことである。
【００２８】
ＡＦＭ酸化を行う際に探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧は、例えば３〜７Ｖとする。
【００２９】
酸化反応を起こさせる時間は、例えば１〜２０秒とする。
【００３０】
一般に、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧を大きくするほど、形成される酸化物１２の大きさは大きくなる傾向にある。また、酸化反応を起こさせる時間を長いほど、形成される酸化物１２の大きさは大きくなる傾向にある。但し、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧があまりに大きすぎると、形成される酸化物１２の大きさが不均一になってしまう。一方、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧が小さすぎると酸化反応が生じない。このため、所望の大きさの酸化物１２を形成し得るように、印加電圧及び酸化時間を適宜設定する。
【００３１】
例えば、印加電圧を例えば５Ｖと設定し、酸化時間を例えば４秒と設定すれば、例えば直径５０ｎｍの酸化物１２を形成することができる。
【００３２】
また、印加電圧を例えば３Ｖと低く設定し、酸化時間を例えば４秒と設定すれば、例えば直径２０ｎｍの極めて小さい酸化物１２を形成することが可能である。
【００３３】
また、探針の材料としてカーボンナノチューブを用いれば、例えば直径１０ｎｍ程度の極めて小さい酸化物１２を形成することも可能である。カーボンナノチューブを用いれば、先端が極めて微細な探針１４を構成することが可能なためである。
【００３４】
なお、カーボンナノチューブとは、自己組織的に形成されたナノ構造体であって、炭素元素から構成される円筒状の構造体のことである。
【００３５】
こうして形成される酸化物１２のほぼ下半分は、半導体基板１０中に埋め込まれた状態となり、酸化物１２のほぼ上半分は、半導体基板１０から露出した状態となる。
【００３６】
なお、上記では、ＡＦＭの動作モードをコンタクトモードとする場合を例に説明したが、ＡＦＭの動作モードはコンタクトモードに限定されるものではなく、ＡＦＭ酸化を行うことができる動作モードであれば、他のあらゆる動作モードに適宜設定することができる。例えば、動作モードをタッピングモードとしてもよい。タッピングモードとは、探針を支持するカンチレバーを共振周波数近傍で振動させ、試料表面を断続的に触れながら走査する動作モードのことである。タッピングモードの場合には、コンタクトモードの場合より印加電圧を高めに設定することが望ましい。
【００３７】
また、上記では、ＡＦＭの探針１４を静止させた状態で酸化反応を起こさせる場合を例に説明したが、ＡＦＭの仕様上、探針１４を静止させておくことが困難な場合には、走査速度をできるだけ遅く設定すればよい。但し、探針１４が移動している状態で酸化反応を起こさせると、酸化物１２の平面形状が長細くなってしまうため、酸化反応を起こさせる際の探針１４の移動距離は例えば５ｎｍ以下に抑えることが望ましい。
【００３８】
図２は、半導体基板の表面にドット状に酸化物が形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【００３９】
半導体基板１０として、表面に２×１０18ｃｍ-2の濃度でＳｉがドープされたｎ+型の（００１）のＧａＡｓ基板を用いた。また、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧は４Ｖとした。また、一箇所当たりの酸化時間は８秒とした。
【００４０】
図２から分かるように、酸化物１２は、所望の位置にほぼ均等な間隔でドット状に形成されている。
【００４１】
また、酸化物１２の平面形状は、いずれもほぼ円形となっている。
【００４２】
また、酸化物１２の直径は、ほぼ均一となっており、具体的には３５〜４５ｎｍ程度となっている。
【００４３】
また、酸化物１２の高さも、ほぼ均一となっており、具体的には０．６〜０．８ｎｍ程度となっている。
【００４４】
このように、本実施形態では、ＡＦＭ酸化法により半導体基板１０の表面に酸化物１２を形成するため、所望の位置に所望の大きさで酸化物１２をドット状に形成することができる。
（ｂ）酸化物の除去
次に、酸化物を除去することにより、酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その２）である。なお、図３は断面図である。
【００４５】
図３（ａ）に示すように、半導体基板１０の表面に形成された酸化物１２を、例えば化学的エッチングにより除去する。
【００４６】
エッチング液としては、半導体基板１０をエッチングすることなく、酸化物１２を選択的にエッチング除去し得るエッチング液を適宜用いる。ＡＦＭ酸化により形成される酸化物１２は、通常の半導体装置の製造プロセスにおいてウエット酸化により形成される酸化物１２とほぼ同様である。従って、通常の半導体装置の製造プロセスにおいて用いられるエッチング液と同様のエッチング液を適宜用いれば、半導体基板１０をエッチングすることなく、酸化物１２を選択的にエッチング除去することが可能である。
【００４７】
半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用いる場合には、エッチング液として、例えば希釈されたＨＣｌを用いる。
【００４８】
なお、ここでは、エッチング液として希釈されたＨＣｌを用いる場合を例に説明するが、エッチング液は希釈されたＨＣｌに限定されるものではなく、半導体基板１０をエッチングすることなく酸化物１２を選択的にエッチング除去し得るエッチング液を適宜用いることができる。例えば、希釈されたフッ酸や希釈されたアンモニア（ＮＨ4ＯＨ）等を適宜用いることができる。
【００４９】
エッチング時間は、半導体基板１０の表面に悪影響を及ぼすことなく、酸化物１２を選択的にエッチング除去できるように、適宜設定すればよい。
【００５０】
例えば、半導体基板１０としてＧａＡｓ基板を用い、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：２０〜１：１００のエッチング液を用いて酸化物を選択的にエッチング除去する場合には、エッチング時間は、例えば３０秒から数分程度とすればよい。
【００５１】
なお、エッチング液の濃度があまり高くない場合には、エッチング時間をあまり厳密に設定しなくても、特段の問題はない。
【００５２】
酸化物１２をエッチング除去する際の温度は、例えば室温とする。
【００５３】
こうして半導体基板１０の表面から酸化物１２が除去されると、酸化物１２が除去された箇所には、凹部１６が形成される。凹部１６の形状は、半導体基板１０に埋め込まれていた酸化物１２の形状とほぼ等しくなる。
【００５４】
従来は、例えば直径４０ｎｍ以下の凹部を形成するのは困難であったが、本実施形態では、上述したように酸化物１２の直径を例えば４０ｎｍ以下とすることが可能であるため、例えば直径４０ｎｍ以下の凹部１６を形成することが可能である。
【００５５】
また、上述したように、探針１４と半導体基板１０との間に印加する電圧を小さく設定し、酸化時間を短く設定すれば、例えば直径２０ｎｍ以下の酸化物１２を形成することができるため、例えば直径２０ｎｍ以下の凹部１６を形成することも可能である。
【００５６】
また、上述したように、カーボンナノチューブを用いて探針１４を構成すれば、例えば直径１０ｎｍ程度の酸化物１２を形成することも可能であるため、例えば直径１０ｎｍ程度の極めて微小な凹部１６を形成することも可能である。
【００５７】
図４は、酸化物が除去された状態を示すＡＦＭ像である。
【００５８】
エッチング液としては、ＨＣｌ：Ｈ2Ｏ＝１：５０のエッチング液を用いた。また、エッチング条件は、室温、１分間とした。
【００５９】
図４から分かるように、酸化物１２がエッチング除去された箇所に、凹部１６が形成されている。
【００６０】
凹部１６の直径は、ほぼ均一となっており、具体的には３５〜４５ｎｍ程度となっている。
【００６１】
凹部１６の深さは、０．８ｎｍ以下となっている。
【００６２】
また、半導体基板１０の表面の粗さは、０．３ｎｍ以下となっている。このことは、エッチングされるべきでない半導体基板１０の表面については、エッチングされていないことを示している。
【００６３】
このように、半導体基板１０に形成された酸化物１２は化学的エッチングにより選択的に除去することが可能である。
【００６４】
酸化物１２を除去した後には、半導体基板１０の表面に付着しているエッチング液を、脱イオン水を用いて洗い流す。
【００６５】
この後、例えば、半導体基板１０の表面に窒素ガスを吹きかけることにより、半導体基板１０の表面を乾燥させる。
【００６６】
なお、上記では、半導体基板１０に形成された酸化物１２を化学的エッチングにより除去する場合を例に説明したが、酸化物１２は化学液エッチングのみならず、他の方法により除去してもよい。
【００６７】
例えば、以下に示すように、超音波を印加することによっても、酸化物１２を選択的に除去することが可能である。
【００６８】
なお、ここでは、超音波を印加する手段として超音波洗浄装置を用いる場合を例に説明するが、超音波を印加する手段は超音波洗浄装置に限定されるものではなく、半導体基板に超音波を印加し得る手段であればあらゆる手段を広く用いることができる。
【００６９】
まず、脱イオン水の入った超音波洗浄装置（図示せず）の洗浄槽（図示せず）に、酸化物１２が形成された半導体基板１０を浸漬する。
【００７０】
次に、洗浄槽に超音波を印加する。印加する超音波のパワーは、例えば１００Ｗとする。また、超音波の印加時間は、例えば数分〜２時間程度とする。これにより、半導体基板１０に形成された酸化物１２が除去される。
【００７１】
超音波を印加することにより半導体基板１０の表面から酸化物１２を選択的に除去し得るのは、以下のようなメカニズムによるものと考えられる。
【００７２】
即ち、酸化物１２と半導体基板１０との界面においては原子結合が弱くなっているため、超音波を印加すると酸化物１２が半導体基板１０の表面から分離される。一方、印加される超音波のパワーは、半導体基板１０自体の原子結合を破壊するほど強くはない。従って、超音波を印加することにより、半導体基板１０の表面から酸化物１２を選択的に除去することができる。
【００７３】
このように、超音波を印加することによっても半導体基板１０から酸化物１２を選択的に除去することが可能である。
【００７４】
酸化物１２を除去した後には、半導体基板１０に例えば窒素ガスを吹きかけることにより、半導体基板１０の表面を乾燥させる。
（ｃ）量子ドットの形成
次に、凹部が形成された半導体基板上に半導体層を成長することにより、凹部上に半導体層より成る量子ドットを形成する工程について、図３を用いて説明する。
【００７５】
まず、成長装置の真空チャンバ内に半導体基板１０を導入し、例えば約２５０℃、１時間のプリベークを行う。
【００７６】
次に、成長装置の成長室内に半導体基板１０を導入し、例えばＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、半導体層１８をヘテロ成長する。半導体層１８の材料としては、例えば半導体基板１０の材料よりバンドギャップが狭く、半導体基板１０より格子定数の大きい材料を用いる。
【００７７】
例えば、半導体基板１０の材料としてＧａＡｓを用いる場合には、半導体層１８の材料として例えばＩｎＧａＡｓを用いることができる。
【００７８】
凹部１６が形成された半導体基板１０上に半導体層１８を気相成長すると、凹部１６における半導体層１８の成長速度は、半導体基板１０の凹部１６を除く平坦な領域における半導体層１８の成長速度より速い傾向がある。このため、図３（ｂ）〜図３（ｅ）に示すように、凹部１６上に半導体層１８より成る量子ドット２０が大きく成長する。
【００７９】
図３（ｅ）に示すように、量子ドット２０の上部は、半導体基板１０の凹部１６を除く平坦な領域に形成された半導体層１８の上面より上方に突出する。
【００８０】
なお、量子ドット２０の成長レートは、凹部１６の大きさに依存する傾向がある。このため、凹部１６の直径が大きいほど、直径が大きく高さの高い量子ドット２０が形成される傾向がある。従って、凹部１６の直径を適宜設定することにより、大きさの異なる量子ドット２０を適宜設定することが可能である。
【００８１】
また、量子ドット２０の直径は、凹部１６の直径とほぼ同様になる傾向がある。このため、量子ドット２０の成長時間を適宜設定することにより、直径が均一で、高さが異なる量子ドット２０を適宜設定することが可能である。
【００８２】
図５は、量子ドットが形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【００８３】
半導体層１８の材料としては、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓを用いた。半導体層１８の成長は、４．４原子層を成長する条件で行った。成長室内の温度は４８０℃とした。
【００８４】
図５から分かるように、半導体基板１０に形成された凹部１６上に、ほぼ均一な大きさで量子ドット２０が形成されている。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、凹部１６が形成された箇所に、ほぼ均一な大きさで量子ドット２０を形成することが可能である。
【００８６】
なお、酸化物１２を除去する工程の後、量子ドット２０を形成する工程の前に、半導体基板１０の表面粗さを滑らかにするための平滑層（図示せず）を形成してもよい。表面の粗い半導体基板１０上に半導体層１８を直接成長した場合には、凹部１６以外の領域の半導体基板１０上に量子ドット２０が形成されてしまう虞があるが、半導体基板１０上に平滑層を形成すれば、半導体基板１０の表面が平滑化されるため、凹部１６以外の領域の半導体基板１０上に量子ドットが形成されてしまうのを防止することができる。平滑層の厚さは、凹部１６の深さがあまり浅くならないように適宜設定すればよく、例えば１ｎｍ以下とすればよい。
【００８７】
このように本実施形態によれば、ＡＦＭ酸化法により半導体基板の表面にドット状の酸化物を形成し、酸化物を除去することにより半導体基板に凹部を形成するため、所望の位置に所望の大きさで凹部を精密に形成することができる。そして、このような凹部上に量子ドットを成長するため、所望の位置に所望の大きさで良質な量子ドットを形成することができる。
【００８８】
本実施形態によれば、所望の位置に所望の大きさの量子ドットを形成することができるため、量子情報や量子計算の分野等で用いることが可能な量子ドットを形成することができる。本実施形態によれば、例えば、Phys. Rev. A 62, 062316, (2000)において提案されている量子コンピュータに用いることができる量子ドットを形成することも可能である。
【００８９】
（変形例）
次に、本実施形態の変形例による量子ドットの形成方法を図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は、本変形例による量子ドットの形成方法を示す工程図である。図６は斜視図であり、図７は断面図である。
【００９０】
本変形例による量子ドットの形成方法は、半導体基板１０上に表面の滑らかな半導体層２２を形成することに主な特徴がある。
【００９１】
まず、図６に示すように、半導体基板１０上の全面に、例えばＭＢＥ法により、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓより成る半導体層２２を形成する。半導体層２２の表面粗さは、できるだけ滑らかであることが望ましく、例えば０．５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００９２】
次に、ＡＦＭ酸化により、半導体層２２の表面に酸化物１２をドット状に形成する。酸化物１２の形成条件は、例えば上記と同様とすればよい。本変形例によれば、半導体基板１０上に表面の滑らかな半導体層２２を形成し、この半導体層２２に酸化物１２を形成するため、半導体基板１０自体の表面が粗い場合であっても、所望の位置に所望の大きさの酸化物１２を形成することが可能となる。
【００９３】
次に、図７（ａ）に示すように、酸化物１２を除去する。酸化物１２は、上記と同様にして除去することが可能である。こうして、酸化物１２が除去された箇所の半導体層２２に凹部１６ａが形成される。
【００９４】
次に、図７（ｂ）乃至図７（ｅ）に示すように、半導体層１８をヘテロ成長する。半導体層１８は、例えば上記と同様にして形成することが可能である。こうして、凹部１６ａ上に、半導体層１８より成る量子ドット２０が形成される。本変形例によれば、表面が滑らかな半導体層２２上に半導体層１８をヘテロ成長するため、半導体基板１０自体の表面が粗い場合であっても、凹部１６ａ以外の箇所に量子ドットが形成されてしまうのを防止することができる。
【００９５】
このように、本変形例によれば、半導体基板１０上に表面が滑らかな半導体層２２を形成するため、半導体基板１０自体の表面が粗い場合であっても、半導体基板１０の表面の粗さの影響を受けることなく、所望の位置に所望の大きさで量子ドット２０を形成することができる。
【００９６】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００９７】
例えば、上記実施形態では、ＡＦＭを用いて半導体基板に酸化物を形成する場合を例に説明したが、必ずしもＡＦＭを用いなくてもよい。即ち、針状の導電体を半導体基板に近接して、針状の導電体と半導体基板との間に電圧を印加することにより、半導体基板に酸化物を形成しうる装置であればあらゆる装置を適宜用いることができる。
【００９８】
また、上記実施形態では、半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いたが、半導体基板はＧａＡｓ基板に限定されるものではなく、他のあらゆる半導体基板を用いることができる。凹部が形成された半導体基板上に、半導体基板の材料より格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することが可能である。
【００９９】
例えば、半導体基板としてＳｉ基板を用いてもよい。Ｓｉ基板を用いた場合には、ＳｉＯ2より成る酸化物が形成される。この場合、エッチング液として、例えば希釈フッ酸を用いれば、Ｓｉ基板をエッチングすることなく、ＳｉＯ2より成る酸化物を選択的にエッチング除去することができる。凹部が形成されたＳｉ基板上に、Ｓｉより格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することができる。半導体層の材料としては、例えばＧｅを用いることができる。
【０１００】
また、半導体基板としてＡｌＧａＡｓ基板を用いてもよい。凹部が形成されたＡｌＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓより格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することができる。半導体層の材料としては、例えばＩｎＡｌＧａＡｓを用いることができる。
【０１０１】
また、半導体基板としてＺｎＳｅ基板を用いてもよい。凹部が形成されたＺｎＳｅ基板上に、ＺｎＳｅより格子定数の大きい材料より成る半導体層を成長すれば、凹部上に量子ドットを形成することができる。半導体層の材料としては、例えばＣｄＳｅを用いることができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、ＡＦＭ酸化法により半導体基板の表面にドット状の酸化物を形成し、酸化物を除去することにより半導体基板に凹部を形成するため、所望の位置に所望の大きさで凹部を精密に形成することができる。そして、このような凹部上に量子ドットを成長するため、本発明によれば、所望の位置に所望の大きさで良質な量子ドットを形成することができる。本発明によれば、所望の位置に所望の大きさの量子ドットを形成することができるため、量子情報や量子計算の分野等で用いることが可能な量子ドットを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その１）である。
【図２】半導体基板の表面にドット状に酸化物が形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【図３】本発明の一実施形態による量子ドットの形成方法を示す工程図（その２）である。
【図４】酸化物が除去された状態を示すＡＦＭ像である。
【図５】量子ドットが形成された状態を示すＡＦＭ像である。
【図６】本発明の一実施形態の変形例による量子ドットの形成方法を示す工程図（その１）である。
【図７】本発明の一実施形態の変形例による量子ドットの形成方法を示す工程図（その２）である。
【符号の説明】
１０…半導体基板
１２…酸化物
１４…探針
１６、１６ａ…凹部
１８…半導体層
２０…量子ドット
２２…半導体層
Claims (8)
- 半導体基板の表面にドット状に酸化物を形成する工程と、
前記酸化物を除去することにより、前記酸化物が除去された箇所に凹部を形成する工程と、
前記凹部が形成された前記半導体基板上に半導体層を成長し、前記凹部上に前記半導体層より成る量子ドットを形成する工程とを有し、
前記凹部を形成する工程では、脱イオン水に浸漬した状態で前記半導体基板に超音波を印加することにより前記酸化物を除去する
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項１記載の量子ドットの形成方法において、
前記酸化物を形成する工程では、前記半導体基板の表面に針状の導電体を近接し、前記半導体基板と前記導電体との間に電圧を印加することにより、前記半導体基板の表面に前記酸化物を形成する
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項２記載の量子ドットの形成方法において、
前記針状の導電体は、原子間力顕微鏡の探針である
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法において、
前記針状の導電体は、カーボンナノチューブより成る
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法において、
前記酸化物を形成する工程の前に、前記半導体基板上に他の半導体層を形成する工程を更に有し、
前記酸化物を形成する工程では、前記他の半導体層に前記酸化物を形成する
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法において、
前記酸化物を形成する工程では、直径が４０ｎｍ以下の前記酸化物を形成し、
前記量子ドットを形成する工程では、直径が４０ｎｍ以下の前記量子ドットを形成することを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項６記載の量子ドットの形成方法において、
前記酸化物を形成する工程では、直径が２０ｎｍ以下の前記酸化物を形成し、
前記量子ドットを形成する工程では、直径が２０ｎｍ以下の前記量子ドットを形成することを特徴とする量子ドットの形成方法。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法において、
前記凹部を形成する工程の後、前記量子ドットを形成する工程の前に、平滑層を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002147287A JP3977142B2 (ja) | 2002-05-22 | 2002-05-22 | 量子ドットの形成方法 |
| PCT/JP2003/006250 WO2003098697A1 (fr) | 2002-05-22 | 2003-05-20 | Procede de formation d'un point quantique, dispositif a semi-conducteurs quantiques et procede de fabrication |
| EP03752919A EP1507293A4 (en) | 2002-05-22 | 2003-05-20 | METHOD OF QUANTUM DOT FORMATION, QUANTUM SEMICONDUCTOR COMPONENT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF |
| EP09161296A EP2096670B1 (en) | 2002-05-22 | 2003-05-20 | Quantum semiconductor device and method for fabricating the same |
| EP10155623A EP2192616B1 (en) | 2002-05-22 | 2003-05-20 | Quantum semiconductor device and method for fabricating the same |
| EP10155625A EP2192617B1 (en) | 2002-05-22 | 2003-05-20 | Quantum Semiconductor Device and Method for Fabricating the Same |
| US10/991,971 US7307030B2 (en) | 2002-05-22 | 2004-11-19 | Method for forming quantum dot, and quantum semiconductor device and method for fabricating the same |
| US11/976,967 US7755080B2 (en) | 2002-05-22 | 2007-10-30 | Method for forming quantum dot, and quantum semiconductor device and method for fabricating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002147287A JP3977142B2 (ja) | 2002-05-22 | 2002-05-22 | 量子ドットの形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003338618A JP2003338618A (ja) | 2003-11-28 |
| JP3977142B2 true JP3977142B2 (ja) | 2007-09-19 |
Family
ID=29705914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002147287A Expired - Fee Related JP3977142B2 (ja) | 2002-05-22 | 2002-05-22 | 量子ドットの形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3977142B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7465595B2 (en) | 2004-11-09 | 2008-12-16 | Fujitsu Limited | Quantum device, manufacturing method of the same and controlling method of the same |
| JP4688868B2 (ja) | 2005-03-11 | 2011-05-25 | 富士通株式会社 | 量子デバイス、その制御方法及びその製造方法 |
| JP5092596B2 (ja) * | 2007-07-09 | 2012-12-05 | 富士通株式会社 | ナノマグネット、量子デバイス、及びこれらの製造方法 |
-
2002
- 2002-05-22 JP JP2002147287A patent/JP3977142B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003338618A (ja) | 2003-11-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7755080B2 (en) | Method for forming quantum dot, and quantum semiconductor device and method for fabricating the same | |
| USRE47767E1 (en) | Group III-nitride layers with patterned surfaces | |
| US8669171B2 (en) | Method for eliminating the metal catalyst residues on the surface of wires produced by catalytic growth | |
| WO2001018866A1 (en) | Strongly textured atomic ridges and dots | |
| JP2001257166A (ja) | 窒化物半導体基板およびその製造方法 | |
| JP3977142B2 (ja) | 量子ドットの形成方法 | |
| JP4814562B2 (ja) | ナノ構造の作製方法 | |
| JP2007182349A (ja) | ナノチューブと量子ドットの製造方法 | |
| Kallesøe et al. | Integration, gap formation, and sharpening of III-V heterostructure nanowires by selective etching | |
| JP4803513B2 (ja) | イオンビーム微細加工方法 | |
| JP2009120929A (ja) | 基板への種付け処理方法、ダイヤモンド微細構造体及びその製造方法 | |
| JPH06260427A (ja) | 半導体膜の選択成長方法 | |
| Weegels et al. | Temperature‐dependent dry cleaning characteristics of GaAs (111) B surfaces with a hydrogen electron cyclotron resonance plasma | |
| Moon et al. | Enhanced nano-oxidation on a SC1-treated Si surface using atomic force microscopy | |
| JP2000188388A (ja) | 半導体装置の製造方法及び半導体装置 | |
| Fonseca Filho et al. | Growth of InAs nanostructures on InP using atomic-force nanolithography | |
| JP2001326188A (ja) | 固体選択成長方法 | |
| JP2004281954A (ja) | 量子ドットの作製方法 | |
| JP2004336079A (ja) | 化合物単結晶の製造方法 | |
| JP3133279B2 (ja) | 化合物半導体の湿式エッチング方法 | |
| JP2005109366A (ja) | 半導体素子及びその作製方法 | |
| Lee et al. | Controlled placement of self-organized Ge dots on patterned Si (001) surfaces | |
| JPH05291237A (ja) | 化合物半導体の微細構造形成方法 | |
| Hwang et al. | TEM Studies of GaAs/AlGaAs Heterostructures Grown on Patterned Substrates | |
| JP2005279833A (ja) | ナノ構造及びその作製方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041124 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070130 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070402 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070619 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070620 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100629 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3977142 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110629 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120629 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130629 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140629 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |