多重結合ナノ構造の自己組織的形成とその高集積・高温動作量子デバイスへの応用

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11750247
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 藤倉 序章 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70271640)
• Keywords: 量子細線 / 量子ドット / 多重結合ナノ構造 / 分子線エピタキシー選択成長法 / InP系InGaAs / InAlAs / 自己組織的形成 / 量子デバイス / 単電子デバイス

Research Abstract

本研究では、分子線エピタキシ選択成長法を、量子デバイス形成に必須な多重結合ナノ構造形成に適用し、これを量子デバイスへ応用することを検討した。本研究で得られた成果の概略を以下に記す。
(1)多重結合ナノ構造の基本となる単独のInGaAs量子細線およびInGaAs量子ドットを、加工InP基板上へ分子線エピタキシ(MBE)法に基づく選択成長法により実現する条件を確立した。
(2)量子構造の寸法をナノメーターレベルで制御する手法を確立し、実効閉込めサイズが10nm以下のInGaAs量子細線および量子ドットの形成に成功した。また、基板クリーニングプロセスの改良により、量子構造の構造不均一を1nm以下に抑制することに成功し、極微細量子構造実現に対する見通しを得てた。
(3)上述の量子細線と量子ドットがトンネル障壁を介して結合した構造の形成に成功した。計算機シミュレーションによりこの構造が、直接単電子デバイスへ応用可能であることを示した。
(4)<110>および<510>方向に沿う3本の線状メサがY字状に結合したパターン上への選択成長により、量子細線Y字分岐構造を実現した。結合部分にはポテンシャル障壁が存在しないことを明らかにしている。
(5)細線-ドット結合構造による単電子トランジスタと、量子細線Y字分岐構造による2次元的配線を組合わせることにより、単電子デバイス集積回路の基本構造を、1度の選択成長により実現可能である。
以上の成果は、本研究で開発した加工基板上へのMBE選択成長法による多重結合ナノ構造の自己組織的形成法が、量子デバイス・単電子デバイス集積回路実現のための有望な手段となりうることを示している。

Research Products

• [Publications] H.Fujikura: "Control of Dot Size and Tunneling Barrier Profile in In_<0.53>Ga_<0.47>As Coupled Quantum Wire-Dot Structures Grown by Selective Molecular Beam Epitaxy on Patterned Substrates"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 421-424 (1999)
• [Publications] H.Hasegawa: "Molecular-Beam Epitaxy and Device Applications of III-V Semiconductor Nanowires "MRS Bulletin. 24・8. 25-30 (1999)
• [Publications] T.Muranaka: "Realization of InP-Based InGaAs Single Electron Transistors on Wires and Dots Grown by Selective MBE"Microelectronic Engineering. 47. 201-203 (1999)
• [Publications] T. Muranaka: "Size-Controlled Formation of Decananometer InGaAs Quantum Wires by Selective Molecular Beam Epitaxy on InP Patterned Substrates"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 1071-1074 (1999)
• [Publications] H.Fujikura: "Extra-Side-Facet Control in Selective Molecular Beam Epitaxial Growth of InGaAs Ridge Quantum Wires for Improvement of Wire Uniformity"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 1067-1070 (1999)
• [Publications] Y.Satoh: "Voltage Gain in GaAs-Based Lateral Single-Electron Transistors Having Schottky Wrap Gates"Japanese Journal of Applied Physics. 38. 410-414 (1999)
• [Publications] H.Fujikura: "Selective growth of quantum wire-dot coupled structures with novel high index facets for InGaAs single electron transistor arrays"Microelectronics Journal. 30. 397-401 (1999)
• [Publications] A.Hamamatsu: "Formation of <001>-Aligned Nano-scale Pores on (001) n-InP Surfaces by Photoelectrochemical Anodization in HCl"Journal of Electroanalytical Chemistry. 473. 223-229 (1999)
• [Publications] H.Sai: "Growth of Device Quality InGaP/GaAs Heterostructures by Gas Source Molecular Beam Epitaxy Using Tertiarybutylphosphine"Solid State Electronics. 43. 1541-1546 (1999)
• [Publications] N.Ono: "Study of Selective MBE Growth on Patterned (001) InP Substrates Toward Realization of <100>-Oriented InGaAs Ridge Quantum Wires"IOP conference series. No.162. 385-390 (1999)
• [Publications] T.Muranaka: "Selective MBE growth of InGaAs quantum wire-dot coupled structures with controlled double-barrier potential profiles"IOP conference series. 166. 187-190 (2000)
• [Publications] C.Jiang: "Vertical Barrier Layer Formation during Selective MBE Growth of InGaAs Ridge Quantum Wires on InP Patterned Substrates"Physica E. 7. 902-906 (2000)
• [Publications] H.Fujikura: "Formation of Device-Oriented InGaAs Coupled Quantum Structures by Selective MBE Growth on Patterned InP Substrates"Physica E. 7. 864-869 (2000)