同じようなことは、アルミニウム・ガリウム・ヒ素(AlGaAs)の中にGaAsの「箱」を作ってあげる場合にも成り立ちます。つまり、AlGaAs<GaAs<InGaAsの順番に電子が閉じ込められやすくなるわけです。このことを物理用語では、「InGaAsのポテンシャルが一番低い」と言います。
研究テーマ；続きその１
どのように量子ドットを作るのか？
電子を「箱」の中に閉じ込めるといっても、どのようにそのようなナノ・メートル（0.000000001m）サイズの「箱」を作ればいいのでしょうか？実は話は意外に簡単です。勝手にできるのです。
| 半導体には様々な種類の物質がありますが、ここではガリウム・ヒ素(GaAs)とインジウム・ガリウム・ヒ素(InGaAs)という二つの物質を例にとって紹介しましょう。右の図のように、GaAs
の中に InGaAs の「箱」を作ってあげると、電子はInGaAsの中に閉じ込められて動けなくなります。このような構造が目標です。 同じようなことは、アルミニウム・ガリウム・ヒ素(AlGaAs)の中にGaAsの「箱」を作ってあげる場合にも成り立ちます。つまり、AlGaAs<GaAs<InGaAsの順番に電子が閉じ込められやすくなるわけです。このことを物理用語では、「InGaAsのポテンシャルが一番低い」と言います。 |
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GaAsの中のInGaAsの箱は勝手にできます。「勝手に」とはどういうことでしょうか？それでは、そのことを説明するために、具体的な製造プロセスを見てゆきましょう。
半導体ナノ構造の作製には、特殊な装置（分子線エピタキシー[MBE]装置、又は有機金属気相成長[MOCVD]装置）を使います。装置の名前は非常にいかめしいですが、原理は至って簡単です。半導体を粉のようにふりかけて、薄っぺらい膜を積み重ねてゆく、ただそれだけのことです。下の図のように、初めにGaAsをふりかけて、その後にInGaAsをふりかければ、二層構造ができるわけです。しかし、これらの装置は膜を積み重ねてゆくだけなので、これだけでは「サンドイッチ」構造は作れても「箱」はできそうにありません。ここで特殊なトリックが登場します。
GaAs/InGaAsの膜構造を、原子レベルの大変小さいスケールで見てみましょう。それが上図の右にある青い囲みです。自然界の物質はすべて原子で構成されていますので、GaAsにせよ、InGaAsにせよ、ものすごい小さいスケールでは一個一個の原子の集まりです。上の図では、GaAs原子を茶色の点で、InGaAs原子を緑色の点で示しました。（ほんとうはもっと複雑な構造ですが、簡単のため便宜上こう表します。）
茶色の点達と、緑色の点達は、それぞれ仲良く手をつなぎあって落ち着いて居座ろうとします。しかし注目していただきたいのは、茶色の点の間隔と、緑色の点の間隔が違うことです。（専門用語では「格子定数が違う」といいます。） GaAsとInGaAsは物質が違うので、当然手をつなぐ間隔も異なるわけです。
さて、茶色いGaAsの膜を作った後に、InGaAsの緑の原子をふりかけましょう。緑の点達は、茶色の点達と早く手をつないで、落ち着きたいわけです。しかしながら、絶対的に緑の手のほうが茶色の手よりも少ないので、大混乱が生じます。ここで驚くべき現象が生じます。なんと、彼らInGaAs達は、自らを「ぐしゃっ！」と潰して、無理やりGaAsと手をつなごうとするのです。その結果できるのが、下の構造です。
InGaAs 達は自ら勝手に「ぐしゃっ！」と潰れてくれて、玉のような構造が出来上がります。さらに、その上からGaAsをふりかけてみましょう。その結果できるのが下の構造です。
あら不思議。こうして、GaAsの中のInGaAsの「箱」が、InGaAs
達が勝手に潰れてくれることによって出来上がりました。このようにしてできる量子ドットは、自ら勝手に出来てくれることから、「自己形成型」量子ドット、あるいは発見者の名前を取って「ストランスキー・クラスタノフ(S-K)量子ドット」と呼ばれています。
現在研究されているほとんど（おそらく９０％以上）の量子ドットが、このようにして作られた自己形成型量子ドットです。しかし、私が研究している量子ドットは、作成方法が根本的に違います。ひきつづき、私の研究している内容に踏み込んでいきましょう。