量子電子物性の研究概要

向井孝彰
量子物性研究部

　情報通信技術に大きな変革をもたらす先端半導体成長技術を駆使した革新的半導体デバイスの提案、ならびに電子物性分野における学術的貢献を目指して研究を進めています。本研究分野の研究は量子電子物性研究グループ、ワイドギャップ半導体研究グループにより進められています。各研究グループの研究項目とその研究内容を下記に示します。

量子電子物性研究グループ
(１)低次元半導体ヘテロ構造中のキャリア相関の研究（高移動度半導体中二次元電子、正孔の輸送特性、二層二次元系（電子・電子ならびに電子・正孔近接系）のキャリア相関解明、伝導電子と核スピンの相関の解明）
(２)量子ドット半導体構造における量子電子状態制御の研究（縦型ならびに横型量子ドット(人工原子･人工分子)の電子状態解明、量子ドットのスピン制御、量子ドットのキャリアダイナミクス、人工分子を用いた量子計算機構成法の基本特性解明）
(３)半導体ナノメカニカルシステムの研究（構造作製と物性評価）、ナノプローブ技術（低温STMによる電子状態のナノスケール直接観測）

ワイドギャップ半導体研究グループ
(１)GaN結晶成長技術の研究（低欠陥GaN有機金属気相成長機構ならびにファセット形状制御成長機構の解明、ｐ型高濃度ドーピング技術、デバイス作製加工技術の確立）
(２)GaN半導体デバイス物理の研究（量子井戸構造GaNの光物性・電子物性の解明と耐環境・高温動作電子デバイスの実現、短波長域発光ダイオード・半導体レーザの実現）
(３)AlN冷陰極材料の電界発光の研究（Si不純物高濃度化による低閾値化､電流密度の増大）

　本研究分野の本年度の代表的な研究成果3つを次ページ以降に掲載しています。電子スピンの相関現象である近藤効果を、制御性の良い半導体微小量子ドット（人工原子）で実験し、ユニタリー極限と呼ばれる理論限界の伝導度を実現すると共に、偶数個の電子が関与する新奇な近藤効果の存在を実証しました。これは、半導体中での電子スピン相関を制御してデバイスへ応用する「量子相関エレクトロニクス」への道を拓く学術的な成果です。
　極低温で動作する走査型トンネル顕微鏡を用いて、半導体極薄膜中に形成された２次元電子の「波」としての振る舞いを、ナノメータースケールで直接観測することに初めて成功しました。これは、従来の最表面に束縛された電子波動の観察と異なり、半導体中で電気伝導を担う２次元伝導電子に対する波動性の直接観測であることが特徴であり、半導体デバイスの微細化が進展する中で、今後、ますます重要になる実験手法と位置付けられます。
　窒化物ワイドギャップ半導体の電子・発光デバイスに続く新たな応用に繋がる電子物性として、高品質な窒化アルミニウム半導体中にSi不純物を高濃度に添加した新規材料で、高効率なフィールドエミッション（FE）特性を実現しました。その最大エミッション電流密度は、これまで最高値を示したダイヤモンドのそれを凌駕しており、FEディスプレイ等への応用にも期待が持てる研究成果です。

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