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ナノテク情報

加工技術

バイオテンプレート極限加工によりInGaAs量子ドットナノ円盤構造を実現 ~中性粒子ビームエッチングによる欠陥低減で次世代量子ドットマイクロLEDの実用化に道~

 東北大学(東北大),東京大学(東大),北見工業大学(北見工大),および北海道大学(北大)は2019年9月2日,東大 大規模集積システム設計教育研究センター(VDEC)肥後昭男 特任講師,北見工大 木場隆之 助教,北大 大学院情報科学研究院 村山明宏 教授,東北大 材料科学高等研究所(AIMR)および流体科学研究所(IFS)の寒川誠二 教授,東大 先端科学技術研究センター 杉山正和 教授,東大 大学院工学系研究科 中野義昭 教授らが,バイオテンプレート技術,中性粒子ビームによるドライエッチング,および有機金属気相成長を活用・融合して低欠陥の低インジウム(In)濃度のインジウムガリウム砒素(InGaAs)/ガリウム砒素(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)の作製に成功したと発表した.原著論文は米国化学会刊行ACS Applied Electronic Materials誌に掲載された(注).

 GaAsなどの化合物半導体は,LSIの主材料シリコン(Si)に比べて光の発光効率が高く,特に大きさ10nm程度の量子ドット(QD)は,量子効果によって,低消費電力で温度の影響少なく安定に発光するため,単一光子光源,マイクロLEDなどへの応用が期待される.QDの製法には,リソグラフィとドライエッチングで結晶を加工するトップダウン法と,QDを基板上に結晶成長させるボットムアップ法がある.しかし前者では,最小加工寸法が不足し,エッチングに伴う格子欠陥が光特性を劣化させる.後者では,格子ひずみを利用したQD自己形成が用いられるが,寸法のばらつき,ひずみに伴う格子欠陥などが問題であった.

 一方,遺伝子操作により改質されたフェリティン変異体などを用いて金属を内包したたんぱく質を作製し,その自己組織化によってナノ構造を作製できる.また,寒川教授らは,エッチングに用いるプラズマから放射される電荷や紫外線を抑制し,低損傷で高精度のエッチングを可能とする中性粒子ビームの技術を開発していた.研究グループは,この2つの異なる向き(ボトムアップとトップダウン)の製法を組み合わせることによって,欠陥の少ない直径30nm,厚さ9nmのInGaAs/GaAsナノ円盤が20nm間隔で配列した構造を実現した.

 GaAs基板にInGaAs量子井戸(QW)層,その上にGaAs層を設け,酸化鉄を内包した直径約13nmのたんぱく質の2次元ナノ配列(バイオテンプレート)を形成させる.これを中性粒子ビームでエッチングすると鉄がマスクとなって,高アスペクト比のInGaAs/GaAsナノピラーが形成された.最後に有機金属気相成長法(MOCVD)でGaAsを再成長させ,GaAs中にInGaAs/GaAsナノ円盤が配列した構造が出来上がる.この構造は,QWが1,275eVにピークを持ち,幅0.01eV程度の鋭いフォトルミネセンススペクトルを示すのに対し,QDに期待される1.25~1.35eV(波長920~990nm)に及ぶ幅広い発光特性を示した.

 今回開発したQDの製法は,QDとQWのハイブリッド構造に展開でき,工業生産にも適用できるという.

(注)A. Higo, T. Kiba, J. Takayama, C. Y. Lee, C. Thomas, T. Ozaki, H. Sodabanlu, M. Sugiyama, Y. Nakano, I. Yamashita, A. Murayama, and S. Samukawa, "Photoluminescence of InGaAs/GaAs Quantum Nanodisk in Pillar Fabricated by Biotemplate, Dry Etching and MOVPE Regrowth", ACS Applied Elec-tronic Materials 2019, DOI:10.1021/acsaelm.9b00432; Publication Date: August 20, 2019