2重結合量子ドットにおけるクーロンブロッケードとその応用に関する研究

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07837010
• 研究機関: 理化学研究所
• 研究代表者: 石橋 幸治 理化学研究所, 半導体工学研究室, 研究員 (30211048)
• 研究分担者: 神田 晶申 理化学研究所, フロンティア研究システム, 基礎科学特別研究員 ; MICHAEL Sto 理化学研究所, フロンティア研究システム, 研究員 ; JONATHAN P. 理化学研究所, フロンティア研究システム, 研究員
• キーワード: 結合量子ドット / カオス / クーロンブロッケード / クーロン振動 / 電子波干渉 / 量子ドット

研究概要

本研究では、半導体や金属を用いて2重結合量子ドットを作製し、その物性を調べることを行った。半導体2次元電子ガスを用いた量子ドットの作製法として、従来から用いられている金属ゲート法に加えて、エッチングと金属ゲートを組み合わせる方法を開発した。この際問題となる微小エッチング領域への電子ビームリソグラフィーの位置合わせに関し、0.1ミクロン以下の精度でそれができることを確認した。従来からの全金属ゲートプロセスにより、並列2重結合量子ドットを作製することに成功し、各ゲートの動作を確認することはできたが、ドット間の単電子の相互作用を確認する実験は行うことができなかった。なお、単一量子ドットの電子輸送に関して、四角いドット形状でもポイントコンタクトリードや角の丸まりにより、電子波干渉に関してカオス的振る舞いが起こる可能性を指摘し、電子軌道の量子力学的シミュレーションにより安定軌道が存在することを明らかにした。
金属を用いた実験では、アルミニウム、金、銅を用いて、中空ブリッジ法と斜め蒸着法を組み合わせる方法により、微小トンネル接合を作製する技術を確立した。全金属をアルミニウムで作製した単電子トランジスタにおいて、電流電圧特性にクーロンブロッケードの効果を観測し、また、コンダクタンスがゲート電圧によって変調されるクーロン振動を観測した。さらに、量子ドット部分をリング構造で置き換えた構造においてコンダクタンスの磁場依存性に周期的振動を観測した。これは、磁束量子化に類似の効果と考えているが、クーロンブロッケードがどのように影響しているかは明らかにできていない。

研究成果

• [文献書誌] H. Stopa, JP. Bied. K, Ishibashi Y. Aoyagi and T. Sugano: "Giant Backscattering Magnetoresistance Resonances and guantum dot electronic strncture" Phys. Rev. Lett.(to be published).
• [文献書誌] JP. Bird, K. Isibashi, Y. Aoyagi and T. Sugano: "Period doubling of Aharonov・Blhm Oscillations in guantum dots" Phys. Rev. B. (to be published).
• [文献書誌] K. Ishibashi, JP. Bird. D. K. Ferry et-al.: "Electron Wave luferferences in Ballistic and quasi-Ballistic Nanostructures" Jpn. J. Appl. Phys.34. 6966-6970 (1995)
• [文献書誌] JP. Bird. BMOlatona, R. Ncwbury RP Taylor. K, ishibashi, et. al: "Lead Indnced Transit:on to Chaos in Mesoscopic Billiards" Phys. Rev. B. 52. R14336-R14339 (1995)
• [文献書誌] JP. Bird. K. Ishibashi, DK Ferry Y. Ocliai, Y. Aoyagi, T. Sugano: "Spectral Characteristics of Condnctance Fluctnations in Ballistic Quantum Dots, Inflnense of Finite Magnetic Fields and Temperature" Phys. Rev. B. 11. 8295-8304 (1995)