東北大ら,シンプルなGaN素子に量子ドット観測

東北大学とロームの研究グループは,シンプルな窒化ガリウム電界効果トランジスタ構造において,量子ドットが形成されることを観測した(ニュースリリース)。

窒化ガリウムおよびその積層構造は,大きな直接バンドギャップ,高い電子密度や電子移動度等の興味深い電子物性を持ち,LED,パワーデバイスや高周波デバイス等に活用されている。またその微細構造を利用して,量子ドット等の量子効果の発現が報告されており,量子デバイス応用に向けても研究が進められてきている。

一方,量子ドットの形成について,微小金属電極等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等に起因するものがシリコン電界効果トランジスタ構造等で報告されている。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等が形成されるため,量子ビットデバイス等への活用が期待されている。

研究グループでは,新しく窒化ガリウム電界効果トランジスタ構造において,不純物等に起因する量子ドットの観測に取り組んだ。

シンプルな窒化ガリウム/窒化アルミニウムガリウム電界効果トランジスタ構造について,低温下での精密な電気伝導測定を実施したところ,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。

さらにこの解析を進めることにより,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,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等を明らかにした。

シンプルな窒化ガリウム電界効果トランジスタ構造における量子ドット形成を観測できたことで,窒化ガリウムの電子物性と量子ドット特性を活用した量子ビットや量子センサ等の量子デバイスへの道が広がった。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等に鋭敏な指標となるため,これを活用することにより窒化ガリウム電界効果トランジスタの改良に貢献できる可能性があるとしている。

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