同時発表 : 筑波研究学園都市記者会 ( 資料配布 ) 文部科学記者会 ( 資料配布 ) 科学記者会 ( 資料配布 ) 世界最高面密度の量子ドットの自己形成に成功 - 高性能量子ドットデバイス実現に向けた研究がさらに加速 - 平成 24 年 6 月 4 日 独立行政法人物質 材料研究機構 概要 : 独立行政法人物質 材料研究機構 ( 理事長 : 潮田資勝 ) 先端フォトニクス材料ユニット ( ユニット長 : 迫田和彰 ) の間野高明主任研究員 定昌史ポスドク研究員および佐久間芳樹グループリーダーは 当機構のオリジナル技術である液滴エピタキシー 1) と呼ぶ半導体量子ドット 2) の自己形成技術の高度化を進め 従来報告された値を大幅に上回る世界最高の面密度を持つ量子ドットの新形成技術の開発に成功した また 形成した量子ドット集団から強い光励起 ( フォトルミネッセンス (PL)) 発光 3) を観測して 開発した技術が優れた結晶品質の実現にも有効であることを明らかにした 量子ドットは 半導体レーザーの大幅な特性向上や 新たな動作原理に基づく超高効率の太陽電池の開発を目的として 近年注目が高まっている 新たに開発した技術では 従来の液滴エピタキシー法によるガリウム砒素 (GaAs) 量子ドット形成技術に対し (1) 高い指数面 4) を持つ基板の利用 (2) 室温付近でのガリウム液滴形成と結晶化 (3) 照射ガリウム量の最適化による液滴の合体現象の抑制を導入した その結果 格子歪みの無いガリウム砒素量子ドットを 7.3 10 11 /cm 2 という極めて高い面密度で自己形成することに成功した さらに 作製した量子ドットの熱処理過程を工夫することで 室温付近での結晶化に起因する欠陥が回復し 量子ドットから強い PL 発光が観察できることを見出した 液滴エピタキシーは 基板結晶との間に格子歪みのない量子ドットを自己形成可能な唯一の手法として注目されており 原理的には歪みによる結晶性务化の制約を受けず 成長方向に多数の高品質な量子ドット層を近接して配置できる利点がある そのため 今回開発した超高密度の面内量子ドット技術と組み合わせれば 従来技術では実現不可能であった極めて高い体積密度の量子ドット材料を作製できる 本研究成果により 量子ドットを用いた光 電子デバイスのさらなる高性能化の達成が期待される 本技術の詳細は 米国応用物理系学術雑誌 Applied Physics Letters オンライン版に掲載さ れ 冊子版では 100 巻 21 号に掲載される予定である 1
研究の背景 : 近年 半導体レーザーの大幅な特性向上や 新たな動作原理に基づく超高効率の太陽電池の開発を目的として 半導体量子ドットに注目が集まっている 量子ドットを使った半導体レーザーでは 低消費電力 高速動作 温度変化による光出力の安定性など 既存の半導体レーザーを凌駕するデバイス特性が期待されている また 量子ドット型太陽電池においては 従来のバルク型半導体材料では達成不可能な 60% を超える極めて高い変換効率の実現可能性が提案されている しかし 一個の半導体量子ドットの体積は非常に小さいため 必然的にそれぞれの量子ドットが発光あるいは吸収できる光の量も限られてしまうという重大な問題がある そのため 量子ドットの利点を生かしつつデバイスの特性向上を図るには 量子ドットの高密度化 ( 面密度および体積密度 ) を図ることが不可欠であり それに向けた多くの研究が行われている このうち量子ドット面密度については これまでの最高値として他機関から 1 10 11 /cm 2 が報告されているが 依然として充分とはいえない状況にあった 今回 我々は当機構で独自に開発を進めてきた液滴エピタキシー法と呼ばれる量子ドット自己形成手法の高度化を進め 室温付近という極端に低い温度での量子ドット形成とその後の熱処理工程の工夫によって 従来の値を大幅に上回る超高密度量子ドットを高品質に実現する手法を新たに開発した 今回の研究成果 : 液滴エピタキシー法による GaAs 量子ドットの自己形成では 一定温度に加熱された基板上にまずガリウム (Ga) 原子のみを供給してナノ寸法の半球状の Ga 液滴を形成する 次に 同じ温度の基板に砒素 (As) 原子のみを供給すると Ga 液滴との化学反応が起こって GaAs の量子ドットが作製できる すなわち Ga 液滴が結晶化後の GaAs 量子ドットのサイズや密度を決めることになる 従って 量子ドットの面内密度を増加させるには 供給された Ga 原子の結晶表面上での拡散長を抑えて高密度の Ga 液滴を形成することが必要である そのためには Ga の拡散が起きにくい性質を持つ基板結晶を選び さらに基板温度を下げることが有効と考えられる しかし 一般に温度を低下させると As を供給した際の化学反応が充分に進行せず GaAs 量子ドットの品質が大きく低下するので 良好な発光特性の実現が難しいことが知られている 今回我々はこれらの相反する課題を考慮したうえで 新たに以下の要素技術を開発し 従来の液滴エピタキシーに適用することで問題解決を試みた 1. 従来広く用いられている (100) という指数面の GaAs 基板の代わりに 表面上の Ga の拡散が抑制される (311)A 指数面の基板を用いた これにより (100) 基板と比較して約一桁高い面内密度の GaAs 量子ドットが形成可能となった ( 図 1) 2.Ga 液滴を形成する基板温度を 従来の 200 から一般的な結晶成長では非常識とも言える室温付近 (30 ) まで低下させた その結果 Ga 原子の表面拡散が大幅に抑制されて 5 10 11 /cm 2 まで量子ドット密度が増加した ( 図 2) 2
図 1:GaAs(100) と (311)A 基板上に同条件 ( 基板温度 200 ) で GaAs 量子ドットを作製した際の量子ドット密度の違い (100) から (311)A に基板を変えるとガリウム原子の表面拡散が抑制され 量子ドット面密度が 2.0 10 10 /cm 2 から 1.2 10 11 /cm 2 へと約一桁上昇している 図 2:GaAs(311)A 面を用いて 成長温度を 200 から 30 まで変化させて作製した量子ドットの原子間力顕微鏡像 温度低下によりガリウム原子の表面拡散が抑制されて 面密度が 5 10 11 /cm 2 まで増加している その一方で 30 では点線で示す量子ドット密度の理論解析曲線からの乖離が起こっている 液滴同士の合体により密度が低下してしまったことが原因である 3.Ga 液滴密度の基板温度依存性に Volmer-Weber 型の核形成理論を適用して解析したところ 上記の 5 10 11 /cm 2 は理論的に予想される最高面密度に達していないことがわかった 調査の結果 Ga 原料の過剰供給によって液滴同士の合体が起こり 面密度の増加を阻んでいることが判明した そこで Ga 照射量を 5 原子層から 3 原子層に減尐させることで 液滴の合体現象が抑制されて 7.3 10 11 /cm 2 という超高面密度が達成できた ( 図 3) この値は 面内直径 12nm の液滴を最密充填した際に得られる理論限界面密度の 8 10 11 /cm 2 に極めて近い 3
値である 4. 基板温度 30 で形成した超高密度 Ga 液滴に 同一温度で長時間の As 照射を行って GaAs 量子ドットへと結晶化を行ったのち 基板温度を上げて余分に吸着した As 原子を蒸発させることで量子ドットの結晶性の改善を図った さらに 400 でのキャップ層の成長後 800 で急速熱処理工程を行って 残留する結晶欠陥の修復を試みた この結果 量子ドット集団から強い PL 発光が観察され ( 図 4) 量子ドットの高品質化が達成された また 量子ドットの発光波長はキャップ層成長前の形状とサイズから予測される値と非常に良く一致しており 個々の量子ドットがキャップ層成長や急速熱処理の工程によって変化しないことが結論できる 以上のように 従来からの液滴エピタキシー技術に新たに開発した複数の要素技術を盛りこむことで 7.3 10 11 /cm 2 という世界最高値の面密度を持ち 結晶品質にも優れた量子ドットの作製技術を開発することができた 図 3:30 の成長温度でガリウム照射量を 3 原子層まで減尐させて形成した超高面密度 量子ドットの原子間力顕微鏡像 7.3 10 11 /cm 2 の超高面密度が達成されている 図 4: 超高密度量子ドットの発光スペクトル 発光波長 650nm は形状とサイズから予測 される発光波長と極めてよく一致している 4
今後の展開 : 今回の技術開発によって 高い結晶性を維持したまま 7.3 10 11 /cm 2 という超高密度量子ドットが作製可能となったことの意義は極めて大きい また 今回作製した GaAs 量子ドットは (311)A 面の GaAs 基板上に作製しているが 液滴エピタキシーの特徴はそのまま生かされて完全に格子整合している そのため 量子ドット形成層を AlGaAs のような薄い分離層を隔てて成長方向に多数積層することは容易である 従って 極めて高い体積密度を持った量子ドット材料も実現可能である 今後 半導体レーザーや太陽電池に適用することで デバイス特性への効用を明らかにしていく さらに 今回得られた 7.3 10 11 /cm 2 超高密度量子ドットは面内の量子ドット同士が近接しているため 充分大きな量子力学的結合効果も期待できる このような特徴を利用した新規機能性素子実現に向けた研究にも取り組んでいく予定である 用語解説 1) 液滴エピタキシー法 : 物質 材料研究機構が 1990 年に開発した半導体量子ドットの自己形成技術 多くの研究機関で研究されている Stranski-Krastanov (S-K) モードと呼ばれる自己形成手法とは異なり ヘテロ界面で結晶格子の大きさが一致した構成整合系の量子ドットを作製できることが特徴 最近の我々の成果により有用性が広く認識され 追試を含めて世界各国で活発な研究が始まっている 2) 量子ドット : 数 10 ナノメートル程度の寸法を持った三次元の人工的な半導体結晶 バンドギャップの異なる異種の半導体に埋め込むことにより 電子や正孔といった電荷を半導体中のナノ寸法の領域に閉じ込めることができる エネルギー準位が完全に離散化するため人工原子と呼ばれることもあり これを使った光デバイスや電子デバイスの研究が世界で活発に行われている 3) 光励起 ( フォトルミネッセンス (PL)) 発光ルミネッセンスとは材料の発光現象の一種であり 材料が過剰なエネルギーを光として放出して安定な状態に戻る現象のことを言う フォトルミネッセンスは光エネルギー励起により生成した電子 正孔対が再結合して発光する現象である 材料の結晶品質と強い相関があるため その強度により結晶性の評価ができる 4) 高い指数面を持つ基板 広く用いられている GaAs(100) 基板から 尐し傾いた面方位を有する (n11) のような基板を 高指数面基板と呼ぶ 今回の実験ではその中で (311)A 基板を用いた 5
( 問い合わせ先 ) 独立行政法人物質 材料研究機構企画部門広報室 TEL 029-859-2026 FAX 029-859-2017 ( 研究内容に関すること ) 独立行政法人物質 材料研究機構先端フォトニクス材料ユニット間野高明 ( まのたかあき ) TEL 029-859-2790 E-mail MANO.Takaaki@nims.go.jp 独立行政法人物質 材料研究機構先端フォトニクス材料ユニット定昌史 ( じょうまさふみ ) TEL 029-851-3354( 内線 6281) E-mail JO.Masafumi@nims.go.jp 6