2次元電子ガスへの直接ショットキー接合を利用した量子構造の研究

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07837001
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 橋詰 保 北海道大学, 工学部, 助教授 (80149898)
• 研究分担者: 呉 南健 北海道大学, 工学部, 助手 (00250481) ; 赤沢 正道 北海道大学, 工学部, 助教授 (30212400) ; 長谷川 英機 北海道大学, 工学部, 教授 (60001781)
• キーワード: 量子構造 / 2次元電子ガス / ショットキー障壁 / インプレーンゲート / スプリットゲート / 量子細線トランジスタ / 単電子トランジスタ / ショットキーゲート

研究概要

本研究の目的は、半導体量子井戸中の2次元電子ガスへ直接ショットキー接合を形成し、その接合特性を理論的・実験的に解明するとともに、この接合をゲートとする電界制御によって、損傷のない新しい量子構造を実現することを目的としている。得られた主要な成果を以下にまとめる。
1)In-Situ電気化学プロセスによりAlGaAs/GaAsヘテロ接合における2次元電子ガス(2DEG)端に、直接ショットキー接合を形成する技術を開発し、これにより、インプレーンゲート量子構造を考案した。計算およびEBIC法による空乏層の直接測定やSdH振動の測定により、これらのゲート構造のゲート制御機能解析および構造の最適化を試みた。
2)インプレーンゲート形量子細線トランジスタを製作し、100Kまで、コンダクタンスの量子化が観測でき、新しいインプレーンゲート構造では、従来のスプリットゲート構造に比較して、電子の閉じこめポテンシャルが格段に大きいことが示された。
3)さらに、トレンチホールを持つAlGaAs/GaAsヘテロ接合2DEGバ-にインプレーンゲートを形成し、ゲート制御形電子波干渉デバイス(アハラノフ-ボ-ムリング)を作製した。ゲート制御によって、明瞭な磁気抵抗振動が3.3Kで観測され、その周期より、この振動がアハラノフ‐ボ-ム効果による振動であることが確認された。
4)AlGaAs/GaAsヘテロ接合2DEG系にインプレーンゲートを適用した、単電子トランジスタを作製した。試作デバイスは、すべて、低温で明確なクーロン振動およびクーロンブロッケード特性を示した。特に、ゲート間隔200nmの単一ドットデバイスては、クローン振動を、30kまで認めることができた。さら、ゲート間隔を、50nm程度にすると、77K-300Kでの動作が期待できることが計算によって示された。
5)AlGaAs/GaAsヘテロ接合2DEG系に新しいゲートを適用した2重単電子トランジスタを試作した。2重ドットデバイスでは、中央フィンガーゲートの電圧を変えると、コンダクタンスピークに、分離や融合の複雑な挙動が認められ、その振る舞いは、簡単な容量結合に基づく理論では説明し難く、特にピンチオフ近傍では量子閉じ込め準位の相互作用効果を考慮したモデルが必要であることが示唆された。

研究成果

• [文献書誌] T.Hashizume: "Quantum Transport in A Schottky In-Plane-Gate Controlled GaAs/AlGaAs Quantun Well Wires" Physica B. Vol. 227. 42-45 (1996)
• [文献書誌] H.Tomozawa: "Design and Fabrication of GaAs/AlGaAs Single Electron Transistors Based on In-Plane Schottky Gate Control of 2DEG" Physica B. 227. 112-115 (1996)
• [文献書誌] S.Shiobara: "Deep Level and Conduction Mechanism in Low-Temperature GaAs Grown by Molecular Beam Epitaxy" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1159-1164 (1996)
• [文献書誌] 長谷川 英機: "化合物半導体量子細線および量子ドットの製作" 光学. 25巻. 448-455 (1996)
• [文献書誌] 長谷川 英機: "化合物半導体量子構造表面のSi超薄膜界面制御層によるパッシベーション" 表面化学. 17. 567-574 (1996)
• [文献書誌] T.Hashizume: "Dominant Electron Trap with Metastable state in Molecular Beam Epitaxial GaAs Grown at Low Temperatures," Japanese J. Applied Physics. 36(3)(印刷中). (1997)
• [文献書誌] S.Kasai: "Electron Beam Induced Current Characterization of Novel GaAs Quantum Nanostructures Based on Potential Modulation of Two-Dimensional Electron Gas by Schottky In-Plane Gates" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 6652-6658 (1996)
• [文献書誌] S.Uno: "0.86eV Platinum Schottky Barrier on Indium Phosphide by In Situ Electrochemical Process and Its Application to MESFETs" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1258-1263 (1996)
• [文献書誌] S. Koyanagi: "Contactless and Nondestructive Characterization of Silicons Surfaces by Capacitance-Voltage and Photoluminescence Methods" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 946-953 (1996)
• [文献書誌] K. Jinushi: "Novel GaAs-Based Single Electron Transistors with Schottky In-Plane Gates Operating up to 20K" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1132-1139 (1996)
• [文献書誌] H.Fujikura: "Surface Passivaiton of In_<0.53>Ga_<0.47>As Ridge Quantum Wires Using Silicon Interface Control Layers" Journal of Vacuum Science and Techonology. B-14. 2888-2894 (1996)
• [文献書誌] T.Hashizume: "Contactless Capacitance-Voltage and Photoluminescence Characterization of Ultrathin Oxide-Silicon Interfaces Formed on Hydrogen Terminated (111) Surfaces" J. Vac. Sci. Technol.B-14. 2872-2881 (1996)