高密度半導体量子ドット構造の形成と評価の研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09102001
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 福井 孝志 北海道大学, 量子界面エレクトロニクス研究センター, 教授 (30240641)
• 研究分担者: 本久 順一 北海道大学, 量子界面エレクトロニクス研究センター, 助教授 (60212263)
• キーワード: 有機金属気相成長 / 選択成長 / マスク基板 / 量子ドット / 量子細線 / 単電子素子 / クーロンブロッケード / クーロンギャップ

研究概要

平成9年度は、有機金属気相成長(MOVPE)法およびそれを用いた選択成長法により、高密度の半導体量子ドット構造の形成を試みると同時に、作製された量子ドットの光学的特性の評価を行った。そして、量子ドットと細線とを結合させた構造をMOVPE選択成長により形成し、その電気伝導特性を評価することにより、その素子が単電子素子として動作することの原理確認を行った。
まず、直径180nm程度の円形の窓明けを周期的に施したマスク基板に対し、MOVPE選択成長により高密度のGaAsのピラミッド構造を形成した後、InAsを成長することにより、GaAsピラミッドの頂上付近にInAs量子ドットの形成を試みた。走査型電子顕微鏡の観察結果より、GaAsピラミッド頂上付近にInAs量子ドットが形成されていることを確認すると同時に、InAs量子ドットからの発光を観測した。以上のことから、本方法により、位置制御された高密度の量子ドット構造が形成可能であることが明らかとなった。また、マスクのない通常のGaAs基板上にMOVPE成長したInAs量子ドットの光学的特性を評価したところ、量子ドット固有の、非常に半値幅の狭い発光が観測されたと同時に、発光の励起光強度依存性を詳細に調べた結果、発光強度がクエンチすることく、および新たな発光ピークが出現することなど、異常なふるまいが明らかとなった。
次に、選択成長に用いるマスク基板を工夫し、量子ドットと量子細線とがトンネル接合を介して電気的に結合する構造の形成を試みた。そして、この構造に対し、チャネルの両端にソース・ドレイン電極、および量子ドットが形成されている部分にゲート電極を形成した素子を作製し、その電気伝導特性を極低温において評価した。その結果、まずドレイン電流-ゲート電圧特性にドレイン電流の振動が観測された。さらに、しきい値電圧近傍のドレイン電流-ドレイン電圧特性を測定した結果、クーロンブロッケードに起因する大きな非線型性および、そのゲート電圧による変調が観測された。このことより、量子ドットがトンネル障壁を介して量子細線と結合する構造が形成されていること、およびこの素子が単電子素子として動作することが原理的に確認され、本研究で用いているMOVPE選択成長により、単電子素子が作製可能であるとの見通しを得た。なお、現在の素子では、最大のクーロンギャップ14mVより、ドットの全キャパシタンス11aF、およびドットの直径は約24nmと見積もられる。

研究成果

• [文献書誌] K.Kumakura: "Fabrication and Transport Characterization of GaAs Quantum Dots Connected with Quantum Wires Fabricated by Selective Area Metalorganic Vapor Phase Epitaxy" to be published in Physica E(1998). (印刷中).
• [文献書誌] T.Umeda: "InAs Quantum Dot Formaion on GaAs Pyramids by Selctive Area MOVPE" to be published in Physica E(1998). (印刷中).
• [文献書誌] K.Kumakura: "Transport Characterization of GaAs Quantum Dots Connected with Quantum Wires Fabricated by Selective Area Metalorganic Vapor Phase Epitaxy" to be published in Solid State Electronics(1998). (印刷中).
• [文献書誌] J.Motohisa: "Anomalous Excitation Intensity Dependence of Photoluminescence from InAs Self-assembled Quantum Dots" to be published in Solid State Electronics(1998). (印刷中).
• [文献書誌] S.Hara: "Optical Characterization and Laser Operation of InGaAs Quantum Wires on GaAs Multiatomic Steps" to be published in Solid State Electronics(1998). (印刷中).
• [文献書誌] M.Kawase: "Atomic Structure Studies of (113)B GaAs Surfaces Grown by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy" to be published in Applied Surface Science(1998). (印刷中).