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

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13GS0001
• 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: 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) ; 長谷川 英機 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (60001781) ; 葛西 誠也 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30312383) ; 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)
• 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 / 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14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とともに、それを利用した単電子素子・単電子回路の実現を目的として、以下の研究を行った。
1.単電子トランジスタ(SET)およびそれを利用した2分岐決定ダイアグラム(BDD)論理回路の基本となる、ネットワーク状の量子ドット-量子細線結合構造アレイを、MOVPE選択成長により作製した。本方法によって、SETの密度として2×10^7cm^<-2>を有するネットワーク構造が形成可能であることが示された。カソードルミネセンス測定の結果、均一な量子ナノ構造が形成されていることが確認された。
2.SETを2個同一基板上に集積化し、直列接続した回路を作製した。2つのSETの相補的動作による相補型単電子インバーター回路動作を実証した。
3.BDD論理回路の基本構成回路である2分岐接点デバイスを、SETを2個集積化させることにより実現し、その動作を確認した。さらに、2分岐接点デバイスを2個集積化して、BDDによるAND/NAND論理回路を試作した。モンテカルロシミュレーションの結果と対比させることにより、試作した回路が、設計通りの論理回路動作をしていることが確認された。
4.単電子メモリーへの応用を目的として、In(Ga)As量子ドットをGaAsリッジ構造の頂上部への選択的な形成を試みた。特に、微傾斜(001)GaAsマスク基板に対してGaAsの選択成長を行った場合、GaAs細線構造の頂上部にマルチステップ構造が周期的に形成されること、そして、その後InGaAsを成長すると、そのステップ端にInGaAs量子ドットが形成されることが示された。その結果、GaAsリッジ構造頂上部に、細線方向について1列あるいは2列のInGaAs量子ドット列が、頂上幅に応じて形成可能であることが明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] Toyonori Kusuhara: "Formation of InAs dots on AlGaAs ridge wire structures by selective area MOVPE growth"Jpn. J. Appl. Phys.. 41・4B. 2508-2512 (2002)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Fabrication and low-temperature transport properties of selectively grown dual-gated single-electron transistors"Applied Physics Letters. 80・15. 2797-2799 (2002)
• [文献書誌] Takaaki Ishihara: "Dependence on In content of In_xGa_<1-x>As quantum dots grown along GaAs multiatomic steps by MOVPE"J. Crystal Growth. 237. 1476-1480 (2002)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Formation of nanoscale heterointerfaces by selective area metalorganic vapor-phase epitaxy and their applications"Applied Surface Science. 109・1-4. 184-190 (2002)
• [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"Applied Surface Science. 109・1-4. 236-241 (2002)
• [文献書誌] Osamu Matsuda: "Wavelength selective photoexcitation of picosecond acoustic-phonon pulses in a triple GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum well structure"Physica B. 316. 205-208 (2002)
• [文献書誌] T.Oya: "A majority-logic nanodevice using a balanced pair of single-electron boxes"J. Nanosci. Nanotechnol.. 2・3-4. 333-342 (2002)
• [文献書誌] Hiroyuki Takahashi: "Formation of 100nm-scale GaAs quantum wires and size-controlled InAs quantum dots by selective are MOVPE for single electron memory application"Proceedings of 7th International Conference on Nanometer-scale Science and Technology, 21st European Conference on Surface Science. THP-063-THP-064 (2002)
• [文献書誌] H.J.Kim: "Fabrication of single-or double-row aligned self-assembled quantum dots by utilizing SiO_2-patterned vicinal (001)GaAs substrates"Applied Physics Letters. 81・27. 5147-5149 (2002)
• [文献書誌] T.Oya: "A majority-logic device using an irreversible single-electron box"IEEE Transactions on Nanotechnology. 2・1(to be published). (2003)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Two-stage Kondo effect in a lateral quantum dot at high magnetic field"the Proceedings of 26th International Conference on the Physics of Semiconductors. (to be published). (2003)
• [文献書誌] Hiroyuki Takahashi: "Formation and characteristics of 100nm-scale GaAs quantum wires by selective area MOVPE"Applied Surface Science. (to be published). (2003)