微細共鳴トンネル素子を用いた波動関数測定に関する理論的研究

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08650380
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 森 伸也 大阪大学, 工学部, 講師 (70239614)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 百瀬 英毅 大阪大学, 低温センター, 助手 (80260636) ; 森藤 正人 大阪大学, 工学部, 助手 (00230144) ; 濱口 智尋 大阪大学, 工学部, 教授 (40029004)
• Keywords: トンネル効果 / 量子ドット / クーロン相互作用 / 電子フォノン相互作用 / イオン化不純物 / 共鳴トンネル効果 / 厳密対角化法 / トンネル行列要素

Research Abstract

本年度は,昨年度作成した半導体ヘテロ構造中に作製された量子ドットにおける電子状態を厳密対角化の方法を用いて求めるプログラムを,磁場中の電子状態も計算できるように改良し,電子状態の解析ならびに,トンネル行列要素の見積もりを行った.さらに,量子ドットへトンネル入射した電子が,音響フォノンを放出して基底状態へと緩和する時間の計算も合わせて行った.また,従来の共鳴トンネル素子で観測されている不純物を介したトンネル電流から不純物に束縛された電子の波動関数を見積もる方法の見直しを図った.また,量子ドット列のモデル系として注目されている強磁場(成長方向に印加する)下におかれた半導体超格子のトンネル現象に関する理論的検討を行った.
以上述べたような研究の結果以下のようなことが分かった.
量子ドットにトンネル障壁を隔てて金属電極を設けた場合に流れるトンネル電流を見積もるため,電極層と量子ドットにおける波動関数の重なり積分を定義し,厳密対角化を用いて計算した電子状態を用いてその値を計算したが,重なり積分の値は,電極のフェルミエネルギーに非常に敏感であり,有意な結論を導くことが困難であることが分かった.
従来,共鳴トンネル素子で観測されている不純物を介したトンネル電流から不純物に束縛された電子の波動関数を見積もる際,束縛準位の波動関数の空間依存性をexp{-(γ/λ)^2}のようにガウス型で近似して行われてきたが,クーロンポテンシャル中の電子状態を遠距離でよりよく再現する指数型exp(-γ/λ)の波動関数を用いることにより,より実験結果を正確に記述できるようになった.また,エミッタ領域から電子が不純物準位へ遷移する過程を考慮すると,初期状態(アミッタ状態)でイオン化した不純物の影響を受けると予想されることから,エミッタにおける束縛状態の計算も合わせて行い,バイアス条件を精度良く見積もれるようになった.
強磁場下におかれた半導体超格子系の電気伝導に関して理論的検討を行った結果,音響フォノン反共鳴現象には,井戸間の行列要素のみに起因する成分以外にも,井戸内の重なり積分による形状因子も大きな寄与を示すことが分かった.また,単一の井戸内に電子がほぼ局在したようにみられる高いバイアス条件のもとでも,系の電流電圧特性に音響フォノンを介して擬弾性的に複数の井戸を飛び越える電流の寄与が大きく現れることや,擬弾性的に複数の井戸を飛び越える電流は,低温では音響フォノン放出によるものだけであるが,高温では音響フォノン吸収による成分も現れ,それらの温度特性は,反共鳴現象で決っていること,などがわかった.

Research Products

• [Publications] K.Moriyasu, S.Osako, N.Mori and C.Hamaguchi: "Effect of quantum confinement and lattice relaxation on eletronic states in GaAs/In_<0.2>Ga_<0.8>As/GaAs quantum dots" Japanese Journal of Applied Physics. 36. 3932-3935 (1997)
• [Publications] T.Ezaki, N.Mori, C.Hamaguchi: "Electronic structures in circular,elliptic,and triangular quantum dots" Physical Review B. 56. 6428-6431 (1997)
• [Publications] J.M.Feng, J.H.Park, S.Ozaki, H.Kubo, N.Mori and C.Hamaguchi: "Resonant optical-phonon assisted tunnelling in an asymmetric double-quantum-well structure" Semiconductor Science and Technology. 12. 1116-1120 (1997)
• [Publications] N.Mori, H.Momose and C.Hamaguchi: "Self-consistent approximation for electron-optical-phonon interaction in a quantum wire" Physica Status Solidi(b). 204. 268-271 (1997)
• [Publications] T.Ezaki, N.Mori, C.Hamaguchi: "Energy relaxation time of electrons in quantum dots" Physica Status Solidi(b). 204. 272-274 (1997)
• [Publications] S.Ozaki, J.M.Feng, J.H.Park, S.Osako, H.Kubo, M.Morifuji, N.Mori anc C.Hamaguchi: "Observation of resonant optical-phonon assisted tunneling in asymmetric double quantum wells" Journal of Applied Physics. 83. 962-965 (1998)