東北大、GaN FET構造において「量子ドット」の形成を観測

東北大学は、シンプルな「GaN FET」において、エネルギーの離散化などの量子力学的な効果が発現する「量子ドット」が形成されることを観測したと発表した。同時に、精密な電気伝導測定により、トランジスタのON/OFF領域の境界において量子ドットに特徴的な電気伝導を観測し、不純物による量子ドット形成過程の仕組みを明らかにしたことも発表した。

同成果は、東北大電気通信研究所の大塚朋廣准教授、ローム株式会社研究開発センターの中原健センター長らの共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン総合学術誌「Scientific Reports」に掲載された。

GaNおよびその積層構造は、大きな直接バンドギャップ、高い電子密度、高い電子移動速度など、優れた電子物性を有する。そうした特徴が注目され、LEDやパワーデバイス、高周波デバイスなどに活用されるようになってきた。

また、その微細構造を利用することで、量子ドットなどの量子効果の発現が報告されている。量子ドットとは、電子を微細な領域に閉じ込めたデバイスのことだ。その領域のサイズを、電子の量子力学的な波の大きさと同程度まで小さくできれば、エネルギーの離散化などの量子力学的な効果が発現する。そのため、GaNおよびその積層構造は、量子コンピュータの量子ビットデバイスや、量子効果を利用して測定を行う量子センサなど、量子デバイスへの応用に向けての研究も進められている。

そして、その量子ドットの形成については、微小金属電極などを用いた人工的な微細構造によるものだけでなく、材料中の不純物や欠陥などに起因するものがSiのFETなどで報告されている。不純物の強い閉じ込め効果により、大きな量子閉じ込めエネルギーなどが形成されるため、量子ビットデバイスなどへの活用が期待されているところだ。

そうした流れを受けて共同研究チームは今回挑んだのが、GaN FET構造において、不純物などに起因する量子ドットの観測だ。まず、シンプルなGaN/AlGaN FET構造について、低温下での精密な電気伝導測定が行われた。その結果、トランジスタのON/OFF領域境界の伝導チャンネルが消失する条件近傍で、量子ドットの形成に特徴的な「クーロンダイアモンド」と呼ばれる電気伝導特性を観測することに成功したという。

さらに、その解析が進められ、複数の量子ドットが結合した多重量子ドットが形成されていることの確認にも成功した。また、絶縁膜作製手法の異なる試料の比較により、不純物濃度によって量子ドット形成が変化することなども判明したのである。

共同研究チームは、今回の成果により、GaNの電子物性と量子ドット特性を活用した量子デバイスへの道を広げることができたという。また量子ドット特性は、トランジスタの伝導チャンネルに影響する不純物などに鋭敏な指標となる。そのため、これを活用することにより、GaN FETの改良に貢献できる可能性があるとしている。