量子 マイク回ヘテ回構造 における波動関数 の 制御 とそのデバイス応 用 榊 裕 之 東京大学生産技術研究所 教 授 1. 1よ じめ に と 」学的 な 実とそ の椋 ￨ ギ 構造 にお い ては, 電 I の 1 1 すノ 厚 さ1 0 0 オング ス トロー ユ、( 約3 0 原 r にギ1 程の半導体超薄‖ ｀ そ 'F究 では, ど I G a isヽ とる1 本 汚 が出r ,す , れない 多様 な物￨ に イと機t と 導体 には 兄 デ 波動性 が顕 在化す るため, 従 来 の 十 I定 法 Fil打 ヒした 1 走r マ イクロヘテロ構造 を原 F ス ケ ー ルで先 企な もの とす るための結 品b 文 実を千 や ( A l G a ) A s 超薄‖ 1・ 祐」 l L l てl,し ギ￨ い ￨￨￨い ンネル ・ダイオー ドの 伝準機構 を々 生￨ 1 1 で て, 共 ￨ l j ト の新 たな手法 を確 、 1 し , セ ￨ こ の技n i ' を で きる こ とを初めて明 らか に した―更 に, 3 超 に ぎ' こ 優 れた負性抵抗特l rがケ lさ 高速 トランブスタと して, i i l れる F ( 電界効 果 トランブスタ) における波動関数 の 形 キ, 電子移動度 トラ ンジ スクな ど各種の マ イクロヘ テ ロ構造 F E ′ 「 ′ ′ヽイス特性 に及ぼす影十半を角 f 造を1 1 つ新 しいデ バ イス 呼け ! する とともに, r F E T Ⅲ Ⅲ イi り r l l lゃ デ l萱 態 とその 竜 r ^ 杉 な どを行 う こ と い た た変訂 名 」‖ヽ や スイッチ) の提 案や明( 理実 1 に えば速度 変調 トランブスタやキヤ1 ) ヤ誘起効 果を' 問 士て !Fiく 1を御 機十 ￨、 年さす がで きた ―以 下に, その 要ナ 11の ( J仁 十 ｀ ￨‖ え十化法 ￨ 法 l仕 検 ￨ I JF脚 2 ( S a A s ' ( A K , a ) A s 越洋‖ 党舛面 における原 r スケー ルでの I H I 戸 解明 とその l l 「 ー 、を発生 させ , 的 0 ℃前後 に1 来 つた￨ iドi 作 なG a A s 斉【し, G a ( 文 はA l ) やA s の 分十 ビ ン 超詩i 真空 中 で ルツホ を力口 ー ・ 肢 やそ の 検層 ヘテ ロ構造 を作 るこ とがで きる こ の 分 r ビ プ、 ェ ビタ に供給す る と, これ ヽs や A l A s i 等 基llt上 丘 i は党 令に平" 1 ではな く, 本原 キ の構造が で きる ものの, C a A s と A l A s との 外「 党￨ ギ キ シー法 では, ほ1 封「意 の‖ は 1口 1と た こ の ￨ ￨ ￨1￨1ド , れてt ゝ , 電j ' ム ￨ギ i〕 す る ことが宗i ば して作 十 と在 した暉が生 じ, 坪i m ￨￨ド 程 は G a A s と A l i sヽと力S 法 1 1 1を 題 となる , こ の 十 こ ン ネ ル確■ を不均 本 化 させ るため, 様 々な新 デ バ イスの 実f 'に昨年 波 を撒舌しさせ た ￨ ) , ト て, 反 射■が の反射卒が l i期 可的 に増減す る事実 を利l i l し ビー 2 、 に電 F 本 成長す るf 手 1ギ 解決す るために, ● 本原 r 小 liは ー す iす ￨ド で は, コ た面 の ￨ 口 ,昨 「 品 占戊I 主 十孫 梅大 となる瞬 門 にシヤ ツタ を開 じる 方法が まず提 案 された. 本 f l l 究 llを では1 日 1戸 ￨ ! ! 1で避きない こ と, 0 そ の 防 H i には じ の数 の統 ￨ ￨ 1 的 な ゆ ￨ , ぎに よ り生 じるた め に, 前 t iの方法 る原 r 本 々をよ た ′ ギ済 イ 検 した後 に シヤ Ⅲ r 欠であ ￨ ) , 必要な原 j本 は分 r ) の横 方向 の 移動 を促進す る こ とが 不 百 推積す る原 F ^ ( 文 本 5 本! た に低減 で 々岳L 1 1 : 1 1 1 ‐ を l t析 哀 に文 十チる持 う佳行 し, 電 r ム 1判 1生 ける と, ギi l l }力化 間 を「 ッター を数 十 秒問￨ 」 ぢじて l l l 中1 ^ス ー られるのみ な 1 1る 卜子法 として広 く1 1 1 い }夕な界l m を きる こ とを初 めて示 した こ ほ 方法 は, ● 原 j ′ ケ ルで 平i十 らず , 0 結 イ￨ 1りに重要 ヽ 移動 してい るかなどゃ成長機構 の ミクロな均 長 の除 に物 質が どの ように浜面 にi lつて 品b 文 な新知 兄を 与えた 3 ばメだ'こ たす 11■祇 ll七 rや ンネル ・ダイイ ― ドの十 liり 1と生ゴ杯 単機構的 GaAs Alrヽ s21Tj障 性 共i!￨)ト 1〔 う に' 「 t i「 角 げ な 方向 に入射 す る と, にお い て , 電 r セ‖ i劇 )と 英をメl め込 んだ 1 占 A品 CaAsネ 品 占I i l (にA l ( ' a lの超予 )人 汗分は 1赴十し, の 11:1門 で, ′ 屯 j々 ギ慎σ (AlGa)Asの 障 ￨￨た び)障い たを 21文 1で'こ￨)Ⅲ 反ける こ げ)'こ 力坪 ギi;はトンネル宗 t を示す こ の 師 の ダ イ 歩坊 射 され 1 1 '効 下にす る と, i t r i は 岐 多五 に1 丈 日L z を 1 ( ) O A 以 平行 に対 め込み, そ の l l隔 1 0 をp ヵ lヤ がi lえ t のために1 支 町 )21井 射i 岐 のi 伐 1 にすれば, l i f効歩 坊 千 そをL z げ 上 て, 人 l l竜 ri崚 llし オ ー ドに特定 の電 ￨ ￨ : ヽ に ￨:を ギ 件が破 れ, 電 i さ ￨ ￨垣!￨ ご 要 によ 'す や と共 ' ; 条 〕 1 1取される に￨ り f ! 的に透過 して電流 が流 れる ことが j ・ て, 電 子波が共 十 - 6 - が減 少 し, 負 ￨ 上 ′ 抵抗特1 生を示す こと も期 イ 十されるt こ の現 象は本研究 を開始 した時点 では, 極 低温 でのみ 観測 ｀ されてお り, 生 温での実うとゃ応 「 T ] は困難 祝 されて い た. 本 有 ,F究 では, 熱 的 な過剰電流成分 を没 く程 の共鳴 トン ネル電流 を流 すためには, 障 ! 柱 悟 の ( A l G a ) A s の肢 の A l 組成 を高め る と共 に, 月莞厚 を3 0 A 以 下まで薄 くす るこ とが 行効であ るこ とを兄出 した. 更 にこの 考えを基 に, A l A s を 障性 とするダイオー ドを試 作 し, 室 温 負性抵抗 が生温で も H r 能な こ とを初めて示 した. ま た, 電 極 に導入す る不純 物 の拡 散に よる ダイオ ー ド特性 の 劣化の抑 制や A l A s 嘱 厚 の精行 な格J 御に よ り, 負 性抵抗特性 の最大電流 と過 剰電流 との比が 3 : 1 に 及ぶ高性能 ダイォー ドが実現で きる ことを示 して, 室 温 デ バ イスと しての有望性 を明 らか に した。 この研究 は, そ の後 の 内外 の研 究 に指◆十を与 え, 活 発化の端ネ 者となった, 文, 極 めて最近, 2 枚 の障性の間 を電 子波が往復 しつつ , トン ネル効果で抜 け出 してゆ く過程 を極短光 パ ル ス を用 い て検 出す るこ とを行 い, 応 答速度 に関す る新知兄 を得 て い るc 4 . 趣 薄膜 ヘ テ ロ構造中 の電 r 本 移動度 とヘ テ ロ構造 F E T の 特性限 界に関す る研究 G a A s , ￨ ( A l ( , a ) A s博膜 超 ヘテ ロ構造 に浴 う電 子伝導の研究 は 1 9 7 6 年に本研究 者 らが開始 したが , 1 9 7 8 年 ベ ル 研究所 で ドナ ー 不純物 と電 r ‐ とを空間 的 に分離 口 r 能な構 造へ と発展 し, 電 子の移動度 を高め るの に有効で ある ことが示 された. こ の構 造 は更 に 1 9 8 0 年富 上通 にお い て, F E T 材 料 として応 用 され, 高 電子移動度 トランジス タ ( l I E M T ) の名前で知 られる超 高速 デバ イスの 実現 に重 要な役告￨ りを果 して い る。 本研究 では, H E M T を 0低 含めて超滞膜 ヘ テ ロ構 造 F E T に お い て, 電 子 移 動度 を支配す る 要囚 を系統的 に調べ , 温 での電 1 移 動度 の に限 は残留 不純 物 の密度で定 まってお り, こ れ を 1 0 1 4 c m 3 以 下 とすれば, 2 × 1 0 6 c m 2 1 V s を越える超高移動度も達成可能なことや, ② 電子と音響型格子振動との結合強度, ③ 界面凹凸の電 子移 glJ度 に及ぼす効果, ⑤ 光学型格子振動放出による電 r ^ 温 度の冷却効果など電子移動度の定量的理解に資する 新知兄を明らかにした. 更に, 超 薄膜ヘテロ構造 F E T の 速度限界が, ① 究極的には電極間の走行時間で支配されて, 1 まほ 1 ピ コ秒 (1012秒 ) 程となること, そ の低減には高い電 , 移動度が重要な役害」りを果していることを示 している。文, 0 ー ト・チャネ 論理￨ 1 1 路 などに応用する場合には, 電 荷の充放電時間が遅れの主因であり, そ の低減には ( a ) ゲ ル間隔の小 さなF E T 構 造を用いて, ( b ) 多重の電 子をチャネル中に誘起で きる構造が不可欠であることなどを 併 せ て示 して い る。 これ に基 づ き, ダ ブ ルヘ テ ロ型 F E T の 提 案 ・試作 ・解析 を進 め たが , 内 外 で も関連 の 研 究 が 活 発化 しつ つ あ る。 この 他 , 電 子の波 動 関 数 の 形状 をゲ ー ト電圧 で制 御 し, これ に伴 う電 子 移 動度 の 変 化 を利 用 した新 しい トラ ンジ ス タ ( 速度 変調 トラ ン ジス タ) の原理 的検 品E を行 い , / L 行 時 間限 界 を破 る超 高速応 答 の 可能性 の あ り得 る こ と も示 して い る. 5 。 そ の 他 の 関連 研 究 お よび結 f 千 超薄肢 G a A s は , 光 学物性 に も独十 キの もの を持 ち, 壮 r 井 戸 レー ザ な どF t t i l i発i 光源 力 の 実 現 な どに利 用 され て い る― 1 本 研 究 で は C a A s 超 薄膜 に 光 を1 照身、 十した 時 に作 られ る電 r 本^ 正孔 の 結 合体 ( 励起 r と 呼 ′ Sミ ) が, 別 途 の 方法 で導 入 した電 r に よって 解離 ・消滅 す る キ : 実 を利 用 した新 しい た ス ィ ッチ を提 案解析 し, 最 近 そ の 水健 実 験 に成功 してい る￨ ‐ こ のデ バ イスは , F I E T 型 の 構 造 で , ゲ ー ト電￨ ￨ : の 作 用で たの吸 収 卒 や力 H 折 ■ を変 え る もので 守1 件され る. 今後 の 多様 な発展 がナ - 7 - バ 以上 の研 究 の他 に, 発 光過程 の ミク ロな機構解明や負性 抵抗 デ バ イ ス を集積化 した光双安定 デ イスな どの 研究 も進 めて きたが , 紙 数 の 都合 で告略 させ て頂 く. ￨卜 十 マ イクロヘテロ構造 の 分野 にお い の研究助成 を受領以後, 約 3 0 ヶ月の 間に 1 土 電子呑 オ1月 ヽ 学技術振興只 以 上, 高 村‖ 演 や国際誌で の て研究 に専心 し, 僅 かなが らも成 果を達成す ることがで きた. こ の問 , 多数 の 国際会議 でのf 岳 ^剤 j を知 らせ て, 新 しい学 問 の本健的 分野 の進展 に幾 らか の貢 献 を呆 論 文発表 をす る機 会 が与 え られ, 成 果の たせ た もの と考 えて い る. こ の間 , 高 柳先生お よび財回か ら頂い た御支援 は, 研 究 の物 品R 話人や旅費 な どとし 造的研究 を目指す 1 1 での貴重 な精神的支 え と して働 て研究 の 円滑 な推進 に極 めて有効であ っただけで な く, 台 」 い て きてお り, 末 争 なが ら心か らの御礼 を中 し 1 1 げたい。 なお、本研究 に関す る内容 の 詳細 は個 々の論文 とし 請求次 第, お 送 りさせ て項 きたい 。 て発表 して きてお り, 御 関心 の あ る方 々には仕‖ - 8 -
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