多重結合ナノ構造の自己組織的形成とその高集積・高温動作量子デバイスへの応用

本研究では、分子線エピタキシ選択成長法を、量子デバイス形成に必須な多重結合ナノ構造形成に適用し、これを量子デバイスへ応用することを検討した。本研究で得られた成果の概略を以下に記す。(1)多重結合ナノ構造の基本となる単独のInGaAs量子細線およびInGaAs量子ドットを、加工InP基板上へ分子線エピタキシ(MBE)法に基づく選択成長法により実現する条件を確立した。(2)量子構造の寸法をナノメーターレベルで制御する手法を確立し、実効閉込めサイズが10nm以下のInGaAs量子細線および量子ドットの形成に成功した。また、基板クリーニングプロセスの改良により、量子構造の構造不均一を1nm以下に抑制することに成功し、極微細量子構造実現に対する見通しを得てた。(3)上述の量子細線と量子ドットがトンネル障壁を介して結合した構造の形成に成功した。計算機シミュレーションによりこの構造が、直接単電子デバイスへ応用可能であることを示した。(4)<110>および<510>方向に沿う3本の線状メサがY字状に結合したパターン上への選択成長により、量子細線Y字分岐構造を実現した。結合部分にはポテンシャル障壁が存在しないことを明らかにしている。(5)細線-ドット結合構造による単電子トランジスタと、量子細線Y字分岐構造による2次元的配線を組合わせることにより、単電子デバイス集積回路の基本構造を、1度の選択成長により実現可能である。以上の成果は、本研究で開発した加工基板上へのMBE選択成長法による多重結合ナノ構造の自己組織的形成法が、量子デバイス・単電子デバイス集積回路実現のための有望な手段となりうることを示している。

本研究では、分子線エピタキシ選択成長法を、量子デバイス形成に必須な多重結合ナノ構造形成に適用し、これを量子デバイスへ応用することを検討した。本研究で得られた成果の概略を以下に記す。(1)多重結合ナノ構造の基本となる単独のInGaAs量子細線およびInGaAs量子ドットを、加工InP基板上へ分子線エピタキシ(MBE)法に基づく選択成長法により実現する条件を確立した。(2)量子構造の寸法をナノメーターレベルで制御する手法を確立し、実効閉込めサイズが10nm以下のInGaAs量子細線および量子ドットの形成に成功した。また、基板クリーニングプロセスの改良により、量子構造の構造不均一を1nm以下に抑制することに成功し、極微細量子構造実現に対する見通しを得てた。(3)上述の量子細線と量子ドットがトンネル障壁を介して結合した構造の形成に成功した。計算機シミュレーションによりこの構造が、直接単電子デバイスへ応用可能であることを示した。(4)<110>および<510>方向に沿う3本の線状メサがY字状に結合したパターン上への選択成長により、量子細線Y字分岐構造を実現した。結合部分にはポテンシャル障壁が存在しないことを明らかにしている。(5)細線-ドット結合構造による単電子トランジスタと、量子細線Y字分岐構造による2次元的配線を組合わせることにより、単電子デバイス集積回路の基本構造を、1度の選択成長により実現可能である。以上の成果は、本研究で開発した加工基板上へのMBE選択成長法による多重結合ナノ構造の自己組織的形成法が、量子デバイス・単電子デバイス集積回路実現のための有望な手段となりうることを示している。