表面エネルギー変調による高均一サイズ窒化ガリウム量子ドットの自然形成

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11750009
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 川崎 宏治 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究所, 助手 (10234056)
• Keywords: GaN / 量子ドット / 電子ビーム / 表面エネルギー / 自然形成 / Ga液滴 / MBE / 位置制御

Research Abstract

本年度は、自然形成法により窒化ガリウム量子ドットを作製する成長条件の探索と、量子ドットのサイズを均一化するための表面エネルギー変調による位置制御を行うことを目的とした。窒化ガリウム量子ドット作製にはガスソース分子線エピタキシー装置を用い、基板としてはサファイヤ、SiC、AlGaN/SiCを用いた。
まず、上記基板上に超高真空中でGa分子線を照射して微細なGa液滴を形成させ、これにアンモニアガスを供給することで、量子ドットを得る手法について検討した。反射型高エネルギー電子線回析法による評価の結果、Ga液滴はアンモニア雰囲気中400℃以上で窒化し、GaNに変化することが分かった。GaNのフォトルミネセンス(PL)評価の結果、サファイヤ基板においては1000℃、SiCおよびAlGaN/SiC基板においては600℃以上の熱処理を施した試料から比較的強いPLを観察した。発光ピーク波長はバルクのそれに比べて高エネルギー側に100eVほどシフトしており、この効果は量子閉じこめ効果によるものと考えられる。本自然形成法で窒化ガリウム量子ドットを得られることを明らかにした。
次に、基板表面を電子ビームにより表面のエネルギー変調を行い、Ga液滴の形成位置を制御する手法に関して検討した。電子ビームを照射することで、Ga液滴がどのように形成されるかを評価した結果、照射量を増やすにつれ、Ga液滴の付着量、密度が小さくなる一方、サイズは大きくなることが明らかになった。さらに、電子線照射により基板表面に炭素化合物が付着することが分かり、これがGaに対してマスクの働きをしていることが判明した。集束電子ビームを用いて基板表面をパターン描画した後、Ga液滴を形成させた後、窒化を行うことで、窒化ガリウム量子ドットの位置制御に成功した。また、位置制御することでサイズのそろった量子ドットを得ることにも成功した。今後は、これらの構造の高密度化をデバイス応用について検討を進める。