ErAs/III-V半導体量子ヘテロ構造におけるトンネル現象の解明と負性抵抗デバイス

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本研究では、GaAs上で熱力学的にきわめて安定な半金属材料としてNaCl型結晶構造をもつErAsに着目し、ErAs/AlAs/GaAsに代表される異なる結晶構造、異なる格子定数、異なるタイプの化学結合をもつ半金属と半導体を組み合わせたヘテロ接合の結晶成長技術を確立し、形成された金属間化合物/半導体ヘテロ構造の電子伝導、特に共鳴トンネル現象を明らかにし、デバイス応用の実現可能性を探索することを目的とする。最近我々は、MBEによって高品質のErAs単結晶をGaAs基板上にエピタキシャル成長できることを示し、GaAs/AlAs系化合物半導体と熱力学的に安定な金属/半導体ヘテロ構造の作製に成功した。さらに、半金属(ErAs)を量子井戸とする共鳴トンネルダイオード構造を試作し、この材料系では世界で初めて室温で微分負性抵抗を観測した。これは数ナノメータのErAs超薄膜中の量子効果が室温でも明瞭に現れたものであり、将来の量子効果を用いた高速電子デバイス応用へ向けてきわめて有望な結果である。しかしながらその電子物性、電子伝導のメカニズムは未解明のままであり、デバイス応用の試みも行われていない。そこで本年度には、半金属(ErAs)を量子井戸とする超薄膜ヘテロ構造のトンネル現象等の界面に垂直な方向の電子伝導現象の解明を進めることに重点をおき、負性抵抗デバイスの試作を行い、トンネル現象の本質的な機構を探るとともに、デバイス応用のための最適化を行った。分子線エピタキシーによりIII-V/ErAs/III-Vヘテロ構造を成長し、界面に垂直な方向の電子伝導(トンネル効果)を利用した2端子デバイス(ダイオード)の試作、その電気的特性を、温度、素子サイズ等を変え、様々な条件のもとでその負性抵抗特性を評価し、デバイスの最適化を行った。ダイオードサイズを20ミクロンまで小さくすることにより、微分負性抵抗特性のばらつきを抑えることができた。また、サイズを1ミクロン程度まで小さくしたダイオードにおいては横方向量子サイズ効果によると思われる電流電仕特性の振動現象を見出した。