(57)【要約】【課題】  アンチモン系量子ドットを化合物半導体の表面上に高面密度に形成する方法を提供すること。【解決手段】  化合物半導体表面上に、アンチサーファクタントを付着させ、次いで、アンチサーファクタントが付着した上記化合物半導体表面上に、アンチモン系量子ドットを成長させて形成する。とくに、真空状態において、化合物半導体を所定温度に加温し、アンチモン分子線およびアンチサーファクタント分子線を照射して、化合物半導体表面上にアンチサーファクタントを付着させ、次いで、アンチサーファクタントが付着した化合物半導体表面上に、アンチモン分子線およびアンチモン系量子ドットを構成するアンチモン以外の元素の分子線を照射してアンチモン系量子ドットを成長させて形成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体表面上に、アンチサーファクタントを付着させ、次いで、アンチサーファクタントが付着した上記化合物半導体表面上に、アンチモン系量子ドットを成長させて形成することを特徴とするアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項２】
真空状態において、化合物半導体を所定温度に加温し、アンチモン分子線およびアンチサーファクタント分子線を照射して、化合物半導体表面上にアンチサーファクタントを付着させ、次いで、アンチサーファクタントが付着した化合物半導体表面上に、アンチモン分子線およびアンチモン系量子ドットを構成するアンチモン以外の元素の分子線を照射してアンチモン系量子ドットを成長させて形成する請求項１に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項３】
化合物半導体表面上に、該化合物をバッファ層としてエピタキシャル成長させて形成し、該バッファ層上にアンチモン系量子ドットを成長させて形成する請求項１または２に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項４】
化合物半導体が、アンチモン系量子ドットの格子定数と１％以上異なる格子定数を有する化合物である請求項１ないし３に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項５】
アンチモン系量子ドットが、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＳｂから選択される請求項１ないし４に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項６】
アンチサーファクタントが、シリコン（Ｓｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、テルル（Ｔｅ）の元素から選択される少なくとも１つの元素である請求項１ないし５に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項７】
アンチサーファクタントを、面密度が桁数にして１０11個／平方センチメートル程度付着せしめる請求項１ないし６に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項８】
アンチモン系量子ドットが形成された化合物半導体表面を、該化合物半導体とおよそ同じ格子定数を有する化合物で被覆する請求項１ないし７に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【請求項９】
被覆した化合物の表面に、アンチモン分子線およびアンチサーファクタント分子線を照射してアンチサーファクタントを付着させ、さらに、アンチサーファクタントが付着した被覆化合物表面上に、アンチモン分子線およびアンチモン系量子ドットを構成するアンチモン以外の元素の分子線を照射してアンチモン系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すことによって、アンチモン系量子ドットを多層化して形成する請求項８に記載のアンチモン系量子ドットの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを化合物半導体表面上に高面密度に形成する方法に関するものである。特に、アンチモン系量子ドットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット、とくにアンチモン系量子ドットは、その狭バンドギャップ特性から、長波長系の光電子装置の創出・応用が期待される。即ち、化合物半導体上にアンチモン系量子ドットを形成することで、例えば量子ドットレーザ、量子コンピュータ、単電子トランジスタなどの創出・応用が可能となる。また、発光装置として利用することで光通信の分野などにも広汎に応用可能と期待される。
【０００３】
このような、実用性を有する光電子装置の創出・応用を可能とするためには、化合物半導体上に、アンチモン系量子ドットを高い面密度で形成する必要がある。さらには、形成されるアンチモン系量子ドットの大きさが、適度なものでなくてはならない。つまり、量子ドットは、電子の波長程度の大きさであることが好ましく、例えば電子の大きさのレベルからみて、バルク、量子井戸、量子細線のような１次元以上の大きさではなく、０次元の大きさであることが好適である。このような０次元の大きさ、即ち量子ドットとすることで、量子サイズ効果や、量子ドットに「閉じ込められる」複数の電子による多電子効果が大きく期待できるのである。
【０００４】
ところで、（化合物）半導体上に量子ドットを形成する従来技術には、大きく分けて２つの方法がある。一つには、リソグラフィーやエッチングなどの方法で、薄膜が多層化された半導体素子から量子ドットを削り出す方法であり、もう一つには、ＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用する方法である。
【０００５】
一般的には、前者の方法では、例えば、光学リソグラフィーでは加工寸法が光の波長に依存してしまうため、より微細なナノ寸法の加工に不向きである、電子ビームリソグラフィーでは加工時間がかかり必ずしも実用的ではない、エッチング方法では高度な技術・精密な装置が必要になるなど、総じて多くの困難を伴うものである。特許文献としては、
【特許文献１】特開２００３−１０１０６９号
【特許文献２】特許３３０４９０３号
【特許文献３】特開２０００−１８８４４３号
【特許文献４】特開平５−５５５４５号などが挙げられる。
【０００６】
一方、後者の方法は、（化合物）半導体の格子定数と量子ドットの格子定数の相違から、３次元的な島状（ピラミッド形状やドーム形状など）の量子ドットを結晶成長させるものであるが、温度条件、（化合物）半導体と量子ドットのそれぞれの格子定数の相違、（化合物）半導体の表面エネルギーと量子ドットの表面エネルギーの相違、（化合物）半導体の結晶面ミラー指数などの諸条件によって、量子ドットではなく量子細線などが形成される、あるいは、量子ドットが形成される場所や位置の制御が難しいなどの困難がある。特許文献としては、
【特許文献５】特開２０００−５８９７８号
【特許文献６】特開平１１−８７６８９号
【特許文献７】特開平１１−３５４８４０号が挙げられる。
【０００７】
ところで、化合物半導体上にアンチモン系量子ドットをＭＢＥ（分子線エピタキシー）法で形成した場合、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）半導体（結晶面のミラー指数は、００１）上に、ガリウムアンチモン（ＧａＳｂ）量子ドットをＭＢＥ法で形成した場合、このＧａＳｂ量子ドットの面密度は約２×１０9個／平方センチメートル程度であり、インジウムガリウムアンチモン（ＩｎＧａＳｂ）量子ドットの場合には、面密度は、８×１０7個／平方センチメートル程度であり、従来技術で形成されるアンチモン系量子ドットの個数は相当少ないものであった。また、従来技術で形成されるアンチモン系量子ドットの大きさも、図３、図４の各図中（ａ）に示すように量子ドットとしては比較的大きいものとなっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、アンチモン系量子ドットを化合物半導体の表面上に高面密度に形成する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記課題の解決を図るため、次の手段を用いる。
即ち、化合物半導体表面上に、アンチサーファクタントを付着させ、次いで、アンチサーファクタントが付着した上記化合物半導体表面上に、アンチモン系量子ドットを成長させて形成することを特徴とするアンチモン系量子ドットの形成方法とする。
【００１０】
とくに、真空状態において、化合物半導体を所定温度に加温し、アンチモン分子線およびアンチサーファクタント分子線を照射して、化合物半導体表面上にアンチサーファクタントを付着させ、次いで、アンチサーファクタントが付着した化合物半導体表面上に、アンチモン分子線およびアンチモン系量子ドットを構成するアンチモン以外の元素の分子線を照射してアンチモン系量子ドットを成長させて形成するものでもよい。
【００１１】
また、化合物半導体表面上に、該化合物をバッファ層としてエピタキシャル成長させて形成し、該バッファ層上にアンチモン系量子ドットを成長させて形成するものでもよい。
【００１２】
化合物半導体が、アンチモン系量子ドットの格子定数と１％以上異なる格子定数を有する化合物であることが好ましい。
【００１３】
とくに、アンチモン系量子ドットが、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＳｂから選択され、また、アンチサーファクタントが、シリコン（Ｓｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、テルル（Ｔｅ）の元素から選択される少なくとも１つの元素であるとするものでもよい。
【００１４】
アンチサーファクタントは、面密度が桁数にして１０11個／平方センチメートル程度付着せしめることが好ましい。このようにすることによって良好にアンチモン系量子ドットを高面密度に形成可能である。
【００１５】
さらに、アンチモン系量子ドットが形成された化合物半導体表面を、この化合物半導体とおよそ同じ格子定数を有する化合物で被覆するものでもよい。
【００１６】
そして、被覆した化合物の表面に、アンチモン分子線およびアンチサーファクタント分子線を照射してアンチサーファクタントを付着させ、さらに、アンチサーファクタントが付着した被覆化合物表面上に、アンチモン分子線およびアンチモン系量子ドットを構成するアンチモン以外の元素の分子線を照射してアンチモン系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すことによって、アンチモン系量子ドットを多層化して形成するものとしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の方法によれば、化合物半導体上に、アンチモン系量子ドットを高面密度に形成することが可能になり、また、形成されるアンチモン系量子ドットの大きさも、従来技術で形成されるアンチモン系量子ドットの大きさに比して十分に小さく形成できる。さらには、量子ドットレーザ、量子コンピュータ、単電子トランジスタなどの長波長系の光電子装置の創出・応用が可能となる。また、発光装置として利用することで光通信の分野などにも広汎に応用可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
第１図ないし第１０図を基に、本発明の実施形態を詳述する。なお、本発明は、以下の説明に限定されるものではなく適宜設計変更可能である。また、下記に記載する実施形態が必ず最良であるとは限らない。なぜなら、化合物半導体の種類やその結晶面のミラー指数、アンチモン系量子ドットとなる化合物を構成する（アンチモン以外の）元素の種類、化合物半導体と量子ドットのそれぞれの格子定数の相違の程度などによって、温度条件や元素の照射時間等を適宜変更するのが好ましいからである。
【００１９】
まず、本発明のアンチモン系量子ドットの形成方法は、必ずしもＭＢＥ法のみによってしかなしえないものではなく、各種の化学気相成長法（例えばＭＯＣＶＤ法）によってもなしうるものである。しかしながら、化合物半導体上でアンチモン系量子ドットを結晶成長させるには、薄膜の１分子層レベルの成長が精密に制御可能なＭＢＥ法によることが好ましい。ＭＢＥ法によることで、後述のアンチサーファクタントのＧａＡｓバッファ層への付着量を適切に制御可能になる（上記ＭＯＣＶＤ法では、アンチサーファクタントのＧａＡｓバッファ層への付着量を制御するのが困難である。）。
【００２０】
チャンバー（１）内に化合物半導体である基板（２）を設置する（図１参照）。基板（２）の形状に特別の限定はないが、アンチモン系量子ドットを安定して形成するためには、少なくともアンチモン系量子ドットを形成させる面は、平坦なおよそ平面状であることが好適である。
【００２１】
基板（２）の化合物半導体を構成する構成元素にも格別の限定はないが、アンチモン系量子ドットの構成元素の格子定数と１％以上の差異がある格子定数を有するものであることが好ましい。およそアンチモン系量子ドットの構成元素の格子定数と基板の格子定数とが同じでは、ＳＫ成長モードによるアンチモン系量子ドットの形成が良好になしえない場合があるからである。例えば、III−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。より具体的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などが挙げられる。本実施形態例では、基板を、ＧａＡｓ半導体とする。
【００２２】
また、基板上に形成するアンチモン系量子ドットを構成する構成元素は、アンチモン（Ｓｂ）を含むことは当然、その他の構成元素に格別の限定があるものではないが、好ましくは、例えばIII族元素であるガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）などから選ばれる１つ以上の元素である。つまり、アンチモン系量子ドットとしては、ＧａＳｂ、ＩｎＧａＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＳｂなどである。本実施形態例では、アンチモン系量子ドットは、ＧａＳｂまたはＩｎＧａＳｂとする。
【００２３】
ＧａＡｓ半導体は、閃亜鉛鉱型結晶構造であり、アンチモン系量子ドットを形成させる結晶面はミラー指数｛１００｝とする。その他の結晶面では、量子ドットが全く形成できないというものではないが、量子細線などになり易いので、上記ミラー指数の結晶面が好適である。なお、その他の化合物半導体の基板でも、同様のミラー指数の結晶面でなければならないことはなく、適宜アンチモン系量子ドットの形成が行い易い結晶面を選択すればよい。
【００２４】
チャンバー（１）内は、高真空状態を保つようにする。このことによって、余計な不純物が基板上に混入する可能性が少なくなる。
【００２５】
そして、基板（２）を、所定温度にまで加温する。本実施形態例では、ＧａＡｓ半導体である基板（２）をおよそ５８０℃まで加温する。
【００２６】
チャンバー（１）には、複数の元素を加熱蒸発な坩堝（図示しない）と、蒸発した元素を分子線として射出可能な分子線照射装置が備えられている。本実施形態例では、分子線照射装置は、Ｇａ分子線照射装置（１０）、Ａｓ分子線照射装置（１１）、Ｓｉ分子線照射装置（１２）、Ｓｂ分子線照射装置（１３）、Ｉｎ分子線照射装置（１４）を備える。
【００２７】
基板（２）が所定温度にまで加温され安定した温度状態になったところで、この基板（２）に対して、Ｇａ分子線照射装置（１０）とＡｓ分子線照射装置（１１）によってＧａ分子線とＡｓ分子線を照射する。このことによって、基板（２）上に、ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長させて形成する。Ｇａ分子線とＡｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＧａＡｓの１分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＧａＡｓバッファ層（３）を厚さがおよそ２００ｎｍ（ナノメートル）になるまでエピタキシャル成長させて形成する。
【００２８】
ＧａＡｓバッファ層（３）は、基板（２）表面を平坦化する目的で行うものである。基板（２）の表面が平坦でないと、良好にアンチモン系量子ドットを形成させることができないからである。従って、基板（２）の表面が、アンチモン系量子ドットを形成するのに良好な程度に平坦であれば、Ｇａ分子線とＡｓ分子線を照射する工程は必要ではない。なお、平坦とはいっても、通常化合物半導体には格子欠陥が生成するので、原子の大きさ単位での完全な平坦を意味するものではなく、アンチモン系量子ドットを形成するに適した程度の平坦を意味するにとどまる。また、Ｇａ分子線とＡｓ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＧａＡｓバッファ層（３）の厚さは適宜変更可能である。
【００２９】
ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長して形成した後、このＧａＡｓバッファ層（３）が形成された基板（２）の温度を所定温度まで低下させる。この所定温度は、アンチモン系量子ドットを形成するに適した温度にするのが良い。本実施形態例で形成するアンチモン系量子ドットは、ＧａＳｂまたはＩｎＧａＳｂなので、ＧａＳｂ量子ドットの場合にはおよそ４６０℃まで、ＩｎＧａＳｂ量子ドットの場合にはおよそ４００℃まで低下させる。無論、形成するアンチモン系量子ドットの種類によって、この温度は適宜変更可能である。
【００３０】
このように基板（２）の温度を低下させている過程においては、Ａｓ分子線を基板（２）に、とくにＧａＡｓバッファ層（３）に照射し続けるのが良い。ＧａＡｓ化合物はおよそ４５０℃以上で結晶の分解が始まるため、基板（２）、とくにＧａＡｓバッファ層（３）の表面から、分解したＡｓが抜けてしまうことを防止するのである。無論、例えば基板がＧａＮの場合には、Ｎ分子線を照射するようにすれば良い。
【００３１】
続いて、基板（２）の温度が安定したら、Ａｓ抜け防止のためのＡｓ分子線の照射を停止して、Ｓｂ分子線照射装置（１３）によってＳｂ分子線を照射する。
【００３２】
そして、Ｓｂ分子線の照射が安定した状態において、基板（２）に対してＳｉ分子線照射装置（１２）によってＳｉ分子線を照射する。このことによって、ＧａＡｓバッファ層（３）上にアンチサーファクタントであるＳｉ原子（４）を付着せしめるのである。アンチサーファクタント（基板である化合物半導体の表面エネルギーの状態を変化させる物質）としては、Ｓｉ以外にも好適なものとして、例えばＢｅやＴｅが挙げられるが、これらに必ずしも限定されるものではなく、基板を構成する元素の種類や、アンチモン系量子ドットを構成する元素の種類などによって適宜変更可能である。また、単一種類のアンチサーファクタントを用いるものでなくてもよいが、通常は、単一の種類とする。
【００３３】
本実施形態例においては、Ｓｉ原子（４）をＧａＡｓバッファ層（３）上に付着させる程度は、１秒間あたりおよそ１．４×１０10個／平方センチメートルとした。また照射時間は、発明者らの実験によって得られた知見では、照射時間を徒に長くしても、形成されるアンチモン系量子ドットの面密度がそれに比例して増加することはないことが判っており、本実勢形態例における好ましい照射時間は、およそ１５秒以上９０秒以内、即ち付着するＳｉ原子（４）の面密度が、桁数にして１０10個／平方センチメートルから１０11個／平方センチメートルになる程度であり、より好ましくは、１０11個／平方センチメートルになる程度である。そしてこの過程の温度状態は、上記のとおりＧａＳｂ量子ドットの場合には４６０℃程度とし、ＩｎＧａＳｂ量子ドットの場合には４００℃程度とし、Ｓｉ分子線を照射している間のＳｂ雰囲気は、その真空度がおよそ３．８×１０-7Ｔｏｒｒになるようにした。
【００３４】
続いて、アンチモン系量子ドット（５）を成長させて形成する。アンチモン系量子ドット（５）の成長は、主として、基板（２）の格子定数とアンチモン系量子ドット（５）の格子定数の相違から生じる３次元的な島状（ピラミッド形状やドーム形状など）量子ドットの結晶成長（ＳＫ成長モード）によっている。そして、このアンチモン系量子ドットの成長は、アンチモン系量子ドットを構成する元素の分子線を同時照射することによる。本実施形態例では、形成するアンチモン系量子ドットは、ＧａＳｂまたはＩｎＧａＳｂであるので、ＧａＳｂ量子ドットの場合はＧａ分子線、Ｓｂ分子線を、ＩｎＧａＳｂ量子ドットの場合はＧａ分子線、Ｓｂ分子線、Ｉｎ分子線を、Ｇａ分子線照射装置（１０）、Ａｓ分子線照射装置（１１）、Ｓｉ分子線照射装置（１２）、Ｓｂ分子線照射装置（１３）、Ｉｎ分子線照射装置（１４）から適宜同時照射する。本実施形態例においては、この過程おける温度状態は、上記のとおりＧａＳｂ量子ドットの場合には４６０℃程度とし、ＩｎＧａＳｂ量子ドットの場合には４００℃程度とし、Ｓｂ雰囲気は、その真空度がおよそ３．８×１０-7Ｔｏｒｒになるようにした。そして、各分子線の照射量は、１秒間あたり０．１分子層が成長する程度とし、およそ２分子層が成長するまで照射した。
【００３５】
このようにして、ＧａＡｓバッファ層（３）上に（ＧａＡｓバッファ層を形成しない場合にはＧａＡｓ基板上に）、高い面密度でアンチモン系量子ドットが形成される。
【００３６】
さらに、このようにしてアンチモン系量子ドットが形成された基板表面を被覆するようにしてもよい（図２参照）。被覆する物質は、基板の化合物半導体とおよそ同じ格子定数を有するものがよい。通常は、基板と同じ化合物で被覆する。即ち本実施形態例においては、ＧａＡｓ（６）で被覆するのである。ここで、同じ化合物とは、その構成元素の組成比まで完全に同一にするものではなく、例えば、基板（２）をｎ−ＧａＡｓ半導体とし、被覆化合物をｐ−ＧａＡｓ半導体とするようにしてもよい。
被覆する方法は、上記ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長させて形成するのと同様の方法に依ればよい。
【００３７】
また、アンチモン系量子ドット（５）を形成し、次いで上記の如く化合物で被覆し、この被覆化合物上にさらにアンチモン系量子ドット（５）を上記の方法で形成し、さらにこれを上記の如く被覆し、またさらにこの被覆化合物上にアンチモン系量子ドットを形成することを繰り返すことによって、アンチモン系量子ドットの形成を多層化するものでもよい（図１０参照。図１０では２層の場合を示す。）。
【００３８】
上記のように被覆されることによって作成された半導体素子は、発光装置や光通信デバイス用の半導体材料として用いることが可能になる。より具体的な例としては、図１０に示すように、基板（２）をｎ−ＧａＡｓ半導体とし、アンチモン系量子ドットを多層化して形成し（勿論、単層でもよい。）、その上をｐ−ＧａＡｓ半導体（７）で被覆して、さらに、基板（２）の底部とｐ−ＧａＡｓ半導体上に電極（８）を取り付けて電圧を加えることを可能にするのである。このようにすることによって、アンチモン系量子ドットが形成された部位を活性層とした、レーザーダイオードや面発光レーザー装置などとして利用可能になる。
【００３９】
アンチモン系量子ドットの形成後は、適宜各種分子線を照射しながら、基板（２）［より正確には、例えば、「アンチモン系量子ドットが形成された基板」や「多層化して作成された半導体素子」というべきものである。］の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。
具体的には、基板（２）［あるいは、バッファ層］上にアンチモン系量子ドットを形成しただけで取り出す場合には、Ｓｂ分子線を照射してＳｂ雰囲気を保った状態で、基板（２）の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。また、アンチモン系量子ドットを化合物で被覆して作成した半導体素子を取り出す場合には、被覆した化合物が例えばＧａＡｓであればＡｓ分子線を照射しながら、あるいはＧａＮであればＮ分子線を照射しながら、基板（２）の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。要は、高温状態において化合物の分解が進行することを防止するために、適宜各種の分子線を照射すればよいのである。
【実施例】
【００４０】
上記諸条件においてアンチモン系量子ドットを形成した実験結果を図３から図９に示す。図３は、Ｓｉ原子を付着させなかった場合（図中（ａ））と、Ｓｉ原子をＧａＡｓバッファ層上に１平方センチメートルあたりおよそ４．２×１０11個付着させた場合（図中（ｂ））の、ＧａＳｂ量子ドットの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。この像における基板の大きさは１μｍ×１μｍで、ＧａＳｂ量子ドットの高さの単位は、ナノメートルである。なお、表中の括弧に示される３桁の数字は結晶格子のミラー指数である。
【００４１】
また、図４は、Ｓｉ原子を付着させなかった場合（図中（ａ））と、Ｓｉ原子をＧａＡｓバッファ層上に１平方センチメートルあたりおよそ４．２×１０11個付着させた場合（図中（ｂ））の、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像である。この像における基板の大きさは５μｍ×５μｍで、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの高さの単位は、ナノメートルである。なお、表中の括弧に示される３桁の数字は結晶格子のミラー指数である。
【００４２】
また、図５は、Ｓｉ分子線の照射時間、即ち付着させるＳｉ原子の面密度によって形成されるＧａＳｂ量子ドットとＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの面密度の変化を示す表である。横軸はＳｉ分子線の照射時間（付着させるＳｉ原子は１秒間あたりおよそ１．４×１０10個／平方センチメートルである。）、縦軸は各量子ドットの面密度（個／平方センチメートル）である。これらから、ＧａＳｂ量子ドットの場合では、Ｓｉ分子線の照射の無い場合に比して、Ｓｉ分子線を照射した場合はおよそ１０倍多くなり、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの場合では、Ｓｉ分子線の照射の無い場合に比して、Ｓｉ分子線を照射した場合はおよそ１００倍多くなることが確認された。
【００４３】
さらに、図６と図７は、Ｓｉ分子線の照射時間、即ち付着させるＳｉ原子の面密度によって形成されるＧａＳｂ量子ドット（各図の（ａ）に示す。）とＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドット（各図の（ｂ）に示す。）の底部の大きさ（図６）と高さ（図７）の変化を示す表である（各図中のプロットは測定値の平均値を、各プロットのＩ線は標準偏差を示す。）。横軸はＳｉ分子線の照射時間（付着させるＳｉ原子は１秒間あたりおよそ１．４×１０10個／平方センチメートルである。）、縦軸は各量子ドットの底部の大きさまたは高さ（ナノメートル単位）である。これらから、ＧａＳｂ量子ドットの場合では、Ｓｉ分子線の照射の無い場合に比して、Ｓｉ分子線を照射した場合は、底部の大きさおよび高さはおよそ半分ほどになり、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの場合では、Ｓｉ分子線の照射の無い場合に比して、Ｓｉ分子線を照射した場合は、底部の大きさおよび高さはおよそ半分ほどになり、さらに、およそ底部が楕円型になることが確認された。つまり、本発明の方法によって形成されたＧａＳｂ量子ドットおよびＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットは、従来技術によって形成されたＧａＳｂ量子ドットおよびＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットに比して、量子ドットのサイズが十分に小さくなっており、上記のとおり量子サイズ効果や多電子効果が大きく期待できるものである。なお、表中の括弧に示される３桁の数字は結晶格子のミラー指数である。
【００４４】
また、図８と図９は、ＧａＳｂ量子ドット、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットが形成されたそれぞれの基板表面をＧａＡｓで被覆した半導体素子のフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光の強度を示す表である。図８は、ＧａＳｂ量子ドットの場合の４．７ＫにおけるＰＬ発光強度を、図９は、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの場合の室温におけるＰＬ発光強度を示す。各表とも横軸は光電子エネルギー（単位は、ｅＶ：電子ボルト）、縦軸はＰＬ発光強度である。これらの表から、いずれにおいても、Ｓｉ分子線の照射が無い場合に比して、Ｓｉ分子線の照射がある場合には、ＰＬ発光強度が大幅に向上されることが確認された。とくに、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの場合には、室温において、光電子エネルギーが０．９５ｅＶ付近、即ちおよそ１３００ｎｍ領域で強いＰＬ発光が確認されたので、シングルモード光ファイバ（１３００ｎｍ帯域において波長分散が零になるように設計されている。）における高速度光通信に利用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明のアンチモン系量子ドットの形成方法によることで作成される半導体素子は、例えば量子ドットレーザ、量子コンピュータ、単電子トランジスタなどに利用可能となる。とくに、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの場合には、シングルモード光ファイバ（１３００ｎｍ帯域において波長分散が零になるように設計されている。）における高速度光通信などの光通信分野に利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の方法を実施するＭＢＥ装置の概略図
【図２】基板上にＳｉ原子を付着させることによってＧａＳｂまたはＩｎＧａＳｂ量子ドットが形成された半導体素子の断面図（ＧａＡｓによって被覆されている）
【図３】基板上に形成されたＧａＳｂ量子ドットのＡＦＭ像
【図４】基板上に形成されＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットのＡＦＭ像
【図５】Ｓｉ分子線照射時間に対する、形成されたＧａＳｂ量子ドットとＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの面密度を示す表
【図６】Ｓｉ分子線照射時間に対する、形成されたＧａＳｂ量子ドットとＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの底部の大きさを示す表
【図７】Ｓｉ分子線照射時間に対する、形成されたＧａＳｂ量子ドットとＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットの高さを示す表
【図８】形成されたＧａＳｂ量子ドットのＰＬ発光強度を示す表
【図９】形成されたＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ量子ドットのＰＬ発光強度を示す表
【図１０】アンチモン系量子ドットの形成が多層化された半導体素子の断面図
【符号の説明】
【００４７】
１    チャンバー
２    基板
３    ＧａＡｓバッファ層
４    Ｓｉ原子
５    ＧａＳｂまたはＩｎＧａＳｂ
【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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