(57)【要約】【課題】  加工によるダメージを受けることなく室温下での優れた特性を発現できる三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板１１上に金属の微粒子体１２を形成し、微粒子体１２を活性点として基板１１と微粒子体１２との間に、気相‐液相‐固相（ＶＬＳ）成長により、活性層１３ｂ及び光閉じ込め層１３ａ，１３ｃを有する柱状構造体１３を成長させた後、柱状構造体１３を包囲するように基板１１上に、柱状構造体１３の活性層１３ｂと異なる組成の層を埋め込み成長させて埋め込み構造体１４を形成することにより、三次元閉じ込め量子ナノ構造体１０を製造する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されて活性層及び光閉じ込め層を有する柱状構造体と、
前記柱状構造体を包囲するように前記基板上に形成されて前記柱状構造体の前記活性層と異なる組成からなる埋め込み構造体と
を備えてなることを特徴とする三次元閉じ込め量子ナノ構造体。
【請求項２】
請求項１において、
前記柱状構造体の成長方向先端部と前記活性層とが前記基板の面と平行な平面に投影したときに重ならないように、当該柱状構造体が当該基板に対して傾斜している
ことを特徴とする三次元閉じ込め量子ナノ構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記埋め込み構造体及び前記柱状構造体の前記光閉じ込め層のバンドギャップが、当該柱状構造体の前記活性層のバンドギャップよりも大きい
ことを特徴とする三次元閉じ込め量子ナノ構造体。
【請求項４】
基板上に金属の微粒子体を形成し、当該微粒子体を活性点として当該基板と当該微粒子体との間に、気相‐液相‐固相（ＶＬＳ）成長により、活性層及び光閉じ込め層を有する柱状構造体を成長させた後、当該柱状構造体を包囲するように当該基板上に、当該柱状構造体の当該活性層と異なる組成の層を埋め込み成長させて埋め込み構造体を形成することにより、三次元閉じ込め量子ナノ構造体を製造する
ことを特徴とする三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項４において、
前記柱状構造体を傾斜させるように成長させる結晶方位を有する前記基板を用いることにより、前記微粒子体と前記活性層とが当該基板の面と平行な平面に投影したときに重ならないように、当該柱状構造体を当該基板に対して傾斜形成する
ことを特徴とする三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項４において、
前記埋め込み構造体を形成する前に、前記柱状構造体と前記微粒子体との間に、選択的エッチング除去可能なエッチング層を気相‐液相‐固相（ＶＬＳ）成長により成長させた後、当該エッチング層を選択的エッチング除去することにより、当該微粒子体を除去する
ことを特徴とする三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の三次元閉じ込め構造は、横方向に伸びた量子ドットや量子ディスクの形状をなし、その大きさが微小となっている。このため、従来の三次元閉じ込め構造の製造方法としては、電子ビーム（ＥＢ）による加工を利用した方法（例えば、下記非特許文献１等参照）や、結晶成長時のＳ−Ｋモード等による自己形成を利用した方法（例えば、下記非特許文献２等参照）が主に適用されている。
【０００３】
前者の方法は、量子井戸構造を有する成長膜をリソグラフィ技術を用いて加速したイオンで物理的に除去するドライエッチングにより形成するため、加工のダメージを受けやすく、発光や電子輸送特性などで量子構造の特性を十分に発現させることが難しかった。
【０００４】
また、後者の方法は、加工の影響を受けないために優れた特性を有するものの、量子構造のサイズや位置の制御が難しく、ナノサイズのデバイスへの将来的な応用に適さなかった。
【０００５】
さらに、両者の方法においては、量子構造とその周りの材料との格子定数差の影響が大きく、欠陥が多数生じやすかった。具体的には、例えば、ＧａＡｓ上のＩｎＡｓ三次元閉じ込め量子ナノ構造を成長させる際には、ＩｎＡｓを数原子層で成長させないと、格子不整合を生じて欠陥が多数生じてしまい、光デバイスに適用可能なほどの発光を得ることができなかった。
【０００６】
また、ＳｉやＧａＡｓ等の化合物半導体において、Ａｕ等の微小の金属との共晶で融点を低下させて、当該金属の基に選択的に結晶成長を生じさせることにより、ｐ−ｎ構造やヘテロ構造のナノワイアを作製する気相‐液相‐固相（Vapor-Liquid-Solid：ＶＬＳ）成長が知られている（例えば、下記非特許文献３等参照）。
【０００７】
しかしながら、上記方法は、ワイアの周囲が大気となるため、表面酸化の影響や表面ポテンシャルの影響により、室温において優れた特性を発現させることができなかった（例えば、下記非特許文献４，５等参照）。
【０００８】
【非特許文献１】Y.Nagamune,S.Tsukamoto,M.Nishioka, and Y.Arakawa,“Growth process and mechanism of nanometer-scale GaAs dot-structures using MOCVD selective growth,”J.Crystal Growth 126(1993)707.
【非特許文献２】J.Tatebayashi,M.Nishioka,Y.Arakawa,“Luminescence in excess of 1.5 um at room-temperature of InAs quantum dots capped by a thin InGaAs strain-reducing layer,”J.Crystal Growth 237-239(2002)1296.
【非特許文献３】R.S.Wagner,W.C.Ellis,“Vapor-Liquid-Solid mechanism of single crystal growth,”Appl.Phys.Lett.4(1964)89.
【非特許文献４】M.T.Bjork,B.J.Ohlsson,C.Thelander,A.I.Persson,K.Deppert,L.R.Wallenberg,L.Samuelson,“Nanowire resonant tunneling diodes,”Appl.Phys.Lett.81(2002)4458.
【非特許文献５】N.Panev,A.I.Persson,N.Skold,L.Samuelson,“Sharp exciton emission from single InAs quantum dots in GaAs nanowires,”Appl.Phys.lett.83(2003)2238.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述したような従来技術を鑑みて、ナノサイズの光デバイスや電子デバイスへ適用できるようになされたものであり、加工によるダメージを受けることなく室温下での優れた特性を発現できる三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造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】
【００１０】
前述した課題を解決するための、本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体は、基板と、前記基板上に形成されて活性層及び光閉じ込め層を有する柱状構造体と、前記柱状構造体を包囲するように前記基板上に形成されて前記柱状構造体の前記活性層と異なる組成からなる埋め込み構造体とを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体は、上記において、前記柱状構造体の成長方向先端部と前記活性層とが前記基板の面と平行な平面に投影したときに重ならないように、当該柱状構造体が当該基板に対して傾斜していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体は、上記において、前記埋め込み構造体及び前記柱状構造体の前記光閉じ込め層のバンドギャップが、当該柱状構造体の前記活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
他方、前述した課題を解決するための、本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法は、基板上に金属の微粒子体を形成し、当該微粒子体を活性点として当該基板と当該微粒子体との間に、気相‐液相‐固相（ＶＬＳ）成長により、活性層及び光閉じ込め層を有する柱状構造体を成長させた後、当該柱状構造体を包囲するように当該基板上に、当該柱状構造体の当該活性層と異なる組成の層を埋め込み成長させて埋め込み構造体を形成することにより、三次元閉じ込め量子ナノ構造体を製造することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法は、上記において、前記柱状構造体を傾斜させるように成長させる結晶方位を有する前記基板を用いることにより、前記微粒子体と前記活性層とが当該基板の面と平行な平面に投影したときに重ならないように、当該柱状構造体を当該基板に対して傾斜形成することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法は、上記において、前記埋め込み構造体を形成する前に、前記柱状構造体と前記微粒子体との間に、選択的エッチング除去可能なエッチング層を気相‐液相‐固相（ＶＬＳ）成長により成長させ後、当該エッチング層を選択的エッチング除去することにより、当該微粒子体を除去することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法によれば、柱状構造体がＶＬＳ成長で形成されると共に大気に触れることなく埋め込み構造体で包囲されているので、ドライエッチング等の加工によるダメージを受けることなく室温下での優れた特性を発現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法の第一番目の実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法の説明図、図２は、柱状構造体の説明図である。
【００１９】
ＧａＡｓ（３１１）Ｂの基板１１上にレジスト膜を形成して、ＥＢを照射してレジスト膜にホールを複数形成し（直径２０ｎｍ、間隔２００ｎｍ）、Ａｕを蒸着した後にレジスト膜を除去することにより、当該基板１１上にＡｕの微粒子体１２（直径２０ｎｍ、高さ５ｎｍ）を複数形成する（図１（ａ）参照）。
【００２０】
続いて、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＡｓ（又はＡｓＨ3）を原料に用い、原料流量及び成長時間を調整して、基板１１と微粒子体１２との間に、基板１１側から順に、ＧａＡｓからなる第一の光閉じ込め層１３ａ（２００ｎｍ）、ＩｎＡｓからなる活性層１３ｂ（２０ｎｍ）、ＧａＡｓからなる第二の光閉じ込め層１３ｃ（５００ｎｍ）をＶＬＳ成長させることにより（基板温度４３０℃）、柱状構造体１３を形成する（図１（ｂ）参照）。
【００２１】
なお、柱状構造体１３は、ＧａＡｓ（３１１）Ｂの基板１１を用いているため、ＶＬＳ成長により、基板１１に対する垂直方向よりも２９．５°傾いた［１１１］方向に成長する。
【００２２】
ここで、上記柱状構造体１３は、微粒子体１２を活性点としたＶＬＳ成長により形成されているため、前記光閉じ込め層１３ａ，１３ｃと活性層１３ｂとの界面を微小領域とすることができ、前記光閉じ込め層１３ａ，１３ｃのＧａＡｓと活性層１３ｂのＩｎＡｓとの格子不整合に起因する欠陥を大幅に抑制することができる。
【００２３】
次に、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＢＡｓ（又はＡｓＨ3）を原料に用いて、基板１１上にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓを埋め込み成長（６５０℃）させて埋め込み構造体１４を形成して表面を平坦化することにより、三次元閉じ込め量子ナノ構造体１０を製造した（図１（ｃ）参照）。
【００２４】
このとき、柱状構造体１３を成長させた後に大気開放することなく上記埋め込み構造体１４の成長を行うことにより、柱状構造体１３と埋め込み構造体１４との界面の欠陥や不純物の影響が大幅に抑制される。
【００２５】
また、柱状構造体１３は、活性層１３ｂの形状が、いわゆる量子ドットや量子ディスクではなく、埋め込み構造体１４で埋め込まれることにより、箱型となっているので、基板１１に対する垂直方向及び水平方向でのバンド構造の制御が容易となる。
【００２６】
また、前記光閉じ込め層１３ａ，１３ｃ及び埋め込み構造体１４のバンドギャップは、活性層１３ｂのバンドギャップよりも大きくなっている。
【００２７】
さらに、柱状構造体１３は、図２に示すように、前記微粒子体１２と前記活性層１３ｂとが基板１１の面と平行な平面に投影したときに重なることがないように、基板１１に対して傾斜して形成されている。
【００２８】
このため、三次元閉じ込め量子ナノ構造体１０は、表面からの光の入出力が可能となり、フォトルミネッセンス測定において、室温でシャープな発光を１３００ｎｍ付近で観測することができる。
【００２９】
そして、基板１１をｎ型とし、柱状構造体１３の第一の光閉じ込め層１３ａ（成長方向基端側のＧａＡｓ）をｎ−ＧａＡｓとし、柱状構造体１３の第二の光閉じ込め層１３ｃ（成長方向先端側のＧａＡｓ）をｐ−ＧａＡｓとし、埋め込み構造体１４（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ）をＦｅ等でドーピングして半絶縁性とすることにより、柱状構造体１３を微小なｐｉｎダイオードとすることができる。
【００３０】
ここで、基板１１をｎ型電極とし、微粒子体１２にｐ型端子を触針して、Ｉ−Ｖ測定を行ったところ、三次元閉じ込め量子ナノ構造体１０は、逆バイアスにおいて、電流の流れないダイオード特性を得ることができ、順方向において、１３００ｎｍ付近で発光が観測された。
【００３１】
したがって、本実施形態によれば、加速したイオンにより物理的に除去するドライエッチング等の加工技術を利用せずに済むので、活性層１３ｂがダメージを受けることはなく、室温下での優れた特性を発現することができる。
【００３２】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法の第二番目の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法の説明図である。なお、前述した実施形態と同様な部分については、前述した実施形態と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態と重複する説明を省略する。
【００３３】
前述した第一番目の実施形態と同様に、ｎ−Ｓｉ（１１１）の基板２１上にレジスト膜を形成して、ＥＢを照射してレジスト膜にホールを複数形成し（直径２０ｎｍ、間隔２００ｎｍ）、前述した第一番目の実施形態の場合よりも少ない量のＡｕを蒸着した後にレジスト膜を除去することにより、Ａｕの凝集作用で当該レジスト膜の上記ホールよりも小さい直径となるＡｕの微粒子体２２（直径１０ｎｍ、高さ２ｎｍ）を当該基板２１上に複数形成する。
【００３４】
続いて、ＭＯＶＰＥ法により、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＴＢＰ（又はＰＨ3）を原料に用い、原料流量及び成長時間を調整して、基板２１と微粒子体２２との間に柱状構造体２３をＶＬＳ成長により形成すると共に、当該柱状構造体２３上に、選択的なウエットエッチングにより除去可能なＧａＰからなる比較的長いエッチング層２５をさらに成長させて形成する（基板温度４７０℃）。
【００３５】
上記柱状構造体２３は、基板２１側から順に、ＧａＰからなる第一Ａ層２３ａａとＧａＡｓからなる第一Ｂ層２３ａｂとを複数回（例えば２０回）繰り返すことにより形成される第一の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）層２３ａと、ＧａＡｓからなる第一のスペーサ層２３ｂと、ＩｎＡｓからなる活性層２３ｃと、ＧａＡｓからなる第二のスペーサ層２３ｄと、ＧａＰからなる第二Ａ層２３ｅａとＧａＡｓからなる第二Ｂ層２３ｅｂとを複数回（例えば２０回）繰り返すことにより形成される第二の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）層２３ｅとからなっている（図３（ａ）参照）。
【００３６】
なお、本実施形態においては、上記ＤＢＲ層２３ａ，２３ｅ、上記スペーサ層２３ｂ，２３ｄにより、光閉じ込め層を構成している。また、柱状構造体２３は、ｎ−Ｓｉ（１１１）の基板２１を用いているため、ＶＬＳ成長により、基板２１に対して垂直方向に成長する。また、柱状構造体２３は、微粒子体２２が微小なため、その直径が５ｎｍとなった。また、前記ＤＢＲ層２３ａ，２３ｅの各層２３ａａ，２３ａｂ，２３ｅａ，２３ｅｂは、１０００ｎｍの波長の光に対する反射率が９９％以上となるように下記の式に基づいて長さＬが設定されている。
【００３７】
Ｌ＝ｍλ／（４ｎ）
ただし、ｍは自然数、λは光の波長、ｎは屈折率である。
【００３８】
そして、柱状構造体２３の第一のＤＢＲ層２３ａ（成長方向基端側）をｎ型とし、柱状構造体２３の第二のＤＢＲ層２３ｅ（成長方向先端側）をｐ型とすると共に、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＢＡｓ（又はＡｓＨ3）を原料に用いて、柱状構造体２３の周囲に同心円状をなすように、当該柱状構造体２３側から順に、ＧａＡｓからなる第一の埋め込み層２４ａ、半絶縁性のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓからなる第二の埋め込み層２４ｂ、半絶縁性のＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓからなる第三の埋め込み層２４ｃを基板２１上に埋め込み成長（６５０℃）させて埋め込み構造体２４を形成する（図３（ｂ）参照）。
【００３９】
なお、上記埋め込み構造体２４は、円周面に対して垂直方向へ１０００ｎｍの波長の光を反射できるように、各埋め込み層２４ａ〜２４ｃの厚さが設定されていることから、柱状構造体２３の発光体である活性層２３ｃ（ＩｎＡｓ）に対して、基板２１に対する垂直方向及び水平方向で光を閉じ込めることができる。
【００４０】
また、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、柱状構造体２３を成長させた後に大気開放することなく上記埋め込み構造体２４の成長を行うことにより、柱状構造体２３と埋め込み構造体２４との界面の欠陥や不純物の影響が大幅に抑制される。
【００４１】
また、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記ＤＢＲ層２３ａ，２３ｅ及び前記スペーサ層２３ｂ，２３ｄ（光閉じ込め層）並びに埋め込み構造体２４のバンドギャップは、活性層２３ｃのバンドギャップよりも大きくなっている。
【００４２】
最後に、塩酸系のエッチング液又はＨＣｌガス等との化学反応により前記エッチング層２５を選択的にエッチングして当該エッチング層２５と共に微粒子体２２を除去して光の入出力を可能とすることにより、三次元閉じ込め量子ナノ構造体２０を製造する（図３（ｃ）参照）。
【００４３】
これにより、Ｑ値が１００００以上と高く、光の閉じ込めが可能なモード体積（Ｖ＝２（λ／ｎ）3、ｎは屈折率）が小さい、フォトニック結晶レーザ構造を得ることができる。この三次元閉じ込め量子ナノ構造体２０に順方向で電流を流したところ、無閾値のレーザ発振動作を確認することができた。
【００４４】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、加速したイオンにより物理的に除去するドライエッチング等の加工技術を利用せずに済むので、活性層２３ｃがダメージを受けることはなく、室温下での優れた特性を発現することができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、前記エッチング層２５を選択的にエッチングして当該エッチング層２５と共に微粒子体２２を除去することにより、光の入出力を可能としたが、例えば、前記エッチング層２５及び微粒子体２２を除去せずに、基板２１側から光の入出力を行うようにすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体及びその製造方法は、加工によるダメージを受けることなく室温下での優れた特性を発現する光高率なナノサイズの光デバイスや電子デバイスの提供が可能となり、産業上、極めて有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法の第一番目の実施形態の説明図である。
【図２】本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体の第一番目の実施形態の柱状構造体の説明図である。
【図３】本発明に係る三次元閉じ込め量子ナノ構造体の製造方法の第二番目の実施形態の説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０      三次元閉じ込め量子ナノ構造体
１１      基板
１２      微粒子体
１３      柱状構造体
１３ａ    第一の光閉じ込め層
１３ｂ    活性層
１３ｃ    第二の光閉じ込め層
１４      埋め込み構造体
２０      三次元閉じ込め量子ナノ構造体
２１      基板
２２      微粒子体
２３      柱状構造体
２３ａ    第一の分布ブラッグ反射鏡層
２３ａａ  第一Ａ層
２３ａｂ  第一Ｂ層
２３ｂ    第一のスペーサ層
２３ｃ    活性層
２３ｄ    第二のスペーサ層
２３ｅ    第二の分布ブラッグ反射鏡層
２３ｅａ  第二Ａ層
２３ｅｂ  第二Ｂ層
２４      埋め込み構造体
２４ａ    第一の埋め込み層
２４ｂ    第二の埋め込み層
２４ｃ    第三の埋め込み層
２５      エッチング層
【図１】
2005191171.tif 000003
【図２】
2005191171.tif 000004
【図３】
2005191171.tif 000005