東大ら,最小のInGaAsナノ円盤構造を作成

東京大学,北見工業大学,北海道大学,東北大学は,バイオテンプレート技術と融合して低欠陥のナノサイズの低濃度のインジウムガリウム砒素/ガリウム砒素(InGaAs/GaAs)円盤構造(量子ドット)を有する柱状構造(ナノピラー構造)を作製した。さらに有機金属気相成長法を用いて,ナノサイズのInGaAs/GaAs円盤構造を有するナノピラーをガリウム砒素で埋め込み再成長し,ドライエッチングで作製した世界最小のInGaAsナノ円盤構造の作製に成功した(ニュースリリース)。

ガリウム砒素などの化合物半導体はシリコンに比べて光の発光効率や吸光効率が極めて高く,特に化合物半導体量子ドットは,ナノスケールの構造から生じる量子効果によって,より単色化され高強度な光を低消費電力で温度の影響少なく発光するため,単一光子光源などに応用が期待されている。

有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法で作成される従来の量子ドットは高いインジウム濃度(50%以上)でのみ量子ドットが形成できる。また,従来のドライエッチングでは,微細化に限界があるばかりではなく,脆弱な化合物半導体では激しく欠陥が生成されるため,発光効率が大きく劣化してしまうという問題点があった。

今回の研究では,バイオテンプレート極限加工法により化合物半導体(InGaAs/GaAs)の低損傷エッチングを実現することで,室温にて量子効果を示す厚さ9nm,直径20nm程度のナノピラー構造を,低欠陥,均一,高密度(1011cm-2以上),間隔(20nm程度)で2次元配置できた。有機金属気相成長装置(MOVPE)を用いて,InGaAs/GaAsウエハーをバイオテンプレートと中性粒子ビームの組み合わせで極限加工することで,InGaAsのナノ円盤構造を有する高さ100nm程度のナノピラーを欠陥なく作製した。

さらに,MOVPE装置を使ってガリウム砒素バリア層を再成長させ保護膜を形成(パッシベーション)することで高品質界面を実現し,トップダウンエッチングで作製したInGaAsナノ円盤構造を形成した。設計したナノ円盤構造の発光波長に対応する960nm付近から明瞭な発光が確認できたという。

研究グループは,今回の研究により作製された低欠陥のInGaAs/GaAsナノ円盤構造は,近年,注目されている低消費電力マイクロLEDや半導体レーザーへの展開が期待できるとしている。

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