このようなナノ構造を作製するためには，薄膜成長初期過

.

は じ

め

に

程においてストランスキー・クラスタノフ(SK)型成長機構に基づいて現れる微細な多数の島状構造を利用する自己形成

液滴エピタキシーとは，量子ドット，量子リングなどに代的な方法が，現在まで主に使われている．この方法は，表される各種の半導体量子ナノ構造を，結晶成長を利用して

In1－xGaxAs / GaAs 系のような，基板とその上に堆積する物

基板単結晶上に自己形成的に作製するための手法であり，質の間の格子定数が異なる，いわゆる「ひずみ系」の薄膜成1990 年筆者らにより提案された(1)(2) ．最近では化合物半導長過程に特有な現象を利用している．そのため，この方法は

体 GaAs, InAs, GaN, InN などを対象として，イタリア，日多くの電子デバイスに使われている GaAs/ Al1－xGaxAs のよ

本，韓国，中国，米国，ドイツ，フランス，ロシア，ハンガ

うな格子定数の一致する組み合わせである「格子整合系」に

リー，オーストラリア等 20 以上の国で活発にこの手法を用は適用できない．これに対して「液滴エピタキシー」は，ひいた研究が行われ，毎年多くの論文が出版されている．液滴

ずみ系，格子整合系を問わず，低融点の構成元素を含む化合

エピタキシーの詳細については，すでに筆者らのいくつかの物半導体の量子ナノ構造作製に適用できる．

解説(3)(12)にまとめてあるが，本稿においては液滴エピタキ

図に分子線エピタキシー( Molecular

Beam

Epitaxy:

シーに関する筆者らの最近の研究成果の一端を紹介するととMBE )成長装置の中で GaAs ナノ構造を Al1－xGaxAs 基板上

もに，この概念が生まれた当時の世界的な量子ナノ構造作製に作製する場合を例にとって，液滴エピタキシーのプロセス

手法の状況，この概念が生まれるきっかけとなった実験状

を模式的に示す．このプロセスは極めて簡単であり，まず況，概念を発表した際の学会や世界からの反響，その後の材Ga の融点(303 K)以上の温度に保持した基板表面に Ga 分子料系の展開，研究者間での広がりなどを中心に述べる．

線だけを短時間照射し，これを止めた後，これらに As 分子

従来の筆者らの液滴エピタキシーに関する解説では必ずし線を照射するだけである．これにより，はじめに大きさのよも記述してこなかった，研究の動機，背景，ブレイクスルー

くそろった多数の微細な Ga 液滴が基板表面にでき，またこの糸口などについて，失敗例を含めて時系列的にその着想とれらの液滴は As 分子線の照射によりそれぞれ GaAs エピタ

展開を述べることにより，この研究がどのような紆余曲折をキシャル微結晶に変化する．

経て現在に至っているのかを明らかにしたい．この研究にみ通常の GaAs 薄膜を MBE で作製する場合は， Ga 分子線られるセレンディピティの説明が本稿の読者，特に若手研究と As 分子線の同時照射を行って連続膜を形成する．一方，者，技術者やそれを目指す人々への刺激となれば幸いである．

液滴エピタキシーにおいては，マイグレーション･エンハンスト･エピタキシー(16) と同様に， Ga 分子線を照射した後に.

液滴エピタキシーの最近の研究成果

As 分子線を照射する．この際，基板表面に到達した Ga 原

子は再蒸発することなく，すべて基板表面に付着して Ga に
固体中の電子のドブロイ波長程度より小さい寸法をもつ 0

よる最安定化表面を作るとともに，余分な原子は微細な液滴

次元的な半導体ナノ構造は量子ドットと呼ばれ，接合型レーとなって凝集する．その後に到着した As 原子は， Ga 液滴

ザ，赤外線検出器，光増幅器，マイクロキャビティデバイス

に選択的に取り込まれて，それぞれの液滴部分でエピタキシなどへの応用(13)が考えられている．またこれは単一光子発ャル状態の GaAs の微結晶が成長する．この時，液滴内の生，量子もつれ状態生成などの基礎研究(14)(15)においても重Ga 原子の数には限りがあるので，すべての Ga 原子が As 原

要な基本構造である．

子と結合して GaAs に変わってしまうと，その後基板に入射ミラノ大学ビコッカ，LNESS 研究所・客員教授(Via Anzani 42, 22100 Como, Italy), nobuyuki.koguchi＠mater.unimib.it
Droplet Epitaxy; Nobuyuki Koguchi(University of MilanoBicocca, LNESSLaboratory, Italy)
Keywords: droplet epitaxy, MBE(MolecularBeam Epitaxy), quantum dot, quantum ring, quantum wire
2014年 1 月16日受理[doi:10.2320/materia.53.157]

ま て り あ 第53巻 第 4 号(2014)
Materia Japan




図1

液滴エピタキシーのプロセス．基板 AlGaAs に，はじめに Ga 分子線を，次に Ga 分子線をとめてAs 分子線を照射する．

図3

液滴エピタキシーにより作製された GaAs ナノ構
造の表面形態．ドットと単一リングからなる複合構造の AFM 像( a )とその断面のラインプロファ
イル( b )．ドットと同心二重リングからなる複合構造の AFM 像( c )と，その断面のラインプロフ
ァイル(d)．
(C. Somaschini et al.: Nanotechnology, 22(2011), 185601,
IOP PUBLISHING)

この方法により，最近筆者らにより得られた GaAs の代表的なナノ構造の AFM による観察結果(17) を図およびに示す．図 2 は底辺の直径が 60 nm ，高さ 30 ～ 40 nm 程度の円錐あるいはピラミッド状の GaAs ドットの周囲に直径 160
nm ，高さ 3 ～ 8 nm ，幅 20 nm 程度の GaAs リングが取り囲んでいる構造であり，寸法のよくそろったこれらの構造が多数 Al1－xGaxAs 基板表面にできていることがわかる．このドットおよびリングの高さは As 分子線の照射条件により制御できる．また図 3 にはドットとその周囲に単一のリング(同図(a))ばかりではなく，同心円状に二重のリングが取り囲ん
図2

液滴エピタキシーにより作製された代表的な
GaAs ナノ構造の表面形態．(a) AFM 像， (b)単一構造の断面ラインプロファイル．異なった色のラインプロファイルは，それぞれ異なる As 分子
線照射条件により作製した試料に対応している．
(C. Somaschini et al.: Nanotechnology, 22(2011), 185601,
IOP PUBLISHING)

でいる構造(同図(b))を作製した結果を，それぞれ単一の複合構造に着目して示す．これらの構造以外にも，ピラミッド状(18) ，リング状(18)(19) などの単一構造，あるいはドットの周囲を薄いディスクが取り囲んでいる構造(20)，中心にドットが存在しない同心二重リング(21)，同心多重リング構造(22)などの複合構造も作製されている．これらの構造の形状はAs 分子線照射時の条件により制御することができ，複合構

造を含め，個々の構造はそれぞれ単一の Ga 液滴からエピタしてきた As 原子は，それ以上の付着は起こらず再蒸発してキシャル状態で形成される．これらの構造における電子はそしまう．すなわち液滴内の Ga 原子数に制限されて， GaAs

れぞれの形状に応じたエネルギー状態をもち，それらのエネの成長は自己停止する．液滴の大きさおよび密度は Ga 分子

ルギー準位間の特徴的な光学遷移を示す．

線の強度，照射時間，基板温度により制御できる．また，

.

As 分子線照射時の分子線強度，照射時間，基板温度などの条件により，Ga 液滴からの Ga 原子の表面拡散と As 原子の吸着のバランスを制御でき，その結果 GaAs ナノ構造の形状が制御できる．



液滴エピタキシーの着想と展開

量子ナノ構造作製手法の80年代における研究状況

筆者らは，液滴エピタキシーの着想に至る研究を 1980 年

解説

代後半に始めた． 1980 年代の初期から中期にかけて，半導体低次元ナノ構造においては，従来の三次元的なバルク状半導体には期待できないさまざまな物性や機能が現れてくることが予想されていた．たとえば，半導体レーザの活性層の構造を 2 次元から 1 次元，0 次元へと低次元化することにより半導体レーザの性能，特に閾値電流密度の値およびその温度依存性が大幅に改善されるだろうという理論的な予測(23)(24)が発表された．あるいは，多数の低次元ナノ構造を規則的に並べることができれば，このような構造の中では電子が非常に高速で動くだろうという予測(25)もあった．これらは現在の量子ナノ構造研究の大きなきっかけにもなっている．これ
らの予測では低次元ナノ構造の寸法が均一であることを想定しており，これらの予測を実現するためには均一な寸法の低次元構造を作る必要があった．
しかし，このようなナノ構造を作製することは，いくつかの先駆的な研究が行われ始めてはいたが，容易ではなかっ

図 4 横型超格子(LSL)作製プロセス(30)．
(a) 単原子層のステップ列をもつ微斜面基板断面(b) 単原子層の高さの物質 A を分数層分基板に堆積(c) 残りの分数層分に物質 B を堆積(d) (b)および(c)のプロセスを繰り返して LSL を作製する

た．当時の結晶成長，プロセスの研究状況においては，良質の 2 次元的な量子井戸薄膜を作製できる状態にはなっていたが，1 次元的な量子細線構造，0 次元的な量子ドット構造

層分の成長を完成させる．このプロセスを繰り返すことによに関しては， 21 世紀になるまでわれわれが手にすることはり，基板単結晶表面に LSL による細線が作製できるだろう

ないだろうとも考えられていた(26)(27)．

という概念であり，いくつかの実験結果が発表されていた．

当時の量子細線あるいは量子ドット構造の創製に関する先

しかしこの方法には，分数層の制御精度以下のわずかのずれ

駆的な研究は，大別すると 2 次元的な量子井戸薄膜に対しが最終的な細線の断面形状に大きく影響を与えるという問題て電子線あるいは収束イオンビームなどを用いた微細加工をがあった．

利用して作製する方法，微細加工を施した加工基板上で生ず

0 次元構造作製に関しては微細加工を利用する方法以外でる優先的な成長あるいは選択成長を用いる方法，および結晶

は， In1－xGaxAs と GaAs 超格子を作製する際それらの界面

成長だけを利用する方法があった．この中で微細加工を利用に結晶のひずみにより 3 次元的な構造ができ，それが低次する方法および加工基板を用いる方法においては，幅あるい

元 構 造 の 研 究 に 有 用 で あ ろ う と い う こ と が ， 1985 年 には大きさが最小でも 30 nm 程度の構造しかできず，また複Goldstein ら(31) によって報告された．これが現在の S K 機

雑なプロセスに伴う加工損傷がこれらの微細な構造に与える構に基づく量子ドットの自己形成手法に関する最初の報告で影響も大きな問題であった．これらの 1 次元構造および 0あると主張する向きもある．しかしこの結果はナノ構造の形次元構造に関する 1980 年代の研究状況については，それぞ状，サイズおよびそのばらつきなどの詳細が必ずしも明確でれ Gossard らの解説(28) および Bimberg らの著書(29) に詳し

はないうえ，これらの大きさ，密度などを人工的に制御できい．なお， 0 次元的な構造に関しては「量子ドット( Quan-

るかどうかも明確ではなかった．そのため，これを量子ドッ

tum Dot )」という言葉ばかりではなく，当時は「量子箱トの，いわゆる自己形成手法として使えるだろうと考えた研( Quantum Box ) 」 あ る い は 「 量 子 井 戸 箱 ( Quantum Well

究者は，筆者らも含め当時は誰もいなかったと思う．これはBox)」という言葉も使われていた．

論文データベースにより彼らの論文の引用履歴を調べた結果

これらの中で，結晶の成長を利用する量子細線の作製手法

からも明らかである(32)．この 8 年後の1993年に，Petroff らとしては，横型超格子(Lateral Super Lattice: LSL)と呼ばれのグループが MBE を用いて S K 成長により量子ドットのる構造の作製手法が提案，検討(30)されていた．図にこの創製を目的にした実験結果を発表し(33) ，その後彼らの論文

方法の模式図を示す．低指数面からわずかに傾いた基板単結が再認識されるようにはなった．このような意味で現在活発

晶表面には，傾いた方向に周期的に単原子層の高さのステッに研究が行われている， S K 成長機構を利用して量子ドップ列ができる．たとえば，( 110 )方向に 1 度傾いた GaAs

トを人工的に作製する手法が明確に世に出たのは， 1993 年(100)表面には約 16 nm の間隔で直線状の単原子層ステップに発表されたこの Petroff らのグループの論文であろう．な列ができる．この方法では，この表面でのステップ端から次お格子整合系に関しては，結晶成長だけを利用して量子ドッの結晶成長が始まるいわゆるステップフロー成長を利用す

トを人工的に作製する手法は全く存在しなかった．

る．すなわち，この表面に MBE などをもちいて分数層の，例えば上記の例では 1 / 2 層に相当する幅 8 nm の単原子層厚

概念が生まれるきっかけとなった実験状況

さの GaAs エピタキシャル薄膜をステップ端から成長させ，液滴エピタキシーに関する研究は 1980 年代に筆者らが行残りの分数層部分に AlAs などを堆積することにより単原子っていた中赤外半導体レーザ用材料に関する研究にその端をま て り あ 第53巻 第 4 号(2014)
Materia Japan発している．当時，筆者の研究室では環境庁〈当時〉からのIn1－x－yGaxAlySb を対象に選びこの研究を始めた．ただしこ

補助を受けて，大気汚染原因物質検出のために波長 24 mmの 4 元混晶は組成の制御がやや複雑なので，格子定数の一の中赤外光領域で発振する半導体レーザの開発研究を行って致する組み合わせである CdTe 基板と InSb との組み合わせ

いた．この波長帯で発振する注入型半導体レーザの最高動作に対象を単純化してこの研究(38) を行った．すなわち，筆者

温度は， IV VI 族化合物半導体である PbS を用いたもの

らの量子ナノ構造に関する研究は，最初は量子ドットなどので，たかだか 120 K(34) であった．この最高動作温度を室温

0 次元点状構造ではなく，1 次元細線構造を対象としたもの

近くまで上げることが当初の研究の目的で，そのため筆者らであった．

はレーザ用活性層材料として IV VI 族化合物半導体である基板としての CdTe 単結晶ウェーハは当時まだ手に入らな

PbS ，および III V 族混晶化合物半導体である In1－x－yGax

かったので，筆者らの最初のアイデアでは，気相法などによ

AlySb を選び，それぞれの活性層材料に適切な，格子整合系り作製した CdTe 結晶の成長表面にできるであろう単原子層

クラッド層材料を探索する研究(35)を行っていた．これらのの高さの規則的な間隔の直線状成長ステップ列を，前述の材料のうち，筆者の研究室では IV VI 族化合物半導体 PbS

LSL 作製の際の微傾斜面の代わりに利用して InSb 細線の作を対象とした研究がまず進展し，クラッド層材料として新た製を目指そうというものであった．そのため昇華法によりまにいくつかの物質を見出し，MBE によりこれらを用いた注ず CdTe 単結晶を作製した．原料 CdTe 粉末を石英管中に真入型ダブルへテロ接合レーザを作製した．その結果，レーザ

空封入し，これを電気炉中に置いて保持することにより，石の最高動作温度を PbS / Pb1－xyCdxSryS ダブルへテロ接合を

英管中の低温部に大きさ 5 mm × 5 mm で厚さ 3 mm 程度の用いることにより 240 K まで上げることに成功した(36)．し

小さな CdTe 単結晶ができる．この単結晶は平坦な(100)面

かしその後は PbS と格子整合する物質の探索にも限界があとその周囲は取り扱いの際割れてしまった不規則な形状のり，動作温度のさらなる上昇を実現することは困難であった．

(110)へき開面から成っていた．

一方， III V 族混晶化合物半導体である In1－x－yGaxAlySb

まず平坦な(100)成長表面におけるステップ列の存在を確を対象とした研究の方はほとんど進展していなかった(37) ．

かめるために MBE 中で In 分子線だけを基板表面に照射しこの材料でダブルへテロ接合構造を作るために必要な基板材

た．結晶の成長表面における単原子層ステップなどの微細構料の作製に難航していたことが原因である．この材料と格子造を観察するために，古くからデコレーションと呼ばれる手

整合する基板用二元化合物半導体は存在せず，そのため基板法が知られていた．これは金属を結晶表面に蒸着した場合，用 材 料 と し て 筆 者 の 研 究 室 で 独 自 に In1－xGaxSb お よ び

その金属微粒子が結晶表面のステップなどの微細構造に優先Cd1－xZnxTe の単結晶育成に取り組んでいた．しかしこれら的に生成する現象を利用する方法である．しかし In 分子線の材料では均一な組成の大きな単結晶が得られないこと，電を照射しても， CdTe 単結晶の平坦な( 100)成長表面にでき気抵抗の低減化ができないことなどのため筆者らの研究は暗る In の微粒子にはその配置に何も規則性はなく，ステップ

礁に乗り上げていた．

列らしきものは観察されなかった．

これらの研究は半導体レーザ用材料としての新たな物質を一方， CdTe 単結晶の取り扱いの際割れてできた( 110 )へ探索するという意味での新規性はあったが，レーザ用構造とき開面には段差 30 nm 程度の巨大ステップ列が不規則な間

しては，それまで実用化されていた光通信用半導体レーザな隔で並んでおり，この巨大ステップ列では In 微粒子が配列

どと同じダブルへテロ接合構造を用いるものであり，レーザ

しているようにも見えた．そこで，細線の作製にこだわっての構造的な意味での研究の新規性はなかった．一方，レーザ

いた筆者らは，当初の LSL 作製とは異なるが， MBE 中での活性層を低次元化するという前述の東京大学および東京工

まず In 分子線を照射してこの巨大ステップ列に沿って微細業大学のグループから提案された予測(23)(24)は，レーザの性な In 液滴を連続して並ばせることができれば，その後 Sb

能を向上させるための，これとは別の一つの可能性を示すも分子線を照射することにより，これらが反応して微細な断面のであった．

をもつ InSb の細線が形成されるのではないだろうかという

筆者らは当時電子線リソグラフなどの微細加工のための装置，技術を持っておらず，レーザの活性層を低次元化するた素朴な発想のもと実験を進めた．
この発想に基づき上述の CdTe 単結晶を MBE 中に挿入し，めには，結晶成長のみを利用する方法に頼らざるを得なかっIn 分子線を照射する実験を繰り返した．SEM で観察した当た．しかし，筆者らの対象としていた格子整合系に関しては時の実験結果の一例を図( a )に示す．直径 100 nm 程度の結晶成長のみを利用して 0 次元点状構造を作製する手法は

In 液滴が CdTe(110)へき開面上の巨大ステップ付近に優先まったく報告されていなかった．そこで，筆者らは従来すで的に集まっている様子がわかる．液滴をステップに沿ってもに報告されており，結晶成長だけで作製できそうに思えた上

っと密に並べるために In の分子線強度，その供給量あるい

記 LSL の手法(30)で 1 次元細線構造を作ることにより，中赤は基板温度を種々変えて実験を繰り返した．それらの中でも外領域で発振する半導体レーザの高性能化につながる研究をっとも成功した例を図 5 ( b )に示す(38) ．図は基板温度を In行おうとした．

の融点よりわずかに高い 443 K に保持し，In を InSb 換算でそのため，筆者らの対象としていた材料の中で， PbS と約15原子層分堆積させ，その後 Sb 分子線を照射した場合に比 較 し て MBE に お け る 分 子 線 の 制 御 性 に 優 れ て い る得られる試料表面の SEM 写真である．ステップ列に沿って




解

説

図6

CdTe 単結晶( 100)面に In 分子線の照射によりできた In 微粒子の SEM 像．443 K に保持した基板に InSb 換算で約20原子層分の In を堆積した．

また InSb と同じ III V 族半導体である GaAs と，これとほぼ格子定数が一致する IIVI 族化合物半導体 ZnSe の組み合わせを用いても同様なプロセスを行うことにより GaAs のエ
ピタキシャル微結晶が作製できるだろうと予想できたので，
図 5 CdTe(110)へきかい面における成長実験結果．
(a) CdTe(110)面に堆積した In 微粒子(b) CdTe(110)面に作製した細線状 InSb
(小口等，金属材料技術研究所年報(平成 2 年度)，金属材料技術研究所発行( 1992 ) 金属材料技術研究所(現物質・材料研
究機構))

GaAs 単結晶ウェーハ基板上に ZnSe エピタキシャル薄膜を
MBE により作製して，まず Ga 分子線，次いで As 分子線の照射を行う実験も，当時導入した小型の新しい MBE 装置
を用いて同時に行った．
しかし，微細加工技術を使わず結晶の成長だけを利用して，すなわち現在自己形成と呼ばれる手法により量子ドットを作製しようという研究にはまったく前例はなく，最初はど

幅 20 nm 程度の InSb と考えられる細線状微結晶ができていのように研究を展開していけば良いのかわからなかった．

ることがわかる．しかしそれぞれの細線は同じ幅にはなってMBE に取り付けてある反射高速電子回折(Reflection

はおらず，また一本の細線の中でも幅が一様ではなく，およEnergy Electron Diffraction: RHEED)装置の蛍光板に投影

そ量子細線と呼べるようなものではなかった．さらにへき開される回折図形を薄暗くした実験室の中で肉眼で覗き込み，面に偶然できる巨大ステップを用いているため実験の再現性

プロセスの進行にともなう RHEED 図形の時間変化から，にも乏しく，またこの巨大ステップを制御性良く作る手法も液滴の生成過程，微細結晶の成長過程のその場観察を繰り返High

思いつかず，この手法で量子細線を作る研究のこれ以上の進し，また実験終了後 MBE 装置から取り出した試料の SEM

展は困難な状況であった．

による基板の表面観察を繰り返した．このプロセスにおける一方，この研究の中で CdTe の平坦な(100)成長表面に再RHEED 図形は，最初はほぼ平坦な基板表面を意味する超構度着目すると， In 分子線の照射により，その配置に何も規造を伴ったストリークであり，それが In 分子線の照射によ則性はないものの，図に示すように 60 nm 程度の直径でり不鮮明なハロウに変化し， Sb 分子線の照射によりその中

そのばらつきが 5程度の，大きさの良くそろった多数の微から明るい斑点が現れ始めるとともにハロウが消えていっ

細な半球状の In 液滴ができていることが観察された．また．毎日のこれらの実験で MBE 中の基板単結晶表面でどのた，これらの In 液滴は Sb 分子線の照射により InSb 微結晶ような現象が起こっているのかを，極めてあやふやで素朴なに変化することが RHEED による観察の結果わかった．し推測に基づき考察し，その結果を次の日の実験に反映させる

たがって，このようなプロセスでは 1 次元的な細線を作るという連続であった．

ことより 0 次元的な点状構造を作ることの方が無理がない
ように思えた．そこで，研究の目的を，当時全く前例のなか



概念を発表した際の学会や世界からの反響った点状構造を結晶成長だけで作ることに切り替えた．この研究の結果，上記プロセスにより CdTe 上には InSb(1) ，研究においては，自作の CdTe 単結晶ではなく市販の InSb

また ZnSe 上には GaAs(2) のエピタキシャル微結晶が再現性(100)単結晶ウェーハを基板として用い，その上にこれと格良く成長することが，RHEED, SEM および TEM による観子整合する CdTe エピタキシャル薄膜を MBE によりまず作察の結果明らかになった．これらの結果を， 1990 年の応用製し，この表面に種々の基板温度，分子線強度でまず In 分

物理学会で，また CdTe 上の InSb については1990年の分子

子線を，次いで Sb 分子線の照射を行う実験を繰り返した．

線エピタキシー国際会議で，「量子井戸箱の MBE による新

ま て り あ 第53巻 第 4 号(2014)
Materia Japanしい成長法」として発表した．いずれの学会でもいくつかのれて GaAs の三次元的な成長が起こるという予想のもとに実質問がでたが，その多くは In 分子線と Sb 分子線を同時に験を繰り返した．その結果，この基板を用いて Ga 分子線と照射するのではなく，なぜ連続的に照射するのかということ

As 分子線を連続的に照射して Ga 液滴から GaAs エピタキであった．これらの分子線の同時照射を続けると，成長初期

シ ャ ル 微 結 晶 を 再 現 性 よ く 作 製 す る こ と(41)(43) に 成 功 しには寸法のばらつきの大きい島状構造はできるが，この場合た．これらの研究結果については筆者の他の解説に譲る．

成長の自己停止機構が何もないため最終的には通常の MBE

この結果を 1992 年オタワで行われた第 12 回北米 MBE 会による薄膜成長と同様に連続膜になってしまうということが議に Late News として投稿し採択された(42)．この会議では筆者らの答えであった．

量子ドットの作製に関しては筆者の論文 1 件のみで，会議

分子線エピタキシー国際会議は米国のサンジエゴで行わ主催者が，当時はまだ例のなかった IIIV 族化合物半導体同れ，筆者は口頭発表に選ばれた．座長はミシガン大学の士の組み合わせによる量子ドットの自己形成を目指した研究

Bhattacharya 教授であった．会場には UC Santa Barbara のの発表が，ポスターセッションで行われるとアナウンスしてPetroff および Gossard 両教授も聴衆の中にいた．これらのくれた効果もあり，多くの聴衆が筆者のポスターの前に集ま両教授は微細加工あるいは上記 LSL を主体とした量子ナノった．聴衆同士で議論を始める場面もあり， 40 件程度のプ構造の作製に関する先駆的な研究を行っていた．この中で，レプリントの送付要請があり注目を集めたようであった．そ特に Petroff 教授には会場ロビーで筆者らの発表に関連しての後，筆者らはいくつかの会議で講演を依頼され，またミラ

RHEED 図形の変化などについての追加的な説明も行った．

ノ大学ビコッカ，韓国標準科学研究院の研究者と共同研究を

しかし1993年に発表された彼らの SK 成長機構をもちい行うことになった．

た量子ドットの創製に関するはじめての論文(33) において

しかしこれらの試料においては量子ドットの構造はできる

は，筆者らの論文(1)(2) も，また Goldstein らの論文(31) も引

ものの，種々の応用に必要な品質をもつことを示す強いフォ

用されてはいなかった．筆者らが用いた CdTe 上の InSb あ

トルミネッセンスが得られなかった(44) ．この原因は基板表

るいは ZnSe 上の GaAs という IIVI 族化合物半導体と III 

面の安定化に必要な VI 族元素が微細結晶と基板の界面に不V 族化合物半導体の組み合わせを対象とした研究は当時の可避的に残存するためと考えられ，この問題を解決するため

学会においてはあまり一般的ではなく，量子井戸箱構造が作

種々の方法を試した．

製できるとは言っても，これらの組み合わせの特殊な現象

通常の Al1－xGaxAs 基板を用いた場合には， MBE 中の残で，また実用性もないのではないかという印象(27) を皆持っ留 As 雰囲気がたとえ僅かしかなかったとしても，基板表面たのかもしれない．この発表の後，筆者らはいくつかの会議

における As 原子の吸着が避けられず，前述したように，液で講演を依頼された．

滴からの二次元層状成長が起こってしまう．そこで， Ga 液

その後の材料系の展開，研究者間での広がりなど滴を作製した後，基板温度を液滴堆積時よりやや低めに保持して，しかも強度の強い As 分子線を急激に照射する実験を

そこで次に筆者らは，中赤外半導体レーザの研究を中断し繰り返した．理論的な裏付けは必ずしも明確ではなかったて，研究と実用化の進んでいる材料系であり，研究者の数もが，このようにすることにより， Ga 液滴からの二次元成長

多い GaAs / Al1－xGaxAs 系にこの手法を適用して GaAs 量子を抑制し三次元成長を促進できるのではないだろうかという

ドットを作製する研究に取り組んだ．しかしこの研究には当

素朴な発想であった．そのため，これらの実験には As 分子

時の学会の常識という大きな壁が立ちふさがっていた．

線源として，上記実験で用いていた密閉性の悪い開閉式のシ

この常識とは， Al1－xGaxAs あるいは GaAs 基板上では，ャッターをもつクヌーセンセルではなく，バルブ付きセルを筆者らの方法と同じようなプロセスを行った場合，化学量論用いた．このセルにより， As 分子線照射までの間の成長装的組成以上の余分な Ga 分子線を供給することにより多数の置内の残留 As 圧を極力下げることができ，また強度の強い

微細な Ga 液滴はできても，続く As 分子線の照射によりこ

As 分子線の急激な照射が行えるようになった．その結果，の 液 滴 は GaAs の 二 次 元 的 な 層 状 成 長 に 消 費 さ れ ， 結 局

特殊な表面処理を必要としない通常の Al1－xGaxAs 基板を用

GaAs の三次元的な微結晶はできない(39)(40) というものであいても，室温でも強いフォトルミネッセンスを示す量子ナノった．

構造を，結晶成長のみのプロセスにより作製できるようにな

筆者らも当時 GaAs 基板上ではこの二次元的な成長が優勢った(18)．これらの詳細については筆者らの他の解説に記述になることを確認しており，この常識にとらわれていた．そしてあるので本稿では繰り返さない．また GaAs / Al1－xGax

こで， GaAs あるいは Al1－xGaxAs 表面を直接用いるのではAs 量子ドットのさらなる高品質化，および筆者らの用いたなく，硫黄，セレンなどの VI 族元素を吸着させてこれらの(100)面とは異なる面方位基板上での量子ドット形成などに表面を安定化し，これらを基板として Ga 分子線と As 分子

ついては間野による解説(45)に詳しい．

線を連続的に照射する実験を行った．これらの表面では，上筆者らの提案した手法，すなわち最初に III 族元素分子線

記 II VI 族化合物半導体基板表面におけると同様に， GaAs

のみを照射して多数の微細な III 族元素の液滴を基板上にまの二次元成長を促進するように働く As 原子の吸着は起こら

ず堆積させ，その後 V 族元素分子線を照射することによず，したがって Ga 液滴のみに As 原子が優先的に取り込ま

り，それぞれの液滴から IIIV 族化合物半導体のエピタキシ




解

説

ャル微結晶を作製する手法は，その構成元素の液滴を利用し人々への刺激となれば幸いである．

ているため成長の自己停止が起こる．したがってこの手法は

本研究を遂行してきた中で，途中で放棄してしまった II

通常の液相エピタキシー( LPE )とも，また気相液相固相

VI 族化合物半導体上の IIIV 族化合物半導体ナノ構造， VI( VLS )成長とも異なり，これを簡単に言い表す既存の用語

族原子で安定化された IIIV 族化合物半導体上の IIIV 族化がなかったので，筆者らはこの手法を「液滴エピタキシー

合物半導体ナノ構造などは，当初目的としたレーザ用材料と(Droplet Epitaxy)」と名づけた(1)(2)．

しては使えないかもしれない．しかしこれらに限らず，最終

その後イタリア・フィレンツェ大学，フランス・ツールー

的には何かに使われるとしても，当面具体的なデバイス応用

ズ大学から共同研究の申し込みがあり，これらを行った．まがなくても，半導体で作製する新しい人工ナノ構造による人

た米国・アーカンソー大学からは液滴エピタキシーのプロセ

工原子や人工分子，人工格子などの新しい構造を作り出すこスに関する問い合わせがあり，筆者らの論文には記載してあとを興味の対象とし，そのことを目的にして挑む研究が将来るが，バルブ付きセルを用いることの重要性を伝えた．そのあっても良い．

後，彼らも液滴エピタキシーによる新たな展開(46) を見せている．

本稿の内容は，筆者の研究室に在籍した多くの研究者およ一方，筆者らが当初の研究目的としていた中赤外半導体レび学生とともに行った研究成果に基づいている．筆者の所属ーザの高性能化に関する研究状況としては， 1994年， Faist

していた金属材料技術研究所に， 1982 年半導体の研究を対らにより 2 次元的な多層薄膜を巧妙に利用する量子カスケ象とした MBE 装置を初めて導入する際，多大な尽力をさードレーザが提案(47)され，90 K までの温度ではあるが電流れ，その後も筆者らの研究を激励し続けていただいた故増本注入により中赤外光領域の 4.2 mm で 8 mW という強度の強剛博士に心より感謝したい．また本稿を執筆する機会を与えいレーザの発振が観測された．その後2002年に Beck らによていただいた本誌編集委員会に感謝する．

り室温連続発振の成功も報告(48) されている．この強力なカスケードレーザの成功を知り，筆者らは当初目的としていた

文

献

中赤外半導体レーザに関する研究を断念した．

.

さ い

ご

に

研究のはじめから量子ドットを作製するために，その材料として現在研究が盛んに行われている GaAs/Al1－xGaxAs を対象として研究を進めていたならば，液滴エピタキシーの着想には至らなかったように思う．最初に中赤外半導体レーザの開発を目的に，材料として In1－x－yGaxAlySb を対象として研究を行う中で， MBE 装置中で自作の CdTe 単結晶基板，
しかも極めて再現性に乏しいへき開面上にできる巨大ステッ
プ列を利用して，一次元的な細線を作ろうとしたことに液滴
エピタキシーの研究は始まった．この材料を用いて中赤外半導体レーザを作製することにも，また量子細線を作製することにも成功しなかった．しかしこの研究の過程で，小さな自作の CdTe 単結晶基板上に， MBE 中で In 分子線を照射す
ることにより大きさの良くそろった微細な In 液滴ができる
ことを見出したことが液滴エピタキシーの着想につながった．
その後，多くの試行錯誤的な実験の繰り返しにより，室温でも強いフォトルミネッセンスを示す品質に優れた量子ナノ構造を作製できるようになり，最近ではこの構造から，中赤
外光ではないが，レーザの発振も観測(49) されている．これ
らの経緯を現時点で振り返ると，いかにも右往左往して研究を進めてきたような感は否めない．しかし，新たな材料技術，価値は，たとえ理論的な裏付けが必ずしも明確ではなくても，素朴な着想と推測を大事にし，時には常識を疑って，多くの試行錯誤的な実験を繰り返すことにより，確立できる
ものかもしれない．この研究にみられるセレンディピティの説明が本稿の読者，特に若手研究者，技術者やそれを目指す

ま て り あ 第53巻 第 4 号(2014)
Materia Japan( 1 ) N. Koguchi, S. Takahashi and T. Chikyow: 6th Int. Conf. on
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季，第37回応用物理学関係連合講演会，29p
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T. Mano, T. Kuroda, K. Mitsuishi, M. Yamagiwa, X. J. Guo,
K. Furuya, K. Sakoda and N. Koguchi: J. Crystal Growth, 301
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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
1971年 3 月 東北大学大学院工学研究科電子工学専攻修士課程修了1971年 4 月 科学技術庁金属材料技術研究所入所
1985年 4 月 科学技術庁金属材料技術研究所 研究室長
2004年 4 月 物質・材料研究機構 量子ドットセンタ
ー センター長
2007年 3 月 物質・材料研究機構退職後ミラノ大学ビ
コッカ LNESS 研究所に移籍，現在にい小口信行
たるこの間19951997年 筑波大学先端学際領域研究センター 客員教授
2000
2003年 連携大学院大学(東京理科大学大学院基礎工学専攻)客員教授
工学博士(東北大学)★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

解説