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Ⅲ-Ⅴ族半導体量子ドットネットワーク構造の創製と量子デバイスへの応用

研究課題

研究課題/領域番号 22K04196
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分21050:電気電子材料工学関連
研究機関電気通信大学

研究代表者

山口 浩一  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (40191225)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワード量子ドット / インジウム砒素 / 電子的結合 / 量子ドットネットワーク / トンネル注入 / 光伝導 / 電子的強結合 / ミニバンド形成 / 分子線エピタキシー / フォトルミネッセンス / 2次元物質 / 均一エネルギー幅 / 量子デバイス / III-V族半導体 / 結晶成長
研究開始時の研究の概要

人工原子とも呼ばれる半導体量子ドットは、次世代の情報通信デバイスや高効率エネルギー変換デバイスなどへの応用が期待されている。本研究では、量子ドット材料とその構造の多様化に向け、各種基板材料上に分子線エピタキシー法により、多種のⅢ-Ⅴ族化合物・混晶半導体((Al,Ga,In)-(As,N,Sb)系)の面内超高密度量子ドットの自己形成法を確立するものである。さらに、酸化膜中に埋め込んだ面内超高密度の量子ドット人工原子層から成る新たな2次元人工原子層物質の創製およびその新奇光電子物性の発現と新たな量子デバイスへの応用展開を拓く。

研究実績の概要

令和5年度の主な研究実績は、InAs量子ドットネットワーク構造への電流注入を行うための局所的な電極用ナノドット構造の作製とそのトンネル電子注入の検証実験を行ったことである。その研究成果は、2023年10月にJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載された。
本研究課題では、量子ドットネットワーク構造に多数の電極を配置し、各電極の組合せによる複数の入力信号(電極間の量子ドットネットワーク構造への電流注入)による出力の非線形特性を調べ、リザバーコンピューテイングへの応用を検討している。本研究課題の前年度の成果として、この面内超高密度量子ドット構造では、隣接量子ドット間の強結合状態が観測され、量子ドットの面内伝導が期待されており、令和5年度は、この面内超高密度量子ドットに局所的に電子注入を実現するために、2重積層InAs量子ドット構造を作製し、上部のInAs量子ドット層に5 nmのGaAs埋め込み層を成長した後、熱処理を施すことにより量子ドット上部にナノホールを自己形成する手法を用いた。試料表面にAu薄膜電極を蒸着することにより、Au/InAsドットが電極用ドットとして作用し、その直下のInAs量子ドットへのトンネル注入による共鳴コンダクタンス特性を観測した。
また、面内超高密度量子ドットネットワーク構造に945 nm光を照射し、その光伝導特性を調べた結果、量子ドット準位を介した2段階光励起効果および量子ドット層の面内伝導特性を確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究で開発している面内超高密度量子ドット層の光電子物性について知見が順調に積み上げられている。量子ドットネットワーク構造としての隣接量子ドット間の相互作用による電子的強結合状態が検証され、光電子物性の基本的理解が進んできた。その基礎を土台として、量子ドットネットワーク構造のリザバーコンピューテイングへの応用に向けた展開が期待される。

今後の研究の推進方策

面内超高密度量子ドット層における面内強結合状態による特異な光伝導特性をさらに調べ、電子の量子ドットへのメモリ効果、ヒステリシス特性、光応答特性を明らかにすることで、量子ドットネットワーク構造を用いた物理リザバーコンピューテイングへの応用展開を図る。具体的なデバイス構造の設計と作製技術の構築を進め、試作デバイスでの特性評価の解析を進める。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Resonant Tunneling Injection of Electrons Through Double Stacked GaAs/InAs Quantum Dots with Nanohole Electrode2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakazato, N. Miyashita and K. Yamaguchi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 11 ページ: 1120051-6

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad0677

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Demonstration of in-plane miniband formation in InAs/InAsSb ultrahigh-density quantum dots by analysis of temperature dependence of photoluminescence2022

    • 著者名/発表者名
      Tatsugi Sho、Miyashita Naoya、Sogabe Tomah、Yamaguchi Koichi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: 10 ページ: 102009-102009

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac9349

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Anomalous Photoluminescence Properties due to Strong Coupling of InAs/InAsSb In-Plane Ultrahigh-Density Quantum Dots2024

    • 著者名/発表者名
      Sim jui Oon, Naoya Miyashita, Koichi Yamaguchi
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] InAs/InAsSb面内超高密度量子ドット層の光伝導特性2024

    • 著者名/発表者名
      大山琢未,荒尾光哉,宮下直也,山口浩一
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Photoluminescence Properties of InAs/InAsSb In-Plane Ultrahigh-Density Quantum-Dot Layer with In-Plane Enenrgy Miniband2023

    • 著者名/発表者名
      Sim Jui Oon, N. Miyashita and K. Yamaguchi
    • 学会等名
      Compound Semiconductor Week 2023 (CSW-2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 近接積層InAs量子ドットにおける共鳴トンネル伝導2023

    • 著者名/発表者名
      中里雄次,宮下直也,山口浩一
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Abnormal Temperature Dependence of Photoluminescence Properties of In-Plane Ultrahigh-Density InAs/InAsSb Quantum-Dot Layer2023

    • 著者名/発表者名
      Sim jui Oon, Naoya Miyashita, Koichi Yamaguchi
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 面内超高密度InAs量子ドットの成長技術とその半導体レーザ応用2022

    • 著者名/発表者名
      山口浩一,田中元幸
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサイエティ大会・シンポジウム「将来の光デバイスに向けた成長及びプロセス要素技術の最新動向」
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [備考] 国立大学法人電気通信大学 山口浩一研究室

    • URL

      http://www.crystal.ee.uec.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] 国立大学法人 電気通信大学 山口浩一研究室

    • URL

      http://www.crystal.ee.uec.ac.jp/top.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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