量子ドット構造による電子物性の制御と近世代エレクトロニクスへの応用

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12CE2004
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226)
• 研究分担者: 藤田 博之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90134642) ; 安藤 恒也 東京大学, 物性研究所, 教授 (90011725) ; 荒川 泰彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30134638) ; 平本 俊郎 東京大学, 大規模集積システム設計教育研究センター, 助教授 (20192718) ; 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (10183097)
• キーワード: 量子ドット / ナノ構造 / 電子の波動性 / 零次元電子 / 単電子効果 / 量子ドットレーザ / 量子ドットメモリー / 量子ドット検出器

研究概要

(1)量子ドット構造の形成と電子状態の解明と制御に関する研究成果
(1-1)InAs系量子ドット:種々の条件で作られたドットについてバンド間の発光とサブバンド間の分光計測を行い、伝導帯と価電子帯の各準位の相対位置を正確に決定した。また、外部からの歪みの効果、電子散乱体としての特色を示した。
(1-2)GaN系量子ドット:濡れ層と量子ドットの準位からの発光が明瞭に分かれる良質なドットを初めて実現、微小共振器と結合させ自然放出光の制御の見通しを得た。
(1-3)Si系量子ドット:形成プロセスの改善を図り、室温でのクーロン振動の振幅比が2に及ぶ単電子素子構造を形成した。
(1-4)その他の物質系のドット:AIGaSb系のドット、InP系の歪み入りドットおよびCdSe/ZnSeにおける電子・正孔の空間分離効果、PbSe/PbEuT6系ドットの整列効果に関する新知見を得た。
(2)量子ドット関連構造の電子伝導特性と素子応用に関する成果
(2-1)Si系単電子トランジスタ:形成プロセスを改善し、関与するドットの実効寸法を減らし、共鳴トンネルに伴う負性抵抗特性を示す素子を実現した。
(2-2)ドット埋め込みABリング素子:アハロノフボーム効果を示すリングの一部に量子ドットを埋め込んだ素子を作りFano共鳴に伴う特異な伝導特性を発見した。
(2-3)量子ドット・細線アレー構造の伝導:3角形および蜂の巣状にドットやアンチドットを配置した構造での電子伝導現象を解析し、磁場中でのゼロモード異常など特異な特性の存在を示した。また、結合量子細線列の伝導も調べ、占有率3/2の複合フェルミオン状態やストライプ相に関する新知見を得た。
(2-4)量子ドットメモリー素子での電子散乱:ドットの荷電状態を制御しつつ、隣接チャネルの電子散乱を調べ、散乱ポテンシャルの近距離と遠距離成分の相対寄与を明らかにした。
(3)量子ドット関連構造の光物性と素子探索に関する成果
(3-1)量子ドットの中赤外・遠赤外応答と検出器応用:InAs系ドットの束縛電子を中赤外光で解放させる原理の赤外検出器について、量子効率などの評価を進め、感度改善の道を示した。また、InP系、歪み誘起ドットにおいて、テラヘルツ(遠赤外)光で蛍光強度が大きく変調される効果を調べ、その仕組みを明らかにした。
(3-2)各種の量子ドット構造でのバンド間光応答と電界制御:InAsドットについて多層化した時のシュタルク効果の特色を明らかにするとともに、中空ナノ構造中に埋め込み、歪みの緩和や増強の作用を調べた。また、GaN系ドットにおける自然放出光がマイクロ共振器の作用で制御できることを示した。また、CdSe/ZnSe系ドット、AIGaSb系ドットなどで正孔電子分離形エキシトンが磁場印加による赤外シフトなど独特な光物性を示すことなどを示した。
(3-3)量子ナノ構造でのフォトリワラクティブ効果:量子井戸構造に非対称性を入れて、高感度な波長域を拡げた素子を作り、フェムト秒パルスの波形成形応用可能性などを示した。
(4)ナノプローブによる物性の局所評価と新規物質の探索
(4-1)ナノプローブによる物性計測:マイクロマシン技術で形成した一対のプローブの連動制御性を調べるとともに、冷陰極電子放出の直接計測を試みた。また、InAs量子細線を電流像モードで調べ、表面ポテンシャルの特異性などを示した。
(4-2)各種新規ナノ物質の探索:LaMn系酸化物のMnをNiやCuで置換した物質での巨大磁気抵抗を調べ、その起源が2重交換のみでないことなどを示した。また、Ni微粒子の示す特異な磁性とその温度依存性、金属表面での水素化の仕組みやSi表面上に形成した鉄シリサイド超薄膜の核共鳴X線散乱、有機分子の電流注入発光などの特色を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Robson Ferreira 他: "半導体量子ドットにおける電子フォノン相互作用:ポーラロンの形成と緩和"日本物理学会誌. 65・5. 325-333 (2001)
• [文献書誌] H.Amanai 他: "InAs/GaInP self-assembled quantum dots: molecular beam epitaxial growth and optical properties"J. Crystal Growth. 227-228. 1089-1094 (2001)
• [文献書誌] A.Vasanelli 他: "Stark effects and electro-optical properties of strongly stacked dots"Solid State Commun. 118. 459-463 (2001)
• [文献書誌] H.Sakaki: "Evolution of quantum wire and quantum dot systems"Springer Proceedings in Physics. 87. 1017-1102 (2001)
• [文献書誌] Shiano Ono 他: "Current and Potential Characterization on InAs Nanowires by Contact-mode Atomic Force Microscopy and Kelvin Probe Force Microscopy"Ultramicroscopy. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] Kan Takada 他: "Photo-absorption Characterization on Surface InAs Nano-structures Using Light-illuminated STM"Japanese Journal of Applied Physics. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] K.Hoshino: "Observation of Intersubband Transition in AlGaN/GaN Single Heterostructures"Proc. 25th mt. Conf. Phys. Semicond. (Eds. N.Miura and T. Ando). 1527-1528 (2001)
• [文献書誌] Y.Kawaguchi: "High-sensitivity quantum Hall far-infrared photodetector integrated with log-periodic antenna"Applied Physics Letters. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] S.W.Lee: "Lifetime of photoexcited carriers in modulation-doped quantum dot infrared photodetectors"Physica E. (印刷中).
• [文献書誌] Ph.Lelong: "Fano profiles in bound-to-continuum intersubband transitions in negatively charged InAs quantum dots"Proceedings of the 25th International Conference on the Physics of Semiconductors. 1163-1164 (2001)
• [文献書誌] K.Hirakawa: "Far-infrared photoresponse of the magnetoresistance of the two-dimensional electron systems in the integer quantized Hall regime"Physical Review B. vol.63, No.8. 85320-85324 (2001)
• [文献書誌] Y.Kawaguchi: "Performance of high-sensitivity quantum Hall far infrared photodetectors"Applied Physics Letters. vol.80, No1. 136-138 (2002)
• [文献書誌] K.Hirakawa: "Infrared optical conductivity of In_<1-x>Mn_xAs"Physica E. vol.10. 215-218 (2001)
• [文献書誌] S.Katsumoto: "Magnetism and metal-insulator transition in III-V based diluted magnetic semiconductors"Journal of Materials Science and Engineering B. vol.B84. 88-95 (2001)
• [文献書誌] Y.Shimada: "THz Emission due to Miniband Transport in GaAs/AlGaAs Superlattices"Japanese Journal of Applied Physics. vol.40, No.4B. 3309-3311 (2001)
• [文献書誌] S.Katsumoto: "Nature of Magnetism in III-V based Diluted Magnetic Semiconcutors"IPAP Conference Series 2Proceedings of the 10th International Conference on Narrow Gap Semiconductors and Related Small Energy Phenomena, Physics and Applications -NGS10-. 261-264 (2001)
• [文献書誌] M.Saitoh: "Effects of Discrete Quantum Levels on Electron Transport Silicon Single-Electron Transistors with an Ultra-Small Quantum Dot"IEICE Transactions of Electronics. Vol.E84-C, No.8. 1074-1076 (2001)
• [文献書誌] M.Saitoh: "Transport spectroscopy of the ultrasmall silicon quantum dot in a single-electron transistor"Applied Physics Letters. Vol.79, No13. 2025-2027 (2001)
• [文献書誌] T.Saito: "Suppression of Short Channel Effect in Triangular Parallel Wire Channel MOSFETs"IEICE Transactions on Electronics (May, 2002). (to be published). (2002)
• [文献書誌] M.Saitoh: "Current Staircase Characteristics in Silicon Single Electron Transistors with Low Parasitic Resistance"Journal of Applied Physics (June, 2002). (to be published). (2002)
• [文献書誌] 遠藤 彰 他: "Novel Structures near v=9/2 in Short Period Lateral Superlattices"Solid State Commun. 117. 249-254 (2001)
• [文献書誌] 遠藤 彰 他: "Envelope of Commensurability Magnetoresistance Oscillation in Unidirectional Lateral Superlattices"Phys. Rev. B. 63. 113310-1-113310-4 (2001)
• [文献書誌] 藤岡 博幸 他: "Detection of Edge-Conducting Channels in Quantum Hall Systems Using a Single Electron Transistor"Jpn. J. Appi. Phys. 40. 2073-2076 (2001)
• [文献書誌] 遠藤 彰 他: "Two-Dimensional Electrons in Spatially Inhomogeneous Magnetic Field"Mat. Sci. and Eng. 84. 37-43 (2001)
• [文献書誌] 家 泰弘 他: "Magnetotransport in Short Period Lateral Superlattices"Proc. 10th Int. Conf. on Narrow Gap Semiconductors and Related Small Energy Phenomena, Physics and Applications IPAP Conference Series. 2. 25-28 (2001)
• [文献書誌] 原 正大 他: "Transport in Semiconductor/Ferromagnet Hybrid Systems"Proc. 10th Int. Conf. on Narrow Gap Semiconductors and Related Small Energy Phenomena, Physics and Applications IPAP Conference Series. 2. 96-98 (2001)
• [文献書誌] 小林 研介 他: "Observation of an Enhanced Aharonov-Bohm Effect"J. Phys. Chem. Solids. (to be published). (2002)
• [文献書誌] 家 泰弘 他: "Suppression of Exchange Enhancement of Spin Gap in Quantum Hall Systems by Ultra-Short Period Lateral Superlattice"J. Phys. Chem. Solids. (to be published). (2002)
• [文献書誌] 藤岡 博幸 他: "Observation of Edgs States in Fractional Quantum Hall Effect"J. Phys. Chem. Solids. (to be published). (2002)
• [文献書誌] 家 泰弘 他: "Magnetoransport in Ultrashort Period Unidirectional Lateral Superlattices"Physica E. (to be published). (2002)
• [文献書誌] 原 正大 他: "Magnetotransport in 2DEG with Magnetic Barriers"Physica E. (to be published). (2002)
• [文献書誌] 小林 研介 他: "Observation-Dependenct Decoherence in an Aharonov-Bohm Effect"Proc. th Tnt. Symp.on the Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technoligy (World Scientific). (to be published). (2002)
• [文献書誌] Y.Kawano: "Suppression of electron-hole pair recombination in edge States in quantum Hall regimes"Physica B. vol.298, No.1-4. 33-37 (2001)
• [文献書誌] N.Sekine: "Crossover from coherent to incoherent excitation of two-dimensional plasmons in GaAs/AlxGal-xAs single quantum wells by femtosecond laser pulses"Physical Review B (Rapid Communications). vol.64, No.20. 201323-201326 (2001)
• [文献書誌] 家 泰弘 他: "Quantum Transport in Two-Dimensional Electron Gas in Ultra-Short Period Lateral Superlatt"Proc. th Int. Symp.on the Foundations of Quantum Mechanics in the Light of New Technology (World Scientific). (to be published). (2002)
• [文献書誌] 福谷克之: "共鳴核反応法による表面近傍ナノ領域での水素の研究(2001)"固体物理. 36. 353-358 (2001)
• [文献書誌] M.Wilde: "Depth-resolved analysis of subsurface hydrogen absorbed by Pd(100)"Surf. Sci.. 482-485. 346-352 (2001)
• [文献書誌] T.Itoyama: "Adsorption and photoexcitation of NO on Ag/Pt (111)"Surf. Sci.. 493. 84-91 (2001)
• [文献書誌] K.Fukutani: "Nuclear-reaction analysis of H at the Pb/Si (111) interface -Monolayer depth distinction and interface structure"Phys. Rev. B. 64. 245411-1-245411-6 (2001)
• [文献書誌] W.A.Dino: "Scattering dynamics of hydrogen molecules on metal alloy surfaces--A first step towards hydrogen molecule prrobes--"J. Phys. Soc. Jpn.. 70. 3491-3494 (2001)
• [文献書誌] R.Muhida: "Molecular orientation dependence of o-p H2 conversion on a 3d impurity sitting on a metal oxide surface"Surf. Sci.. 493. 285-291 (2001)
• [文献書誌] R.Muhida: "Molecular orientation dependence of o-p conversion of H2 scattered from a 3d impurity sitting on a metal oxide surface"J. Phys. Soc. Jpn.. 70. 3654-3659 (2001)
• [文献書誌] K.Fukutani: "Zero-point vibration of hydrogen adsorbed on Si and Pt surface"Phys. Rev. Lett.. 88(in press). (2002)
• [文献書誌] M.Wilde: "Hydrogen sorption by Ti(0001) single crystal surfaces"J. Vac. Soc.. (Jpn. in press). (2002)
• [文献書誌] T.Yaguchi: "Electronic States of Capped Carbon Nanotubes"J. Phys. Soc. Jpn.. 70・5. 1327-1341 (2001)
• [文献書誌] T.Nakanishi: "Conductance of Crossed Carbon Nanotubes"J. Phys. Soc. Jpn.. 70・6. 1647-1658 (2001)
• [文献書誌] H.Matsumura: "Conductance of Carbon Nanotube Junctions in Magnetic Fields"J. Phys. Soc. Jpn.. 70・8. 2401-2408 (2001)
• [文献書誌] H.Matsumura: "Conductance of Carbon Nanotube with a Stone Wales Defect"J. Phys. Soc. Jpn.. 70・9. 2657-2665 (2001)
• [文献書誌] S.Uryu: "Umklapp electron-electron scattering in weakly modulated two-dimensional electron systems"Phys. Rev. B. 64・195334. 1-15 (2001)
• [文献書誌] T.Yaguchi: "Topological Effects in Capped Carbon Nanotubes"J. Phys. Soc. Jpn.. 70・12. 3641-3649 (2001)
• [文献書誌] S.Uryu: "Insulatorquantum Hall transition in antidot lattices"Phys. Rev. B. 65・35322. 1-8 (2001)
• [文献書誌] K.Asano: "Photoluminescence in integer quantum Hall systems"Phys. Rev. B. 65・115330. 1-12 (2002)
• [文献書誌] H.Ino: "Appearance of ferromagnetism in f. c. c. solid solution of binary and ternary Fe-Cu-based systems prepared by mechanical alloying technique"Materials Science and Engineering. A304-306. 972-974 (2001)
• [文献書誌] 磯部大介: "Zr添加による液体急冷Fe-Nd-B合金の微細化と磁気特性"日本金属学会誌. 第65巻・第11号. 1008-1013 (2001)
• [文献書誌] A.Yamamoto: "The electromagnetic effect of the Mn^<4+> content in LaMn_<1-x>Ni_xO_3 (0<=x<=0.1)"Journal of Physics: Condensed Matter. 14. 1075-1083 (2002)
• [文献書誌] Katsuro Oda: "ELECTROMAGNETIC PROPERTIES OF LANTHANUM MANGANESE OXIDES DOPED WITH IRON"Hyperfine Interactions. (In press). (2002)
• [文献書誌] S.Iwamoto, S.Taketomi, H.Kageshima, M.Nishioka, T.Someya, Y.Arakawa, K.Fukutani, T.Shimuram, K.Kuroda: "Photorefractive multiple quantum wells at 1064nm"Opt. Lett.. 26・1. 22-24 (2001)
• [文献書誌] S.Iwamoto, H.Kageshima, T.Yuasa, M.Nishioka, T.Someya, Y.Arakawa, K.Fukutani, T.Shimura, K.Kuroda: "Photorefractive InGaAs/GaAs multiple quantiim wells in the Franz-Keldysh geometry"J. Appl. Phys.. 89・11. 5889-5896 (2001)
• [文献書誌] H.Kageshima, S.Iwamoto, M.Nishioka, T.Someya, K.Fukutani, Y.Arakawa, T.Shimura, K.Kuroda: "InGaAs/GaAs photorefractive multiple quantum well device in quantum confined Sratk geometry"Appl. Phys. B. 72・6. 685-689 (2001)
• [文献書誌] T.Shimura, S.Iwamoto, H.Kageshima, S.Taketomi, M.Nishioka, T.Someya, Y.Arakawa, K.Fukutani, K.Kuroda: "Excitonic resonant photorefractive devices around 1.06 um"Optical Merials. 18・1. 183-185 (2001)
• [文献書誌] X.Tan: "Secure optical memory systems with polarization encryption"Applied Optics. Vol.40 No.14. 2310-2315 (2001)
• [文献書誌] S.Iwamoto: "Photorefractive InGaAs/GaAs multiple quantum wells in the Franz-Keldysh geometry"Journal of Applied Physics. Vol.89 No.11. 5889-5896 (2001)
• [文献書誌] X.Tan: "Improvement in holographic storage capacity by use of double random phase encryption"Applied Optics. Vol.40 No.26. 4721-4727 (2001)
• [文献書誌] T.Shimura: "Excitonic resonant photorefractive devices around 1.06 μm"Optical Materials. Vol.18. 183-185 (2001)
• [文献書誌] S.Iwamoto: "Photorefractive multiple quantum wells at 1064 nm"Optics Letters. Vol.26 No.1. 22-24 (2001)
• [文献書誌] H.Kageshima: "InGaAs/GaAs photorefractive multiple quantum well device in quantum confined Stark geometry"Applied Physics B. Vol.72 No.6. 685-689 (2001)
• [文献書誌] S.Iwamoto, M.Nishioka, T.Someya, Y.Arakawa, T.Shimura, K.Kuroda: "Photorefractive quantum well p-i-n diode : Design for high resolution and broad bandwidth"OSA TOPS. 62. 403-409 (2001)
• [文献書誌] S.Iwamoto, S.Takatomi, M.Nishioka, T.Someya, Y.Arakawa, T.Shimura, K.Kuroda: "Photorefractive multiple quantum well device at 1064 nm and its application to adaptive vibration measurement"OSA TOPS. 62. 417-422 (2001)