【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】20241033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

スピントランジスタ / スピン注入 / スピントロニクス / 量子計算 / 量子ドット / 量子もつれ / スピン / インジウム砒素 / スピン軌道相互作用 / スピンブロッケード / 量子計算機 / 量子ビット / InAs

【研究成果の概要】

インジウム砒素系化合物半導体と鉄電極界面における界面反応により生成される化合物がスピン注入効率をブロックしていることを界面の相図を調べることにより探索した。鉄系のスピン源を用いて観測されたスピントランジスタの電流振動が理論計算とよく一致していることを確認した。金コロイドを用いるインジウム砒素ナノワイヤの結晶成長の最適化を応用してナノワイヤスピントランジスタを作製し、スピン軌道相互作用に起因すると思われる電流変調を観測した。量子ドットを集積したスピントランジスタ構造の量子計算機デバイスにおいてスピン注入効率が最大40%(実績37%)のFe/InAs強磁性/半導体ハイブリッド系では、スピンチャンネル/量子ドット系による量子もつれの実証はむずかしいこと、60%以上のスピン注入効率で有意差が見られ、80%程度のスピン偏極率があれば、明瞭に量子もつれが観測できることを理論的に予測できた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】19560338 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電子デバイス・集積回路 / 量子ドット / 単一電子トランジスタ / 超伝導 / 強磁性 / テラヘルツ電磁波 / 自己組織化 / インジウム砒素 / フォノン / 近藤効果

【研究成果の概要】

自己形成InAs(インジウム砒素)量子ドットは、先端光学デバイスや量子情報処理への応用が期待されている。本研究では、極微ギャップを有する金属電極により単一の量子ドットにアクセスし、その電子状態の制御と読み出しを電気的に行う技術の開拓と新規物性の解明に従事した。その結果、電子を1個の単位で制御可能な単一電子トランジスタを形成することに成功した。更に、この素子においては、電子スピン相互作用やクーロン相互作用、電極材料の物性(超伝導や強磁性)などを巧みに用いることで、新たな機能を付加することができることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】17560005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体物性 / 量子ドット / InAs / 波動関数 / 半導体レーザ / 半導体光増幅器 / 偏光 / 圧電効果 / GaAs / 格子歪 / VFF法 / 電子構造

【研究成果の概要】

積層InAs量子ドットの特殊な場合として、量子ドット間の障壁層がなく量子ドットがコラム型に直接接合した構造(コラム型InAs量子ドット)の成長が報告されている。この結果を解釈するために、コラム型量子ドットの偏光特性の積層数依存性(積層数1〜9)を、Valence-Force-Field法による歪分布の計算とそれに基づく8バンドk・p法による電子構造の計算により理論解析した。その結果、コラム型量子ドットの遷移強度スペクトルでは、積層数増加に伴いTM成分の増大とTE成分の低下が起き、積層数が7から9に増加するときにTE/TM>1からTE/TM<1に変化することが明らかになった。これは実験結果を非常によく再現しており、理論計算の結果からも、積層数が8に近い場合に偏波無依存(TE/TM=1)の特性が得られると予測される。この結果より、コラム型量子ドットを活性層に用いることにより、偏波無依存特性を有する半導体光増幅器が実現出来ることが明らかになった。また、波動関数を解析した結果、TM成分の増加は、正孔状態中のlight-hole成分の増加に起因することがわかった。このことは、コラム型ドット中央部における2軸性歪の低下に起因する。また、圧電効果によりTE、TM成分共に遷移強度が低下することもわかった。励起子の束縛エネルギーは、積層数の増加に伴いほぼ線形に低下する。このような、励起子効果による遷移強度スペクトルの補正も行った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】17206034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子リング構造 / 半導体ナノ構造 / GaSb / 第2種ヘテロ構造 / 量子閉じ込め / InAs / 量子ドット / 量子ロッド

【研究成果の概要】

本研究では、新電子素材として注目される10nm級の半導体細線やドット(粒)の研究を基盤に、円環状の量子リング構造の自己形成法を探るとともに、これらのナノ構造中の電子と正孔の量子状態を理論・実験の両面から解明し、それらを巧みに制御し、優れた機能を持つ素子への応用可能性を明らかにする研究を行った。まず、正孔のみを捕縛し、電子を排除する機能を持つ(GaAl)Sb系の第2種(TypeII)のナノ構造に着目し、Al組成の異なる(GaAl)Sbリングの自己形成手法を確立した。また、薄いGaAs量子井戸内に、正孔を捕縛できるGaSbドットを置き、電子をリング状に周回させる構造を考案・解析し、系内に独特の電子や励起子状態が生じることを示した。なお、GaSbドットは、成長条件次第で、ロッド状に形状が制御できることを見出した。GaSb系ナノ構造の物性と素子応用に関しては、リング内の角運動量を異にする量子状態を用いると、多極子が関与した電磁波発生素子の可能性があることを解析的に示した。また、GaSb量子ドットにより光励起で作られた正孔を捕縛することで、ドット近傍の伝導チャネルの電流を制御する光検出器を実現し、その特色を示した。上に記したGaSb系ナノ構造に加え、(InGa)As系ナノ構造の研究も進め、GaAs(111)B面近傍の微傾斜基板を用いると、約20-40nmの周期で、ドットを基板全面に規則配列できることを見出すとともに、単一InAs量子ドットに微細電極を設け他素子で、スピンを反映したユニークな単電子伝導などが観測されることなども見出している。さらに、量子細線内の電子や励起子の多体効果を理論・実験の両面から調べ、量子細線のレーザ利得に大きな影響を及ぼすことなども示した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自然形成InAs量子ドット / 単電子効果 / スピン / スピン軌道相互作用 / 狭ギャップ半導体 / ラシュバ効果 / 分子線エピタキシー / スピン注入 / 単電子トランジスタ / 自然形成量子ドット / インジウム砒素 / 強磁性体 / 自己形成InAs量子ドット / 単電子トランジスター / 量子ドット / 擬一次元トランジスタ構造 / 帯電効果

【研究成果の概要】

(1)単電子トランジスタ構造中に数個の自然形成量子ドットを集積したトランジスタは、異なるドットの帯電効果が重なった電圧電流特性を示し、個々の量子ドットからの影響をはっきりと分離をすることは容易ではない。それに比べて多数の自然形成量子ドットを集積した単電子トランジスタ構造の方が個々の帯電効果が平均化されて単一ドットが集積されたトランジスタ動作をすることがわかった。
(2)量子細線トランジスタのチャンネル上の障壁中に単一量子ドットを埋めむことを試みた。(311)A基板を加工して(100)ファセット上に量子細線トランジスタが形成でき、細線上の障壁に選択的にInAs量子ドットが形成できることが判明した。
(3)(1)で得られた単電子特性を示す電流ピークはそれぞれ電子スピンに関して無選択な環境での量子ドットの帯電状態を表している。電子スピンの選択の自由度が得られると異なる特性があらわれることが予想され、このことを利用すると帯電中の電子のスピン状態が判別できるトランジスタ動作実現の可能性がある。これを実現するため、強磁性体電極から狭ギャップ半導体であるインジウム砒素にスピン注入することを試みた。この結果、約40%のスピン偏極率を有する鉄電極から約18%のスピン注入が可能であることがわかった。このことから、スピン制御が可能な単電子トランジスタを実現するための基盤技術を確立することができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】12,400千円 (直接経費: 12,400千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】13450124 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

AFM陽極酸化法 / InAs / 量子ドット / ヒ化インジウム / III-V族化合物半導体 / 単一電子デバイス / 原子間力顕微鏡 / ナノ加工

【研究成果の概要】

近年、半導体微細加工技術の向上により、単電子トランジスタ(Single Electron Transistors, SETs)などの量子効果デバイスを開発しようとする研究が活発になされている。それらのデバイスを作製する手段として、イオンビームや電子ビームなどを用いた微細加工技術を補完する加工技術として近年注目を集めているのが、材料構成原子の格子定数の違いによる歪みによって特定の極微細構造を自己形成する、「自己組織化」現象である。しかし、自己組織化成長させたInAs量子ドットは、ランダムに多数成長するため、単電子デバイスへ応用するためには、個々のドットの位置制御が不可欠である。そこで本研究では、単一電子デバイスへの応用を見据え、我々が現在までに開発してきた原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope : AFM)を用いて陽極酸化を行う手法を用いた。
まず、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy : MBE)法を用いたInAs量子の成長を行い、量子ドットの密度低下およびマイグレーションを試みた。密度低下には、InAs量子ドットを成長させた状態での基板温度より40℃〜70℃程度上昇させた。量子ドットが理論的にマイグレーションしてドット同士が結合したり蒸発したりすることにより、密度が低下することが確認できた。
次にAFM陽極酸化法を用いてGaAs基板上に微細加工を行い、ナノテンプレートを作製して、その上にInAs量子ドットを成長させてその場アニールをすることにより、InAs量子ドットの位置制御を試みた。その結果、InAs量子ドットがその場アニールによってマイグレーションし、AFM陽極酸化法で加工したナノホールに移動する現象が確認できた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】11,700千円 (直接経費: 11,700千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)