量子ドット構造による電子物性の制御と次世代エレクトロニクスへの応用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12CE2004
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤田 博之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90134642) ; 安藤 恒也 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 教授 (90011725) ; 荒川 泰彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (30134638) ; 平本 俊郎 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20192718) ; 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
• Keywords: 量子ドット / ナノ構造 / 電子の波動性 / 零次元電子 / 単電子効果 / 量子ドットレーザ / 量子ドットメモリー / 量子ドット検出器

Research Abstract

(1)量子ドット関連構造の形成と電子状態の解明と制御に関する研究成果
(1-1)InAs系およびGaAs系量子ドット:InAs系のドットについて母体結晶が電子状態に及ぼす効果を調べ、フォトニック結晶や(InGa)As層で埋め込むことで、電子状態や光物性が制御できることを示した。また、電子のスピンフリップ過程がコヒーレンスに及ぼす効果を示した。
(1-2)SiおよびGe系量子ドット:実効寸法2nmの極微Siドットを量子点接触構造内に作り込む技術を開発し、単電子素子の室温での良好な動作を可能とした。また、SiやGeドットに炭素を添加し、ドットの微細化に有効であることを示した。
(1-3)GaN系および他の物質系のドット:GaN系およびGaSb系のナノ構造の独自性を示した。特に、電子と正孔がドット内で大きく分離するGaNドットて巨大シュタルク効果の生じることを示すとともに、GaSb系のtypeII型量子リング構造を世界で初めて形成した。
(2)量子ドット関連構造の電子伝導特性と素子応用に関する成果
(2-1)Si系単電子トランジスタ(SET):自然形成Siドットの実効寸法を2nm以下とし、室温での山と谷の比が100に達するクーロン振動を示すSET素子を実現した。
(2-2)量子ドットメモリー素子:InAsドット内の電子電荷と隣接チャネルの電子との散乱や多体的相互作用を伝導計測で調べ、移動度やコヒーレンス長に及ぼす効果を明らかにした。
(2-3)ドット埋め込みABリング素子:GaAsリングの一部に量子ドットを埋め込んだ素子でFano共鳴に伴う伝導特性をさらに詳しく調べ、外部の干渉回路の及ぼす影響や、ドット内のスピンが電子のコヒーレンスに及ぼす効果を明らかにした。
(2-4)量子ドット・細線アレー構造の電子伝導:アンチドット列構造での伝導現象を調べ、電子状態のトポロジカル異常の特色を示した。また、結合量子細線列における拡散的ブラッグ散乱効果を明らかにした。さらに、カーボンナノチューブFETの酸素やアルコール分子に対する応答を調べた。
(3)量子ドットと関連構造の光物性と子探索に関する成果
(3-1)量子ドット構造でのバンド間光過程と電気的制御:InAsドットの形成法を改善し、1.5μm付近の良好な蛍光特性を実現するとともに、1.25μmで発振する低しきい値レーザを実現した。電子と正孔とが分離されるタイプII型の量子リングを初めて実現し、その蛍光特性を明らかにした。また、GaN系ドット内の複数励起子の関与する特異な光学物性を見出した。また、バイアス印加した超格子構造のテラヘルツ帯での伝導率を調べ、ブロッホ振動に伴う利得が界面散乱で支援されることを示した。
(3-2)量子ドットの中赤外・遠赤外応答と応用:InAs系ドットの束縛電子を中赤外光で解放させる赤外検出器について研究を続け、応答時間と感度の制御法を明らかにした。また、Si母体中のGaSbドットについて電流注入による光学利得の存在を示した。
(4)ナノ探針およびマイクロマシン構造によるナノ構造の局所評価と制御および新規物質の探索
(4-1)ナノ構造埋め込みマイクロマシン構造の機能探索:可動のカンチレバー構造と光結晶とを組み合わせ、反射や透過スペクトルが制御できることを見出した。
(4-2)ナノ探針による計測と制御:マイクロマシン技術で一対のナノ探針を形成し、DNA分子(群)の捕捉できることを示した。また、GaAs上のInAs量子細線について導電性ナノプローブで光応答を調べ、良質な電流像の得られることを示した。
(4-3)各種新規ナノ物質の探索:LaMn系酸化物のLaをGaやSrで置換したせずに巨大磁気抵抗の生じることや、サファイア上のNiナノ粒子の磁気異方性の示す特異な温度依存性を明らかにした。

Research Products

• [Publications] H.Sakaki: "Progress and prospects of advanced quantum nanostructures and roles of molecular beam epitaxy(Invited)"J.Cryst.GroWth. vol.251/1-4. 9-16 (2003)
• [Publications] T.Kawazu, T.Noda, H.Sakaki: "Electron scattering in GaAs/n-AlGaAs selectively doped heterojunctions with charged and neutral InGaAs quantum dots"Physica Status Solidi (c)0. No.4. 1325-1328 (2003)
• [Publications] H.Amanai, S.Nagao, H.Sakaki: "Growth and temperature characteristics of self-assembled In As quantum dots on GaInP"J.Cryst.Growth. vol.251/1-4. 223-229 (2003)
• [Publications] Shinichi watanabe, Shun Koshiba, Masahiro Yoshita, Motoyoshi Baba, Hiroyuki Sakaki, Hidefumi Akiyama: "Vertically polarized lasing and photoluminescence in a ridge quantum-wire laser"Phys.Rev.. B68. 193304 (2003)
• [Publications] Takeya Unuma, Masahiro Yoshita, Takeshi Noda, Hiroyuki Sakaki, Hidefumi Akiyama: "Intersubband absorption linewidth in GaAs quantum wells due to scattering by interface roughness, phonons, alloy disorder, and impurities"J.Appl.Phys.. Vol.93,3. 1586-1597 (2003)
• [Publications] M.Kitamura, T.Imada, Y.Arakawa: "Organic light-emitting diodes driven by pentacene-based thin-film transistors"Appl.Phys.Lett.. 83. 3410-3412 (2003)
• [Publications] Young-Jun Yu, Wonho Jhe a), Y.Arakawa: "High-resolution near-field spectroscopy of InAs single quantum dots at 70 K"Appl.Phys.Lett.. 83・15. 13 (2003)
• [Publications] K.Hoshino, S.Kako, Y.Arakawa: "Stranski-Krastanow growth of stacked GaN quantum dots with intense photoluminescence"Phys.Stat.Sol.(b). 240・2. 322-325 (2003)
• [Publications] T.Nakaoka, T.Kakitsuka, T.Saito, S.Kako, S.Ishida, M.Nishioka, Y.Yoshikuni, Y.Arakawa: "Strain-induced modifications of the electronic states of InGaAs quantum dots"J.Appl.Phys. 94. 6812 (2003)
• [Publications] Sang-Kee Eah, Wonho Jhe, Y.Arakawa: "Nearly diffraction-limited focusing of a fiber axicon microlens"Review of Scientific Instruments. 74・12. (2003)
• [Publications] Masahiro Nomura, Munetaka Arita, Satoshi Ashihara, Satoshi Kako, Masao Nishioka, Yasuhiko Arakawa, Tsutomu Shimura, Kazuo Kuroda: "Nondegenerate pump and probe spectroscopy in InGaN thin films"J.Appl.Phys.. 94・10. 6468-6471 (2003)
• [Publications] S.Camou, M.Kitamura, Y.Arakawa, T.Fujii: "Lab-on-a-chip : Towards the Miniaturization and Integration of Fluorescence Spectroscopy Based Detection Method onto Portable Device"生産研究. 56・1. 92-96 (2004)
• [Publications] N.Tang, B.Shen, Z.W.Zheng, J.Liu, D.J.Chen, J.Lu, R.Zhang, Y.Shi, Y.D.Zheng, Y.S.Gui, C.P.Jiang, Z.J.Qiu, S.L.Guo, J.H.Chu, K.Hoshino, T.Someya, Y.Arakawa: "Magnetoresistance oscillations induced by intersubband scattering of two-dimensional electron gas in A10.22Ga0.78N/GaN heterostructures"Journal of Applied Physics. 94・8. (2003)
• [Publications] M.-S.Nomura, M.Arita, S.Ashihara, S.Kako, M.Nishioka, Y.Arakawa, T.Shimura, K.Kuroda: "Thickness dependence of transient absorption spectrum for InGaN thin films"Phys.Stat.Sol.(c). 0・7. 2606-2609 (2003)
• [Publications] 有田 宗貴, 西岡 政雄, 荒川 泰彦: "窒化物半導体垂直微小共振器LEDの作製と青色面発光レーザへの展望"電子情報通信学会,信学技報 Technical Report of IEICE..ED2003-143,CPM2003-113,LQE2003-6. CD-ROM. (2003)
• [Publications] S.Kako, M.Miyamura, K.Hoshino, Y.Arakawa: "Long-lived excitons up to 1ms in GaN/AlN self-assembled quantum dots"Phys.Stat.Sol.(b). 240・2. 388-391 (2003)
• [Publications] T.Nakaoka, T.Kakitsuka, T.Saito, Y.Arakawa: "Manipulation of electronic states in single quantum dots by micromachined air-bridge"Appl.Phys.Lett.. 84・8. 1392-1394 (2004)
• [Publications] G.Hashiguchi, T.Goda, M.Hosogi, K.Hirano, N.Kaji, Y.Baba, K.Kakushima, H.Fujita: "DNA manipulation and retrieval from an aqueous solution with micromachined nanotweezers"Analytical Chemstry. 75. 4347-4350 (2003)
• [Publications] M.Frenea, S.Faure, B.Le Pioufle, Ph.Coquet, H.Fujita: "Positioning living cells on a high density electrode array by negative dielectrophoresis"Materials, Science & Engineering C-Bio S. vol.23,no.5. 597-603 (2003)
• [Publications] T.Iizuka, T.Oba, H.Fujita: "Fabrication of electrostatic micro-actuators for a hard disk drive application"Journal of Micrormechatronics. vol.2,no.1. 47-64 (2003)
• [Publications] 赤松直樹, 鈴木隆文, 満渕邦彦, 藤田博之, 金 範〓, 竹内昌治: "神経電位計測用フレキシブルシリコンプローブアレイ"電気学会論文誌E部門誌. vol.123,no.1-2. 571-576 (2003)
• [Publications] 高橋良文, 竹内雄二, 藤田博之: "光応用計測用MEMS光スキャナ"電気学会論文誌Eセンサ・マイクロマシン準部門誌. vol.123,no.10. 403-409 (2003)
• [Publications] 薗部忠, 藤田博之: "静電ワブルモータの解析"電気学会論文誌Eセンサ・マイクロマシン準部門誌. vol.123,no.10. 442-447 (2003)
• [Publications] S.Ogura, K.Fukutani, M.Wilde, M.Matsumoto, T.Okano, M.Okada, T.Kasai, W.A.Dino: "Hydrogen adsorption on Ag and Au monolayers grown on Pt(111)"Surf.Sci.. in press. (2004)
• [Publications] M.Wilds, K.Fukutani, Z.Liu, S.Fujieda: "Behavior of hydrogen near SiO2/Si(001) interfaces probed by resonant nuclear reaction analysis"J.Vac.Soc.Jpn.. 46. 607-612 (2003)
• [Publications] S.Katsumoto, K.Kobayashi, H.Aikawa, A.Sano, Y.Iye: "Quantum coherence in quantum dot-Aharonov-Bohm ring hybrid systems"Superlattices and Microstructures. in press. (2004)
• [Publications] K.Kobayashi, H.Aikawa, A.Sano, S.Katsumoto, Y.Iye: "Mesoscopic Fano effect in a quantum dot embedded in an Aharonov-Bohm ring"Physical Review B. 68. 235304 (2003)
• [Publications] H.Aikawa, K.Kobayashi, S.Katsumoto, Y.Iye: "Observation of "Partial Coherence" in an Aharonov-Bohm Interferometer with a Quantum Dot"Physical Review Letters. (to be published). (2004)
• [Publications] M.Hara, A.Endo, S.Katsumoto, Y.Iye: "Transport in two-dimensional electron gas narrow channel with a magnetic field gradient"Physical Review B. in press. (2004)
• [Publications] 薗部忠, 藤田博之: "非対称グレーティング回折格子による平面集積形光偏光機能素子"電気学会論文誌E. vol.123,no.12. 565-570 (2003)
• [Publications] 安井学, 角嶋邦之, 平林康男, 三田信, 藤田博之: "円形状微細穴形成に対する犠牲層としての電着レジストの適用"電気学会論文誌Eセンサ・マイクロマシン準部門誌. vol.123,no.11. 477-482 (2003)
• [Publications] 吉野智則, 年吉 洋, 三田 信, 小林 大, 藤田博之: "磁気ディスクヘッド素子駆動用静電マイクロアクチュエータ"電気学会論文誌E センサ・マイクロマシン準部門誌. 124巻1号. 21-27 (2003)
• [Publications] E.Leclerc, A.Debray, N.Tiercelin, T.Fujii, H.Fujita: "Silicon based optical scanner using PDMS as torsion springs"2003 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS,18-21 August,2003,Waikoloa, Hawaii. 95-96 (2003)
• [Publications] K.Isamoto, K.Kato, A.Morosawa, C.Chong, H.Fujita, H.Toshiyosh: "Microelectromechanical VOA Design for High Shock-Tolerance and Low Temperature-Dependence"2003 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS,18-21 August,2003,Waikoloa, Hawaii. 95-96 (2003)
• [Publications] N.Akamatsu, T.Suzuki, K.Mabuchi, H.Fujita, B.J.Kim, S.Takeuchi: "Fabrication and Evaluation of A Silicon Probe Array on a Flexible Substrate for Neural Recording"25th ANNUAL INTERNATIONAL CONFERENCE OF THE IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY SOCIETY(EMBC),17-21 September 2003,Cancun, Mexico. CD-ROM. (2003)
• [Publications] T.Takahashi, K.Takada, M.Takeuchi: "Light-illuminated STM Studies on Photoabsorption in InAs Nanowires"Ultramicroscopy. 97. 1-6 (2003)
• [Publications] S.Ono, M.Takeuchi, T.Noda, T.Takahashi: "Surface Potential Imaging on InAs Low-Dimensional Nanostructures Studied by Kelvin Prove Force Microscopy"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 4869-4873 (2003)
• [Publications] D.Saida, T.Takahashi: "Current-induced Magnetic Field Detection by Magnetic Force Microscopy around a GaAs/AlGaAs Mesa Stripe"Jpn.J.Appl.Phys.. 42. 4874-4877 (2003)
• [Publications] N.Sekine, Y.Shimada, K.Hirakawa: "Dephasing mechanisms of Bloch oscillations in GaAs/A10.3Ga0.7As superlattices investigated by time-resolved terahertz spectroscopy"Applied Physics Letters. vol.83,No.23. 4794-4796 (2003)
• [Publications] 関根徳彦, 島田洋蔵, 平川一彦: "半導体超格子のブロッホゲイン"固体物理. vol.39,No.2. 25-36 (2004)
• [Publications] K.Hirakawa, Y.Shimada, M.Odnoblioudov, K.A.Chao: "Dyanamical carrier transport and terahertz gain in semiconductor superlattices"Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng.. vol.4992. 138 (2003)
• [Publications] Y.Shimada, K.Hirakawa, M.Odnoblioudov, K.A.Chao: "Terahertz conductivity and possible Bloch gain in semiconductor superlattices"Physical Review Letters. vol.90,No.4. 46806-46809 (2003)
• [Publications] N.Sekine, Y.Shimada, K.Hirakawa: "Bloch Gain in AlGaAs/GaAs Semiconductor Superlattices"Physica E. (in press). (2003)
• [Publications] Y.Shimada, N.Sekine, K.Hirakawa: "Inter-miniband Resonant Zener Tunneling in Wide-Miniband GaAs/A10.3Ga0.7As Superlattices Investigated by THz Emission Spectroscopy"Physica E. (in press). (2003)
• [Publications] M.Jung, K.Hirakawa: "Lateral electron transport through single InAs quantum dots"Physica E. (in press). (2003)
• [Publications] K.Jin, M.Odnoblyudov, Y.Shimada, K.Hirakawa, K.A.Chao: "Terahertz frequency radiation from Bloch oscillations in GaAs/A10.3Ga0.7As superlattices"Physical Review B. vol.68,No.15. 153315-153318 (2003)
• [Publications] K.Ohdaira, K.Ono, K.Uchida, S.Koh, N.Miura, Y.Shiraki: "Magneto-photoluminescence studies of AlInAs/AlGaAs self-assembled quantum dots with type-II band alignment"JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN. 73. 480-484 (2004)
• [Publications] K.Ohdaira, H.Murata, S.Koh, M.Baba, H.Akiyama, R.Ito, Y.Shiraki: "Observation of band alignment transition from type-I to type-II in AlInAs/AlGaAs self-assembled quantum dots"JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN. 72. 3271-3275 (2003)
• [Publications] A.Yamamoto, K.Oda: "The Relation of the Magnetoresistance and Magnetic Frustration among Ferromagnetic Clusters in La(Mn_<1-x>Ni_x)O_<3+δ>"Review on Advanced Materials Science. 5. 343-347 (2003)
• [Publications] Ed.:P.Rama Rao, M.Doyama, G.Sundararajan, Y.R.Mahajan, K.Oda: "New Materials Proceedings for the Asia Academic Seminar"International Advanced Research Centre Powder Metallurgy and New Materials, Hyderabad, India. 370 (2003)
• [Publications] Akio Yamamoto, K.Oda: "Electromagnetic and structural properties in (La, Y)(Mn, Ni)O<3+δ>"Transaction for MRS-J. 29(In press). (2004)
• [Publications] T.Ando: "Carbon Nanotubes as a Perfectly Conducting Cylinder"Int.J.High Speed Electron.Systems. 13. 849-871 (2003)
• [Publications] T.Yoshioka, H.Suzuura, T.Ando: "Electronic States of BCN Alloy Nanotubes in a Simple Tight-Binding Model"J.Phys.Soc.Jpn.. 72. 2656-2664 (2003)
• [Publications] Y.Zheng, T.Ando: "Diffuse Bragg Scattering in Corrugated Quantum Wells"J.Phys.Soc.Jpn.. 72. 2568-2577 (2003)
• [Publications] T.Ando: "Crossover between Quantum and Classical Transport : Quantum Hall Effect and Carbon Nanotubes"Physica E. 20. 24-32 (2003)
• [Publications] K.Asano, T.Ando: "Role of Electron Spin in Integer Quantum Hall Photoluminescence"Solid State Commun.. 127. 755-763 (2003)
• [Publications] T.Nakanishi, K.Terakura, T.Ando: "Theory of Fano effects in an Aharonov-Bohm ring with a quantum dot"Phys.Rev.B. 69. 115307.1-115307.9 (2004)
• [Publications] M.Saitoh, H.Majima, T.Hiramoto: "Tunneling Barrier Structure in Room-Temperature Operating Silicon Single-Electron and Single-Hole Transistors"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.42,No.4B. 2426-2428 (2003)
• [Publications] Toshiro Hiramoto, H.Majima, Masumi Saitoh: "Quantum effects and single-electron charging effects in nano-scale silicon MOSFETs at room temperature"Materials Science and Engineering B. Vol.101,Issues1-3. 24-27 (2003)
• [Publications] Masumi Saitoh, Tasuku Murakami, Toshiro Hiramoto: "Large Coulomb Blockade Oscillations at Room Temperature in Ultra-Narrow Wire Channel MOSFETs Formed by Slight Oxidation Process"IEEE Transactions on Nanotechnology. Vol.2,No.4. 241-245 (2003)
• [Publications] Masumi Saitoh, Toshiro Hiramoto: "Room-Temperature Observation of Negative Differential Conductance Due to Large Quantum Level Spacing in Silicon Single-Electron Transistor"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.43,No.2A. L210-L213 (2004)
• [Publications] I.Kim, K.Yanagidaira, T.Hiramoto: "Scaling of Nano-Crystal Memory Cell by Direct Tungsten Bitline on Self-Aligned Landing Plug Polysilicon Contact"IEEE Electron Devices Letters. (掲載決定). (2004)
• [Publications] Masumi Saitoh, Toshiro Hiramoto: Applied Physics Letters. Vol.84(掲載決定). (2004)
• [Publications] T.Someya, H.Kawaguchi, T.Sakurai: "Cut-and-paste organic FET customized ICs for application to artificial skin"International Solid-State Circuits Conference. Feb.. 288-289 (2004)
• [Publications] T.Someya, T.Sakurai: "Integration of organic field-effect transistors and rubbery pressure sensors for artificial skin applications"International Electron Devices Meeting. Dec.. 203-206 (2003)
• [Publications] M.Nomura, 他7名: "Nondegenerate pump and probe spectroscopy in InGaN thin film"Journal of Applied Physics. 94,10. 6468-6470 (2003)
• [Publications] M.Nomura, 他7名: "Thickness dependence of transient absorption spectrum for InGaN thin film"Physica Status Solidi. C0,7. 2606-2609 (2003)
• [Publications] M.Nomura, 他6名: "Differential absorption in InGaN multiple quantum wells and epilayers induced by blue-violet laser diode"Japanese Journal of Applied Physics. 43,3A. L1055-L1057 (2004)
• [Publications] M.Nomura, 他6名: "Transient photo-induced absorption in InGaN thin films"IEEE LEOS Annual Meeting Conference Proceedings. Vol.1. 256-257 (2003)
• [Publications] M.Jo, K.Ishida, K.Kawamoto S.Fukatsu: "Evolution of In-based compound semiconductor quantum dots on Si(001)"Phys.Stat.Sol.. 4. 1117-1120 (2003)
• [Publications] S.Fukatsu, M.Jo, K.Ishida, N.Yasuhara, K.Kawamoto: "Evidence for amplified interband spontaneous emission in Si-based trans-column quantum dots"Mat.Sci.Eng.C. 23. 683-686 (2003)
• [Publications] M.Jo, N.Yasuhara, K.Kawamoto, S.Fukatsu: "Highly Efficient Radiative Recombination of Electron-Hole Pairs Localized at Compound Semiconductor Quantum Dots Embedded in Si"Physica E. (掲載予定). (2004)
• [Publications] N.Yasuhara, S.Fukatsu: "Anomalous relaxation of dynamically localized indirect excitons in a pseudomorphic Si_<1-x>Ge_x/Si double quantum well"Physica E. (掲載予定). (2004)
• [Publications] N.Yasuhara, S.Fukatsu: "Voltage-Controlled Emission Wavelength Switching in a Pseudomorphic Si_<1-x>Ge_x/Si Double Quantum Well"Jpn.J.Appl.Phys.. (掲載予定). (2004)
• [Publications] 榊 裕之: "基礎から学ぶナノテクノロジー(編者:平尾一之)"東京化学同人. 26 (2003)
• [Publications] 榊 裕之: "ナノテクノロジー大事典(監修 川合 知二)"工業調査会. 12 (2003)
• [Publications] 藤田博之: "工業調査会"マイクロ・ナノマシン技術入門. 232 (2003)