宇多田復活！ヱヴァQ

 

   　　            ５割の確率でやるのは愚か。９割の成功率が見込めるようなものは

　　　　 　　　　　もう手遅れだ。７割の成功率が予見できれば投資すべきだ。

　　　　　　　　 　大事なことは、誰がなんと言おうと、一直線に志に向かっていくこと。

　　　　　　　 　　事を起こすのが起業家、事を成すのが事業家、事を治めるのが経営者。


                                         　　　　　　　         孫　正義 

                                                                  
                                                                    Aug. 11, 1957 -　　

 

 

【量子ドット工学講座 ２２：量子ドット電子デバイス事例】

●　量子光デバイスの製造方法

量子光学アプリケーションは、量子暗号、量子コンピューティングや他のフォトニック系技
術を含む。量子光デバイスは、（１）光子生成が起こる第１セクションと、（２）光子操作
が起こる第２セクションと、（３）光子検出が起こる第３セクションを含むものと考えられ
ている。集積光学回路は、セクション間で光子を輸送（transport）手段をもつ単一の光学チッ
プでの複数のセクションを具備し、より低いコストで、簡略化された集積光学回路を生産す
ることが要求されている。

   JP 2016-164971 A 2016.9.8

上図の株式会社東芝の「特開2016-164971  光デバイスおよび光デバイス製造方法」では、セ
クション間で光子を輸送の手段をもつ単一の光学チップでの複数のセクションを、より低い
コストでの製造方法を提供する。それによると、第１材料と第２材料と第３材料で構成され
た光デバイスで、第１材料の層として非ドープのＧａＡｓ層１０９とｎドープされたＧａＡｓ
層１０７はフォトニック結晶スラブを構成する。非ドープのＧａＡｓ１０９層は、中間に低
密度ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）の層をもち、第２材料は硬化した流動可能酸化物で、第２
材料は、第１材料と異なる屈折率を有する。第３材料はＩＴＯ層１１７であり、フォトニッ
ク結晶スラブ（床構造）の欠陥部分にのみ電気的に接続される。

このデバイスの製造方法は、下図の流れ図に示されている。この方法では、層構造は、基板１
０１上に形成され、その後光デバイスを形成のために処理。非プロセス構造は、適切な基板１
０１上のエピタキシャル方法で成長する。層は、分子線エピタキシーを用いて成長する。図
に記述される製造方法は、多くの量子ドットを備える層を有するデバイスを製造するもので
ある。

ここで、ステップＳ２０３は、「ＱＤ層を有する非ドープのＧａＡｓ層をｎドープされたＧ
ａＡｓ層上に形成する」である。非ドープのＧａＡｓ３０５の層は、非ドープのＧａＡｓ層
３０５の中間で成長した、低密度ＩｎＡｓ量子ドット（ＱＤ）の層とともにｎドープされた
ＧａＡｓ層３０３上で成長する。   一実施形態では、ストランスキー・クラスタノフ成長モ
ード技術がＱＤを形成するために用いられる。ｎドープされたＧａＡｓ層３０３が成長した
後、非ドープのＧａＡｓ３０５の成長が開始する。非ドープのＧａＡｓ層３０５の成長の中
点では、成長が止まり、ＩｎＡｓの薄層が堆積する。言いかえれば、一旦非ドープのＧａＡｓ
層３０５が所望の厚さの半分まで成長したならば、非ドープのＧａＡｓの成長が止まり、
ＩｎＡｓの薄層が堆積する。その後、残っている非ドープのＧａＡｓが堆積する。ＩｎＡｓ
層におけるＱＤのひずみ誘起による形成がある。ＱＤを形成する他の方法が用いられる。


また、ステップＳ２０４は、「メサを形成する」である。このステップで、ｎドープされた
ＧａＡｓ薄層３０３までのリソグラフィおよびウェットエッチングは、フォトニック結晶デ
バイスを含むであろう１つ以上のメサを定義するために用いられる。一実施形態では、例え
ば５０ｘ５０μｍの面積を有する数マイクロメーターの面積を備える１つ以上のメサが、標
準フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて定義される。メサは、垂直ｐ－ｉ－ｎ
ダイオードが作成され、フォトニック結晶構造をホストする領域を定義する。メサを形成す
るステップは、いくつかの段階を包含する。第１にポジ型フォトレジスト、例えばMicroposit
（登録商標）Ｓ１８１３（登録商標）は、ウェーハの上部でスピンされ、一実施形態では、
レジストの厚さは約数百ナノメータである。次のステップは、例えばＳ１８１３レジストに
関するＭＦ３１９（登録商標）デベロッパーを用いる、紫外線照射および現像である。現像
中に、レジストの露光された領域、すなわち、メサ領域の周囲は除去される。これらの領域
はその後、ウェットまたはドライエッジングを用いてエッチングされる。ＧａＡｓ系メサの
ウェットエッチングに関しては、Ｈ_２ＳＯ_４－Ｈ_２Ｏ_２－Ｈ_２Ｏ（硫酸－過酸化水素－水）の混
合物が用いられる。ドライエッジングに関しては、四塩化ケイ素または塩素ガスに基づく
プラズマが用いられうる。エッチングデプスは、スラブの厚み、すなわち非ドープのＧａＡ
ｓ層３０５の上部からｎドープされたＧａＡｓ層３０３の上部までの距離によって定義され
る。ｎドープされたＧａＡｓ層３０３に到達するとき、エッチングが停止される（以下略）。



●　量子ドット太陽電池の製造方法

光電変換層をｐ型の量子ドット層とｎ型の量子ドット層との積層構造とするものが開示され
ている。例えば、株式会社ブイ・テクノロジーの「特開2012-004251 太陽電池」では、次の
ように開示されている。

量子ドットは、約１０ｎｍ以下の領域に電子を閉じ込め、電子の量子力学的な波の性質を利
用。量子ドットは、サイズに応じ吸収波長が変化（し量子サイズ効果）、小さい量子ドット
は短波長の光（青色光）を吸収し、大きな量子ドットは長波長の光（赤色光）を吸収する。
量子ドットを並べるとその相互作用により新しい光吸収帯形成し光吸収する波長のを広げる。
このように、極めて高い変換効率の太陽電池を得るために、均一な大きさの量子ドットを３
次元的に規則正しく高密度で並べることで可能となる。下図は、量子ドット太陽電池の構造
を示す。

  特開2012-004251 太陽電池

上図では、半導体基板１００の裏面に裏面電極１０１が形成され、半導体基板１００上にｎ
（ｎ型半導体）層１０２が形成されている。このｎ層１０２の上に、ｉ（真性半導体）層
１０３が形成され、このｉ層の上に、ｐ（ｐ型半導体）層１０４が形成されている。このｐ
層の上に格子状のグリッド電極１０６が形成され、このグリッド電極の開口部に透明な反射
防止膜１０５が形成される。太陽光は、このグリッド電極の開口部の反射防止膜を透過し、
ｐ層、ｉ層及びｎ層に入射する。尚、下図はそのエネルギバンド図を示す。

また、ｉ層は、量子ドット層１０７と中間層１０８とを交互に積層したもの、この量子ドッ
ト層の間に挿入される中間層の厚さが厚いと、エネルギバンド構造は、下図（ａ）に示すよ
うになる。太陽光の吸収により励起された電子は、光励起又は熱励起により量子ドットの井
戸から抜け出し、電流として取り出される。このとき、電子の非発光再結合及び発光再結合
が生じ、エネルギの損失が生じる。一方、中間層の厚さを数ｎｍ程度まで薄くすると、上図
（ｂ）に示すように、量子ドット間にミニバンドが形成され、太陽光の吸収により励起した
電子及び正孔は少ないエネルギ損失で移動することができ、このｉ層で生成する電流は多い。

このように、量子ドット層によりｉ層を構成することで、ミニバンドが形成されるので、太
陽光で電子及び正孔を励起するエネルギは小さくてすみ、少ない吸収エネルギで電子及び正
孔を励起、効率よく電流が生成し、変換効率が高い。また励起した電子は、ミニバンドを伝
導して、ｎ層に至るが、励起した電子は、ｎ層に移る際に、ミニバンドから伝導帯まで障壁
を乗り越える必要があり、従来の量子ドット太陽電池では、取り出せる電流に限界がある。
ｉ層にて太陽光で励起された電子や正孔の流れを、ｎ層やｐ層に移行する際の障壁を小さ
くして、電流をミニバンドから取り出しやすくした太陽電池を提供するために下図のように
改良する。

上図のｎ層１２と、このｎ層の上に形成されたｉ層１３と、このｉ層の上に形成されたｐ層
１４に対し、太陽光が入射する。ｉ層は真性半導体層であり、ｎ層及びｐ層は夫々ｎ型とｐ
型の半導体層であるが、いずれも、量子ドット層である。従って、ｉ層で励起された電子は
、ｎ層も含めて、量子ドット層のミニバンドを伝導して、電極に流れる構成、構造にするこ
とで、ｉ層にて太陽光により励起された電子の流れを、ｐ層またはｎ層に移行する際の障壁
を小さくし、電流をミニバンドから取り出しやすくした太陽電池を提供させている。この事
例の量子ドット層の粒子構造は下図（ａ）のような模式図が提示され、ｉ層は粒子径が５～
１０００ｎｍの多数のシリコン（Ｓｉ）粒子と、粒子径が５～１０００ｎｍのＡｇ（銀）粒
子からなるベース構造をもち、Ｓｉ粒子とＡｇ粒子とが規則的に配置。また、ｐ層は、同様
に、粒子径が５～至１０００ｎｍの多数のシリコン（Ｓｉ）粒子と、粒子径が５～１０００
ｎｍのＡｇ（銀）粒子とが規則的に配置、ｐ層においては、Ｓｉ粒子にＢ（ボロン）等のｐ
型不純物がドープされている。更に、ｎ層１２は、同様に、粒子径が５乃至１０００ｎｍの
多数のシリコン（Ｓｉ）粒子と、粒子径が５～１０００ｎｍのＡｇ（銀）粒子とが規則的に
配置、ｎ層においては、Ｓｉ粒子にＡｓ（砒素）等のｎ型不純物がドープされている。なお、
これらのドープ元素は、上記各元素に限らず、公知のｐ型ドープ元素とｎ型ドープ元素を使
用でき、各ドープ元素の量を調整することでｐ層とｎ層のフェルミ準位をコントロールする。

尚、ベース構造のＡｇ粒子は、その間隔が一定に規則的に配列され、このベース構造の量子
ドット層の形成方法の一例図示の粒子構造は、ナノ粒子のＳｉ粒子が面心立方格子の格子点
の位置に存在し、面心立方格子の一面において、その３軸が直交する位置にあり、４個のＳｉ
粒子が面心の位置にあるＡｇ粒子に接触する（例えば、インジウム（Ｉｎ）、タンタル（Ｔａ
）、タングステン（Ｗ）等のレア・メタルのナノ粒子、金（Ａｕ）等の貴金属のナノ粒子も
使用できる）。

この下図ａ）に示す粒子構造のベース構造は、下図ｂ）ように、Ａｇ粒子とＳｉ粒子（真性
半導体、ｐ型半導体とｎ型半導体のＳｉ粒子）とを均一分散させた溶液６を、容器５内に貯
留。この溶液６の溶媒は水を使用。基板７は支持部材８に吊り下げ、この支持部材は昇降装
置９により上下動可能になる。昇降装置により支持部材を介し基板を下降させ、基板を溶液
内に浸漬する。これにより、この基板の表面に溶液の層が付着、昇降装置で、基板を引き上
げると基板表面に付着した溶液層は、乾燥過程で、表面張力で縮み、溶液内の粒子のうち、
大径の粒子が最密充填の位置に位置し固化。これにより、最密充填の結晶構造が面心立方格
子の場合には、図示すように、大径のＳｉ粒子が面心立方格子の格子点に位置し、面心位置
にＡｇ粒子が位置し、これらのＳｉ粒子とＡｇ粒子とが配置される面心立方格子の結晶構造
（粒子の配置構造）が３次元的に形成される。尚、基板の引き上げ速度は、数百ｎｍ／ｓ～
数十μｍ／病。基板材質は、ガラス、鉄板やアルミニウムホイル等が使用する。

 

しかし、これに対し、下図の京セラ株式会社の「特開2016-162886  光電変換装置」では、
前出の事例では、光電変換層を上述のようにｐ型およびｎ型の量子ドット層によって形成し
ても、キャリアの移動度が低く、未だ、光電変換効率が低いという問題があると指摘し次の
ような改良提案――ｎ型の成分をドープ成分として含む第１の量子ドット層と、ｐ型の成分
をドープ成分として含む第２の量子ドット層とが積層されている量子ドット集積部を備える
｝光電変換装置であって、第１の量子ドット層におけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子
数が、第２の量子ドット層におけるｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多いもの―
に改良する。
    JP 2016-162886 A 2016.9.5
【符号の説明】

１、１１　　　　　　量子ドット集積部
１ａ、１１ａ　　　　ｎ型の成分を含む第１の量子ドット層
１ｂ、１１ｂ　　　　ｐ型の成分を含む第２の量子ドット層
３、５、１３、１５　導体層

ここで、上図（ａ）に示した本実施形態の光電変換装置を構成している量子ドット集積部１
は、量子ドット集積部１を構成すｎ型の成分をドープ成分として含む第１の量子ドット層１ａ
とｐ型の成分をドープ成分として含む第２の量子ドット層１ｂとの間で、第１の量子ドット
層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおける
ｐ型の成分の単位体積当たりの原子数よりも多くなっている点が、上図（ｂ）に示した従来
の光電変換装置を構成している量子ドット集積部１と相違する。

こうすることで、キャリアの移動度が高く、これにより光電変換効率を高めることのできる
光電変換装置を提供する。つまり、上図のように、ｎ型の成分をドープ成分として含む第
１の量子ドット層１ａと、ｐ型の成分をドープ成分として含む第２の量子ドット層１ｂとが
積層される量子ドット集積部１を備え、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位
体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりの原
子数よりも多いもので、このとき、第１の量子ドット層１ａにおけるｎ型の成分の単位体積
当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当たりのｐ型の
成分の原子数の１０倍以上である構造・成分を提案する。

くどいようだが、ｎ型の成分を含む第１の量子ドット層１ａとｐ型の成分を含む第２の量子
ドット層１ｂとの間で、ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数をｐ型の成分の単位体積当た
りの原子数よりも多くしたことにより、第１の量子ドット層１ａにおける伝導帯のエネルギ
ー準位（Ｅ_Ｃ）と第２の量子ドット層１ｂにおける伝導帯のエネルギー準位（Ｅ_Ｃ）とのエネ
ルギー差を従来の光電変換装置よりも大きくできる。これは、ドープした成分の単位体積当
たりの原子数が少ない方（この場合、ｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂ）にｐ／ｎ
接合界面に形成される空乏層Ｌｄの領域がドープした成分の単位体積当たりの原子数が多い
方（この場合、ｎ型の成分を含む第１の量子ドット層１ａ）側よりも広がる。従って図（ａ）
では、ｐ型の成分を含む第２の量子ドット層１ｂ側の空乏層Ｌｄの幅Ｗｄｐがｎ型の成分を
含む第１の量子ドット層１ａ側の空乏層Ｌｄの幅Ｗｄｎよりも大きくなる。

これにより量子ドット集積部１における拡散電位（Ｖｄ）を従来の光電変換装置に比べて大き
くすることができ、また、光電変換装置としての開放電圧Ｖ_ＯＣを大きくできる。その結果、
第１の量子ドット層１ａと第２の量子ドット層１ｂとの間に、キャリア（電子ｅ^－およびホ
ールｈ^＋）の移動度が向上し光電変換効率を向上する。この場合、第１の量子ドット層１ａ
のｎ型の成分の単位体積当たりの原子数が、第２の量子ドット層１ｂのｐ型の成分の単位体
積当たりの原子数の１０倍以上が望ましく、第１の量子ドット層１ａのｎ型の成分の単位体
積当たりの原子数と第２の量子ドット層１ｂのｐ型の成分の単位体積当たりの原子数との差
を１０倍以上に大きくすると、量子ドット集積部１における拡散電位（Ｖｄ）と開放電圧Ｖ_ＯＣ
をさらに向上する。

さらには、第１の量子ドット層１ａのｎ型の成分の単位体積当たりの原子数を１×１０^１９ 
ａｔｏｍ／ｃｍ^３以上とすると、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体積当
たりの原子数を１×１０^１７  ａｔｏｍ／ｃｍ^３未満とするのが良い。また、ｎ型の成分の単
位体積当たりの原子数の好適な範囲は、２×１０^１９～９×１０^１９  ａｔｏｍ／ｃｍ^３、第２
の量子ドット層１ｂのｐ型の成分の単位体積当たりの原子数の好適な範囲としては、１×
１０^１６～８×１０^１６  ａｔｏｍ／ｃｍ^３が好ましい。

また、これらの材料を適用した場合、量子ドットＱＤのサイズ（平均粒径）は１～１０ｎｍ
特に２～７ｎｍが良い。ｎ型の成分の単位体積当たりの原子数の範囲を２×１０^１９～９×
１０^１９  ａｔｏｍ／ｃｍ^３に、一方、第２の量子ドット層１ｂにおけるｐ型の成分の単位体
積当たりの原子数を１×１０^１６～８×１０^１６  ａｔｏｍ／ｃｍ^３にすることが容易となる。

さらに、上記の量子ドットＱＤにおいては、電子の閉じ込め効果を高められるという理由か
ら量子ドットＱＤの表面に障壁層（バリア層）を有していてもよい。障壁層は量子ドットＱ
Ｄとなる半導体材料に比較して２～１５倍のエネルギーギャップをもつ材料が好ましく、エ
ネルギーギャップ（Ｅｇ）が１．０～１０．０ｅｖが好ましい。障壁層の材料としてはＳｉ、
Ｃ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｓ、ＩｎやＳｅから選ばれる少なくとも１種の元素を含む化合物（
半導体、炭化物、酸化物、窒化物）が好ましい。

量子ドットも、ひとつ、ひとつ課題がクリアされ払暁にある。これは面白い。

  ●　今夜の一曲

Utada Hikaru - Sakura Nagashi (Evangelion 3.33 Soundtrack)

１０年の活動停止から宇多田が復活！Mスタに登場。「桜流し」を熱唱。エンデイングに感動する。

Beautiful World (Planitb Acoustica Mix) - Credits song of Evangelion 2.22

今日は、１１時より宗安寺で母の三回忌を行う。これで精神的に安定するだろうか？そんな
ことを考える。息子たちとわかれ、敬老の日で客でごった返す、中薮の和食麺処「サガミ」
で彼女と二人で、昼食をとり帰宅。

※　サガミ「鴨汁ざるそば」をはじめて注文するが、これはおすすめ。ただ、冷たいざるそ
　　ばは鴨汁の温度を下げるので、１皿だけ、もう１皿は普通のざるそば汁と分けた方が
　　良い（残念）。