2012 Fiscal Year Research-status Report
量子ホール電子スピンイメージングによる半導体ポテンシャルゆらぎの高感度あぶり出し
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24654083
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
音 賢一 千葉大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (30263198)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2014-03-31
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| Keywords | 半導体 / メゾスコピック / スピンエレクトロニクス / 量子ホール効果 / 2次元電子系 / 電子濃度ゆらぎ |
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| Research Abstract |
近年の極めて微細な構造をもつ半導体デバイスでは、材料の高品質半導体中の電子濃度などの特性パラメータの空間的均一性が重要であるが、汎用の半導体評価法では、マクロなスケールで平均化された量しか得られない。本研究では、半導体２次元電子系を低温・磁場下で量子ホール状態とする。このとき電子によるポテンシャル遮蔽効果が効かない特異な性質と電子スピンの偏極度が、局所的な電子状態を極めて鋭敏に反映すること用いて、２次元電子系の電子濃度の局所的ゆらぎの程度とその空間分布について光磁気カー効果を用いた電子スピン偏極度の高感度計測とそのイメージングにより調べる。高品質な２次元電子系半導体を対象に、遮蔽効果のベールを引き剥がした真の半導体評価法としての定性的・定量的能力を探ることを目標とする。
１、現有のKerr効果を用いた低温強磁場での電子スピン偏極度のイメージング装置をさらに高感度化し時間的安定度を高めるため、光学系の小型化・高剛性化を図り、1/ｆ雑音の抑制のため信号を高周波ロックイン検出法により行えるように改良した。
２、空間分解能の向上のため高NAのレンズを用いた光ヘッド部分の改良試作を行った。これらの改良により、0.1％以下の僅かな電子濃度ゆらぎについて再現性良く可視化できることを実証した。これらの成果について、H24年度に開催された半導体物理学国際会議(ICPS2012)、強磁場中の半導体物理国際会議(HMF20)の主要な国際会議や国内学会等で成果発表を行って内外の研究者と議論した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、半導体２次元電子系を低温・磁場下で量子ホール状態として、そのときの電子スピン分極状態を光学的に精査しマッピングすることで、通常用いられる電子移動度には表れない「極わずかな電子濃度の揺らぎの程度」と「その空間分布」の計測を行う。従来の半導体評価法では伝導電子そのものによる遮蔽効果のためデバイスを作製するまではこのような乱れは本質的に検知できないが、本研究はこの隠された乱れを量子ホール効果を用いてあぶり出すという斬新なアイデアを基にして、新しい半導体の真の品質の評価法として確立することを目指すものである。現在まで以下の３項目について実験的検討を行った。
１、電子濃度のゆらぎの程度と分布の計測に対する、本方法の定量性の実証について、１ミリメートル四方程度のサイズのGaAs半導体２次元電子系内の0.1％以下の電子濃度のゆらぎの分布について分解能4ミクロンで可視化できることを実験的に確認した。さらに光学ヘッド部の改良を行うことで空間分解能１ミクロン程度までの向上が見込まれる。
２、電子濃度ゆらぎの検出感度の更なる向上と高い再現性の確保について、現有のKerr効果による電子スピン偏極度のイメージング装置をさらに高感度化するとともに時間的安定度をより高めるべく改良を行った。光学系の小型化・高剛性化による振動ノイズの除去、温度ドリフトの影響を避ける偏波保存ファイバーの光軸合わせの方法の開発、1/ｆノイズの低減のため高周波ロックイン検出法の採用などを実施した。
これらの装置改良により、時間的に安定したKerr回転計測イメージングが可能となったので次年度には様々な電子濃度揺らぎを持つ試料を系統的に計測し、電子濃度揺らぎの程度の評価手段としての定量性を検証する段階にまで進展させることができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度にほぼ完成させた高感度Kerr効果イメージング装置を用いて、２次元電子系のポテンシャル揺らぎの程度を人工的に変化させた試料を作製して測定を行うことにより、本研究の半導体評価法としての有効性を実証する。具体的には、純良半導体結晶からなるGaAs/AlGaAs２次元電子系試料に対してエッチング、陽極酸化法やイオン照射などを用いて、揺らぎのエネルギースケールとその空間分布を制御した人工のポテンシャル揺らぎを導入する。これを標準試料として用いて電子濃度揺らぎの計測の定量性とその再現性について検証する。
また、本手法がGaAs/AlGaAs２次元電子系だけでなく、InAs系、Si-MOS等のほか、新規な2次元電子系であるグラフェン等にも応用可能かどうかを調べる。特にグラフェン試料はすでに我々の研究室で作製・微細加工が可能であるので、様々な電子移動度を示すグラフェン試料における本手法の有効性についても実験的に調べる予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
本年度は、装置改良等を主に行ったため、一部に既存の装置や部品を活用することが可能であったため予定していた物品費の一部を翌年度に活用することができる。これらを含めて次年度は本格的にKerr回転イメージングの測定を実施して、半導体評価法としての定量性について検証する。本年度は主に液体ヘリウム・液体窒素などの寒剤費および半導体試料の加工のための試薬、光学部品などの消耗品の費用が主要な研究経費である。
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Research Products
(8 results)
