V族混晶窒化物半導体自己組織化量子ドットと完全配列化

V族混晶氮化物半导体自组装量子点及其完美对准

基本信息

批准号：
04J12079
负责人：
大島隆治
金额：
$ 1.79万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、原子状水素援用RF分子線エピタキシー(MBE)法を用いて、光通信用発光素子、および量子ドット型太陽電池への応用を目指し、長波長帯で発光する高品質なGaAs基板上自己組織化量子ドットの作製技術の開発、およびデバイス応用への研究を行った。現在、一般的な構造、材料を用いた量子ドットの成長では、量子ドット部で発生する格子歪みに起因して発光波長が短波長側にシフトする。さらには、活性層体積の増加を目的とした多重積層成長において、格子歪みの蓄積により量子ドットのサイズ均一性が損なわれること、転移が発生する問題が残されている。量子ドットの多重積層構造へのアプローチとして、歪み補償の概念を利用した多重積層化を検討した。これは、中間層部で量子ドットとは逆向きの歪みを発生させ、1周期毎に歪みを一旦フリーな状態に戻しながら積層成長を行うことを原理としている。InAsの格子定数はGaAsに比べて約7%大きい。このため、本研究で用いたGaAs基板に比べて格子定数が小さい材料として、GaNAsを用いることを提案した。GaNAsはNの組成の制御によってGaAsよりも小さい任意の格子定数に設定でき、またGaAsよりもバンドギャップが小さく、量子ドットのポテンシャル障壁が低くなることに起因した長波長化も期待できる。本研究ではGaAs(001)基板上InAs量子ドットの多重積層化について、GaNAs歪み補償中間層の有効性を原子間力顕微鏡(AFM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、高分解X線回折法(XRD)を用いて評価した。最適なGaNAs中間層を用いることで、50層以上の量子ドットの多重積層化、および発光波長の長波長化に成功した。また、pin型太陽電池の層に多重積層量子ドットを導入した量子ドット型太陽電池を試作し、世界的にも研究例が少ない量子ドットの寄与による光吸収を得ることに成功した。

在这项研究中，我们的目标是将原子氢辅助射频分子束外延（MBE）应用于光通信和量子点太阳能电池的发光器件，使用我们开发的在长波长范围内发光的高质量GaAs基板。一种制造自组装量子点的技术，并对设备应用进行了研究。目前，在使用普通结构和材料生长量子点时，由于量子点部分中发生晶格畸变，发射波长偏移至较短波长侧。此外，在旨在增加有源层体积的多层生长中，仍然存在由于晶格应变的积累和位错的累积而损害量子点的尺寸均匀性的问题。作为量子点多层结构的一种方法，我们利用应变补偿的概念研究了多层结构。其原理是在中间层产生与量子点方向相反的应变，然后在每个周期将应变恢复到自由状态的同时进行分层生长。 InAs的晶格常数比GaAs的晶格常数大约大7%。因此，我们建议使用 GaNAs 作为晶格常数比本研究中使用的 GaAs 衬底更小的材料。通过控制N成分，GaNA可以设置为比GaAs更小的任意晶格常数，并且具有比GaAs更小的带隙，因此由于量子点的势垒较低，预计可以实现更长的波长。在这项研究中，我们使用原子力显微镜 (AFM)、透射电子显微镜 (TEM) 和高分辨率 X 射线衍射技术研究了 GaNA 应变补偿中间层在 GaAs(001) 上多层堆叠 InAs 量子点的有效性。使用 XRD 进行评估）。通过使用最佳的GaNAs中间层，我们成功地堆叠了50多个量子点并增加了发射波长。此外，我们通过将多个堆叠的量子点引入pin太阳能电池的各层中，制作了量子点太阳能电池原型，并成功地通过量子点的贡献获得了光吸收，这在世界上很少有研究。