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昨年度に作製した円盤状シリコン微細構造につき、直径および厚さを変化させたものを作製し、電気特性に現れる階段構造の幅がどのように変化するかを検討した。
<シリコン基板-下地酸化膜-多結晶シリコン薄膜-自然酸化膜>構造の基板を用意し、フェリティンと呼ばれる蛋白質を配置し、その中に含まれる鉄コアを熱処理により取り出し、表面に形成されるシリコン自然酸化膜を除去後、鉄コアをマスクとして多結晶シリコン薄膜を塩素中性粒子ビームでエッチング加工することで、下地酸化膜上にサブ10nmシリコンナノディスク構造を作製した。このとき、多結晶シリコン薄膜の厚さを2.5nm〜5nmで変化させることにより、ナノディスクの厚さを変化させた。一方、自然酸化膜除去条件を制御することにより、ナノディスクの直径を8〜12nm程度の範囲で制御することに成功した。
これらのナノディスク構造について、室温において、導電性探針を用いた原子間力顕微鏡を用いてクーロン階段の観測を行った。導電性ダイヤモンド探針を用い、画像をスキャンしたのちに探針をナノディスク位置に置き電流-電圧特性を測定したところ、すべてのナノディスクについて、階段状の特性が得られた。その階段の幅は、ナノディスクの直径にはほとんど依存せず、厚さに強く依存することが分かった。これは、ナノディスクが量子井戸的な振る舞いを見せていることを意味する。すなわち、ナノディスクは厚さ方向に非常に小さく、電子の波動関数の広がりよりも薄いため、厚さ方向に電子閉じ込めが起こり、電子準位が厚さの影響を受けたと考えられる。
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