博 士 （ 工 学 ） 熊 倉 一 英
学位論文題名
Fabrication of GaAs Quantum Dots by Selective Area MetalorganlCVaporPhaSeEpitaXyand TheirAppliCationtOQuantumE
任 ．
eCtDeViCeS（有機金属気相選択成長によるガリウム砒素量子
ドッ トの作製とその量子効果素子への応用）
学位論文内容の要旨
近年の微細加工技術の急速な発展により、半導体をナノメータースケー ルで加工および制御する事が可能になりつっある。このような技術により、電 子を半導 体極微小領 域に閉じ込 めた場合、電子の量子力学的な「粒子性」
と「波動性」が現れ、これらの2 つの性質を巧みに利用した量子波動素子、あ る いは 電 子
1個
1個 を 操作 する単電 子素子等の 新しい機能 を持っデバ イス 実現への道が開かれる。また、これらのデバイスの基本素子となるべき、量子 細線や量 子ドットな どの低次元 量子構造を活性層に利用したレーザーにお いては、 従来のレー ザーに比べ てしきい値電流の低減など様々な特性の飛 躍的向上が理論的にも予測されている。しかしながら、従来までの微細加工 技術によ る作製法で は、電子や 正孔の閉じこめ領域となる活性層部を直接 加工するため、物理的な損傷等の影響による空乏領域のひろがりなどが、ナ ノメートルサイズのデバイスの正常動作を妨げる恐れがある。また、室温動作 する量子デバイスを実現するためには、加工ダメージのないナノスケールでの 加工精度 が必要とな り、電子の 低次元性の特長を最大限生かすためには、
ダメージフリーであるとともに、個々のサイズの均一性が非常に重要となってく る。
これ ら の構 造 実 現の ために、半 導体の結晶 成長技術を 巧みに利用 し 量子細線 や量子ドッ トを作製す る方法が非常に有望である。結晶成長を利 用して構 造を作製す るため、活 性層にプロセス等による加工損傷や汚染が なく、また、結晶成長の自己組織化を利用することでナノメートルサイズの構 造が容易に作製できる事が知られている。しかしながら、これら量子構造の位 置やサイズの制御が困難であルデバイス作製の際、さらなる改善が必要とさ れる。
本論文で は、従来ま での半導体プロセス技術と半導体結晶成長法であ
る 有 機 金 属 気 相 成 長 法
(MOVPE)を 組 み 合 わ せ た 、 有 機 金 属気 相 選択 成
長により量子細線や量子ドットなどの低次元量子構造を作製し、作製した構
造のデバイス応用を試みるものである。具体的には、この選択成長の成長機 構の解明をおこない、構造作製のための最適な成長条件を明らかにし、ナノ メートルサイズのガリウム砒素(GaAs) 量子ドット構造作製技術を確立した。ま た、選択成長により作製した量子ドットを単一電子素子へと応用しその特性 を評価するとともに、本方法による低次元量子構造作製の優位性も示してい る 。 本 論 文 は
6章 か ら 構 成 さ れ て い る 。 以 下 に 各 章 の 要 旨 を 示 す 。
第1 章では、本研究の歴史的背景と目的を述べると共に、各章の概要を記 した。
第
2章では、低 次元量子構 造を作製するためにの
MOVPE選択成長に用い る、マ スク基板の作製プ口セス、MOVPE 選択成長時に現れる特徴的な結晶面 であるファセットについて述べている。また、成長機構のマスク形状や成長条 件の依存性についても述べている。
第3 章では、特定のマスク形状や成長条件を適切に選択することにより、
ファセットに囲まれた微細構造が成長を統けても、そのサイズや形状を維持し かつ非常に均一となる、
MOVPE選択成長の自己停止機構について述べている。
この成長の自己停止機構を利用レ作製した量子ドット構造を光学的に評価した 結果にも言及し、本方法による低次元量子構造作製の可能性について述べてい る。
第
4章 で は、 第
2章 お よ び第
3章の結果 に基づき、
MOVPE選択成 長によ り作製した量子ドットのデバイス応用に向けて、量子ドットを量子細線により 結合レた量子ドットネットワーク構造の作製について述べている。このような 結合系の量子ドットを作製する事は、将来の単電子デバイスや単電子メモりを 集積化をする上で、非常に重要である。本章では、この結合系のGaAs 量子ド ットの成長機構を考察し、作製法の確立を行っている。また、光学的な手法に より電子状態を解明し、単電子卜ランジス夕等のデバイス応用の可能性につい て述べている。
第
5章では、
MOVPE選択成長 により、量子ドットと量子細線がトンネル 障壁を介して結合レた、単電子トランジス夕構造の作製法について述べている。
マスク形状を工夫し様々なファセットを利用することで、電子の通り道である チャネルの幅を周期的に変化させている。この構造をゲート制御することで単 電子トランジスタの作製に成功した。本章では、このデバイスプロセス、およ び作製 したデバイスの電気的特性、さらには
MOVPE選択成長法の優位性つい ても述べている。
最後に第6 章では、本論文の結論を述べている。
学位論文審査の要旨 主査
副査 副査 副査 副査
教授 教授 教授 教授 助教授
福井 雨宮 長谷川 武藤 本久
孝志 好仁 英機 俊一 順一
学位論文題名
Fabrication of GaAs Quantum Dots by Selective Area MetalorganlCVaporPhaSeEpitaXyand TheirAppliCation
．
toQuantumE任．ectDeviCes
（有機金属気相選択成長によるガリウム砒素量子 ド ッ トの 作 製と そ の 量子 効 果素 子 への 応 用）
近年の微細加工技術の急速な発展により、半導体をナノメー夕一スケールで加工およ び制御する事が可能になりつっある。このような技術により、電子を半導体極微小領域に 閉じ込めた場合、電子の量子力学的な「粒子性」と「波動性」が現れ、これらの2つの性質を 巧みに利用した量子波動素子、あるいは 電子1個1個を操作する単電子素子等の新しい機 能を持っデバイス実現への道が開かれる。また、これらのデバイスの基本素子となるべき、
量子細線や量子ドットなどの低次元量子構造を活性層に利用したレーザーにおいては、従 来のレーザーに比べてしきい値電流の低減など様々な特性の飛躍的向上が理論的にも予測 されている。しかしながら、従来までの微細加工技術による作製法では、電子や正孔の閉 じこめ領域となる活性層部を直接加工するため、物理的な損傷等の影響による空乏領域の 広がりなどが、ナノメートルサイズのデバイスの正常動作を妨げる恐れがある。また、室 温動作する量子デバイスを実現するためには、加工ダメージのないナノスケールでの加工 精度が必要となり、電子の低次元性の特長を最大限生かすためには、グメ―ジフリーであ るとともに、個々のサイズの均一性が非常に重要となってくる。
これらの構造実現のために、半導体の結晶成長技術を巧みに利用し量子細線や量子ド ットを作製する方法が非常に有望である。結晶成長を利用して構造を作製するため、活性 層にプ口セス等による加工損傷や汚染がなく、また、結晶成長の自己組織化を利用するこ とでナノメートルサイズの構造が容易に作製できる事が知られている。しかしながら、こ れら量子構造の位置やサイズの制御が困難であルデバイス作製の際、さらなる改善が必要 とされる。
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本論文では、従来までの半導体プ口セス技術と半導体結晶成長法である有機金属気相 成長 法(MOVPE)を組み合 わせた、有機金属気相選択成長により量子細線、量子ドット等の 低次元量子構造を作製し、さらにデバイスヘの応用を試みたものである。具体的には、こ の選択成長の成長機構の解明をおこない、構造作製のための最適な成長条件を明らかにし、
ナノメートルサイズのガリウム砒素(GaAs）量子ドット構造作製技術を確立している。また、
選択成長により作製した量子ドットを単一電子素子へと応用しその特性を評価するととも に、 本方法 による低 次元量子構造作製の優位性も示している。本論文は6章から構成され ている。以下に各章の要旨を示す。
第1章で は、本研 究の歴史的背景と目的を述べると共に、各章の概要を記している。
第2章で は 、 低 次元 量 子 構造 を 作 製す る た めにMOVPE選 択成 長 に 用い る、マス ク 基板 の作製 プ口セス 、MOVPE選択成長 時に現 れる特徴 的な結晶 面であ るファセットにつ いて述べている。また、成長機構のマスク形状や成長条件の依存性についても述べている。
第3章で は、特定 のマスク形状や成長条件を適切に選択することにより、ファセット に囲まれた微細構造が成長を続けても、そのサイズや形状を維持しかつ非常に均一となる、
MOVPE選択成 長の自己 停止機 構につい て述べ ている。 この成長 の自己 停止機構を利用し 作製した量子ドット構造を光学的に評価した結果にも言及し、本方法による低次元量子構 造作製の可能性について述べている。
第4章で は 、 第2章 お よ び第3章 の結 果 に 基づ き 、MOVPE選 択 成 長 により 作製した 量子ドットのデバイス応用に向けて、量子ドットを量子細線により結合した量子ドットネ ットワーク構造の作製について述べている。このような結合系の量子ドットを作製する事 は、将来の単電子デバイスや単電子メモりを集積化をする上で、非常に重要である。そし て、 この結 合系のGaA8量 子ドッ トの成長 機構を 考察し、作製法の確立を行っている。ま た、光学的な手法により電子状態を解明し、単電子トランジス夕等のデバイス応用の可能 性について述べている。
第5章で は 、MOVPE選択 成長に より、量 子ドット と量子 細線がト ンネル 障壁を介 し て結合した、単電子トランジス夕構造の作製法について述べている。マスク形状を工夫し 様々なファセットを利用することで、電子の通り道であるチャネルの幅を周期的に変化さ せている。この構造をゲート制御することで単電子トランジスタの作製に成功している。
そし て、こ のデバイ スプ口セス、および作製したデバイスの電気的特性、さらにはMOVPE 選択成長法の優位性ついても述べている。
最後に第6章では、本論文の結論を述べている。
これを要するに、著者は、半導体結晶成長技術のーっである、有機金属気相選択成長 を用いて半導体極微細構造を作製し、形成過程、光学的評価を詳細に調べ、単電子トラン ジスタ等へ素子応用し有益ないくっかの新知見を得たものであり、半導体結晶成長、評価、
素子応用といった一連のプロセスにおいて電子情報工学、特に半導体新機能素子の研究分 野の進展に貢献するところ大である。
よって著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与される資格あるものと認める。
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