ErAslIII-V量子ヘテロ構造における電子伝導と負性抵抗

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10875067
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 田中 雅明 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (30192636)
• 研究分担者: 西永 頌 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (10023128)
• キーワード: ErAs / 半金属 / 半金属 / 半導体ヘテロ構造 / 分子線エピタキシー / テンプレート / 共鳴トンネル効果 / III-V半導体 / 微分負性抵抗

研究概要

分子線エピタキシー(MBE)によって、GaAs/AlAs系化合物半導体と熱力学的に安定な半金属(ErAs)/半導体へテロ構造の作製に成功した。一般に半導体表面上に金属または半金属の薄膜をエピタキシャル成長することは可能であるが、逆に良質の半導体薄膜を金属または半金属表面上にエピタキシャル成長させることは極めて困難であり、成功例はほとんどない。良質の単結晶から成る半導体/半金属/半導体といった半金属層を半導体中に埋め込んだヘテロ構造を形成することができれば、メタルベースなどの超高速デバイス応用が期待されるが、材料形成の困難さのため半ば諦められていた。これに対し本研究者は、半導体と半金属の界面に1原子層程度のMnテンプレート層を挿入することによって、表面自由エネルギーを変え、半導体(GaAs,AlAs)薄膜を半金属(ErAs)表面上にエピタキシャル成長させる際に起こる3次元島状成長を抑制することに成功した。これによって良質の単結晶から成る半導体(GaAs,AlAs)/半金属(ErAs)/半導体(GaAs,AlAs)埋め込みへテロ構造を形成することに成功した。形成された埋め込みへテロ構造について、2次イオン質量分析(SIMS),透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた評価を行い、Mnが界面付近に存在し偏析や拡散を起こしていないこと、Mnテンプレートにより3次元島状成長が抑制されていることを確認した。さらにMnテンプレート法を用いてMBEにより半金属(ErAs)を量子井戸とするn-GaAs(1μm)/AlAs(2nm)/ErAs(2nm-5nm)/AlAs(2nm)/n-GaAs(1μm)から成る共鳴トンネルダイオード構造を試作し、室温でピーク/バレー比1.7-2.0に達する良好な微分負性抵抗を観測した。この現象は数ナノメータ厚のErAs超薄膜中の量子効果が室温でも明瞭に現れたものである。

研究成果

• [文献書誌] M.Tanaka,J.Farrer,B.Carter,and C.J.Palmstrom: "“Epitaxial Growth of Semimetal(ErAs)/III-V Semiconductor Heterostructures"" Proc.of the 2nd Symp.on Atomic-scale Surface and Interfaces Dynamics. 331-336 (1998)
• [文献書誌] M.Tanaka,M.Koto,Y.Ozeki,ahd T.Nishinaga: "“Epitaxial Growth and Vertical Transport of Semimetal(ErAs)/Semiconductor(GaAs)Heteostructures"" Proc.of the 3rd Symp.on Atomic-Scale Surface and Interface Dynamics. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] M.Tanaka,K.Abe,K.Tamura,H.Haruyama,T.Nishinaga: "“Vertical Transport in Epitaxial Semimetal(ErAs)/Semiconductor(III-V)Quantum Heterostructures"" J.Magnetism & Magnetic Materials. (印刷中). (1999)
• [文献書誌] Tanaka,K.Abe,M.Koto,T.Nishinaga,Farrer,B.Carter,C.J.Palmstrom: "“Semimeta(ErAs)/III-V Semiconductor Herterostructures:Interface Characterization"" Record of the 17th Electronic Materials Symposium,. 17. 135-138 (1998)
• [文献書誌] 東正章、森脇健児、西永頌、田中雅明: "“GaAs/ErAs/GaAs半金属埋め込みヘテロ構造の垂直方向電気伝導"" 1998年春季応用物理学会、予稿集. 29pR12 (1998)