光領域における三端子増幅素子の基礎研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450137
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 浅田 雅洋 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (30167887)
• 研究分担者: 渡辺 正裕 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (00251637)
• キーワード: 光領域三端子素子 / ナノ構造 / フォトンアシストトンネル / 電子波ビート / コヒーレント超放射 / CaF_2 / CdF_2 / Siヘテロ接合 / 共鳴トンネルダイオード

研究概要

本研究は、光領域の三端子素子の可能性として、新たに提案したナノ構造中の電子の赤外領域におけるフォトンアシストトンネルとトンネルした走行電子波のビート集群による電磁波出力を組み合わせた三端子増幅素子の実現を目指し、デバイス形成のための微細構造の結晶成長と形成プロセスの確立、および、遠赤外から近赤外領域に至るフォトンアシストトンネルと電子波ビート集群効果の理論解析、観測、特性把握を行い、デバイスの増幅動作の可能性を明らかにすることを目的とし、本年度は以下の成果を得た。
理論解析に関して、これまで半古典的解析しかなかったが、今回、出力メカニズムが量子論的な集団的超放射であることに着目して、新たに量子論的解析を行うことにより、フォトンアシストトンネルと電子波ビート集群による増幅動作について、電子散乱の影響、周波数依存性、信号帯雑音比の見積もりが可能となった。素子の増幅利得は散乱により低下するが、散乱によるエネルギー広がりが光子エネルギーより小さければその影響は少なく、低速波回路などの素子構成が可能な範囲では、むしろ高周波動作のほうが有利で、遠赤外〜中赤外動作が可能であるとの見積もりも得た。
デバイス形成のための微細構造の結晶成長の第一段階として、ポテンシャル障壁が高いために量子化エネルギーの尖鋭化が期待されることから、素子の動作に適したCaF_2/CdF_2/Siヘテロ接合系を選択し共鳴トンネル構造の結晶成長を行った。成長領域を100nm程度の領域に限定するナノ領域エピタキシーを提案し、これによって顕著な特性の均一化が得られるとともに、量子井戸層厚依存性に関する系統的な実験結果が初めて得られた。また、表面水素終端基板あるいはオフ角選択による原子ステップ制御をナノ領域エピタキシーと組み合わせることによって、この系では初めてSi(100)基板上の室温微分負性抵抗を得た。

研究成果

• [文献書誌] M.Asada: "Quantum theory of a semiconductor klystron"Physical Review B. 67・11. 115303-1-115303-8 (2003)
• [文献書誌] M.Tsutsui, T.Nagai, M.Asada: "Analysis and Fabrication of p-type Vertical PtSi Schottky Source/Drain MOSFET"Trans.Electron.IEICE of Japan. E-85-C・5. 1191-1199 (2002)
• [文献書誌] M.Tsutsui, M.Asada: "Dependence of Drain Current on Gate Oxide Thickness of p-type Vertical PtSi Schottky Source/Drain MOSFETs"Japan.J.Applied Physics. 41・1. 54-58 (2002)
• [文献書誌] Y.Niiyama, T.Maruyama, N.Nakamura, M.Watanabe: "Room Temperature Ultraviolet Photoluminescence of BeZnSe on GaP(001)"Jpn.J.Appl.Phys.. 41・7A. L751-L753 (2002)
• [文献書誌] T.Maruyama, N.Nakamura, M.Watanabe: "Crystal Growth of BeZnSe on CaF_2/Si(111) Subtrate"Jpn.J.Appl.Phys.. 41・8A. L876-L877 (2002)
• [文献書誌] M.Watanabe, T.Ishikawa, M.Matsuda, T.Kanazawa, M.Asada: "Room temperature negative differential resistance of CdF_2/CaF_2 resonant tunneling diode grown on Si using nanoarea local epitaxy"Abstract of International Conference on Physics of Semiconductors (Edinburgh/UK). PartIII. 157 (2002)