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量子効果デバイスの先駆的研究

 半導体デバイスは、電子工学のあらゆる分野で重要な役割を果たしている。事実、デバイス特性の向上や新機能の登場により、優れた新機器やシステムが次々に実現されつつある。一般に、トランジスタやレーザなどの特性は、SiやGaAsなど半導体材料の物性で決定されるが、同時にデバイスを構成する半導体の寸法や構造にも依存する。特に素子の応答速度やレーザのしきい値電流などについては、寸法の微細化が特性を向上させるため、素子の微細化が進展している。

 さて、半導体デバイスを構成する結晶の実行寸法が電子の量子力学的波長(約100Å)程度になると、電子は波動性を顕在化させ、従来の半導体では見られない多様な現象が現れる。この量子効果の出現は、電子の粒子性を前提とする従来のデバイス設計や解析法を波動論に基づいて再構築することを必要とすると共に、波動性を巧みに制御すれば、従来にない高性能のデバイスを実現できる可能性をもたらした。

 榊裕之氏と荒川泰彦氏は、この量子効果の重要性に早くから着目し、ミクロなデバイス構造における電子波の振舞いを解明すると共に、所望の機能を実現する上で有効な新デバイス構造や物理概念を創出する一連の研究を進めてきた。この結果、以下に記す一連の先駆的成果を達成し、量子波エレクトロニクスとも称すべき新分野の展開に先導的役割を果たした。

 量子構造内の電子伝導とその応用に関しては、まずGaAs/(AlGa)As超薄膜構造の膜面に沿う電子波の伝導の研究を世に先駆けて開始し、電子の量子状態の制御性を実証すると共に、HEMT誕生の端緒を与えた。また、超薄膜GaAsチャネル内の電子散乱過程を解明して、トランジスタの特性限界の決定要因とその打破可能性を明らかにした。更に、半導体長薄膜内に人口障壁を導入した量子細線と表面超格子の概念を提案・解析し、これらの系では電子波の散乱やブラッグ反射が制御でき、超高速FETや量子干渉を制御した新しいトランジスタとなり得ることを示した。この研究はその後の量子細線や量子箱関連の研究の先駆けとなった。2重障壁構造を横切る共鳴トンネル効果に関しては、構造最適化により室温での負性抵抗の実現性を示すと共に、トンネル透過の動的過程が光学的に解明できることを示している。

 量子構造の光物性とその応用に関しては、量子井戸レーザの特性を支配する物理要因を解析すると共に、活性層を量子細線・量子箱とした新レーザ構造を提案し、飛躍的な特性改善が期待できることを示した。また、量子井戸レーザの高速利得スイッチにより超短光パルスが得られることを示している。更に、複数の量子準位間の光遷移を用いた赤外光検出や、共鳴トンネル負性抵抗素子と量子シュタルク効果素子の結合による新しい光多定特性など、量子効果の活用によりさまざまな新機能が得られることを示している。

 以上のように両氏は、デバイス構造がミクロ化するときに顕在化する電子の波動性を解明することにより、デバイス特性の著しい向上を図ると共に、量子効果を巧みに制御して新デバイス機能が実現できることを先駆的に示してきた。この成果は半導体電子光学の新分野を切り開くものである。

 この技術に対して、電子情報通信学会は、1991年、榊裕之氏、荒川泰彦氏に業績賞を贈った。

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キーワード

量子効果、量子細線、量子箱、量子井戸レーザ、レーザ・量子エレクトロニクス
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