JP6208169B2 - ゼロ次元電子デバイス及びその製造方法 - Google Patents

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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。
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。
Ｔ．Ｍａｎｏ他、「ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｌａｓｅｒ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ＧａＡｓ（３１１）Ａ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｙ ｄｒｏｐｌｅｔ ｅｐｉｔａｘｙ」、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、９３、２０３１１０（２００８） Ｄ．Ｇｕｉｍａｒｄ他、「Ｇｒｏｕｎｄ ｓｔａｔｅ ｌａｓｉｎｇ ａｔ １．３４μｍ ｆｒｏｍ ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ａｎｔｉｍｏｎｙ−ｍｅｄｉａｔｅｄ ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、９０、２４１１１０（２００７） Ａ．Ｍａｒｔｉ他、「Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔ ｄｕｅ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−ｔｏ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ−Ｂａｎｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ：Ａ Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｋｅｙ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ−Ｂａｎｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＰＲＬ ９７、２４７７０１（２００６） Ａｎｔｏｎｉｏ Ｌｕｑｕｅ他、「Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ Ｉｄｅａｌ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ｂｙ Ｐｈｏｔｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ａｔ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｌｅｖｅｌｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬＵＭＥ ７８、ＮＵＭＢＥＲ ２６（１９９７） Ｉｌ−Ｋｙｕ Ｐａｒｋ他、「Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ＩｎＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ」、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、９０、１１１１１６（２００７） Ｊｉｎｇｂｏ Ｌｉ他、「Ｓｈａｐｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．１０、２００３ Ｊ．Ｍ．Ｍｏｉｓｏｎ他、「Ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｒ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ−ｓｃａｌｅ ＩｎＡｓ ｄｏｔｓ ｏｎ ＧａＡｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４（２）、１０ Ｊａｎｕａｒｙ １９９４ Ｇ．Ｃｏｓｔａｎｔｉｎｉ他、「Ｉｎｔｅｒｐｌａｙ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ Ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃａｐｐｉｎｇ ｏｆ ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ（００１） Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＰＲＬ ９６、２２６１０６（２００６） Ｋ．Ｔａｋｅｈａｎａ他、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ＩｎＡｓ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｂｙ ｔｈｉｎ ＧａＡｓ ｃａｐｐｉｎｇ ｌａｙｅｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ２５１（２００３）１５５−１６０ Ｎｏｂｕｙｕｋｉ Ｋｏｇｕｃｈｉ他、「Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＧａＡｓ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｍｉｃｒｏｃｒｙｓｔａｌｓ ｏｎ ａｎ Ｓ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ ＧａＡｓ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂｙ Ｓｕｃｃｅｓｉｖｅ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａ ａｎｄ Ａｓ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍｓ」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．３２（１９９３）、ｐｐ．２０５２−２０５８ Ｔａｋａａｋｉ Ｍａｎｏ他、「Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｕｂｌｅ Ｒｉｎｇｓ」、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．３、２００５ Ｓ．Ａｄｏｒｎｏ他、「Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｉｎｄｕｃｅｄ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｄｒｏｐｌｅｔ ｅｐｉｔａｘｙ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ３７８（２０１３）５１５−５１８ Ａ．Ｎｅｍｃｓｉｃｓ他、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ "ＧａＡｓ" ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ，ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｄｒｏｐｌｅｔ ｅｐｉｔａｘｙ」、Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ４８（２０１０）３５１−３５７ Ｓ．Ｓａｎｇｕｉｎｅｔｔｉ他、「Ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ、１０４、１１３５１９（２００８） Ｊ Ｈ Ｌｅｅ他、「Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｓｉｎｇｌｅ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ ｒｉｎｇ−ｌｉｋｅ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １７（２００６）３９７３−３９７６ Ｃ Ｚ Ｔｏｎｇ他、「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｒｉｎｇｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｄｒｏｐｌｅｔ ｅｐｉｔａｘｙ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １９（２００８）３６５６０４（６ｐｐ） Ｃ．Ｓｏｍａｓｃｈｉｎｉ他、「Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｉｎｇｓ ｂｙ Ｄｒｏｐｌｅｔ Ｅｐｉｔａｘｙ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ」、Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｒｅｓ Ｌｅｔｔ（２０１０）５：１８６５−１８６７ Ｚｈ．Ｍ．Ｗａｎｇ他、「Ｎａｎｏｈｏｌｅｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｇａｌｌｉｕｍ ｎａｎｏｄｒｉｌｌ ｏｎ ＧａＡｓ（１００）」、ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ ９０、１１３１２０（２００７） Ａｌｖａｓｏｎ Ｚｈｅｎｈｕａ Ｌｉ他、「Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｏｌｅｄ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｎ ＧａＡｓ （００１）」、Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ＆ Ｄｅｓｉｇｎ、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．６（２００９） Ｍａｓａｆｕｍｉ Ｊｏ他、「Ｕｎｓｔｒａｉｎｅｄ ＧａＡｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄａｓｈｅｓ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ ＧａＡｓ（００１） Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｂｙ Ｄｒｏｐｌｅｔ Ｅｐｉｔａｘｙ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、３（２０１０）０４５５０２ Ｍａｓａｆｕｍｉ Ｊｏ他、「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃａｐｐｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ」、Ｎａｎｏｓｃａｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１１、６：７６ Ｋａｔｓｕｙｕｋｉ ＷＡＴＡＮＡＢＥ他、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＧｓＡｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ ｂｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｄｒｏｐｌｅｔ Ｅｐｉｔａｘｙ」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．Ｌ７９−Ｌ８１ Ｍａｓａｆｕｍｉ Ｊｏ他、「Ｔｗｏ−Ｓｔｅｐ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｉｚｅ ａｎｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ」、Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ Ｄｅｓ．、２０１１、１１、４６４７−４６５１ Ｉ．Ｖ．Ｋｕｋｕｓｈｋｉｎ他、「Ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｉｎ ａｃｃｅｐｔｏｒ δ−ｄｏｐｅｄ ＧａＡｓ−ＡｌｘＧａ１−ｘ Ａｓ ｓｉｎｇｌｅ ｈｅｔｅｒｏｊｎｎｃｔｉｏｎｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ、Ｖｏｌｕｍｅ ４０、Ｎｏ．１１（１９８９） Ｓ．Ｍ．Ｗａｎｇ他、「Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ＡｌｘＧａ１−ｘ Ａｓ／ＧａＡｓ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ ｂｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、６２（１）、４ Ｊａｎｕａｒｙ，１９９３ Ｊ．Ｈｅｇａｒｔｙ他、「Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｄｅｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｘｃｉｔｏｎｓ ｉｎ ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ、Ｖｏｌｕｍｅ ３０、Ｎｏ．１２（１９８４） Ｉ．Ｖ．ＫＵＫＵＳＨＫＩＮ他、「Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ Ｏｎ Ａｃｃｅｐｔｏｒ δ−ｄｏｐｅｄ ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ Ｓｉｎｇｌｅ Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ Ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ」、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２２９（１９９０）４４７−４５１ Ｄ．Ｃ．Ｔｓｕｉ他、「Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍａｇｎｅｔｏｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｌｉｍｉｔ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌｕｍｅ ４８、Ｎｏ．２２（１９８２） Ｒ．Ｂ．Ｌａｕｇｈｌｉｎ、「Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｈａｌｌ Ｅｆｆｅｃｔ：Ａｎ Ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｆｌｕｉｄ ｗｉｔｈ Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌｕｍｅ ５０、Ｎｏ．Ｉ８、ｐ．１３９５−１３９８（１９８３） Ｒ．Ｌ．Ｗｉｌｌｅｔｔ他、「Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｇａｐ ｅｇｅｒｇｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｑｕａｎｔｕｍ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ、Ｖｏｌｕｍｅ ３７、Ｎｏ．１４、ｐ．８４７６−８４７９（１９８８） Ｅ．ＷＩＧＮＥＲ、「Ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｉｎ Ｍｅｔａｌｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ、Ｖｏｌｕｍｅ ４６、ｐ．１００２−１０１１（１９３４） Ｅ．Ｙ．Ａｎｄｒｅｉ他、「Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｗｉｇｎｅｒ Ｓｏｌｉｄ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌｕｍｅ ６０、Ｎｏ．２６（１９８８） Ｉ．Ｖ．ＫＵＫＵＳＨＫＩＮ他、「Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」、ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＰＨＹＳＩＣＳ、Ｖｏｌ．４５、Ｎｏ．３、１４７−２４２（１９９６） Ｐ．Ｏｆｆｅｒｍａｎｓ他、「Ａｔｏｍｉｃ−ｓｃａｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｉｎ ＧａＡｓ ａｎｄ ＡｌＡｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ ７２、１６５３３２（２００５） Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ他、「Ｂａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ＩＩＩ−Ｖ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｌｌｏｙｓ」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ、Ｖｏｌｕｍｅ ８９、Ｎｏ．１１（２００１） Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｆｕｓｈｉｍｉ他、「Ｃａｒｂｏｎ−ｒｅｌａｔｅｄ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｃａｒｂｏｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＡｓ ｂｙ ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｎｅａｌｉｎｇ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２（３）、１９９７ Ｓ Ｂｉｅｔｔｉ他、「Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ ｋｉｎｅｔｉｃｓ ｏｆ Ｇａ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｎａｎｏ−ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｕｎｄｅｒ Ａｓ ｆｌｕｘ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２４（２０１３）２０５６０３（５ｐｐ） Ｐ．Ａｔｋｉｎｓｏｎ他、「Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｕｎｉｆｏｒｍ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｇｒｏｗｎ ｂｙ ｉｎｆｉｌｌｉｎｇ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｎａｎｏｈｏｌｅｓ」、ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ １１２、０５４３０３（２０１２） Ｃｈ．Ｈｅｙｎ他、「Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｄｒｏｐｌｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ３２３（２０１１）２６３−２６６ Ｃ Ｓｏｍａｓｃｈｉｎｉ他、「Ｃｏｕｐｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ−ｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ ｄｒｏｐｌｅｔ ｅｐｉｔａｘｙ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２２（２０１１）１８５６０２ （５ｐｐ） Ｒ．Ｃ．Ｍｉｌｌｅｒ他、「Ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ＧａＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ」、ＰＨＹＳＩＣＡＬ ＲＥＶＩＥＷ Ｂ、Ｖｏｌｕｍｅ ２５、Ｎｏ．６（１９８２）
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。
例示的なＧａＡｓ ＱＤ半導体デバイスを示す概略図である。 スキャン面積５μｍ×５μｍを有する成長温度３６０℃での、例示的なＧａＡｓ ＱＤの表面モルフォロジーの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像である。 スキャン面積１μｍ×１μｍを用いる成長温度３６０℃での、例示的なＧａＡｓ ＱＤの表面モルフォロジーのＡＦＭ像である。 例示的なＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＱＤの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像である。 温度４Ｋ（ケルビン）及び３００Ｋで測定された、ＧａＡｓ湿潤層に結合された例示的なＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＱＤのＰＬスペクトルを示す。 半導体デバイス上にＱＤを成長させる例示的な方法を示す。 半導体デバイス上にＱＤを成長させる別の例示的な方法を示す。 半導体デバイス上にＱＤを成長させる別の例示的な方法を示す。 半導体デバイス上にＱＤを成長させる別の例示的な方法を示す。 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。 １μｍ×１μｍのスキャン面積を有する例示的な炭素ドープＧａＡｓ ＱＤのＡＦＭ像である。 温度４．６５Ｋで測定された例示的な炭素ドープＧａＡｓ ＱＤのＰＬスペクトルを示す。 例示的な炭素ドープＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＱＤ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である。 １．７４Ｋ〜２１Ｋの範囲の温度での例示的な炭素ドープＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＱＤ構造体の伝導帯における閉じ込められた電子の遷移エネルギーを示す。 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。 半導体デバイスにＱＤを成長させる別の例示的な方法を示す。 半導体デバイス上に炭素ドープＱＤを成長させる更に別の例示的な方法を示す。 半導体デバイス上に炭素ドープＱＤを成長させる更に別の例示的な方法を示す。
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
である。量子数ｎ＝１〜４の電子のエネルギー準位は
として表すことができ、式中
はバルクＧａＡｓのバンドギャップエネルギーであり、約１．５１９ｅＶに等しい。
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
は、バンドパラメータによって与えられる。
式中、ｍ０は自由電子質量であり、Ｆはケインパラメータであり、Δｓｏはスピン軌道分割パラメータであり、Ｅｐはバンドパラメータであり、Ｅｇはバンドギャップエネルギーである。
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
伝導帯オフセットＱｃ（ΔＥｃ＝ＱｃΔＥｇ、式中、ΔＥｃ及びΔＥｇは、ＧａＡｓとＡｌ０．２９Ｇａ０．７１Ａｓとの間の伝導帯不連続値及びバンドギャップ不連続値である）について、広く許容される値は約０．６２であり、次の式に繋がる。
この情報を用いて、伝導帯のポテンシャル障壁高さが２５４．８ｍｅＶに等しいことが計算される。計算された量子数ｎ＝１〜４閉じ込め電子エネルギー準位はＥ１ｅ＝１７２ｍｅＶ、Ｅ２ｅ＝２０５ｍｅＶ、Ｅ３ｅ＝２３４ｍｅＶ、及びＥ４ｅ＝２５９ｍｅＶであり、これらは観測されたＰＬピーク位置：ピーク１（約１．８０１ｅＶ）、ピーク２（約１．７５４ｅＶ）、ピーク３（約１．７２９ｅＶ）、ピーク４（約１．７０５ｅＶ）、及びピーク５（約１．６６７ｅＶ）に対応する。量子数ｎ＝４閉じ込め電子状態は、伝導帯の高さよりも４．２ｍｅＶ高く、これは、量子数ｎ＝４閉じ込め電子状態がＧａＡｓ／ＡｌＡｓ超格子内のミニバンド（ｍｉｎｉｂａｎｄ）のエッジに位置することに起因する。
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。
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。
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 (18)

  1. 基板と、
    量子ドットと、
    を備える半導体デバイスであって、前記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２つより多いピークを有し、かつ前記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２０ｍｅＶ未満のＦＷＨＭを有する、半導体デバイス。
  2. 前記量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルは、前記半導体デバイスが温度４．６５ケルビンで測定される場合、少なくとも５つのピークを有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 緩衝層を更に備え、前記緩衝層は周期表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、前記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２に記載の半導体デバイス。
  4. 前記緩衝層はＧａＡｓ緩衝層であり、前記量子ドットはＧａＡｓを含む、請求項３に記載の半導体デバイス。
  5. 前記量子ドットは周期表ＩＩ族材料又は周期表ＩＶ族材料でドープされる、請求項４に記載の半導体デバイス。
  6. 前記量子ドットは炭素ドープされる、請求項５に記載の半導体デバイス。
  7. 半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法であって、前記方法は、
    （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、方法。
  8. ステップ（ｂ）及びステップ（ｄ）での前記周期表Ｖ族材料はＡｓであり、
    ステップ（ｃ）での前記周期表ＩＩＩ族−Ｖ族材料はＧａＡｓであり、
    ステップ（ｈ）での前記周期表ＩＩＩ族材料はＧａであり、
    ステップ（ｅ）、ステップ（ｇ）及びステップ（ｈ）において、前記周期表ＩＩ族材料又は周期表ＩＶ族材料は炭素である、請求項７に記載の方法。
  9. ステップ（ｅ）とステップ（ｆ）の間における、
    ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ超格子を成長させることと、
    前記ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ超格子の上にＡｌＧａＡｓ層を成長させることと、
    を更に含む、請求項８に記載の方法。
  10. ステップ（ｈ）の後における、
    （ｉ）前記Ａｓ用のシャッタを開くことと、
    （ｊ）前記Ｇａの液滴を結晶化して、炭素ドープされるＧａＡｓ量子ドットにすることと、
    を更に含む、請求項９に記載の方法。
  11. ステップ（ｊ）の後における、ＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記ＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることは、１０ナノメートル厚の一方のＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることと、
    温度を５８０℃に増大させることと、
    ４０ナノメートル厚の他方のＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることとを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 半導体デバイスに量子ドットを成長させる方法であって、前記方法は、
    （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）前記成長温度を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４００℃未満に低下させることと、
    （ｈ）周期表ＩＩＩ族材料のより多い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、方法。
  14. ステップ（ｂ）及びステップ（ｅ）での前記周期表Ｖ族材料はＡｓであり、
    ステップ（ｃ）での前記周期表ＩＩＩ族−Ｖ族材料はＧａＡｓであり、
    ステップ（ｆ）及びステップ（ｈ）での前記周期表ＩＩＩ族材料はＧａである、
    請求項１３に記載の方法。
  15. ステップ（ｃ）とステップ（ｄ）の間における、
    ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ超格子を成長させることと、
    前記ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ超格子の上にＡｌＧａＡｓ層を成長させることと、
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。
  16. ステップ（ｉ）の後における、
    （ｊ）前記Ａｓ用のシャッタを開くことと、
    （ｋ）前記Ｇａの液滴を結晶化させて、ＧａＡｓ量子ドットにすることと、
    を更に含む、請求項１５に記載の方法。
  17. ステップ（ｋ）の後における、ＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることを更に含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記ＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることは、１０ナノメートル厚の一方のＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることと、
    温度を５８０℃に増大させることと、
    ４０ナノメートル厚の他方のＡｌＧａＡｓキャッピング層を成長させることとを含む、請求項１７に記載の方法。
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