半導体量子リングと関連ナノ構造による電子と正孔の新制御法の開発と素子応用の探索

2007 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17206034
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 榊 裕之 豊田工業大学, 工学部, 教授 (90013226)
• 研究分担者: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097) ; 秋山 英文 東京大学, 物性研究所, 准教授 (40251491)
• キーワード: 量子リング構造 / 半導体ナノ構造 / GaSb / 第2種ヘテロ構造 / 量子閉じ込め / InAs / 量子ドット / 量子ロッド

研究概要

本年度は、1.量子リングやドット構造の自己形成手法の高度化、2.それらが関与する特異な電子伝導と光検出機能および3.光学特性について研究を進め、以下の成果を得た。
これまで、格子定数の異なる基板上のStranski-Krastanov(SK)型成長で10nm級のドットが自己形成する過程を利用し、これに一工夫を加えてリング構造を作成してきたが、本年は別の液滴エピタキシー手法を検討し、成長過程の設定次第で、良質なGaSbやInSbのドットに加え、リング構造が形成できることを見出した。
また、GaSbの量子ドットを伝導路の近傍に埋めこんだp型ヘテロFET素子を開発、ゲート電圧の印加で正孔を蓄積させて閾値の制御可能性を示すとともに、光照射でも正孔が蓄積されるため、近赤外光を検出できることも明らかにした。また、単一のSKドットに微細電極を設けた素子では、電極材料に依ってスピンが関与する特異な電子伝導の生じることも示した(平川チーム)。
さらに、ドットやリング内の励起子の量子状態や光学特性を理論解析し、束縛エネルギーや波動関数の形状を明らかにするとともに、各種のドットやリングを埋めこんだ構造の蛍光特性を実験的に調べ、その特徴を示すとともに、多重極放射素子への応用可能性を検討した。また、量子リング内の電子や正孔は、その形状により、量子細線に近い量子状態を作る。そこで、量子細線内に1次元的な励起子や電子・正孔を導入した時の光学特性を、理論実験の両面から調べ、一連のユニークな特徴が現れることを示した(秋山チーム)。

研究成果

• [雑誌論文] Optical probe of InAs/GaAs self-assembled quantum dots grown using low growth rate and growth interruptions (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Lachab, H. Sakaki
  • 雑誌名: Applied Surface Science Vol.254,(11) ページ: 3385-3390
  • 査読あり
• [雑誌論文] g-factor of two dimensional electrons in n-AIGaAs/GaAs selectively doped heterojunctions with embedded InGaAs quantum dots (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu and H. Sakaki
  • 雑誌名: J, Crystal Growth Vol.301-302 ページ: 910-913
  • 査読あり
• [雑誌論文] MBE growth of self-assembled InGaAs quantum dots aligned along quasi-periodic multi-atomic steps on a vicinal(111)B GaAs surface (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Akiyama and H. Sakaki
  • 雑誌名: J. Crystal Growth Vol.301-302 ページ: 697-700
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular beam epitaxial growth of very large lateral anisotropic GaSb/GaAs quantum dots (2007)
  • 著者名/発表者名: C. Jiang, T. Kawazu, S. Kobayashi and H. Sakaki
  • 雑誌名: J. Crystal Growth Vol.301-302 ページ: 828-832
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic properties of self-assembled InAs quantum dots on GaAs surfaces probed by lateral electron tunneling structures (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, M. Jung, K. Hirakawa, T. Machida, S. Ishida, Y. Arakawa and H. Sakaki
  • 雑誌名: J. Crystal Growth Vol.301-302 ページ: 731-734
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scattering of two-dimensional electrons by self-assembled InAlAs anti-dots in novel n-AlGaAs/GaAs heterojunctions (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu and H. Sakaki,
  • 雑誌名: Physica E Vol.40,(2) ページ: 233-236
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kondo effect in a semiconductor quantum dot coupled to ferromagnetic electrodes (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, M. Kitabatake, K. Shibata, M. Jung, M. Kawamura, K. Hirakawa, T. Machida, T. Taniyama, S. Ishida, and Y. Arakawa,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vol.91 ページ: 232105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kondo universal scaling for a quantum dot coupled to superconducting leads (2007)
  • 著者名/発表者名: C. Buizert, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review Letters Vol.99 ページ: 136806
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metastable excited states of a closed quantum dot with high sensitivity to infrared photons" (2007)
  • 著者名/発表者名: Zhenghua An, T. Ueda, S. Komiyama, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Physical Review B Vol.75 ページ: 085417-1-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin-half Kondo effect in a single self-assembled InAs quantum dot with and without an applied magnetic field (2007)
  • 著者名/発表者名: Y. Igarashi, M. Jung, M. Yamamoto, A. Oiwa, T. Machida, K. Hirakawa, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review B Vol.76 ページ: 081303-1-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lateral electron tunneling through single self-assembled InAs quantum dots coupled to superconducting nanogap electrodes (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, C. Buizert, A. Oiwa, K. Hirakawa, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vol.91,(11) ページ: 112102-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electric-field control of tunneling magnetoresistance effect in a Ni/InAs/Ni quantum-dot spin valve (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, M. Kitabatake, K. Shibata, M. Jung, M. Kawamura, K. Hirakawa, and T. Machida
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vol.91,(2) ページ: 022107-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spin transport through a single self-assembled InAs quantum dot with ferromagnetic leads (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Hamaya, S. Masubuchi, M. Kawamura, T. Machida, M. Jung, K. Shibata, K. Hirakawa, T. Taniyama, S. Ishida, and Y. Arakawa
  • 雑誌名: Applied Physics Letters Vol.90,(5) ページ: 053108-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coulomb Enhancement and Suppression of Peak Gain in Quantum Wire Lasers (2007)
  • 著者名/発表者名: Ping Huai, Hidefumi Akiyama, Yuh Tomio, and Tetsuo Ogawa
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. Vol.46 ページ: L1071-L1073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Micro-photoluminescence characterization of GaInAsP/InP single quantum wires fabricated by dry etching and regrowth (2007)
  • 著者名/発表者名: Hirotake Itoh, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Dhanorm Plumwongrot, Takeo Maruyama, and Shigehisa Arai
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. Vol 102 ページ: 093509
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biexciton gain and the Mott transition in GaAs quantum wires (2007)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Hayamizu, Masahiro Yoshita, Yasushi Takahashi, Hidefumi Akiyama, C. Z. Ning, Loren N. Pfeiffer, and Ken W. West
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. Vol.99 ページ: 167403
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-dimensional band-edge absorption in a doped quantum wire (2007)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Ihara, Yuhei Hayamizu, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, and Ken W. West
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. Vol.99 ページ: 126803
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface-morphology evolution during growth-interrupt in situ annealing on GaAs(110)epitaxial layers (2007)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. Vol.101 ページ: 103541
  • 査読あり
• [学会発表] Photoluminescence spectroscopy of semiconductor colloidal quantum dots in the photonic bandgap fiber (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Ohmori, S. Kawanishi, M. Tanaka, H. Sakaki
  • 学会等名: IEEE LEOS Winter Topicals Conf. 2008
  • 発表場所: Sorrento, Italy
  • 年月日: 2008-01-14
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [学会発表] Roles of quantum nanostructures in the evolution and future advances of electronic and photonic devices(Plenary); (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Sakaki
  • 学会等名: 2007 Int'l. Electron Devices Meeting(IEDM)
  • 発表場所: Washington DC, U. S. A.
  • 年月日: 2007-12-10
• [学会発表] Temperature dependence of charged exciton in ultra-low density InAs quantum dots (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Ohmori, K. Torii, H. Sakaki
  • 学会等名: The 34th Int'l Symp. on Compound Semiconductors(ISCS)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2007-10-15
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [学会発表] Magneto-capacitance study of an n-AlGaAs/GaAs hetero-junction supporting a sizable dc current (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu and H. Sakaki
  • 学会等名: The 34th Int'l Symp. on Compound Semiconductors(ISCS)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2007-10-15
• [学会発表] Resonant tunneling of electrons through single self-assembled InAs quantum dot at room temperature studied with conductive AFM tip. (2007)
  • 著者名/発表者名: I. TANAKA, Y. Tada, S. Nakatani, K. Uno, M. Azuma, K. Umemura, I. Kamiya, and H. Sakaki
  • 学会等名: The 34th Int'l Symp. on Compound Semiconductors(ISCS)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2007-10-15
• [学会発表] Magneto-capacitance measurement of a selectively doped n-AlGaAs/GaAs heterojunction with InGaAs quantum dots (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu and H. Sakaki
  • 学会等名: 2007 Int'l Conf. on Solid State Devices and Materials(SSDM)
  • 発表場所: Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2007-09-19
• [学会発表] Advances in quantum nanostructure devices and roles of heterostructure control technology(Plenary) (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Sakaki
  • 学会等名: 7th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics(TWHM 2007)
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2007-08-22
• [学会発表] Anisotropic transport of electrons and holes in thin GaAs/AlAs quantum wells grown on(311)A GaAs substrates (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Noda, H. Sakaki
  • 学会等名: The 13th Int'1 Conf. on Modulated Semiconductor Structures(MSS)
  • 発表場所: Genova Italy
  • 年月日: 2007-07-15
• [学会発表] Prospects of quantum dot and quantum wire based devices and roles of molecular beam epitaxy(Invited) (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Sakaki
  • 学会等名: MBE-Taiwan 2007
  • 発表場所: 高雄,台湾
  • 年月日: 2007-05-21