半導体量子ドットの構造制御と新機能素子への応用に関する研究

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半導体量子ドットの配列制御手法として、ガスソース分子線エピタキシ-法における選択成長と、歪みヘテロ構造における結晶成長に特有なStranski-Krastanow(SK)成長様式を組み合わせる手法を提案し、実際にSi基板上のGe量子ドットの作製について適用した。Si基板上の熱酸化膜に、電子線描画と化学エッチングにより、微細なSi開口部を形成し、開口部内部のみにGeドットを成長することを試みた。Geの供給量を島状成長の臨界膜厚を超える量で一定とし、成長温度を700℃として、選択成長を行い、その表面形状を原子間力顕微鏡により観察した。その結果、開口部の一辺のサイズを300nmより小さくすることにより、各開口部に単一のドットを制御して形成することに成功した。またドットの横方向のサイズは、成長様式を反映し、開口部のサイズよりも微小であることから、既存のリソグラフィ技術の限界を超えた微小なドットを、位置を制御して形成できる技術を確立したと言える。また、このような手法により形成した、Geドットの光学特性を調べたところ、開口部の中のドットのサイズと数に依存して発光ピークが系統的に高エネルギー側へシフトすることを観測した。このシフトの要因としては、開口部のサイズに依存したドットの高さの変化、歪みの緩和によるバンドのスプリット量の減少、ドットの横サイズの減少による量子閉じ込め効果などがあげられる。またパターンを施していない基板の上では、フォノンを介在しない発光と、そのフォノンレプリカが分離できないのに対し、パターン上の試料の発光では、分離して観測された。このことは、ドットのサイズの均一性が向上したことを示している。