(57)【要約】【課題】光子発生装置が発光する光の単色性が低い。【解決手段】本発明の光子発生装置は、半導体材料からなる第１のナノ構造体と、半導体材料からなり、第１のナノ構造体の隣にギャップを挟んで配置された第２のナノ構造体と、ギャップに配置され、第１のナノ構造体と第２のナノ構造体とに挟持されたコロイド量子ドットとを有し、第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体とに挟持されたコロイド量子ドットは１つのみである。【選択図】      図１
2012054376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料からなる第１のナノ構造体と、
半導体材料からなり、前記第１のナノ構造体の隣にギャップを挟んで配置された第２のナノ構造体と、
前記ギャップに配置され、前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体とに挟持されたコロイド量子ドットとを有し、
前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体とに挟持された前記コロイド量子ドットは１つのみである光子発生装置。
【請求項２】
前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体のいずれか一方がｐ型、他方がｎ型にドープされている請求項１に記載の光子発生装置。
【請求項３】
前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体は、第ＩＩ属の元素一種又は複数種と第ＶＩ属の元素一種又は複数種の元素からなる混晶、又は、ＩＩＩ属の元素一種又は複数種とＶ属の元素一種又は複数種からなる混晶から選ばれる請求項１又は２に記載の光子発生装置。
【請求項４】
前記ギャップの幅が、前記コロイド量子ドットの平均直径の１．５倍以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の光子発生装置。
【請求項５】
前記第１のナノ構造体の前記コロイド量子ドットを挟持する側の端部及び前記第２のナノ構造体の前記コロイド量子ドットを挟持する側の端部のそれぞれには、第１の半導体層と前記第１の半導体層とは異なる材料からなる第２の半導体層とを含む少なくとも２種類の層が交互に積層された周期構造が配置された請求項１から４のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の光子発生装置と、
前記光子発生装置に接続されたＬＳＩチップと、を有し、
前記ＬＳＩチップに備えられたＬＳＩからの電気信号を光信号に変換する光デバイス。
【請求項７】
第１の半導体材料からなる第１のナノ構造体と、第２の半導体材料からなる第１のナノ構造体と、前記第１の半導体材料及び前記第２の半導体材料のいずれとも異なる前記第３の半導体材料からなる第３のナノ構造体と、を有し、前記第１のナノ構造体が前記第３のナノ構造体に接合し、前記第２のナノ構造体が前記第３のナノ構造体に接合しているナノワイヤーの前記第３の構造体をエッチングして除去して前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体の間にギャップを形成し、
前記ギャップにコロイド量子ドットを配置させる光子発生装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体の間に配置するコロイド量子ドットを１つとする請求項７に記載の光子発生装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の半導体材料、前記第２の半導体材料、及び前記第３の半導体材料のエッチングレート差を利用して、前記第３のナノ構造体を選択的にエッチングして、前記ギャップを形成する請求項７又は８に記載の光子発生装置の製造方法。
【請求項１０】
レーザー光を強く集光した光ピンセットを用いて、前記コロイド量子ドットを前記ギャップに配置させる請求項７から９のいずれか一項に記載の光子発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光子発生装置及び光デバイス並びに光子発生装置の製造方法に関し、特に、コロイド量子ドットを利用して光子を発生させる光子発生装置及び光デバイス並びに光子発生装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会の進展に伴い、イーサネット（登録商標）等のコンピュータネットワーク通信はさらなる転送の高速化と大容量化が望まれている。そこで、これを実現するために、コンピュータネットワーク通信には光通信技術が利用されている。また、２０ＧＨｚを超える高速通信では電気通信よりも光通信の方が消費電力において優れることもあって、システムのバックプレーン接続などにも光配線が使われつつある。また、コンピュータのチップ間通信やＬＳＩチップ内の素子間配線にも光インターコネクションを用いる研究が進められている。
【０００３】
このような背景のもと、半導体基板上で動作する小型で低消費電力の光源の必要性が高まっている。そして、このような光源を実現するための技術の一つとして、コロイド量子ドットを利用した技術がある。
【０００４】
コロイド量子ドットは、複数の半導体原子が集積してできたナノメートルサイズの３次元的な微小結晶構造である。多くのコロイド量子ドットは、コアの半導体ナノ結晶の周囲をワイドギャップの半導体層で取り囲む構造（コア・シェル構造）をとることにより、電子及び正孔に対して３次元的なハードウォールの閉じ込めポテンシャルを形成している。そのためコロイド量子ドット内のキャリアは、半導体組成とサイズによって決まる離散的なエネルギー準位を持つ。またキャリアが三次元的に強く閉じ込められているために、その波動関数のシェルへの染み出しは小さく、電子正孔対の再結合確率がバルク中よりもずっと高くなる。このため、コロイド量子ドットは高効率の発光素子として動作することができる。
【０００５】
また、コロイド量子ドットは化学合成手法等によって溶液中で合成されるため、比較的低コストである。加えて、コロイド量子ドットの組成は無機の半導体から成るため、コロイド量子ドットは化学的に安定している。このため、コロイド量子ドットは光インターコネクション用の小型で低コストかつ高信頼性の低消費電力光源として注目を集めている。
【０００６】
なお、コロイド量子ドットは光励起によっても発光するが、実用性を考えると電流駆動により発光させるのが望ましい。
【０００７】
特許文献１には交流駆動型コロイド量子ドットＬＥＤが開示されている。このコロイド量子ドットＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）では、コロイド量子ドットを含む発光層を無機の誘電体層と電極で挟んだ構造に交流電圧を印加することで、発光層にホットエレクトロンを生成し、そのホットエレクトロンによるオージェ過程を介してコロイド量子ドットが発光する。
【０００８】
特許文献１に記載されたコロイド量子ドットＬＥＤの発光層は、気相法やスプレー熱分解法を用いて形成されているため、装置自体のサイズが大きい。そのため、この技術は、軽量、薄型、大面積といった特徴を生かしたディスプレイへの応用等には向くものの、装置の小型化に関しては問題がある。
【０００９】
そこで、特許文献２には、半導体粒子内包ナノワイヤーから形成された発光領域を備えたナノワイヤー発光素子が開示されている。この発光素子はナノワイヤーを用いているため、装置自体の小型化を可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２４９３７３号公報（段落「００１１」、「００１９」、図１）
【特許文献２】国際公開第２００８／０７２４７９号（段落「００８６」〜「００９１」、図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２に記載されたナノワイヤー発光素子である光子発生装置には、発光する光の単色性が低いという問題があった。これは、このナノワイヤー発光素子の発光領域が、Ｓｉナノワイヤーが配置されたＣＶＤ装置などのチャンバ内にＳｉ２Ｈ６ガスとＧｅＨ４ガスなどの原料ガスを導入し、ＳｉＧｅナノワイヤーをヘテロ成長させることにより形成されるためである。この方法では発光領域に含まれるＧｅ粒子の粒径を制御することが難しいため、粒径は不均一になる。また、粒径が不均一なＧｅ粒子が複数個、発光領域に含まれることとなる。このため、ナノワイヤー発光素子が発光する光の単色性は低くなる。
【００１２】
本発明の目的は、上述した課題である、光子発生装置が発光する光の単色性が低い、という課題を解決する光子発生装置及び光デバイス、並びに光子発生装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光子発生装置は、半導体材料からなる第１のナノ構造体と、半導体材料からなり、第１のナノ構造体の隣にギャップを挟んで配置された第２のナノ構造体と、ギャップに配置され、第１のナノ構造体と第２のナノ構造体とに挟持されたコロイド量子ドットとを有し、第１のナノ構造体と第２のナノ構造体とに挟持されたコロイド量子ドットは１つのみである。
【００１４】
本発明の光デバイスは、本発明の光子発生装置と、光子発生装置に接続されたＬＳＩチップと、を有し、ＬＳＩチップに備えられたＬＳＩからの電気信号を光信号に変換する。
【００１５】
本発明の光子発生装置の製造方法は、第１の半導体材料からなる第１のナノ構造体と、第２の半導体材料からなる第１のナノ構造体と、第１の半導体材料及び第２の半導体材料のいずれとも異なる第３の半導体材料からなる第３のナノ構造体と、を有し、第１のナノ構造体が第３のナノ構造体に接合し、第２のナノ構造体が第３のナノ構造体に接合しているナノワイヤーの第３の構造体をエッチングして除去して第１のナノ構造体と第２のナノ構造体の間にギャップを形成し、ギャップにコロイド量子ドットを配置させる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の光子発生装置によれば、単色性が高い光を発光することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る光子発生装置の断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る光子発生装置のゼロバイアス時のバンドダイヤグラムである。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る光子発生装置の順方向バイアス時のバンドダイヤグラムである。
【図４】本発明の第一の実施形態に係る光子発生装置の別の例を示す平面図である。
【図５】本発明の第一の実施形態に係る光デバイスを示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態に係る光子発生装置の製造方法を示す図である。
【図７】本発明の第三の実施形態に係る光子発生装置の平面図である。
【図８】本発明の第四の実施形態に係る光子発生装置における分布ブラッグ反射鏡構造の拡大図である。
【図９】本発明の第四の実施形態に係る光子発生装置の断面図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態に係る光子発生装置の別の例の平面図である。
【図１１】本発明の第四の実施形態に係る光子発生装置におけるゲート電圧印加時のバンドダイヤグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
〔第一の実施形態〕
図１は、本発明の第一の実施形態の光子発生装置１００の構成を示す断面図である。光子発生装置１００は、半導体材料からなる第１のナノ構造体１０１と、半導体材料からなり、第１のナノ構造体１０１にギャップ１０５の隣にギャップを挟んで配置された第２のナノ構造体１０２とを有する。さらに、光子発生装置１００は、ギャップ１０５に配置され、第１のナノ構造体１０１と第２のナノ構造体１０２とに挟持されたコロイド量子ドット１０４とを有する。第１のナノ構造体１０１と第２のナノ構造体１０２とに挟持されたコロイド量子ドット１０４は１つのみである。ここで、第１のナノ構造体１０１と第２のナノ構造体とを含めたものをナノワイヤー１０６と呼ぶこととする。
【００２０】
ナノワイヤー１０６は好ましくは、ギャップ１０５を境にナノワイヤーの軸方向の一方がｐ型、他方がｎ型にドーピングされているのが望ましい。すなわち、第１のナノ構造体１０１と第２のナノ構造体１０２のいずれか一方がｐ型、他方がｎ型にドープされているのが望ましい。本実施形態のナノワイヤー１０６はこのような特徴と備えているものとして、以下、説明する。
【００２１】
ナノワイヤー１０６の材料は、そのバンドギャップエネルギーがコロイド量子ドット１０４の発光エネルギーより大きくなるように選択されるのが望ましい。本実施形態では、第ＩＩ属の元素一種又は複数種と第ＶＩ属の元素一種又は複数種の元素からなる混晶、又は、ＩＩＩ属の元素一種又は複数種とＶ属の元素一種又は複数種からなる混晶から選ばれる。より具体的には、ＩｎＮ（１．９５ｅＶ），ＧａＰ（２．２６ｅＶ），ＧａＮ（３．３ｅＶ），ＡｌＮ（６．２ｅＶ）等から好適な材料を選択することができる。なお、前文の括弧内は各半導体のバルクのバンドギャップエネルギーを表す。
【００２２】
コロイド量子ドット１０４の組成は、第ＩＩ属の元素一種又は複数種と第ＶＩ属の元素一種又は複数種からなる混晶、又は、ＩＩＩ属の元素一種又は複数種とＶ属の元素一種又は複数種からなる混晶から選ばれる。より具体的には、ＣｄＴｅ（１．４４ｅＶ），ＣｄＳｅ（１．７４ｅＶ），ＣｄＳ（２．４２ｅＶ），ＺｎＯ（３．３ｅＶ）等から好適な材料を選択する。なお、前文の括弧内は各半導体のバルクのバンドギャップエネルギーを表す。
【００２３】
光子発生装置１００が光子を発生する動作原理について、ナノワイヤー１０６とコロイド量子ドット１０４とがｐ−ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ−ｎ（ＰＩＮ）構造を有する例を用いて以下に説明する。ナノワイヤー１０６に印加された電圧がゼロバイアス電圧である状態のバンドダイヤグラムを図２に示す。フェルミレベル１５５は、図中、破線で示される。ｐ型半導体ナノワイヤーの荷電子帯１５１とｎ型半導体ナノワイヤーの伝導帯１５２は、図中、直線で示される。コロイド量子ドットコア層１５３、コロイド量子ドットシェル層１５４付近の荷電子帯と伝導帯は図中に示すとおりに変化する。
【００２４】
図２に示す状態のナノワイヤー１０６の両端に順方向バイアス電圧を印加すると、バンドダイヤグラムは図３に示すものになる。このとき、ナノワイヤー１０６のｐ型領域の荷電子帯からは正孔１６１が、ｎ型領域の伝導帯からは電子１６２が、ギャップ１０５に位置するコロイド量子ドット１０４に注入される。注入された正孔１６１は、コロイド量子ドットの正孔の基底準位１６３へ速やかにエネルギー緩和する。同様に、注入された電子１６２はコロイド量子ドットの電子の基底準位１６４へ速やかにエネルギー緩和する。基底準位の電子１６２と正孔１６１とは速やかに再結合して光子１６５を放出する。
【００２５】
このように、本実施形態に係る光子発生装置１００では、ギャップ１０５に配置されたコロイド量子ドット１０４が１つである。そして、図３を用いて説明したように、コロイド量子ドット１０４からの発光は、原理的には基底準位にある電子１６２と正孔１６１の再結合発光のみに限られる。このため、光子発生装置１００は単色性に優れた光子１６５を放出することができる。なお、発光波長は量子ドット１０４の組成とサイズに基づいて決定される。従って、目的に応じてコロイド量子ドット１０４の組成とサイズを制御することにより、光子の波長を自由に選択することができる。
【００２６】
また、光子発生装置１００では、コロイド量子ドット１０４がギャップ１０５に配置されている。このため、光子発生装置１００に印加された電圧を、光子を発生させるためのエネルギーとして効率良く用いることができる。すなわち、特許文献２に記載のナノワイヤー発光素子で生じるような、発光に寄与しない、いわゆる無効電流が生じるのを抑えることができる。特許文献２に記載の製造方法を用いると、Ｇｅ粒子の周囲がバルクのＳｉで覆われることとなる。バルクのＳｉは間接遷移型半導体であるため発光には寄与しないが、電流を流すことはできる。このため、特許文献２に記載のナノワイヤー発光素子では、Ｇｅ粒子を介さずにバルクのＳｉのみを流れる電流が生じる。このような電流は無効電流であり、光子発生装置のエネルギー効率を悪化させるため、好ましいものではない。一方、本実施形態に係る光子発生装置１００は、コロイド量子ドット１０４がギャップ１０５に配置されている構造であるため、無効電流が生じるのを抑えることができる。そのため、光子発生装置１００はエネルギー効率良く、光子を発生させることができる。
【００２７】
また、ナノワイヤー１０６は、周期的原子構造（結晶）に起因するエネルギーバンド構造を持つ半導体であるため、バンドギャップを除いて、荷電子帯および伝導体には常に有限のキャリア状態密度を有する。そのため、コロイド量子ドット１０４を含む発光層を有機高分子膜の電子及び正孔輸送層で挟む構造を備える有機ＥＬタイプの発光素子などと比較して、本実施形態に係る光子発生装置１００はコロイド量子ドット１０４へのキャリアの注入効率が高い。従って、ナノワイヤー１０６に印加するバイアス電圧を調節することで、コロイド量子ドット１０４のみに注入されるキャリア数を調節できる。さらに、電極としての機能を有するナノワイヤー１０６が化合物半導体からなるため、光子発生装置１００は高い耐久性を有する。
【００２８】
また、前述したように、ナノワイヤー１０６は電極として用いられている。このため、光子発生装置１００を容易に小型化することができる。例えば、ナノワイヤー１０６の径を数１０ｎｍとし、長さを数１００ｎｍから１μｍとすることができるため、容易にμｍオーダーの光子発生装置１００を半導体基板上に作製および集積することができる。
【００２９】
ナノワイヤー１０６は電極パッドに接続されていても良い。ナノワイヤーの両端部が金属性の電極パッド１０７に接続された光子発生装置１５０を図４に示す。ナノワイヤー１０６にはギャップ１０５が配置され、コロイド量子ドット１０４はそのギャップ１０５に配置される。ナノワイヤー１０６と電極パッド１０７はオーミックコンタクトを形成している。このため、電極パッド１０７を介してナノワイヤー１０６及びコロイド量子ドット１０４に電気的コンタクトを取ることが可能となる。また、電極パッド１０７は、ナノワイヤー１０６を半導体基板上又は半導体基板表面の絶縁膜上に物理的に固定する役割も果たす。
【００３０】
ギャップ１０５の幅は、コロイド量子ドット１０４の平均直径の１．５倍以下、１．０倍以上とするのが望ましく、特に、コロイド量子ドット１０４の平均直径と略等しくするのが望ましい。ギャップ１０５の幅とコロイド量子ドット１０４の平均直径とを略等しくした場合、コロイド量子ドット１０４と電極として機能するナノワイヤー１０６との接触抵抗が小さくなり、コロイド量子ドット１０４へのキャリア注入効率が高くなる。これにより、小型で高効率な光子発生装置１００を提供できる。なお、平均直径とは、コロイド量子ドット１０４がもつ各方向の直径の平均値で表される。また、例えば、ギャップ１０５の幅は１０ｎｍ程度であるのが望ましい。
【００３１】
光子発生装置１００を光通信や光インターコネクション等で用いられる光デバイスに適用した例として、図５にＬＳＩチップ間光配線用の光源として光子発生装置１００を組み込んだ例を図示する。光子発生装置１００はＬＳＩチップ１７１と同一基板上に設置される。ＬＳＩチップ１７１が備えるＬＳＩからの電気信号は、光子発生装置１００によって光信号に変換される。光信号は、カプラー１７２を介した後に光ファイバーや光導波路１７３を伝播して別のＬＳＩチップ１７１に近接した受光器（光電気信号変換器）１７４に伝達される。なお、図５では一方向の光通信路のみの例を示したが、光子発生装置１００は双方向光通信にも適用可能である。
【００３２】
上記のような光デバイスで用いる光子発生装置１００の場合、光源としては指向性や収束性に優れたレーザー光を用いるのが望ましい。また、レーザー発振において反転分布を形成する媒質（多準位の固体系）として、上述のようにコロイド量子ドットを用いることができる。光子発生装置１００をこのような量子ドットレーザーへ応用することについては後述の第三の実施形態で述べる。
【００３３】
〔第二の実施形態〕
次に、図６（ａ）から図６（ｃ）を用いて第二の実施形態に係る光子発生装置の製造方法について説明する。本実施形態の説明では、第一の実施形態にて説明した光子発生装置１００の製造方法を例にとって説明する。
【００３４】
はじめに、図６（ａ）に示すように、ナノワイヤー１０６を用意する。ナノワイヤー１０６の成長法としては、化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）法による貴金属や遷移金属の触媒を用いる気相-液相-固相（ｖａｐｏｒ‐ｌｉｑｕｉｄ‐ｓｏｌｉｄ；ＶＬＳ）プロセス、ＣＶＤ法のうち有機金属気相成長法においてパターニングされたマスクを用いた選択成長法、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）分子線エピタキシー法による自己組織成長、溶液化学反応法、レーザーアブレーションによるＶＬＳプロセス、などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、特許文献２に記載の方法を用いてナノワイヤー１０６を用意しても良い。
【００３５】
ここで用意したナノワイヤー１０６は、第１の半導体材料からなる第１のナノ構造体１０１と、第２の半導体材料からなる第２のナノ構造体１０２と、第３の半導体材料からなる第３のナノ構造体１０３と、を有する。第１の半導体材料と第３の半導体材料とは異なる。第２の半導体材料と第３の半導体材料とは異なる。第１のナノ構造体１０１は第３のナノ構造体１０３の一端に接合する。第２のナノ構造体１０２は、第３のナノ構造体１０３の他端に接合する。
【００３６】
半導体ナノワイヤーがＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮのヘテロ構造である場合は、ＧａＮとＡｌＮのナノワイヤーは共に六方晶ウルツ鉱型の結晶構造を取る。また格子定数は、ＧａＮが３．１８Å（ａ軸）と５．１Å（ｃ軸）で、ＡｌＮが３．１Å（ａ軸）と４．９８Å（ｃ軸）である。従って、ＧａＮとＡｌＮ及びその混晶のヘテロ界面での格子不整合度は比較的少なく、転位や点欠陥の少ない高品質なヘテロ構造を形成する。
【００３７】
ここで、ナノワイヤー１０６はｐ‐ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮのダブルヘテロ構造を有するものとして、以下、説明する。すなわち、第１のナノ構造体１０１はｐ‐ＧａＮ、第３のナノ構造体１０３はＡｌＧａＮ、第２のナノ構造体１０２はｎ−ＧａＮであるものとする。ここで、ｐ‐ＧａＮは、ＧａＮ成長時にＢｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇなどのｐ型不純物をドープして作製されるｐ型半導体である。同様に、ｎ‐ＧａＮはＳｉ等のｎ型不純物をドープして作製されるｎ型半導体である。より具体的には、ＶＬＳ成長においては、ナノワイヤー１０６成長時にジエチル亜鉛ガスを流しながら成長することでｐ型に、硫化水素ガスを流しながら成長することでｎ型になる。ＡｌＧａＮの成長軸方向の厚さは１０ｎｍ前後とする。
【００３８】
ナノワイヤー１０６は、必要ならばトルエン等の溶媒中に分散させた上で、スピンコート法、印刷法、浸漬引き上げ法、あるいはスプレー法等の手法で、半導体基板（例えば、酸化膜コートされたシリコン基板）上に塗布される。基板上に塗布されたナノワイヤー１０６に対して、リソグラフィーと真空蒸着によって図４に示したように電極パッド１０７を作製しても良い。ｎ型電極としてはＴｉ／Ａｕが、ｐ型電極としてはＴｉ／Ｚｎ／Ａｕなどが用いられる。これらの電極パッドは、ナノワイヤー１０６への電極として機能し、さらにナノワイヤー１０６を半導体基板に固定する役割を果たす。
【００３９】
次に、図６（ｂ）に示すように、ナノワイヤー１０６の第３のナノ構造体１０３をエッチングにより除去して、第１のナノ構造体１０１と第２のナノ構造体１０２の間にギャップ１０５を設ける。これを行う方法について、以下に具体的に説明する。Ｈｅ−Ｃｄ（ヘリウムカドミウム）レーザー光（波長３２５ｎｍ）の紫外光を照射しながら純水で希釈した水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液に試料全体を浸けることにより、ナノワイヤー１０６のダブルへテロ構造のうち、ＫＯＨに対する溶解度の高いＡｌＧａＮのみを選択的にエッチングする。または、試料全体を浸ける代わりに、ナノワイヤー１０６のみに水酸化カリウム水溶液を適量滴下することでエッチングを行ってもよい。このエッチング過程により、幅僅か１０ｎｍ以下のギャップ１０５を形成することができる。このように、ＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮのエッチングレート差を利用してＡｌｘＧａ１−ｘＮのみを選択的にエッチングするためには、Ａｌの組成比率ｘは０．１７５程度であることが好ましい。なお、このようなエッチング方法を選択的エッチングと呼ぶこととする。
【００４０】
次に、図６（ｃ）に示すように、コロイド量子ドット１０４をギャップ１０５に配置させる。コロイド量子ドット１０４は、レーザーアブレーション法、有機金属気相成長法、溶液中での熱分解等の化学反応を利用する液相法などにより作製される。作製されたコロイド量子ドット１０４は、トルエンやクロロホルム等の揮発性溶媒に分散された状態でギャップ１０５に滴下される。溶媒が揮発するに従って、分散していたコロイド量子ドット１０４は凝縮される。このとき、コロイド量子ドット１０４は、溶媒の表面張力によって、基板表面などの平坦な部位よりもギャップ１０５等の構造物周辺に凝縮する傾向にある。このようにしてギャップ１０５に配置されたコロイド量子ドット１０４は、第１のナノ構造体１０１及び第２のナノ構造体１０２に狭持される。
【００４１】
ナノワイヤー１０６がｐ‐ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ｎ−ＧａＮである場合、コロイド量子ドット１０４の材料としては、ＧａＮよりバンドギャップエネルギーの低いＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ等が好ましい。
【００４２】
なお、レーザー光を強く集光した光ピンセットを用いてコロイド量子ドット１０４をギャップ１０５に配置させてもよい。
【００４３】
本実施形態に係る光子発生装置１００の製造方法では、第３のナノ構造体１０３をエッチングにより除去してギャップ１０５を形成するため、ギャップ１０５の幅を制御することができる。これは、結晶成長技術により第３のナノ構造体１０３の長さを高い精度で制御し、選択的エッチングにより第３のナノ構造体１０３のみを除去することによりギャップ１０５を形成するためである。よって、本実施形態に係る光子発生装置１００の製造方法により、ギャップ１０５に配置されるコロイド量子ドット１０４の数を制御することができる。具体的には、例えばギャップ１０５の幅を制御してコロイド量子ドット１０４の平均直径とほぼ等しくする、又はギャップ１０５の幅をコロイド量子ドット１０４の平均直径の２倍以下にすることにより、単一のコロイド量子ドット１０４のみをギャップ１０５に配置することができる。このため、本実施形態に係る光子発生装置１００の製造方法により、単色性の高い光を発光する光子発生装置１００を製造することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態に係る光子発生装置１００の製造方法では、ギャップ１０５の幅を制御することができるため、光子発生装置１００の発光波長の均一性を向上させることができる。これは、ギャップ１０５の幅を均一化することで、ギャップ１０５に配置されるコロイド量子ドット１０４の大きさや数を制御することができるためである。例えば、特許文献２に記載のナノワイヤー発光素子の製造方法では、発光領域に含まれる複数のＧｅ粒子が成長により自己組織的に形成される。この場合、Ｇｅ粒子の密度と平均粒径は、酸化温度や酸化時間等を調整することで制御できるものの、粒径のばらつきを制御することは困難である。このため、特許文献２の段落「００４２」に記載のとおり、このナノワイヤー発光素子の発光領域に含まれるＧｅ粒子の粒径は１０ｎｍから２０ｎｍ程度までばらついてしまう。一方、本実施形態に係る光子発生装置１００の製造方法では、エッチングによりギャップ１０５の幅を制御することができる。また、ナノワイヤー１０６とは別にコロイド量子ドット１０４を作製することができる。このため、ギャップ１０５に配置されるコロイド量子ドット１０４の大きさや数を制御することができ、結果、製造した光子発生装置１００の発光波長の均一性を向上させることができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る光子発生装置１００の製造方法では、エッチングによりギャップ１０５をナノワイヤー１０６上に形成しているため、ギャップ１０５を形成する位置を制御することができ、その結果、ナノワイヤー１０６上でコロイド量子ドット１０４が配置される位置を制御することができる。これにより、例えば第２の実施形態にて説明するように、ナノ共振器との結合を考えた場合、共振器モード電場振幅の最大値付近に発光素子を配置することが容易に達成される。また、分布ブラッグ反射鏡に対するナノギャップの位置を制御することができる。
【００４６】
一般に、電極にギャップを形成し、このギャップにコロイド量子ドットを配置させる方法には、リソグラフィーとリフトオフによる方法、エレクトロマイグレーションによる方法、電気めっきを用いる方法、集束イオンビームを用いる方法などがある。しかしながら、リソグラフィーとリフトオフによって作製された光子発生装置の場合、ギャップ幅がコロイド量子ドットの平均直径に比べて大きくなってしまう。このため、この方法は、ギャップに配置されるコロイド量子ドットとナノワイヤーとが電気的にコンタクトしたものの収率が低い。また、エレクトロマイグレーションを用いた場合、ギャップが電圧印加により作製されているため、この方法を用いて製造された光子発生装置は電流駆動のためのソースドレイン電圧印加に対して構造が非常に不安定である。またその他の手法も、コロイド量子ドットの平均直径に対応する数ｎｍオーダーのギャップを作製するには、精度や収率に疑問が残る。一方、本実施形態に係る光子発生装置の製造方法では、エッチングによりギャップを形成しているため、コロイド量子ドットの平均直径に応じた幅のギャップを高い精度で形成することができる。また、この方法を用いて形成されたギャップを備えるナノワイヤーは電圧印加に対しても安定動作する。
【００４７】
〔第三の実施形態〕
次に本発明の第三の実施形態に係る光子発生装置について説明する。本実施形態の光子発生装置は、分布ブラッグ反射鏡（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）を有することを特徴とする。
【００４８】
本実施形態の光子発生装置２００の構造を、図７を参照しながら説明する。光子発生装置２００は、半導体材料からなる第１のナノ構造体２０１と、半導体材料からなり、第１のナノ構造体２０１の隣にギャップ２０５を挟んで配置された第２のナノ構造体２０２とを有する。さらに、光子発生装置２００は、第１のナノ構造体２０１と第２のナノ構造体２０２とに挟持されたコロイド量子ドット２０４とを有する。ここで、第１のナノ構造体２０１と第２のナノ構造体２０２とを含めたものをナノワイヤー２０６と呼ぶこととする。ナノワイヤー２０６は電極パッド２０７に接続されている。
【００４９】
さらに、ナノワイヤー２０６は、ギャップ２０５の近傍にナノワイヤー２０６の母材からなる第１の半導体層２１１と、母材とは組成が異なる第２の半導体層２１２が交互に積層された多層膜周期構造２１０を有する。周期構造２１０は、多層膜の膜数が多いほど反射率が１に近づき、いわゆる完全反射をすることができるようになる。膜数は、現実的には、２０から３０対以上が好ましい。この周期構造２１０付近の拡大図を図８に示す。第１の半導体層２１１及び第２の半導体層２１２のそれぞれ厚さは、コロイド量子ドット２０４の発光エネルギーにおける各々の半導体材料中での光の波長の４分の１に設定されている。すなわち、下記に示す式（１）となる。
【００５０】
【数１】
2012054376.tif 000003
【００５１】
ここで、iは半導体材質のラベル、ｄｉは半導体i層の膜厚、ｈはプランク定数、ｃは光速、Ｅはコロイド量子ドット２０４の励起子の発光エネルギー、ｎｉは半導体ｉの屈折率である。
【００５２】
周期構造２１０により、コロイド量子ドット２０４にて生じた再結合発光の光子のうち、ナノワイヤー成長軸方向へ伝播した光子は、周期的な屈折率変化を感じる。さらに、異なる組成の半導体層界面で反射された光電場強度が強め合う干渉をするために、ギャップ２０５において電場強度が増強され、ギャップ２０５とその両端の周期構造２１０の全体が光共振器として動作する。なお、この周期構造２１０は分布ブラッグ反射鏡と呼ばれている。このように、周期構造２１０によって、ナノワイヤー成長軸方向の伝播が抑制されてギャップ内の電場強度が強まるために、ナノワイヤー成長軸方向と直交する方向、例えば光子発生装置２００が配置された基板面直方向への光取り出し効率が上昇する。
【００５３】
また、周期構造２１０を設けることにより、光共振器とコロイド量子ドットが結合するため、自然放出レートが増強され、いわゆるパーセル効果を得ることができる。これによって、共振器を用いないコロイド量子ドットＬＥＤと比べて高速に動作する光子発生装置を提供することができる。
【００５４】
また、周期構造２１０によって形成される一次元光共振器モードとコロイド量子ドット２０４との結合定数ｇが小さく、自然放出レートの増強度（パーセル因子）が大きい場合には、レーザー発振の閾値が低下するために、光子発生装置２００はコロイド量子ドットレーザーとして動作することができる。ここで結合定数ｇが小さいとは、次の不等式で与えられる条件を意味する。
【００５５】
ｇ＜γ，κ
γはコロイド量子ドット２０４中の励起子の緩和レート、κは電磁場の共振器からの減衰レートである。
【００５６】
なお、前述した効果を十分に発揮するためには、共振器モード電場振幅の最大値の略半分以上である領域にコロイド量子ドット２０４が位置していることが望ましい。そして、本実施形態に係る光子発生装置及びその製造方法を用いれば、コロイド量子ドット２０４をこのような位置に配置させることができる。なお、簡単のために、共振器の基本モードをナノワイヤーの成長軸方向に対してギャップの中心を原点とするｃｏｓ関数で近似できるとし、さらに、ギャップの幅をＬとすると、共振器モード電場振幅の最大値の略半分以上の領域とは、ギャップの中心からナノワイヤー成長軸の方向に±Ｌ／３以下の領域になる。
【００５７】
次に、本実施形態に係る光子発生装置２００の製造方法について説明する。
【００５８】
初めに、ナノワイヤー２０６を用意する。ナノワイヤー２０６は、例えば、第一の実施形態にて説明した方法と同様の方法を用いて製造することができる。なお、第１の半導体層２１１の材料がＧａＮ、第２の半導体層２１２の材料がＡｌＮである場合を例にして、以下、説明する。
【００５９】
周期構造２１０を作製するためには、ＧａＮ成長を中断してＡｌＮを式（１）で決まる厚さだけ積層する。続いてＧａＮを同様に式（１）で決まる厚さだけ積層する。これを２０回から３０回程度繰り返すことによって、一方の分布ブラッグ反射鏡を形成する。
【００６０】
続いて、後の工程でギャップ２０５を形成するために、ＡｌＧａＮを積層する。
【００６１】
次に、再び周期構造２１０を積層する。ここで、２つの周期構造２１０である分布ブラッグ反射鏡の鏡面間の距離は、媒質中での光の波長の４分の１であることが望ましい。一般にコロイド量子ドット２０４の平均直径及びそれを狭持するギャップ２０５の幅は、コロイド量子ドット２０４の発光波長の４分の１より小さいため、この条件は容易に満たされる。
【００６２】
次に、ＡｌＧａＮをエッチングにより除去して、ギャップ２０５を形成する。第一の実施形態に記述したとおり、ギャップ２０５を形成するためにナノワイヤー２０６はＫＯＨ水溶液に浸けられるが、ＧａＮ及びＡｌＮはアルカリにも酸にも非常に安定である。このため、ｘ＝０．１７５程度のＡｌｘＧａ１−ｘＮのみ紫外線照射下でＫＯＨにより溶解され、ＧａＮとＡｌＮとで構成された周期構造２１０はそのままの状態で残存する。
【００６３】
〔第四の実施形態〕
次に本発明の第四の実施形態の光子発生装置及びその製造方法について説明する。本実施形態に係る光子発生装置は、半導体基板にバックゲートが組み込まれた構造を有する。
【００６４】
本実施形態で用いる光子発生装置３００の断面図構造を、図９を参照しながら説明する。ナノワイヤー、ギャップ３０５、コロイド量子ドット３０４、電極パッド３０７等は第一又は第三の実施形態に係る光子発生装置が備えるものと同じであるため、説明を省略する。なお、ここでいうナノワイヤーとは、第１のナノ構造体３０１と第２のナノ構造体３０２とを含めたものを指す。半導体基板３２０は好ましくは不純物をドープしないノンドープ基板とする。半導体基板３２０は、その表面に薄い絶縁体膜３２１とゲート電極３２２を、背面にグラウンド電極３２３を有する。絶縁体膜３２１は、半導体基板３２０の表面酸化によって形成されてもよい。ゲート電極３２２は、好ましくはＮｉ/Ａｕ等のショットキー電極とする。また、グラウンド電極３２３は、半導体基板３２０の変調ドープによってｐ型またはｎ型にドープされているドープ層を用いても良い。
【００６５】
また、バックゲート構造は二次元電子ガス又は２次元ホールガスのチャネルとショットキーゲート電極によって作成しても良い。その様な光子発生装置３５０を図１０に示す。チャネル３２４は、例えば変調ドープされたＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓヘテロ界面にできる二次元電子ガスを用いても良いし、より簡便にはＧａＡｓ基板中のＳｉのデルタドープ層を用いても良い。チャネル３２４の幅は、ナノワイヤーのギャップの幅を１００倍した長さ以下、より好適には１０倍した長さ以下であり、ナノワイヤーに対して略垂直方向に伸びるものとする。例えば、ギャップ３０５の幅が１０ｎｍである場合、ナノワイヤーの直径を３０ｎｍ〜５０ｎｍ、チャネル３２４の幅を１００ｎｍとすることができる。このチャネル構造は、エッチングによってメサ加工を施すことで作成される。或いは、原子間力顕微鏡チップに電圧を印加することによる局所酸化手法でチャネル３２４以外の二次元電子ガスを空乏化して作成されても良い。チャネル３２４の両端には、ショットキーゲート電極３２５が配される。
【００６６】
なお、ゲート電極構造は、ナノワイヤーとコロイド量子ドット３０４を絶縁性封止剤で覆った上で、透明電極を作製するトップゲート型であってもよい。この場合、光取り出し効率は低下するものの、コロイド量子ドット３０４の実効的なゲート印加効率は向上するという利点が有る。
【００６７】
本実施形態に係る光子発生装置３００により、バックゲート電圧と順方向バイアス電圧を調節して、図１１に示すように、コロイド量子ドット３０４中の正孔３６１の基底準位３６３と電子３６２の基底準位３６４のどちらか一方或いは両方と、ナノワイヤーのフェルミレベル３５５が一致する状況を実現できる。これは、ゲート電極３２２とグラウンド電極３２３の間にゲート電圧を印加することにより、コロイド量子ドット３０４の電子の基底準位３６４及び正孔の基底準位３６３（電気化学ポテンシャル）をリードのナノワイヤーのフェルミレベル３５５に対して調節することができるためである。特に、二次元電子ガスチャネル３２４をゲートに用いた場合は、コロイド量子ドット３０４周囲のみの電気化学ポテンシャルを変調することができる。図１１は、チャネル３２４に負電圧を印加した場合のバンドダイヤグラムであって、電子の基底準位３６４とフェルミレベル３５５が一致した状況を示し、特に、ナノワイヤーの荷電子帯、伝導帯に対して、コロイド量子ドット３０４周囲のポテンシャルのみが持ち上がっている様子を模式的に示す。このように、コロイド量子ドット３０４中の正孔の基底準位３６３と電子の基底準位３６４のどちらか一方或いは両方と、ナノワイヤーのフェルミレベル３５５が一致する状況を実現することにより、ナノワイヤーからコロイド量子ドット３０４へのキャリア注入効率をより向上させることができる。
【００６８】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【００６９】
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【００７０】
（付記１）  半導体材料からなる第１のナノ構造体と、半導体材料からなり、前記第１のナノ構造体の隣にギャップを挟んで配置された第２のナノ構造体と、前記ギャップに配置され、前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体とに挟持されたコロイド量子ドットとを有し、前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体とに挟持された前記コロイド量子ドットは１つのみである光子発生装置。
【００７１】
（付記２）  前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体のいずれか一方がｐ型、他方がｎ型にドープされている付記１に記載の光子発生装置。
【００７２】
（付記３）  前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体は、第ＩＩ属の元素一種又は複数種と第ＶＩ属の元素一種又は複数種の元素からなる混晶、又は、ＩＩＩ属の元素一種又は複数種とＶ属の元素一種又は複数種からなる混晶から選ばれる付記１又は２に記載の光子発生装置。
【００７３】
（付記４）  前記コロイド量子ドットは、第ＩＩ属の元素一種もしくは複数種と第ＶＩ属の元素一種又は複数種からなる混晶、又は、ＩＩＩ属の元素一種又は複数種とＶ属の元素一種又は複数種からなる混晶から選ばれる付記１から３のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【００７４】
（付記５）  前記ギャップの幅が、前記コロイド量子ドットの平均直径の１．５倍以下である付記１から４のいずれか１項に記載の光子発生装置。
【００７５】
（付記６）  前記ギャップの幅が、１０ｎｍである付記１から５のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【００７６】
（付記７）  前記第１のナノ構造体及び前記第２のナノ構造体のそれぞれの一端に電極パッドが接続されている付記１から６のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【００７７】
（付記８）  前記第１のナノ構造体の前記コロイド量子ドットを挟持する側の端部及び前記第２のナノ構造体の前記コロイド量子ドットを挟持する側の端部のそれぞれには、第１の半導体層と前記第１の半導体層とは異なる材料からなる第２の半導体層とを含む少なくとも２種類の層が交互に積層された周期構造が配置された付記１から７のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【００７８】
（付記９）  前記周期構造は分布ブラッグ反射鏡である付記８に記載の光子発生装置。
【００７９】
（付記１０）  前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体との下に絶縁膜を介して配置された半導体基板と、前記半導体基板上に前記絶縁膜を介して配置されたゲート電極と、前記半導体基板に設けられたグラウンド電極と、を有する付記１から９のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【００８０】
（付記１１）  前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体との下に絶縁膜を介して配置された半導体基板と、前記半導体基板上に前記絶縁膜を介して配置され、かつ、前記コロイド量子ドットの下に配置された二次元チャネルとゲート電極とを有し、前記二次元チャネルは、前記第１のナノ構造体及び前記第２のナノ構造体の延伸方向に対して略垂直方向に伸張している付記１から１０のいずれか一項に記載の光子発生装置。
【００８１】
（付記１２）  付記１から１１のいずれか一項に記載の光子発生装置と、前記光子発生装置に接続されたＬＳＩチップと、を有し、前記ＬＳＩチップに備えられたＬＳＩからの電気信号を光信号に変換する光デバイス。
【００８２】
（付記１３）  第１の半導体材料からなる第１のナノ構造体と、第２の半導体材料からなる第１のナノ構造体と、前記第１の半導体材料及び前記第２の半導体材料のいずれとも異なる前記第３の半導体材料からなる第３のナノ構造体と、を有し、前記第１のナノ構造体が前記第３のナノ構造体に接合し、前記第２のナノ構造体が前記第３のナノ構造体に接合しているナノワイヤーの前記第３の構造体をエッチングして除去して前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体の間にギャップを形成し、前記ギャップにコロイド量子ドットを配置させる光子発生装置の製造方法。
【００８３】
（付記１４）  前記第１のナノ構造体と前記第２のナノ構造体の間に配置するコロイド量子ドットを１つとする付記１３に記載の光子発生装置の製造方法。
【００８４】
（付記１５）  前記第１の半導体材料、前記第２の半導体材料、及び前記第３の半導体材料のエッチングレート差を利用して、前記第３のナノ構造体を選択的にエッチングして、前記ギャップを形成する付記１３又は１４に記載の光子発生装置の製造方法。
【００８５】
（付記１６）  レーザー光を強く集光した光ピンセットを用いて、前記コロイド量子ドットを前記ギャップに配置させる付記１３から１５のいずれか一項に記載の光子発生装置の製造方法。
【００８６】
（付記１７）  前記第３のナノ構造体を成長により形成して、前記第３のナノ構造体の幅を制御する付記１３から１６のいずれか一項に記載の光子発生装置の製造方法。
【００８７】
（付記１８）  前記第３の構造体の前記幅を、前記コロイド量子ドットの平均直径の１．５倍以下、１．０倍以上とする付記１３から１７のいずれか１項に記載の光子発生装置の製造方法。
【００８８】
（付記１９）  前記第１のナノ構造体、前記第２のナノ構造体及び前記第３のナノ構造体は、第ＩＩ属の元素一種又は複数種と第ＶＩ属の元素一種又は複数種の元素からなる混晶、又は、ＩＩＩ属の元素一種又は複数種とＶ属の元素一種又は複数種からなる混晶から選ばれる付記１３から１８に記載の光子発生装置の製造方法。
【００８９】
（付記２０）  付記１３から１９のいずれか一項に記載の光子発生装置の製造方法により製造された光子発生装置に、ＬＳＩチップに備えられたＬＳＩからの電気信号を光信号に変換するように、前記ＬＳＩチップを接続した光デバイスの製造方法。
【符号の説明】
【００９０】
１００、１５０、２００、３００、３５０    光子発生装置
１０１、２０１、３０１    第１のナノ構造体
１０２、２０２、３０２    第２のナノ構造体
１０３    第３のナノ構造体
１０４、２０４、３０４    コロイド量子ドット
１０５、２０５、３０５    ギャップ
１０６、２０６    ナノワイヤー
１０７、２０７、３０７    電極パッド
１５１    荷電子帯
１５２    伝導帯
１５３    コロイド量子ドットコア層
１５４    コロイド量子ドットシェル層
１５５、３５５    フェルミレベル
１６１、３６１    正孔
１６２、３６２    電子
１６３、３６３    正孔の基底準位
１６４、３６４    電子の基底準位
１６５    光子
１７１    ＬＳＩチップ
１７２    カプラー
１７３    光導波路
１７４    受光器（光電気信号変換器）
２１０    周期構造
２１１    第１の半導体層
２１２    第２の半導体層
３２０    半導体基板
３２１    絶縁体膜
３２２    ゲート電極
３２３    グラウンド電極
３２４    チャネル
３２５    ショットキーゲート電極
【図１】
2012054376.tif 000004
【図２】
2012054376.tif 000005
【図３】
2012054376.tif 000006
【図４】
2012054376.tif 000007
【図５】
2012054376.tif 000008
【図６】
2012054376.tif 000009
【図７】
2012054376.tif 000010
【図８】
2012054376.tif 000011
【図９】
2012054376.tif 000012
【図１０】
2012054376.tif 000013
【図１１】
2012054376.tif 000014