量子物性研究部
微細加工技術の進歩により、今日ではナノスケールの素子が作製可能となっている。ナノスケール領域では、量子力学的波動性が電子物性を支配する。電子の波動性を活用した高機能な量子効果デバイスや量子コンピュータなどを実現するには、ナノ領域での電子の振る舞いを実空間観察して理解することが重要である。そのため我々は、低温で動作する走査トンネル顕微鏡（STM）を応用した微分伝導度（dI/dV）測定により局所状態密度（LDOS）分布測定を可能とし、化合物半導体InAs（砒化インジウム）の薄膜表面に存在する二次元伝導電子ガス（2DEG）のFriedel振動の観察など、波動性に起因する伝導電子の振る舞いの評価を実現してきた [1]。
図1は、現像途中のレジスト表面を原子間力顕微鏡（AFM）で観察した像である。表面モフォロジーは、現像液の種類により、大きく異なる。通常のパターン形成に用いている酢酸ヘキシル現像では、多くの集合体が表面に露出している (図1(c))。一方、酢酸エチル現像の場合は、表面に露出している集合体は皆無である(図1(a))。
今回、半導体ナノ構造に閉じ込められた電子の振る舞いの評価にこの観察技術を適用し、ゼロ次元状態の電子波を直接観察することに初めて成功した [2]。図1に，積層欠陥四面体と呼ばれる半導体ナノ構造を示す。電子波長サイズのものはInAs表面蓄積層中の2DEGを閉じ込めるゼロ次元構造（量子ドット）として機能する。ナノ構造において測定したLDOS分布が、計算によるゼロ次元固有状態の各存在確率分布と、エネルギー準位差も含め良く一致することがわかった。これは、ゼロ次元量子化により状態密度分布のエネルギー依存性が離散化の傾向を示すようになったためであり、特に電子エネルギーが量子準位に一致する場合では、構造内部のLDOSが外部に比べて高くなる量子力学的共鳴現象も観測することができた。
[1] K. Kanisawa, M. J. Butcher, H. Yamaguchi, and Y. Hirayama, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 3384.
[2] K. Kanisawa, M. J. Butcher, Y. Tokura, H. Yamaguchi, and Y. Hirayama, Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 196804.
| 図1 | 半導体ナノ構造のSTM像と透視図（左）、及び測定したLDOS分布と計算で求めたゼロ次元固有状態（右）。明るい領域は高いLDOS（存在確率）に対応。 |