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

2003 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 / 2分岐決定ダイアグラム / カゴメ格子 / フォトニック結晶

研究概要

平成15年度は、有機金属気相成長(MOVPE)選択成長法による量子ナノ構造を利用した単電子素子・単電子回路の実現と、高密度量子ナノ構造の周期配列の形成技術の確立を目的として、以下の研究を行った。
1.2分決定グラフ(BDD)論理回路の基本構成回路である2分岐節点デバイスを単電子トランジスタ(SET)により実現するため、SET2個集積化させた構造をMOPVE選択成長により作製した。2分岐節点動作を確認すると共に、これを2つ集積化して、BDDによる論理積(AND)およびその否定(NAND)動作を行う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、設計通りの論理動作をしていることが確認された。
2.単電子BDDによる1ビット加算器を実現するため、SETを同一基板上に3つ集積化した回路を作製し、その動作確認を試みた。まず、多入力型のSETを利用することにより、SET1個だけで排他的論理和(XOR)論理を実現するBDD論理回路を構成し、その動作確認を行った。そして、先にのべたAND回路の簡略化を行うことにより、SET2個を直列接続した回路により、BDD AND論理動作が可能であることを確認した。そして、以上の回路を組み合わせることにより、BDD 1ビット加算器が原理的に実現可能であることを示した。
3.MOVPE選択成長技術の単電子回路以外の応用として、ナノ構造の高密度周期配列構造の作製を試みた。具体的には、3回対称性を有するGaAs(111)AおよびB、あるいはInP(111)AおよびB基板に適切なマスクパターンを形成した後に選択成長を行うことによって、周期0.7μmのInAsカゴメ格子、GaAsあるいはInPの6角柱の周期配列アレイによるフォトニック結晶、さらには空孔配列によるGaAs フォトニック結晶の作製に成功した。

研究成果

• [文献書誌] Premila Mohan: "Fabrication of semiconductor Kagome lattice structure by selective area metalorganic vapor phase epitaxy"Applied Physics Letters. 83・4. 689-691 (2003)
• [文献書誌] Masashi Akabori: "InGaAs nano-pillar array formation on partially masked InP (111)B by selective area metalorganic vapour phase epitaxial growth for two-dimensional photonic crystal application"Nanotechnology. 14・10. 1071-1074 (2003)
• [文献書誌] Fumito Nakajima: "Single-electron AND/NAND logic circuits based on a self-organized dot network"Applied Physics Letters. 83・13. 2680-2682 (2003)
• [文献書誌] Hiroyuki Takahashi: "Formation and characteristics of 100-nm scale GaAs quantum wires by selective area MOVPE"Applied Surface Science. 216・1-4. 402-406 (2003)
• [文献書誌] Hyo Jin Kim: "Formation of GaAs wire structures and position controlled In_<0.8>Ga_<0.2>As quantum dots on SiO_2-patterned vicinal (001) GaAs substrate"Nanotechnology. 15. 292-296 (2004)
• [文献書誌] Masaru Inari: "Selective area MOVPE growth of InP and InGaAs pillar structures for InP based two-dimensional photonic crystals"Physica E. (to be published). (2004)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Growth of GaAs/AlGaAs hexiagonal pillars on GaAs (111)B surfaces by selective-area MOVPE"Physica E. (to be published). (2004)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Growth and optical properties of 2D photonic crystals based on hexiagonal GaAs/AlGaAs pillar arrays by selective-area metalorganic vapor phase epitaxy"Proc.2003 MRS Fall Meetings. (to be published). (2004)
• [文献書誌] Premila Mohan: "Realization of InAs-based two-dimensional artificial lattice by selective area metalorganic vapor phase epitaxy"Applied Physics Letters. (to be published). (2004)