原子間力顕微鏡による量子ドットを介した共鳴トンネル効果の研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650313
• Research Institution: Wakayama University
• Principal Investigator: 田中 一郎 和歌山大学, システム工学部, 助教授 (60294302)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226)
• Keywords: 量子ドット / InAs / 自己形成 / 導電性探針 / 原子間力顕微鏡 / 共鳴トンネル効果 / RTD / GaAs

Research Abstract

1.InAs自己形成量子ドットのサイズ・密度の高精度制御
分子線結晶成長法によるGaAs(OO1)基板上へのInAs自己形成量子ドット成長条件をコントロールすることによって、量子ドットの大きさおよび密度を広範囲に精度良く制御できる技術を開発した。具体的には形成されたInAsドットの直径を15から45nm、密度を10^8cm^<-2>台から10^<11>cm^<-2>台の間で制御することが可能になった。
2.単一の量ドットを含む共鳴トンネルダイオード(RTD)の整作とその電流・電圧特性の測定
1の技術を用いて、密度が10^8cm^<-2>台の低密度InAs量子ドットを作製したのち、その上にGaAsバリア層と金属薄膜を形成し電子線微細加工を用いて0.25μm^2の大きさにパターニングしてマイクロRTDを製作した。このRTDの有効面積に含まれる量子ドットの数は平均0.12個であるため、原子間力顕微鏡の導電性探針を電極に接触させて電流・電圧特性を測定することにより単一量子ドットの特性を評価することができる。実際、このようにして得られた温度130Kでの電流・電圧特性には電圧0.5V付近で顕著なコンダクダンスの減少が観測された。これが単一量子ドットを介した共鳴トンネルによることを確認するために表面のショヅトキバリア中に埋め込まれたInAsドットのポテンシャル構造構造をモデル化して電流密度の電圧依存性を理論計算してシミュレーションを行ったところ、実験とよく一致する結果が得られた。
3.二重量ドット構造による単一量子ドットの電流電圧特性の測定
GaAs障壁層を挟んで二層のInAsドット層を形成すると各ドットが上下に整列することが知られている。また、表面側のドット上ではポテンシャルが低下していて電流が流れやすいことを我々は見い出している。これらの効果を組み合わせて、表面側のドットをナノサイズの電極として利用し内部のドットを介して流れる電流の特性を2と同様にして測定した結果、上記2と同様な共鳴トンネル効果によるコンダクタンス変化がより顕著に見らた。

Research Products

• [Publications] Ichiro TANAKA, I.KAMIYA, H.SAKAKI, M.FUJIMOTO: "Surface potential measurement of self-assembled InAs dots by scanning Maxwell microscopy"PHYSICA E. 7. 373-376 (2000)
• [Publications] I.Kamiya, Ichiro Tanaka, O.Ohtsuki, H.Sakaki: "Density and size control of self-assembled InAs quantum dot : preparation of very low density dots by post annealing"PHYSICA E. (印刷中). (2002)
• [Publications] I.Kamiya, Ichiro Tanaka, H.Sakaki他: "Resonant tunneling through a single self-assembled InAs quantum dot in a micro-RTD structure"PHYSICA E. (印刷中). (2002)