シリコン・ナノデバイスを使った
室温動作可能な単一電子デジタル-アナログ変換器

西口克彦1 小野行徳1 藤原聡1 猪川洋1* 高橋庸夫2
1量子電子物性研究部 2北海道大学

 単一電子転送デバイスは、単一の電子で情報を伝達・処理する超低消費電力回路への利用が期待されている。我々はこれまでにMOSFETの作製方法を応用したシリコン・ナノデバイスを用いることで、正確に電子の動きをコントロールし、その単一電子信号を増幅することに室温で成功している[1]。今回、このデバイスを利用した新たな情報処理回路を考案し、室温で動作確認を行った。
 今回作製した回路は、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・ナノデバイスである(図1)[2]。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。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(図2挿入図)[3]。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。
 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、転送時間が10ナノ秒以下の単一電子転送と、高感度(0.005e/Hz0.5)な単一電子検出が可能となった。更に、1回に転送する電子の数が0、1、2、4個になるように印加電圧を制御することで、時分割入力した3 bit 2値信号をデジタル-アナログ変換し、8値の電流変化として出力することに成功した[2]。単一電子回路の新しい応用可能性を広げるだけでなく、従来のLSIで利用する2値信号を単一電子信号に変換する基幹デバイスとしての利用が期待できる。

[1] K. Nishiguchi, et al., International Electron Devices Meeting (IEDM) (2004) 199.
[2] K. Nishiguchi, et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 183101.
[3] A. Fujiwara, et al., Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1323.

*現在所属:静岡大学


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