【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】12450120 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

グレイン(粒状)物質 / 量子ドット / アンチドット / 電子散乱 / 量子リング / 局在 / 電子緩和 / ナノ構造 / InAsドット / 零次元電子 / プレーナ起格子

【研究成果の概要】

(1)10nm(ナノメートル)級のグレイン物質の代表として、InAsの自己形成量子ドットを形成し、電子を捕捉する研究を展開し、新知見を得た。GaAs/n-AlGaAs界面チャネルに伝導電子を蓄積し、チャネル近傍にドットを配置させると、電子の一部がドットに捕縛され、荷電したドットとチャネル内の電子は強く相互作用し、散乱や位相緩和が起きる。また、伝導計測からドットの荷電状態が判別でき、メモリー機能を示すが、その特色を明らかにした。また、捕捉状態の電子は、光励起で消去(中性化)でき、正孔を捕捉し正に帯電した第3の状態を作り出せる光検出器として機能するが、その特色も示した。なお、ドットの励起準位に流入した電子が基底準位に緩和する際に、光学フォノンと電子が強く結合し、ポーラロン状態のできることも見出した。
(2)InAs以外の材料系のグレインの振舞いについても調べた。とくにAlGaSb系のナノ結晶をGaAs系量子井戸内に埋め込んだ系では、正孔のみがGaSbに捉えられ、電子はその周りを周回して量子リング状態を作ること、また、正に帯電した金属ナノプローブを表面近くの量子井戸に近づけ、収束電界を作用させると、その直下に電子が閉じ込められ量子ドットとなることなどを見出した。さらに、表面近くのInGaAs系量子井戸の真上にInPの島状結晶を自己形成させると、歪みの作用で井戸内には零次元電子状態やポテンシャルの起伏が生じることを指摘した。この系に、バンド間の光励起を行うと、電子正孔の一部はドット内に緩和してから発光し、残りは井戸内で発光する。この状態で、テラヘルツ電磁波を照射すると、井戸内の電子や正孔のドットへの流入が促進され、ドットからの発光が強くなることを見出した。さらに、光励起の波長を変えると、電子の緩和プロセスも左右されて、蛍光スペクトルが大きく変化することを示した。これらの現象のテラヘルツ光の検出器への応用可能性を指摘した。その他に、InAs系多重ドットのシュタルク効果や原子ステップを含む量子井戸における電子の局在化などについも知見を得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】12,500千円 (直接経費: 12,500千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】11555091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ構造 / 量子ドット / 量子細線 / 量子井戸薄膜 / 量子準位 / 光学遷移 / 電子散乱 / 赤外光 / 量子(井戸) / エネルギー準位 / 中赤外光 / シュタルク効果 / 光イオン化 / 自己形成 / 単一ヘテロ構造 / 伝導特性 / メモリ素子 / 赤外検出器 / ボロメータ / 光学フォノン

【研究成果の概要】

10nm級の量子(井戸)薄膜・量子細線・量子ドットなど半導体ナノ構造において、その内部に形成される一連のエネルギー準位やサブバンドの関与する電子の光学遷移や散乱過程を制御する手法を探索するとともに、光変調デバイスへの応用可能性を探る研究を進め、以下に示す知見を得た。
まず、量子ドットに関しては、(1a)積層ドットに電界を加えた時の光吸収スペクトルの解析を進め、禁制遷移の寄与や吸収線の幅や高さを制御する可能性を示した。また、(1b)局所的歪みで誘起されるドット系において、蛍光スペクトルの形状がテラヘルツ電界の作用で大きく変調される現象の仕組みに考察を加え、隣接する薄膜内のキャリアがドットに流入することと、キャリアがドットへ接近して、ドット内のオージェ緩和を促進する機構が重要であることを指摘した。さらに、(1c)ドットをFETの伝導路の近くに配した構造での電子散乱過程を計測・解析し、ドット自身の引力的ポテンシャルの作用は、捕縛電荷による斥力ポテンシャルの作用によってある程度は減殺されるものの、支配的役割を果たすことなどを見出した。
量子細線に関しては、(2a)微傾斜基盤上に形成したステップ形の細線構造において異方的な電子散乱と光学特性の異方性の特色を明らかにした。また、(2b)メサ構造の稜線を用いたリッジ細線について、光学スペクトルの偏波依存性を調べ、細線構造のわずかな非対称性が大きな影響を及ぼすことなどを示した。
また、量子井戸薄膜のサブバンド吸収スペクトルに関しては、(3a)昨年度に検討した電子数依存性に関する知見を深めるとともに、(3b)量子井戸の界面凹凸が吸収線幅に及ぼす効果を詳細に調べ、移動度の測定解析から得られた知見と補完的な知見の得られることを示した。
なお、ゲート電界の作用でドット内の電子数を増減させ、この時生じるバンド間光学特性の変調効果については、理論解析を進めたが、実験的検証は今後の課題に留まった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)