分子線エピタキシ-選択成長による量子ネットワークの自己組織的形成に関する研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09750336
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 藤倉 序章 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (70271640)
• キーワード: 量子細線 / 量子ドット / 量子ネットワーク / 分子線エピタキシ-選択成長法 / InP系InGaAs / InAlAs / 単電子デバイス

研究概要

本研究は、加工基板上へ結晶成長法を行う際に発現する、線状(量子細線)あるいは点状(量子ドット)のキャリアじ込め構造が自己組織的に形成される現象を利用して、高密度量子ドットが量子細線により相互に結合された量子ネットワークを形成することを目的とする。本年度に得られた成果は以下の通りである。
(1)InP基板表面に正方形のメサ(台地状の構造)に線状のメサが結合した構造を加工により形成し、この上に分子線エピタキシ(MBE)法によりInAlAs/InGaAs/InAlAs構造の成長を行った。走査型電子顕微鏡(SEM)・原子間力顕微鏡(AFM)等による詳細な構造観察の結果、適切な成長条件下で、正方形メサ上にInGaAs量子ドットが、線状メサ上にInGaAs量子細線が形成され、InGaAs量子細線と量子ドットの結合構造が実現されることが明らかとなった。この量子ドット・量子細線の形成は、ホトルミネセンス(PL)・カソードルミネセンス(CL)等の光学測定よっても確認された。
(2)詳細なPL・CL測定によって、上記のInGaAs量子細線・量子ドットの結合部分には高さ100meV程度のポテンシャル障壁が存在しており、細線・障壁・ドット・障壁・細線という2重障壁ポテンシャルプロファイルが実現されていることが明らかとなった。
(3)また、初期加工基板形状・成長条件等を様々に変えて形成した細線・ドット結合構造の構造観察から、ドット・細線・ポテンシャル障壁のサイズが、初期基板形状・成長条件により精密に制御可能であることが明らかとなった。
以上の成果は、本研究で開発した加工基板上へのMBE選択成長法による量子細線-量子ドット結合構造形成手法が、精密かつ複雑なポテンシャルプロファイル制御を必要とする量子デバイスネットワーク・単電子デバイスネットワーク形成のための有望を手段となりうることを示している。

研究成果

• [文献書誌] HajimeFujikura: "Formation of Two-Dimensional Arrays of InP-Based InGaAs Quantum Dots on Patterned Substrates by Selective Molecular Beam Epitaxy" Japanes Journal of Applied Physics. Vol.36. 4092-4096 (1997)
• [文献書誌] Michio Kihara: "Effect of Mis-Orientation on the Growth of InGaAs Quantum Wires by Selective Molecular Beam Epitaxy" Applied Surface Science. 117/118. 385-389 (1997)
• [文献書誌] Hideki Hasegawa: "Excitation Power Dependent Photolumiescence Characterization of Insulator-Semiconductor Interfaces on Near Surface Quantum Structures Passivated by Silicon Interface Control Layer Technology" Applied Surface Science. 117/118. 710-713 (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. 4156-4160 (1997)
• [文献書誌] Hajime Fujikura: "Excitation Powere Dependent Photoluminescence Behavior in Etched Quantum Wires Having Silicon Interlayer-Based Edge Passivation and Its Interpretation" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. 1937-1943 (1997)
• [文献書誌] Moriaki Araki: "Fabrication of InGaAs Quantum Wires and Dots by Selective Molecular Beam Epitaxial Growth on Various Mesa-Pattemed (001) InP Substrates" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. 1763-1769 (1997)
• [文献書誌] Hiroshi Okada: "Observation of Coulomb Blockade Type Conductance Oscillations up to 50 K in Gated InGaAs Ridge Quantum Wires Growth by Molecular Beam Epitaxy on InP Substrates" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. 1672-1677 (1997)
• [文献書誌] Hideki Hasegawa: "Formation of InP-Based Quantum Structures by Selective MBE on Patterned Substrates Having Hifh-Index Facets" Micorelectronics Journal. Vol.28. 887-901 (1997)
• [文献書誌] Boguslawa Adamowicz: "Photoluminescence Characterization of Air Exposed AlGaAs Surface and Passivated Ex-Situ by Ultrathin Silicon Interface Control Layer." Physica E. (印刷中). (1998)
• [文献書誌] Hajime Fujikura: "Controlled Formation of Narrow and Uniform InP-Based InGaAs Ridge Quantum Wire Arrays by Selective Molecular Beam Epitaxy" Japanese Journal of Apploed Physics. Vol.37(印刷中). (1998)
• [文献書誌] Hiroshi Okada: "A Novel Wrap-Gate-Controlled Single Electron Transistor Formed on an InGaAs Ridge Quantum Wire Grown by Selective MBE" Solid State Electronics. 印刷中 (1998)
• [文献書誌] Yuuki Hanada: "Direct Formation of InGaAs Coupled Wire-Dot Structures by Selective Molecular Beam Epitaxy on InP Patterned Substrates" Solid State Electronics. 印刷中 (1998)