東京大学大規模集積システム設計の教育研究センター

3次元量子ドット構造の形成実現によるInGaAsなの円盤構造を世界で初観測

　東京大学大規模集積システム設計教育研究センター（ＶＤＥＣ）の肥後昭男特任講師、北見工業大学の木場隆助教、北海道大学大学院情報科学研究院の村山明宏教授、東北大学材料科学高等研究所（ＩＭＲ）および流体科学研究所（ＩＦＳ）の寒川誠二教授、東京大学先端科学技術研究センターの杉山正和教授、東京大学大学院工学系研究科の中野義昭教授らは、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）の作製に成功した。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の埋め込み再成長に成功し、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。フォトルミネッセンスの温度依存性測定により、ドライエッチングで作製したＩｎＧａＡｓナノ円盤構造からの波長幅の広い発光を実現した。

　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。

　研究グループは、鉄などの金属微粒子を内包したたんぱく質が、特殊な処理をした表面に自発的に規則正しく配列した構造を作る性質を用いて、金属微粒子を化合物基板の上に高密度に間隔２０ｎｍ程度で配置。その後、たんぱく質だけを除去して金属微粒子を加工マスクとして中性粒子ビームによる低損傷エッチングと有機金属気相成長を行うことにより、ナノメートルオーダーの欠陥の少ないＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓナノ円盤構造が２０ｎｍ間隔で配列した構造を実現した（図１）。

　作製された低欠陥のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓナノ円盤構造は、近年、注目をあび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。

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【研究の背景】

　化合物半導体量子ドット発光ダイオードおよび量子ドットレーザーは低消費電力光素子として、また超高速光変調素子として、飛躍的に高まる通信需要に応えユビキタス情報化社会を支える重要な技術であり、広く実用化されている。これらのデバイスを実現するにはナノメートルオーダーでサイズや密度、位置などの制御された量子ドット構造を作製することが求められるが、従来のトップダウン型のリソグラフィ技術とエッチング技術に依存した微細加工技術では大きな困難が予想される。

　現状のリソグラフィ技術では光源やレンズ系の設計において２２ｎｍよりも微細なパターン形成することは技術的・経済的に大きな壁がある。また、プラズマエッチングでは、ナノメートルスケールの構造形成においてはプラズマからの紫外線照射による表面欠陥生成が大きな問題となっている。ボトムアップ法で量子ドットを形成する手法としては、格子ひずみを利用した自己形成量子ドット作製法が一般的だが、この手法では寸法のばらつきを十分に抑えることができない、ドットの密度に限界（１０９−１０１０ｃｍ−２）がある、サイズに制限がある（数十ｎｍ程度）、材料を自由に選択することができない、ひずみに伴う格子欠陥が不可避であるなどの問題がある。

　現在、最有力な手法として、ボトムアップ技術とトップダウン加工技術の融合が注目され、多くの提案がされつつある。

【研究の内容】

　研究グループは、次世代の高効率マイクロＬＥＤあるいはレーザーの実用化に道を開く技術として、バイオテンプレートと中性粒子ビームエッチングを組み合わせることで、インジウムガリウム砒素／ガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ）構造の超低損傷・超高アスペクトエッチングの実現に成功した。さらに、有機金属気相成長法を用いてガリウム砒素の埋め込み再成長に成功し、ＩｎＧａＡｓナノ円盤構造の作製に成功した（図２）。

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　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次元配置できることを示した。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することに成功した。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することで高品質界面の実現に成功し、世界で類をみないトップダウンエッチングで作製したＩｎＧａＡｓナノ円盤構造の形成に成功した。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。ナノ円盤構造は、通常の量子井戸構造あるいは量子ドット構造では困難だった幅広い線幅の発光を実現でき、あらゆる波長帯域を実現できる高効率な量子ドットＬＥＤ、レーザーを実用化できる構造として極めて有望といえる。

【今後の展開】

　中性粒子ビームによる加工・表面改質・材料堆積技術は、現在の半導体業界が直面している革新的ナノデバイスの開発を妨げるプロセス損傷を解決する全く新しいプロセス技術であると考えられる。また、今回の技術を用いた装置はプラズマプロセスとして実績があり、もっとも安定した装置において用いられているプラズマ源をそのまま用い、中性化のためのグラファイトグリットを付加するだけで実現できることから、今後、数十ｎｍ以下のナノデバイスにおける革新的なプロセスとして実用化されていくことも大いに期待されるもの。中性粒子ビーム技術は既に均一大面積プロセスを実現できるプラズマ源を基盤に装置が実現できるため、極めて実用的であり、今後、最先端ナノデバイス製造プロセスにおいて中性粒子ビーム加工技術のみならず、中性粒子ビームを用いた表面改質・修飾技術の研究開発を進めて実用的なデバイス開発を推進していく。今回、ナノ円盤構造の作製に成功し、発光の確認に成功したことで、実用化に向けて大きく前進した。
＜資料提供：東京大学＞