(57)【要約】【課題】この発明は、高積層であっても量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズの均一性が保たれ、また、量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきも小さい超格子構造を提供する。【解決手段】面領域から略垂直方向に伸びる複数本の量子ドットナノワイヤからなり、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域上に障壁層と量子ドット層とが交互に積層された構造を有し、その直径が積層方向において実質的に同一であり、その面密度が４本／μｍ2以上で実質的に均一に配列された超格子構造。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面領域から略垂直方向に伸びる複数本の量子ドットナノワイヤからなり、
前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域上に障壁層と量子ドット層とが交互に積層された構造を有し、その直径が積層方向において実質的に同一であり、その面密度が４本／μｍ2以上で実質的に均一に配列された超格子構造。
【請求項２】
前記量子ドットナノワイヤは、少なくとも２種類の直径を有する請求項１に記載の超格子構造。
【請求項３】
少なくとも２種類の面領域からなる基材面上に配列され、
前記面領域の種類ごとに異なる構造を有する請求項１または２に記載の超格子構造。
【請求項４】
前記量子ドットナノワイヤは、前記積層方向において少なくとも２種類の長さの前記量子ドット層を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項５】
前記量子ドットナノワイヤは、少なくとも２種類の組成の前記量子ドット層を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項６】
前記量子ドットナノワイヤは、前記積層方向において少なくとも２種類の長さの前記障壁層を有する請求項３〜５のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項７】
隣接する前記量子ドットナノワイヤの間の間隔が３０〜５００ｎｍである請求項１〜６のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項８】
前記量子ドットナノワイヤの直径が５〜１００ｎｍである請求項１〜７のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項９】
前記量子ドットナノワイヤは、３０〜６００層の前記量子ドット層からなる構造を有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１０】
前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域の種類ごとに異なる直径を有する請求項３〜９のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１１】
前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域の種類ごとに異なる組成を有する請求項３〜１０のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１２】
前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域の種類ごとに異なる面密度を有する請求項３〜１１のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１３】
前記量子ドットの密度が１．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2である請求項１〜１２のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１４】
前記面領域に垂直方向に見たとき、前記量子ドットナノワイヤが一定の繰り返し周期で周期的に配置された構造を有する請求項１〜１３のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１５】
前記複数本の量子ドットナノワイヤは、積層方向から前記面領域を見たとき、前記面領域に対して前記構造の占める割合が５％以上である請求項１〜１４のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１６】
前記割合が５〜５０％である請求項１５に記載の超格子構造。
【請求項１７】
前記量子ドット層または前記障壁層がｎ型ドープされている請求項１〜１６のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１８】
前記量子ドット層および障壁層がＡｌＩｎＧａＡｓまたはＡｌＩｎＧａＮを有する請求項１〜１７のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項１９】
少なくとも１つの単位構造からなり、前記単位構造は、１本の量子ドットナノワイヤの周囲に少なくとも６本の量子ドットナノワイヤが等間隔に近接して配置された構造を有する請求項１〜１８のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項２０】
前記面密度が２０〜１００本／μｍ2以上である請求項１〜１９のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項２１】
前記量子ドットナノワイヤは、バックグラウンド濃度を超える濃度の金属不純物元素を含まない請求項１〜２０のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項２２】
前記複数本の量子ドットナノワイヤの間に波長変換材料が充填された構造を有する請求項１〜２１のいずれか１つに記載の超格子構造。
【請求項２３】
ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれた超格子半導体層とを備え、
前記超格子半導体層は、請求項１〜２２のいずれか１つに記載の前記超格子構造を備える半導体装置。
【請求項２４】
前記超格子半導体層は、少なくとも２種類の発光波長を有する請求項２３に記載の半導体装置からなる半導体発光装置。
【請求項２５】
前記超格子構造が、前記量子ドットナノワイヤ全体の発光スペクトルがガウシアン型形状となる前記発光波長を有する請求項２４に記載の半導体発光装置。
【請求項２６】
前記発光装置は、通信用発光装置として使用される請求項２４または２５に記載の半導体発光装置。
【請求項２７】
面領域上にマスク層を形成し、
前記マスク層に４個／μｍ2以上の面密度を有する複数の開口部を設け、
前記複数の開口部から略垂直方向に障壁層と量子ドット層とを交互に積層して複数本の量子ドットナノワイヤを形成する超格子構造の製造方法。
【請求項２８】
前記マスク層は、少なくとも２種類の面領域上からなる基材面上に形成される請求項２７に記載の超格子構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超格子構造、前記超格子構造を備えた半導体装置および半導体発光装置、ならびに前記超格子構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2を排出しないクリーンなエネルギー源として光起電力素子が注目され、その普及が進みつつある。現在最も普及している光起電力素子は、シリコンを用いた単接合太陽電池であるが、シリコン太陽電池は、太陽光スペクトル中の長波長領域の光を吸収できないため、太陽光エネルギーの多くが利用されていなかった。それゆえ、この利用されていない太陽光エネルギーを有効活用すべく、量子ドットを用いた量子ドット太陽電池が注目されている。
【０００３】
量子ドットは、数ｎｍ〜１００ｎｍ程度のナノ構造を有する粒子であり、複数の量子ドットからなる超格子構造によって新たなバンドギャップ（量子エネルギー準位）を形成することにより、これまで利用されなかった太陽光の長波長領域も吸収できるようになる。また、量子ドットのサイズを制御することにより自由にバンドギャップを制御できるといった特徴も有する。このような複数の量子ドットからなる超格子構造を太陽電池に応用する場合、超格子構造全体を通して量子ドットのサイズのばらつきが小さく、高い均一性を有する超格子構造を実現することが極めて重要となる。
【０００４】
従来、量子ドットの形成方法として、歪みを利用して膜成長から量子ドットを形成するＳＫ（Stranski-Krastanov）成長と呼ばれる方法が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、ナノサイズの直径を有するナノワイヤ中に量子ドットが積層された量子ドットナノワイヤを形成する方法として、数ナノメートルの厚さの媒質層と半導体層とを交互に積層した後、部分エッチング法などによりナノワイヤを形成するトップダウン方式が知られている（例えば、特許文献２および非特許文献１を参照）。
さらに、例えば、Ａｕなどの貴金属触媒を用いたＶＬＳ（Vapor-Liquid-Solid）法により基板面からナノ構造を積み上げて結晶成長させることでナノワイヤを形成するボトムアップ方式が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００５】
また、量子ドットを用いた発光装置が活発に研究開発されてきており、これらの応用として、通信波長帯発光装置や光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）を利用した生体断層撮像装置が注目を集めている。通信波長帯発光装置は、高均一かつ高密度な量子ドットである程、出力が高いという特徴を有する。一方、ＯＣＴ向け発光装置は、発光波長領域が広帯域かつガウシアン形状のスペクトルを有する程、高解像度になるという特徴を有している。ＯＣＴ向け発光波長帯域としては、０．７μｍ〜１．３μｍ領域が適している。これは０．７μｍ以下の可視光領域では生体中におけるメラニンやヘモグロビンの吸収が大きく、一方で１．３μｍ以上では水分による吸収が大きくなるためである。このような生体断層撮像装置の一例として、中心波長の異なる３層の量子ドット層から形成された発光層を有する光半導体素子を用いた光断層画像取得装置が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８６７７４
【特許文献２】特表２０１１−５３０８２９
【特許文献３】特開２００９−２６９１７０
【特許文献４】特開２００８−２７０５８５
【０００７】
【非特許文献１】Hua Wang, Minghua Sun, Kang Ding, Martin T. Hill, and Cun-Zheng Ning, Nano Lett. 2011, 11, 1646-1650.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＳＫ成長を利用した量子ドットの形成法は、基板結晶との格子定数の差（格子不整合）に起因する格子歪のエネルギーを利用するため、ＳＫ成長により形成された量子ドット層は歪みの影響を受けやすく、積層するにつれて歪みの影響が大きくなるため、高積層になるほど量子ドット層が不均一になる。
また、エッチング法などのトップダウン方式により形成された量子ドットナノワイヤは、エッチング前の薄膜形成の段階で歪みが生じるため欠陥が入りやすく、その歪みの影響が残ることがある。特に、高積層の量子ドットナノワイヤを形成する場合、異方性により垂直にエッチングすることが困難なため、量子ドット層のサイズがばらついてしまい、量子ドット層の不均一性が顕著に現れることがある。
さらに、ＶＬＳ法などのボトムアップ方式により形成された量子ドットナノワイヤは、ＳＫ成長により形成された量子ドットナノワイヤと比較して歪みの影響は小さいものの、高積層になるほど均一性が保たれず、その直径が小さくなる傾向が見られ、量子ドットナノワイヤの底部と頂部とで量子ドット層のサイズが異なることがある。また、多数の量子ドットナノワイヤを作製する場合、各量子ドットナノワイヤの直径や基板に対する垂直性、各量子ドット層のサイズなどの特性は必ずしも一様ではなく、特に、高積層の量子ドットナノワイヤを形成する場合に、このような不均一性が顕著に現れることがある。
【０００９】
また、量子井戸薄膜の形成後、その歪みを利用して自己組織的に量子ドットを積層すると、転位・欠陥が多く生じるため、発光効率が大きく低下するおそれがある。また、自己組織的に作製した量子ドットサイズの制御は一般的に容易ではなく、異なるサイズを有する量子ドットを多重積層すると、量子ドットの作製が一層困難になるおそれもあり、量子ドットサイズの制御も一層困難になるため、所望の発光スペクトルを容易に得られないという問題があった。
【００１０】
このような事情に鑑み、高積層であっても量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズの均一性が保たれ、また、量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきも小さい超格子構造が求められていた。
【００１１】
また、同一基板上に異なるサイズを有する量子ドットを多重積層しても、転位、欠陥が少ない超格子構造および該超格子構造を備えた発光効率の高い低消費電力の半導体発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、面領域から略垂直方向に伸びる複数本の量子ドットナノワイヤからなり、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域上に障壁層と量子ドット層とが交互に積層された構造を有し、その直径が積層方向において実質的に同一であり、その面密度が４本／μｍ2以上で実質的に均一に配列された超格子構造を提供するものである。
またこの発明は、面領域上にマスク層を形成し、前記マスク層に４個／μｍ2以上の面密度を有する複数の開口部を設け、前記複数の開口部から略垂直方向に障壁層と量子ドット層とを交互に積層して複数本の量子ドットナノワイヤを形成する超格子構造の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、その直径が積層方向において実質的に同一であるため、高積層に積層されても量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズが均一に保たれ、また、その面密度が４本／μｍ2以上で実質的に均一に配列されているため、量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきも小さい超格子構造が実現できる。
またこの発明によれば、面領域上にマスク層を形成し、前記マスク層に４個／μｍ2以上の面密度を有する複数の開口部を設け、前記複数の開口部から略垂直方向に障壁層と量子ドット層とを交互に積層して複数本の量子ドットナノワイヤを形成するため、量子ドットナノワイヤの形成時に供給される原材料が量子ドットナノワイヤに直接積層するモードが支配的となる。それゆえ、高積層に積層されても歪みが小さく、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズが均一に保たれ、また量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきも小さい超格子構造の製造方法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の第１実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る太陽電池の構成を示す説明図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る量子ドットナノワイヤ中の量子ドット間の距離とそのバンド構造との関係を示す説明図である。
【図４】この発明の第１実施形態に係る超格子構造のＳＥＭおよびＴＥＭ観察像である。
【図５】この発明の第１実施形態に係る超格子構造のＳＥＭ観察像である。
【図６】この発明の第１実施形態に係る超格子構造のＰＬ測定結果である。
【図７】この発明の第１実施形態に係る超格子構造の変形例の構成を示す平面図である。
【図８】この発明の第１実施形態に係る太陽電池の変形例の構成を示す断面図である。
【図９】この発明の第２実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【図１０】この発明の第２実施形態に係る太陽電池の構成を示す説明図である。
【図１１】この発明の第２実施形態に係る超格子構造の第１変形例の構成を示す平面図である。
【図１２】この発明の第２実施形態に係る超格子構造の第２変形例の構成を示す平面図である。
【図１３】この発明の第３実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【図１４】この発明の第４実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【図１５】この発明の第５実施形態に係る超格子構造を備えた半導体発光装置の製造工程を示す説明図である。
【図１６】この発明の第５実施形態に係る半導体発光装置の構成を示す説明図である。
【図１７】図１６に示す量子ドットナノワイヤのバンド構造の模式図である。
【図１８】図１６に示す半導体発光装置の第１変形例の構成を示す説明図である。
【図１９】図１６に示す半導体発光装置の第２変形例の構成を示す説明図である。
【図２０】図３の量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層間の長さとその発光ピークエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図２１】量子ドットナノワイヤ中の障壁層の長さとそのバンド構造との関係を示す説明図である。
【図２２】この発明の第６実施形態に係る超格子構造を備えた半導体発光装置の製造工程を示す説明図である。
【図２３】図２２の量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層の長さとそのバンド構造の模式図との関係を示す説明図である。
【図２４】図２３の量子ドットナノワイヤの量子ドット層の長さとその発光ピークエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図２５】量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層の長さとそのバンド構造の模式図との関係を示す説明図である。
【図２６】図２５の量子ドットナノワイヤの発光スペクトルを示すグラフである。
【図２７】この発明の第７実施形態に係る超格子構造を備えた半導体発光装置の製造工程を示す説明図である。
【図２８】量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層の組成とそのバンド構造の模式図との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明の超格子構造は、面領域から略垂直方向に伸びる複数本の量子ドットナノワイヤからなり、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域上に障壁層と量子ドット層とが交互に積層された構造を有し、その直径が積層方向において実質的に同一であり、その面密度が４本／μｍ2以上で実質的に均一に配列されたことを特徴とするものである。
また、この発明の超格子構造の製造方法は、面領域上にマスク層を形成し、前記マスク層に４個／μｍ2以上の面密度を有する複数の開口部を設け、前記複数の開口部から略垂直方向に障壁層と量子ドット層とを交互に積層して複数本の量子ドットナノワイヤを形成することを特徴とするものである。
【００１６】
「略垂直方向」とは、基材（基板）面または面領域と量子ドットナノワイヤとの間の角度が７５〜９０度となる量子ドットナノワイヤの方向であり、さらに好ましくは、８５〜９０度となる方向である。
「その直径が積層方向において実質的に同一」とは、１本の量子ドットナノワイヤの積層方向における直径のばらつき（平均値からのずれの大きさ）が１５％以下であることである。１本の量子ドットナノワイヤ中における任意の２カ所の直径の差が平均径の１５％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは特定の２カ所（好ましくは、量子ドットナノワイヤの中心と端部であり、さらに好ましくは、量子ドットナノワイヤの中心と頂部であり、さらに好ましくは、量子ドットナノワイヤの数ｎｍ程度離れた位置）の直径の差が平均径の１５％以下であり、さらに好ましくは１本の量子ドットナノワイヤ全体の直径の差が平均径１５％以下である。
上記は量子ドットナノワイヤの同一性について記載したが、量子ドットの同一性についても同様に成立することが好ましい。
「実質的に均一に配列された」とは、任意の量子ドットナノワイヤの中心間の距離のばらつき（平均値からのずれの大きさ）が１５％以下であることである。
また、複数の量子ドットナノワイヤを上部から見た場合に、それらの直径のばらつき（平均値からのずれの大きさ）が１５％以下であることである。１μｍ四方の面領域内において、任意の２本の量子ドットナノワイヤの直径の差が平均径の１５％以下であるのが好ましく、さらに好ましくは、複数の量子ドットナノワイヤ間の直径のばらつきが１５％以下である。
さらには、上記のずれの大きさは１０％以下であるのが好ましい。
「構造」とは、任意の異なる複数の量子ドット層の長さ、組成比、材料および障壁層の長さ、組成比、材料、量子ドットナノワイヤ間の間隔（長さ）等をもって積層することにより構成される量子ドットナノワイヤの構造である。
【００１７】
「マスク層」とは、量子ドットナノワイヤの原材料とエネルギー的に安定な材料を形成せず、量子ドットナノワイヤの原材料の拡散長が十分大きい材料からなる層である。このようなマスク層を用いることにより、量子ドットナノワイヤの形成時に供給される原材料がマスク層上に一時的に乗ったとしても、エネルギー的に不安定なため、マスク層上に乗った原材料はよりエネルギー的に安定な量子ドットナノワイヤ上まで駆け上がる。それゆえ、原材料はマスク層上に積層されず、量子ドットナノワイヤ上に積層されるため、高均一の量子ドットナノワイヤを形成できる。なお、マスク層の材料としては、量子ドットナノワイヤの材料としてＩｎＡｓ、ＧａＡｓを用いる場合、ＳｉＯ2などが挙げられる。
【００１８】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤは、少なくとも２種類の直径を有するものであってもよい。
【００１９】
このようにすれば、前記超格子構造は、少なくとも２種類の直径を有する前記量子ドットナノワイヤからなる構造を有するため、太陽光スペクトルの幅広い波長領域を効率的に吸収することができる。
【００２０】
また、この発明による超格子構造において、少なくとも２種類の面領域からなる基材面上に配列され、前記面領域の種類ごとに異なる構造を有するものであってもよい。
【００２１】
このようにすれば、少なくとも２種類の面領域からなる基板面上に、量子ドット層の長さ、組成比、材料および障壁層の長さ、組成比、材料、量子ドットナノワイヤ間の間隔等を任意に組み合わせて、構造が異なる量子ドットナノワイヤを面領域の種類ごとに形成することによって、面領域ごとにその物理的特性（光吸収特性、発光特性など）を自由に制御し、面領域全体で所望の物理的特性を有する超格子構造が実現できる。
【００２２】
また、この発明による超格子構造の製造方法において、前記マスク層は、少なくとも２種類の面領域上からなる基材面上に形成されるものであってもよい。
【００２３】
このようにすれば、この発明の基板にマスク層を形成し、４個／μｍ2以上の面密度で実質的に均一に設けられた開口部から選択的に量子ドットナノワイヤを成長させることで、転位、欠陥、歪みを生ずることなく、任意の異なる複数の量子ドット層の長さ、組成比、材料および障壁層の長さ、組成比、材料、量子ドットナノワイヤ間の間隔等を組み合わせて構造が異なる量子ドットナノワイヤを面領域の種類ごとに形成することによって、面領域ごとにその物理的特性（光吸収特性、発光特性など）を自由に制御し、面領域全体で所望の物理的特性を有する超格子構造の製造方法が実現できる。
【００２４】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤは、前記積層方向において少なくとも２種類の長さの前記量子ドット層を有するものであってもよい。
【００２５】
このようにすれば、前記量子ドットナノワイヤは、前記積層方向において少なくとも２種類の長さの前記量子ドット層を有するため、様々なバンドギャップを形成することができ、太陽光スペクトルの幅広い波長領域を効率的に吸収することができる。また、転位がなく高品質な量子ドット層の形成が可能となる。
【００２６】
この発明の手法を用いれば、１本の量子ドットナノワイヤに含まれる量子ドット層を高品質に形成することができることから、ＳＫ成長やエッチング技術を用いたトップダウンの手法とは大きく異なり、１本の量子ドットナノワイヤに含まれる量子ドット層のサイズを意図的に制御良く変えることができる。
【００２７】
また、量子ドットナノワイヤを構成する複数種類の長さの量子ドット層から多様な物理的特性を実現できる。例えば、当該超格子構造を発光装置に用いた場合、量子ドットナノワイヤを構成する複数種類の量子ドット層からの発光を足し合わせることによって、多様な色が混在した任意のスペクトル分布を有する発光を得ることができる。
【００２８】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤは、少なくとも２種類の組成の前記量子ドット層を有するものであってもよい。
【００２９】
このようにすれば、前記量子ドットナノワイヤは、少なくとも２種類の組成の前記量子ドット層を有するため、量子ドット層の組成を変えることで、転位がなく高品質な量子ドット層を形成可能となる。また、１本の量子ドットナノワイヤに含まれる量子ドット層のサイズを意図的に制御良く変えることができる。
【００３０】
ここで、量子ドット層の「組成」とは、量子ドット層の材料、混晶比等である。
【００３１】
また、量子ドットナノワイヤを構成する量子ドット層の組成・材料を自由に変えることができるため、多様な物理的特性を実現できる。例えば、当該超格子構造を発光装置に用いた場合、様々な発光波長の光を得ることができるため、広帯域のガウシアン型発光スペクトルを得ることにより、低消費電力の半導体発光装置を実現できる。
【００３２】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤは、前記積層方向において少なくとも２種類の長さの前記障壁層を有するものであってもよい。
【００３３】
このようにすれば、量子ドットナノワイヤを構成する障壁層の積層方向における長さを調節することにより、量子ドットナノワイヤ間の間隔を変えることで、量子ドット層内に取り込まれる元素比を量子ドットナノワイヤ間において変えることができ、多様な物理的特性を実現できる。例えば、当該超格子構造を発光装置に用いた場合、様々な発光波長の光を得ることができる。
【００３４】
また、この発明による超格子構造において、隣接する前記量子ドットナノワイヤの間の間隔が３０〜５００ｎｍであってもよい。
【００３５】
このようにすれば、隣接する前記量子ドットナノワイヤの間の間隔が３０〜５００ｎｍであるため、量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、高密度に設けられた超格子構造が実現できる。さらに好ましくは、隣接する量子ドットナノワイヤの間の間隔が３０〜２００ｎｍであってもよい。
【００３６】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤの直径が５〜１００ｎｍであってもよい。
【００３７】
このようにすれば、前記量子ドットナノワイヤの直径が５〜１００ｎｍであるため、量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、より高密度に設けられた超格子構造が実現する。また、量子ドットナノワイヤ中に含まれる量子ドット層のサイズに対応するエネルギーの太陽エネルギーを効率よく吸収することができる。
【００３８】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤは、３０〜６００層の前記量子ドット層からなる構造を有するものであってもよい。
【００３９】
このようにすれば、前記量子ドットナノワイヤは、３０〜６００層の前記量子ドット層からなる構造を有するため、高積層であっても量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、高密度に設けられた超格子構造が実現する。
【００４０】
また、この発明による超格子構造において、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域の種類ごとに異なる直径を有するものであってもよい。
【００４１】
このようにすれば、面領域の種類ごとに量子ドットナノワイヤ径を変えることで、量子ドット層内に取り込まれる元素比・量子ドットの積層方向の長さを量子ドットナノワイヤ間において変えることができ、単一の超格子構造において多様な物理的特性を実現できる。例えば、当該超格子構造を発光装置に用いた場合、様々な発光波長の光を得ることができる。
【００４２】
また、この発明による超格子構造において、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域の種類ごとに異なる組成を有するものであってもよい。
【００４３】
このようにすれば、面領域の種類ごとに量子ドット層内に取り込まれる元素比を量子ドットナノワイヤ間において変えることで、単一の超格子構造において多様な物理的特性を実現できる。例えば、当該超格子構造を発光装置に用いた場合、様々な発光波長の光を得ることができる。
【００４４】
また、この発明による超格子構造において、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、前記面領域の種類ごとに異なる面密度を有するものであってもよい。
【００４５】
このようにすれば、面領域の種類ごとに量子ドットナノワイヤの面密度を変えることで、量子ドット層内に取り込まれる元素比・量子ドットの積層方向の長さを量子ドットナノワイヤ間において変えることができ、単一の超格子構造において多様な物理的特性を実現できる。例えば、当該超格子構造を発光装置に用いた場合、様々な発光波長の光を得ることができる。
【００４６】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットの密度が１．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2であってもよい。
【００４７】
このようにすれば、前記量子ドットの密度が１．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2であるため、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、高密度に設けられた超格子構造が実現する。
【００４８】
ここで、「密度」とは、高さ方向も考慮した面密度であり、１ｃｍ2当たりの１層当たりの量子ドットの面密度に量子ドットの層数を乗じたものである。
【００４９】
また、この発明による超格子構造において、前記面領域に垂直方向に見たとき、前記量子ドットナノワイヤが一定の繰り返し周期で周期的に配置された構造を有するものであってもよい。
【００５０】
このようにすれば、前記超格子構造は、前記面領域に垂直方向に見たとき、前記量子ドットナノワイヤが一定の繰り返し周期で周期的に配置された構造を有するため、複数の量子ドットナノワイヤが相乗的に影響し合い、太陽電池等に応用した場合、量子ドットナノワイヤ間の光の閉じ込め等が効率よく起こり、太陽光を効率的に吸収できる。また、太陽光を効率的に吸収できるため、ＳＫ成長などで形成された薄膜型量子ドット構造に比べ格段に材料使用量を低減でき、低コスト化につながる。
【００５１】
また、この発明による超格子構造において、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、積層方向から前記面領域を見たとき、前記面領域に対して前記構造の占める割合が５％以上であってもよい。
【００５２】
このようにすれば、前記複数本の量子ドットナノワイヤは、積層方向から前記面領域を見たとき、前記面領域に対して前記構造の占める割合が５％以上であるため、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、高密度に設けられた超格子構造が実現する。また、太陽光を十分に吸収することができる。
【００５３】
また、この発明による超格子構造において、前記割合が５〜５０％であってもよい。
【００５４】
このようにすれば、前記割合が５〜５０％であるため、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、高密度に設けられた超格子構造が実現する。また、太陽光を十分に吸収することができる。
【００５５】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドット層または前記障壁層がｎ型ドープされているものであってもよい。
【００５６】
このようにすれば、前記量子ドット層または前記障壁層がｎ型ドープされているため、キャリアを効率的に流すことができる。
また、量子ドット層または障壁層をｎ型ドープする代わりに、量子ドットナノワイヤ中に積層された量子ドット層と障壁層の両側を覆うようにシェル層を形成して、当該シェル層をｎ型ドープしてもよい。このようにすれば、量子ドット層中で生成された電子がシェル層に流れ、キャリアを効率的に流すことができる。
さらに、ｎ型ドープされたシェル層とは別に、またはｎ型ドープされたシェル層の代わりに、ｐ型ドープされたシェル層を設けてもよい。このようにすれば、量子ドット中で生成した正孔がシェル層に流れ、キャリアを効率的に流すことができる。
【００５７】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドット層および障壁層がＡｌＩｎＧａＡｓまたはＡｌＩｎＧａＮを有するものであってもよい。
【００５８】
このようにすれば、前記量子ドット層および前記障壁層がＡｌＩｎＧａＡｓまたはＡｌＩｎＧａＮを有するため、高積層であっても歪みの小さい均一な量子ドットナノワイヤを形成でき、面領域の種類ごとに所望の物理的特性を有する高均一の超格子構造を実現できる。
【００５９】
また、この発明による超格子構造において、前記単位構造は、少なくとも１つの単位構造からなり、前記単位構造は、１本の量子ドットナノワイヤの周囲に少なくとも６本の量子ドットナノワイヤが等間隔に近接して配置された構造を有するものであってもよい。
【００６０】
このようにすれば、前記単位構造は、少なくとも１つの単位構造からなり、前記単位構造は、１本の量子ドットナノワイヤの周囲に少なくとも６本の量子ドットナノワイヤが等間隔に近接して配置された構造を有するため、高密度かつ高均一の積層が可能となり、量子ドットナノワイヤ間の量子ドット層のサイズのばらつきが小さい超格子構造が実現する。
【００６１】
また、この発明による超格子構造において、前記面密度が２０〜１００本／μｍ2以上であってもよい。
【００６２】
このようにすれば、前記面密度が２０〜１００本／μｍ2以上であるため、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層のサイズのばらつきが小さく、高密度に設けられた超格子構造が実現する。また、太陽光を十分に吸収することができる。
【００６３】
また、この発明による超格子構造において、前記量子ドットナノワイヤは、バックグラウンド濃度を超える濃度の金属不純物元素を含まないものであってもよい。
【００６４】
このようにすれば、前記量子ドットナノワイヤは、バックグラウンド濃度を超える濃度の金属不純物元素を含まないため、金属不純物が量子ドットナノワイヤ中に混入せず、高均一な量子ドットが実現できる。
【００６５】
「バックグラウンド濃度」とは、基板中や大気成分中に含まれる微量金属不純物元素の濃度である。
【００６６】
また、この発明による超格子構造において、前記複数本の量子ドットナノワイヤの間に波長変換材料が充填された構造を有するものであってもよい。
【００６７】
このようにすれば、前記超格子構造は、前記複数本の量子ドットナノワイヤの間に波長変換材料が充填された構造を有するため、太陽光の波長を量子ドットのサイズに合わせて変換して効率を高めることができる。
また、波長変換材料は等方的に光が放射されるため、例えば、太陽電池の上部や下部に配置すると太陽電池に向かって放射されない無駄な光が生じ得る可能性があるが、量子ドットナノワイヤ間に波長変換材料を充填した場合、太陽電池内部からの放射のため太陽電池外へ放射される光をほとんど抑制することができる。
【００６８】
「波長変換材料」とは、入射した光の波長を変換する材料であり、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＣｕＩｎＧａＳ、ＣｕＳ、ＩｎＧａＺｎＯ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、Ｇｅやこれらの混晶材料となる無機材料、錯体材料、希土類イオン（Ｅｒ3+、Ｐｒ3+、Ｔｍ3+など）や遷移元素を含有したガラス、Ｅｒドープガーネット結晶（ＹＡＧ）など太陽光の波長をシフトさせることができる材料などである。例えば、利用されていない波長の光、もしくは吸収量が少なく利用されにくい波長の光を量子ドット層の吸収に適した波長に変換することによるエネルギー変換効率の向上、紫外線領域の光を可視領域の光に変換することによる紫外線による太陽電池の劣化抑制等に用いることができる。また、波長変換材料をナノスケールで充填して量子化すれば、波長変換される光の波長を自由に制御でき、また量子ドットナノワイヤ間に充填しやすいなどの理由でより好ましい。
【００６９】
また、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれた超格子半導体層とを備え、前記超格子半導体層は、前記超格子構造を備える半導体装置であってもよい。
【００７０】
このようにすれば、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に挟まれた超格子半導体層とを備える半導体構造であって、前記超格子半導体層は、前記超格子構造を備えるため、高積層であっても歪みの小さい均一な量子ドットナノワイヤからなる超格子構造を備えた半導体構造が実現できる。
【００７１】
また、前記超格子半導体層は、少なくとも２種類の発光波長を有する前記半導体装置からなる半導体発光装置であってもよい。
【００７２】
このようにすれば、複数の種類の量子ドットを同一基板上に集積化することで、発光色の異なる、複数のＬＥＤ（例えばＲＧＢ）を同一基板上に得ることができる。また、量子ドット層の転位、欠陥が少ないため、発光効率の高い、低消費電力の半導体発光装置を得ることができる。
【００７３】
また、この発明による半導体発光装置において、前記超格子構造が、前記量子ドットナノワイヤ全体の発光スペクトルがガウシアン型形状となる前記発光波長を有するものであってもよい。
【００７４】
複数種類の量子ドットからの発光を足し合わせて、広帯域かつガウシアン形状のスペクトルを有する発光を得ることができる。
【００７５】
また、この発明による半導体発光装置において、前記発光装置は、通信用発光装置として使用されるものであってもよい。
【００７６】
このようにすれば、本発明の超格子構造を備えたＬＥＤに光ファイバを使用することで、光合成器を使用せずに通信用の半導体発光装置として利用できる。
また、本発明の超格子構造はディテクターとして利用することもできる。
本発明の超格子構造は、基板の占有面積に対して発光・受光面積が広いという利点を有するため、発光装置や受光装置のサイズを小型化することができる。
【００７７】
〔第１実施形態〕
次に、図１〜図６に基づき、第１実施形態の太陽電池１００について説明する。
なお、以下に示す例は一例であり、この発明の超格子構造を有する太陽電池１００に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。その他の実施形態についても同様である。
【００７８】
＜太陽電池の構成＞
図１は、この発明の第１実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
第１実施形態の太陽電池１００は、ｎ型半導体層１と、ｐ型半導体層１５と、ｎ型半導体層１およびｐ型半導体層１５の間に挟まれた超格子半導体層１３とを有している。
【００７９】
この発明の面領域は、ｎ型半導体層１に相当し、この発明の超格子構造は、超格子半導体層１３に相当する。
【００８０】
１．ｎ型半導体層（ベース層）およびｐ型半導体層（エミッター層）
ｎ型半導体層１（ベース層）は、ｎ型不純物を含む半導体からなり、ｐ型半導体層１５（エミッタ―層）は、ｐ型不純物を含む半導体からなる。
ｎ型半導体層１およびｐ型半導体層１５は、超格子半導体層１３を挟み太陽電池１００を構成し、例えばＭＯＣＶＤ法やスパッタ法により形成することができる。
【００８１】
ｐ型半導体層１５は、ｐ型電極１６と電気的に接続することができ、ｎ型半導体層１は、ｎ型電極１１と電気的に接続することができる。このことにより、ｐ型半導体層１５とｎ型半導体層１との間に生じる光起電力をｐ型電極１６およびｎ型電極１を介して外部回路へ出力することができる。また、ｐ型半導体層１５とｐ型電極１６との間またはｎ型半導体層１とｎ型電極１１との間にコンタクト層を設けてもよい。
【００８２】
２．超格子半導体層
超格子半導体層１３は、ｎ型半導体層（ベース層）１とｐ型半導体層（エミッタ―層）１５に挟まれている。また、超格子半導体層１３は、量子ドット層２２と障壁層２０が交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。太陽電池１００における超格子構造は、量子ドットナノワイヤ３０により形成される。
【００８３】
この発明の量子ドットナノワイヤ３０は、超格子半導体層１３中の量子ドット層２２を高品質かつ高均一に、積層方向（ｚ方向）の配列性も制御良く、配列されることを特徴とする。
【００８４】
量子ドット層２２は、障壁層２０を構成する半導体材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子効果により、伝導帯側に量子準位を有する。また、量子準位は価電子帯側に形成されてもよい。
障壁層２０は、量子ドット層２２を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドット層２２の周りのポテンシャル障壁を形成する。
【００８５】
第１実施形態において、超格子半導体層１３を構成する量子ドット層２２、障壁層２０の材料として、例えば、ＩｎＧａＡｓからなる量子ドット層２２、ＧａＡｓからなる障壁層２０を用いることができる。また、ＩｎＧａＡｓからなる量子ドット層２２、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層２０、ＩｎＧａＮからなる量子ドット層２２、ＧａＮからなる障壁層２０、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる量子ドット層２２、ＡｌＧａＡｓＳｂからなる障壁層２０を用いることができる。その他、ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ，ＳｉＧｅの材料およびこれらの混晶材料を用いてもよい。また、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＳｂzＡｓ1-z、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮなどを用いることもできる。上記以外のIII−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、IV族半導体あるいはこれらの混晶材料を用いても良い。
【００８６】
混晶からなる量子ドット層２２、障壁層２０は、混晶の元素割合を適宜変更することで、量子エネルギー準位や障壁層２０のバンドギャップを変えたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット層２２と障壁層２０の価電子帯エネルギー差）をゼロにしたりすることができる。
【００８７】
第１実施形態においては、１つの量子ドットナノワイヤ３０中の複数の量子ドット層２２（ｚ方向の量子ドット）は、すべて同じサイズまたは材料から構成されるため、ミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成されやすくなり、キャリア移動の観点から好ましい。
同じエネルギー値を有する量子エネルギー準位を形成したい場合、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の量子ドット層２２のサイズを全て揃えればよい。
【００８８】
また、図１（ｅ）に示すように、量子ドットナノワイヤ３０は、被覆された構造（シェル層１４）をしても良い。シェル層１４を設けて被覆することで量子ドットナノワイヤ３０の表面が安定化され、表面再結合が効果的に下がる。また、量子ドット層で形成されたキャリアがシェル層１４を通って流れ、キャリアを取り出しやすくなるという利点もある。シェル層１４は、ｎ型半導体層１またはｐ型半導体層１５と同じ材料であっても良いし、異なっても良い。また、表面安定化のための層として、シェル層１４の外側にさらに別の層を設けても良い。
【００８９】
なお、歪みをｘｙ方向に緩和してやることで高品質な量子ドット層２２を多積層化できるため、シェル層１４，２５は厚くしすぎない方が好ましいが、適度なシェル層１４，２５は、太陽電池１００の構造にとって好ましい。
【００９０】
図１（ｆ）に示すように、超格子半導体層１３中における量子ドットナノワイヤ３０の間の間隙は、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂１０で埋められる。また、樹脂１０には障壁層２０と同じ材料を用いてもよく、さらに障壁層２０と異なり、太陽光を吸収可能な半導体材料を用いてもよい。
【００９１】
量子ドットナノワイヤ３０は、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）を含むことが好ましい。このことにより、量子ドット層２２中に電子を存在させることができる。ｎ型ドーパントは、量子ドット層２２の中に存在しても良く、障壁層２０の中に存在しても良い。量子ドット層２２中の量子エネルギー準位の中に電子を存在させることで中間エネルギー準位を介した光学遷移を増大させることができ、太陽電池１００の光電変換効率を向上させることができる。
【００９２】
また、量子ドットナノワイヤ３０は、量子エネルギー準位の単位体積当たりの総状態数の０．５倍程度の原子濃度で活性化されたｎ型ドーパントを含むことが好ましい。
ここで、量子エネルギー準位の単位体積当たりの総状態数とは、単位体積当たりの量子エネルギー準位の数にスピンを考慮して２倍した値である。
【００９３】
なお、量子ドットナノワイヤ３０を高品質に形成するためには、歪みを緩和させた構造をとる必要がある。従って、量子ドットナノワイヤ３０の直径を臨界直径以下にすればより好ましい。ここで、「臨界直径」とは、量子ドット層２２が歪みを受けることなく量子ドットナノワイヤ３０を成長できる量子ドットナノワイヤ３０の直径である。一般に、量子ドットナノワイヤ３０の直径が小さいほど歪みが緩和されるため、歪みのほとんどない状態で量子ドットナノワイヤを成長させることが可能となる。
一方、エッチングで膜形成をした場合、積層方向と垂直な方向は、（ナノワイヤのサイズから見れば無限の長さで）密に詰まっているため、当該方向に歪みを緩和することができず、量子ドット層および母体材料の結晶性が落ちてしまう。
【００９４】
量子ドットナノワイヤ３０の直径は、５〜１００ｎｍが好ましく、さらに好ましくは５〜７０ｎｍである。例えば、Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ａｓ／ＧａＡｓ材料を用いた場合、格子定数の差が２％程度であることからおよそ１００ｎｍが臨界膜厚となり、１００ｎｍ以下の直径の量子ドットナノワイヤ３０を構成すればよい。一方で、直径が５ｎｍより小さくなれば制御が容易ではなくなる。
また、量子ドットナノワイヤ３０は、３０〜５００ｎｍの間隔（２つの量子ドットナノワイヤ３０間の空隙の間隔）で形成されるのが好ましい。さらに、３０〜２００ｎｍの間隔で形成されるのが好ましい。これは、太陽光の輻射エネルギーが高い波長が５００ｎｍであり、その間隔以内で量子ドットナノワイヤ３０を形成すれば、効率的に太陽光を吸収できるためである。また、量子ドットナノワイヤ３０の間隔が太陽光の波長より十分小さい場合（例えば２００ｎｍ以下）では、フォトニック結晶のような効果による太陽光の反射などの影響が特に小さくなり、量子ドットナノワイヤ３０の周期的な構造に起因して効率的な吸収がより起こりやすくなると考えられる。一方で、量子ドットナノワイヤ３０の間隔を３０ｎｍ以下にすれば、量子ドットナノワイヤ３０を形成するのが容易でなくなるおそれがある。
また、上記間隔で量子ドットナノワイヤ３０が形成され、かつ、太陽光の波長程度（例えば５００ｎｍ程度）以下のｘｙ面内領域内に、異なる種類の直径の量子ドットナノワイヤ３０を少なくとも各々１本ずつ形成されていることが好ましい。さらに好ましくは、紫外光の波長程度の３００ｎｍ以下のｘｙ面内領域内に異なる種類の直径の量子ドットナノワイヤ３０を少なくとも各々１本ずつ形成されていることが好ましい。このようにすれば、効率的に太陽光を吸収することができる。
【００９５】
その他の構造としては、コンタクト層、窓層、ＢＳＦ（Ｂａｃｋ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｆｉｅｌｄ）層、反射防止膜など、必要に応じて適宜挿入してよい。
また、表面および裏面にそれぞれ、ｐ型電極１６およびｎ型電極１１を設けてもよい。ｐ型電極１６、ｎ型電極１１はグリッド状にしても良い。
【００９６】
３．太陽電池の製造方法
次に、図１に基づき、第１実施形態に係る太陽電池１００の製造方法について説明する。
【００９７】
超格子半導体層１３は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などを用いることで作製することができる。原材料の構成比・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドット層２２の混晶比、量子ドット層２２のサイズを調整することができる。
【００９８】
太陽電池１００の製造方法について、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用いることで、超格子構造を備えた太陽電池１００を製造することができる。ここでは、図１に基づき、太陽電池１００の製造方法（選択成長）について説明する。
【００９９】
例えば、ｎ−ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板（ｎ型半導体層１）を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系エッチング液によってエッチングし、さらに水洗浄を施した後、図１（ａ）に示すように、マスク層２としてＳｉＯ2膜を積層させる。
マスク層２は、量子ドットナノワイヤの原材料とエネルギー的に安定な材料を形成せず、量子ドットナノワイヤの原材料の拡散長が十分大きい材料からなる層である。マスク層２の材料としては、量子ドットナノワイヤの材料としてＩｎＡｓ、ＧａＡｓを用いる場合、ＳｉＯ2などが挙げられる。
【０１００】
マスク層２の積層後、続いて、図１（ｂ）に示すように、例えば、電子線リソグラフィーを用いてＳｉＯ2膜に開口部３５を形成する。第１実施形態において、開口部３５は、図１（ｂ）に示すように同一の径を有する。また、電子線リソグラフィーの代わりにナノインプリントなどの技術を用いても良い。
【０１０１】
続いて、ｎ型半導体層１をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。図１（ｃ）に示すように、ｎ型半導体層１上にコア層５を形成する。コア層５はｎ型半導体層１と同じ材料を用いるのが好ましいが、異なっていても良い。コア層５はバッファー層としての役割も有し、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層であり、例えば、コア層５としてＧａＡｓ層を形成する。
【０１０２】
以降、量子ドット層２２、障壁層２０をコア層５上に形成するが、量子ドットナノワイヤ３０上に気相中の原材料が直接積層する成長モードと原材料がマスク上から拡散して量子ドットナノワイヤ上に積層する成長モードがある。量子ドットナノワイヤ３０の形成時に供給される原材料がマスク層２上に一時的に乗った場合でも、エネルギー的に不安定なため、マスク層２上に乗った原材料は、再蒸発したり、よりエネルギー的に安定な量子ドットナノワイヤ３０上まで駆け上がる。それゆえ、原材料はマスク層２上に積層されず、量子ドットナノワイヤ３０上に積層されるため、量子ドットナノワイヤ３０上のみに量子ドット層２２および障壁層２０の半導体層を成長させることが可能となり、マスク層２上には、量子ドット層２２および障壁層２０の半導体層は形成されない。
【０１０３】
続いて、図１（ｄ）に示すように、量子ドット層２２を形成する。量子ドット層２２の材料としては、例えば、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓを用いる。量子ドット層２２は、特定の条件下で、ｘｙ方向にほとんど成長することなく、量子ドットナノワイヤ３０上のみに成長させることが可能となる（以下、アキシャル成長と呼ぶ）。
【０１０４】
アキシャル成長において、ナノワイヤの形成時に、前述の通り、量子ドットナノワイヤ上に気相中の原材料が直接積層する成長モードと原材料がマスク層２上から拡散して量子ドットナノワイヤ上に積層する２通りのモードがあるものと考えられる。この発明においては、マスク層２にナノワイヤ成長の基礎となる開口部を高密度に設けることにより、ナノワイヤの成長時に原材料がナノワイヤ上に直接乗って成長するモードが支配的となるため、高積層であっても高い均一性を有するナノワイヤが実現するものと考えられる。
【０１０５】
開口部３５の面密度としては、４本／μｍ2以上であることが好ましく、さらに好ましくは１６本／μｍ2以上であり、さらに好ましくは２５本／μｍ2以上であり、さらに好ましくは３６本／μｍ2以上であり、さらに好ましくは１００本／μｍ2以上である。
また、複数本の量子ドットナノワイヤ３０は、積層方向（ｚ方向上側）から前記面領域を見たとき、面領域に対してその構造の占める割合が５％以上であることが好ましく、さらに好ましくは５〜５０％以上である。
このように高密度にするほど、ナノワイヤの成長時に原材料がナノワイヤ上に直接積層するモードが支配的となるため、高積層であっても高い均一性を有するナノワイヤが実現することに加え、太陽電池デバイスへ応用した際に効率的に太陽光を吸収でき、太陽電池のエネルギー変換効率が高くなるという特徴がある。
【０１０６】
量子ドットナノワイヤの配列を全くのランダムにした場合、周囲の量子ドットナノワイヤの影響によって、各量子ドットナノワイヤの成長条件が異なるため、量子ドットナノワイヤの均一な成長が困難になるが、量子ドットナノワイヤを高密度で周期的に配置することにより、各量子ドットナノワイヤの成長条件が均等となるため、高い均一性を有する量子ドットナノワイヤが実現できる。また、一定の繰り返し周期で周期的に配置された構造を有するため、複数の量子ドットナノワイヤが相乗的に影響し合い、太陽電池等に応用した場合、量子ドットナノワイヤ間の光の閉じ込め等が効率よく起こり、太陽光を効率的に吸収できる。特に、量子ドットナノワイヤ間隔が太陽光の波長より小さい場合（例えば２００ｎｍ以下）には、フォトニック結晶のような効果による太陽光の反射などの影響が小さくなり、周期的な構造に起因する効率的な吸収がより起こりやすくなると考えられる。また、太陽光を効率的に吸収できるため、ＳＫ成長などで形成された薄膜型量子ドット構造に比べ格段に材料使用量を低減でき、低コスト化につながる。
本製造方法を用いれば、量子ドットナノワイヤの成長位置を予め決めることができるため一定周期で成長することが容易であり、一定周期を持った量子ドットナノワイヤ構造を形成することができる。
【０１０７】
アキシャル成長により形成された量子ドットナノワイヤ３０の構造は、歪みがｘｙ方向に緩和し、量子ドット層２２に歪みエネルギーが蓄積されることがない。従って、転位が生ずることなく、量子ドット層２２のサイズのばらつきがほとんどなく、高品質かつ高均一な量子ドット層２２を量子ドットナノワイヤ３０中に形成することができる。それゆえ、量子ドット層２２の形成に必要な材料と障壁層２０の形成に必要な材料を交互に供給してやることで、図１（ｅ）に示すように、ｎ型半導体層１と垂直な方向（ｚ方向）に高品質な量子ドットナノワイヤ３０を形成することができる。
【０１０８】
このようにして積層された実質的に均一なサイズの量子ドット層２２の積層数としては、量子ドットナノワイヤ１本当たり２層以上であることが好ましく、さらに好ましくは５層以上であり、さらに好ましくは１０層以上であり、さらに好ましくは３０層以上であり、さらに好ましくは５０層以上であり、さらに好ましくは１００層以上であり、さらに好ましくは３００層以上であり、さらに好ましくは６００層以上である。
例えば、３０層であれば、量子ドットの面密度１．０×１０11〜５．０×１０11／ｃｍ2程度を実現可能であり、例えば、６００層であれば１．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2程度を実現可能である。
なお、この発明の方法を用いて、実際に高積層の量子ドットナノワイヤ３０を作製してみたところ、少なくとも６００層もの量子ドット層２２が均一に形成されたことを確認した。このような高積層の量子ドットを形成することで太陽光を十分に吸収することができ、エネルギー変換効率の高い太陽電池が得られる。
【０１０９】
量子ドットナノワイヤ３０は、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）を含むことが好ましい。ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）は、量子ドット層２２に直接ドープしても良く、障壁層２０にδドープしても良い。「δドープ」とは、限られた領域内に不純物をドーピングすることである。ドーピングする手法としては、量子ドット層２２または障壁層２０を形成する際にドーパント材料（例えばシラン）を同時に導入すれば良い。ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）は、量子ドット層２２にドープすることで量子ドット層２２中に電子を存在させることができる。量子ドット層２２中に電子を存在させることで、中間エネルギー準位を介した光学遷移を増大させることができ、太陽電池１００の光電変換効率を向上させることができる。
【０１１０】
また、量子ドットナノワイヤ３０中には、量子エネルギー準位の単位体積当たりの総状態数の０．５倍程度の原子濃度で活性化されたｎ型ドーパントを含むことが好ましい。ここで、量子エネルギー準位の単位体積当たりの総状態数とは、単位体積当たりの量子エネルギー準位の数にスピンを考慮して２倍した値である。
【０１１１】
図１（ｅ）に示すように、量子ドットナノワイヤ３０が形成された後にシェル層１４を形成しても良い。なお、シェル層１４をｐ型半導体層として形成するためには、例えば、Ｚｎなどのｐ型ドーパントを含む材料（例えば、Ｄｉｅｔｈｙｌｚｉｎｃ：ＤＥＺ）を原材料として同時に導入する。
なお、ｐ型半導体のシェル層１４は単独で設けても良く、図８に示すようにｎ型半導体のシェル層に加えて別途設けても良い。
【０１１２】
続いて、図１（ｆ）に示すように、超格子半導体層１３中における量子ドットナノワイヤ３０間の間隙を、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂１０で埋める。樹脂１０の代わりには障壁層２０と同じ材料を用いてもよく、さらに障壁層２０と異なり、太陽光を吸収可能な半導体材料や波長変換材料を用いてもよい。
【０１１３】
樹脂１０は、例えばＣＨＦ３／Ｏ２プラズマを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法を用いて部分エッチングする。部分エッチングにより開口された領域は外部回路とのコンタクトを取るために設けられる。選択比の違いにより樹脂１０を優先的にエッチングすることが可能である。
【０１１４】
最後に、図１（ｈ）に示すように、ｐ型半導体層１５を形成する。ｐ型電極１６、さらには、ｎ型電極１１を形成することで超格子構造を有する太陽電池１００を形成することができる。ｐ型電極１６およびｎ型電極１１の両電極には、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ材料を用いることができる。電極は、例えば、電子線蒸着により形成できる。
ｐ型半導体層１５上には窓層やコンタクト層を設けても良い。また、ｎ型半導体層１上には高濃度にｎ型ドープされたＢＳＦ層を用いても良い。コア層５が、ＢＳＦ層を兼ねても良く、コア層５とｎ型半導体層１との間にＢＳＦ層を用いても良い。
【０１１５】
以上、太陽電池１００の製造方法について説明したが、これらの製造方法や構成に限定されるものではない。例えば、第１実施形態の製造方法では、ｎ型半導体層１を用いたが、基板としてｐ型半導体を用いてもよい。その場合には、ｐ型半導体層１５の代わりにｎ型半導体を用いればよい。また、量子ドットナノワイヤ３０にｎ型ドープしてもよい。
ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉを、ｐ型ドーパントとしては、Ｚｎを用いることができる。その他のｎ型ドーパントとしては例えばＳ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｃがある。
【０１１６】
第１実施形態に係る製造方法においては、ＳｉＯ2のパターニングに電子線リソグラフィーを用いたが、他の手法でも形成できる。例えば、ナノインプリントやフォトリソグラフィーを用いてもパターニングしてもよい。これらの手法を用いれば低コストで大量生産向きとなる。
【０１１７】
次に、図２および図３に基づき、この発明の第１実施形態に係る超格子半導体層１３を備えた太陽電池１００の構造について説明する。
図２は、この発明の第１実施形態に係る太陽電池の構成を示す説明図である。
図３は、この発明の第１実施形態に係る量子ドットナノワイヤ中の量子ドット間の距離とそのバンド構造との関係を示す説明図である。
なお、図２および図３において、シェル層１４などの構造は省略して説明しているが、シェル層１４を有する場合も同様である。
【０１１８】
図２に示すように、同一直径の複数本の量子ドットナノワイヤ３０を、例えば、４本／μｍ2以上の面密度で均一に配置した超格子半導体層１３を形成し、太陽電池１００に設けることにより、太陽光スペクトルを効率的に吸収することができる。
【０１１９】
なお、太陽電池などの半導体装置において、面密度の他に量子ドットナノワイヤ３０の高さも考慮した量子ドットの面密度が極めて重要となる。高さ方向も考慮した面密度は、１ｃｍ2当たりの１層当たりの量子ドットの面密度に量子ドットの層数を乗じたものであり、好ましくは２．０×１０10／ｃｍ2以上であり、さらに好ましくは１．０×１０11／ｃｍ2以上であり、さらに好ましくは１．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2であり、さらに好ましくは５．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2である。
【０１２０】
このような面密度にすることで、太陽光を十分に吸収することができ、エネルギー変換効率の極めて高い太陽電池１００を得ることができる。
また、量子ドットナノワイヤ３０中の量子ドット層２２間の距離を短くすれば、量子ドット間においてミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成され、キャリアがミニバンド４２ｃ，４２ｖ間を通りやすくなるため好ましい。
【０１２１】
図３（ａ）は、量子ドット間距離が長い場合（図３（ｂ））のバンド模式図であり、図３（ｃ）は、量子ドット間距離が短い場合（図３（ｄ））のバンド模式図である。
図３（ｂ）に示されるように、量子ドットナノワイヤ３０中の量子ドット層２２間の距離が長い場合には、図３（ａ）に示されるように、量子エネルギー準位４１ｃ，４１ｖが独立して存在する。一方、図３（ｄ）に示されるように、量子ドットナノワイヤ３０中の量子ドット層２２間の距離が短い場合には、図３（ｃ）に示されるように、隣接する量子ドットの波動関数が重なり合い、量子エネルギー準位４１ｃ，４１ｖがカップルしてミニバンド４２ｃ，４２ｖ（図３（ｃ）の網掛け部分）が形成される。ミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成されるとキャリア移動が容易に起こり、発光再結合が起こりにくくなることで太陽電池１００のエネルギー変換効率が高くなる。
例えば、図４（後述）に示す構造を用いた場合、量子ドット層２２間の距離が５ｎｍ以下になればＰＬ発光スペクトルの長波長化が見られたため、ミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成されたと考えられる。
【０１２２】
次に、量子ドットナノワイヤ３０の評価法について説明する。
量子ドットナノワイヤ３０中の量子ドット層２２のサイズ、均一性、転位およびｚ方向に対する配列性等の情報は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy、透過型電子顕微鏡法）による観察やＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy、走査型電子顕微鏡法）による観察によって確認できる。
量子ドットナノワイヤ３０中のｎ型ドーパント濃度は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry、二次イオン質量分析法）により確認できる。
量子ドットナノワイヤ３０における量子エネルギー準位の総状態数は、ＰＥＳ（Photoelectron Spectroscopy、光電子分光装置)、ＵＰＳ（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy、紫外線光電子分光法）またはＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy、Ｘ線光電子分光法）などを用いて知ることができる。
また、ＴＥＭ観察により得られた量子ドット層２２の面密度、積層数を、ＰＬ（Photo Luminescence、フォトルミネセンス）測定より量子エネルギー準位数を確認し、その総状態数を算出することも可能である。
量子ドットナノワイヤの歪みの程度は、バルクの格子定数からの量子ドット層の格子定数のずれの割合によって定義される。ＴＥＭの高分解観察によっても歪みの程度を評価できるが、ＰＬ発光強度とも大きな相関があるため、ＰＬ発光強度を歪みの程度の評価に用いることもある。
【０１２３】
上記の製造工程により形成された太陽電池１００は、ＰＬ測定でその発光スペクトルを測定することにより、例えば、量子エネルギー準位数などを確認できる。例えば、励起光源としてＡｒレーザーを、検出器としてＧｅフォトディテクターをそれぞれ用い、量子ドットナノワイヤ３０のＰＬ発光強度を１１Ｋで測定する。測定された発光スペクトルの発光帯に対応するエネルギー（光子エネルギー）を求めることにより、どのように量子エネルギー準位が形成されているかを確認できる。また、障壁層２０の禁制帯幅も確認できる。さらに、光吸収スペクトルを測定して、量子エネルギー準位の形成を確認してもよい。
【０１２４】
４．量子ドットナノワイヤ積層化実験とＰＬ測定実験
次に、図４〜図６に基づき、この発明の第１実施形態に係る量子ドットナノワイヤ３０の積層化実験とＰＬ測定実験の結果について説明する。
図４は、第１実施形態に係る量子ドットナノワイヤのＳＥＭおよびＴＥＭ観察像である。
図４（ａ）は、第１実施形態に係る量子ドットナノワイヤ３０のＳＥＭ観察であり、Ｘ部は１μｍ四方の領域である。
図４（ｂ）は、図４（ａ）の一部拡大図である。図４（ｃ）は、第１実施形態に係る量子ドットナノワイヤ３０のＴＥＭ観察像であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）のＹ部拡大図である。
【０１２５】
図４（ａ）のＳＥＭ像より、１μｍ四方当たり４本の量子ドットナノワイヤ３０が形成されていることが確認でき、図４の超格子構造は少なくとも４個／μｍ2の面密度を有することがわかる。
【０１２６】
一方、図４（ｂ）のＳＥＭ像より、量子ドットナノワイヤ３０はｚ方向に沿って伸びており、基板面に対してほぼ垂直に積層され、ｚ方向における量子ドットナノワイヤ３０の直径はほぼ均一であることがわかる。また、図４（ｃ）（ｄ）のＴＥＭ像より、直径４０ｎｍ、高さ７ｎｍの量子ドット層２２が等間隔に均一なサイズを保ったまま、転位が見られることなく形成されていることがわかる。
【０１２７】
図４（ｄ）において、点線で示すように、量子ドット層２２の左右両側が数ｎｍ被覆されている構造が見られるが、これは量子ドットナノワイヤ３０を形成後にシェル層１４を被覆しているためである。量子ドットナノワイヤ３０を形成している段階でシェル層１４が左右両側に成長するコアシェル成長は確認されておらず、量子ドットナノワイヤ３０が垂直方向のみに成長するアキシャル成長が起こっていることが分かる。従って、量子ドットナノワイヤ３０の全体にわたって均一な量子ドット層２２が形成されていることがわかる。
【０１２８】
また、同一基板上であっても、マスク層２に形成される開口部３５の径や密度を変えることで、同一基板上の異なる面領域上に２種類の直径や密度で量子ドットナノワイヤ３０が精度良く配列された超格子構造を作製できる。
【０１２９】
図５は、この発明の第１実施形態に係る超格子構造のＳＥＭ観察像である。
Ｚ部は１μｍ四方の領域であり、１μｍ四方当たり１６本の量子ドットナノワイヤ３０が形成されていることが確認でき、図５の超格子構造は少なくとも１６個／μｍ2の面密度を有することがわかる。また、量子ドットナノワイヤ３０はｚ方向に沿って伸びており、基板面に対してほぼ垂直に積層され、ｚ方向における量子ドットナノワイヤ３０の直径はほぼ均一であることがわかる。
【０１３０】
また開口部３５の径や密度を変えることで、同一基板上の異なる面領域上に少なくとも２種類の直径や密度で量子ドットナノワイヤ３０が精度良く配列された超格子構造を作製できる。
【０１３１】
以上の結果より、この発明に係る量子ドットナノワイヤ３０は、高積層であっても量子ドット層２２のサイズの均一性が保たれ、量子ドットナノワイヤ３０が精度良く配列された超格子構造が実現されていることがわかる。
【０１３２】
図６は、この発明の第１実施形態に係る超格子構造のＰＬ測定結果である。
図６の横軸は、光のエネルギー（ｅＶ）（または、それに対応する波長（ｎｍ））を、縦軸は、観測されたＰＬ発光強度（任意単位）を表す。
【０１３３】
図６の破線のグラフは、単層量子ドット層のＰＬ発光強度のエネルギー（ｅＶ）の依存性を示す。図６の実線のグラフは、３０層積層された量子ドット層のＰＬ発光強度のエネルギー（ｅＶ）の依存性を示す。測定時の温度は１０Ｋである。波長９００ｎｍ近傍の発光が量子ドットに起因する。
図６の結果より、３０層作製した量子ドットの発光強度は単層量子ドットの発光強度と比べて約３０倍の強度を有することがわかる。
【０１３４】
一般的な成長（例えば、膜成長から量子ドットを形成するＳＫ成長など）においては、量子ドット層２２を積層するにつれて歪みが徐々に増大する傾向があるため、そのＰＬ発光強度は量子ドット層２２の積層数に比例せず、量子ドット層２２の積層数よりも小さくなるが、図６の結果においては、量子ドット層２２を３０層積層した量子ドットナノワイヤ３０のＰＬ発光強度は、１層のみの量子ドット層２２を積層した量子ドットナノワイヤ３０の約３０倍となっており、そのＰＬ発光強度が量子ドット層２２の積層数にほぼ比例している。
また、スペクトル分解より半値幅や発光ピークエネルギーの準位に大きな変化がないことから、３０層積層されても結晶品質が高く均一性が損なわれていないことがわかる。従って、高い均一性を有する高品質の量子ドット層２２が実現していることがわかる。
【０１３５】
〔変形例〕
次に、図７に基づき、この発明の第１実施形態に係る超格子半導体構造１３の変形例１３ａおよび１３ｂの構成について説明する。
図７は、この発明の第１実施形態に係る超格子構造の変形例の構成を示す平面図である。
図７（ａ）は、量子ドットナノワイヤ３０を面領域上に正方形状に並べた超格子半導体層１３ａであり、図７（ｂ）は、量子ドットナノワイヤ３０を面領域上に正六角形状に並べた超格子半導体層１３ｂである。
【０１３６】
図７（ａ）に示すように、量子ドットナノワイヤ３０を交互に一定の繰り返し周期で並べることは、複数の量子ドットナノワイヤ３０が相乗的に影響し合い、太陽電池等に応用した場合、量子ドットナノワイヤ３０の間の光の閉じ込め等が効率よく起こり、太陽光を効率的に吸収できる。特に、量子ドットナノワイヤ３０の間隔が太陽光の波長より小さい場合（例えば、２００ｎｍ以下）では、フォトニック結晶のような効果による太陽光の反射などの影響が小さくなり、量子ドットナノワイヤ３０の周期的な構造に起因する効率的な吸収がより起こりやすくなると考えられる。また、太陽光を効率的に吸収できるため、ＳＫ成長などで形成された薄膜型量子ドット構造に比べ、格段に材料使用量を低減でき、低コスト化につながるため好ましい。
また、図７（ｂ）に示すように、量子ドットナノワイヤ３０を正六角形状に配置することにより、最密充填の量子ドットナノワイヤアレイを形成することが可能となる。なお、図面の網掛け部分の領域４０は、繰り返し最小単位を表している。
【０１３７】
次に、図８に基づき、この発明の第１実施形態に係る太陽電池１００の変形例１００ａの構成について説明する。
図８は、この発明の第１実施形態に係る太陽電池の第１変形例の構成を示す断面図である。
なお、図１に示す太陽電池１００に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。その他の実施形態についても同様とする。
【０１３８】
図８に示すように、太陽電池１００ａのシェル層は、シェル層１４およびシェル層２５のダブル構造を有する。シェル層２５は、シェル層１４と同様の効果を有する他、例えば、ｎ型半導体とした場合、ｎ型半導体層１に効率的にキャリアを流すことができる利点を有する。ダブル構造の材料として、例えば、シェル層２５をｎ型半導体とし、シェル層１４をｐ型半導体としてもよい。このような構造とすることで光励起により生じた電子がシェル層２５に流れ、コア層５を通り、ｎ型半導体層１を介して効率的に外部回路へ流れることができ、光励起により生じた正孔がシェル層１４に流れ、ｐ型半導体層１５を介して効率的に外部回路を流れることができ、太陽電池１００ａは高いエネルギー変換効率が得られる。また、シェル層１４をｎ型半導体とし、シェル層２５をｐ型半導体としてもよい。さらに、表面安定性のためシェル層１４，２５に別の層を加えて３層以上の構造としてもよい。
【０１３９】
〔第２実施形態〕
次に、図９に基づき、この発明の第２実施形態に係る太陽電池１００ｂの構成について説明する。
図９は、この発明の第２実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【０１４０】
図９に示すように、太陽電池１００ｂの製造工程において、太陽光の波長程度（例えば、５００ｎｍ）以下のｘｙ面内領域内に、さらに好ましくは紫外光の波長程度（例えば、３００ｎｍ）以下のｘｙ面内領域内に異なる種類の直径の量子ドットナノワイヤ３０および３０ａを形成し、ｚ方向に同一サイズ、材料、混晶比の量子ドット層２２および２２ａが形成される。
【０１４１】
具体的な製造方法としては、図９（ｂ）に示すように、マスク層２に異なる径（サイズ）の開口部３５および３５ａを予め形成し、図９（ｃ）に示すように、開口部３５および３５ａに対応するコア層５および５ａを形成した後に、それぞれ量子ドット層２２，２２ａと障壁層２０，２０ａとを交互に積層させる。なお、開口部３５および３５ａのサイズとしては、太陽光の短波長（例えば、５００ｎｍ）以下に形成されることが好ましく、さらに好ましくは紫外光の波長程度（例えば、３００ｎｍ）以下に形成される。
このような構成とすることで太陽光を無駄にすることなく、効率的に吸収することができる。
このような構造は、温度や圧力や原材料の割合などの成長条件だけでなく、量子ドットナノワイヤ３０（３０ａ）の間隔、マスク層２の開口部３５（３５ａ）の面積の割合、開口部３５（３５ａ）の径の大きさを適宜変えることで、異なる径を有する量子ドットナノワイヤ３０（３０ａ）中の量子ドット（例えば、量子ドット層２２（２２ａ））の積層方向（ｚ方向）の長さを、それぞれ変えることができる。
このような構造にすることで、異なるサイズを有する量子ドット層が得られ、量子ドット層の量子エネルギー準位が異なるため、太陽光スペクトルの幅広い波長領域を効率的に吸収することができ、太陽電池１００ｂのエネルギー変換効率が向上する。
【０１４２】
〔太陽電池の変形例〕
次に、図１０に基づき、この発明の第２実施形態に係る太陽電池の変形例１００ｃの構成について説明する。
図１０は、この発明の第２実施形態に係る太陽電池の変形例の構成を示す説明図である。
図１０に示すように、各々の量子ドットナノワイヤ中における積層方向（ｚ方向）の長さが同一な量子ドット層を有し、４種類の異なる種類の直径を有する量子ドットナノワイヤ３０，３０ｂ〜３０ｄを太陽光の波長程度の面積を有するｘｙ面内領域に配置することにより、太陽光スペクトルを効率的に吸収することができる。
【０１４３】
理論的な計算によれば、太陽電池は、１種類の量子ドットを用いた場合、その理論的な最大効率は６３％であるが、２種類の量子ドットを用いた場合、その理論的な最大効率は７０％、３種類の量子ドットを用いた場合、７３％、また４種類の量子ドットを用いた場合、７５％となる。一方、５種類以上の量子ドットを用いた場合は、効率の伸びが著しく鈍化するため、１〜４種類の量子ドットで高いポテンシャルが得られ、４種類の量子ドットで最も高いポテンシャルを得られる。
【０１４４】
理論的な最大効率は、集光比、材料によっても変わるが、例えばＧａＡｓ（バンドギャップ〜１．４ｅＶ）を障壁層に用いた場合、４種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は１０００倍集光下で５５％、１種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は１０００倍集光下で５２％（ＧａＡｓ単接合では、１０００倍集光下で３６％）である。また、４種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は非集光下で３９％、１種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は非集光下で３７％（ＧａＡｓ単接合では、非集光下で３１％）になる。
また、例えばＡｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ（バンドギャップ〜２．０ｅＶ）を障壁層に用いた場合、４種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は１０００倍集光下で６６％、１種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は１０００倍集光下で５７％（Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ単接合では、１０００倍集光下で２７％）である。また、４種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は非集光下で５２％、１種類の量子ドットを用いると理論的な最大理論変換効率は非集光下で４５％（Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓ単接合では、非集光下で２５％）になる。
上述したように、量子ドット太陽電池は単接合型太陽電池に比べ大きなポテンシャルを有しており、量子ドットの種類が多い程、また集光度が高い程、最大理論変換効率が大きくなる。
【０１４５】
それゆえ、太陽光スペクトルを効率的に吸収するためには、ｘｙ面内領域に複数の量子ドット（サイズ、材料、混晶比が異なる）が配置されていると好ましい。このような構成にすれば、異なるサイズの量子ドット層が太陽光の異なる波長を効率よく吸収するため、このような構造を太陽電池に応用すれば、エネルギー変換効率が向上する。
【０１４６】
量子ドットの種類としては、１種類の量子ドットが用いられるのが好ましく、さらには２種類の量子ドットが用いられるのが好ましく、さらには３種類の量子ドットが用いられるのが好ましく、さらには４種類の量子ドットが用いられるのが好ましい。
また、量子ドットナノワイヤの直径の種類としては、実質的に同じ直径のナノワイヤが１種類存在するのが好ましく、さらには２種類存在するのが好ましく、さらには３種類存在するが好ましく、さらには４種類存在するのが好ましい。
さらに、１μｍ2当たり実質的に同じ直径のナノワイヤが２種類存在するのが好ましく、さらには１μｍ2当たり３種類存在するのが好ましく、さらには１μｍ2当たり４種類存在するのが好ましい。
【０１４７】
なお、量子ドットの「種類」とは、量子ドットのサイズ、材料および混晶比（組成比）などである。ここで、量子ドットの「サイズ」として、積層方向の長さを例に挙げたが、ｚ方向以外の長さ（例えば、ｘ、ｙ方向の長さ）、面積または体積であってもよい。量子ドット層２２の積層方向の高さだけでなく、量子ドットナノワイヤの直径を変えることにより、量子ドットの「サイズ」を変えることができる。なお、ｘｙ面内領域およびｚ方向のサイズを変えるだけでなく、所望の量子エネルギー準位の数に応じて量子ドット層のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の長さを適宜変更した構成であってもよい。
【０１４８】
ここで、異なる直径の量子ドットナノワイヤ３０，３０ｂ〜３０ｄをｘｙ面内領域内に形成するとは、例えば、４種類の直径の量子ドットナノワイヤ３０，３０ｂ〜３０ｄを形成したい場合、少なくともこの４種類の直径の量子ドットナノワイヤ３０，３０ｂ〜３０ｄが当該ｘｙ面内領域内に形成されていることを意味する。
【０１４９】
〔超格子構造の変形例〕
次に、図１１および図１２に基づき、この発明の第２実施形態に係る超格子構造の第１変形例１３ｆ〜１３ｈおよび第２変形例１３ｉ〜１３ｋの構成について説明する。
図１１は、この発明の第２実施形態に係る超格子構造の第１変形例の構成を示す平面図である。
図１２は、この発明の第２実施形態に係る超格子構造の第２変形例の構成を示す平面図である。
【０１５０】
４種類の直径の量子ドットナノワイヤを正方形状に均等（正方形状に均等とは、量子ドットナノワイヤをｚ方向から見た場合に、円の中心が正方形状に並んでいることをいう）に並べた構造の模式図を図１０に示したが、図１１においては、量子ドットナノワイヤを交互にｘｙ面内領域に配置した模式図を量子ドットのナノワイヤの種類数ごとに示す。
図１１（ａ）〜（ｃ）にかけて順に、量子ドットナノワイヤ２種類、３種類、４種類を配置した模式図である。
【０１５１】
図１１に示されるように、複数種類の量子ドットナノワイヤを用いた場合、必ずしも量子ドットナノワイヤの間隔を全て均等にする必要はなく、量子ドットナノワイヤ間隔を適宜ずらして配置しても良い。このようにすることで、量子ドットおよび量子ドットナノワイヤの積層を制御できる場合がある。すなわち、例えば、量子ドットの積層方向（ｚ方向）の長さを制御することができる。しかし、その場合においても、一定の繰り返し最小単位を持ち、一定の繰り返し周期で量子ドットナノワイヤを並べることが、均一な積層条件を得るため、また太陽電池を効率的に吸収させるため好ましい。
【０１５２】
図１２（ａ），（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、２種類（３０，３０ｂ）、３種類（３０，３０ｂ，３０ｃ）および４種類（３０，３０ｂ〜３０ｄ）の異なる直径の量子ドットナノワイヤを備えた超格子半導体層１３ｉ，１３ｊおよび１３ｋの構成を示す平面図である。
【０１５３】
図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、２〜４種類の異なる直径の複数の量子ドットナノワイヤ３０，３０ｂ〜３０ｄを正六角形状に配置することにより、最密充填の量子ドットナノワイヤアレイを形成することが可能となる。図１２の網掛け部分の領域４０は、繰り返し最小単位を表している。なお、２種類以上の異なる直径の複数の量子ドットを配置する場合、正六角形の中心には、例えば、直径が最も小さい量子ドットナノワイヤ（図１２においては、量子ドットナノワイヤ３０ｂ）を配置する。これは、直径が最も小さい量子ドットナノワイヤに含まれる量子ドット層の体積断面積が最も小さく、太陽光の吸収を十分に行うためには量子ドット層の体積を稼ぐ必要があるからである。このような配置にすることにより、超格子構造の高密度化が実現できる。
【０１５４】
〔第３実施形態〕
次に、図１３に基づき、この発明の第３実施形態に係る超格子半導体層１３ｌを備えた太陽電池１００ｄについて説明する。
図１３は、この発明の第３実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【０１５５】
図１３（ｈ）に示すように、量子ドットナノワイヤの太陽電池１００ｄは、ｘｙ面内領域に同一の直径を有し、ｚ方向において異なる長さの量子ドット層２２および２２ｂを有する量子ドットナノワイヤ３０ｅが配置されている。
【０１５６】
具体的には、図１３（ｅ）〜（ｈ）に示すように、ＳｉＯ2のマスク層２の開口部３５は同じ大きさにし、量子ドットナノワイヤ３０ｅの積層方向に異なる長さの量子ドット層２２および２２ｂを積層する。この手法を用いれば、意図的に制御良く量子ドット層のサイズを変えることができるため、転位がなく高品質の量子ドット層を形成できる。また、積層方向において複数種類の長さの量子ドット層２２および２２ｂを有する量子ドットナノワイヤ３０ｅを配置することで、多様なバンドギャップを形成することができ、太陽光スペクトルの幅広い波長領域を効率的に吸収することが可能となる。すなわち、異なる種類の量子ドット層が、太陽光に含まれる異なる波長の光を吸収するため、このような構造を太陽電池に応用すれば、エネルギー変換効率が向上する。
【０１５７】
〔第４実施形態〕
次に、図１４に基づき、この発明の第４実施形態に係る超格子構造１３ｍを備えた太陽電池１００ｅについて説明する。
図１４は、この発明の第４実施形態に係る超格子構造を備えた太陽電池の製造工程を示す説明図である。
【０１５８】
図１４（ｈ）に示すように、第４実施形態に係る太陽電池１００ｅは、ｘｙ面内領域に同じ直径の量子ドットナノワイヤ３０ｆが配置され、ｚ方向に材料もしくは混晶比の異なる量子ドット層２２および２２ｂが形成されている。
【０１５９】
具体的には、図１４（ｅ）〜（ｈ）に示すように、ＳｉＯ2のマスク層２の開口部３５は同じ大きさにし、量子ドットナノワイヤ３０ｆの積層方向に、量子ドット層２２および２２ｂの材料、混晶比が変化する。このような構造にすれば、意図的に制御良く量子ドット層の材料、混晶比を変えることができるため、転位がなく高品質の量子ドット層を形成でき、また、太陽光スペクトルを効率的に吸収することができる。
【０１６０】
〔第５実施形態〕
次に、図１５〜図１７に基づき、この発明の第５実施形態に係る半導体発光装置２００について説明する。
なお、以下に示す例は一例であり、この発明の超格子構造を有する半導体発光装置２００に用いる基板、バッファー層、量子ドット、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。その他の実施形態についても同様である。
【０１６１】
＜半導体発光装置の構成＞
図１５は、この発明の第５実施形態に係る超格子構造を備えた半導体発光装置の製造工程を示す説明図である。
第５実施形態の半導体発光装置２００は、ｎ型半導体層１と、ｐ型半導体層１５と、ｎ型半導体層１およびｐ型半導体層１５の間に挟まれた超格子半導体層２１３とを有している。
以下、半導体発光装置２００について説明する。
【０１６２】
この発明の基材は、ｎ型半導体層１に相当し、この発明の超格子構造は、超格子半導体層２１３に相当する。
【０１６３】
１．ｎ型半導体層およびｐ型半導体層
ｎ型半導体層１は、ｎ型不純物を含む半導体からなり、ｐ型半導体層１５は、ｐ型不純物を含む半導体からなる。
ｎ型半導体層１およびｐ型半導体層１５は、超格子半導体層２１３を挟み半導体発光装置２００を構成し、例えばＭＯＣＶＤ法やスパッタ法により形成することができる。
【０１６４】
ｐ型半導体層１５は、透明電極１７と電気的に接続することができ、ｎ型半導体層１は、ｎ型電極１１と電気的に接続することができる。このことにより、外部回路から透明電極１７およびｎ型電極１１を介して電流注入を行うことによって量子ドット層の発光を生じさせることが可能となる。また、ｐ型半導体層１５と透明電極１７との間またはｎ型半導体層１とｎ型電極１１との間にコンタクト層を設けてもよい。
【０１６５】
２．超格子半導体層
超格子半導体層２１３は、ｎ型半導体層１とｐ型半導体層１５に挟まれている。また、超格子半導体層２１３は、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）と障壁層２２０ａ（２２０ｂ）が交互に繰り返し積層された超格子構造を有する。半導体発光装置２００における超格子半導体層２１３は、複数本の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）により構成される。
【０１６６】
この発明の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）は、超格子半導体層２１３中の量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を高品質かつ高均一に、積層方向（ｚ方向）の配列性も制御良く、配列されることを特徴とする。量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）は、障壁層２２０ａ（２２０ｂ）を構成する半導体材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子効果により、伝導帯側に量子準位を有する。また、量子準位は価電子帯側に形成されてもよい。また、障壁層２２０ａ（２２０ｂ）は、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を構成する半導体材料よりも広いバンドギャップを有する半導体材料からなり、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の周りのポテンシャル障壁を形成する。
【０１６７】
第５実施形態において、超格子半導体層２１３を構成する量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、障壁層２２０ａ（２２０ｂ）の材料として、例えば、ＩｎＧａＡｓからなる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、ＧａＡｓからなる障壁層２２０ａ（２２０ｂ）を用いることができる。また、ＩｎＧａＡｓからなる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、ＡｌＧａＡｓからなる障壁層２２０ａ（２２０ｂ）、ＩｎＧａＮからなる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、ＧａＮからなる障壁層２２０ａ（２２０ｂ）、ＩｎＧａＡｓＳｂからなる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、ＡｌＧａＡｓＳｂからなる障壁層２２０ａ（２２０ｂ）を用いることができる。その他、ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＳｂ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ，ＳｉＧｅの材料およびこれらの混晶材料を用いてもよい。また、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＳｂzＡｓ1-z、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＰ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮなどを用いることもできる。上記以外のIII−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、IV族半導体あるいはこれらの混晶材料を用いてもよい。
【０１６８】
例えば、ＩｎＡｌＧａＮを用いた場合、ＩｎＮのバンドギャップは０．７ｅＶ、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶ、ＡｌＮのバンドギャップは６．２ｅＶであるため、広範囲の波長をカバーすることが可能である。これらの材料を用いた量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を複数個同一基板上に形成すれば、例えば青、緑、赤のＬＥＤを同一基板上に作製することが可能となる。
【０１６９】
混晶からなる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、障壁層２２０ａ（２２０ｂ）は、混晶の元素割合を適宜変更することで、量子エネルギー準位や障壁層２２０ａ（２２０ｂ）のバンドギャップを変えたり、価電子帯バンドエネルギーオフセット（量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）と障壁層２２０ａ（２２０ｂ）の価電子帯エネルギー差）を変えたりすることができる。
【０１７０】
第５実施形態においては、図１５に示すように、ｎ型半導体層１の基板面を構成する２種類の面領域ＰＲ１およびＰＲ２に、直径が異なる複数本の量子ドットナノワイヤ２３０ａおよび２３０ｂを形成することができる。
このような構成にすれば、異なる種類の量子ドット層２２２ａと２２２ｂとが異なる波長の光を発光し、この超格子半導体層２１３を半導体発光装置２００に応用すれば所望の広帯域の発光スペクトルが得られる。この発明の量子ドット層２２２ａおよび２２２ｂのサイズは制御良く変えることができること、また転位・欠陥が少なく発光効率が高いことがＳＫ成長やエッチング技術を用いたトップダウンの手法とは大きく異なる。また、ＶＬＳを用いた手法も不純物が混入し発光効率が低下するおそれがあるため、高品質な量子ドットを得ることは容易ではない。
【０１７１】
この発明の手法を用いれば、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）に含まれる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）（ｚ方向の量子ドット）を歪み緩和しながら制御良く形成することができ、図２２（第６実施形態、後述）、図２７（第７実施形態、後述）に示すように、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）に含まれる量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の積層方向のサイズ・材料・組成を変えてもよい。この場合には面内に異なる複数のサイズの量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を形成してもよく、同じサイズの量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を形成してもよい。
さらに、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の径や量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）間の間隔を調節することで、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）に取り込まれる元素比を、それぞれの量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）ごとに変えてもよい。
以上のように、複数種類の量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を形成する事で所望の形状の発光スペクトルを得ることができる。
【０１７２】
量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）のｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のサイズは所望の量子エネルギー準位の数に応じて適宜変更すればよい。同じエネルギー値を有する量子エネルギー準位を形成したい場合は、例えば、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の量子ドットサイズを全てそろえればよい。同一面領域内において、１つの量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）中の複数の量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）（ｚ方向の量子ドット）は、すべて同じサイズ・材料から構成され、さらに隣り合う量子ドットの波動関数が重なり合う程度に量子ドット間の距離を近づけることでミニバンドが形成される。図９に示すように、例えば伝導帯中において、ミニバンド中の最も低いエネルギー準位と、量子ドットが孤立して存在する（隣り合う量子ドットの波動関数が重ならない）場合の量子エネルギー準位の値は異なる。これらを利用して発光波長を変えることもできる。
【０１７３】
図１５（ｅ）に示すように、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）は、被覆された構造（シェル層１４）をしても良い。シェル層１４を設けて被覆することで量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の表面が安定化され、表面再結合が効果的に下がるためである。また、量子ドット層で形成されたキャリアがシェル層１４を通って流れ、キャリアを注入しやすくなるという利点もある。シェル層１４は、ｎ型半導体層１またはｐ型半導体層１５と同じ材料であっても良いし、異なってもよい。また、表面安定化のための層として、シェル層１４の外側にさらに別の層を設けてもよい。
【０１７４】
なお、歪みをｘｙ方向に緩和してやることで高品質な量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を多積層化できるため、シェル層１４は厚くしすぎない方が好ましいが、適度な厚みのシェル層１４は、半導体発光装置２００の構造にとって好ましい。
【０１７５】
図１５（ｆ）に示すように、超格子半導体層２１３中における量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の間の間隙は、例えば、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂１０で埋められる。また、樹脂１０には障壁層２２０ａ（２２０ｂ）と同じ材料を用いてもよい。
【０１７６】
なお、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を高品質に形成するためには、歪みを緩和させた構造をとる必要がある。従って、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の直径を臨界直径以下にすればより好ましい。ここで、「臨界直径」とは、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）が歪みを受けることなく、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を成長できる量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の直径である。一般に、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の直径が小さいほど歪みが緩和されるため、歪みのほとんどない状態で量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を成長させることが可能となる。
一方、エッチングで膜形成をした場合、積層方向と垂直な方向は、（量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）のサイズから見れば無限の長さで）密に詰まっているため、当該方向に歪みを緩和することができず、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）および母体材料の結晶性が落ちてしまう。
【０１７７】
量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の直径は、５〜１００ｎｍが好ましく、さらに好ましくは５〜７０ｎｍである。例えば、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ／ＧａＡｓ材料を用いた場合、格子定数の差が２％程度であることからおよそ１００ｎｍが臨界膜厚となり、１００ｎｍ以下の直径の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を構成すればよい。一方で、直径が５ｎｍより小さくなれば制御が容易ではなくなる。
【０１７８】
同じ面領域内の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）は、３０〜５００ｎｍの間隔（２つの量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）間の空隙の間隔）で形成されるのが好ましい。５００ｎｍ以下の間隔で量子ドットを配置することで、十分に大きな発光強度を得ることができる。
しかし、量子ドットナノワイヤの間隔を３０ｎｍ以下にすれば、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を形成するのが容易でなくなるおそれがある。
【０１７９】
その他の構造としては、光反射層、電流拡散層など、必要に応じて適宜挿入してよい。
また、表面および裏面にそれぞれ、透明電極１７およびｎ型電極１１を設けてもよい。ｎ型電極１１はグリッド状にしてもよい。表面は、透明電極の代わりにｐ型電極としてもよく、またｐ型電極はグリッド状にしてもよい。
【０１８０】
＜半導体発光装置の製造方法＞
次に、図１５に基づき、第５実施形態に係る半導体発光装置２００の製造方法について説明する。
【０１８１】
超格子半導体層２１３は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などを用いることで作製することができる。原材料の構成比・成長温度・圧力・堆積時間等を変えることによって量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の混晶比、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）のサイズを調整することができる。
【０１８２】
半導体発光装置２００の製造方法について、例えば、膜厚制御に優れた分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等を用いることで、超格子構造を備えた半導体発光装置２００を製造することができる。ここでは、図１５に基づき、半導体発光装置２００の製造方法（選択成長）について説明する。
【０１８３】
例えば、ｎ−ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板（ｎ型半導体層１）を有機系洗浄液で洗浄した後、硫酸系洗浄液によって洗浄し、さらに水洗浄を施した後、図１５（ａ）に示すように、マスク層２としてＳｉＯ2膜を積層させる。
マスク層２は、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の原材料とエネルギー的に安定な材料を形成せず、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の原材料の拡散長が十分大きい材料からなる層である。マスク層２の材料としては、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の材料としてＩｎＡｓ、ＧａＡｓを用いる場合、ＳｉＯ2などが挙げられる。
【０１８４】
マスク層２の積層後、続いて、図１５（ｂ）に示すように、例えば、電子線リソグラフィーを用いてＳｉＯ2膜面上の面領域ＰＲ１およびＰＲ２それぞれに開口部３５ａおよび３５ｂを形成する。第５実施形態において、図１５（ｂ）に示すように、開口部３５ａおよび３５ｂは、異なる径を有する。また、電子線リソグラフィーの代わりにフォトリソグラフィー、ナノインプリントなどの技術を用いてもよい。
【０１８５】
続いて、ｎ型半導体層１をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。図１５（ｃ）に示すように、ｎ型半導体層１上に形成された開口部３５ａおよび３５ｂにそれぞれコア層５ａおよび５ｂを形成する。コア層５ａ（５ｂ）は、ｎ型半導体層１と同じ材料を用いるのが好ましいが、異なっていてもよい。コア層５ａ（５ｂ）はバッファー層としての役割も有し、その上に形成すべき光吸収層の結晶性を向上させるための層であり、例えば、コア層５ａ（５ｂ）としてＧａＡｓ層を形成する。
【０１８６】
以降、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、障壁層２２０ａ（２２０ｂ）をコア層５ａ（５ｂ）上に形成するが、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に気相中の原材料が直接積層する成長モードと原材料がマスク層２上から拡散して量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に積層する成長モードがある。量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の形成時に供給される原材料がマスク層２上に一時的に乗った場合でも、エネルギー的に不安定なため、マスク層２上に乗った原材料は、再蒸発するか、よりエネルギー的に安定な量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上まで駆け上がる。それゆえ、原材料はマスク層２上に積層されず、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に積層されるため、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上のみに量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）および障壁層２２０ａ（２２０ｂ）の半導体層を成長させることが可能となり、マスク層２上には、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）および障壁層２２０ａ（２２０ｂ）の半導体層は形成されない。
【０１８７】
続いて、図１５（ｄ）に示すように、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を形成する。量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の材料としては、例えば、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓを用いる。量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）は、特定の条件下で、ｘｙ方向にほとんど成長することなく、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上（ｚ方向）のみに成長させることが可能となる（以下、アキシャル成長と呼ぶ）。
【０１８８】
アキシャル成長において、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の形成時に、前述の通り、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に気相中の原材料が直接積層する成長モードと原材料がマスク層２上から拡散して量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に積層する２通りのモードがあるものと考えられる。この発明においては、マスク層２に量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）成長の基礎となる開口部３５ａ（３５ｂ）を高密度に設けることにより、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の成長時に原材料が量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に直接乗って成長するモードが支配的となるため、高積層であっても高い均一性を有する量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）が実現するものと考えられる。一方で、量子ドットナノワイヤの密度（量子ドットナノワイヤ間距離）や成長条件を適宜変えることで、原材料がマスク層上から量子ドットナノワイヤの最上面へ拡散して量子ドットナノワイヤを形成する成長モードを支配的にすることも可能であると考えられる。従って、面領域の種類ごとに量子ドットナノワイヤの密度を変え、成長条件を最適化すれば、比較的高密度の領域では原材料が量子ドットナノワイヤ上に直接乗って成長するモード、低密度領域では原材料がマスク層上から量子ドットナノワイヤの最上面へ拡散して成長するモード、中程度の密度では両者のモードが混合された成長モードにすることも可能である。このように面領域ごとに量子ドットナノワイヤの密度を変えて成長を行えば、面領域の種類ごとに量子ドットの組成・積層方向の長さが異なる量子ドットナノワイヤ構造を形成することが可能となる。
また成長条件（成長モード）を制御すれば、量子ドットナノワイヤ中に形成される量子ドットの積層方向の長さ・量子ドットの組成を、異なる直径を有する量子ドットナノワイヤごとに変えることもできる。すなわち、量子ドット層２２２ａと２２２ｂの積層方向の長さを変えることができる。
【０１８９】
開口部３５ａ（３５ｂ）の面密度としては、４本／μｍ2以上であることが好ましく、さらに好ましくは１６本／μｍ2以上であり、さらに好ましくは２５本／μｍ2以上であり、さらに好ましくは３６本／μｍ2以上であり、さらに好ましくは１００本／μｍ2以上である。
また、複数本の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）は、積層方向（ｚ方向上側）から前記面領域ＰＲ１（ＰＲ２）を見たとき、面領域ＰＲ１（ＰＲ２）に対してその構造の占める割合が５％以上であることが好ましく、さらに好ましくは５〜５０％以上である。
このように高密度にするほど、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の成長時に原材料が量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）上に直接積層するモードが支配的となると考えられるため、高積層であっても高い均一性を有する量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）が実現することに加え、半導体発光装置デバイスへ応用した際に発光強度ができる利点がある。また、ＳＫ成長などで形成された薄膜型量子ドット構造に比べ格段に材料使用量を低減でき、低コスト化につながる。
【０１９０】
量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を高密度で周期的に配置することにより、各量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の成長条件が均等となるため、高い均一性を有する量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）が実現できる。
本製造方法を用いれば、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の成長位置を予め決めることができるため、超格子構造の設計が容易であり、所望の発光スペクトルを持った量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の構造を形成できる。
【０１９１】
アキシャル成長により形成された量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の構造は、歪みがｘｙ方向に緩和し、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）に歪みエネルギーが蓄積されることがない。従って、転位が生ずることなく、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）のサイズのばらつきがほとんどなく、高品質かつ高均一な量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）中に形成することができる。それゆえ、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の形成に必要な材料と障壁層２２０ａ（２２０ｂ）の形成に必要な材料を交互に供給してやることで、図１５（ｅ）に示すように、ｎ型半導体層１と垂直な方向（ｚ方向）に高品質な量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を形成することができる。
【０１９２】
このようにして積層された実質的に均一なサイズの量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の積層数としては、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）１本当たり２層以上であることが好ましく、さらに好ましくは５層以上であり、さらに好ましくは１０層以上であり、さらに好ましくは３０層以上であり、さらに好ましくは５０層以上であり、さらに好ましくは１００層以上であり、さらに好ましくは３００層以上であり、さらに好ましくは６００層以上である。
例えば、３０層であれば、量子ドットの面密度１．０×１０11〜５．０×１０11／ｃｍ2程度を実現可能であり、例えば、６００層であれば１．０×１０11〜１．０×１０13／ｃｍ2程度を実現可能である。
【０１９３】
なお、この発明の方法を用いて、実際に高積層の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）を作製してみたところ、少なくとも６００層もの量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）が均一に形成されたことを確認した。このような高積層の量子ドットを形成することで発光強度の高い半導体発光装置２００が得られる。
【０１９４】
図１５（ｅ）に示すように、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）が形成された後にシェル層１４を形成してもよい。シェル層１４はドーピングされていなくてもよく、ｎ型もしくはｐ型にドーピングされていてもよい。なお、シェル層１４をｐ型半導体層として形成するためには、例えば、Ｚｎなどのｐ型ドーパントを含む材料（例えば、Ｄｉｅｔｈｙｌｚｉｎｃ：ＤＥＺ）を原材料として同時に導入する。
なお、ｐ型半導体のシェル層１４は単独で設けてもよく、ｎ型半導体のシェル層１４に加えて別途設けてもよい。また、基板にｎ型ＧａＡｓ、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の被覆（シェル層１４）にｐ型ＧａＡｓを用いる例を示したが、逆の構造でもよく、シェル層１４は１種類に限らず複数種類用いてもよい。例えば、ｐ型ＧａＡｓ層のさらに外側をＡｌＧａＡｓ層で覆ってもよい。また、シェル層１４はｎ型半導体層１やｐ型半導体層１５と同じ材料であってもよく、別の材料であってもよい。
シェル層１４は量子ドットナノワイヤ表面の安定化かつ／またはキャリア輸送層としての役割を有するため、ｎ型半導体層１、ｐ型半導体層１５、障壁層の内最も低いバンドギャップと比べて少なくとも同等以上のバンドギャップを有することが望ましい。
【０１９５】
続いて、図１５（ｆ）に示すように、超格子半導体層２１３中における量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）間の間隙を、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂１０で埋める。樹脂１０の代わりには障壁層２２０ａ（２２０ｂ）と同じ材料を用いてもよい。
【０１９６】
樹脂１０は、例えばＣＨＦ３／Ｏ２プラズマを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）法を用いて部分エッチングする。部分エッチングにより開口された領域は外部回路とのコンタクトを取るために設けられる。選択比の違いにより樹脂１０を優先的にエッチングすることが可能である。
【０１９７】
最後に、図１５（ｈ）に示すように、ｐ型半導体層１５を形成する。透明電極１７、さらには、ｎ型電極１１を形成することで超格子構造を有する半導体発光装置２００を形成することができる。ｎ型電極１１の両電極には、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ材料を用いることができる。電極は、例えば、電子線蒸着により形成できる。また、透明電極１７はＩＴＯ透明電極を用いる。
ｐ型半導体層１５上にはコンタクト層を設けてもよい。
【０１９８】
以上、半導体発光装置２００の製造方法について説明したが、これらの製造方法や構成に限定されるものではない。例えば、第５実施形態の製造方法では、ｎ型半導体層１を用いたが、基板としてｐ型半導体を用いてもよい。その場合には、ｐ型半導体層１５の代わりにｎ型半導体を用いればよい。また、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）にｎ型ドープしてもよい。ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｉを、ｐ型ドーパントとしては、Ｚｎを用いることができる。その他のｎ型ドーパントとしては例えばＳ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅ，Ｃがある。
【０１９９】
第５実施形態に係る製造方法においては、ＳｉＯ2のパターニングに電子線リソグラフィーを用いたが、他手法でも形成できる。例えば、ナノインプリントやフォトリソグラフィーを用いてパターニングしてもよい。これらの手法を用いれば低コストで大量生産向きとなる。
【０２００】
次に、図１６および図１７に基づき、この発明の第５実施形態に係る超格子半導体層２１３を備えた半導体発光装置２００の構造について説明する。
図１６は、この発明の第５実施形態に係る半導体発光装置の構成を示す説明図である。
【０２０１】
図１６に示すように、同一基板上の異なる面領域ＰＲ１およびＰＲ２にそれぞれ異なる直径を有する複数本の量子ドットナノワイヤ２３０ａおよび２３０ｂを、例えば、４本／μｍ2以上の面密度で均一に配置した超格子半導体層２１３を形成し、半導体発光装置２００を作製する。量子ドットナノワイヤ２３０ａおよび２３０ｂは、直径のみが異なる。すなわち、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）の組成が全て同じで、そのｘｙ平面内のサイズが異なる。
【０２０２】
また、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）中の量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）間の距離を短くすれば、量子ドット間においてミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成され、キャリアがミニバンド間を通りやすくなるため好ましい。
【０２０３】
図１７は、図１６に示す半導体発光装置の第１変形例の構成を示す説明図である
図１７（ａ）および図１７（ｂ）はそれぞれ、量子ドットナノワイヤ２３０ａおよび２３０ｂのバンド構造の模式図である。
【０２０４】
図１７（ａ）（ｂ）の矢印に示されるように、伝導帯４３ｃの量子エネルギー準位４１ｃから価電子帯４３ｖの量子エネルギー準位４１ｖへの発光再結合により発光が生じるが、発光波長は、量子ドットナノワイヤ２３０ａ，２３０ｂの径、および量子ドットのｚ方向の厚みに依存して変化する。具体的には、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の径が小さいほど、量子ドットのｚ方向の厚みが小さいほど、伝導帯４３ｃの量子エネルギー準位４１ｃのエネルギーが高くなる。
【０２０５】
次に、量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）の評価法について説明する。
量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）中の量子ドットのサイズ、均一性、転位、ｚ方向に対してどれほど量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）が配列性良く配列されているかなどの情報はＴＥＭ観察やＳＥＭ観察により確認できる。
量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）中のｎ型ドーパント濃度は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）により確認できる。
【０２０６】
ここで示した例は一例であり、本実施形態の超格子構造を有する半導体発光装置２００に用いる基板、バッファー層、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）、ドーパント、電極などの各材料や、各プロセスで使用する洗浄剤、基板処理温度、製造装置等は、ここで示した例に限定されない。
【０２０７】
〔第１変形例〕
次に、図１８に基づき、図１６に示す半導体発光装置２００の第１変形例１００ａの構成について説明する。
図１８は、図１６に示す半導体発光装置の第１変形例の構成を示す説明図である。
【０２０８】
図１８に示すように、各々の量子ドットナノワイヤ２３０ａ（２３０ｂ）中における積層方向（ｚ方向）の長さが同一な量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）を有し、２種類の異なる種類の直径を有する量子ドットナノワイヤ２３０ａおよび２３０ｂを異なるｘｙ面内の面領域ＰＲ１およびＰＲ２にそれぞれ配置する。図１６の構成と異なるのは、半導体発光装置２００ａは、半導体発光装置２００のトップ側のｐ型半導体層１５をなくし、直接透明電極１７とコンタクトをとる構造としている点である。
【０２０９】
〔第２変形例〕
次に、図１９に基づき、図１６に示す半導体発光装置２００の第２変形例１００ｂの構成について説明する。
図１９は、図１６に示す半導体発光装置の第２変形例の構成を示す説明図である。
【０２１０】
図１９は、同一基板（ｎ型半導体層１）面を構成する４種類の面領域ＰＲ１〜ＰＲ４ごとに異なる直径の量子ドットナノワイヤ２３０ａ〜３０ｄが配列された構造を示す。半導体発光装置２００ｂの作製手法は、図１５に示したものと同様である。本発明では、ＩｎＧａＡｓ材料を説明したが、ＩｎＧａＮ材料でも同様に構成でき、Ｒ／Ｇ／ＢのＬＥＤを構成することもでき、例えば、通信用光源として使用することが可能となる。
なお、図１９において、シェル層１４などの構造は省略して説明しているが、シェル層１４を有する場合も同様である。
また、本量子ドットナノワイヤ構造を用いてディテクターを構成することもできる。例えば、ＩｎＧａＮ材料を用いればＲ／Ｇ／Ｂディテクターを構成することができる。
本量子ドットナノワイヤ構造は、基板の占有面積に対して受光面積が広いという利点を有するため、小型の発光装置、ＬＥＤ，ＣＣＤカメラを構成することができる。
【０２１１】
＜量子ドットナノワイヤとバンド構造の模式図との関係＞
次に、図３および図２０に基づき、図１５に示す量子ドットナノワイヤとそのバンド構造との関係について説明する。
【０２１２】
図３（ｄ）に示されるように、孤立していた隣接する量子エネルギー準位４１ｃ，４１ｖがカップルしてミニバンド４２ｃ，４２ｖ（図３（ｃ）の網掛け部分）が形成されると、ミニバンド４２ｃ，４２ｖはエネルギー幅を有し、その発光はミニバンド下端から起こるようになるため、発光エネルギーは小さく（すなわち、波長は大きく）なる。また、ミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成されるとキャリア移動が容易に起こり、効率的にキャリアが注入されることで半導体発光装置２００ａが効率的に発光する。
【０２１３】
図２０は、図３の量子ドットナノワイヤの量子ドット層間の長さとその発光ピークエネルギーとの関係を示すグラフである。
図２０の横軸は、量子ドット層間の長さ（ｎｍ）を、縦軸は、量子ドット層の発光ピークエネルギー（ｅＶ）を表す。
【０２１４】
図２０は、図３の構造において、量子ドット材料Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ、量子ドットの積層方向（ｚ方向）長さ３ｎｍ、量子ドットの直径約４０ｎｍ、ナノワイヤ材料ＧａＡｓ、ナノワイヤの直径約８０ｎｍとした量子ドットナノワイヤ２３０ａにおいて実験を行った結果であり、隣り合う量子ドット層２２２ａ間の長さとその発光波長の関係を示した図である。また、量子ドットの積層数は５０層とした。
図２０に示すように、量子ドット層２２２ａ間の間隔（長さ）を変えることにより、発光波長が異なっていることがわかり、特に、量子ドット層２２２ａ間の間隔が小さくなる程、急激に発光波長が大きく（エネルギーが小さく）なっていることがわかる。この性質を利用して量子ドットナノワイヤの発光エネルギーを変えることができる。
【０２１５】
次に、図２１に基づき、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ｅ中において、量子ドット層２２２ａ間の距離が異なる領域が複数存在する構造について説明する。
図２１は、量子ドットナノワイヤの障壁層の長さとそのバンド構造との関係を示す説明図である。
【０２１６】
図２１（ａ）は、量子ドット層２２２ｅ間の距離が異なる領域が複数存在する構造（図２０（ｂ））の量子ドットナノワイヤ２３０ｅのバンド構造の模式図である。
図２１（ｂ）は、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ｅ中に、同じサイズ・組成の量子ドット層２２２ｅを９個埋め込んだ構造を示す。図２１（ｂ）に示されるように、量子ドットナノワイヤ２３０ｅは、３つの区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３からなり、量子ドット層２２２ｅの長さが一定であるのに対し、各区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３内の障壁層２０１ｅ，２０２ｅ，２０３ｅの長さがそれぞれ異なる。
【０２１７】
図２１（ｂ）において、障壁層２０１ｅ、２０２ｅ、２０３ｅの順に、その積層方向の長さが短くなっていく。このように、隣り合う量子ドット層２２２ｅの間隔、すなわち、障壁層２０１ｅ、２０２ｅ、２０３ｅの厚みを変えることでミニバンドの形成の有無、ミニバンドのエネルギー幅を変えることができる。これを利用して、例えば、３個の量子ドット層２２２ｅごとに障壁層２０１ｅ、２０２ｅ、２０３ｅの厚みを変え、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ｅから３種類の発光波長が得られる。従って、量子ドット層２２２ｅ間の距離が異なる領域を任意の複数個設けることでスペクトル幅の広いブロードな光を自由に作り出すことができる。例えば、広帯域のガウシアン型発光スペクトルを得ることができる。
【０２１８】
図２１（ａ）に示されるように、区分ＳＥＧ１においては、量子ドット層２２２ｅ間の間隔が長く、伝導帯４３ｃ、価電子帯４３ｖのそれぞれについて、量子エネルギー準位４１ｃ，４１ｖが独立して存在するが、量子ドットナノワイヤ２３０ｅ中の量子ドット層２２２ｅ間の距離が短くなるにつれ、区分ＳＥＧ２およびＳＥＧ３に示されるように、伝導帯４３ｃ、価電子帯４３ｖのそれぞれについて、隣接する量子ドット層２２２ｅの波動関数が重なり合い、量子エネルギー準位４１ｃ，４１ｖがカップルしてミニバンド４２ｃ，４２ｖ（図２０（ａ）の区分ＳＥＧ２，ＳＥＧ３の網掛け部分）が形成される。ミニバンド４２ｃ，４２ｖが形成されるとキャリア移動が容易に起こり、効率的にキャリアが注入されることで半導体発光装置２００ａが効率的に発光する。
【０２１９】
〔第６実施形態〕
次に、図２２に基づき、この発明の第６実施形態に係る超格子半導体層２１３ｃを備えた半導体発光装置２００ｃについて説明する。
図２２は、この発明の第６実施形態に係る超格子構造を備えた半導体発光装置の製造工程を示す説明図である。
なお、図１５に示す半導体発光装置２００の製造工程に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。第７実施形態についても同様とする。
【０２２０】
図２２（ｈ）に示すように、量子ドットナノワイヤの半導体発光装置２００ｃは、ｘｙ面内の面領域ＰＲ１とＰＲ２とで異なる直径を有し、積層方向（ｚ方向）において、異なる長さの量子ドット層２２２ａおよび２２２１ａ（面領域ＰＲ２では、２２２ｂおよび２２２１ｂ）を有する量子ドットナノワイヤ３０１ａ（３０１ｂ）が配置されている。一方、障壁層２２０ａ（２２０ｂ）の長さは同じである。
【０２２１】
具体的な製造方法としては、図２２（ｂ）に示すように、マスク層２を形成した後、面領域ＰＲ１とＰＲ２とで異なる径（サイズ）の開口部３５ａおよび３５ｂをマスク層２に形成する。次に、図２２（ｃ）に示すように、開口部３５ａおよび３５ｂに対応するコア層５ａおよび５ｂを形成した後、面領域ＰＲ１（ＰＲ２）において、量子ドット層２２２ａ（２２２ｂ）と障壁層２２０ａ（２２０ｂ）とを交互に積層させる。次いで、図２２（ｅ）〜（ｈ）に示すように、量子ドットナノワイヤ３０１ａ（３０１ｂ）の積層方向に異なる長さの量子ドット層２２２ａおよび２２１ａ（２２２ｂおよび２２１ｂ）を積層する。
この手法を用いれば、意図的に制御良く量子ドット層のサイズを変えることができるため、転位がなく高品質の量子ドット層を形成できる。また、積層方向において複数種類の長さの量子ドット層２２２ａおよび２２１ａ（２２２ｂおよび２２１ｂ）を有する量子ドットナノワイヤ３０１ａ（３０１ｂ）を配置することで、多様なバンドギャップを形成することができる。
【０２２２】
本手法を用いれば制御良く、歪みを緩和しながら高さ方向に量子ドット層のサイズを変えることができ、転位・欠陥が少ない高品質な、異なる種類の量子ドット層が形成される。また、このような構造にすることで広帯域のガウシアン型発光スペクトルを得ることができ、低消費電力の半導体発光装置２００ｃを実現することができる。
【０２２３】
次に、図２３および図２４に基づき、量子ドットナノワイヤとそのバンド構造との関係について説明する。
図２３は、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層の長さとそのバンド構造との関係を示す説明図である。図２３（ｂ）、（ｄ）は量子ドット、障壁層２２０ａの材料の組成は同じである。
図２３（ｂ）と（ｄ）の違いは、量子ドット層２２２ａの積層方向の長さであり、（ａ）の方が（ｂ）よりも量子ドット層２２２ａの積層方向の長さが長い構造となっている。
図２３（ａ）は、図２３（ｂ）に対応したバンド構造の模式図、図２３（ｃ）は図２３（ｄ）に対応したバンド構造の模式図である。
量子エネルギー準位４１ｃは、量子ドットサイズに強く影響され、サイズが小さいほど量子エネルギー準位４１ｃが大きくなる。従って、図２３（ｄ）の構造は図２３（ｂ）の構造に比べて量子エネルギー準位４１ｃが大きくなり、発光エネルギーが大きくなる。
【０２２４】
図２４は、図２３の量子ドットナノワイヤの量子ドット層の長さとその発光ピークエネルギーとの関係を示すグラフである。
図２４の横軸は、量子ドット層の積層方向の長さ（ｎｍ）を、縦軸は、量子ドット層の発光ピークエネルギー（ｅＶ）を表す。
【０２２５】
図２４は、量子ドット層２２２ａの材料をＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ、量子ドット層２２２ａの直径を約４０ｎｍ、量子ドットナノワイヤ２３０ａの材料をＧａＡｓ、量子ドットナノワイヤ２３０ａの直径を約８０ｎｍとした量子ドットナノワイヤ２３０ａにおいて、量子ドット層２２２ａの厚みと発光ピークエネルギーの関係を示した図であり、実験から得られた結果である。障壁層２２０ａの積層方向の長さ（スペーサー層）は３５ｎｍと１．２５ｎｍの２種類測定した。図２４より、量子ドット層２２２ａの長さに応じて異なる波長の光が放射されることがわかる。
【０２２６】
図２４に示すように、量子ドット層２２２ａの積層方向の長さを変えることにより、発光ピークエネルギーが異なっていることがわかる。この性質を利用して量子ドットナノワイヤ２３０ａの発光エネルギーを自由に変えることができ、所望の発光エネルギーを得ることができる。またスペーサー層の厚みにより発光波長が異なるのは隣り合う量子ドットの波動関数の重なり程度の違い（ミニバンドの形成有無）に起因すると考えられる。
【０２２７】
次に、図２５および図２６に基づき、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ｆ中において、量子ドット層の組成が同じで量子ドット層の積層方向（ｚ方向）の長さが異なる領域が複数存在する構造について説明する。
図２５は、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層の長さとそのバンド構造の模式図との関係を示す説明図である。
【０２２８】
図２５（ａ）は、量子ドット層の積層方向（ｚ方向）の長さが異なる領域が複数存在する構造（図２５（ｂ））の量子ドットナノワイヤ２３０ｆのバンド構造の模式図である。
図２５（ｂ）の構造は、図２１（ｂ）の構造と類似するが、量子ドット層の組成を同じにして、量子ドット層の長さのみ異なる構造である。このようにすることで、量子ドット層の長さに応じた異なる波長の光が放射される。
図２５（ｂ）に示されるように、量子ドットナノワイヤ２３０ｆは、４つの区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４からなり、障壁層２２０ｆの積層方向の長さ（スペーサー層）が一定であるのに対し、各区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４内の量子ドット層２２１ｆ，２２２ｆ，２２３ｆ，２２４ｆの積層方向の長さがそれぞれ異なる。図２５（ｂ）において、量子ドット層２２１ｆ，２２２ｆ，２２３ｆ，２２４ｆの順に、その積層方向の長さが短くなっていく。
【０２２９】
一方、図２５（ａ）に示されるように、区分ＳＥＧ１においては、量子ドット層２２１ｆの積層方向の長さが最も長く、伝導帯４３ｃ、価電子帯４３ｖのそれぞれについて、量子エネルギー準位４１ｃ，４１ｖが独立して存在するが、量子ドットナノワイヤ２３０ｆ中の量子ドット層間の距離が短くなるにつれ、区分ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４に示されるように、伝導帯４３ｃの量子エネルギー準位４１ｃが高くなっていく。それゆえ、発光再結合によるエネルギーは、ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４の順で高くなっていき、その発光波長は量子ドット層が長くなるにつれて長くなる。
なお、図２１（ｂ）の構造と図２５（ｂ）の構造とを組み合わせた構造であってもよい。
【０２３０】
図２６（ａ）は、図２５の量子ドットナノワイヤの量子ドット層の長さとその発光エネルギーとの関係を示すグラフである。図２６は実験より得られた結果である。
図２６の横軸は、発光のエネルギー（ｅＶ）を、縦軸は、発光強度（任意単位）を表す。縦破線は、発光ピークの位置を示す。図２６は、量子ドット層の材料をＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ、その直径を約４０ｎｍ、隣り合う量子ドット層間の距離（スペーサー層）２８０ｎｍ、量子ドットナノワイヤ２３０ｆの材料をＧａＡｓ、その直径を約８０ｎｍとした量子ドットナノワイヤ２３０ｆにおいて、図２６（ａ）では量子ドット層の積層方向の長さを徐々に変えながら量子ドットを５層積層した構造、図２６（ｂ）では量子ドット層の積層方向の長さを同じに保ちつつ量子ドット層を５層積層した構造の発光エネルギーと発光強度の関係を示した図である。図２６（ａ）においては、積層方向の長さが異なる５つの量子ドットに対応して５つの発光ピークが見られており、広い発光スペクトルが見られている。一方で図２６（ｂ）においては発光ピークの分離はほとんど見られなかった。この図より１本のナノワイヤ中において量子ドット層の積層方向の長さを調節することにより、発光スペクトル、発光エネルギーを制御でき、所望の発光スペクトルを得ることができることがわかる。
【０２３１】
〔第７実施形態〕
次に、図２７に基づき、この発明の第７実施形態に係る超格子半導体層２１３ｄを備えた半導体発光装置２００ｄについて説明する。
図２７は、この発明の第７実施形態に係る超格子構造を備えた半導体発光装置の製造工程を示す説明図である。
【０２３２】
具体的な製造方法としては、図２７（ｂ）〜（ｄ）までは、第６実施形態（図２２（ｂ）〜（ｄ））と同様である。第６実施形態と異なる点は、図２７（ｅ）〜（ｈ）に示すように、量子ドットナノワイヤ３０２ａ（３０２ｂ）の積層方向に長さは同じだが、材料、混晶比が異なる量子ドット層２２２ａおよび２２２１ａ（２２２ｂおよび２２２１ｂ）を積層する点である。
この手法を用いれば、意図的に制御良く量子ドット層の材料、混晶比を変えることができるため、転位がなく高品質の量子ドット層を形成できる。また、積層方向において複数種類の長さの量子ドット層２２２ａおよび２２２１ａ（２２２ｂおよび２２２１ｂ）を有する量子ドットナノワイヤ３０２ａ（３０２ｂ）を配置することで、多様なバンドギャップを形成することができる。
【０２３３】
最後に、図２８に基づき、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ｋ中において、量子ドット層の長さが同じでその組成が異なる領域が複数存在する構造について説明する。
図２８は、量子ドットナノワイヤ中の量子ドット層の組成とそのバンド構造の模式図との関係を示す説明図である。
【０２３４】
図２８（ａ）は、量子ドット層の長さが異なる領域が複数存在する構造（図２５（ｂ））の量子ドットナノワイヤ２３０ｋのバンド構造の模式図である。
図２８（ｂ）に示されるように、量子ドットナノワイヤ２３０ｋは、４つの区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４からなり、障壁層２２０ｋおよび量子ドット層の長さが一定であるのに対し、各区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４内の量子ドット層２２１ｋ，２２２ｋ，２２３ｋ，２２４ｋの組成がそれぞれ異なる。
【０２３５】
一方、図２８（ａ）に示されるように、量子ドットナノワイヤ２３０ｋ中の量子ドット層の組成の変化を反映して、区分ＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４に示されるように、伝導帯４３ｃの量子エネルギー準位４１ｃも変化する。それゆえ、発光再結合によるエネルギーもＳＥＧ１，ＳＥＧ２，ＳＥＧ３，ＳＥＧ４で異なるものとなる。
【０２３６】
図２８（ｂ）は、１本の量子ドットナノワイヤ２３０ｋ中において、同じ長さの量子ドット層２２１ｋ，２２２ｋ，２２３ｋ，２２４ｋの組成が異なる構造を示したものである。このようにすることで、量子ドット層の組成ごとに異なる波長の光が放射される。図２８（ｂ）では、例えば、右側から２個の量子ドット層２２１ｋが同じ組成、次の３個の量子ドット層２２２ｋが同じ組成、次の２個の量子ドット層２２３ｋが同じ組成、次の２個の量子ドット層２２４ｋが同じ組成になっている。例えば、量子ドットがＩｎxＧａ1-xＡｓから形成されている場合、Ｉｎの組成ｘを変えることで、このような構造を実現できる。
【０２３７】
図２８（ａ）は、伝導帯４３ｃ、価電子帯４３ｖのバンド構造の模式図と量子準位間の発光を矢印にて記載したものである。異なる組成を有する量子ドット層の種類は任意で良く（図２８（ｂ）では４種類）、また同じ組成の量子ドット層の組み合わせ数も任意で良い（図２８では右側から２，３，２，２個ずつのセット）。図２８（ａ）において、発光波長のエネルギーの大きさ（矢印の長さ）は単調に変化しているが、これに限らなくてよい。また、量子ドット層（図２８では９個の量子ドット層全て）の長さは全て同じであることを想定したが、図２５（ｂ）の構造と組み合わせて厚みが異なってもよい。
【０２３８】
このように、異なる組成を有する量子ドット層の種類や、同じ組成の量子ドット層の組み合わせの数を任意に変えることで所望の発光スペクトルを自由に作り出すことができる。また１本の量子ドットナノワイヤ辺りにおける量子ドット数を増やす、量子ドットナノワイヤを面内に高密度に形成することで、発光強度を増大させることができる。これまでに１本辺り６００個の量子ドットの積層、面内密度は、１６本／μｍ2の量子ドットナノワイヤの形成に成功している。また、ＯＣＴ向け発光波長帯域に適した、広帯域かつガウシアン形状のスペクトルを有する半導体発光装置を得ることもできるため、低消費電力の半導体発光装置を得ることができる。
【０２３９】
以上、実施形態を挙げて、この発明を説明したが、この発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。この発明は請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についてもこの発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２４０】
１：ｎ型半導体層
２：マスク層
５，５ａ，５ｂ：コア層
１０：樹脂
１１：ｎ型電極
１３，１３ａ〜１３ｍ，２１３，２１３ａ，２１３ｃ，２１３ｄ：超格子半導体層
１４，２５：シェル層
１５：ｐ型半導体層
１６：ｐ型電極
１７：透明電極
２０，２０ａ，２０１ｅ〜２０３ｅ，２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｆ，２２０ｋ：障壁層
２２，２２ａ，２２ｂ，２２２ａ，２２２ｂ，２２２ｅ，２２２ｆ，２２２ｋ，２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｆ〜２２４ｆ，２２１ｋ〜２２４ｋ，２２２１ａ，２２２１ｂ：量子ドット層
３０，３０ａ〜３０ｆ，２３０ａ〜２３０ｆ，２３０ｋ，３０１ａ，３０２ａ，３０１ｂ，３０２ｂ：量子ドットナノワイヤ
３５，３５ａ，３５ｂ：開口部
４０：繰り返し最小単位領域
４１ｃ，４１ｖ：量子エネルギー準位
４２ｃ，４２ｖ：ミニバンド
４３ｃ：伝導帯
４３ｖ：価電子帯
１００，１００ａ〜１００ｅ：太陽電池
２００，２００ａ〜２００ｄ：半導体発光装置
ＰＲ１〜ＰＲ４：面領域
ＳＥＧ１〜ＳＥＧ４：区分
【図１】
2013239690.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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