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研究者情報:研究・産学連携

研究室紹介OPAL-RING
小林(哲)研究室

コロイダル量子ドットを無機化する「イオンビーム堆積装置」の開発

所属 共通教育部
メンバー 小林 哲 特任教授
所属学会 米国材料学会(MRS)、応用物理学会
メールアドレス satoshi@uec.ac.jp
印刷用PDF

掲載情報は2019年9月現在

小林 哲 Satoshi KOBAYASHI
キーワード

半導体量子ドット、光/電子デバイス、薄膜プロセス

概要

直径数ナノメートル(ナノは10億分の1)の微小な半導体粒子である「量子ドット(QD)」は、近年注目されている新材料です。粒子の大きさによって光の吸収や発光の波長を変えられる特徴的な光学特性を持つため、レーザーや太陽電池、量子コンピュータなどへの応用が期待されています。 応用に向けては、大きさが均一の量子ドットを再現性良く多数作る必要がありますが、半導体の微細加工技術を使った古典的な量子ドットの作製法は、ナノメートル単位で形状やサイズ、密度、位置などを制御することが難しく、量子閉じ込めによる光学特性の発現が非常に難しいなどの課題があります。一方、自己組織化の性質を利用した結晶成長技術による手法は、下地材料と量子ドット材料の選択に強い制限があるといった欠点があります。

高効率で光るコロイダル量子ドット

フルカラーで高効率発光するコロイダル量子ドット

これに対して、小林哲特任教授は、量子ドットを分散させた溶液である「コロイダル量子ドット」を使った研究を手がけています。コロイダル量子ドットは化学合成法の進化によってここ十数年で急速に発展し、半導体技術を用いた従来手法の課題だった粒子サイズの正確な制御と、消光の原因となる欠陥の低減を可能にしました。さらに、量子閉じ込めを再現性良く実現する半導体微粒子を高密度に分散させることで、所望の色をフルカラーで高効率で光らせることができるようになりました。
ただし、コロイダル量子ドットは、凝集を防ぎ、表面が露出することによる消光を防ぐために有機物の界面活性剤分子で覆われています。また、溶媒に分散されているため、そのままでは通常の半導体デバイスの製造プロセスで発光ダイオード(LED)や半導体レーザーダイオード(LD)などのデバイスを作ることは困難です。そこで、小林特任教授は、コロイダル量子ドットの有機物を除去してほぼ「無機化」することにより、半導体プロセスに適用させることを目指しました。

有機物除去し無機化に成功

試作した装置

そのために小林特任教授が開発したのが、コロイダル量子ドットのイオンビーム堆積装置です。これは、工業的にも安定に供給される市販のリン化インジウム/硫化亜鉛や、セレン化カドミウム/硫化亜鉛などの「コア・シェル型コロイダル量子ドット溶液」を用いて、それをイオン化して空気の圧力差によって加速し、真空中で基板に適度な超音速で衝突させて成膜させる装置です。これによって量子ドットの構造を壊さずに、有機分子だけを除去して任意の厚さの均一な膜を作製できるようになりました。

作製した量子ドットの堆積膜は残留有機物がほとんどなく全無機化できており、元の溶液と堆積膜は同様の発光スペクトルを示すことを確認しています。すなわち、無機化することによって、粒子サイズのそろった良質な無機の量子ドット膜を半導体デバイスの製造プロセスに適用させることが可能になったのです。

イオンビーム堆積の過程
コロイダル量子ドットイオンビーム堆積装置のシステム

発光デバイスとして動作実証へ

イオンビーム堆積装置で作製した量子ドットの無機EL素子

コロイダル量子ドットは、従来も有機物を含んだ状態で液晶ディスプレイのバックライト用LEDの蛍光体や、照明用の白色LEDなどに使われてきました。しかし、量子ドット膜を無機化することによって、寿命や耐久性なども向上するため、今後は「無機エレクトロ・ルミネッセンス(EL)ディスプレイや、次世代の量子ドットディスプレイなどに展開できるかもしれない」と、小林特任教授は期待しています。
すでに発光層に量子ドットを使った無機EL型の素子を試作し、発光を確認しています。今後はLEDやレーザーダイオード構造に作り込んで動作を実証し、従来のデバイスと同等の発光効率を得ることを目指しています。

量子暗号通信への応用も

ほかに、国家プロジェクトとして、コロイダル量子ドットを使った太陽電池の研究にも取り組んでいます。量子ドット太陽電池は理論的な変換効率が約60%と高く、次世代の太陽電池として注目されています。また、通信用の光源としても利用可能で、例えばコロイダル量子ドットが持つ「マルチエキシトン」という特殊な性質を利用すれば、実用化間近といわれる量子暗号通信などへの応用も将来見込めるそうです。
量子ドットは日本で生まれた新素材であり、半導体工学の研究者らが30年以上にわたって研究を積み重ねてきました。一方、コロイダル量子ドットの研究は米国が主流で、日本では必ずしもメジャーな研究対象ではありません。小林特任教授は、すでに装置メーカーと組んでイオンビーム堆積装置の製品化の準備を進めており、「コロイダル量子ドットを無機化する日本発のこの新たな手法で、広く産業に展開していきたい」と意気込んでいます。

【取材・文=藤木信穂】

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