岡崎雄馬1,2 佐々木智1,2 村木康二1
1量子電子物性研究部 2東北大学
ショット雑音は、離散化された電荷の統計的な輸送過程に起因して発生する電流雑音である。量子ドット(QD)などのナノ構造におけるショット雑音測定は、通常のDC電流測定では調べられない非平衡特性や、エンタングルメントなどの電子相関効果を検出できる手法として注目されている。コトンネリングは、クーロンブロッケード領域で観測される高次のトンネル過程であり、基底状態のみが寄与する弾性過程と、励起準位が同時に関与する非弾性過程に分類される。この領域のショット雑音測定は、カーボンナノチューブQDの非弾性過程に対して報告されたのみで[1]、半導体QDではコトンネリング電流が雑音測定の分解能よりも小さく、どちらの過程に対しても測定が困難であった[2]。
本研究では、100 nm程度まで小型化した半導体横型QDをコトンネリング領域に制御し、低温アンプを用いて電流雑音を高感度に測定した［図1(a)］。小型化によりQDの準位間隔△E を1 meV程度の大きい値にできたため、雑音測定分解能より十分大きなコトンネリング電流を実現し、その測定が可能になった。図1(b)はクーロンブロッケードにおける伝導度のソースドレインバイアスVsd依存性である。低バイアス領域（|Vsd| < 1 mV）では弾性コトンネリングによる弱い伝導度が観測される一方、高バイアス領域（|Vsd| > 1 mV）では励起準位の寄与した非弾性過程により伝導度の増大が観測される。図1(c)に、この領域で測定したショット雑音Soutと電流I から求めたファノ因子[F = Sout /2eI （eは素電荷）]を示した。低バイアス領域では、F 〜 1のポアソン雑音が確認される一方、非弾性過程が支配的となる高バイアス領域では、F 〜 2.5程度まで雑音が増大した（スーパーポアソン雑音）。この雑音増大は非弾性過程に付随して余剰に電子が放出され、電子のバンチングが起きることに起因すると考えられる[3]。このようなショット雑音の違いを利用して、電子輸送現象の微視的なメカニズムを定量的に区別する新たなスペクトロスコピーが可能となる。
[1] E. Onac et al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 026803.
[2] S. Gustavsson et al., Phys. Rev. B 78 (2008) 155309.
[3] Y. Okazaki, S. Sasaki, and K. Muraki, Phys. Rev. B 87 (2013) 041302(R).
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