量子電子物性研究部
「電流」は、多くの電子機器で用いられ、電子輸送現象における基本的な測定対象であるが、その検出感度は低く、高感度電流計においても毎秒105〜106個程度の電子の流れを必要とする。一方、ナノテク研究においては、１００ナノメートル以下の微小な伝導領域（量子ドット）を用いることにより、クーロン閉塞によって電子を１個ずつ出し入れすることが可能になり、単一電子トランジスタなどへの応用や、量子ドット内の電子状態の物性研究が行われている。本研究は、量子ドットのクーロン閉塞現象を用いることによって、単一電子トンネル電流の電子の流れを実時間で観測することに成功したもので、電子を１個ずつカウントすることによって電流を測定する超高感度電流計への応用が期待される。
本研究では、２つの量子ドット（上・下）を静電的に結合させ、上側の量子ドットを流れる微弱な電流を、下側の量子ドットを流れる比較的大きな電流の変化によって検出する[1]。上側量子ドットに電子が入ると、下側量子ドットの電流が減少するため、単一電子電流のカウントが可能になる。実験で用いた素子（図１のSEM写真）は、AlGaAs/GaAs変調ドープ二次元電子ガスをエッチング（上・中央・下の暗い領域）とゲート電極（縦の明るい線）によって作製したもので、絶縁された２つの伝導チャネル（２本の帯）内に量子ドットを１個ずつ（白丸）形成した。上側のチャネルに電流を流し、その電子のトンネル事象を下側量子ドットの伝導度の変化として検出する。十分な周波数帯域を得るため、高周波信号（660MHz）を入射し、その透過信号をＬＣ共振回路・低ノイズアンプ・ミキサーによって検波し、伝導度に比例した出力Vdetを測定する。
図２(a)は、上側量子ドットがクーロン閉塞(CB)にある場合のノイズ信号と、単一電子トンネル(SET)領域におけるカウント特性を示している。SET領域で２値的な信号が観測され、より長い時間でのヒストグラム（図２(b)）に２つのピーク構造が見られることから、電子が上側量子ドットに入った事象（白丸）と電極に出て行った事象（黒丸）を観測することができる。図の例では、10msに約５個の電子が流れたことを示しており、0.08fAという微弱な電流をカウントできている。今後は、双方向電流をカウントできる素子と微少電流計としての応用を目指す。
[1] T. Fujisawa et al., Appl. Phys. Lett. 84, 2343 (2004).
 |
||
| 図１ 単一電子カウントの測定系
|
図２ 実時間カウント(SET)と背景ノイズ(CB) | |