有機金属気相成長高密度量子ナノ構造による単電子集積エレクトロニクス

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13GS0001
• 研究種目: 創成的基礎研究費
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 福井 孝志 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (30240641)
• 研究分担者: 橋詰 保 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 助教授 (80149898) ; 本久 順一 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 助教授 (60212263) ; 雨宮 好仁 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80250489) ; 葛西 誠也 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30312383)
• キーワード: 有機金属気相成長 / 選択成長 / 量子ナノ構造 / 単電子トランジスタ / 近藤効果 / 相補型単電子インバータ / 2分岐決定ダイアグラム / 単電子メモリー

研究概要

平成13年度は、有機金属気相成長(MOVPE)選択成長法により高密度量子ナノ構造の形成技術を確立すること、それを利用した単電子トランジスタの基本的特性や物理を解明すること、および、それらを回路へと応用することを目的として、以下の研究を行った。
1.MOVPE選択成長のマスクパターンを適切に設計することにより、高密度GaAs量子ドットアレイや、高密度の量子ドット-量子細線結合構造アレイの形成を試みた。作製された構造のカソードルミネセンス測定から、量子ナノ構造が設計通りに形成されていることが確認された。
2.上記の形成技術を基盤として、量子ドットによる単電子トランジスタを形成し、その伝導特性を極低温において詳細に測定した。明瞭なクーロン振動・クーロンダイアモンドが確認されるとともに、ある条件下では、非常に強い量子ドットにおける近藤効果が観測された。特に、強磁場中で観測された近藤効果においては、その微分コンダクタンス特性の零バイアス付近に特異なディップ構造を観測し、それが2段階近藤効果に起因していることを明らかにした。
3.相補型インバーター回路への応用を目的として、上記の単電子トランジスタを、2個同一基板上に集積化し、直列接続した回路を試作した。2つの単電子トランジスタの相補的動作を確認し、相補型単電子インバーター回路実現への見通しを得た。
4.2分岐決定ダイアグラムに基づく単電子論理回路を実現するため、その基本構成回路である2分岐接点デバイスを、単電子トランジスタを2個集積化させることにより実現した。試作した回路が、2分岐接点デバイスとして実際に動作することを確認した。
5.InAs量子ドットとリッジ量子細線から構成される単電子メモリーへの応用を目的として、InAs量子ドットをAlGaAsリッジ構造の頂上部への選択的な形成を試みた。形成された量子ドットの形状やサイズ分布が、リッジ構造の頂上幅に依存することを見いだし、その原因について明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Fumito Nakajima: "GaAs dot-wire coupled structures grown by selective area metalorganic vapor phase epitaxy and their application to single electron devices"J.Appl.Phys.. 90. 2606-2611 (2001)
• [文献書誌] Junichiro Takeda: "Formation of Al_xGa_<1-x>As periodic array of micro-hexagonal pillars and air holes by selective area MOVPE"Appl.Surf.Sci.. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Formation of Nano-Scale Heterointerfaces by Selective Area Metalorganic Vapor Phase Epitaxy and Their Applications"Appl.Surf.Sci.. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Fumito Nakajima: "Two-way current switch using Coulomb blockade in GaAs quantum dots by selective area metalorganic vapor phase epitaxy"Physica E. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Low temperature traiisport in dual-gated SETs fabricated by selective area metalorganic vapor phase epitaxy"Physaca E. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Masashi Akabori: "Selective area MOVPE growth of two-dimensional photonic crystals having an air-hole array and its application to air-bridge-type structures"Physica E. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Takaaki Ishihara: "Dependence on In content of InxGal-xAs quantum dots grown along GaAs multiatomic steps by MOVPE"J.Cryst.Growth. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] W.G.van der Wiel: "Two-stage Kondo effect in a quantum dot at high magnetic field"Phys.Rev.Lett.. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Fabrication and Low-Temperature Transport Properties of Selectively Grown Dual-Gated Single-Electron Transistors"Phys.Rev.Lett.. (to be piblished). (2002)
• [文献書誌] Toyonori Kusuhara: "Formation of InkAs Dots on AlGaAs Ridge Wire Structures by Slective Area MOVPE Growth"Jpn.J.Appl.Phys.. (to be piblished). (2002)