ナノ構造の表面・界面の制御と単電子トンネル障壁の最適化

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08247101
• 研究種目: 重点領域研究
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 長谷川 英機 北海道大学, 工学部, 教授 (60001781)
• 研究分担者: 菅野 卓雄 東洋大学, 工学部, 教授 (50010707) ; 安田 幸夫 名古屋大学, 工学部, 教授 (60126951) ; 沢木 宣彦 名古屋大学, 工学部, 教授 (70023330) ; 小間 篤 東京大学, 理学系研究科, 教授 (00010950) ; 岩見 基弘 岡山大学, 理学部, 教授 (80029123)
• キーワード: 単電子デバイス / ナノ構造 / 表面・界面 / トンネル障壁 / 量子ドット / 原子スケール制御

研究概要

本研究は、平成8〜11年度にわたり設定された重点領域研究「単電子デバイスとその高密度集積化」の計画研究として、その主要研究項目(A02)「ナノ構造の表面・界面の制御と単電子トンネル障壁の最適化」を担当するものである。本年度の得られた主要な成果を以下にまとめる。
1)化合物半導体単電子ナノ構造の室温動作を妨げる最大の難点の1つとなると考えられる高密度表面単位を、MBEシリコン超薄膜による独自の表面パッシベーション技術により除去することに成功した。
2)2次元電子ガスをインプレーンおよびラップショットキーゲートで制御する原理に基づき、単電子デバイスを実現し、高温動作の可能性を示した。また、多重量子ドットデバイスでは、単純な容量結合ではなく、量子準位の相互作用を示唆する複雑なコンダクタンス振動を観測した。さらに、MBE選択成長により、InP系電子細線および量子ドットを作製し、量子細線をゲート制御した単電子トランジスタを実現した。
3)ナノ構造を持つ個体表面のキャラクタリゼーションを目的として、SiC表面上の微小金属クラスター形成過程を調べた結果、6×6構造をとるSiC表面上に吸着させたCo原子はクラスターを形成し、熱処理SiC基板上への金属クラスターの規則配列が期待されることが明らかとなった。
4)層状物質上での選択成長を利用して、C60分子のナノ構造を形成することに成功した。さらにAFMによる表面加工と組み合わせることで、任意の形状の有機分子ナノ構造を形成する道を開いた。これにより他の手法ではなし得ない単電子構造の実現が可能となった。
5)ドット構造におけるトンネル時間のサイズ依存症を評価したところ、PLスペクトルにブルーシフトの現れる試料ではサイズの減少とともにトンネル時間が増加し、エネルギ緩和時間も長くなる結果を得た。この結果は、低次元系で電子・格子相互作用が弱まり、電子のエネルギ緩和時間が長くなるという理論的予想を支持するものである。
6)化合物半導体ヘテロ接合を用いた2端子単電子回路において非対象トンネル障壁特性の実験的検証を試み、10Kにおいて電流の整流性及びクローン階段を観測することに成功した。さらに、非対象トンネル障壁を用いることにより、一方向電子輸送がより容易になることを、シミュレーションにより示した。
7)VHF帯を用いたSiH_4プラズマプロセスにより、シリコン量子ドットの作製を行い、粒径10nm程度の単結晶Siドットを作製することができた。作製したシリコン量子ドットを用いて、多重トンネル接合デバイスの試作を行った。1-V特性において、単一電子トンネリング現象に起因すると考えられてる特性が観測された。

研究成果

• [文献書誌] T. Saitoh: "Determination of Built-in Electric Field Strength in InP/n^+-InP Structures Using Photoellipsometry" Japanese Jounal of Applied Physics. 35. 1696-1700 (1996)
• [文献書誌] B. X. Yang: "Propcrties of InAs_xP_<1-x> Layer Formed by P-As Exchange Reaction on (001) InP Surface Exposed to As_4 Beam" Journal of Electronic Materials. 25. 379-384 (1996)
• [文献書誌] H. Fujikura: "Fabrication of InP-Based InGaAs Ridge Quantum Wires Utilizing Sclcctive Molcculat Beam Epitaxial Growth on (311) A Facets" Journal of Electronic Materials. 25. 619-625 (1996)
• [文献書誌] S. Suzuki: "A Novel Insulated Gate Technology for InGaAs High Electron Mobility Transistors Using Silicon Interlayer Based Passivation Technique"," Journal of Electronic Materials. 25. 649-656 (1996)
• [文献書誌] B. X. Yang: "Scanning Tunneling Microscoe Study of (001) InP Surface Prepared by Gas Source Molecular Beam Epitaxy" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1267-1272 (1996)
• [文献書誌] H. Fujikura: "Photoluminescence and Cathodoluminescence Investigation of Optical Properties of InP-Based InGaAs Ridge Quantum Wires Formed by Selective Molecular Beam Epitaxy." Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1333-1339 (1996)
• [文献書誌] S. Kasai: "Fabrication and Characterization of Novel Lateral Surface Superlattice Structure Utilizing Schottky Barrier Height Control by Doped Silicon Interface Control Layers" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1340-1347 (1996)
• [文献書誌] S. Kakai: "Electron Beam Induced Current Characterization of Novel GaAs Quantum Nanostructures Based on Potential Modultion 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: "0.86e V 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 Silicon Surfaces by Capacitance-Voltage and Photoluminescence Mcthods" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 946-953 (1996)
• [文献書誌] K. Jinushi: "Novel GaAs-Based Single Elecctron Transistors with Schottky In-Plane Gates Operating up to 20K" Japanese Journal of Applied Physics. 35. 1132-1139 (1996)
• [文献書誌] H. Fujikara: "Surface Passivation of In_<0.53>Ga_<0.47>AsRidge Quantum Wires Using Silicon Interface Control Layers" Journal of Vacuum Scince and Technology. B-14. 288-2894 (1996)
• [文献書誌] T. Hashizume: "Contactless Capacitance- Voltage and Photolummescence Characterization of Ultrathin Oxide-Silicon Interfaces Formed on Hydrogen Terminated (111) Surfaces" J. Vac. Sci. Technol. B-14. 2872-2881 (1996)
• [文献書誌] T. Hashizume: "Quantum Transport in A Schottky In-Plane-Gate Controlled GaAs/AlGaAs Quantum Well Wires" Phisica B. 227. 42-45 (1996)
• [文献書誌] H. Tomozawa: "Design and Fabrication of GaAs/AlGaAs Single Electoron Transistors Based on In-Plane Schottky Gate Control of 2DEG" Phisica 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. 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] 長谷川 英機: "InP系化合物半導体材料およびデバイスの新展開" 応用物理. 65(2). 108-118 (1996)
• [文献書誌] M. Hirai: "Reconstruction of Heat Treated 6H-SiC(0001) Surfaces" Thin Solid Films. 281-282. 591-593 (1996)
• [文献書誌] T. Jikimoto: "Co Overlayer Formation Process on Si(100)2×1 Studied by SR-PES" Appl. Surf. Sci. 100/101. 513-517 (1996)
• [文献書誌] A. Suzuki: ""Patterning of Epitaxial Organic Films by Selective Epitaxian Growth"" Jpn. J. Appl. Phys. 2. 35. L254-256 (1996)
• [文献書誌] K. Ueno: ""Investigation of the growth mechanism of layered semiconductor GaSe"" Appl. Surf. Sci.印刷中. (1997)
• [文献書誌] K. Ueno: ""Nanostrure Fabrication by Selective Growth of Molecular Crystals on Layered Material Substrates"" Appl. Phys. Lett.印刷中. 946-953 (1997)
• [文献書誌] K. Sakai: "“Nanostructure Fabrication Using Selective Growth on Nanosize Patterns Drawn by Scannig by Scanning Probe Microscope"" Jpn. J. Phys. 36(印刷中). (1997)
• [文献書誌] N. Sawai: "Tunneling transfer and energy relaxation rate of photo-excited carriers in coupled quantum dots." Jap. J. Appl. Phys. 36(印刷中). (1997)
• [文献書誌] Y. Matsumoto: "″Advantages of the Asymmetric Tunnel Barrier for High Density Integration of Single Electron Devices″" Jpn. J. Appl. Phys.36(印刷中). (1997)
• [文献書誌] S. Oda: ""Preparation of nanocrystalline silicon quantum dot structure by pulsed Plasma processes"" Adv. Collid and Interface Sci.(印刷中). (1997)
• [文献書誌] M. Otobe: ""Preferential nucleation of nenosrystalline silicon along microsteps"" Jpn. J. Appl. Phys.35. 1325-1328 (1996)
• [文献書誌] M. Otobe: "″Nanocrystalline silicon foemation in a SiH_4 plasma call″" J. Non-Cryst. Solids. 198-200. 875-878 (1996)
• [文献書誌] Y. Kanemitsu: ""Photolumiiescnce mechanism in surface- oxidized silicon nanocrystals"" Phy. Rev. B, (1997). 印刷中. (1997)
• [文献書誌] M. Araki: "Formation of InGaAs/InAlAs Quantum Wires and Dots with Extremely Smooth Facets on Mesa-Patterned (001) InP Substrates by Selective Molecular Beam Enitaxy"" Jpn. J. Appl. Pthys.36(3)(印刷中). (1997)
• [文献書誌] H. Fujikura: ""Excitation Power Dependent Photoluminescence Behavior in Etched Quantum Wires Having Silicon Interlayer-Based Edge Passivation and Its Interpretation"," Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] S. Kasai: ""Fabrication and Characterization of GaAs Single Electron Devices Having Single and Multiple Dots Based on Schottky In-Plane-Gate and Wrap-Gate Control of Two-Dinensional Electron Gas"" Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] H. Okada: "Observation of Coulomb Blockade Type Conductance Oscvillations up to 50K in Gated InGaAs Ridge Quantum Wires Grown by Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates," Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] T. Sato: "Large Schottky Berrier Heights on Indium Phosphide-Based Materials Realized by In-Situ Electrochemical Process." Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] K. Ikeya: "Successful Surface Passivation of Air-Exposed AlGaAs by a Silicon Interface Control Layer-Besed Technique," Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] Y. Dohmae: "Capacitance-Voltage Behavior of Insulated Gate InGaAs HEMT Capacitor Having Silicon Interface Control Layer," Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] T. Yoshida: "Characterization of Interface Electronic Properties of Low-Temperature Ultrathin Oxides and Oxynitrides Formed on Si(111) Surfaces by Contactless Capacitance-Voltage and Photoluminescence Methods," Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] H. Hasegawa: "Evolution mechanism of Nearl-Pinning Plantinum/N-Type Indium Phosphide Interface with a High Schottky Barrier Height by In-Situ Electrochemical Process," J. Vac. Sci. Technol.B15(4)印刷中. (1997)
• [文献書誌] H. Okada: "Basic Control Characteristics of Novel Schottky In-Plane and Wrap Gate Structures Studied by Simulation and Transport Measurements in GaAs and InGaAs Quantum Wires," Jpn. J. Appl.Phys.36(6)印刷中. (1997)
• [文献書誌] T. Kudoh: "Controlled Formation of Metal-semiconductor to Interface to 2DEG Layer by In-Situ Electrochemical Process and Its Application to In-Plane Electron Waveguide Devices." Appl. Sun. Sci.印刷中. (1997)
• [文献書誌] K. Iizuka: "Small-Signal Response of Interface States at Passivated InGaAs Surfaces from Low Frequencies up to Microwave Frequencies," Splid-State Electron.印刷中. (1997)
• [文献書誌] Y. Ishikawa: "MIssing-dinner structures and their kink defects on molecular beam epitaxially grown (2×4) reconstructed (001) InP and GaAs surfaces studied by ultrahihgh-vacuum scanning tunneling microscopy" Jpn. J. Appl. Phys.36(3)印刷中. (1997)
• [文献書誌] H. Hasegawa: "Interface-controled Schottky barriers on InP and related materials" Saolid-State Electronics. 印刷中. (1997)
• [文献書誌] S. Suzuki: "Fabrication and electrial characterization of InP-based insulated gate power HEMTs using ultrathin Si inteface control layer" Solid-State Electronics. 印刷中. (1997)
• [文献書誌] M. Kihara: ""Effect of Mis-Orientaition of Mesa-Stripes on the Groeth of InGaAs Quantum Wires by Selective Molecular Beam Epitaxy"" Appl. Sur. Sci.印刷中. (1997)