位置制御シングルモード量子ドット・量子リングの伝導制御とその応用

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25246004
• 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)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 量子ドット / 量子ナノ構造 / 単一電子トランジスタ / テラヘルツ電磁波

研究概要

自己組織化InAs量子ドットのように電子準位が1モード（またはごく少数のモード）しか含まないような極限ナノ領域では、その物理が量子力学に支配され、非常に理想的で制御性のよいものになる。従って、bottom-up的極限ナノ構造を作製し、電極から電子を注入し伝導を制御できれば、次世代のエレクトロニクスに新しい局面を拓くことができるであろう。本研究では、極微小自己組織化単一InAs量子ドット・ダッシュおよび量子リング構造にナノギャップ電極により電気的にアクセスし、その量子伝導特性を明らかにするとともに、その応用を探索することを目的に研究を遂行している。
本年度の主な成果は、以下の通りである。
１．イオン液体を用いた量子ドット電子状態の制御：イオン液体（DEME-TFSI）を量子ドット表面に塗布し、巨大な電界を印加することにより、単一量子ドットトランジスタ構造中の電子数、電子の軌道量子化エネルギーや帯電エネルギーを大きく制御できることを示した。
２．長波長テラヘルツ電磁波を用いた単一量子ドットのサブレベル間遷移の観測：単一量子ドットトランジスタ構造において、量子ドットにアクセスするナノギャップ電極をテラヘルツアンテナと集積化することにより、単一量子ドット内のサブレベル間の遷移をテラヘルツ電磁波で誘起された光電流の変化として検出することに成功した。この成果は、長波長のテラヘルツ電磁波を用いて、ナノメートル領域の物性を調べるための基盤となる大きな成果である。
３．量子ダッシュの伝導：(211)B面に成長した量子ダッシュにナノギャップ電極を形成した構造の磁気輸送特性を測定し、電子が軌道ごとに大きく異なるg因子を持っていることなどを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

位置制御量子ドットやリングの作製を研究項目に挙げていたが、プロセスで不可避的に導入される結晶欠陥のために、電荷のトラッピング・デトラッピングによる信号揺らぎが観測されるため、当初予定した計画に比べて、現在のところ大きな進捗はない。
しかし、単一量子ドットのテラヘルツ分光では大きな進展があり、量子ドットのサブレベル間遷移の観測に成功した。1meVを切る半値幅のサブレベル間遷移スペクトルの観測に成功したのは世界で初めての成果である。さらにサブレベル間遷移のスペクトルは、電子系の相互作用により大きな影響を受けていることが明らかになりつつあり、残りの研究期間で詳しく掘り下げれば大きな成果に結びつく内容である。

今後の研究の推進方策

計画調書では、位置制御量子ドットやリングの作製を研究項目に挙げていたが、プロセスで不可避的に導入される結晶欠陥のために、電荷のトラッピング・デトラッピングによる信号揺らぎが観測されるため、現在ペンディング中である。位置制御を行わないで、再現性よく量子ドットにアクセスする新しい方法として、500V程度の加速電圧の電子顕微鏡で、低損傷でかつ量子ドットの位置を確認し、それをもとに電極を作製する技術を新しく立ち上げつつある。この方法でも２重量子ドット構造の作製が可能で、現在それに取り組んでいる。
また今回、新しく観測に成功した量子ドットのサブレベル間遷移であるが、それが観測できる条件、スペクトルの形状、ゲート電圧・ソースドレイン電圧に対する振る舞いが、予想以上に複雑であることがわかった。これは電子のクーロン反発力やスピンの効果を反映したものであり、今後、サブレベル間遷移スペクトルの理解に注力していく予定である。
ただ、連携研究者である柴田特任講師、大岩講師が遠隔地に転出したこと、また陽教授が他界したことにより、研究体制が大きく変わったため、位置制御ドットの成長より、テラヘルツの実験に比重を置くように計画をシフトする予定である。

研究成果

• [雑誌論文] “Electron magneto-tunneling through single self-assembled InAs quantum dashes” (2014)
  • 著者名/発表者名: K Shibata, N. Pascher, P. J. J. Luukko, E. Rasanen, S. Schnez, T. Ihn, K. Ensslin, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: vol. 7 ページ: pp. 045001-1~4
  • DOI: 10.7567/APEX.7.045001
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Cross-sectional transmission electron microscopy analysis of a single self-assembled quantum dot single electron transistor fabricated by atomic force microscope local oxidation” (2014)
  • 著者名/発表者名: R. Moriya, E. Ikenaga, K. Shibata, K. Hirakawa, S. Masubuchi, and T. Machida
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: vol. 53 ページ: 045202-1~4
  • DOI: 10.7567/JJAP.53.045202
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Electrically tunable three-dimensional g-factor anisotropy in single InAs self-assembled quantum dots" (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Takahashi, RS. Deacon, A. Oiwa, K. Shibata, K. Hirakawa, S. Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: vol. 87 ページ: pp. 161302-1~5
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.87.161302
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Large modulation of zero-dimensional electronic states in quantum dots by electric-double-layer gating” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, H. Yuan, Y. Iwasa, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 4 ページ: pp.1-7
  • DOI: 10.1038/ncomms3664
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Rotation and anisotropic molecular orbital effect in a single H2TPP molecule transistor” (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Sakata, K. Yoshida, Y. Kitagawa, K. Ishii, and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: vol. 111 ページ: pp. 246806-1~5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.246806
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Terahertz photon-assisted tunneling in InAs quantum dots” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata and K. Hirakawa
  • 雑誌名: Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves 巻: vol. 35 ページ: pp. 101~109
  • DOI: 10.1007/s10762-013-0039-7
  • 査読あり
• [学会発表] “単一分子トランジスタにおけるTHzフォトンアシストトンネル効果” (2014)
  • 著者名/発表者名: 吉田健治、柴田憲治、岡村直柔、平川一彦
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 20140317-20140320
• [学会発表] “Ce@C82金属内包フラーレン単一分子トランジスタの電子伝導” (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡村直柔、坂田修一、吉田健治、平川一彦
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 20140317-20140320
• [学会発表] “THz メタマテリアルへのイオン液体電気二重層ゲートの応用” (2014)
  • 著者名/発表者名: 河野健太、H. Zhengli、柴田憲治、年吉洋、平川一彦
  • 学会等名: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 20140317-20140320
• [学会発表] “量子ドット・単一分子極限ナノトランジスタの物理と展開” (2013)
  • 著者名/発表者名: 平川一彦
  • 学会等名: CREST 第３回公開シンポジウム「ナノ界面が生み出す次世代機能」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20131216-20131217
• [学会発表] “Terahertz inter-sublevel transitions in single self-assembled InAs quantum dots” (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, and K. Hirakawa
  • 学会等名: International Symposium on Advanced Nanodevices and Nanotechnology (ISANN 2013)
  • 発表場所: Kauai, USA
  • 年月日: 20131208-20131213
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of sublevel structures in single self-assembled InAs quantum dots” (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, C. Ndebeka-Bandou, and K. Hirakawa
  • 学会等名: International Symposuim on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT2013)
  • 発表場所: Kanagawa, Japan,
  • 年月日: 20131126-20131129
• [学会発表] “電気二重層ゲートを用いた単一InAs量子ドットの電子状態の変調” (2013)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、Hongtao Yuan、岩佐義宏、平川一彦
  • 学会等名: 日本物理学会２０１３年秋季大会
  • 発表場所: 徳島
  • 年月日: 20130925-20130928
• [学会発表] “光機能性をもつRuTPP(CO)単一分子トランジスタの試作と伝導特性” (2013)
  • 著者名/発表者名: 岡村直柔、坂田修一、吉田健治、石井和之、平川一彦
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of sublevel structures in single self-assembled InAs quantum dots” (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang、柴田憲治、長井奈緒美、平川一彦
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] “電気二重層ゲートによる単一量子ドットトランジスタの伝導特性の変調” (2013)
  • 著者名/発表者名: 柴田憲治、Hongtao Yuan、岩佐義宏、平川一彦
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] “Terahertz electron dynamics in semiconductor nanomaterials and nanodevices” (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Hirakawa
  • 学会等名: 10th Topical Workshop on Heterostructure Microelectronics(TWHM 2013)
  • 発表場所: Hakodate, Japan
  • 年月日: 20130902-20130905
  • 招待講演
• [学会発表] “Josephson junction of InAs self-assembled quantum dots coupled to Nb superconductors” (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Baba, J.Sailer, R.S.Deacon, A.Oiwa, K.Shibata, K.Hirakawa, and S.Tarucha
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of sublevel structures in single self-assembled InAs quantum dots” (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang, K. Shibata, N. Nagai, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] “Inelastic electron tunneling in a double C60 molecule transistor” (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Sakata, K. Yoshida, A. Umeno, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] “Site-controlled growth and transport properties of InAs quantum dots using step-oxidation cleaning of patterned substrates” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. M. Cha, M. Taira, K. Shibata, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] “Magnetization-induced nanomechanical response of a Ni-C60 single molecule transistor” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshida and K. Hirakawa
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] “Very large modulation of electron tunneling through InAs quantum dots by electric-double-layer gating” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, H.T. Yuan, Y. Iwasa and K. Hirakawa
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
• [学会発表] “Photon-assisted tunneling through InAs quantum dots in the terahertz frequency range” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata and K. Hirakawa
  • 学会等名: 18th International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON18)
  • 発表場所: Matsue, Japan
  • 年月日: 20130722-20130726
  • 招待講演
• [学会発表] “Cooper pair splitting in parallel quantum dot Josephson junctions” (2013)
  • 著者名/発表者名: R.S. Deacon, A. Oiwa, J. Sailer, S. Babac, Y.Kanai, K. Shibata, K. Hirakawa, and S. Tarucha
  • 学会等名: 12th Asia Pacific Physics Conference (APPC12)
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 20130714-20130719
• [学会発表] “Large modulation of electronic states in InAs quantum dots by electric-double-layer gating” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, H.T. Yuan, Y. Iwasa, and K. Hirakawa
  • 学会等名: 16th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-16)
  • 発表場所: Wroclaw, Poland
  • 年月日: 20130701-20130705
• [学会発表] “Photon-assisted tunneling through self-assembled InAs quantum dots in the Terahertz frequency range” (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata and K. Hirakawa
  • 学会等名: 40th International Symposium on nCompound Semiconductors (ISCS2013)
  • 発表場所: Kobe, Japan
  • 年月日: 20130519-20130523
• [学会発表] “Electromigration at atomic-scale metal nanocontacts and its application to single molecule transistors” (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Hirakawa, A. Umeno, K. Yoshida, and S. Sakata
  • 学会等名: 2013 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 発表場所: San Francisco, Carifornia, U.S.A.
  • 年月日: 20130401-20130405
  • 招待講演
• [学会発表] “Liquid gating and terahertz dynamics in single InAs quantum dot transistors”
  • 著者名/発表者名: K. Hirakawa
  • 学会等名: Workshop on Majorana Fermions in Solid State and Related Problems
  • 発表場所: Lund, Sweden
  • 招待講演
• [学会発表] “原子スケール金属のエレクトロマイグレーション”
  • 著者名/発表者名: 平川一彦、梅野顕憲、吉田健治、坂田修一
  • 学会等名: 半導体界面制御技術 第154委員会 第86回研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] “半導体量子構造・ナノデバイス中のテラヘルツ伝導ダイナミクスとその応用”
  • 著者名/発表者名: 平川一彦
  • 学会等名: JEITA光応用工学特別研究会
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] “Terahertz spectroscopy of sublevel structures in single self-assembled InAs quantum dots”
  • 著者名/発表者名: Y. Zhang、柴田憲治、長井奈緒美、平川一彦
  • 学会等名: 固体エレクトロニクス・光エレクトロニクス研究会 卓越した大学院拠点形成支援プログラム報告会
  • 発表場所: 東京
• [備考] 東京大学生産技術研究所 平川研究室
  • URL: http://thz.iis.u-tokyo.ac.jp