単電子デバイスの高密度集積化のための新技術の開拓

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08247103
• 研究種目: 特定領域研究(A)
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 川辺 光央 筑波大学, 物質工学系, 教授 (80029446)
• 研究分担者: 藤倉 序章 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70271640) ; 橋詰 保 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (80149898) ; 荒井 滋久 東京工業大学, 量子エレクトロニクス研究センター, 教授 (30151137) ; 尾浦 憲治郎 大阪大学, 工学部, 教授 (60029288) ; 八百 隆文 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (60230182) ; 青柳 克信 理化学研究所, 主任研究員 (70087469)
• キーワード: 単電子デバイス / 量子ドット / 結合量子ドット / 自己形成 / 選択成長 / 成長モード / 表面吸着 / 量子細線レーザー

研究概要

量子ドットの高密度集積化のための新技術の開拓に向けて、量子ドットの微細化、高密度化、均一化および結合量子ドットの研究を実施した。さらに、単電子デバイス、光デバイスへの応用について検討した。成果の概要を次に記する。(1)MBE法により、高指数面のGaAs基板上に10^<11>/cm^2以上の高密度かつ被覆率100%程度のInGaAsドットネットワークを形成した。その形成機構は、通常のS-Kモードのほかに相分離を伴ったものであることがわかった。ドット間距離が10nm以下であるためドット間に強い結合が生じ、PL測定の結果はバンドの形成を示唆している。(2)スプリットゲートによる単一量子ドットを単一電子エレクトロメーターとして用い、結合構造を形成することによってドット内電子数の検出を行った。SNが悪いのはドット間の浮遊容量のためであり、今後の課題として構造の最適化が必要であることがわかった。(3)RHEEDによるその場評価をもちいてInAs量子ドットの形成機構における歪み緩和の影響を明らかにすると共に、フォトルミネッセンス法により歪み緩和過程の制御による量子ドットサイズ制御の可能性を示した。(4)水素終端Si(100)表面におけるIn薄膜の成長をSTM観察した結果、Si(100)清浄表面ではS-Kモードであった成長様式が、水素終端Si(100)表面ではV-Wのモードに変化し、In金属ドットの微小化、高密度化を実現できることを見出した。(5)温度200K以下で量子井戸構造をしのぐ特性を有するGaInAsP/InP長波長量子細線構造レーザーを実現すると共に、それが量子細線の狭い利得スペクトル特性に起因することを初めて観察した。(6)加工InP基板上ヘのMBE選択成長法をもちいて、InGaAs量子細線および量子細線一量子ドット結合構造を形成し、その構造において、細線幅、ドットサイズ、ポテンシャル障壁幅をそれぞれ数10nm程度に制御することに成功した。

研究成果

• [文献書誌] M.Kawabe, K.Akahane, S.Lan, K.Okino, Y.Okada and H.Koyama: "Self-Organization of High-Density III-V Quantum Dots on High-Index Substratcs" Japanese Journal of Applied Physics. 38,1B. 491-495 (1999)
• [文献書誌] K.Ishibashi, T.Ida, H.Kotani, T.Sugano and Y.Aoyagi: "Characterization of SET electrometer coupled to the quantum dot in GaAs/AlGaAs 2DEG" Microelectronic Engineering. (accepted). (1999)
• [文献書誌] J.T.Ryu, O.Kubo, H.Tani, M.Katayama, A.A.Saranin, A.N.Zotov and K.Oura: "Atomic Hydrogen Interaction with the Si(100)4x3-In Surface Studied By Seanning Tunneling Microscopy" Japanese Journal of Applied Physics. 37. 3774-3778 (1998)
• [文献書誌] T.Kojima, M.Tamura, H.Nakaya, S.Tanaka, S.Tamura, and S.Arai: "GalnAsP/InP Compressively Strained Quantum-Wire Lasers Fabrieated by Electron Beam Lithography and 2-Step Organometallic vapor Phase Epitasy" Japanese Journal of Applied Physics. 37 9A. 4792-4800 (1998)
• [文献書誌] H.Fujikura, Y.Hanada, T.Muranaka,and H.Hasegawa: "Control of Dot Size and Tunneling Barrier Profile in In_<0.53>Ga_<0.47>As Coupled Quantum Wire-Dot Structures Grown by Selective Molecular Beam Epitaxy on Patterned InP Substrates." Japanese Journal of Applied Physics. 38 1B. 421-424 (1999)
• [文献書誌] H.Totsuka, E.Kurtz, T.Hanada Z.Zhu, and T.Yao: "The effect of surface modification on the formation of quantum structures in highly mismatched heterostructures:InAs on GaAs(100)" Applied Surface Science. 130-132. 742-746 (1998)