【研究領域課題番号】19K14627 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体量子ドット / フォトニック結晶共振器 / 集積量子光回路 / 量子ドット / ナノ光素子 / 共鳴励起 / 半導体量子光学 / 共振器量子電気力学 / 量子光学 / 半導体 / 光共振器

【研究成果の概要】

本研究では、半導体自己形成量子ドットとフォトニック結晶共振器を用いた共振器量子電気力学系に、転写プリント法を用いた異種物質集積の技術を用いて新たな機能を付与することを目的とした。その要素技術としてはCMOSプロセスにより作製された光導波路への量子ドット－フォトニック結晶共振器強結合系の集積、および光導波路による量子ドットの共鳴的な励起を実現することができた。これらの成果は本研究の目的を達成するうえで重要なステップとなるものである。

【研究の社会的意義】

近年発展の目覚ましい量子技術のなかでも、本研究は単一の量子系である半導体量子ドットとナノ光共振器の結合系を用いた共振器量子力学系に対し、新奇な集積手法を用いてそのさらなる多機能化を行ったものである。本研究は集積量子光回路という量子通信や量子計算などとも相性の良い系であるとされ、伸びしろの大きなものであるといえる。そのなかでもコヒーレントな量子操作を実現するためのナノフォトニック素子や高効率な光子の取り出しのための量子光素子といった重要な要素技術を開発した。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】13F03392 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / ナノファイバー / TEMPO / 量子ドット / 蛍光 / 半導体 / quantum dot / cellulose nanofibril / fluorescence / Linear arrays

【研究成果の概要】

当研究室で見出されたTEMPO酸化セルロースナノファイバー（TOCN）は、環境適合型の水系触媒反応で前処理され、低解繊エネルギーで、完全ナノ分散化が可能であり、約3nmと超極細幅の結晶性セルロースミクロフィブリルレベルにまで変換された新規バイオ系ナノ材料である。本研究では、TOCN表面に高密度で規則的にカルボキシル基のNa塩が存在する特異的ナノ構造を利用し、機能性ナノ半導体物質として注目されている量子ドット（Quantum Dot:QD)との複合化による、新規高機能材料の創製に向けた基礎的研究を進めた。試料として、表面にアミン基を有するQD資料を準備し、カルボキシル基をプロトン化したTOCNを水中に分散させ、中和反応によってTOCN表面のカルボキシル基の塩型で、QDナノ粒子をTOCN表面に結合させる最適条件を検討した。原子間力顕微鏡画像から、TOCN表面にQDナノ粒子がイオン結合を介して分布していることが確認できた。また、QDの粒子径によってQD複合化TOCNの水分散液は、紫外線照射によって波長の異なる蛍光を発した。また、QD複合化TOCN水分散液をキャスト－乾燥して得られるフレキシブル透明フィルムについても、紫外線照射によって特異的な蛍光色を示すことが確認でき、TOCN/QD複合化物が蛍光フィルムとして利用可能であることが明らかになった。また、TOCNとQDの結合状態を赤外分光法によって検討したところ、カルボキシル基の全てがQDのアミン基と塩結合を形成しているのではなく、一部のカルボキシル基が塩結合することでQDナノ粒子をTOCN表面上に固定化していることが判明した。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】24540316 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メゾスコピック系・局在 / 近藤効果 / 量子コヒーレンス / 非平衡統計力学 / スピントロニクス / メゾスコピック系 / 物性理論 / 量子ドット / 半導体 / 非平衡輸送特性 / 電子相関

【研究成果の概要】

不純物アンダーソン模型で記述される単一の量子ドットで、時間に依存する外場の影響およびバーテックス補正の効果を議論した。この計算は相互作用のある系の光支援輸送を理解するときの理論的な出発点を与えるとともに、高次の保存近似の出発点となる。そのほか、単一電子生成および単一光子生成における位相緩和の効果、局所的な二準位系を介した熱輸送、金属中のスピン拡散長とスピン局在長の関係などについても、理論的な考察を行った。分担研究者の阪野塁は高バイアス下不純物アンダーソン模型における非平衡輸送特性とSU(N)模型への拡張を行った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】22340077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光物性 / ナノ光学 / 表面プラズモン / フェムト秒パルス / 量子ドット / 時間分解分光 / AFM / チップ増強 / 半導体

【研究成果の概要】

増強度が104に達するチップ増強観測装置を組み上げ、いろいろな半導体超構造の発光過程を調べた。また、Geナノワイヤーのチップ増強ラマン散乱測定を行い、単一Geナノワイヤーにおけるフォノンの閉じ込め効果の空間分布、および、結晶化GeとアモルファスGeの濃度比の空間分布などを決定した。GaAs量子ドットにおいてコヒーレント制御の実験を行った。励起子のパワーブロードニング過程がコヒーレント制御できることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】19,630千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 4,530千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】22360032 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光制御 / スピントロニクス / 量子ドット / 円偏光 / フォトルミネッセンス / 発光ダイオード / 半導体 / 薄膜・量子構造 / 光物件 / エピタキシャル成長 / 光物性 / エじタキシャル成長

【研究成果の概要】

本研究は、1.3 ミクロン帯または可視光域で円偏光光源に応用可能な半導体の探索を目的とした。波長1 ミクロンより長波側の発光では、InAs コラムナー量子ドットが、波長1.06 ミクロンで3.42 ns の長いスピン緩和を示すことを明らかにし、また、InAs 高均一量子ドットが、面内異方性により基底準位から第二励起準位までいずれも安定な楕円偏光を示すことを初めて明らかにした。可視光域では、Ge 基板上の高Si ドープGaInP のドナーアクセプタ対の発光(687nm)のスピン緩和が210 ns と既報告の中で最も長いものの一つであることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】21244046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 量子ドット / 量子情報技術 / 光子－スピン量子インターフェース / 回路量子電気力学 / メゾスコピック系・局在 / 光子-スピン量子インターフェース

【研究成果の概要】

本研究課題では、量子ネットワークの構築や長距離通信を可能にする量子中継器の実現に向け、単一光子と量子ドット中の単一電子スピン間の量子転写に取り組んだ。まず理論提案に従って設計した量子井戸基板を使い量子ドットを作製してｇ因子を評価し、量子状態転写の条件を満たす量子ドットが実現できたことを明らかにした。このドットにおいて二重量子ドットの共鳴ドット間遷移を使った光生成単一電子検出を達成し、単一光子検出の信頼性を大きく向上させた。さらに2電子スピンのパウリ則と組み合わせて、識別度90％以上で光生成単一電子スピンを検出することに成功した。これらの成果により量子状態転写に向けて大きく前進した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2009-04-01 - 2014-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】20840011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グラフェン / 半導体 / ナノエレクトロニクス / スピントロニクス / 量子ドット / 物性理論 / ナノ材料 / 半導体物性 / スピンエレクトロニクス / グラフェン・ナノディスワ / グラフェン・ナノディスク

【研究成果の概要】

グラフェン及びグラフェン派生物質に付随する物理現象は,現在の物性物理で最も注目を集めている物の一つである.特に,グラフェンを一次元状に切り出したグラフェン・ナノリボンに関しては多くの研究がなされている.同様に重要な物質として,グラフェン・ナノディスクがある.これは閉じた境界を持つグラフェン派生物である.このナノディスクという新しい物理系の豊かな電磁的性質を明らかにし,バンド構造などの基礎的物性から,スピントロニクスなどの応用まで論じた.

【研究種目】若手研究(スタートアップ)

【研究期間】2008 - 2009

【配分額】2,977千円 (直接経費: 2,290千円、間接経費: 687千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】19340079 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ光学 / 半導体 / 量子ドット / 過渡現象 / 顕微分光 / 非線形光学 / フォトニック結晶

【研究成果の概要】

光照射された金属探針先端に誘起される表面プラズモンが生成する局在増強場を利用することにより、探針直下のナノメートルサイズの空間領域の物質のみを強く光励起することができる新しいナノ分光法である探針増強ナノ光学分光装置を作成するために、既存のSPMコントローラーを用いて金属探針を液体ヘリウム温度で任意の場所に移動させるシステムを作製した。空間分解能が数10nmの液体ヘリウム温度で動作するナノ分光装置がほぼ完成した。この装置を用いて実際にInGaN半導体表面からの発光やラマン散乱の増強度効果を調べて、この装置の性能を評価した。また、探針増強共鳴レイリー散乱光を調べることにより、ナノ領域の半導体の屈折率変化を観測できることをGe/Si量子ドット系を用いて実験的に示した。
半導体単一量子ドット内の励起子構造を調べるために顕微分光法を用いた測定も行った。光子相関法を併用することにより、GaAs単一量子ドット中の多励起子構造、特に励起子分子、電荷励起子分子状態の詳細を明らかにした。
GaAs多重量子井戸における重い正孔(HH)-軽い正孔(LH)励起子間相互作用のコヒーレント制御を4光波混合法を用いて行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13450135 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / シリコンMOSFET / 量子効果 / クーロンブロッケード / 単電子トランジスタ / 量子ドット / 共鳴トンネル / ナノテクノロジー / 不揮発性メモリ / しきい値電圧 / 保持時間 / シリコン / MOSFET / 移動度 / 量子輸送現象 / 揺らぎ

【研究成果の概要】

本研究の目的は、サイズ揺らぎを極力抑制したナノスケールMOSFETの物理現象の解明し、その物理現象の集積回路デバイスに積極的に応用することである。電子ビーム露光装置とエッチング技術により、10nm以下の極めて微細なナノデバイスを制御性良く作製する技術を確立した。この技術で作製したデバイスでは、室温のおいて明瞭に量子効果と単電子効果が現れる。量子効果は、電子の基底準位の上昇によるしきい値電圧の上昇という形で現れる。10nm以下にチャネルを狭窄化した狭チャネルMOSトランジスタでは,チャネル幅が狭いほどしきい値電圧が上昇する。この効果を利用して,ナノサイズのMOSトランジスタのしきい値電圧を制御する方法を提案した。また、計算の結果、チャネル幅10nm以下の狭チャネルMOSトランジスタにおいては、電子および正孔の移動度が上昇し、デバイス特性が向上することを明らかにした。一方、単電子効果はクーロンブロッケード振動として現れる。ソース・ドレイン間にシリコンドットが自然形成され、デバイスは単電子トランジスタとして振る舞う。単電子トランジスタでは、クーロンブロッケード振動により、ドレイン電流がゲート電圧の関数で振動する。振動の山谷比は室温において40以上、ドット系は約2nmである。この振動はシリコン系の単一ドット系単電子トランジスタとしては、世界最大である。また、シリコンドット中の量子効果により共鳴トンネルに起因する負性微分コンダクタンスも室温において観測された。これらの物理現象を利用して、単体の単電子トランジスタを用いて室温で2入力の論理動作を行うこと世界で初めて成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】14,800千円 (直接経費: 14,800千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)

【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】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】07405018 (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 / フォトニック結晶 / STM / レーザ / ピコ光パルス / 半導体 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

1982年に量子ドットレーザが提案されて以来、半導体ナノ構造構造の研究は急速に発展し、固体物理およびエレクトロニクスの研究分野に大きなインパクトをもたらしてきた。しかし、これまでの多大な努力にもかかわらず、形成技術や量子ドットの物性の解明が十分ではないため、現時点においては量子ドットレーザが当初予想されたような性能を実現するには至っていなかった。
本研究では、量子ドットの形成および物性物理の解明を踏まえて、量子ドットレーザの実現の基礎固めをはかることをめざしている。まず、量子ドットの新しい作製法として、選択成長を用い2次元V溝構造を形成しその中に量子ドットを成長させる手法を開発するとともに、自己形成量子ドットの作製技術の確立を行った。特に、前者においては垂直量子細線も形成可能であることを示すとともに積層構造も作製した。また、量子ドットの局所的評価手法として、近接場光学顕微鏡による量子ドットからの発光の観測を行い、強磁場における量子ドット中の電子のスピン分裂の観測に世界で初めて成功した。また、低温STMを用いたトンネル発光の実験を量子ドットについて初めて行い、単一量子ドットからの発光を確認するとともに分光に成功した。これらの結果はナノテクノロジー技術の開拓に重要なインパクトを与えるものである。さらに、量子ドット中のキャリアダイナミックスを時間分解測定により明らかにするとともに、微小共振器型量子ドットレーザの発振に成功し、ピコ秒光パルスの生成を行った。また電子とフォノンとの相互作用について理論研究を行い、いわゆるフォノンボトルネックは殆ど問題にならないことを初めて示した。2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案と解析をさらに進めた。さらに、以上の研究により次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにすることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】35,300千円 (直接経費: 35,300千円)