山端元音 西口克彦 藤原聡
量子電子物性研究部
単電子転送は電子1個を正確に操作できる技術であり、超低消費電力回路や電流標準への応用が期待できる。単電子転送の転送精度は、ビットエラーや電流標準の不確定性を決定する重要な値であり、例えば標準応用では10-8以下の十分低いエラーレートが必用である。今回、シリコン細線MOSFETを用いた高速単電子転送素子[1]において初めて、転送の絶対精度評価を行った[2]。
図1に素子の模式図を、図2に電子顕微鏡写真を示す。Si-on-insulator 基板に形成した3つのシリコン細線MOSFET (FET1-3)から成る単電子転送素子と、細線MOSFET
(S-FET)から成る高感度電荷計が集積された構造である。転送精度の絶対評価を行うため、まずFET3をOFFにし、ノード領域(Node)を形成した。その後、FET1、FET2、ソース(S)にパルス電圧を加え、ノードとソース間で単電子を往復させるシャトル単電子転送を行う。その際のノードの電子数をS-FETで検出しエラーを見積もる。この測定ではノードの平均電子数を読み取るため、低速の検出素子でも高速転送のエラーを評価することが可能であるが、今回は転送機構を詳細に調べるため、シングルショットの測定を行った。これにより単電子のノードへの捕獲過程とノードからの放出過程を分離して評価することが可能になった。
測定温度17 Kでのシャトル単電子転送検出の典型的な結果を図3に示す。検出電流(IS-D)の急峻な変化が単電子の捕獲、放出を示す。ここでは捕獲過程のエラーが2つ観測されている。この測定を長時間行い、捕獲、放出の最良のエラーレートを見積もるとそれぞれ2.1
%および0.25 %程度であった。前者は熱揺らぎを過程したモデルで説明することが可能で、さらなる構造の微細化や低温化で高精度化を実現できる可能性が示唆された。後者は熱揺らぎモデルで説明できず、パルス電圧の依存性等から、トラップ準位に起因していることがわかった。このトラップ準位を介した転送では低いエラーレートを示しており、高精度単電子転送へ利用できる可能性がある。
[1] A. Fujiwara et al., Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 042102.
[2] G. Yamahata et al., Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 222104.
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