先端デバイス研究部
単電子デバイスは電子１個で動作させることが可能なデバイスであり、従来型トランジスタに比べサイズも消費電力も桁違いに小さいことから、将来の超大規模集積回路の構成部品として注目されている。単電子ポンプは、単電子デバイスの中の一形態であり、“ポンプ”の名が示すとおり、印加電圧が負であっても正方向に単一の電子を転送することが可能である。単電子トランジスタをはじめとする単電子デバイスの中でも、転送精度が最も高く、かつ、エネルギー消費は最も少ない。しかしながら、これまでの金属を用いた単電子ポンプは、動作温度が100mK以下に限られ、また、動作も不安定であり、応用上、大きな問題があった。
通常、単電子ポンプは、リーク電流を極限まで抑えるために、クーロン島と呼ばれるナノメートル（nm）サイズの微細構造を多重に連結する必要がある。この多重連結島の作製は極めて困難であり、シリコンを用いた作製技術はいまだ確立されていない。一方、たった一つのクーロン島を有する単電子トランジスタでは、リーク電流を抑えることができず、単体としてはポンプとして動作しないが、シリコンを用いた単電子トランジスタは、特性が安定しており、高温で動作することが知られている[1]。
今回我々は、多重連結島を用いる代わりに、シリコン単電子トランジスタのクーロン島の両脇に超微細MOSトランジスタを配備した新構造を考案した。これらMOSトランジスタのチャンネルを必要に応じてオフすることにより、リーク電流を抑制し、従来より２−３桁高い25Kでのポンプ動作に成功した[2]。図１は単電子トランジスタ・MOSトランジスタ複合構造の電子顕微鏡写真、図２は、同デバイスのポンプ動作を示す電流電圧特性である。図2において、二つのゲート電極に位相差をつけた交流電圧を印加することにより、ドレイン電圧０V付近の電流が、eを素電荷、fをゲート電圧の周波数として、I
= ef に量子化されている。また、位相差を反転すると電流の極性も反転という、単電子ポンプ特有の特性が得られている。
今回の結果は、実用的単電子ポンプ作製への第一歩である。
[1] Y. Takahashi, et al., J. Phy.: Condens. Matter 14 (2002)
R995.
[2] Y. Ono and Y. Takahashi, Appl. Phys. Lett. 82 (2003)
1221.
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