情報化社会の著しい発展はそれを支えるハードウエア技術の大きな進歩を要求している。擬1次元半導体量子細線をはじめとする低次元電子構造は、その中における特異な電子状態に起因する伝導現象を利用した次世代超高速新機能電子デバイスの実現に向けて、注目を集めている。このようなナノメートルサイズの超微細構造中では、電子の横方向閉じ込めが電子状態及び伝導に大きな影響を与える。しかし、これまで、量子細線中の電子状態を直接評価する方法が確立されていなかった。また、1次元電子系では電子間の相互作用が電子伝導に大きく寄与することが理論的に予測されているが、実験的には研究は端緒についたばかりである。

　本研究では、擬1次元量子細線構造における電子構造と電子伝導の解明を目的とし、AlGaAs/GaAs量子細線構造中の電子状態を磁気抵抗測定及び遠赤外分光法を用いて明らかにすることに成功した。また、擬1次元電子系における特異な電気伝導現象を見い出した。

　第2章では、本研究で用いた半導体量子細線デバイスの作製技術を紹介している。本研究では電子ビーム露光技術を用いて2次元電子系を有するGaAs/AlGaAsヘテロ構造基板上にサブミクロン間隔を持つ微細なスプリットゲートを形成することにより量子細線構造を実現した。このようなデバイスでは、ゲートに負の電圧をかけることによって量子細線の実効幅を連続的に変化できる上に、電子の閉じ込め強さを制御できる。電子移動度や素子境界の鏡面度を検討することにより、作製した量子細線構造の特性を評価した。

　第3章は、磁場中における量子細線構造中のサブバンドの形成について検討し、量子細線と量子ポイントコンタクトにおけるmagnetic depopulation効果の測定及びその解析について記述している。量子細線構造では、電子が量子細線の境界を壁とした静電ポテンシャルに閉じ込められ、離散的なエネルギー準位(サブバンド)が形成される。更に、磁場が量子細線に垂直に印加された場合、磁場による閉じ込め効果が静電閉じ込めに加わるため、電子の磁気サブバンドがこの2つの閉じ込めの合成ポテンシャルによって決まる。静電ポテンシャルが一定の場合、磁場を増加して磁気閉じ込めポテンシャルを強めると、電子の磁気サブバンドは間隔が大きくなり、高エネルギー順にフェルミ準位を次第に超える(magnetic depopulation効果)。このmagnetic depopulation効果を利用して、量子細線中におけるサブバンド数を測定し、閉じ込めポテンシャルや量子細線の幅及び電子密度を求めた。

　第4章は、量子細線における横方向の閉じ込めポテンシャルを直接決定する遠赤外(FIR)分光測定について記述している。さらに、その結果と従来の磁気抵抗測定の結果との比較も行った。量子細線構造中における電子状態や電子伝導を評価するためには、電子の閉じ込めポテンシャルを明らかにすることが必要である。スプリットゲート量子細線の場合、電子の閉じ込めエネルギーは、ゲートの静電界が作る裸のポテンシャルと電子間の相互反発エネルギーの和によって構成される。実験的に、電子の閉じ込めポテンシャルを評価するには、従来、magnetic depopulationの結果を解析するという間接的な方法がよく用いられていた。しかし、この方法は電子間の相互作用を含めた全ポテンシャルを見積るが、一般的に全ポテンシャル形状を放物線近似して実験データを解析するため、正確な結果を与える保証がない。スプリットゲート量子細線のゲート電圧を変化させて系統的に調べたところ、この方法で得られた閉じ込めポテンシャルは、物理的に正しい結果が得られないことがあることが明らかになった。もう1つ従来よく用いられている方法が、遠赤外透過分光法である。この方法においては、数ミリ四方の基板上に均一に多重量子細線構造を作製することが必要であり、技術的に困難がある上、多重細線の平均的な情報をしか得られない。

　本研究では、単一量子細線構造中の電子状態を明らかにする新しい遠赤外分光法を提案し、それにより量子細線中の電子の閉じ込めポテンシャルを評価することに成功した。一般化されたKohnの定理によれば、電子の裸の閉じ込めポテンシャルが放物線形状を有する場合、電子の相互作用とは無関係に、光吸収は裸の閉じ込めポテンシャルによって決まるサブバンドエネルギーで起こる。静電気学の理論計算を行った結果、スプリットゲート量子細線構造では、ゲートの静電界が作る裸のポテンシャルは量子細線領域では、ほぼ放物線的であることが確かめられたので、遠赤外分光測定を行い、裸の閉じ込めポテンシャルを直接決定した。具体的には、量子細線試料の表面に垂直に磁場を印加し、遠赤外光を入射したときの量子細線の光磁気抵抗変化スペクトルを測定し、それより電子の裸の閉じ込めポテンシャルに対応するサブバンド間隔を求めた。その結果は理論値と良く一致し、遠赤外分光法が量子ナノ構造中の電子状態を評価するのに有力であることがわかった。

　第5章は本研究で見い出した量子細線中の特異な電子伝導現象を記述している。第1は、電気抵抗の特異な温度依存性である:量子細線領域においては、電気抵抗は温度が下がるに従って増大し、極低温で飽和するという特異な依存性を示した。細線幅が狭いほど、この依存性が強く、抵抗は低温で温度の約-1.5乗に比例するという強い温度依存性を示した。一方、長さが電子の平均自由行程と同程度に短い量子細線では、抵抗の強い温度依存性は見られなかった。この現象は電子間相互作用効果を考慮した理論予測と定性的に一致するが、実際の量子細線では複数の要因が抵抗の温度依存性に寄与していると考えられ、観測された結果を今までの理論では直接に説明できなかった。第2は磁場に誘起される特異な電子伝導である:量子細線がピンチオフするごく近傍で磁場に強く依存する電気抵抗が観測された。これらの現象の発生機構は未だ明らかではない。

　以上、本研究では、電子ビーム露光法により作製された良質なAlGaAs/GaAs単一量子細線構造中の擬1次元電子系の電子閉じ込め状態について検討を行い、遠赤外分光法により電子の横方向閉じ込めエネルギーを直接決定することに成功し、遠赤外分光法が量子ナノ構造中の電子状態を明らかにするのに有力であることを示した。一方、従来の磁気抵抗法の解析から電子状態を求める方法は放物線近似を導入した場合、物理的に正しくない結果を得ることがあることを明らかにした。また、量子細線における電気抵抗の特異な温度依存性や磁場により誘起された特異な伝導現象を見い出した。

　半導体中の電子の特性長(電子波のドブロイ波長、位相コヒーレンス長、平均自由行程)と同程度の寸法を有する半導体ナノ構造においては、様々な新しい物性が現れる。このような半導体ナノ構造中の物性は、次世代の高機能光・電子デバイスを実現する可能性を秘めており、大いに注目を集めている。なかでも、電子を2方向から閉じ込めた半導体量子細線構造は、その特異な電子状態に起因する伝導現象を利用した超高速トランジスタや高性能半導体レーザの実現に向けて、盛んに研究されている。この半導体量子細線構造中においては、電子の横方向閉じ込めや電子間相互作用が、電子状態および電気伝導現象に大きな影響を与えることが予想されているが、その研究は端緒に就いたばかりである。本論文は、半導体量子細線構造中の電子状態および電気伝導特性に関する研究を記したものであり、「Electronic Structures and Transport Properties in Quasi-One-Dimensional AlGaAs/GaAs Quantum Wire Structures(AlGaAs/GaAs擬1次元量子細線構造における電子構造と電子伝導)」と題し、全7章より成っている。

　第1章は序論であり、本研究の背景および目的について述べている。

　第2章では、本研究で用いた半導体量子細線構造のの作製技術について記述している。電子ビーム露光技術を用いてGaAs/AlGaAsヘテロ構造基板上にサブミクロンの間隔を有する微細なスプリットゲートを形成することにより量子細線構造を実現している。

　第3章では、作製された量子細線構造中の電子移動度や素子境界の鏡面度を検討することにより、作製した量子細線構造の品質や特性、またスプリットゲート電圧が電子密度や量子細線幅に与える影響について検討している。

　第4章では、磁場中における量子細線構造中のサブバンドの形成について検討し、量子細線と量子ポイントコンタクトにおけるmagnetic depopulation効果の測定及びその解析について記述している。量子細線構造中では、素子境界を壁とした静電ポテンシャルに閉じ込められ、離散的なサブバンドが形成される。更に、磁場が印加された場合、磁場による閉じ込め効果が静電閉じ込めに加わるため、電子の磁気サブバンドがこの2つの閉じ込めの合成ポテンシャルによって決まる。磁場を増加し磁気閉じ込めポテンシャルを強めると、電子の磁気サブバンド間隔が増大し、高エネルギーからフェルミ準位を順次超える(magnetic depopulation効果)。この効果を利用して、量子細線中におけるサブバンド数を測定し、閉じ込めポテンシャルや量子細線構造の有効幅及び電子密度を求める方法について記述している。

　第5章では、単一量子細線構造中の電子状態を明らかにする新しい遠赤外分光法を提案し、それにより量子細線中の電子の閉じ込めポテンシャルを直接的に評価する方法について記述している。量子細線試料の表面に垂直に磁場を印加し、遠赤外光を入射したときの量子細線の光誘起磁気抵抗変化スペクトルを測定し、それにより電子の裸の閉じ込めポテンシャルを直接決定することに成功するとともに、その結果を理論値と比較し、良い一致を見ている。これにより、遠赤外分光法が量子ナノ構造中の電子状態を評価するのに非常に有効であることを示している。さらに、遠赤外分光の結果と第4章の磁気抵抗測定の測定の結果を比較検討し、magnetic depopulationの解析において従来よく用いられてきたポテンシャル形状の放物線近似が、必ずしも正しい解析結果を与えないことを示している。

　第6章は、量子細線構造中の特異な電子伝導現象について記述している。特に、量子細線構造中の電気抵抗が、温度低下とともに増大するという特異な現象を見いだし、その原因について、電子間相互作用の効果に関連させて、検討を行っている。

　第7章は「結論」であり、本論文の主要な結論を述べている。

　以上これを要するに、本論文は半導体量子細線構造を対象とし、その中における電子の閉じ込めポテンシャルを決定する新しい方法として遠赤外磁気抵抗分光法を提案し、それを用いて電子状態を明らかにするとともに、量子細線構造中の特異な電気伝導現象を実験的に調べたものであり、電子工学に貢献するところが少なくない。よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。