【オールソーラーシステム完結論 ２０】
● 量子スケール工学（４）
国内大手の家電・ソーラーパネルメーカー（シリコン系）は今年に入り、軒並み、次世代ソーラーの変換効率
目標を２５％超へ照準を合わせた。中でも、量子ドット（量子スケール）シリコン結晶系ソーラーパネルの開
発研究（量子ドット型太陽電池）は、理論的には変換効率を６０％以上にまで高められ、実用化に向けた期待が高まっ
ている。周知のごとく、量子ドットの直径を変えることで、吸収する光の波長を制御する量子サイズ効果を利
用し、紫外光から近赤外光にわたって幅広い光を電力に変換することでエネルギー変換効率を高めることがで
きる高効率の量子ドット型太陽電池は、サイズの異なる量子ドットで、多層量子ドットアレイ構造作製するこ
とにより実現可能である。下図１０は、理想的な量子ドット型太陽電池の概念的断面図で、シリコン基板８１
上に母材となるＳｉＯ２膜８２中にサイズの異なるＳｉ量子ドット８４が順に整列している(富士通株式会社)。
また、上図１１・１２は、量子ドットサイズとバンドギャップの関係の説明図であり、Ｓｉの最高占有分子軌
道と最低非占有分子軌道は、分子、クラスター、ナノ粒子、バルクと原子の数が増加するにしたがって順次分
離する特性をもつ。右端に示すように、バルクになると各軌道が連続し、ＬＵＭＯ（最低非占有分子軌道）は
伝導帯となり、ＨＯＭＯ（最高占有分子軌道）は価電子帯となるので、集合する原子数を少なくすればバンド
ギャップが大きくなる。実際に、ＱＤＩＰ（Quantum Dot Infrared Photodetector：量子ドット型赤外線検知素子）
において、量子ドットのサイズが小さくなると吸収波長が短波長側にずれることが確認されている。図１２は
従来の量子ドット型太陽電池の製造工程の説明図であり、まず，図１２（ａ）に示すようにシリコン基板８１
上に、ＳｉＯ２膜８２とＳｉＯｘ（ｘ＜２）膜８３を交互に積層する。次いで、図１２（ｂ）に示すように、
熱処理を行うことでＳｉリッチなＳｉＯｘ膜８３中でＳｉ量子ドット８４が析出して、量子ドットアレイ構造
が形成される。このようなＳｉＯｘ膜８３中でのＳｉ量子ドット８４の析出は、ＳｉＯ２と比較してＳｉリッ
チなＳｉＯｘの構造が不安定であり、ＳｉとＳｉＯ２に分離した方がより安定となるために起こる現象である。
なお、ＳｉＯｘ膜８３はＳｉ量子ドット８４の析出によりほぼＳｉＯ２組成の酸化シリコン膜８５となる。
しかし、従来の製造方法では作成される量子ドットのサイズや位置のバラツキが大きいため、デバイスを作成
した際に特性のバラツキを生じてしまうという問題があり、その事情を上図１３を参照して説明する―図１３
に示すように、従来の方法では、熱処理前に大きさの揃ったＳｉクラスターは存在しないので、熱処理による
ＳｉＯｘ層８３中でのＳｉ量子ドット８４の形成は偶発的に起こるもので、形成されるＳｉ量子ドット８４の
サイズもバラツキが大きくなる。したがって、量子ドットアレイデバイスの製造方法において、形成されるＳi
量子ドットのサイズや位置の制御が目的となる。
開示する一観点からは 基板上に化学量論比の組成ＳｉＡからなる第１の層を成長させる第１の成膜工程と、第
１の層上に化学量論比よりＳｉリッチな組成ＳｉＡ１−ｘ（ｘ＜１）からなり、内部に面内方向位で位置制御さ
れたＳｉクラスターを含む第２の層を成長させる第２の成膜工程とをＳｉクラスターが積層方向で互いに投影
的に重なるように交互に成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造を熱処理することで、Ｓｉクラスタ
ーを成長核としてＳｉ量子ドットを成長させる工程とをもつことを特徴とする量子ドットアレイデバイスの製
造方法で、この開示の量子ドットアレイデバイスの製造方法では、形成されるＳｉ量子ドットのサイズや位置
を制御することが可能となり、量子ドットアレイデバイスの特性のバラツキを少なくすることができるという
新規考案である。
● 事例１
次に、上図２・３を参照し、実施例１の量子ドットアレイデバイスの製造工程が説明されている。図２（ａ）
に示すように、Ｓｉ基板１１上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さが２ナノメートルのＳｉＯ２層１２を堆
積した後、引き続いて、厚さが４ナノメートルのＳｉリッチなＳｉＯｘ層１３を堆積。なお、ｘ＝１．００と
する。次いで、図２（ｂ）に示すように、クラスターイオンビーム法を用いてＳｉ原子数が１００個のＳｉク
ラスター１４をＳｉＯｘ層１３上に３０ナノメートルのピッチで堆積させる。次いで、図２（ｃ）に示すよう
に、厚さが４ナノメートルのＳｉリッチなＳｉＯｘ層１５を堆積する。次いで、図２（ｄ）に示すように、厚
さが２ナノメートルのＳｉＯ２層１２を堆積した後、引き続いて、厚さが４メートルのＳｉリッチなＳｉＯｘ
層１３を堆積している。
次いで、図３（ｅ）に示すように、Ｓｉクラスター１４の堆積、ＳｉリッチなＳｉＯｘ層１５の堆積、ＳｉＯ２
層１２の堆積、及び、ＳｉリッチなＳｉＯｘ層１３の堆積を交互に繰り返すことによって、積層構造１６を形
成する。繰り返し数は６回とする。 次いで、図３（ｆ）に示すように、１１００℃で熱処理することによっ
て、Ｓｉクラスター１４を成長核としてＳｉ量子ドット１７を析出させる。この時、ＳｉＯｘ層１３及びＳｉ
Ｏｘ層１５は一体化してほぼＳｉＯ２組成の酸化シリコン層１８となる。このように、本発明の実施例１にお
いては、クラスターイオンビーム法を用いてクラスターサイズの揃ったＳｉクラスターを位置制御して堆積さ
せているので、熱処理により析出するＳｉ量子ドットの位置とサイズを精度良く制御することが可能になる。
● 事例２
次に、図４・５を参照して、本発明の実施例２の量子ドットアレイデバイスの製造工程を説明する。まず、図
４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さが２ナノメートルのＳｉＯ２層
１２を堆積した後、引き続いて、厚さが１０ナノメートルのＳｉリッチなＳｉＯｘ層１９を堆積する。なお、
ｘ＝１．００とする。次いで、図４（ｂ）に示すように、クラスターイオンビーム法を用いてＳｉ原子数が
１万個のＳｉクラスター２０をＳｉＯｘ層１９中に３０ナノメートルのピッチで打ち込む。次いで、図４（ｃ）
に示すように、厚さが２ナノメートルのＳｉＯ２層１２を堆積した後、引き続いて、厚さが９ｎｍのＳｉリッ
チなＳｉＯｘ層２１を堆積する。
次いで、図５（ｄ）に示すように、ＳｉリッチなＳｉＯｘ層２１中にＳｉ原子数が５０００個のＳｉクラスタ
ー２２を３０ナノメートルのピッチで打ち込む。ＳｉＯ２層１２の堆積、ＳｉリッチなＳｉＯｘ層の堆積、Ｓｉ
クラスターの打ち込みをＳｉＯｘ層の厚さが順次薄くなり、ＳｉクラスターのＳｉ原子数が順次少なくなるよ
うに交互に繰り返すことによって、積層構造３１を形成する。繰り返し数は６回とし、図における符号２３，
２５，２７，２９はＳｉリッチなＳｉＯｘ層であり、符号２４，２６，２８，３０はＳｉクラスターである。
次いで、図５（ｅ）に示すように、１１００℃で熱処理することによって、Ｓｉクラスターを成長核としてＳｉ
量子ドット３２〜３７を析出させる。この時、ＳｉＯｘ層１９，２１，２３，２５，２７，２９はほぼＳｉＯ2
組成の酸化シリコン層３８〜４３となる。このように、事例２では、クラスターイオンビーム法を用いてクラ
スターサイズの揃ったＳｉクラスターを位置制御して打ち込んでいるので、熱処理により析出するＳｉ量子ド
ットの位置とサイズを精度良く制御することが可能になる。また、ＳｉリッチなＳｉＯｘ層の堆積工程を半分
にすることができる。また、Ｓｉ量子ドットのサイズを積層方向に沿って順次小さくしているので、広い波長
範囲で感度を有する太陽電池を構成することが可能になる。
● 事例４
次に、下図８・９を参照して、本発明の実施例４の量子ドットアレイデバイスの製造工程を説明する。まず、
図８（ａ）に示すように、ｎ型ＳｉＣ基板６１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて厚さが２ナノメートルのＳｉＣ層
６２を堆積した後、引き続いて、厚さが２ｎｍのＳｉリッチなＳｉＣｘ層６３を堆積する。なお、ｘ＝０．５
とする。次いで、図８（ｂ）に示すように、開口部６５を有するレジストパターン６４を設ける。次いで、図
８（ｃ）に示すように、レジストパターン６４をマスクとしてクラスターイオンビーム法を用いてＳｉ原子数
が１００個のＳｉクラスター６６をＳｉＣｘ層６３中に３０ナノメートルのピッチで打ち込む。図９（ｄ）に
示すように、レジストパターン６４を除去した後、ＳｉＣ層６２の堆積、ＳｉリッチなＳｉＣｘ層６３の堆積
及び、Ｓｉクラスター６６の打ち込みを交互に繰り返し、最後にｐ型ＳｉＣ層６７を成膜することによって、
積層構造６８を形成する。繰り返し数は６回とする。
次いで、図９（ｅ）に示すように、１２００℃で熱処理することによって、Ｓｉクラスター６６を成長核とし
てＳｉ量子ドット６９を析出させる。この時、ＳｉＣｘ層６３はほぼＳｉＣ組成の炭化シリコン層７０となる。
この時、Ｓｉ量子ドット６９のサイズはＳｉＣｘ層６３の厚さに規定されて２ｎｍ程度の粒径になるので、７
３０ナノメートルの単色光に近い狭い波長帯で発光する赤色発光ダイオードとなる。このように、事例４では
母材を半導体で構成しているので、サイズの揃った量子ドットによる単色発光ダイオードを実現することがで
きるという。
以上、長々と掲載してしまった。この作業の間、疲れの睡魔に何度も、何度も襲われてしまい、作業を中断。
アルコールの力も借りなんとか記載できた。多忙を極めた彼女は彼女で、無理をせずコンビニで加工食品を買
って用をたせばいいのにと忠告したにも拘わらず、夕食仕度の途中、包丁で指先を切傷していた。こんなこと
も、ここ暫くは続くだろう。