III-nitride semiconductor quantum dots (QDs) are attractive building blocks for efficient light emitters in blue/ultraviolet wavelength regions. They have the potential to realize single photon emitters (SPEs) operating at room-temperature, due to the strong electron confinement and large binding energy of excitons. Generally, semiconductor QDs including III-nitride semiconductor have been epitaxially grown via the so called Stranski-Krastanov (SK) growth process in which the strain is the driving force for the QD formation. Such technical development of the crystal growth has prompted the extensive development of QD-based devices.

However, the spontaneous formation nature of SK growth mode causes random distribution both in position and size, and seriously inhibits full exploration of their potential applications. In order to overcome such difficulties, various methods for control of QD positions have been extensively pursued particularly in III-V QDs: for instance embedding QDs in three dimensional nanostructures, growth of hetero structures in patterned openings, and top-down etching from two dimensional single quantum wells have been demonstrated. These are obviously advantageous for device integration into optical resonators, and fabrication of single QD-based photon emitters, photovoltaic devices.

Semiconductor nanowires have emerged as a promising platform to embed single QD. These are highly beneficial for the following reasons. First, the location of QD as well as the size can be predetermined by that of the nanowire. Second, the three dimensional geometry offers efficient light extraction. Moreover, small-diameter nanowires offer efficient strain relaxation in axial heterostructures and epitaxial structures grown on non-lattice-matched substrates. Also, the growth of a disk-like quantum dot in a nanowire allows the QD height as small as a few nanometers or less, which drastically reduces the influence of quantum confined stark effect (QCSE) in III-nitride heterostructures.

This thesis presents original research works on the crystal growth and optical characterization of site-controlled single GaN QDs in GaN/Al(Ga)N nanowires. Chapter 1 is the introduction of this thesis, in which an overview of research field on III-nitride QD and QD in nanowire structures is introduced.

In chapter 2, the general properties of III-nitride compound semiconductor are presented. After the introduction of structural properties, the electronic properties and the consequence optical properties will be given. These are extended to GaN/Al(Ga)N heterostructures in terms of the effect of built-in polarization.

In chapter 3, the experimental details on the crystal growth and optical characterization are described. In this work, the metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) system was used for the crystal growth. After the general description, the details of the MOCVD which the author has operated will be introduced. Next, the detailed information of the micro-photoluminescence (PL) measurement system for the single QD spectroscopy is given.

Chapter 4 describes the selective area growth of thin GaN nanowires by MOCVD. The growth of GaN nanowire having small diameter less than 50 nm is crucial for embedding GaN QDs. By exploring the growth conditions including material flow rates and pattern fill-factor in detail, the selective are growth of Ga-polar GaN nanowires with a diameter of 50 nm has been demonstrated. The diameter of GaN nanowire is thinnest ever reported in selective area growth to the best of our knowledge. It has been shown that an appropriate shell layer is effective to considerably improve the optical properties, suggesting the importance of controlling surface states.

Chapter 5 is devoted to the growth of site-controlled single GaN QDs in GaN/Al(Ga)N nanowires. The design of the sample structure such as substrates, crystal polarity of nanowires, surface morphology of the barriers was optimized aiming at maximizing the luminescence intensities of GaN QDs. More importantly, in order to nucleate a single GaN QD in a nanowire precise control of the GaN deposition and growth interruption which induces re-evaporation of GaN has been found to be crucial parameter. The optimized structures were analyzed by high-resolution transmission electron microscope (HRTEM), and the formation of a very tiny GaN QD with the thickness of around 1 nm in nanowire tip has been identified.

In chapter 6, the optical properties of the single GaN QDs in nanowires have been studied. The narrow PL peaks corresponding discrete density of states of QD have been observed. The measured values of linewidth are almost comparable or much less compared to those of conventional SK GaN QDs. From the excitation power dependent PL measurements, the excitonic and biexcitonic emissions have been observed for the first time in the selectively grown GaN QDs. The biexciton binding energy reaches up to +52 meV, which is believed to be the largest value ever reported in the III-V semiconductor QD system. The origin of the large binding energy might be originated from the large overlap between electron and hole wavefunctions in the small QDs. The temperature dependent PL measurements have been performed to verify the carrier confinement in the QDs. Surprisingly, the emissions from the single QD is observed even at room-temperature, revealing strong thermal stability. The activation energies and the exciton-phonon coupling coefficients are discussed. Further collaborative works on optical characterizations including photoluminescence excitation (PLE) measurements, photon correlation measurements are presented. The results in this chapter evidence that the GaN QDs exhibit intrinsic properties of QDs. The excellent optical properties suggest that the site-controlled GaN QDs in nanowires constitute a promising platform for not only the investigation of fundamental physics, but also the development of quantum optical devices based on nitride based nanostructures.

Finally, in chapter 7, conclusions of this thesis are presented. Implications of the results presented in this thesis are discussed. An outlook for the future research and development is also given.

III族窒化物半導体量子ドットは、深紫外から近赤外まで幅広い波長域をカバーでき、強い分極効果や大きな励起子束縛エネルギなどの特有な物性から注目を集めている。GaN量子ドットの形成には自己組織的な結晶成長手法が一般的であるが、この手法では形成位置や寸法の制御が困難である。一方で半導体ナノワイヤは選択成長法により形成位置が制御できるうえ、転位を含まない高品質な結晶成長が可能である。選択成長したナノワイヤの中にGaN量子ドットを挿入すれば、ドットの形成位置が容易に特定でき、量子ドット周辺の欠陥による影響を軽減することが期待できる。本論文は、「MOCVD Growth and Optical Characterization of Site-Controlled III-Nitride Semiconductor Quantum Dots in Nanowires (位置制御したIII族窒化物半導体ナノワイヤ中量子ドットのMOCVD選択成長とその光学評価)」と題して、有機金属気相成長(MOCVD)によるナノワイヤ中GaN量子ドットの選択成長手法の開発と形成した単一量子ドットにおける光学特性について論じており、全7章から構成され、英文で書かれている。

第1章では、「Introduction」と題して、III族窒化物半導体量子ドットおよびナノワイヤ中量子ドットの研究分野の発展と現状の研究情勢について論じ、本論文の目的と構成を示している。

第2章では、「General properties of III-nitride semiconductors」と題して、III族窒化物半導体の一般的な物理特性とそのヘテロ構造における構造的・光学的特徴を概説している。

第3章では、「Experimental and characterization techniques」と題して、本論文において結晶成長に用いたMOCVD装置と、光学評価に用いた顕微PL法について概説している。

第4章では、「Selective area growth of GaN nanowires」と題して、GaNナノワイヤの選択成長について論じている。量子ドットの挿入に重要な細いGaNナノワイヤを形成するための成長条件の最適化について述べられている。電子線描画法によりパターニングした基板上において材料供給量、パターン径依存性を詳細に調べることにより、直径50 nm、高さ約1.5 μm のGa極性GaNナノワイヤを形成している。さらにGaN/AlGaNコア・シェル構造の導入によりナノワイヤにおける表面準位が抑制可能であることを示している。

第5章では、「Growth of site-controlled single GaN QDs in nanowires」と題して、位置制御したナノワイヤ中GaN量子ドットの結晶成長について論じている。第4章で開発したGaNナノワイヤ選択成長技術をもとに、優れた発光S/N比(signal to noise ratio)を有する単一量子ドットの形成をめざしてサンプル構造の最適化をはかっている。具体的には、成長基板の選択およびシェル層、キャッピング層、GaN量子ドット層における成長条件の最適化について詳細な検討を行っている。形成した構造に対しては透過型電子顕微鏡(TEM)により、直径約10 nm、高さ約1 nmのGaN量子ドットの存在を確認している。さらに単一構造における光学測定では離散的な状態密度を反映した発光線を観測しており、発光波長から予想できるドットの高さがTEMの解析結果と良い一致を示すことが述べられている。

第6章では、「Optical properties of site-controlled single GaN QDs in nanowires」と題して、形成した位置制御単一GaN量子ドットにおける光学特性について論じている。形成したGaNナノワイヤ量子ドットは従来GaN量子ドットに比べて発光ピーク位置は高く、半値幅は小さいことから、従来ドットと同等の性能を有する小さいドットが形成できたことを示している。また半導体量子ドットとしては最大の束縛エネルギを有する励起子分子からの発光を位置制御GaN量子ドットでは初めて観測し、その起源について考察を行っている。さらに室温におけるPL発光を観測し、GaNナノワイヤ量子ドットにおける高い熱安定性を確認した。共同研究者らによって行われた、発光励起測定(PLE)によるドット内の励起準位の同定、ドットの非対称性に起因する励起子の大きな微細構造分裂、光子相関測定による低温での光子のアンチバンチングの結果を示し、MOCVD法により形成した位置制御GaN量子ドットにおける優れた光学特性を実験的に明らかにしている。

第7章では、「Conclusions and future prospects」と題して、各章の主要な成果をまとめて総括し、本論文の結論、及び将来展望について述べている。

以上これを要するに、本論文は、MOCVD選択成長法を用いることにより、位置制御された高品質ナノワイヤ中GaN量子ドットの形成技術の確立をはかるともに、GaN量子ドットの光学特性について論じ、III-V族量子ドットとして最大の励起子分子束縛エネルギを観測するなど、GaN量子ドットにおける量子効果の発現を明らかにしたものであり、電子工学に貢献するところが少なくない。

よって、本論文は、博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。