絶縁体障壁を有する室温動作量子デバイスに関する研究

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08750345
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 藤倉 序章 北海道大学, 工学部, 助手 (70271640)
• キーワード: 量子細線 / InP系InGaAs / InAlAs / 分子線エピタキシ-選択成長法 / ホトルミネセンス / シリコン超薄膜界面制御層 / 表面パッシベーション / 表面・界面準位 / 計算機シミュレーション

研究概要

本研究では、室温で動作する量子デバイスを実現するための基礎技術として、量子構造の障壁層として絶縁体を用いることを試みた。本研究で得られた新たな知見・成果は以下の通りである。
(1)分子線エピタキシ-選択成長法により様々な上部InAlAs障壁層厚(t_<WS>)を有するInP系InAlAs/InGaAs/InAlAs量子細線構造を形成し、これに化学気相堆積法により絶縁体を堆積した。表面から距離(t_<WS>)が10nm程度以下に減少すると、そのホトルミネセンス(PL)発光強度がt_<WS>に対して指数関数的に減少することを明らかにした。
(2)上記量子細線に、シリコン超薄膜界面制御層を上部InAlAs層と絶縁体の界面に挿入する新しい表面パッシベーション技術を適用したところ、PL発行強度をシリコン超薄膜界面制御層を持たない細線に対して100倍以上改善することに成功した。
(3)特に、InGaAs細線部に直接障壁層が接する場合、すなわち絶縁体が量子細線の障壁層となる構造は、シリコン超薄膜界面制御層を持たない構造と比較して実に400倍のPL発光強度を示した。
(4)PLの計算機シュミレーションにより、シリコン超薄膜界面制御層を有する上記の構造において絶縁体障壁層-量子細線界面の凖位密度が大幅に低減されていることが明らかとなった。
(5)さらに、シリコン超薄膜界面制御技術が微細加工技術により形成したInP系InAlAs/InGaAs/InAlAs量子細線構造の加工端面保護にも有効であることをPLおよびそのシミュレーションにより明らかにした。
すなわち、本研究で用いたシリコン超薄膜界面制御層技術により形成される良好な絶縁体-半導体界面は、極微細な量子構造にも適用可能であり、これによって化合物半導体量子構造の障壁層として強い閉じ込めが可能な絶縁体を用いることが可能となった。

研究成果

• [文献書誌] Hajime Fujikura: "Surface Passivation of In_<0.53>Ga_<0.47>As Ridge Quantum Wires Using Silicon Interface Control Layers" Journal of Vacuum Science and Technology. B-14. 2872-2881 (1996)
• [文献書誌] Hajime Fujikura: "Surface Passivation of InP-Based In_<0.53>Ga_<0.47>As Quantum Wires Using Silicon Interlayer-Based Passivation Technique" Proceedings of the Eighth International Conference on Indium Phosphide and Related Materials. 323-326 (1996)
• [文献書誌] Hiroshi Okada: "Observation of Coulomb Blockade Type Conductance Oscillations up to 50K in Gated InGaAs Ridge Quantum Wires Grown by Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. (1997)
• [文献書誌] Hajime Fujikura: "Excitation Power Dependent Photoluminescence Behavior in Etched Quantum Wires having Silicon Interlayer-Based Edge Passivation ant Its Interpretation" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. (1997)
• [文献書誌] Hideki Hasegawa: "Excitation Power Dependent Photoluminescence Characterization of Insulator-Semiconductor Interfaces on Near Surface Quantum Structures Passivated by Silicon Interface Control Layer Technology" Applied Surface Science. (1997)
• [文献書誌] Hajime Fujikura: "Formation of Two-Dimensional Arrays of InP-Based InGaAs Quantum Dots on Patterned Substrates by Selective Molecular Beam Epitaxy" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. (1997)
• [文献書誌] Hiroshi 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" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. (1997)
• [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8号. 448-455 (1996)
• [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 Epitaxy" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. (1997)