【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】17H01038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単一分子トランジスタ / テラヘルツ電磁波 / ナノギャップ電極 / カーボンナノチューブ / フラーレン / 量子ナノ構造 / 単一電子トンネル / テラヘルツ分光 / 単一分子 / 量子ドット / トンネル分光 / テラヘルツ / 単一電子トランジスタ / テラヘルツ／赤外材料・素子 / ナノワイヤー / テラヘルツ/赤外材料・素子

【研究成果の概要】

近年、ナノワイヤー、分子などナノ量子構造を用いてトランジスタを形成し、その中における電子のダイナミクスを応用して、エレクトロニクスに新しい局面を拓こうとする研究が重要となりつつある。しかし、ナノ構造の物性解明と制御に非常に有効なテラヘルツ（THz）電磁波と極微細なナノ量子構造との相互作用は極めて弱い。
本研究では、nmオーダーのギャップを有する極微金属電極をTHz電磁波に対するアンテナとして用いることにより、回折限界をはるかに超えてTHz電磁波を集光し、極微ナノ構造中の電子状態や伝導ダイナミクスを明らかにした。

【研究の社会的意義】

テラヘルツ電磁波の光子エネルギーは、単一分子やナノワイヤーなど極限ナノ構造内の様々なエネルギースケールと整合するため、電子状態やダイナミクスを明らかにするために適している。しかし、テラヘルツ電磁波の波長が100ミクロン程度と非常に長いため、ナノ量子構造に集光することができなかった。本研究では、原子スケールのギャップを有する電極をテラヘルツ電磁波のアンテナとして用いることにより、単一分子の振動によるテラヘルツ信号を読み出すことに成功した。本研究は「テラヘルツナノサイエンス」という新しい学問分野が立ち上がる大きなきっかけとなった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】43,420千円 (直接経費: 33,400千円、間接経費: 10,020千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】25246004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / テラヘルツ / 単一電子トランジスタ / ナノ構造 / 量子ナノ構造 / 量子準位 / 帯電エネルギー / テラヘルツ電磁波

【研究成果の概要】

自己組織化InAs量子ドット中では、軌道間の量子化エネルギー差や帯電エネルギーが、テラヘルツの光子エネルギーに相当する。しかし、一般にテラヘルツ電磁波の波長に比べ、量子ドットのサイズが非常に小さいため、通常のテラヘルツ透過測定では単一量子ドットの信号を得ることは不可能である。本研究では、ソース・ドレイン電極をアンテナとして用いて、テラヘルツ電磁波を単一量子ドットに集光し、さらに同じ電極を用いて量子ドットを流れるテラヘルツ誘起光電流を計測することにより、量子ドットのサブレベル間エネルギーや帯電エネルギーなど、重要な電子状態のパラメータを決定することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】19560338 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子デバイス・集積回路 / 量子ドット / 単一電子トランジスタ / 超伝導 / 強磁性 / テラヘルツ電磁波 / 自己組織化 / インジウム砒素 / フォノン / 近藤効果

【研究成果の概要】

自己形成InAs(インジウム砒素)量子ドットは、先端光学デバイスや量子情報処理への応用が期待されている。本研究では、極微ギャップを有する金属電極により単一の量子ドットにアクセスし、その電子状態の制御と読み出しを電気的に行う技術の開拓と新規物性の解明に従事した。その結果、電子を1個の単位で制御可能な単一電子トランジスタを形成することに成功した。更に、この素子においては、電子スピン相互作用やクーロン相互作用、電極材料の物性(超伝導や強磁性)などを巧みに用いることで、新たな機能を付加することができることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】18201027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ制御 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / 分子素子 / 半導体超格子 / ブロッホ振動 / 量子ドット / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究では、電子とテラヘルツ電磁波との相互作用の詳細な検討から、バルク半導体や半導体超格子構造中の電子の特異な伝導ダイナミクスとそれがもたらす利得スペクトルを明らかにした。さらに利得を応用したテラヘルツ発振器の実現に向けたテラヘルツ共振器構造の試作と評価を行った。また、光の回折限界を大きく超えて、テラヘルツ電磁波で単一の量子ドットや分子の伝導ダイナミクスを測定するためのナノギャップ電極試料構造を作製し、ナノ領域特有の新規な伝導特性を見いだした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】51,870千円 (直接経費: 39,900千円、間接経費: 11,970千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】15206037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / 超格子 / ブロッホ振動 / トランジスタ / 量子ドット / 分子デバイス / フェムト秒分光 / 量子カスケードレーザ / 分子接合 / MEMS技術 / 超高速トランジスタ / 単一分子素子

【研究成果の概要】

本研究では、テラヘルツ(THz)電磁波の放射・吸収をプローブとして、量子ナノデバイスの伝導ダイナミクスを解明することを目的に研究を行い、以下のような主な成果を得た。
1)半導体超格子中の電子波束のダイナミクスと伝導・損失・利得の解明:半導体超格子中でブロッホ振動する電子が放射するテラヘルツ電磁波のスペクトルの解析から、電子の伝導度スペクトルがブロッホ周波数以下で負になることを示し、超格子中にブロッホゲインがあることを世界で初めて示した。さらに、電子のブロッホ振動の緩和機構が界面の凹凸散乱であることを明らかにした。
2)極短チャネルトランジスタ中の非定常伝導と超高電界伝導:極短チャネルトランジスタ中の電子の過渡的な振る舞いを理解するため、バルクGaAs中に光励起したキャリアが走行するときに放射するTHz電磁波からキャリアの過渡伝導の振る舞いを検討した。特に、50kV/cm以上の高電界領域では、電子加速に伴うTHz放射強度が電界とともに減少するという振る舞いを見いだした。さらに、フェムト秒光パルスでゲートに瞬間的な変化を与え、それに伴うドレイン電流の変化から放射されるTHz電磁波の波形を計測するという方法により、従来のネットワークアナライザでは測定ができない超高速トランジスタの遮断周波数を見積もることができることを明らかにした。
3)単一分子・量子ドット/ナノギャップ電極接合の伝導ダイナミクス:単一分子や単一量子ドットに金属電極を形成したナノ接合の伝導ダイナミクスの解明を目指したが、現段階では、直流での伝導は評価できたが、構造の不安定性により、THz分光にまでは到達することができなかった。この研究は、本研究をさらに継続・発展させる目的で申請した科研費基盤研究「量子ナノ構造系のテラヘルツダイナミクスの解明と制御に関する研究」(課題番号:18201027)で引き続き、検討を行っている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】38,350千円 (直接経費: 29,500千円、間接経費: 8,850千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】08555081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / 量子井戸 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

情報通信技術の発達はさまざまな電磁波領域の開拓を必要としてきている。これは単に情報量の増大のみならず、さまざまな情報のやりとりを実現するために要請されてきている。
本試験研究では、21世紀のテラビット級情報ネットワーク構築をめざした基礎技術として、コヒーレント・テラヘルツ電磁波発生のための半導体集積デバイスの開発研究を行い、テラヘルツもしくはフェムト秒テクノロジーという研究分野の実用化に寄与することをはかった。まず、絶縁性GaAs基板上にGaAsを低温成長しその表面および基板裏面に光導伝ダイポールアンテナを集積化し、フェムト秒レーザパルスを用いたポンププローブ法により、テラヘルツの発生と検出を行った。その結果感度を2.5倍向上させることができた。この結果は本素子の有効性を示すものである。さらに新しい原理のデバイスとして、半導体微小共振器と多重量子井戸を面型に組み合わせたしたコヒーレント・テラヘルツ電磁波発生用半導体集積デバイスを提案し素子設計を行った。また、これにもとづきMOCVD結晶成長により素子の試作を行った。その基礎実験を行った。本素子は、半導体量子井戸を有する微小共振器においてわれわれが1992年に世界に先駆けて見い出した励起子ポラリトン効果(量子井戸中の励起子と微小共振器中の光子のコヒーレント相互作用による真空ラビ振動)を利用したものである。フェムト秒分光システムによりポンプ・プローブ法により反射スペクトルを観測することにより、光を搬送波とする2テラヘルツ程度のテラヘルツ振動を観測することに成功した。
本研究により、集積テラヘルツ電磁波発生システムの基礎付けが行われ、マイクロ波フォトニクスにおける新たな展開をもたらす可能性を示唆することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】17,400千円 (直接経費: 17,400千円)