【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】22241036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体超格子 / 量子ドット / テラヘルツ / 半導体量子構造 / 超格子 / 単一電子トランジスタ / 量子効果 / 微小共振器 / サブバンド間遷移 / ブロッホ振動

【研究成果の概要】

我々は、半導体量子構造を強いテラヘルツ電磁場の中に置き、その量子伝導を制御することを目的として研究を行った。主な成果は以下の通りである;1)半導体超格子に強いテラヘルツ電磁波を照射することにより、高電界ドメインの発生を抑制することに成功した。2)量子ドットにナノギャップ電極を形成することにより、量子ドットとテラヘルツ電磁波の強い結合を実現し、テラヘルツ光子支援トンネル効果により単一電子の伝導を制御することに成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】47,580千円 (直接経費: 36,600千円、間接経費: 10,980千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】17360135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 自己形成法 / 希釈窒化物半導体 / 歪み制御 / 分子線エビタキシー / 高効率太陽電池 / 歪み補償成長法 / 分子線エピタキシー / 超格子 / 歪み報償法 / 自己組織化量子ドット / GaInNAs / 窒素ラジカル / 光エレクトロニクス

【研究成果の概要】

(1) GaNAs希釈窒化物半導体を用いて自己組織化lnAs量子ドットの多重積層化に関する研究を行った。GaNAsの格子定数は、少量の窒素の添加によりGaAsの格子定数より小さくできるため、量子ドット部で残留する圧縮歪みとは逆向きの引張り歪みにより歪みを補償することが可能となり、平均的な歪みエネルギーを相殺させることができる。成長条件の最適化を行った結果、30層以上の多重積層量子ドット構造を作製し、10^<12> cm^<-2>台の超高密度な多重積層量子ドット構造を実現することに成功した。
(2)最適化されたイオン除去電極の下で活性なイオン種を取り除きGaInNAs量子ドットを作製する方法を研究した。また発光特性の改善を目的としてGaAsSb歪み緩和層で埋め込む構造を検討した。埋め込み層であるGaAsSbの格子定数をGaAsとGaInNAsの間になるように制御することにより、GaInNAs量子ドットに加わる局所的な歪みを低減できるため、長波長側での発光や、ヘテロ界面で発生しやすい非発光再結合中心を減少させることが期待できる。加えて、GaAsSbとGaInNAsとのバンドオフセットの観点から、量子閉じ込めが強い状態を維持でき、発光強度の温度依存性が改善できると考えられる。本研究では、GaAsSb歪み緩和層を用いてGaAs(001)基板上に自己組織化Ga_<0.6>In_<0.4>N_<0.012>As_<0.988>量子ドットを作製し、発光特性について評価を行った。GaAs_<0.821>Sb_<0.179>歪み緩和層の導入による成長後の表面は非常に平坦なものが得られた。また歪み緩和層の導入により発光ピークが長波長化し発光強度も増大した。したがってGaInNAs量子ドット部での局所的な歪みの緩和、及びヘテロ界面の品質が改善されたことから、長波長帯光デバイスへの応用が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】9,510千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 210千円)

【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】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】07044120 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メソスコピック / 量子ナノ構造 / 量子ドット / 超格子 / 共鳴トンネル / 単一電子 / 一次元構造 / 半導体

【研究成果の概要】

本年度は以下の研究を行い成果を得た。
(1)半導体超微細加工プロセス・評価技術に関しては,選択的結晶成長法や電子線描画装置を用いて,10nmサイズの極微細構造を作製するプロセスを確立した.また,減圧下での結晶成長法を用い,10nm以下の半導体量子ドット構造を自然形成させる技術の開発にも成功した.これらの半導体微細構造は,GaAsやInAsなどの化合物半導体のみならず,Siにおいても作製に成功している.
(2)メソスコピック領域の電子物性の研究では,まず強磁場中の二次元電子系について検討し,素子境界付近に形成されるエツジ状態のコヒーレンス長が極めて長いことを初めて実験的に示した。また量子ホール効果が電流増加に従いブレークダウンする機構を明らかにした.量子ホール効果状態にある半導体ヘテロ構造中の2次元電子系の電気抵抗が遠赤外光の照射に伴い敏感に変化することを発見し,その機構を明らかにするとともにこの効果を超高感度遠赤外線検出器として利用できる可能性があることを示した.
(3)新高機能デバイスの探索では,種々の新しい概念をもつデバイスの研究で成果をあげた.まず,InAs量子ドットをチャネル近傍に埋め込んだ新しいトランジスタ構造を作製し,量子ドットの帯電効果をメモリーとして用いることができることを示した.また,同様の構造をSiでも作製し,将来の集積回路応用が可能なメモリデバイスの動作を室温で確認した.一方,極微細量子ドットをチャネルとするシリコン・トランジスタを作製し,単一電子のトンネル現象を室温において観測することに成功した.また,ドット内の量子準位間隔を実験で求め,単一電子帯電効果だけでなく量子効果も大きな役割を果たしていることを明らかにした.

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】06452103 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコンゲルマニウム / 量子井戸 / 量子細線 / 量子ドット / 隣接閉じ込め構造 / 間接遷移型半導体 / 超格子

【研究成果の概要】

本研究では、次世代の高機能半導体集積回路として期待される、光電子集積回路の実現に大きく寄与すると予想される、良質な光学特性を有するシリコン系超構造半導体の開発に取り組んだ。その結果、Si/pure-Ce/Si量子井戸において成長様式と光学特性に強い相関があることが明らかになった。Geの量変化に対する2次元量子井戸の発光ピークの変化(量子閉じ込め効果)、島に付随した発光帯の出現、の両者を観測することにより、島状成長の臨界膜厚は3.7MLと求められた。島からの発光にも量子閉じ込め効果が観測され、量子ドット的な性格を持つことがわかった。また、室温においても量子ドットからの発光が観測された。1.0ML以下のGe層の光学特性について詳細に調べたところ、成長方向への厚みは一定であるにも関わらずエネルギーシフト(量子閉じ込め効果)が観測された。これはステップ端に集まったGe細線の幅の変化によるもの、即ち面内量子閉じ込め効果であることがわかった。Geの量が0.37ML以上下の試料に関して励起子分子の形勢、状態密度の増加が見られた。これらはGe量子細線の形成によるものと考えられる。また、成長様式の変化によって生じた島が、周囲の構造に歪みを印加しポテンシャル変調を引き起こすこともわかった。また、隣接閉じ込め構造という、電子と正孔を空間的に分離して閉じ込める新しい量子構造を提案し、SiGe系およびAlGaP系において飛躍的に発光効率を向上させることを示した。特にSiGe系においてはフォノンを介在しない発光が選択的に強くなり、今後の発光デバイスへの応用は期待できる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)