Ⅲ-Ⅴ族半導体量子ドットネットワーク構造の創製と量子デバイスへの応用

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令和３年度の主要な研究業績は、面内超高密度InAs量子ドット層における隣接量子ドット間の電子的な面内強結合による面内ミニバンド化の実証であり、その成果は2022年10月にJapanese Journal of Applied Physics誌に掲載された。研究代表者は、分子線エピタキシー(MBE)によりGaAs(100)基板上に自己形成したInAs/InAsSb系量子ドットの面内密度が1×1012 cm-2の世界最高密度を達成している。本研究では、その面内超高密度InAs量子ドット層のフォトルミネッセンス(PL)スペクトルの温度依存性について、PLスペクトルの最小エネルギーの温度依存性に着目した。温度上昇による個々の量子ドットの均一エネルギー幅の増大により隣接量子ドット間の電子的な強結合が起こるモデルを提案した。量子ドット間の強結合による最低エネルギーの温度依存性において、ある温度からバンドギャップの温度依存性（Varshni shift）よりもさらに低エネルギーシフトが起こり、再び低エネルギー側でVarshni shiftに従う傾向を示す実験結果を得た。提案モデルによるモンテカルロシミュレーションによって実験結果を再現し、面内強結合よる量子ドット間でのミニバンド形成を世界で初めて実証した。この成果により、量子ドット層における電子状態の零次元電子系から２次元電子系への遷移を温度によって制御できることを明らかにした。また、面内超高密度InAs量子ドット層における面内電気伝導特性についても実験を試みており、非線形特性が得られることを明らかにした。この結果より、量子ドットネットワーク構造の物理的なリザバーコンピューティングへの応用が期待される状況である。