ナノエレクトロニクス研究会平成 13 年度報告書 - ATI

ナノエレクトロニクス研究会平成 13 年度報告書
委員長
1.
松本和彦
背景
世界におけるナノ構造に関する研究は、最近その研究の速度を上げ、日々発展と進歩を
遂げている。しかも研究内容は、従来の常識を覆すような様々な新しい実験事実が明らか
になってきつつあり、驚きと興味がつきない領域である。しかも従来の半導体は半導体の
み、バイオはバイオのみ、カーボンナノチューブはカーボンナノチューブのみと言った狭
い殻に閉じこもった研究スタイルは通用しない状況になってきている。半導体の最新技術
を用いたバイオ研究、カーボンナノチューブを利用したバイオ素子や電子デバイス、半導
体技術とカーボンナノチューブの技術の融合と言った領域で新たな芽が育ちつつある。こ
れらの領域から将来の産業や次世代の科学になる本物の技術が芽生えてくることが期待さ
れている。
2.
研究会のねらい
上記、背景で述べたように、ナノエレクトロニクスの領域では、以下に示すように、従
来の常識を覆すような様々な新しい実験事実が明らかになってきつつある。これらを正確
に把握し、今後の研究指針を得ることが必要である。
常識を覆すような新しい実験事実として、例えば、GaAlAs/GaAs ヘテロ構造を用い、２次
元面の端面をカットし、そこに再成長法を用いて形成した１次元化合物細線において、4
探針を形成しその伝導特性を測定すると、従来の常識とは全く異なる特性が得られる。す
なわち従来の 2 端子測定では、電子がバリスティックに伝導すると、量子抵抗で規定され
た抵抗値が得られていたが、4 端子測定を行うと、なんと抵抗はほとんど 0 になるのである。
これは、従来の 2 端子測定における量子抵抗は、バリスティック伝導領域とコンタクト領
域とのコンタクト抵抗に由来するものであることが明らかになった。
また従来、量子力学の理論上に現れていた電子の波動関数の確率密度を、磁気トンネリ
ング分光を用いることにより、実際の実験系でマッピングし、視覚化する事も可能になっ
ている。GaAs/GaAlAs 共鳴トンネル構造の GaAs 量子井戸の中に InAs/GaAs 量子ドットを埋
め込んだ構造を用いる。量子ドットの 0 次元準位を介して電流がトンネリングし、基底準
位、第一励起準位、第二励起準位に対応する電流特性が得られる。これに磁場を垂直方向
に印加すると、トンネルしてきた電子が磁場によるローレンツ力により運動量を得、共鳴
トンネル電流が変化する。この電流変化を磁場に対して解くことにより、2 次元的な電子の
波動関数のマッピングが可能になった。
さらに従来、量子ポイントコンタクトは、2 次元電子ガス上にゲート電極を設け、このゲ
ートにバイアスする事によりポイントコンタクトを狭窄し、その間を通過する電子による
伝導を量子化するものであった。しかしながら従来はこのポイントコンタクトのサイズが
大きいために、量子化コンダクタンスは極低温でしか測定できなかった。ところが SPM 技
術を用いて、微小間隔のソース・ドレイン電極間にナノメートルオーダーの金粒子を挿入
し、その間隙を徐々に塞いでいく手法で、量子ポイントコンタクトを形成すると、間隙が
数原子オーダーのサイズにできるために、驚くべきことに、室温において量子化コンダク
タンスが観測されるようになった。
最後の例として、カーボンナノチューブの伝導やドーピングを制御する事は非常に困難
で、未だに精力的に研究が成されている領域であるが、この領域でも日々非常な進歩が在
る。フラーレンの中にガドリニウム原子を一つ入れ、このガドリニウムドープフラーレン
をカーボンナノチューブにドープすると、フラーレンはカーボンナノチューブの内部で整
列する。その際、フラーレン内部のガドリニウム原子はそれぞれのクーロン反発力から互
いに最も遠い位置になるように配置する事が透過電子顕微鏡の観察から明らかになってい
る。またこのカーボンナノチューブ内にガドリニウムドープフラーレンの在る位置と、な
い位置とではカーボンナノチューブ外部から測定した場合、電位が異なり、あたかもカー
ボンナノチューブに pn 接合が形成されているように振る舞うことが明らかになった。この
手法により、カーボンナノチューブの正確な電気伝導制御が可能になることが期待される。
このように上記に述べた例は、筆者の狭い見識の中のほんの一例に過ぎないが、それでも
従来では考えられなかった様な新しい事実がナノエレクトロニクスの領域から次々と明ら
かになって来ている。このような事例の中から将来の産業の芽となるものを見極めようと
するのが本研究会のねらいである。
3.
研究会の進捗状況
平成 13 年度は、下記の国際ワークショップを新世代研究所で主催し、これを 6 回のナノ
エレクトロニクス研究会とした。総参加者数は 199 名、招待講演者数 24 名（外国 13 名、
日本 11 名）全講演者数 66 件であった。以下に研究会（国際ワークショップ）の概要を示
す。
第 6 回ナノエレクトロニクス研究会
日時：平成 13 年 7 月 2 日(月)―7 月 4 日(水）
場所：筑波研究センター
共用講堂
July 2nd
9:30-9:40 Opening
Dr. M. Ogura (AIST & CREST)
Prof. S. Kawaji (Research Supervisor Crest JST)
Prof. M. Date (Vice President, Advanced Technology Institute)
9:40-10:20 Plenary, E. Kapon (EPFL, Switzerland)
'Three-Dimensional Quantum Nanostructure Patterning by Epitaxial Growth on
Nonplanar Surfaces'
10:20-11:00 (Invited) H. Sakaki (Univ. of Tokyo, Japan)
'Epitaxial Synthesis of 10nm-Scale Quantum Wire Structures
"Retrospects,
Recent Advances, and Key Challenges'
11:20-12:00 (Invited) L. Eaves (Univ. of Nottingham, UK)
'Tunnel spectroscopy of self-assembled quantum dots: wavefunction mapping and
addressing the dots with electrostatic gates'
＜Growth of QWRs and QDOTs on patterned substrates＞
13:30-14:00 (Invited) 1X.-L. Wang, 1X.-Q. Liu, 1M. Ogura, 2J. Bellessa, 2 V. Voliotis, 2R.
Grousson, 3A. Crottini, 3JL. Staehli, and 3B. Deveaud (1AIST & CREST, 2CNRS,
3Swiss
Federal Institute of Technology)
'Flow Rate Modulation Epitaxy of V-shaped AlGaAs/GaAs -----Quantum Wires:
Toward the Realization of Real One-Dimensional States'
14:00-14:30 (Invited) R. Notzel (Eindhoven Univ. of Technology, Netherlands)
'Novel lateral semiconductor nanostructures by
functional selforganized
epitaxy'
14:30-15:00 (Invited) J. Motohisa (Hokkaido Univ., Japan)
'Formation of Quantum Dots and Its Application to Single Electron Devices by
Selective Area MOVPE Growth'
＜Optical phenomena＞
15:30-16:00 (Invited) 1V. Voliotis, 1T. Guillet, 1R. Grousson, and 1J. Bellessa 2X. L. Wang,
and Ogura (1CNRS,Paris, France, 2AIST & CREST, Japan)
'Optical properties and disorder effects in a single quantum wire'
16:00-16:20
M2-2 1T. Guillet, 1V. Voliotis, 1 R. Grousson, 2X.L. Wang, and 2M. Ogura (1CNRS,Paris,
France, 2AIST & CREST, Japan)
'Coulomb effects between excitons indicating quasi-1D regime in new V-groove
quantum wires'
16:20 - 16:50 (Invited) 1B. Deveaud, 1A. Crottini, 1JL. Staehli, 2X.L. Wang, and 2M.
Ogura (1EPFL, Switzerland, 2AIST & CREST, Japan)
'Near field optics of single exciton states in quantum wires'
16:50 - 17:20 (Invited) 1U. Hohenester, 2 F.Toriani, and 2E.Molinari (1Karl-Franzens
Univ. Graz, Austria, 2Univ. di Modenae Reggio Emilla, Italy)
'Role of Coulomb correlations in the optical spectra of semiconductor quantum
dots'
17:20-17:40
1K.
Leifer, 1C. Constantin, 1A. Rudra, 1S. Stauss, 2U. Utisch, and
1E
Kapon(1EPFL, Switzerland, 2Techinion Haifa, Israel)
'Application
of
EELS
and
Quantitative
dark
field-imaging
to
the
characterisation V groove Quantum wires'
July 3rd
＜Optical Device＞
9:30 - 10:00 M. Ogura, T. G. Kim, X. L. Wang, and C. S. Son (AIST & Crest, Japan)
'Intermediate report on the crest project: Coherent quantum effects in
quantum nano-structure with atomic layer precision'
10:00 - 10:30 (Invited )1,2 H. Weman, 2M.-A. Dupertuis, 2L. Sirigu, 2E. Martinet,
1,2S.
Palmgren, 2A. Rudra, 2K. Leifer and 2E. Kapon (1Link_ping Univ. Sweden,
2EPFL
Switzerland)
'Efficient nano-photonic devices based on self-ordered growth on V-grooved
GaAs substrates'
10:30-11:00 (Invited) S. Hiyamizu, Y. Ohno, and S. Shimomura (Osaka Univ., Japan)
'Self-organized InGaAs/(GaAs)m(AlAs)n quantum wires grown
on the
(775)B-oriented GaAs substrates by MBE and their laser applications'
＜Electron Device＞
11:20-11:50 (Invited) H. Hasegawa (Hokkaido Univ., Japan)
'Hexagonal
Binary Decision Diagram Quantum Circuits Using
III-V
Non-Planar Quantum Wire Networks'
11:50-12:10 1Kee-Youn Jang, 1T. Sugaya, 2T. Shimizu, and 1M. Ogura (1AIST & Crest,
2Shibaura
Inst. of Tech.)
'Negative differential resistance characteristics in trench-type InGaAs
quantum wire FET with 50nm Gate-length'
＜SPM technology I＞
13:30-14:00 (Invited) J. Lyding (Illinois Univ., USA)
'Silicon-Based Molecular Nanotechnology:Progress, Challenges and Spin-Offs '
14:00-14:30 (Invited) Y. Sugawara and S. Morita (Osaka Univ., Japan)
'Identification of Atom Species on Semiconductor Surfaces Using Noncontact
Atomic Force Microscopy (NC-AFM)'
14:30 - 15:00 (Invited) 1K. Kanisawa, 1,2M.J. Butcher, 1Y. Tokura, 1H. Yamaguchi, and
1,3
Y. Hirayama (1NTT Basic Research Laboratories,
3CREST,
2Univ.
of Nottingham,
Japan)
'Imaging of wave phenomena at InAs (111)A surfaces using scanning tunneling
microscopy'
15:30-16:00 (Invited) Lars Samuelson, Sven -Bertil Carlsson, Knut Deppert, Tobias
Junno, Martin Magnusson, Jonas Ohlsson, Claes Thelander, Reine Wallenberg
and Hongqi Xu (Lund Univ., Sweden)
'Quantum devices from assembly of 0- and 1-dimensional quantum objects'
16:00-16:20
1S.
Nomura, 2K. Matsuda,
2Kanagawa
2,3T.
Saiki, and 4Y. Aoyagi (1Univ. of Tsukuba,
Academy of Science and Technology, 3Univ. of Tokyo, 4RIKEN)
'Spatially resolved photoluminescence in n-type modulation-doped lateral
quantum dot arrays'
16:20-16:40 Y. Ducommun, A. Hartmann, and E. Kapon (EPFL, Switzerland)
'Quantum dots as sensitive probes of their solid-state environment'
＜17:00 - 19:00 Poster sessions＞
TuP-1 M. Stopa (Tarucha Mesoscopic Project, ERATO-JST, NTT , Japan)
'Bandgap renormalization and excitonic bindingin T-shaped quantum wires'
TuP-2
V. I. Yudson (Chiba Univ., Japan)
'Exciton energy transfer from a quantum dot to a nanowire '
TuP-31 Yusuke Asari,
2NTT
1,2
Hiroyuki Tamura and 1Kyozaburo Takeda (1Waseda Univ.,
Basic Research Laboratories, Japan)
'Spherical artificial atom in magnetic fields'
TuP-4 T. Okuno, M. Nomura, and Y. Masumoto, Y. Terai, S. Kuroda and K. Takita
(Univ. of Tsukuba, Japan)
'Eighteenth order optical phonons in CdTe quantum dots in ZnTe'
TuP-5 H. Kumano, A. Ueta and I. Suemune (Hokkaido Univ., Japan)
'Study of pyramidal-shaped three-dimensional optical microcavities fabricated
by II-VI semiconductors'
TuP-6
F. Sasaki, S. Haraichi and S. Kobayashi (AIST, Japan)
'Enhancement of the optical nonlinearity in pseudoisocyanine J aggregates
embedded in distributed feedback microcavities'
TuP-7
1I.
Morohashi, 2K. Komori, 2T. Sugaya, 2X. L. Wang, 1T. Hidaka, 2M. Ogura, and
2T.
Nakagawa (1Shonan Institute of Technology, 2AIST & CREST, Japan)
'Terahertz Electromagnetic Wave Generation from Quantum Nanostructure'---
TuP-8
1T.
Yasuhira, 1,K. Komori,
2CREST
1,2
X. L. Wang,
1,2
M. Ogura, 1M. Watanabe (1AIST,
)
'Optical
Properties
and
Carrier
Dynamics
of
Crescent-ShapedGaAs
Quantum-Wires'
TuP-9
1X.-Q.
Liu, 1X.-L. Wang, 1M. Ogura, 2T. Guillet,
2,3
V. Voliotis, 2R. Grousson
(1AIST & CREST, Japan, 2CNRS,Paris, 3Univ. Evry-val d'Essonne, France)
'Piezoelectric effects in ultrahigh quality AlGaAs/GaAs single quantum wire'
TuP-10
1,2
Noriaki Tsurumachi, 3Yasuyuki Takasuka, 1Takashi Tokizaki and 1Mutsuo
Ogura, 4Chang-Sik Son, 5Tae Geun Kim (1AIST & CREST, 2NEDO, 3Shibaura
Inst.Tech, 4Silla Univ., 5SAIT, Korea)
'Optical properties of high density InGaAs quantum wire on submicron
gratings '
TuP-11
1Chang-Sik
Son, 2Tae Geun Kim,
3,4
Noriaki Tsurumachi and 3Mutsuo Ogura
(1Silla Univ., 2SAIT, Korea, 3AIST & CREST, 4NEDO, Japan)
'InGaAs quantum wire on submicron gratings by constant growth technique'
TuP-12 T. Tsujikawa, M. Ogura, C. S. Son, X. L. Wang, and Y. Nagamune (AIST, Japan)
'Growth simulation of quantum wires grown on submicron period V-grooved
substrates'
TuP-13 Y. Tsuji and M. Koshiba (Hokkaido Univ., Japan)
'An Analysis of Distributed Feedback Lasers with QWR Active Layers on a
V-Grooved Substrate'
TuP-14 1T.Tokizaki,
1,2
N.Tsurumachi, 3C.S.Son, 4T.G.Kim and
1M.Ogura
(1AIST &
CREST, 2NEDO, Japan, 3Silla Univ., 4SAIT, Korea)
'Near-field
Observation
of
InGaAs
Quantum
Wires
at
Cryogenic
Temperatures'
TuP-15 1Cheol-Koo Hahn, Junichi Motohisa and Takashi Fukui (Hokkaido Univ., 1AIST,
Japan)
'Selective Formation of InAs Self-Assembled Quantum Dots by Metalorganic
Vapor Phase Epitaxy'
TuP-16 K. Akahane, H. Z. Xu, H. Z. Song, Yoshitaka Okada and Mitsuo Kawabe (U. of
Tsukuba)
'The uniform stacked InAs quantum dots by strain control on InP(311)B
substrate'
TuP-17 Hideaki Saito, Kenichi Nishi, and Shigeo Sugou (NEC Corporation, Japan)
'Long-wavelength InAs-quantum-dot lasers on InP(311)B substrates'
TuP-18 1Y. Nagamune, 1M. Ogura, 2T. Noda, 2H.Sakaki, 3H.Kim (1AIST & CREST,
2Univ.
of Tokyo, Japan, 3KAIST, Korea)
'Micro-photoconductivity investigation of Quantum wires'
TuP-1 9
1S.
J. Kim, 2T. Sugaya, 2M. Ogura and 2Y. Sugiyama (1ETRI, Korea, 2AIST &
CREST)
'Pronounced
N-shape
negative
differential
resistance
in
ridge-type
InGaAs/InAlAs quantum wire field-effect transistor'
TuP-20 A.Ishii, O. Tomiyama and T. Aisaka (Tottori Univ., Japan)
'Simulation study for the decay process of nano structure on Si (100) surface
using kinetic Monte Carlo method'
TuP-21 Minoru Tachiki, Tohru Fukuda, Hokuto Seo, Kenta Sugata, Tokishige Banno,
Hitoshi Umezawa and Hiroshi Kawarada (Waseda Univ. & CREST, Japan)
'Nanodevice fabrication on hydrogenated diamond surface using atomic force
microscope'
TuP-22 T. Matsukawa, H. Fujii, S. Kanemaru, M. Nagao, H. Yokoyama and J. Itoh
(AIST )
'Influence of surface charging on electrical characteristics of silicon nanowire'
TuP-2 3
1T.
Takahashi, 1S. Ono, and
1K.
Takada, 2M. Takeuchi (1Univ. of Tokyo,
2RIKEN)
'SPM characterization of InAs nano-wires grown on GaAs (110) vicinal
substrates'
TuP-24 Daisuke Fujita, Keiko Ishige, and Taizo Ohgi (National Institute for Materials
Science)
'Nanostructure Fabrication and Quantum Effects Observed by Scanning
Tunneling Microscopy'
TuP-2 5
2H.
Oigawa, 1M. Wassermeier, 1L. Daeweritz and 1K . H . P l o o g
(1Paul-
Drude- Instituet fuer Festkoerperelektronik, Germany, 2Univ. of Tsukuba,
Japan)
'Formation of one-dimensional Be chains on the GaAs surface'
TuP-26 A. Ando, T. Shimizu (AIST)
'Nano Tester: Local electrical measurements using a conducting atomic force
microscope'
TuP-27
1,3
Katsuyuki Tsukui, 2Masanori Yata, 3Iwao Ohdomari, 3Toshiaki Osaka,
4Nobuaki
Yagi, and 1Hiroyuki Tsukui (1Tsuruya Works Co. Ltd., 2 National
Institute for Materials Science, 3Waseda Univ., 4DAIKIN Industries Ltd.,
Japan)
'Proposal of a new type of a Superconducting Switching Device'
TuP-28 M. Koike and I. H. Suzuki (AIST, Japan)
'Nano-fabrication of multilayer zone plate and Bragg-Fresnel lens by helicon
plasma sputtering'
TuP-29 M. Watanabe, N. Sakamaki, and T. Ishikawa (Tokyo Institute of Technology,
Japan)
'Fine-Area Epitaxy of CdF2/CaF2 Resonant Tunneling Diode on Si'
TuP-30 Y. Miyamoto, M. Kurita, and K. Furuya (Tokyo Institute of Technology, Japan)
'GaInAs/AlAs/InP hot electron vacuum emitter'
TuP-31 Y. Miyamoto, H. Oguchi, H. Nakamura, Y. Ninomiya, and K. Furuya (Tokyo Inst.
Tech.)
'80 nm periodical ohmic contacts toward Young's double slit experiment using
a semiconductor'
TuP-3 2
1Takaaki
Koga, 1Junsaku Nitta, and 1Hideaki Takayanagi, 2Supriyo Datta,
(1NTT Basic Research Laboratories, Japan, 2Purdue Univ., USA)
'Proposal for spin rectifying diode using Rashba spin-orbit coupling in
semiconducting triple barrier structures'
July 4th
＜SPM technology III /nano-electromechanics＞
9:30 - 10:00 K. Matsumoto, Y. Gotoh and M. Ishii (AIST, Japan)
'Application of Single Wall Carbon Nanotube to Nano Electron Devices'------10:00 - 10:30 (Invited) M. Aono (RIKEN, Osaka Univ., Japan)
'Electrical conductance of nanowires and point contacts'
10:30-11:00 (Invited) R. H. Blick, A. Erbe, and L. Pescini (Ludwig-Maximilinas-Univ.,
Germany)
'3D-Nanomachined mechanical resonators for parametric frequency tuning via
direct phase locking at radio frequencies'
＜Transport＞
11:20 - 11:50 (Invited) R. de Picciotto, 1H. L. Stormer, L. N. Pfeiffer, K. W. Baldwin
and K. W. West (Bell Labs, also with 1Columbia Univ., USA)
'Four-terminal resistance of a ballistic quantum wire'
11:50 - 12:20 (Invited)
1,2
K. Ishibash i, 3M. Suzuki, 4D. Tsuya, 4K. Toratani, 5S.
Moriyama, 1T. Ida, 4Y. Ochiai, and 1,2,5 Y. Aoyagi (1RIKEN, 2CREST, 3Toyo Univ.,
4Chiba
Univ., 5Tokyo Institute of Technology, Japan)
'Formation and electrical transport of single and coupled quantum dots in
carbon nanotubes'
＜Quantum dots /novel device＞
13:30 - 14:00 (Invited) Y. Arakawa, (Univ. of Tokyo, Japan)
'Fabrication and Physics of Self-assmebled Quantum Dots for Nanoelectronics
and Nanooptoelectronics'
14:00 - 14:30 (Invited) K. Asakawa (FESTA, Japan)
'Nano-Processing Technologies for Site- and Shape-Controlled Uniform-Size
Quantum Dots'
14:30 - 14:50
1K.
1Y.
Nakamura, 1O. G. Schmidt, 1C. Mueller, 2H. Graebeldinger, 1T. Reindl,
Eberl, and 2H. Schweizer ( 1Max-Planck-Institut fuer Festkoerperforschung,
2Univ.
Stuttgart)
'Formation of two-dimensional InGaAs quantum dot array on patterned GaAs
substrates'
14:50 - 15:20 (Invited) J. Zou (Univ. of Sydney, Australia)
'Transmission electron microscopy investigation
of
nanostructure and
chemistry of nonplanar quantum semiconductor structures'
15:20 - 15:50 (Invited) Y. Awano, (Fujitsu, Japan)
'Principles of Operation of a Single Tetrahedral-Shaped Recess (TSR)
Quantum Dot Memory: Discrete Nature of Optical Writing Characteristics'
15:50-16:00 Closing remark
4.
Dr.K.Matsumoto
研究会の成果
本年度の研究会（国際ワークショップ）では、主に半導体におけるナノ構造、ナノエレ
クトロニクス関連を中心に招待講演を御願いし、従来の常識を破る斬新な知見が得られ非
常に興味深く、かつ楽しませていただいた。残念ながら、バイオや化学関連の講演を聞く
機会を逸したため、次年度では、この領域も視野に入れて研究会を開催する予定である。

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