表面エネルギー変調による高均一サイズ窒化ガリウム量子ドットの自然形成

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前年度は、集束電子ビームを用いて基板表面をパターン描画して、表面エネルギーの変調を行うことで、Ga液滴を位置制御し、引き続き窒化を行うことで、窒化ガリウム量子ドットの位置制御および高均一化に成功した。本年度は、得られる量子ドットのデバイス応用を目的とし、量子ドットを孤立電子準位に見立てた単一電子トランジスタへの応用について検討した。検討当初サファイヤ、SiC、AlGaN/Si基板について量子ドットを形成させることを試みたが、リーク電流やプロセスの技術的観点においてトランジスタ形成にはSiO_2/Si基板が適していることが判明したので、SiO_2上へ量子ドットを形成させる実験を行った。その結果、SiO_2上へは従来法では均一なGaN量子ドットを形成させるのが困難と判明したため、分子線エピタキシー法により成長させたGa液滴を成長核として用い、その後選択成長法を併用する新しい手法で均一なGaN量子ドットを形成させた。その後、電子を閉じこめるためのAlNバリヤ層をGaN量子ドットに選択成長させることで、直径約30nmのGaN/AlN量子ドット構造を作製した。本構造に間隔30nmのソース・ドレイン電極およびゲート電極を形成し単一電子トランジスタを形成し、約3Kで量子ドット内の電子輸送特性を評価した。その結果、本デバイスにおいて明瞭なクーロンブロッケード効果を観察した。さらに、2つの量子ドットの量子準位が共鳴状態になったときの電流ピークおよび、その状態からずれたときに生じる負性抵抗効果も観察した。このことは、本手法で作製した高均一GaN量子ドットが将来の新機能素子と有用であることを示している。