研究課題
本年度も、前年度に引き続き、狭ギャップ半導体で非常に強いスピン軌道相互作用を有する材料として知られる、InAsとInSbの自己組織化量子ドットを活性層とする単一電子トランジスタ素子の作製とその伝導特性の観測に関する実験を行った。特に、自己組織化InSb量子ドットを用いた素子では、ソース・ドレイン電極間が高抵抗のデバイスが多く、伝導特性の評価に困難が伴った。これに対処するため、量子ドット素子の近傍に設置された単一電荷検出器を用いた量子状態の読み取りについて検討し、実験を行った。具体的には、自己組織化量子ドットの存在する基板表面に簡便に形成できる電荷検出器として、金属ナノ構造を用いた電荷検出器の作製に取り組み、その作製のノウハウを蓄積した。この電荷検出器と、InSb量子ドットトランジスタと組み合わせることで、量子ドットにおける電子状態の評価と制御を可能とし、その後のテラヘルツ帯での物性評価に繋げたい。また、化合物半導体の中でも最もスピン軌道相互作用の効果が大きく、スピン状態の高速制御に有利な材料と言われるGaSb量子井戸を流れるホール伝導に関する解析を進め、ヘビードープしたGaSb量子井戸において、シュブニコフ振動の結果と8バンドkpモデルでの計算結果を用いて、価電子帯のバンド構造の解析を行った。また、この系のコヒーレンス長とスピン軌道相互作用長の評価に初めて成功した。本成果は、GaSb２次元ホール系を基礎とした量子ドットなどの量子情報処理デバイスの実現と、そこでのスピン軌道相互作用を利用したスピンの高速操作や、弱い超微細相互作用による長いコヒーレンス時間の実現への一歩と考えられる。
2: おおむね順調に進展している
本年度は、自己組織化InSb量子ドットを活性層とする単一電子トランジスタの作製とその伝導特性の評価を行う研究を遂行した。その結果、InSb量子ドットを活性層とする量子ドットトランジスタでは、非常に高抵抗のデバイスが多く、伝導特性の観測に困難が伴う場合が多いことが分かった。これに対応するため、量子ドット素子近傍に単一電荷検出器を配置することを考え、電荷検出素子の作製のための実験をおこなった。一方で、InSbと同様に、強いスピン軌道相互作用を用いたスピンの高速制御が期待されるGaSbホール系についても、実験と解析を進め、特にヘビードープした素子における電子状態を明らかにした。この成果は、研究目標の実現に向けてGaSb２次元ホール系という新しいプラットフォームの構築に寄与するものである。以上のように、幾つか研究目標の実現に向けた問題点が明らかになる一方で、それを克服する手段も存在する状況なので、今後はそれらに地道に取り組む必要がある。以上を総合的に考慮すると、目的実現に向けて着実に前進している状況にあると考えることができる。
本年度は、自己組織化InSb量子ドットを活性層とする単一電子トランジスタ素子に取り組んだが、高抵抗のデバイスが多く、伝導特性の評価が困難なものが多いことから、このような素子でも量子状態の観測と制御を可能とするために、単一電荷検出器を用いた量子状態の観測について、更なる検討を行う予定である。また、量子ドット形状と伝導特性との関係も明らかになっていないので、素子作製を更に進めることで、その関連性を確かめたい。伝導特性の変調を行うゲート電極については、これまで主にサイドゲートを用いていたが、より大きな変調を可能とするためにバックゲートを有する素子構造の作製も検討することとする。また、GaSb量子井戸構造についても、より高移動度の試料の作製とその物性についての更なる解析を行うことで、量子情報素子やスピントロニクス素子のための新しいプラットフォームを提供したい。
すべて 2019 2018 その他
すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件)
Physical Review B
巻: 99 ページ: 115435-1-6
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.115435
http://www.eis.tohtech.ac.jp/study/labs/shibata/
