(57)【要約】【課題】量子ドットのサイズ制御を可能とし、かつ設計自由度の大きい、量子ドット作製装置及びその生産方法を提供すること。【解決手段】基板３０が搭載される基板ホルダ４０と、基板３０で形成される複数の量子ドットのサイズを熱放射により制御する当該基板に近接した構造体１０と、構造体１０の温度を所定の範囲に加熱する加熱器５０と、構造体１０が搭載される構造体ホルダ２０と、を備える量子ドット作製装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が搭載される基板ホルダと、
前記基板上で形成される量子ドットのサイズを熱放射により制御する当該基板に近接した構造体と、
前記構造体の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、
前記構造体が搭載される構造体ホルダと、
を備える量子ドット作製装置。
【請求項２】
前記構造体が、すくなくとも１つの開口部を有し、開口部以外の部分の厚さが、当該開口部の端部の厚さと異なる厚さである請求項１に記載の量子ドット作製装置。
【請求項３】
前記構造体は、複数の開口部を有する請求項１又は２に記載の量子ドット作製装置。
【請求項４】
基板が、基板ホルダに搭載される工程と、
前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、
前記基板で形成される複数の量子ドットのサイズを、前記結晶成長工程中に構造体により制御するサイズ制御工程と、
を有する量子ドット生産方法。
【請求項５】
基板が、基板ホルダに搭載される工程と、
前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、
前記基板で形成された複数の量子ドットのサイズを、前記結晶成長工程後に構造体により制御する成長後サイズ制御工程と、
を有する成長後サイズ制御量子ドット生産方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット作製装置及びその生産方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴い、データトラフィックの増大が問題となっており、その問題を解決すべく、広帯域波長多重伝送（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下「ＷＤＭ」という。）システム等がめざましい発展を遂げている。
【０００３】
現在の光ファイバ通信システムにおいて、半導体レーザは必要不可欠なデバイスである。特に、量子井戸構造や量子ドット構造を活性層として有する埋め込みヘテロ（ＢＨ）型半導体レーザは安定した水平単一モードを実現するという点で有効であり、実際に、これらの構造を有する半導体レーザをパッケージした半導体レーザモジュールが光ファイバアンプの半導体励起光源やＷＤＭシステムの半導体光源として用いられつつある。
【０００４】
また、量子ドット等の３次元構造の量子ナノ構造を用いることにより、発振閾値の大幅な低減、レーザ発振特性の温度特性改善などのさらなる特性改善が期待されている。これは、電子あるいは正孔といったキャリアが２次元あるいは３次元ポテンシャルに閉じ込められることによって、量子サイズ効果が生じ、状態密度が特定の離散順位において先鋭化し、注入したキャリアが局在化することに起因する（非特許文献１等参照）。
【０００５】
量子ドット等の生産方法については、量子ドット構造を、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モードによる自然形成現象、すなわち、結晶の歪エネルギーを利用して、結晶成長中の自己組織化現象を用いて形成する方法が研究されている。
【０００６】
実際の形成方法としては、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：以下「ＭＢＥ」という。）法を用いたＳＫ成長による量子ドットの形成過程が開示されている（非特許文献２等参照）。
【０００７】
具体的には、以下のことが開示されている。すなわち、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓからなる量子ドット構造を形成する場合、基板上のＩｎＡｓの堆積量が１ＭＬ（分子層）程度までは、層状成長が行われ、ウェッティング層というある程度基板からのＧａ原子を含んだＧａＩｎＡｓ層が形成される。次いで、堆積量が増えて１．７ＭＬ程度になると、該ウェッティング層上に３次元のＩｎＡｓ島が出現し、量子ドットが形成される。
【０００８】
これまでは、均一な量子ドットの形成の研究が主におこなわれており、ＳＫモードに従い形成された量子ドットは、ドット成長条件によりサイズ分布が一意にきまるため、そのサイズ分布が基板全域でほぼ一様である技術が開発されている（非特許文献３等参照）。
【０００９】
また一方で、量子ドットのサイズの揺らぎを積極的に利用した利得帯域の広い光半導体装置も提案されている。ＩｎＡｓ層を形成する際の成長速度を速くし、かつ、基板温度を低くすることや、成長速度を遅くし、原料供給量を減少させ、かつ、基板温度を高くすることにより、不均一な大きさの自然形成量子ドットが小さい面積比率で形成可能であるとしている(特許文献１等参照)。
【特許文献１】特開２００３―１２４５７４号公報
【非特許文献１】荒川  泰彦他「低次元量子構造作製技術とデバイス応用の現状と展望」（社）応用物理学会  第７４巻第３号（２００５）２９３ｐ
【非特許文献２】Ｄ．Ｌｅｏｎａｒｄ，“Ｄｉｒｅｃｔ  ｆｏｒｍａｔｉｏ  ｏｆ  ｑｕｎａｔｕｍ−ｓｉｚｅｄ  ｄｏｔｓ  ｆｒｏｍ  ｕｎｉｆｏｒｍ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｉｓｌａｎｄｓ  ｏｆ  ｉｎＧａＡｓ  ｏｎ  ＧａＡｓ  ｓｕｒｆａｃｅｓ”ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ.６３ （１９９３） ｐ３２０３
【非特許文献３】山口  浩一「高均一量子ドットの自己形成」（社）応用物理学会  第７４巻第３号（２００５）３０７ｐ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、ＳＫモードに従い形成された量子ドットは、ドット成長条件によりサイズ分布が一意にきまるため、そのサイズ分布は基板全域でほぼ一様である。通常の半導体レーザ等に適用する場合は特に問題はないが、もっと広い発光波長を要求される場合や、局所的に異なったサイズの量子ドットが必要な機能素子を実現する場合を想定すると、サイズが意図的に局所領域で制御できないという問題が生じてくる。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、量子ドットのサイズ制御を可能とし、かつ設計自由度の大きい、量子ドット作製装置及びその生産方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、３次元島構造である量子ドットが、通常の２次元堆積層である量子井戸構造等に比して熱による影響を受け易いことを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
（１）  基板が搭載される基板ホルダと、前記基板上で形成される複数の量子ドットのサイズを熱放射により制御する当該基板に近接した構造体と、前記構造体の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、前記構造体が搭載される構造体ホルダと、を備える量子ドット作製装置。
【００１４】
（１）の量子ドット作製装置は、基板が搭載される基板ホルダと、前記基板で形成される複数の量子ドットのサイズを熱放射により制御する当該基板に近接した構造体と、前記構造体の温度を所定の範囲に加熱する加熱器と、前記構造体が搭載される構造体ホルダと、を備える。加熱器により構造体の温度を所定の範囲に加熱する。基板で形成される複数の近接した量子ドットのサイズは、加熱された構造体からの熱放射により制御される。したがって、基板上で所望の位置に所望のサイズの量子ドットを作製することができる。
【００１５】
（２）  前記構造体が、すくなくとも１つの開口部を有し、開口部以外の部分の厚さが、当該開口部の端部の厚さと異なる厚さである（１）に記載の量子ドット作製装置。
【００１６】
（２）の量子ドット作製装置は、構造体がすくなくとも１つの開口部を有し、開口部以外の部分の厚さが、当該開口部の端部の厚さと異なる。例えば、当該開口部の近傍より厚さが増す構造であれば、構造体と基板との距離が構造体の厚が増すに従って短くなるため、構造体からの熱放射により到達する熱量が変化し、構造体の厚さが変化する範囲に渡って量子ドットのサイズを変化させることができる。
【００１７】
（３）  前記構造体は、複数の開口部を有する（１）又は（２）に記載の量子ドット作製装置。
【００１８】
（３）の量子ドット作製装置は、構造体が複数の開口部を有するので、開口部を適切に設けることにより、基板上の複数の所望位置にサイズの異なる量子ドットを作製することができる。なお、複数の開口部の形状を、正方形、長方形、丸形、長方形など、基板上に要求される配置に合致した形状に設計することにより、量子ドットを用いた素子作製に適用することができる。
【００１９】
（４）  基板が、基板ホルダに搭載される工程と、前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、前記基板で形成される複数の量子ドットのサイズを、前記結晶成長工程中に構造体により制御するサイズ制御工程と、を有する量子ドット生産方法。
【００２０】
（５）  基板が、基板ホルダに搭載される工程と、前記基板に素材を蒸発させて当該基板上に結晶を成長させる結晶成長工程と、前記基板で形成された複数の量子ドットのサイズを、前記結晶成長工程後に構造体により制御する成長後サイズ制御工程と、を有する成長後サイズ制御量子ドット生産方法。
【００２１】
（４）と（５）に記載の発明は量子ドット生産方法に関するものであり、（１）から（３）の量子ドット作製装置を用いることによりサイズの異なる量子ドットを基板上の所望の位置に所望のサイズで作製することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、１枚の基板上で作製される量子ドットのサイズ制御を可能とし、かつ設計自由度の大きい、量子ドット作製装置及びその生産方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。
【００２４】
＜実施例１＞
図１は、本発明の量子ドット作製装置の構成を示す図であり、図２は、本発明の量子ドット作製の原理を説明する図であり、図３は、本発明による量子ドット生産方法を示す工程図である。図４は、本発明により、構造体を２００μｍの距離に近接させ、量子ドットを成長した際の、構造体からの距離に応じた量子ドットの形状を原子間力走査顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：以下「ＡＦＭ」という。）で観察した結果である。図５は、本発明により作製した量子ドットの構造体からの距離とＰＬ発光波長との関係を示す図である。図６は、本発明により作製した量子ドットの構造体からの距離と量子ドット高さとの関係を示す図である。以下、これらの図を参照して説明をする。
【００２５】
本発明の量子ドット作製装置１は、図１に示すように、基板３０が搭載される基板ホルダ４０と、基板３０で形成される複数の近接した量子ドット７０のサイズを熱放射により制御する構造体１０と、構造体１０の温度を所定の範囲に加熱する加熱器５０と、構造体１０が搭載される構造体ホルダ２０と、基板３０と構造体１０とをあらかじめ定められた距離に近接して位置決めするために基板ホルダ４０と構造体ホルダ２０とが互いに軸方向に密着するように設けられた弾性体であるバネ２８がある。
【００２６】
結晶成長を行う際、量子ドット作製装置１は、結晶成長装置の大気と隔離した成長室内に配置される。結晶成長装置には、基板３０に原料を照射するための複数の蒸発源６０（６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ）が設けられている。また、蒸発源６０の数は３つの場合に限られない。なお、結晶成長装置には、成長室を減圧するための排気ポンプや排気ポンプと成長室を接続するための配管などがあるが、それらの構成は従来と同様であるので、説明を省略する。より詳細には、中嶋一雄責任編集「エピタキシャル成長のメカニズム」共立出版株式会社出版、２００５年５月２０日、ｐ．７８−７９参照。
【００２７】
図２は本発明に基づく、量子ドットの大きさ、および分布状態を制御する原理について説明をした図である。量子ドットを作製する手法としては、前述のように、基板と格子定数の異なる原料を基板上に堆積させ、自己形成させる手法が一般的である。この手法により形成された３次元島構造である量子ドットは、通常の２次元堆積層である量子井戸構造等に比べて、熱による影響を受けやすい。そのため、量子ドットが形成された基板３０に構造体１０を近接させると、図２に示すように、その構造体からの熱放射により量子ドット構造の一部もしくは全体が崩れる。この現象が起きるためには、構造体１０を基板３０の表面から数１００μｍ程度まで近接させる必要がある。
【００２８】
図３のように、基板３０が、基板ホルダ４０に搭載される（Ｓ１１０）。そして、少なくとも１つ以上の開口を有する構造体１０を構造体ホルダ２０に搭載する。さらに、基板ホルダ４０と構造体ホルダ２０とを弾性体であるバネ２８を用いて軸方向に位置決めをする。位置決め後、基板３０に素材を蒸発源６０で蒸発させて基板３０上に量子ドット７０（図１参照）を選択的に結晶成長させる（Ｓ１２０）。
【００２９】
具体的には、発明者らは、上記量子ドット作製装置１とＭＢＥ装置を用いてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、成長温度約４６０℃にてＩｎＡｓを約２．６ＭＬ堆積させ、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットを成長させた。
【００３０】
この工程において同時に、基板３０で形成される開口部周辺の複数の量子ドットのサイズを、結晶成長工程中に構造体１０により制御する（Ｓ１３０）。具体的には、結晶成長工程中に構造体１０が基板３０に熱を放射する。それは、構造体１０自体が基板ホルダ４０と一体化して加熱されているからである。また、基板３０に半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いた場合は、加熱器５０から発生する遠赤外線は基板３０を透過して、金属から成る構造体１０で遠赤外線が吸収され、構造体１０が加熱される。構造体１０は基板３０と近接しており、構造体１０からの熱放射により、量子ドットのサイズが制御される。
【００３１】
この後量子ドットを埋め込む（Ｓ１４０）。具体的には、構造体１０を外し、基板３０全体にＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ層を成長させて量子ドットを埋め込み、作製試料とした。
【００３２】
図４は、構造体１０を基板３０と２００μｍの距離に近接させ、上記の工程に基づき作製した量子ドットの形状を、構造体１０からの距離に応じてＡＦＭで観察した結果である。構造体１０の開口部端からの距離が近いほど、量子ドットの大きさが減少していることがわかる。
【００３３】
作製された量子ドットの構造体１０からの距離と量子ドットのフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光波長、および、量子ドットの高さの関係の一例を図５、図６に示す。作製試料の評価法として、Ｈｅ-Ｎｅレーザー（λ=６３３ｎｍ）励起によるフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定を室温において行った。基板上の任意の位置においてＰＬスペクトルを測定できるよう、試料ステージはステッピングモーターによる高分解能駆動ステージを用いた。また、量子ドットの高さの測定は、ＡＦＭによって測定した。
【００３４】
図５、図６に示すように構造体１０からの距離に応じて量子ドットのＰＬ発光波長、および高さが変化しており、このことは、構造体１０からの距離を制御することにより量子ドットの特性が制御可能であることを示している。
【００３５】
以上のようにして、量子ドットのサイズ制御を可能とし、かつ設計自由度の大きい、量子ドット作製装置及びその生産方法を提供することができる。
【００３６】
本発明により、１枚の基板上に複数波長や広帯域波長の光源や受光素子をモノリシックに作製することができる。また、基板上の任意の位置の量子ドットのサイズ制御が可能となり、その結果、複数波長や連続広帯域波長の量子ドットベースの光学素子が実現される。
【００３７】
さらに、量子ドットの大きさを基板上の任意の領域で制御することが可能となる。より広い波長範囲での動作が望ましい光受光素子への応用や、波長可変光源への応用に適用することができると考えられる。また、特にＩｎＡｓ系を構成元素とした、近赤外波長領域の量子ドット広帯域光源を、生体観察用の光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ)の光源へ適用することにより、ＯＣＴによる生体観察技術の飛躍的な改善を期待することができる。
【００３８】
＜実施例２＞
実施例１では、構造体１０をあらかじめ固定していたが、図７に示すように、結晶成長中に構造体１０を基板３０に近接させても良い。この場合も実施例１と同様に量子ドットのサイズを制御することができる。
【００３９】
＜実施例３＞
実施例３では、あらかじめ均一な量子ドットを作製しておき、作製後高温構造体を接近させて量子ドットの大きさを制御する実施例である。図８は、本発明による別の量子ドット生産方法を示す工程図であり、図９は、あらかじめ量子ドットを作製しておき、作製後高温構造体を接近させて量子ドットの大きさを制御する工程を示す図である。
【００４０】
図８に示すように、基板３０が、基板ホルダ４０に搭載される（Ｓ２１０）。基板３０に素材を蒸発源６０で蒸発させて基板３０上に量子ドットを基板全面もしくは領域選択的に成長させる（Ｓ２２０）。実施例１と同様に上記量子ドット作製装置１とＭＢＥ装置を用いてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを基板全面もしくは選択領域に照射することにより、成長温度約４６０℃にてＩｎＡｓを約２．６ＭＬ堆積させ、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットを成長させた。このようにして図９の（ａ）に示すようにほぼ均一なサイズの量子ドットを基板上に製作することができた。
【００４１】
次に、基板３０で形成された複数の量子ドットのサイズを、図９の（ｂ）に示すように高温に加熱された構造体１０を基板３０に近接させることにより、制御する（Ｓ２３０）。このようにして、１枚の基板上に図９の（ｃ）ように作製される量子ドットのサイズを制御することができる。
【００４２】
この後量子ドットを埋め込む（Ｓ２４０）。具体的には、構造体１０を外し、基板３０全体にＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ層を成長させて量子ドットを埋め込み、作製試料とする。
【００４３】
このようにしても、１枚の基板上で作製される量子ドットのサイズ制御を可能とし、かつ設計自由度の大きい、量子ドット作製装置及びその生産方法を提供することができる。
【００４４】
＜実施例４＞
実施例４は、構造体の厚さを、開口部の端部と異なる厚さに変化させたものである。このように変化させることにより、基板に近接させた際に基板上に到達する熱量が異なる。図１０は、この一実施例として構造体の開口部の端部より厚さが増す構造とした例である。
【００４５】
図１０のように、構造体の開口部の端部より次第に厚くすることにより、基板上に到達する単位面積当たりの熱量の傾斜がなだらかになるので、１枚の基板上で作製された量子ドットのサイズ変化をなだらかにし、より広範囲に渡って量子ドットのサイズを変化させることができる。
【００４６】
＜実施例５＞
実施例５は、構造体に複数の開口部を設けた実施例である。図１１は、例として開口部が長方形と正方形の場合を示す。このように複数の開口部を設けることにより、１枚の基板上で多数のサイズが異なった量子ドットにより構成される素子を作製することができる。
【００４７】
複数の開口部は、図１１に示した例に限らず、円であっても良いし、長円形であっても良い。このようにして、量子ドットの大きさを基板上の任意の領域で制御することが可能となる。より広い波長範囲での動作が望ましい光受光素子への応用や、波長可変光源への応用に適用することができる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、量子ドットについては具体例としてＧａＡｓ基板にＩｎとＡｓを選択領域に照射することにより、歪誘起による自己組織化ＩｎＡｓ量子ドットについて説明をしたが、ＧａＡｓ基板のみならずその他の基板または量子ドット材料にも同様に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の量子ドット作製装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の量子ドット作製の原理を説明する図である。
【図３】本発明による量子ドット生産方法を示す工程図である。
【図４】本発明により、構造体を２００μｍの距離に近接させ、量子ドットを成長した際の、構造体からの距離に応じた量子ドットの形状を原子間力走査顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結果である。
【図５】本発明により作製した量子ドットの構造体からの距離とＰＬ発光波長と関係を示す図である。
【図６】本発明により作製した量子ドットの構造体からの距離と量子ドット高さとの関係を示す図である。
【図７】本発明の量子ドット作製の概念図である。
【図８】本発明による別の量子ドット生産方法を示す工程図である。
【図９】本発明による別の量子ドット生産方法を示す工程図である。
【図１０】本発明による構造体の別の実施例である。
【図１１】本発明による構造体の別の実施例である。
【符号の説明】
【００５０】
１  量子ドット作製装置
１０  構造体
２０  構造体ホルダ
２８  バネ
３０  基板
４０  基板ホルダ
５０  加熱器
６０  蒸発源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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