Si細線MOSFETを用いた単電子ラチェットによるナノアンペア電荷ポンプ

藤原 聡 西口克彦 小野行徳
量子電子物性研究部

 電子1個1個を正確に操作する単電子転送は、量子電気標準や単電子集積回路への応用が期待されている。金属ベースの単電子ポンプやターンスタイルの場合、トンネル接合に金属酸化物を用いるため、トンネル抵抗は固定となる。一方、半導体の場合、ゲート電界誘起トンネルバリアを利用できるため、抵抗ならびにRC時間を調節可能となり、高速動作に有利である。我々は、2本の微細ゲートを有するSi細線MOSFETのそれぞれのゲートに、位相のずれた2つのAC信号を加えるターンスタイル動作により、100 MHzの単電子転送を実現したが[1]、標準量子トライアングルの実験にはナノアンペア以上の電流が必要となるため、さらなる高速動作が望まれていた。
 今回我々は、1つのAC信号のみの簡便な動作で単電子転送を可能とする単電子ラチェットを提案し、ナノアンペア電荷ポンプを実現した[2]。単電子の捕獲と放出を行うポケットポテンシャルを内包する非対称ポテンシャルを用いているため、ソース・ドレイン間にバイアスがない条件でも、方向性の単電子転送が可能となる。図1(a,b)にデバイスの電子顕微鏡像と単電子ラチェットの動作模式図を示した。中央の微細ゲートに周波数f のAC信号を印加し、Si細線中に振動バリアを形成し、右側のゲートには固定の負電圧を加え、一定高さのバリアを形成する。2本のゲートに挟まれた領域が単電子島として機能し、ソースから単電子を捕獲し、ドレインへ放出する。1周期当りの転送電子数は、デバイスを幅広く覆う上層ゲートで制御する。図1(c)に、温度20 Kにおける転送電流の上層ゲート電圧(VUG)、ドレイン電圧(V)依存性を示す。単電子転送に起因する電流プラトー(I =mefm:整数)が明瞭に観測され、ドレイン電圧の極性にかかわらず方向性の単電子転送が実現されている。図2にf =2.3 GHzにおけるナノアンペア転送電流の特性を示す。転送誤差は今のところ10-2程度と見積もられるが、電流プラトーの形状に単電子捕獲の非断熱性が影響を与えていることが分かり、今後の高精度転送化に向けて有益な知見を得た。今後、転送機構の解明と高精度化を進めることにより、高電流の電流標準の実現が期待できる。本研究の一部は、科学研究費補助金基盤研究(No. 16206038, 19310093)の援助を受けて行われた。

[1] A. Fujiwara, et al., Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 1323.
[2] A. Fujiwara, et al., Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 042102.

図1 (a)デバイスの電子顕微鏡像 (b)単電子ラチェットの動作模式図 (c)転送電流の等高線プロット 図2 単電子転送の2.3 GHz動作

【前ページ】 【目次へもどる】 【次ページ】