量子ナノ構造中の電子波束のデコヒーレンスと伝導・損失・利得スペクトルに関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15206037
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
• 研究分担者: 大塚 由紀子 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (00251463) ; 荒川 泰彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (30134638) ; 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226) ; 関根 徳彦 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (10361643)
• キーワード: テラヘルツ電磁波 / 超格子 / ブロッホ振動 / 超高速トランジスタ / 単一分子素子

研究概要

サブピコ秒の時間スケールで高速に運動する電子は、その速度の微分に比例する電磁波を放出・吸収し、その周波数はテラヘルツ(THz)領域にある。従って、電子が放出・吸収するTHz電磁波を検出・解析することにより、ナノ構造中の電子のダイナミクスを明らかにすることができる。
本研究においては、THz電磁波の放射・吸収をプローブとして、(1)量子効果デバイス中の電子波束のダイナミクスと伝導・損失・利得の解明、(2)極短チャネルトランジスタ中の非定常伝導と超高電界伝導、(3)分子伝導における電子・分子・機械変形相互作用など分子伝導特有の新しい物性を明らかにする、ことを目標に研究を行っている。
本年度は、1.半導体超格子のブロッホ利得について;(1)THz電気光学サンプリング法を用いて、放射されたTHz電界波形を測定することにより、伝導率の実部と虚部を独立に求め、ブロッホ振動する電子の利得スペクトルを世界で初めて実験的に示すことに成功した。(2)ブロッホ振動する電子の散乱機構が、界面凹凸散乱と合金散乱であることを明らかにした。(3)ブロッホ利得の最高周波数を制限しているジーナートンネル効果について検討し、ブロッホ振動が共鳴ジーナートンネル効果により抑制される過程を明らかにした。
2.バルク半導体の過渡伝導について;(1)過渡伝導特性の温度依存性を測定し、液体窒素温度ではピーク速度、飽和速度とも、室温のそれらの1.3〜1.4倍になることを明らかにした。
3.分子伝導について;(1)ヨードチンキを用いる新しい金のナノメッキ法を考案し、原子レベルの金ナノ接合の作製に成功するとともに、伝導度の量子化の観測に成功した。(2)ブレークジャンション法を用いて、1nm程度のギャップを有する金電極の作製に成功した。

研究成果

• [文献書誌] Y.Shimada, K.Hirakawa, M.Odnoblioudov, K.A.Chao: "Terahertz conductivity and possible Bloch gain in semiconductor superlattices"Physical Review Letters. vol.90, No.4. 46806-46809 (2003)
• [文献書誌] N.Sekine, Y.Shimada, K.Hirakawa: "Bloch Gain in AlGaAs/GaAs Semiconductor Superlattices"Physica E. 21. 858-862 (2004)
• [文献書誌] Y.Shimada, N.Sekine, K.Hirakawa: "Inter-miniband Resonant Zener Tunneling in Wide-Miniband GaAs/Al0.3Ga0.7As Superlattices Investigated by THz Emission Spectroscopy"Physica E. 21. 661-665 (2004)
• [文献書誌] Y.Shimada, N.Sekine, K.Hirakawa: "THz emission due to inter-miniband resonant Zener tunneling in wide-miniband GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As superlattices"Applied Physics Letters. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] K.Jin, M.Odnoblyudov, Y.Shimada, K.Hirakawa, K.A.Chao: "Terahertz frequency radiation from Bloch oscillations in GaAs/Al0.3Ga0.7As superlattices"Physical Review B. vol.68, No.15. 153315-153318 (2003)
• [文献書誌] K.Hirakawa, Y.Shimada, M.Odnoblioudov, K.A.Chao: "Dyanamical carrier transport and terahertz gain in semiconductor superlattices"Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng.. vol.4992. 138 (2003)
• [文献書誌] N.Sekine, Y.Shimada, K.Hirakawa: "Dephasing mechanisms of Bloch oscilations in GaAs/Al0.3Ga0.7As superlattices investigated by time-resolved terahertz spectroscopy"Applied Physics Letters. vol.83, No.23. 4794-4796 (2003)
• [文献書誌] 関根徳彦, 島田洋蔵, 平川一彦: "半導体超格子のブロッホゲイン"固体物理. vol.39, No.2. 25-36 (2004)
• [文献書誌] M.Jung, K.Hirakawa: "Lateral electron transport through single InAs quantum dots"Physica E. 21. 423-425 (2004)
• [文献書誌] 平川一彦, 他(分担執筆): "ナノエレクトロニクス"半導体量子ナノ構造の赤外光デバイスへの応用""オーム社. 349 (2004)