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本年度の代表的な研究成果の概要を下記に示します。
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、二層二次元系のキャリア相関、伝導電子と核スピンの相関） (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（量子ドットの電子状態、スピン制御、キャリアダイナミクス、量子計算機構成法の基本特性の解明） (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) 有機金属気相成長法を用いたGaN結晶成長およびデバイス作製加工技術の研究 (２) GaN半導体を用いた電子および光デバイス物理の研究 (３) AlN冷陰極材料の電界発光の研究 (４) ダイヤモンド薄膜結晶成長と物性解明の研究 本研究分野の本年度の代表的な研究成果４つを次ページ以降に掲載しています。
極低温で動作する走査型トンネル顕微鏡を用いて、半導体ナノ構造に閉じ込められたゼロ次元状態の電子波を直接観測することに初めて成功し、測定した局所状態密度の分布が計算によるゼロ次元固有状態の存在確率分布と良く一致することを実証しました。これは量子力学が古くから教えてきた現象を、あたかも顕微鏡を覗くように検証したものです。
二層の二次元電子ガスからなる電子二層系に垂直磁場を印加すると、層間の結合により二つに分離したサブバンドから派生したランダウ準位が様々に交差します。この交差状態でもエネルギーギャップが存在し量子ホール状態が出現することを見出しました。これは、電子系に強磁性的秩序が形成された結果生じる新しいタイプの整数量子ホール効果です。
波長200〜360nmの紫外波長域で発光可能なAlGaNを活性層に持つ発光ダイオードを作製し、従来よりも1桁以上高い光出力10mWを波長352nmで実現しました。外部取り出し効率はまだ１％であるものの、内部量子効率は既に80％に達しており、Alを含む窒化物材料系の高効率発光デバイスとしてのポテンシャルの高さを初めて実証したものです。
独自に開発した正孔濃度が高いｐ型InGaNをベース層に用いて、Npn型ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）を作製し、世界トップクラスの電流利得20を実現しました。このことはｐ型InGaN層の結晶性が良好であることと、大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体の高出力電子デバイスとしての可能性を実証したものです。
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