西口克彦 藤原聡 小野行徳 猪川洋 *高橋庸夫
量子電子物性研究部 *現在:北海道大学
単一電子デバイスは、超低消費電力デバイスとしての観点から注目を集めている。その一形態である単一電子転送デバイスは、単一の電子で情報を伝達･処理する回路等への利用が期待されている。これを実現するには正確に電子の動きをコントロールし、その電子を高感度に検出する方法が必要である。しかし、これまではデバイス･サイズが大きいために動作温度が低温に限られ、また、デバイスの不安定性、作製や動作方法の複雑さが回路を構成する上で大きな障壁となっていた。
今回、我々はSOI基板を用いたMOSFETの作製方法を応用して、単一電子転送デバイスと高感度電荷計を組み合わせたシリコン･ナノデバイスを作製した（図1）[1]。単一電子転送デバイスは直列に接続された2つの細線FETで構成され、その間に非常に小さな単電子箱が形成される。図2の挿入図は単一の電子を転送する方法を示しており、FET1とFET2を交互に開閉して単一の電子を単電子箱を通して電子蓄積部へと転送する[2]。これを転送サイクルとして繰り返すことで電子を次々と電子蓄積部に転送、蓄積する。そして電子蓄積部に近接した高感度電荷計の電流変化をモニタすることで、転送された単一電子の検出を行う[3]。
図2は転送サイクルを繰り返したときの高感度電荷計の電流変化であり、サイクル毎に起こる電流変化は電子蓄積部に1個の電子が転送されたことを意味する。今回、デバイス構造と動作条件の改良により単電子箱を小さくすることで、室温での単一電子転送と検出に成功した。このデバイスはFETを用いて電子を転送、蓄積するので、高速な電子転送（10ナノ秒以下）と長い電子保持時間（104秒以上）が可能となった。また、これらの特徴を生かして単一電子多値メモリ（多値レベル数:32）の動作を確認した[1]。
[1] K. Nishiguchi, et al., International Electron Devices Meeting (IEDM) (2004)
199.
[2] A. Fujiwara, et al., Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1323.
[3] K. Nishiguchi, et al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1277.
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| 図1 |
（a)素子の平面SEM像 (b)単一電子転送素子の鳥瞰図 |
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図2 | 単一電子の転送と検出特性 |